[發明專利]單環任意骨架形狀的羅氏線圈電流傳感器靈敏度的計算方法

在審

• 申請號: 202210086012.5
• 申請日: 2022-01-25
• 公開（公告）號: CN114545319A
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 何怡剛;劉曉宇
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01R35/02
• 分類號: G01R35/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 劉琰

本發明公開了一種單環任意骨架形狀的羅氏線圈電流傳感器靈敏度的計算方法，該方法包括：以羅氏線圈內某一點為坐標原點建立三維直角坐標系，寫出羅氏線圈幾何中心線參數方程；當被測導線為直導線時，得到載流導體的單位矢量；由畢奧薩伐爾定律，計算載流直導體在點P處所產生的磁感應強度大小；計算穿過位于β位置的線匝截面的磁通；將每個線匝的磁通相加得到整個羅氏線圈的磁通量，得到羅氏線圈與直載流導體的互感系數；根據羅氏線圈電流互感器的基本工作原理，可得到測量位置任意和形狀任意導線時羅氏線圈靈敏度大小。本發明通用性強，計算方便，易于編制程序進行計算，節省設計時間；計算過程中沒有經驗公式，計算精度高。

技術領域

本發明涉及交流電流測量技術領域，尤其涉及一種單環任意骨架形狀的羅氏線圈電流傳感器靈敏度的計算方法。

背景技術

電流傳感器在電氣安全工程中有著重要作用。羅果夫斯基線圈電流傳感器簡稱羅氏線圈(Rogowski coil)電流傳感器，也叫微分電流傳感器，以德國物理學家WalterRogowski來命名，已經應用了100多年。被認為可能是測量交流電流和瞬態大電流最好的測量工具。其克服了普通傳感器由于磁飽和而不能測試大電流或高頻電流的許多常見缺點。測量的電流從幾安培到幾千安培。應用場合包括繼電保護、大電流、脈沖電流和瞬態電流、直流配電系統串聯電弧故障的檢測與定位、電網諧波測試、電阻焊接汽車工業和等離子體物理等。因此，羅氏線圈電流傳感器近些年得到了廣泛地應用。

羅氏線圈電流傳感器的工作原理是基于安培定律和楞次定律。羅氏線圈與被測導體之間的互感決定了傳感器的靈敏度的大小，并對傳感器的測量精度有重要影響。羅氏線圈與臨近的載流導體間的互感大小決定了羅氏線圈的抗干擾能力，而載流導線的位移對磁通量分布影響很大。當羅氏線圈的匝數較少、繞線截面尺寸較大、載流導體截面較小且為無限長直導體時，線圈與載流導體之間的互感，線圈自感，線圈電阻等電磁參數可以通過電磁仿真軟件來計算。

但是，目前大部分的羅氏線圈繞線截面尺寸較小(線徑通常小于0.17mm)、載流導體為任意形狀、載流導體截面尺寸相對較大(有時線寬大于120mm)、繞線的匝數為幾千匝。這種情況下，很難用電磁仿真軟件和一般的計算機來計算羅氏線圈各個電磁參數。因而，很難探究羅氏線圈在設計、生產和應用過程中影響其測量靈敏度和測量精度的因素。在現場實際應用中，現有的羅氏線圈的測量精度容易受外電磁信號的干擾，其測量精度隨測量工況的改變而改變。目前常見的圓形骨架形狀的羅氏線圈與載流導體間互感的理論部分的研究僅適用于理想的測量情況，即被測載流導體為垂直穿過線圈中心的無限長直導體。

歸納現階段常見的羅氏線圈靈敏度的計算方法，缺陷如下：

1、常用的有限元計算軟件無法對密細繞線(匝數常常為幾千匝，漆包線線徑常常小于0.17mm)的羅氏線圈進行網格刨分計算；

2、基于有限元仿真軟件刨分羅氏線圈的真實的三維模型過程較為復雜，計算周期長。

3、現有的理論計算方法僅適用于被測導線為垂直穿過單環圓形骨架羅氏線圈中心的無限長直導線的理想特定情況，不適用于位置任意且形狀任意的載流導體和單環任意骨架形狀的羅氏線圈，通用性差。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中的缺陷，提供了一種計算方便、計算精度高、計算周期短的一種單環任意骨架形狀的羅氏線圈電流傳感器靈敏度的快速計算方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發明提供一種單環任意骨架形狀的羅氏線圈電流傳感器靈敏度的計算方法，該方法包括以下步驟：

步驟1、以羅氏線圈線圈內某一點為坐標原點建立三維直角坐標系，寫出羅氏線圈幾何中心線參數方程，幾何中心線同時也垂直穿過線匝截面的幾何中心；