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摘要：罗氏线圈作为一种性能较优的电流传感头，具有测量范围宽、反应速度较快、线性度好、频带宽、绝缘性能好、精度高等优点，被认为是当前电磁式电流互感器的一种较理想的替代品，在电力测量和继电保护中，具有广阔的应用前景。
关键词：高频差分绕线；PCB罗氏线圈设计
随着社会不断进步，经济快速发展，电力系统也逐渐实现智能化、数字化。在电力线路的故障测距领域中，相比较阻抗法、故障分析法这些传统的故障测距方法而言，行波法因稳定性高，测试精度高，受线路本身分布参数影响小等优势得以广泛的应用，并且具有良好的发展前景。
1 罗氏线圈工作机理
罗氏线圈它实质上是一种结构比较特殊的空芯线圈，即把导线通过手工或机器均匀地绕制在一非铁磁骨架上，不需与被测电路直接接触。工作时，由电磁感应定律及安培环路定律可知，穿过线圈中心的通电导线产生的电磁场将在线圈中产生一个感应电压输出，它与通电导线中瞬时电流对时间的导数成正比关系，感应电压和被测电流之间相位相差90°。罗氏线圈具有以下优点(1)与传统电流互感器不同，电流互感器低压端输出弱电信号，杜绝了传统电流互感器，如电磁式电流互感器，开路时可能存在的输出强电信号的风险。被测电流回路与测量线圈本身并无直接电气联系，有着良好的电气绝缘特性，他们通过电磁场耦合关系相互作用。(2)可测量频率范围极宽：通常设计范围为O．1～100MHz，特定情况下还可以满足更高频率的需求。(3)通带线圈的上升时间极短，测量反应灵敏，可达到纳秒数量级。(4)测量准确度高，一般为0．5％～1％之间，目前的技术手段可使测量精确度进一步提升。(5)符合环保要求，设备体积小，重量轻，易携带。电子式电流互感器的所使用的传感头单元的重量较轻，便于工程人员使用。目前实现产品化设计，将被测电流通过相应仪表的数字量进行输出，实现常用情况下的电力计量与保护的自动化设计。(6)线圈绝缘结构简单，设备性价比高。对于测量大电流的实际应用情形，性价比优势愈发明显。(7)测量时动态测量范围大，比传统电流互感器的测量精度高。通常情况下，电磁感应式电流互感器受制于存在磁场饱和的限制，测量范围有限，不能高精度下实现大范围测量，难以满足高精度计量以及继电保护的需要。电子式电流互感器不存在铁芯饱和问题，动态范围很宽，额定电流测量范围在几十安培到几千安培之间，过电流最高可达几万安培。
2 高频差分绕线PCB罗氏线圈设计
（1）PCB型罗氏线圈的设计。罗氏线圈自发明以来，为了更好的发挥其测量时的优点，线圈骨架结构也在不断改进。最早的挠性罗氏线圈其骨架为可弯曲的挠性绝缘材料，虽使用方便，但测量准确度不高，应用受限。后来出现了刚性罗氏线圈，即固定式的罗氏线圈。和挠性罗氏线圈相比，其在结构上更能保证具有均匀分布的线匝和相同骨架截面积，测量精度大大提高。对刚性罗氏线圈而言，其骨架截面形状常见的有跑道形、圆形、矩形三种，经过仿真分析和试验，充分考虑电磁参数的影响、便于机加工和产业化等方面，数矩形截面应用较广。但挠性和刚性罗氏线圈骨架上的绕线是由绕线机或手工来完成，基于该工艺的局限性，每次绕线难以保证完全一致，也不可能使绕线绝对均匀、线匝截面积处处相等。因此其重复性并不好，线圈参数分布的一致性难以得到保证，且存在层间电容变大和容易断线等缺点，测量精度和准确度受到影响，对产业化发展很不利。在充分考虑罗氏线圈运行环境的基础上，依据高精度罗氏线圈设计原则：单位长度上具有相同的绕线匝数；恒定的骨架截面积；骨架中心轴线垂直线圈截面。
设计了一种基于印刷电路板（简称PCB）骨架的罗氏线圈，即PCB型罗氏线圈，根据要求，优选合适参数，采用计算机辅助设计软件进行布线，布好线后交由专业生产厂家采用数控机床全自动化生产，线圈可加工的很精确，不再需要繁琐的绕制线圈。与普通罗氏线圈相比，PCB型罗氏线圈从工艺上更能保证线匝具有相同的截面积及大批量生产时的参数分布一致性，抗干扰性能和测量精度大大提高。制作准确度高，结构简单，有利于产业化发展。
（2）检测电路的设计。在电力系统中工作时，通电导线电流产生的磁场将施加于线圈上，输出一个与被测电流成微分关系的电压信号。由于PCB型罗氏线圈互感值较小，所以该信号比较微弱，容易遭到外界干扰，影响测量结果，必须通过后续检测电路的处理，才能得到准确的输出信号。后续信号处理电路依次由三大环节组成，分别是放大电路环节、积分电路环节、滤波电路环节。各环节之间要经过不断的匹配和调试，直到满足要求。放大电路环节的作用主要是放大PCB型罗氏线圈输出的微弱电压信号，减弱外界干扰，提高信噪比。设计时，采用运放组成同相放大电路，充分利用该元器件的超低漂移性能，使输出信号准确，放大倍数稳定，保证前后级电路之间阻抗匹配。由罗氏线圈工作机理可知，线圈的感应电压为一微分表达式，其与通电导线中瞬时电流对时间的导数为正比关系。为保证感应电压和被测电流相位上的一致性，电路中必须加入积分电路环节，积分环节一般不采用信号衰减比较严重的无源积分器。根据要求，设计了加入惯性环节的有源积分器，其实质就是在积分电容两端并联反馈电阻来稳定电路工作，减少积分漂移，提高测量精度。滤波电路环节的作用主要是在信号输入微机控制中心之前，消除传感器输出信号中的各次谐波分量的高频信号。根据要求，设计了一个四阶巴特沃思有源低通滤波电路，该电路环节具有输入阻抗和截止频率高、输出阻抗低等优点。在输出信号频率在大于10kHz时，衰减明显，能满足测量要求。
（3）屏蔽电磁场方法。为达到罗氏线圈理想实验测量精度要求，我们必须采取合理措施以削弱外界非均匀干扰磁场对罗氏线圈测量精度的影响。提高线圈结构制造工艺，最大程度地保持罗氏线圈的匝数密度和截面积均匀性，一致性。上节理论数学模型可知在保持罗氏线圈的匝数密度和截面积均匀状态下，外界非均匀干扰磁场对电感测量不会产生干扰。对于线圈的绕制工艺有待提高，尽量做到机器均匀绕制，通过先进的设备，最大程度地做到线圈的匝数密度和截面积均匀，使外界非均匀干扰磁场对线圈的影响为零成为可能。探讨磁屏蔽方法，比如屏蔽罩的模型设想，将正在工作的罗氏线圈置于铁磁材料的屏蔽罩内，目的为了阻止外界干扰磁场进去工作环境。文中采用屏蔽罩方法。在屏蔽过程需注意两点：1)在铁屏蔽罩内侧开一条缝隙，被测导体电流为线圈的感应磁场，根据法拉第电磁感应原理，磁场在铁盖与铁臂的闭合环路中会感应出电流昂，昂产生磁通与流过罗氏线圈的磁通大小相等方向相反，从而相互抵消。这会引起线圈的输出稳态和相位误差。因此在内侧开一条缝隙，使铁罩环路开路，阻止昂的产生，达到主磁通不受干扰的进入屏蔽罩内的罗氏线圈。根据磁屏蔽的设计原则，屏蔽外壳材料需要导磁性能好，外壳缝隙要小。外壳上的开孔尽量要小，以减少漏磁b8l。
对于PCB罗氏线圈，相较于传统罗氏线圈的绕线结构，PCB罗氏线圈一般有CAD软件设计成不同形状，印制在PCB板上。PCB罗氏线圈可以设计成复杂的结构，设计灵活度高，且能获得较高的精度。
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