摘要

　　電功率計算包括根據不同應用領域的具體電氣和機械特進行電流測量。在實芯電磁感應已經能夠暫時以低成本提供良好能的同時，一些鉗形互感器zui近在上取得了重大進展，重新彰顯了其在涉及將功率表加進現有設備進行新等應用場合方面的價值。鉗形互感器并非新鮮出爐，但是在過去這些互感器又大又笨重，所采用的傳統有著諸多弊病。這些互感器不是采用昂貴的材料制造就是在度方面能很差。在這種情況下，不確定度指的不是讀數本身，而是線度、輸出電流的移相誤差和讀數時的持續(xù)。下文對傳統的電流感應和一些進行了分析，側重這些互感器在不同功率測量應用領域的優(yōu)點和缺點。

　　功率測量應用

　　電功率測量已經成為1）電源管理、2）用電3）狀態(tài)監(jiān)控等工業(yè)領域中眾多應用場合的重中之重。

　　1）由于電源管理是工業(yè)和業(yè)活動的根本，因此是基本的功率測量應用領域。電源管理主要側重發(fā)電和配電公司，但是也兼顧工業(yè)人士，這些人員通過監(jiān)控其電力質量和功率因數來實現對其設備征收的費率進行，尤其是當操作低功率因數的負載時。

　　2）由于實施能量二次計量可以對能量成本進行跟蹤并對其進行分配，同時也對電量消耗進行進一步的分析，從而提其效率，因此逐步引起設備和工廠的關注。電源選型和計費通常取決于峰值消耗，對整個系統進行動態(tài)管理可以降低運營成本并防止故障發(fā)生。了解和管理主要消費對象以及確定通常由于故障電器或設備用量不足（比如不合適的照明、加熱或空氣調節(jié)）而造成的能量浪費需要對能量進行二次計量。

　　3）狀態(tài)監(jiān)控要求對故障進行及時并做出反應，從而防止對設備造成損壞或臨界進程發(fā)生中斷。電功率測量給出一套反映電機負載特（比如傳送機、軸承、泵、切削刀具等）的綜合信息（電流、功率、功率因數、頻率等）。通常情況下，這種監(jiān)控對異常情況的速度要比傳統互感器快，比如溫度、壓力、振蕩等。及時對這些電氣參數的變化進行分析甚至能夠實現對故障進行估計，從而可以計劃的預先維護。

　　功率測量不在工業(yè)領域受到關注，在監(jiān)控業(yè)和住宅負載方面也是如此。不管從成本還是從環(huán)境保護方面來考慮，節(jié)約能源在日益成為公眾關注的話題。 關鍵問題是如何實現能源消耗實質的持續(xù)降低。zui的解決方案是要了解用戶如何消耗他們的能量以及如何使其對這些能量負責。鎖定該領域仍然是一個工業(yè)課題，而且日益成為政府機構的關注重點。許多正在開展減少能源消耗的運動并且制定激勵預算。這些激勵措施的啟用要求機構開發(fā)的測量能。

　　電流互感器要求

　　工程師設計功率監(jiān)控系統應該根據具體的特謹慎選擇所需要的電流互感器：

　　1）度-在大多數應用場合，測量度對整個系統的效率有著直接的影響。功率計算的程度明顯取決于電流互感器的度。1功率表可能需要度于1%的電流互感器，而該度一般會與昂貴的材料和制造工藝相關。一個替代方案是對所應用的每一臺互感器都對功率表進行標定?？紤]到每臺互感器的具體特，允許將功率表設定在其zui的操作模式以及將變量從一臺互感器傳遞到另外一臺互感器。正如我們在本文后面部分所看到的，了解線度、漂移和可重復以及對其整體不的讀數進行補償開啟了新研究的大門。

　　2）漂移-互感器的漂移與初始系統標定無關的讀數時持續(xù)有關。其特的一些變化可能由于周圍環(huán)境濕度和溫度或元件老化等原因引起。低漂移電位-意味著互感器對這些因素具有很的抵抗能力-是構建穩(wěn)定功率表的一個重要的特。

　　3）線度-互感器的線度指的是在整個操作模式范圍內其特的穩(wěn)定。模擬感應部件的線度對大范圍一次電流進行測量來說*，尤其是在低電流值的情況下。幾種只對有限的測量范圍提供良好的能，因此將應用領域的電流到相當或相當低。

　　4）相移-實際功率或能量計算的度不與交流電流和電壓互感器的度和線度的幅度有關，而且與兩個相關值測量之間可能發(fā)生的相移有關。當然，相移應該盡可能的低。

　　5）集成-由于采用自供電，因此除了接到主要功率監(jiān)控儀裝置的兩根輸出線之外，電流互感器不需要其他的接線 。很多這種互感器都提供經過標定的輸出，以便在功率監(jiān)控系統中進行集成。的1A 和 或 333 mV輸出均與市場上的大多數功率表相匹配。功率表需要根據不能再互換的每臺互感器進行特定的標定。然后這些互感器可能會產生低電流輸出，在系統運行過程中接觸這些低電流會比傳統的1A/信號要。此外，電流輸出還幾乎不受干擾的影響，因此當需要采用長距離導線將互感器連接至功率表時應優(yōu)先選用電流信號輸出而非電壓信號輸出。

　　6）價格-互感器的價格固然重要，尤其是三相功率測量需要3臺電流互感器時。但是，不應單考慮電流互感器的價格，同時也要考慮其安裝和維護成本。盡管實芯互感器成本，但是總的來說能以及便于安裝和取代鉗形互感器還是確實降低了系統成本。

　　實芯電流互感器

　　由于分流器比無觸點電流互感器產生功率損失以及安裝和問題，因此功率測量系統一般采用無觸點電流互感器。傳統的實芯電流互感器基于互感器原理，即初和次繞組通過一根鐵芯連接。測量電流感應鐵芯內的磁場，從而在次繞組內產生一個電流，這個電流與初電流除以次繞組匝數的成正比。這些普通的電流互感器設計用于測量50/60 Hz范圍內的正弦交流電流。由于采用了普通材料和工藝，該項*的普及。

　　實芯電流互感器為設計于設備和建筑的功率表提供經濟核算的解決方案。但是對于涉及現有機器和設施的功率監(jiān)控的眾多應用場合來說，這些互感器并不合適，其中在可能使用的場所新實芯互感器之前，必須要切斷電源并且斷開導線。安裝功率計量系統時如果要求斷電，哪怕只是一會（例如中斷生產線、或數據中心電源、某些核電站設備等），一般來說也是不可能的，究其原因是費用太或異常危險。

　　鉗形電流互感器

　　無觸點自供電鉗形電流互感器能夠與一個導體相連，而無需擰到或焊接到復雜的支架上，這樣使安裝和維護簡單。為了避免復雜的接線，這些互感器可以安裝在電氣盤內來實現對有時在難以接近的或惡劣的環(huán)境中運行的設備進行遠程監(jiān)控。鉗形互感器的好處在于無需對一臺帶電裝置的運行產生干擾即可將其重新裝配進去，這經常使鉗形互感器成為工程師設計功率表的*選擇。

　　但是這些優(yōu)點都是有代價的，使鉗形電流互感器比實芯互感器價格貴、度也低。因此，了解可以應用的之間的區(qū)別并根據特定應用條件進行選擇重要。

　　鉗形電流互感器通?；谏鲜鲇糜趯嵭净ジ衅鞯脑?。但是在這種情況下，磁芯是由兩個能夠分離的截然不同的部分組成。不確定度主要來自兩部分之間的不良接觸，以及次繞組在磁芯的周圍分布不均勻而且分布在兩部分其中之一的周圍。這些互感器的價格和能與設備的物理和機械*關。在鐵芯的兩個部分之間需要平滑的接觸面以及足夠的壓力。這種情況一般具有產生足夠壓緊力的靈活部件或材料和/或鉸鏈以及的開放式機構的特點。

圖：鉗形電流互感器（1000A）

　　硅鋼鉗形電流互感器

　　硅鋼材料已經被用在鉗形電流互感器上，究其原因主要由于其普及的價格。但是，特別是由于其線度很差（尤其在低電流值時）和相移太大（特如圖1所示），這種材料所表現的能卻差。這些缺點了其用于低成本電流互感器進行相當強度電流的測量，而在這些互感器中功率監(jiān)控不需要很的度。許多應用場合需要對功率消耗進行大概的估計，而不是對電量消費對象進行從而對其的消耗進行分析。對于某些場合來說，采用一個固定電壓值而非采用的測量值來設備是否在耗電以及繪制工作時間曲線也許就足夠。在這種情況下，相移不是大問題。的應用場合是在配電板上對分支電流進行監(jiān)控，以便使系統能夠一些電路何時會過載并且發(fā)生或對負載進行平衡。

　　硅鋼電流互感器的另外一個缺點是這些互感器又大又笨重，因此不太適合在空間有限的環(huán)境中使用。

　　鐵-鎳合金鉗形電流互感器

　　好長一段時間內鐵-鎳合金材料都是用于鉗形電流互感器的*材料，可以實現良好的能，但是價格昂貴。當度和相移都很重要時，或者當互感器需要測量小電流時，鐵-鎳合金可以成為鐵硅鋼材料不錯的替代。

　　除了價格之外，鐵-鎳合金電流互感器還具有其他方面的。由于硅鋼電流互感器體積龐大，因此在工業(yè)設備和配電板內占用了寶貴的空間。這些互感器還因差的線度和漂移而“受害非淺”，原因主要是因為鉗形結構造成的氣隙。

　　鐵氧體鉗形電流互感器

　　盡管鐵氧體多年來一直被人們所熟知，但是其在飽和電平和導磁率方面的拙劣能使其不能在低至50/60 Hz的頻率下使用。但是，近來的發(fā)展卻*改變了鐵氧體在這些頻率下的特，為不同的功率監(jiān)控應用場合提供了許多。鐵氧體具有顯著改善的導磁率；此外，盡管其磁飽和電平，但是仍然能夠作為硅鋼或鐵-鎳合金芯的替代，用于50/60 Hz的電流互感器。

　　鉗形電流互感器采用鐵氧體能夠實現在一個的頻率范圍內對交流信號進行測量，這個頻率范圍包括50/60 Hz應用域。這些互感器利用鐵的固有特，即使在低的電流水平下依然可以提供度和良好的線度。另外，這些互感器還具有輸入和輸出電流之間的低的相移特點，這對于實際功率或能量進行測量。堅硬的致密鐵芯將氣隙減至zui?。慌c其他材料（如硅鋼或鐵-鎳合金）相比，鐵芯不受到老化和溫度變化的影響。zui后一點但并不是zui不重要的一點是，鐵氧體的特都可以低成本獲得，這樣能以有吸引力的價格將鉗形電流互感器投放市場。

　　對于大電流測量，應該采用大得多的鐵氧體磁芯進行測量，但不幸的是，由于制造方面的，這種鐵芯還相當稀有。目前來講，下文所述的鐵-鎳合金互感器或羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil ）對于強度電流來說合適些。

圖：800A鐵氧體鉗形電流互感器和100A鐵氧體鉗形電流互感器

　　硅鋼、鐵-鎳合金和鐵氧體材料之間的對比

　　導磁率鐵氧體材料在實芯電流互感器上不能達到*效果，因此我們來關注一下鉗形電流互感器。只要氣隙降低到能夠穩(wěn)定好多年的幾微米，固體材料的硬度（將鐵氧體視為陶瓷）就允許進行精細的機加工。層壓材料（比如硅鋼或鐵-鎳合金）禁止存在小于20或30微米的氣隙，而且受老化和空氣變化的影響。在低磁激勵（即用于低強度電流）時，小的氣隙可以使鐵氧體材料獲得好的線度，而且鐵氧體材料比鐵-鎳合金-8具有好的能以及低的投入成本。

　　圖1、圖2和圖3為在電流互感器中硅鋼、鐵-鎳合金和導磁率鐵的相移特模擬截圖。

圖：電流互感器中硅鋼、鐵-鎳合金和導磁率鐵氧體材料的相移特

　　鐵氧體材料的相移是鐵-鎳合金磁芯相移的一半，因此鐵-鎳合金無疑被淘汰。鐵芯氣隙減小也實現了好的轉換比度（初匝數比次匝數）。

　　羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）

　　羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）用來制作具有開口端的柔互感器，這種線圈可以很地纏繞在待測導體上。羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）包含一個螺旋形線圈，導線一端穿過線圈的中心回到另一端，因此兩個端點都在線圈的同一端。線圈長度根據相關的電流測量范圍選定，以便獲得*的轉換能。

　　利用該能夠對初電流的變化（演變）速度進行的，初電流在線圈的兩端感應一個正比例電壓。電子積分電路將該電壓信號轉換成與初電流成正比的輸出信號。換言之，采用羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）能夠以額外電子元件和標定的代價制造的線電流互感器。

　　羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）的感應系數比電流互感器的感應系數低，同時由于其采用了非磁芯材料，因此具有好的頻率響應。此外，由于不存在可能會飽和的鐵芯，它還具有很的線度，即使對于強度的初電流也是如此。因此該種互感器特別適用于能夠承受強度或變化的電流的功率測量系統。 對于測量強度電流而言，它還具有外形緊湊和易于安裝的特點，而傳統的電流互感器則體積龐大而且笨重。

　　圖：羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）原理

　　由于需要等間隔的繞組來實現對電磁干擾的zui大抵抗力，所以此類電流互感器的能在很大程度上取決于羅果夫斯基線圈的制造質量。另外一個關鍵的特是導致線圈內不連續(xù)的閉合點，致使對外部導體和環(huán)路內測量導體的位置產生影響。固定或夾持系統應該線圈的末端在一個而且可以重新再確定的位置，以及在將其中一個末端接至輸出導線時的對稱。這個領域zui近涌現了一些新，這些具有特殊的機械和電氣特，可以為低壓線定位提供好的度和抵抗力。由于低壓線位置產生的誤差在50/60 Hz頻率域一般不過 +/-3%，而在式的羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）互感器上這一誤差已經降低到了+/-0.5%以下。

圖：LEM公司生產的羅果夫斯基線圈電流 互感器

　　結論

　　許多裝置都受益于實芯互感器，鉗形的電氣特并不能與這些實芯互感器相媲美。但是，現存的機器和建筑設備就無法增加實芯裝置，因為無法承受系統停機的損失。用材料和來裝備的鉗形電流互感器，實現了經濟核算的狀態(tài)監(jiān)控、功率計量和設備管理系統的及時新。發(fā)展的市場和大型功率測量系統的配置支配著對于且經濟合算的鉗形互感器的需求。

　　鉗形電流互感器并非新鮮上市，但是這些互感器中所采用的傳統卻表現出眾多弊端。這些互感器或者以昂貴的材料制成（如鐵-鎳合金FeNi），或者能很差，尤其在線度和相移方面（比如硅鋼FeSi）。鐵氧體材料具有顯著改善的導磁率，zui終實現了在提供的同時也具有普遍接受的價格。羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）zui近也具有很大的進展，實現了用于強度電流的小型、輕型和靈活的互感器，但是需要一些信號適應和標定來將這些特發(fā)揮到*。設計和制造工藝方面取得的zui重要進步降低了成本以及減小了原邊電流電纜定位的羅果夫斯基線圈的影響，克服了這些缺點后，Rogowski Coil將是一項有前景的。

　　的多樣反映了zui近進展很多的應用領域需求的多樣化，由此說明多樣化系統和基礎設施受到成本和環(huán)境的影響。