肖剑锋，王剑飞，何志满，万晖，唐雪峰，米彦

(1. 国网重庆市电力公司万州供电分公司，重庆 404000； 2. 重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044)

0 引 言

电力系统的稳定运行对于人民的生产、生活质量以及社会的进步和经济起着非常重要的作用。但是自然雷击的发生会对电力系统稳定运行造成很大影响，甚至引起严重后果。因此，有效防雷是保障电力系统的正常运行亟需解决的关键问题。若能够对雷电流的波形和幅值进行准确的测量，对于输电线路的差异化防雷的实现将起到极大的促进作用。

多年以来，国内外的学者们在雷电流在线监测领域开展了大量相关研究工作，并取得了众多具有价值的成果和突破。目前，雷电流的监测方法主要分为以下四种：磁钢棒测量、雷电定位系统、磁带测量以及Rogowski线圈(罗氏线圈)测量法。磁带和磁钢棒法都只能测量雷电流的幅值或者是陡度[1-2]，而雷电定位系统对设备要求高，成本巨大[3-4]。罗氏线圈以其能够测量雷电流全波波形的优点，成为了目前雷电流监测领域较受欢迎的研究方向。

文章将对基于罗氏线圈及其特殊形式微分环的雷电流在线监测方法进行综述，介绍其测量原理以及国内外的研究现状，对其优劣势进行分析，最后提出今后的研究方向。

1 罗氏线圈的测量原理分析

1.1 传统罗氏线圈的测量原理分析

罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律。罗氏线圈是将导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上，让通有电流的导线垂直穿过线圈的中心，通过被测载流导体所产生的磁通的变化，能够感应出与被测电流大小成比例的电压信号。以骨架横截面为矩形的罗氏线圈为例，如图1所示。

图1 矩形横截面罗氏线圈原理图

图1为矩形横截面罗氏线圈原理图。图中，被测电流从线圈中心穿过，设为I;a为骨架内半径;b为骨架外半径;h为骨架厚度;E为线圈感应电压;线圈匝数为N;线圈平均半径为r。假设载流导体为无限长，则根据毕奥-萨伐尔定理可知：

(1)

当被测导线距离线圈较远，穿过线圈的磁通近似为：

(2)

根据电磁感应定律可得：

(3)

令线圈互感系数为M，则有：

(4)

式(3)可以简化为：

(5)

由式(5)可知，罗氏线圈输出的感应电动势与被测电流的微分信号成正比，比例系数即为互感系数。因此加一个积分器对罗氏线圈输出信号进行积分就可以得到被测电流波形。这就是罗氏线圈的测量原理。

1.2 微分环的测量原理分析

微分环是罗氏线圈的一种特殊形式，也是基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律。微分环绕线方式与罗氏线圈相同，区别在于微分环采用的是直线型骨架。除此之外，罗氏线圈测量电流时需要被测电流穿过线圈，而微分环测量电流时不需要被测电流穿过线圈，只要被测电流产生的磁场能够穿过其线圈截面就可以进行测量，其测量雷电流的原理如图2所示[5]。

图2 微分环测量示意图[5]

如图2所示，当载流导线上有冲击电流通过时，在载流导线的周围会产生一个瞬态磁场，当微分环截面与产生的瞬态变化磁场发生铰链时，微分环就会产生感应电动势e，该感应电动势正比于匝数N，微分环横截面积S，以及磁感应强度B的变化率，即：

(6)

式中的负号可以通过改变微分环方向来去掉，而式中的磁感应强度B为微分环所在空间中的磁感应强度在线圈轴向上的分量。当微分环确定时，匝数N和横截面积S均为常数，则：

(7)

同时，假设载流导体无限长，磁感应强度B与载流导线上的电流I之间的关系为：

(8)

式中l为微分环到输电导线的垂直距离;μ0=4π×10-7H/m为真空中的磁导率。

因此，由式(7)与式(8)可得载流导体上的电流与微分环感应电动势的关系为：

(9)

由式(9)可知，与传统罗氏线圈相同，微分环所测得的感应电动势与被测电流的微分信号成比例关系，只需对感应电动势进行合适的积分处理，就能还原被测电流的波形;这就是微分环的测量原理。

2 罗氏线圈测量雷电流的发展与应用

罗氏线圈的产生和运用出现于1912年，Rogowski根据Maxwell第一方程证明了罗氏线圈的存在和相关特性。但由于线圈的输出还不足以驱动当时的计量设备，所以最初只是用来测量磁场。1966年，西德的Heumamn经过长期研究，设计了一种全新的线圈结构，将罗氏线圈的测量精确度提高了一个数量级。此后，罗氏线圈开始作为电流互感器的传感头得到运用和发展[6]。近年来，国内外的很多学者在罗氏线圈测量脉冲大电流及雷电流的领域进行了研究。

2.1 国外的发展现状

国外主要是日本的学者在从事罗氏线圈在雷电流测量领域的研究。国外某电力公司雷电研究中心Kazuo Nakada和Hitoshi Sugimoto等人，在6.6 kV试验输电线路上利用罗氏线圈测量雷电流和雷电过电压参数，并将实测波形与EMTP仿真波形进行对比以研究分析雷电特性[7]。

国外某电力公司Teru Miyazaki和Shigemitsu Okabe等人等设计了一套用于500 kV超高压输电塔上的雷电监测系统，并对获得的雷电参数进行分析研究。这套雷电流监测系统如图3所示，先在杆塔顶部加装的两个长2.5 m的引雷针，再将罗氏线圈安装在引雷针上，直接对击中引雷针的雷电流进行测量并记录于安装在杆塔上的存储卡中。此外，使用全球定位系统(GPS)记录时间。通过光缆来将数据从塔顶的传感器处传输至塔底部的数据采集系统，以抑制感应噪声,电源和数据采集是远程控制的。该系统在1994～2004年间共获得120个负极性雷电流数据和15个正极性雷电流数据[8-15]。

图3 雷电监测系统原理图[13]

国外某实验室的Toru Miki和Takatoshi Shindo等人在某晴空塔497 m处安装了一套大尺寸的罗氏线圈来测量雷电流，如图4所示[16]。线圈整体是一个正六边形的形状，边长约为5.1 m，外部采用氯乙烯材料作为套管，内部有两组线圈：一组用来测量低频信号以获取尽可能完整的雷电流波形；另一组用来测量高频信号以获取雷电流的准确幅值以及上升沿陡度。线圈通过光纤电缆安装在晴空塔较低高度的记录数字化仪连接，完成数据传输。

图4 安装在东京晴空塔上的罗氏线圈[16]

2.2 国内的发展现状

国内的学者们在罗氏线圈测量雷电流领域也做了许多研究与应用。某大学高压研究所2008 年5月在某供电公司220 kV“党红线”和“天楼线”上安装了2套基于罗氏线圈的雷电流波形记录系统，如图5所示[17]。通过在顶部安装一根引雷针来有效捕捉雷电流，再将罗氏线圈安装在引雷针上来测量雷电流波形，并通过现场的信号处理系统记录数据并压缩打包，通过GPS发射到远端接受装置。系统电源由太阳能电池提供。另外，某大学最近开发了一种采用5个柔性Rogowski线圈的雷电流波形记录系统，通过检测3相导线、避雷线及杆塔的雷电流，可实现对雷电直击和绕击的识别。目前已有2套安装在承德的220 kV 输电线路上。

图5 220 V线路雷电流波形记录系统[17]

某大学研制了一套运用于湖北咸宁110 kV“汪官线”的雷电流波形实时监测系统，如图6所示[18-20]。监测系统包括一台前置机，A、B、C三相的绝缘子近地端及避雷线处一共安装4个罗氏线圈，所选安装杆塔均是以前较易出现雷击的位置，数据通过GPRS单元进行传输，电源由“光电池+蓄电池”系统构成。该系统在2007年4月26日凌晨在汪官线#51塔地线支架上雷电流传感器监测到了第1组雷电流数据。波形为典型的衰减震荡波，负极性，峰值为11.8 kA，到达峰值时间为1.8 μs，震荡波持续时间14 μs。这次对于雷电流波形的记录也填补了我国在雷电实测方面的空白。

图6 雷电流波形实时监测系统[19]

某大学提出一种输电线路杆塔的雷电流实测系统[21]，即在绝缘子串杆塔侧金具上钳套罗氏线圈，测量雷击时的闪络电流,进而算出雷电流幅值。并在实验室采用冲击带电流进行了测试，效果良好。除了在引雷针及绝缘子串上安装罗氏线圈之外，某研究所研制了一种高度集成的雷电流和雷电过电压传感器，并将其直接安装在导线和避雷线上，如图7所示[22]。该安装方式实现了输电线及避雷线上雷电流波形的直接测量。

图7 直接安装在输电线上的传感器[21]

2.3 罗氏线圈的优劣势及发展方向

2.3.1 优劣势分析

相比于早期用于雷电流测量的磁带法和磁钢棒法，采用罗氏线圈测量雷电流能够得到雷电流的全波波形。不仅如此，罗氏线圈作为一种电流传感器，与带铁心的传统互感器相比，它具有以下优点[23]：(1)测量范围宽，精度高；(2)稳定可靠，同时具有测量和继电保护功能；(3)没有铁心，响应频带宽；(4)体积小、重量轻、安全且符合环保要求；(5)易于实现微机化、网络化。

但与此同时，采用罗氏线圈测量雷电流也存在着一些问题。目前在实际运用中罗氏线圈一般是安装在引雷针上、绝缘子串、杆塔或者是输电线路上。当安装在引雷针上时，只能测量直击输电杆塔的雷电流，并且加装引雷针会增加杆塔遭受雷击的概率，存在安全隐患；当安装在绝缘子串或者是杆塔上时，测量的主要是该杆塔上的雷击闪络电流以及杆塔的入地电流，若雷击的是其他杆塔，则无法测量到雷电流波形，而从成本与安全角度考虑，很难在所有杆塔上均安装监测装置；当直接安装在输电导线和避雷线时，安装、维护的时候都需要停电，大大增加了电力部门的经济负担与工作强度。以上都是罗氏线圈在实际应用中存在的局限性。

2.3.2 后续发展趋势探讨

传统罗氏线圈的绕制存在着绕制不均匀以及杂散参数不统一的情况，不利于批量生产。而PCB(印制电路板)工艺则可以解决这个问题。Kojovic L A首次提出了 PCB 罗氏线圈的设计思想并在美国注册了专利[24]，在国内也有很多学者对PCB罗氏线圈进行了研究[25-29]。但是主要是对PCB罗氏线圈进行理论分析与设计，目前还没有针对雷电流测量的PCB罗氏线圈实际运用。针对输电线路雷电流的在线监测，设计并研制一种便于安装，抗干扰性强的PCB罗氏线圈传感器，是一个可行的研究方向。

3 微分环测量雷电流的发展与应用

微分环在国外的应用从二十世纪60年代就开始了，但是主要是应用于脉冲大电流的测量。国内的学者大部分也是研究微分环对于脉冲大电流的测量，目前只有少部分学者进行了微分环在雷电流测量领域的研究。

3.1 国外的发展现状

国外对于微分环运用的研究开始的比较早。1963年，英国某机构的D. E. T. F. Ashby，L. S. Holmes和M. A. Kasha研制了一个用于脉冲大电流测量的单层多匝磁场传感器[30]。1997年，美国某实验室的R. D. Scarpetti, J. K. Boyd, G. G. Earley等人研制的FXR(Flash X-Ray machine)[31]，采用微分环测量脉冲电流的偏心及高频振荡；美国某实验室的W. A. Stygar，R. B. Spielman等人采用微分环Z-Pinch负载电流进行了测量[32]。

在雷电流监测方面的应用比较少，1975年某大学的E. Philip Krider和R. Carl Noggle采用由铜线或者同轴电缆构成的单匝环形天线结合外积分的形式实现了对雷电瞬态磁场的测量[33]。1999年，雅典某大学的I. F. Gonos，L. Ekonomou等人利用同轴电缆绕制的环形天线构成了一个雷电测量及定位系统[34-35]，其采用两个垂直放置环形天线构成一个传感器，来对雷电流进行测量及定位，如图8所示。但是，该测量与定位系统并不适用于在输电线或杆塔上进行监测。

图8 环形天线传感器[35]

3.2 国内的发展现状

国内对于微分环的研究大多数也是集中在脉冲大电流测量领域。1998年，某大学研制了用于测量纳秒级脉冲的微分环，并分析了其在强流陡脉冲测量中的抗干扰性[36]。2001年，某核技术研究所采用单匝微分环对强脉冲进行了测量，测量结果与理论计算相符合[37]。某核研究所将微分环应用于“强光一号”加速器上，来测量纳秒级的脉冲大电流[38]。某流体物理研究所研制并标定了用于测量阳加速器新真空磁绝缘线电流的微分环[39]。

而对于微分环在雷电流在线监测领域的应用，国内主要是某大学在研究[6,40-41]。他们研制了一种用于输电线路雷电流在线监测的绕线式微分环，如图9所示。

图9 绕线式微分环[40]

微分环内部采用铜芯漆包线绕制，匝数为100匝，外部为铝制屏蔽壳防止周围的磁场干扰。微分环的灵敏度为0.032 2 V/kA，频带为783 Hz～25.3 MHz。其测量原理如图10所示。

图10 微分环安装示意图[5]

微分环安装在输电线路杆塔上，与被测输电导线有一定的距离。当输电导线上有雷电流通过，导线周围产生变化的瞬态磁场，微分环和磁场发生耦合并产生感应电动势，经积分处理之后还原雷电流波形。

基于该微分环的雷电流在线监测系统成功应用于110 kV输电线路。在实际运用中，微分环采集的信号通过同轴电缆传输至信号采集系统，并由GPRS无线传输至用户服务器，实现在线监测。信号采集系统及GPRS的供电由安装在杆塔上的太阳能电池板及蓄电池实现。

某大学学者对绕线式微分环进行了结构改进[42-43]，设计了一种单层PCB微分环并进行了实验室标定，测试效果良好。如图11所示，PCB微分环利用PCB覆铜代替了铜线的绕制，改善了传统绕线式微分环在制作过程中出现的杂散参数不统一的情况，也有利微分环的批量生产。

图11 PCB微分环

3.3 微分环的优劣势分析及发展方向

3.3.1 优劣势分析

微分环是一种特殊形式的罗氏线圈，它也具备传统罗氏线圈测量带宽高、精度高、结构简单以及能实现雷电流全波波形测量等优点。除此之外，相较于传统的罗氏线圈，微分环不要求被测电流穿过线圈，所以可以实现非接触式测量，这对于在输电线路及杆塔上的安装带来了极大的方便，无论是安装还是拆卸都不会影响线路的正常运行。

但是，由于雷击点不一定在安装传感器的周围，所以传感器测得雷电流波形可能是衰减或者是分流之后的波形，而不是原始雷电流波形。而且微分环是通过耦合周围磁场来进行测量，而当输电线路一相导线发生雷击时，其它各项导线上也会有一定大小的电流流过，因而微分环所耦合的磁场是各相导线电流共同作用的结果，若要得到每一相导线的电流波形，需要进行解耦处理。由此可以看出，微分环对于信号的后续处理要求更高。

3.3.2 后续发展趋势探讨

目前某大学学者研制的PCB微分环虽然精度高，线性度好，但是由于绕线匝数只有10，所以灵敏度不是很高。在后续的研究中可以考虑改进PCB微分环的结构以提高灵敏度，例如增加PCB微分环的层数，研制多层PCB微分环以提高灵敏度。

4 结束语

对用于雷电流在线监测的罗氏线圈及其特殊形式微分环进行了综述，介绍了它们的测量原理、国内外发展现状和优劣势，并探讨了今后可能的发展方向。作为能够实现雷电流全波波形测量的传感器，罗氏线圈和微分环都具有很好的发展与应用前景。在实际运用中，应该根据现场输电线路及杆塔的实际情况以及所需要的雷电流参数，来选择合适的传感器及安装位置。

除了结构上的优化与改进，罗氏线圈与微分环用于雷电流测量时还有一个共同的问题—信号的采集与传输系统的电能供应。目前实际运用中大多是在现场安装信号采集与处理系统，并通过GPRS无线传输信号。电源则是由蓄电池与太阳能电池配合供电。但无论是蓄电池还是太阳能电池，长时间放置在自然环境下很容易出现问题甚至损坏，而对电源的检查与维护又会消耗大量的人力物力。

所以如果能实现现场的无源监测，而由远端的控制室来完成电能供给，无疑会大大提高监测系统的稳定性。可以考虑利用电光晶体的电光效应，将电信号转换为光信号，并通过光纤复合架空地线(OPGW)中的光纤进行传输信号。光纤复合架空地线(Optical fiber composite overhead ground wires, OPGW)是用于高压输电系统通信线路的新型结构的地线，具有普通架空地线和通信光缆的双重功能。可以利用其通信光缆的功能将光信号传输到远程控制室，再由控制室将光信号还原为电信号。这样光源和信号采集及处理的环节均可由控制室来功能，从而实现了测量现场的无源监测。

这种无源监测的方法需要选择一种合适的电光晶体，灵敏度要满足监测需求。同时这种方法也存在一定问题，就是监测现场是在野外环境，温度变化较大，可能会影响晶体的光学性质，可以考虑设计一种无源的温控箱，把电光晶体的温度变化控制在一定范围内。