基于Rogowski线圈的大电流测量传感理论研究与实践

大电流测量技术是现代电磁测量领域的重要组成部分,它在节能降耗、确保系统安全运行和提高产品质量等方面均有着重大意义。根据频率特性,大电流分为稳态大电流(如直流大电流)、暂态大电流和脉冲大电流(又称冲击大电流); 根据它们所在环境工作电压等级的不同,又可以分为低压大电流和高压大电流两大类。 对于大电流的测量问题,除了它们存在不同的频率和电压等级的差别之外,还有计量、监视、控制以及保护等不同的用途,因而它们对测量准确度指标的要求也不完全一致。对于作计量用途方面的大电流测量而言,要求准确度最高; 对保护和控制方面而言,则要求次之; 对监视方面而言,则要求最低。特别是现在以计算机为核心集数据采集和信号处理的传感设备不断淘汰那些不易与计算机直接通信的传感装置,已是不可逆转的趋势。因此,借助计算机技术,设计与选择最合适的传感理论和方法对不同性质大电流测量现场,进行快速、可靠测量,是当前迫切需要解决的问题。 由于罗柯夫斯基线圈(Rogowski coil,以下简称罗氏线圈)具有与被测电流回路没有直接的电的联系、频带宽、输出功率低、结构简单、线性特性良好等显著优点,并且它非常容易与计算机通信,因而成为高压现场中测量交流、暂态和脉冲等不同性质大电流的首选敏感器件。 本论文分别得到国家自然科学基金(批准号:60274037)和华中科技大学优秀博士论文基金资助。该文最大特色在于:将罗氏线圈作为现场监测不同性质大电流的工业用传感系统,完成保护、控制和监视等不同功能。论文以罗氏线圈传感理论作为研究主线,系统地分析了罗氏线圈传感系统以下几个方面的重要内容:罗氏线圈结构参数和电磁参数的计算模型、优选方法和它们之间的相互影响特性以及它们对整个传感系统工作性能的影响; 罗氏线圈分布电容测量方法和它对传感系统动态特性的影响; 罗氏线圈的最佳终端电阻的取值依据与计算模型; 罗氏线圈整个传感系统的时域特性和频域特性的分析方法; 论文首次提出了复合积分器的电路模型并成功应用到神光III能源模块中的预电离和主放电的脉冲大电流的测量系统中; 构建了几种典型的罗氏线圈大电流监测系统,分别用于测量串补电容器型式试验中的脉冲大电流、电力电容器能量爆破试验中的暂态大电流、高速大功率电子开关RSD(Reversely Switched Dynistor)的开关状态大电流和铝电解系统中的低压直流大电流; 论文首次创造性地