第27卷第2期2010年4月
现 代 电 力
M odern Electric Pow er
V o l 127 N o 12Apr 12010
文章编号:1007-2322(2010) 02-0019-04 文献标识码:A 中图分类号:T M 93311
阻尼电阻及元件非理想特性对外积分式
罗氏线圈的影响
张达天, 陈水明, 屠幼萍, 王 辉
试验国家重点实验室, 北京 100084)
1
2
1
2
(1. 华北电力大学电气与电子工程学院, 北京 102206; 2. 清华大学电力系统及发电设备控制和
Influence of Buffer Resistance and Element with Imperfect Characteristic
on External Integrating Rogowisk Coil
Zhang Datian 1, Chen Shuim ing 2, T u Youping 1, Wang H ui 2
(11N o rth China Elect ric Po wer U niver sity, Beijing 102206, China; 2. State K ey L ab o f Co nt rol and Simulatio n o f Po wer Systems and Generatio n Equipments, T singhua U niver sity, Beijing 100084, China)
摘 要:研究外积分式罗氏线圈测量冲击电流时, 阻尼电阻及元件的非理想特性对其测量精度的影响。首先用MAT -LAB 搭建仿真电路, 采用双指数函数模拟8/20L s 、1/20L s 雷电流波形, 观察改变阻尼电阻的参数对罗氏线圈测量结果的影响, 然后分析了电阻、电感、电容的非理想性对罗氏线圈测量结果的影响, 分析了对密绕线圈和对稀绕线圈的影响。从实验结果可以看出, 阻尼电阻和元件的非理想特性对波形的真实度和波头的响应度都有很大的影响。因此, 在制作高精度线圈时, 应根据时间条件选择阻尼电阻, 考虑元件的寄生电感电容值, 并注意线圈绕线和线圈所选材料。关键词:罗氏线圈; 外积分; 阻尼电阻; 非理想特性Abstract:The issue that buff er resistance and im perf ect characteristic im pact on the impulse current measurment is studied. The circuitry is simulated w ith MATLAB sof tware. The 8/20L s 、1/20L s lightning waveforms are simulated by double exponential f unction. The impact on the im pulse cur -rent measurment is observed by changing the values of the buff er resistance. The im pact of resistance, inductance and the capacitor w ith imperfect characteristic on the m easur -m ent result of Rogow ski coil is analyzed, and the im pact on thick winding coils and thin w inding coils are analyzed. It is concluded that the buff er resistance and the elem ent with imperfect characteristic can greatly impact on the reality and responsivity of the head wave. It is suggested that w hile making a Rogow isk coil, the buf fer resistance should be chosen according to time condition, and values of the para -sitic inductance and capacitor of the element, and the w ind -ing method and material of coil should be considered. :(Key w ords:Rogowski coil; external integrating; buf fer re -sistance; im perf ect characteristic
0 引 言
电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备, 其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。实验证明, 通过合
理的设计和采取良好的屏蔽措施, 外积分式罗氏线圈在测量冲击电流时具有较好的性能。
本文主要研究阻尼电阻、元件的非理想特性对罗氏线圈测量冲击电流波形精度的影响。
1 外积分式罗氏线圈的基本原理及模
型建立
Rogow ski 线圈实际上是均匀缠绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管, 线圈工作在外积分状态时, 需要外加积分器[1](一般为RC 积分器或电子积分器) 才能还原电流, 线圈同积分器总的等效电路如图1所示, R 、C 为外接积分电阻与电容。系统的传递函数为+rC 0S +1+R a R a
@(1) 1+RCS
线圈处于自积分工作状态下, 满足式(2) 。
@n i(t) (2) r +R a d t
, LC 0S 2+
H (S) =
20
和上限频率分别由(3) 和(4) 两式决定:
f L =
2P RC
f
H
现 代 电 力 2010年
须首先合理选取线圈的电磁参数和结构参数。
(3) (4)
为确保罗氏线圈的最佳阻尼电阻R a 的取值有意义, 必须满足条件:2L >r 2C 0, 因此, 需要尽量减小罗氏线圈的分布电容; 最佳阻尼电阻R a 的优选原则, 就是罗氏线圈电磁参数和结构参数的优选原则, 即要求导线截面均匀和线匝均匀绕制, 如果电磁参数测量不准确, 将对最佳阻尼电阻的取值大小直接产生很大误差。因此, 最佳阻尼电阻的计算
值只能作为设计罗氏线圈时的参考值, 最终需要实验研究确定。
=
2P o
a
R a
图1 Rog ow ski 线圈外积分工作状态下的等效电路
采用罗氏线圈测量冲击电流时, 阻尼电阻R a
会改变线圈的阻尼状态, 本文从时域角度, 模拟比较阻尼电阻不同时罗氏线圈分别对典型的8/20L s 和1/20L s 冲击波的响应。
用于仿真的实际罗氏线圈样品的匝数N =500, 横截面积A =3815m m 2。用阻抗分析仪可以测得其内阻r =28, 自感L =30L H , 等效电容C 0=50pF 。积分电阻取R =516k 8, 积分电容取C =100nF, 当取阻尼系数N =01707时, 阻尼电阻为R a =/C 0=7758, 该电路工作在临界阻尼状态。仿真时, 阻尼电阻分别取758、7758和775083种情况, 线圈分别工作在过阻尼、最佳阻尼和欠阻尼状态。图2、图3分别为不同阻尼电阻在8/20L s 、1/20L s 雷电冲击下对线圈性能的影响实验波形图。
[5]
根据图1的外积分式罗氏线圈原理图, 可以使用MAT LAB 软件搭建电路图仿真罗氏线圈对冲击电流的响应特性, 图中的元件均为线性元件。在测量瞬变脉冲信号时, 测量系统的暂态响应
是衡量该系统性能好坏的重要指标。仿真时, 采用双指数波I (t) =kI p (e -s 1t -e -s 2t ) 来分别模拟8/20L s 和1/20L s 冲击电流波, 其中k 为波形系数, I p 为电流峰值, 双指数波的待定系数如表1所示[2]。
表1 双指数函数表示标准冲击电流波形时的待定系数电流波形8/20L s 1/20L s
k [1**********]
s 1
71714@1043191@104
s 2
21489@1052131@106
仿真时可以把模拟的冲击电流发生器的两端接在罗氏线圈原边的两侧, 根据仿真内容的需要调整副边的元件参数。
外积分式线圈的上限截止频率取决于线圈自感
L 和等效电容C 0, 下限截止频率取决于积分器的时间常数。通过合理设计线圈的参数, 改进线圈的绕制工艺, 在兼顾灵敏度和频率响应前提下, 外积分式罗氏线圈的测量频带可以达到16MH z 。
[3]
2 阻尼电阻对线圈测量结果的影响
外积分罗氏线圈的阻尼系数N =01707时, 最佳阻尼电阻R a 可由式(5) 求出[4]:
R a =/C 0(5) R a 将取决于线圈的电磁参数L 和C 0, 而线圈的电磁参数L 和C 0将受线圈的结构参数如线圈的中心直径D 、截面形状及其尺寸的影响, 即线圈的电磁参数和结构参数将最终影响罗氏线圈的动态特性a
第2期张达天等:阻尼电阻及元件非理想特性对外积分式罗氏线圈的影响
实际电容器当角频率为1/
21
由仿真结果可知, 阻尼电阻主要是影响输出波形的波头部分。当线圈工作在欠阻尼状态时, 会在其波头部分产生振荡, 而且当被测冲击波形的波头变陡时, 会极大地加剧输出波形波头部分的振荡幅度。当线圈工作在过阻尼状态时, 系统时延较长, 测量得到的波形相比原波形会有较大的滞后。所以为了使测量系统具有较佳的暂态响应特性, 阻尼电阻不能过大或过小, 应尽可能在最佳阻尼电阻值附近。
L C 时, 会发生串联谐
振, 这时电容的阻抗最小。超过谐振点后, 电容器的阻抗特性呈现电感的特性, 随频率的升高而增加。提高谐振频率的方法有两种, 一是尽量缩短引线的长度, 另一种是选用电感较小的电容种类。
电容器使用的介质介电常数越高, 工作电压、电流频率、时间和环境温度这些参数越不稳定。另外, 介电常数高的电容器容易发生击穿, 在测量大冲击信号时一定要注意。电容器制造中之所以使用介电常数高的介质, 是为了在较小的体积内获得较大的容量。不同电容大致适用的频率范围如图4所示, 电容上、下限受到自谐振频率和损耗因素的影响。
3 元件非理想性对陡波头冲击电流测
量的影响
前述外积分式罗氏线圈的测量方法的前提是积分电阻和积分电容是理想元件, 然而实际中电阻和电容都是非理想的, 其工作频带范围是有限的。表2给出了无源器件在不同频率下的模型以及频率响应。
电阻的性能主要与制作电阻所使用的材料有关。因此, 绕线电阻不适合于高频, 因为在导线上存在电感。贴片电阻也含有电感, 有时候也可以用于高频, 因为它具有较低的引线电感。对于电阻,
还要考虑过电压条件下的电弧击穿。
图4 不同电容的适用频率范围
常用的直插式电容器由于引线电感的存在, 在频率较高时会产生自谐振现象, 而且随着电容值的增加, 自谐振频率会随之降低, 当工作频率大于自谐振频率时, 电容将不再呈容性, 而会变成一个电感元件。比如典型的陶瓷电容的引线约有6m m 长, 会引入约15nH 的电感, 011L F 电容的自谐振频率只有4MH z 左右, 如果电容器和其它元件之间有较
电阻高频等效电路如表2所示, 对于同种电阻, 引线电感杂散电容是一定的, 不因阻值而变化, 所以即使相同类别的电阻, 由于阻值的不同, 其频率特性也会有较大差异, 当频率升高时, 杂散电容产生的阻抗会使高电阻的阻值降低, 对于低阻值的电阻, 其阻值则因引线电感的影响而升高, 例如100k 8的金属膜电阻在频率升高到150MHz 时, 由于杂散电容和引线电感的存在, 其阻抗就降低了约30%, 电阻值越大, 电阻的上限截止频率将越低。
实际的电容器除了电容量以外, 还有电感和电阻分量。电感分量是由引线和电容结构所决定的, 电阻是介质材料所固有的。电感分量是影响电容频率特性的主要指标, 因此在分析实际电容器的旁路
2长的连线时, 自谐振频率将会更低。
在设计无源积分器时, 为了获得较佳的低频特性, 积分电阻和电容的值通常取得较大, 但较大值的电阻和电容受杂散电容和引线电感影响也越大, 会限制元件的性能。本文仿真分析了积分电阻取不同值时的罗氏线圈的冲击响应, 分别对密绕线圈和稀绕线圈进行对比分析, 阻尼电阻都取最佳值。积分电容取100pF, 积分电阻分别取516k 8、56k 8、560k 8, 电阻元件的杂散电容取012pF, 电容元件的引线电感取15nH 。稀绕线圈仿真结果如图5、图6所示, 密绕线圈实验结果如图7、图8所示。由仿真结果可知, 杂散电容和引线电感的存在会在测得的波形零点附近叠加一段振荡, 较大地影,
22现 代 电 力 2010年
由前述原理可知, 外积分式罗氏线圈的输出与被测电流波形成微分关系, 与线圈的匝面积成正比。罗氏线圈匝面积越大, 输出电压越高, 所以尽管密绕线圈受积分元件非理想性的影响较小, 但是由于其输出电压较高, 尤其是在测量陡波时会产生更高幅值和更高频率的感应电压, 会造成积分电阻两端出现过电压, 以致电阻被短路, 影响测量结果。同时, 线圈匝数越多, 也会极大降低罗氏线圈的上限截止频率, 限制了其使用频带。但是若线圈匝数过少, 积分元件的非理想性会极大地影响测量结果, 而且输出信号的灵敏度较低。
综上所述, 在用罗氏线圈测量冲击电流时, 应根据被测信号的特性合理设计线圈的匝数, 而且应尽可能地减小杂散电容和引线电感。比如可以多个电阻器串联或多个电容器并联使用, 也可以采用高频特性较好的电阻器或贴片陶瓷电容、三端电容器等等。
4 结束语
从仿真结果可以看出, 阻尼电阻以及元件的非理想特性对罗氏线圈的最后测量结果都有较大的影响。避免的方法是仔细选择线圈绕线方式和线圈所选材料, 在绕线和材料的选择上, 要同罗氏线圈的应用环境相一致, 这样才能起到更好的效果, 罗氏线圈的精确度也会更高。在要求精确度很高的实验或者设备上, 罗氏线圈的研制需要考虑到更全面的因素。
参
考
文
献
[1] 金涌涛, 刘会金, 熊玲玲. Ro gow ski 线圈频率特
性分析及拓宽频带方法[J]. 电测与仪表, 2003, 40(9) :12-15.
[2] 杨津基. 冲击大电流技术[M]. 北京:科学出版社, 1978. [3] Ray W F. Ro gow ski tr ansducer s for hig hbandw idth
hig h curr ent measurement [C].I EE Co lloquium o n L ow F requency P ow er M easurement and Analysis, L ondo n, 1994, 10/1-10/6.
[4] 刘艳峰, 尚秋凤, 周文昌. R ogo wski 线圈典型外积
分电路暂态性能比较与实验[J].电力自动化设备, 2006(7) :31-34.
[5] 罗成英等. 脉冲电流测量的研究和CAD 设计[J]. 清华大学学报:自然科学版, 1995(35) :22-28.
振荡幅值大于较慢脉冲时的振荡幅值。对于相同被测波形而言, 匝数多的线圈受积分元件非理想性的影响较小, 而且积分电阻取56k 8和560k 8时, 输出波形差别很小, 而少匝数线圈的输出波形会在零
点附近叠加较高幅值、较快频率的尖峰, 其振荡幅值有可能超过被测波形的峰值, 未能真实反映被测波形。同理, 考虑不同积分电容值下的标准冲击电流波响应可以得到相近的结果。
收稿日期:2009-09-22
作者简介:张达天(1986-) , 男, 硕士研究生, 研究方向(:杨秋霞)
第27卷第2期2010年4月
现 代 电 力
M odern Electric Pow er
V o l 127 N o 12Apr 12010
文章编号:1007-2322(2010) 02-0019-04 文献标识码:A 中图分类号:T M 93311
阻尼电阻及元件非理想特性对外积分式
罗氏线圈的影响
张达天, 陈水明, 屠幼萍, 王 辉
试验国家重点实验室, 北京 100084)
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(1. 华北电力大学电气与电子工程学院, 北京 102206; 2. 清华大学电力系统及发电设备控制和
Influence of Buffer Resistance and Element with Imperfect Characteristic
on External Integrating Rogowisk Coil
Zhang Datian 1, Chen Shuim ing 2, T u Youping 1, Wang H ui 2
(11N o rth China Elect ric Po wer U niver sity, Beijing 102206, China; 2. State K ey L ab o f Co nt rol and Simulatio n o f Po wer Systems and Generatio n Equipments, T singhua U niver sity, Beijing 100084, China)
摘 要:研究外积分式罗氏线圈测量冲击电流时, 阻尼电阻及元件的非理想特性对其测量精度的影响。首先用MAT -LAB 搭建仿真电路, 采用双指数函数模拟8/20L s 、1/20L s 雷电流波形, 观察改变阻尼电阻的参数对罗氏线圈测量结果的影响, 然后分析了电阻、电感、电容的非理想性对罗氏线圈测量结果的影响, 分析了对密绕线圈和对稀绕线圈的影响。从实验结果可以看出, 阻尼电阻和元件的非理想特性对波形的真实度和波头的响应度都有很大的影响。因此, 在制作高精度线圈时, 应根据时间条件选择阻尼电阻, 考虑元件的寄生电感电容值, 并注意线圈绕线和线圈所选材料。关键词:罗氏线圈; 外积分; 阻尼电阻; 非理想特性Abstract:The issue that buff er resistance and im perf ect characteristic im pact on the impulse current measurment is studied. The circuitry is simulated w ith MATLAB sof tware. The 8/20L s 、1/20L s lightning waveforms are simulated by double exponential f unction. The impact on the im pulse cur -rent measurment is observed by changing the values of the buff er resistance. The im pact of resistance, inductance and the capacitor w ith imperfect characteristic on the m easur -m ent result of Rogow ski coil is analyzed, and the im pact on thick winding coils and thin w inding coils are analyzed. It is concluded that the buff er resistance and the elem ent with imperfect characteristic can greatly impact on the reality and responsivity of the head wave. It is suggested that w hile making a Rogow isk coil, the buf fer resistance should be chosen according to time condition, and values of the para -sitic inductance and capacitor of the element, and the w ind -ing method and material of coil should be considered. :(Key w ords:Rogowski coil; external integrating; buf fer re -sistance; im perf ect characteristic
0 引 言
电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备, 其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。实验证明, 通过合
理的设计和采取良好的屏蔽措施, 外积分式罗氏线圈在测量冲击电流时具有较好的性能。
本文主要研究阻尼电阻、元件的非理想特性对罗氏线圈测量冲击电流波形精度的影响。
1 外积分式罗氏线圈的基本原理及模
型建立
Rogow ski 线圈实际上是均匀缠绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管, 线圈工作在外积分状态时, 需要外加积分器[1](一般为RC 积分器或电子积分器) 才能还原电流, 线圈同积分器总的等效电路如图1所示, R 、C 为外接积分电阻与电容。系统的传递函数为+rC 0S +1+R a R a
@(1) 1+RCS
线圈处于自积分工作状态下, 满足式(2) 。
@n i(t) (2) r +R a d t
, LC 0S 2+
H (S) =
20
和上限频率分别由(3) 和(4) 两式决定:
f L =
2P RC
f
H
现 代 电 力 2010年
须首先合理选取线圈的电磁参数和结构参数。
(3) (4)
为确保罗氏线圈的最佳阻尼电阻R a 的取值有意义, 必须满足条件:2L >r 2C 0, 因此, 需要尽量减小罗氏线圈的分布电容; 最佳阻尼电阻R a 的优选原则, 就是罗氏线圈电磁参数和结构参数的优选原则, 即要求导线截面均匀和线匝均匀绕制, 如果电磁参数测量不准确, 将对最佳阻尼电阻的取值大小直接产生很大误差。因此, 最佳阻尼电阻的计算
值只能作为设计罗氏线圈时的参考值, 最终需要实验研究确定。
=
2P o
a
R a
图1 Rog ow ski 线圈外积分工作状态下的等效电路
采用罗氏线圈测量冲击电流时, 阻尼电阻R a
会改变线圈的阻尼状态, 本文从时域角度, 模拟比较阻尼电阻不同时罗氏线圈分别对典型的8/20L s 和1/20L s 冲击波的响应。
用于仿真的实际罗氏线圈样品的匝数N =500, 横截面积A =3815m m 2。用阻抗分析仪可以测得其内阻r =28, 自感L =30L H , 等效电容C 0=50pF 。积分电阻取R =516k 8, 积分电容取C =100nF, 当取阻尼系数N =01707时, 阻尼电阻为R a =/C 0=7758, 该电路工作在临界阻尼状态。仿真时, 阻尼电阻分别取758、7758和775083种情况, 线圈分别工作在过阻尼、最佳阻尼和欠阻尼状态。图2、图3分别为不同阻尼电阻在8/20L s 、1/20L s 雷电冲击下对线圈性能的影响实验波形图。
[5]
根据图1的外积分式罗氏线圈原理图, 可以使用MAT LAB 软件搭建电路图仿真罗氏线圈对冲击电流的响应特性, 图中的元件均为线性元件。在测量瞬变脉冲信号时, 测量系统的暂态响应
是衡量该系统性能好坏的重要指标。仿真时, 采用双指数波I (t) =kI p (e -s 1t -e -s 2t ) 来分别模拟8/20L s 和1/20L s 冲击电流波, 其中k 为波形系数, I p 为电流峰值, 双指数波的待定系数如表1所示[2]。
表1 双指数函数表示标准冲击电流波形时的待定系数电流波形8/20L s 1/20L s
k [1**********]
s 1
71714@1043191@104
s 2
21489@1052131@106
仿真时可以把模拟的冲击电流发生器的两端接在罗氏线圈原边的两侧, 根据仿真内容的需要调整副边的元件参数。
外积分式线圈的上限截止频率取决于线圈自感
L 和等效电容C 0, 下限截止频率取决于积分器的时间常数。通过合理设计线圈的参数, 改进线圈的绕制工艺, 在兼顾灵敏度和频率响应前提下, 外积分式罗氏线圈的测量频带可以达到16MH z 。
[3]
2 阻尼电阻对线圈测量结果的影响
外积分罗氏线圈的阻尼系数N =01707时, 最佳阻尼电阻R a 可由式(5) 求出[4]:
R a =/C 0(5) R a 将取决于线圈的电磁参数L 和C 0, 而线圈的电磁参数L 和C 0将受线圈的结构参数如线圈的中心直径D 、截面形状及其尺寸的影响, 即线圈的电磁参数和结构参数将最终影响罗氏线圈的动态特性a
第2期张达天等:阻尼电阻及元件非理想特性对外积分式罗氏线圈的影响
实际电容器当角频率为1/
21
由仿真结果可知, 阻尼电阻主要是影响输出波形的波头部分。当线圈工作在欠阻尼状态时, 会在其波头部分产生振荡, 而且当被测冲击波形的波头变陡时, 会极大地加剧输出波形波头部分的振荡幅度。当线圈工作在过阻尼状态时, 系统时延较长, 测量得到的波形相比原波形会有较大的滞后。所以为了使测量系统具有较佳的暂态响应特性, 阻尼电阻不能过大或过小, 应尽可能在最佳阻尼电阻值附近。
L C 时, 会发生串联谐
振, 这时电容的阻抗最小。超过谐振点后, 电容器的阻抗特性呈现电感的特性, 随频率的升高而增加。提高谐振频率的方法有两种, 一是尽量缩短引线的长度, 另一种是选用电感较小的电容种类。
电容器使用的介质介电常数越高, 工作电压、电流频率、时间和环境温度这些参数越不稳定。另外, 介电常数高的电容器容易发生击穿, 在测量大冲击信号时一定要注意。电容器制造中之所以使用介电常数高的介质, 是为了在较小的体积内获得较大的容量。不同电容大致适用的频率范围如图4所示, 电容上、下限受到自谐振频率和损耗因素的影响。
3 元件非理想性对陡波头冲击电流测
量的影响
前述外积分式罗氏线圈的测量方法的前提是积分电阻和积分电容是理想元件, 然而实际中电阻和电容都是非理想的, 其工作频带范围是有限的。表2给出了无源器件在不同频率下的模型以及频率响应。
电阻的性能主要与制作电阻所使用的材料有关。因此, 绕线电阻不适合于高频, 因为在导线上存在电感。贴片电阻也含有电感, 有时候也可以用于高频, 因为它具有较低的引线电感。对于电阻,
还要考虑过电压条件下的电弧击穿。
图4 不同电容的适用频率范围
常用的直插式电容器由于引线电感的存在, 在频率较高时会产生自谐振现象, 而且随着电容值的增加, 自谐振频率会随之降低, 当工作频率大于自谐振频率时, 电容将不再呈容性, 而会变成一个电感元件。比如典型的陶瓷电容的引线约有6m m 长, 会引入约15nH 的电感, 011L F 电容的自谐振频率只有4MH z 左右, 如果电容器和其它元件之间有较
电阻高频等效电路如表2所示, 对于同种电阻, 引线电感杂散电容是一定的, 不因阻值而变化, 所以即使相同类别的电阻, 由于阻值的不同, 其频率特性也会有较大差异, 当频率升高时, 杂散电容产生的阻抗会使高电阻的阻值降低, 对于低阻值的电阻, 其阻值则因引线电感的影响而升高, 例如100k 8的金属膜电阻在频率升高到150MHz 时, 由于杂散电容和引线电感的存在, 其阻抗就降低了约30%, 电阻值越大, 电阻的上限截止频率将越低。
实际的电容器除了电容量以外, 还有电感和电阻分量。电感分量是由引线和电容结构所决定的, 电阻是介质材料所固有的。电感分量是影响电容频率特性的主要指标, 因此在分析实际电容器的旁路
2长的连线时, 自谐振频率将会更低。
在设计无源积分器时, 为了获得较佳的低频特性, 积分电阻和电容的值通常取得较大, 但较大值的电阻和电容受杂散电容和引线电感影响也越大, 会限制元件的性能。本文仿真分析了积分电阻取不同值时的罗氏线圈的冲击响应, 分别对密绕线圈和稀绕线圈进行对比分析, 阻尼电阻都取最佳值。积分电容取100pF, 积分电阻分别取516k 8、56k 8、560k 8, 电阻元件的杂散电容取012pF, 电容元件的引线电感取15nH 。稀绕线圈仿真结果如图5、图6所示, 密绕线圈实验结果如图7、图8所示。由仿真结果可知, 杂散电容和引线电感的存在会在测得的波形零点附近叠加一段振荡, 较大地影,
22现 代 电 力 2010年
由前述原理可知, 外积分式罗氏线圈的输出与被测电流波形成微分关系, 与线圈的匝面积成正比。罗氏线圈匝面积越大, 输出电压越高, 所以尽管密绕线圈受积分元件非理想性的影响较小, 但是由于其输出电压较高, 尤其是在测量陡波时会产生更高幅值和更高频率的感应电压, 会造成积分电阻两端出现过电压, 以致电阻被短路, 影响测量结果。同时, 线圈匝数越多, 也会极大降低罗氏线圈的上限截止频率, 限制了其使用频带。但是若线圈匝数过少, 积分元件的非理想性会极大地影响测量结果, 而且输出信号的灵敏度较低。
综上所述, 在用罗氏线圈测量冲击电流时, 应根据被测信号的特性合理设计线圈的匝数, 而且应尽可能地减小杂散电容和引线电感。比如可以多个电阻器串联或多个电容器并联使用, 也可以采用高频特性较好的电阻器或贴片陶瓷电容、三端电容器等等。
4 结束语
从仿真结果可以看出, 阻尼电阻以及元件的非理想特性对罗氏线圈的最后测量结果都有较大的影响。避免的方法是仔细选择线圈绕线方式和线圈所选材料, 在绕线和材料的选择上, 要同罗氏线圈的应用环境相一致, 这样才能起到更好的效果, 罗氏线圈的精确度也会更高。在要求精确度很高的实验或者设备上, 罗氏线圈的研制需要考虑到更全面的因素。
参
考
文
献
[1] 金涌涛, 刘会金, 熊玲玲. Ro gow ski 线圈频率特
性分析及拓宽频带方法[J]. 电测与仪表, 2003, 40(9) :12-15.
[2] 杨津基. 冲击大电流技术[M]. 北京:科学出版社, 1978. [3] Ray W F. Ro gow ski tr ansducer s for hig hbandw idth
hig h curr ent measurement [C].I EE Co lloquium o n L ow F requency P ow er M easurement and Analysis, L ondo n, 1994, 10/1-10/6.
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振荡幅值大于较慢脉冲时的振荡幅值。对于相同被测波形而言, 匝数多的线圈受积分元件非理想性的影响较小, 而且积分电阻取56k 8和560k 8时, 输出波形差别很小, 而少匝数线圈的输出波形会在零
点附近叠加较高幅值、较快频率的尖峰, 其振荡幅值有可能超过被测波形的峰值, 未能真实反映被测波形。同理, 考虑不同积分电容值下的标准冲击电流波响应可以得到相近的结果。
收稿日期:2009-09-22
作者简介:张达天(1986-) , 男, 硕士研究生, 研究方向(:杨秋霞)