1 前言
隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的繼電保護與控制已基本實現(xiàn)微機化，設(shè)備體積趨向小型化，這也同樣要求與繼電保護和控制設(shè)備接口的外部測量部分小型化和弱電化。傳統(tǒng)的保護控制設(shè)備由于消耗功率較大，要求外部測量設(shè)備具備一定的輸出功率，以驅(qū)動保護控制設(shè)備的運行。隨著的微處理機的發(fā)展，迫切需要有與之相匹配的直接接口的外部測量設(shè)備的存在，經(jīng)過科學技術(shù)應(yīng)用人員的辛勤工作，找到了一種早已存在的而以前被人們忽視的微電流、電壓輸出設(shè)備，即洛高夫斯基（Rogowski）電流傳感器和分壓器，其輸出的幾百毫安電流/毫伏電壓能直接與微機型保護控制設(shè)備接口，滿足保護控制測量的要求，且基本消除了傳統(tǒng)電磁式電流、電壓互感器磁飽和的缺點。
2 電流傳感器
早在1912年，洛高夫斯基通過對電力系統(tǒng)測量的研究，發(fā)明了洛高夫斯基線圈測量原理。洛高夫斯基線圈是一個均勻纏繞的線圈，它具有一個非磁性的芯。洛高夫斯基線圈最基本形狀是一個環(huán)形的空氣芯線圈。
洛高夫斯基線圈可通過將導線繞在一個撓性的管子上，然后將管子兩端彎曲到一起而構(gòu)成。見圖1，繞組經(jīng)過精密制造，具有優(yōu)良的準確度和穩(wěn)定性。
通過線圈的電流感應(yīng)產(chǎn)生一個電壓e， 可由以下近似出式給出：
e=-u。NA dI/dt = H dI/dt （１）
其中 u。=自由空間的導磁率
N=纏繞密度，[匝數(shù)/米]
A=單匝截面積[米2 ]
H=線圈靈敏度[Vs/A]
洛高夫斯基線圈由于采用非磁性的線圈芯，故沒有任何非線性飽和效應(yīng)。它允許隔離的電流測量，并具有較寬的帶寬，最大可達1兆赫茲。
洛高夫斯基線圈具有良好的線性特性，且體積小和重量輕。可以認為是理想的電流傳感器。
洛高夫線圈不存在飽和性，它可以用來測量從幾安培到幾百千安的電流，最小值和最大值主要取決于測量的電子元件。
線性帶來以下特點：
l所需要的不同規(guī)格的數(shù)目減少
l高故障電流的準確測量（故障定位，斷路器的狀態(tài)監(jiān)控）
由于洛高夫斯基線圈的輸出與電流的時間導數(shù)成比例，因此需進行積分。早期使用的模擬式積分器誤差較大，應(yīng)用不理想，現(xiàn)采用數(shù)字方法積分，效果較好。
2.1電流傳感器的準確度
影響電流傳感器的準確性有如下原因：
l溫度變化
l裝配出差錯
l其他相電流的影響（串擾）
l初級導體的非無限長度（例如：接近線圈的90。 角）
通過嚴格的設(shè)計及制造的質(zhì)量控制，可以降低線圈芯和繞組裝配對精確度的影響，目前傳感器的準確度可以達到0.5%。
但0.5%的精確度很難滿足電力設(shè)計規(guī)范對計量的±2.0%的要求，針對上述影響電流傳感器精確度的因素，可采取如下方法進行解決。
1）采用對溫度反應(yīng)不敏感的特殊材料，以降低溫度對其的影響（見圖2）。
2）測量傳感器的溫度，然后對溫度進行補償。
3）裝配誤差可以用適當?shù)臋C械安裝來消除。一般情況下，電流傳感器是集成在套管中，這樣裝配誤差就可以降低。
4）串擾（其他相電流對于被測量電流的影響）可以通過傳感器的優(yōu)化設(shè)計，從而使串擾影響降到最低。標準傳感器的串擾如圖3所示。在一般保護算法中，相位角的準確度是很重要的。鐵芯電流互感器的缺點是相位移隨電流而改變，特別是在欠激勵或過激勵的過程中。而這種情況對洛高夫斯基線圈來說，已不是問題，因為相位移很小，并且不隨電流而改變。
2.2頻率范圍
電力系統(tǒng)工頻為50赫茲，而洛高夫斯基線圈的頻率范圍為從幾赫茲到10000赫茲以上。故對于保護、監(jiān)控和電力測量來說，完全滿足要求。圖4表示了洛高夫斯基線圈與頻率的關(guān)系。
3．電壓傳感器
測量電壓所用的電壓傳感器是阻抗式的（電阻式或電容式）分壓器（見圖5）。與磁電壓互感器相比，其有優(yōu)點如下：
l無飽和，線性
l體積小，重量輕
l不會引起鐵磁諧振
在電網(wǎng)中，磁諧振是一個問題。這種結(jié)果在許多情況下是：如果在相線和地線之間連接一個普通的電流互感器，將可能發(fā)生熱過載和損壞。電阻式電壓傳感器，由于不存在電感，因此不會引起磁共振。它可在這種特殊情況下被用于測量相線至地線的短路電流。
電阻式分壓器必須能夠承受各種正常情況和故障情況的電壓，以及試驗電壓。這對分壓器提出了較高的要求。在實際中，這就意味著分壓器的電阻值必須很高。此時應(yīng)重點處理雜散電容問題。
3.1電阻式電壓傳感器的準確度
電阻式電壓傳感器的準確度取決于電阻的準確度，或更準確地說，取決于分壓比的準確度。兩個電阻都允許改變，如果在同方向改變的話。不準確性的主要來源是：
l電阻溫度系數(shù)
l電阻電壓系數(shù)
l電阻器的漂移（電壓、溫度）
l雜散電容
l相鄰相線的影響（串擾）
電阻式電壓傳感器的精確度與電流傳感器的精確度一樣，可以達到±0.5%的準確度。但不滿足計量中±0.2%準確度的要求。
可采用如下優(yōu)化措施：
1） 通過采用高質(zhì)量的材料，以及優(yōu)化的設(shè)計，補償溫度的影響和電阻電壓系數(shù)。
2） 降低相鄰相和分壓器之間的電容
3.2 電容式電壓傳感器的準確度
準確度主要取決于介電常數(shù)對溫度的依賴關(guān)系，環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)對溫度的依賴性在-40℃至+70℃的溫度范圍內(nèi)為1% 。其他影響準確性原因為：
l電容器的漂移（絕緣的考化）
l雜散電容
l相鄰相位的影響（串擾）
由于溫度影響，一般準確度為3%。當要求更高的準確度時，需采用電阻式分壓器。
3.3頻率范圍
由于電阻式分壓器的高阻抗水平，頻率響應(yīng)沒有象洛高夫斯基線圈的頻率響應(yīng)那樣寬。然而可以測量到高達幾千赫茲頻率（見圖7）。這對于監(jiān)控，保護和電力質(zhì)量測量是足夠的。
4 標準的制定
目前IEC TC38工作組（WG23和WG27）在現(xiàn)有的儀用互感器的基礎(chǔ)上，已考慮了傳感器技術(shù)的特殊要求（電磁兼容性等），草擬了IEC60044-7 [3]標準。已于1999年12月發(fā)表，IEC60044-8 [4]的草案已于2000年中發(fā)表。這兩個標準都包括了電壓和電流傳感器的模擬輸出的規(guī)定。IEC60044-8還包括對多達7個電流信號和5個電壓信號數(shù)字點對點輸出的規(guī)定。
IEEE（電氣與電子工程師學會）電力系統(tǒng)繼電委員會發(fā)表了一個傳感器標準的建議。 [5]
5 傳感器性能的比較
傳感器式電流和電壓互感器與傳統(tǒng)電流和電壓互感器性能對比
性能
傳統(tǒng)電流和電壓互感器
傳感器式電流和電壓互感器
信號
5A/100V
150mv/2： V
次級負載
1-50VA
≥4光歐
準確度
測量：0.2%-1% 保護：5%-10%
多用途1%
動態(tài)范圍 40´In/1.9´Un 無限制
線性 非線性 完全線性
飽和 輸出信號畸變 不存在
鐵磁畸變 破壞性（電壓互感器） 不存在
溫度系數(shù) 無影響 受補償
電磁兼容性 無影響 屏數(shù)
短路的次級 破壞性（電壓互感器） 無傷害
開路的次級 破壞性（電流互感器） 無傷害
重量 40kg（電流、電壓互感器） 8kg（組合傳感器）
壽命期成本 高 低
覆蓋所有應(yīng)用的不同型式
種類繁多
2種
6 電壓傳感器，電流電流傳器
上述電壓傳感器，電流電流傳器已應(yīng)用于廣州地鐵二號線33kV GIS交流開關(guān)柜中，實現(xiàn)與保護控制設(shè)備的直接弱電接口。
