摘 要

随着电力电子技术的不断进步，电力系统不断向超高压和大容量的趋势发展，人们在工作生产中采用的电能变换装置的功率等级也随之不断提高。传统的电磁兼容电流探头由于存在磁饱和等原因，无法满足大电流系统的测试需求。常规的大电流传感器有基于霍尔效应制作的也有基于Rogowski线圈制作的，但是接有有源放大器，导致输出信号的噪声较大，不适合检测大电流变化装置的高频干扰电流。

本文在研究Rogowski线圈原理和动态特性的基础上，在原有的商业探头上进行改造，解决和频谱分析仪阻抗不匹配的问题，设计的柔性电流探头能够承受大电流，输出噪声较小，并通过基于时域测量的频谱分析方法获得噪声频谱，为解决大电流系统中电磁干扰电流的检测问题提供了有效思路。

关键词：电磁兼容；无源柔性电流探头；Rogowski线圈；大电流系统

Abstract

With the rapid development of power electronics technology, electric power system has been expanding towards the trend of ultrahigh voltage and high capacity. The power level of the power conversion people using in the production is constantly increasing. Due to the magnetic saturation problem, conventional current probe used in electromagnetic compatibility detection cannot meet the test requirements on high current system. The conventional high current sensors, including one type based on Hall detection technology and another based on Rogowski coil, are also not suitable for the Radio Frequency interference current measurement in high current power device due to the high noise level in the output of active amplifier.

In this paper, a passive flexible current probe based on the study of the principle and dynamic characteristics of Rogowski coil is proposed that can withstand high current and has low noise level, transforming of the original commercial probe, and solving the problem of impedance mismatch spectrum analyser, providing effective ideas of solving the measurement problems of interference current in high current power converter.

Key Words：EMC；passive flexible current probe；Rogowski coil；high current system

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 选题意义、主要研究内容与方法 5

1.3.1 选题意义 5

1.3.2 主要研究内容和方法 5

第二章 罗氏线圈的结构与特性 7

2.1 测试标准及探头使用现状 7

2.2 罗氏线圈的测量原理 10

2.3 罗氏线圈的等效电路 11

2.4 罗氏线圈的两种不同结构 12

2.4.1 矩形截面线圈 12

2.4.2 圆形截面线圈 13

2.5 罗氏线圈的工作方式 14

2.6 本章小结 17

第三章 罗氏线圈的结构参数选择 18

3.1 线圈在不同结构参数下对动态特性的影响 18

3.2 线圈匝数的分析与选择 18

3.3 线圈中心半径的分析与选择 21

3.4 线圈高度的分析与选择 23

3.5 线圈截面直径的分析与选择 24

3.6 本章小结 25

第四章 干扰电流的替代测试方法 26

4.1 两种测试干扰电流的替代方法 26

4.2 基于原有探头的改良方法 26

4.2.1 无源柔性探头 26

4.2.2 改造方式 26

4.3 基于时域测量的频谱分析方法 27

4.3.1 EMI测试接收机 27

4.3.2 基于时域测量的频谱分析方法 28

4.3.3 具体应用 29

4.4 本章小结 30

第五章 结论 31

参考文献 32

附 录 35

致 谢 39

第一章 绪论

1.1 研究背景

电流探头是宽带电流互感器^[1]，并且带宽很大，可以用来提取线缆电磁噪声，工作时不会对系统的正常工作状态产生影响^[2]，所以常用作电磁兼容干扰的一种检测手段。

随着电力电子技术的飞速发展，人们需要检测得干扰电流逐渐增大，用电设备得电压等级也不断升高，系统不断向超高压、大容量方向的发展，冲击电流达10MA乃至更大的电力装置不断涌现^[3]，如何安全、经济并可靠地测量大电流对整个电力系统地运行有十分重大的意义。

测量电压、电流的主要工具为传统的电磁式电流互感器，传统电磁式电流

互感器因其传感机理而出现不可解决的问题^[4,5]：①铁芯的存在使得线圈在通过大电流时存在铁磁饱和现象，电流互感器的瞬时输出电流严重畸变；②电流互感器中的线圈在高频状态下易发生铁磁谐振；③工作过程中会产生很大的热量，且不易散发，因此有防爆问题；④高压下线圈绝缘性能的要求很高，导致制作成本大，并且设备体积大。由于以上种种原因，传统常规的电磁兼容测试用电流探头无法满足中压大电流系统的干扰测试需求。

常规的大电流传感器的有源放大器输出噪声较高，也不适合高频大电流干扰检测。而与传统电磁互感器相比，Rogowski（罗氏）线圈没有铁芯带来各种影响，具有测量范围广、线性度好、低成本、无磁饱和、安全、无剩磁、频带宽、体积小等突出优点^[6,7,8]，可以成为测量高频传导电流的理想原件。随着传感器技术的发展，罗氏线圈在电流测量上的应用越来越多。

因此，本文试图设计基于Rogowski线圈和无源匹配电阻的柔性电流探头，能够满足宽频大电流的检测。

1.2 国内外研究现状

现代的工业生产和科学研究中，被测电流信号的幅值、频率存在很大的差异,所以采用的物理方法和检测手段也是不同的。

在现研究阶段，用于测量电流的传感器主要有分流器、电磁式电流互感器、基于霍尔效应的电流传感器、Rogowski线圈电流互感器^[9]。

分流器一般用来测量比较大的直流电流，例如几十安培甚至几百安培的电流，这种时候没有如此大量程的电流表用于大电流的测量，所以就要采用分流器测量电流大小。分流器是根据电流通过电阻时在电阻两端产生电压进行电流测量，利用分流器测量电流时，是将电阻数值已知的分流器串联在被测电路里，通过测量或者观测分流器两端的引出电压，即可获得被测电流的大小或波形^[10]。测量高频大电流时，分流器会发热增加，由于集肤效应的影响，分流器中分布的电流会变得不均匀，输出精度受到影响，且分流器并不能屏蔽外界干扰。最近几十年，许多科学家进行了大量的研究工作，对分流器的结构进行了分析和改进，其目的主要是减小分流器在测量电流中受到电磁力和热应力的影响程度。虽然通过许多种设计方法和补偿手段，但是其发热问题仍然得不到根本的解决，并且分流器不太适合测量频率为数千赫兹的电流或者数值高达千安级的电流。

直流电流互感器是由德国科学家克莱迈尔于1936年发明的用来检测直流电流的工具，能通过一定的比例系数将通过线圈的直流大电流变换成直流小电流，主要用于测量直流大电流。不过由于现实情况下没有完全无损耗的铁磁材料，直流电流互感器测量误差较大，并且受到外界磁场影响较大。虽然由以上缺点，但是和刚刚提到的另一个用来测量直流电流的分流器相比，直流电流互感器的电能损耗小，并且能使原副边电气隔离。目前，直流电流互感器的性能通过不管改进有了很大的提升，比如有利用晶体管提供补偿直流电流的互感器，补偿的直流电流补偿了被测电流的一部分磁通势，能够提高互感器的精度。全补偿型直流电流互感器的出现为直流比较仪奠定基础，后者是一种精度高达级的用来测量直流大电流的仪器。但是目前直流电流互感器的体积较大，价格也比较高。

交流互感器是根据变压器的原理用来测量交流电流的设备，变压器是在1886年经过长达五十多年的研究，由Wisgenhouse设计用来作为交流输配电的，是19世纪电磁学重要成就。而交流电流互感器的结构与变压器十分类似，都由铁芯和绕组组成，电流互感器的原边绕组和副边绕组的匝数都是确定的，测量到副边电流后，根据一定公式推算便可得到原边电流的大小，即被测电流的大小。交流电流传感器的原理非常简单，知道其原边和副边线圈的匝数比就可以得到其变比，而且长期下来交流电流互感器的稳定性很好，所以在交流电流的测量工作上运用十分广泛。经过最近几十年的研究，交流电流互感器使用的铁磁材料不断更新，出现了性能优越的纳米材料等，并且互感器的精度有了大幅度提升。但是交流电流互感器的也有难以解决的缺点，比如不能测量千安以上的交流电流，因为这个时候互感器的激磁电流会让互感器工作在饱和区，误差会明显增大。

现阶段，电磁式电流互感器已经有了非常迅速的发展。为了适应电力系统发展的需要，铁芯式电流互感器诞生了干式、油浸式和气体绝缘式多种结构。长期以来，电流互感器在电力系统的测量和保护中有不可替代的地位^[11]。但随着人们对测量要求的不断提高，传统电磁式电流互感器暴露出越来越多的弊端，其中最严重的是由于磁芯饱和问题引起的测量暂态大电流严重畸变。

利用霍尔效应原理设计的霍尔传感器以霍尔元件作为传导单元，将对电流大小的测量转变为测量出被测电流产生磁场的大小。从传感原理上可将霍尔电流传感器分为开环型霍尔电流传感器和闭环型霍尔电流传感器^[10]。开环型霍尔电流传感器导磁体使用的是铁磁材料，由于气隙磁芯的磁滞损耗影响，开环型霍尔电流传感器的精度不算很高，当被测电流在较大范围内变化较大时无法保持磁化线性度，这种偏差当被测电流比额定电流小很多的时候表现明显。闭环型霍尔电流传感器在开环型可以测量高频电流信号，而且精度较高，但是需要提供大功率补偿电路，造价更昂贵。为了补充现有传感器不足已有研究者而尝试设计、研发了新型霍尔电流传感器，如点阵式霍尔电流传感器和螺旋线型霍尔电流传感器。

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