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　　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性進行電流測量。在實芯電磁感應技術已經能夠暫時以低成本提供良好性能的同時，一些鉗形互感器最近在技術上取得了重大進展，重新彰顯了其在涉及將功率表加進現有設備進行更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，所采用的傳統技術有著諸多弊病。這些互感器不是采用昂貴的材料制造就是在精確度方面性能很差。在這種情況下，不確定度指的不是讀數本身，而是線性度、輸出電流的移相誤差和讀數超時的持續性。下文對傳統的電流感應技術和一些創新技術進行了分析，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）用電控制3）狀態監控等工業領域中眾多應用場合的重中之重。

　　1）由于電源管理是所有工業和商業活動的根本，因此是基本的功率測量應用領域。電源管理主要側重發電和配電公司，但是也兼顧工業專業人士，這些人員通過監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控制，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，從而提高其效率，因此逐步引起設備和工廠經理的關注。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管理可以降低運營成本并防止故障發生。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）而造成的能量浪費需要對能量進行二次計量。

　　3）狀態監控要求對故障進行及時檢測并做出反應，從而防止對設備造成損壞或臨界進程發生中斷。電功率測量給出一套反映電機負載特性（比如傳送機、軸承、泵、切削刀具等）的綜合信息（電流、有效功率、功率因數、頻率等）。通常情況下，這種監控對異常情況的檢測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，從而可以計劃有效的預先維護。

　　功率測量不僅在工業領域受到關注，在監控商業和住宅負載方面也是如此。不管從成本還是從環境保護方面來考慮，節約能源在全球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性的持續降低。最可靠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課題，而且日益成為政府機構的關注重點。許多國家正在開展各種減少能源消耗的運動并且制定各種激勵預算。這些激勵措施的啟用要求各種機構開發各種精確的測量性能。

　　電流互感器要求

　　工程師設計功率監控系統應該根據非常具體的特性謹慎選擇所需要的電流互感器：

　　1）精確度-在大多數應用場合，測量精確度對整個系統的效率有著直接的影響。功率計算的精確程度明顯取決于電流互感器的精確度。1級功率表可能需要精確度高于1%的電流互感器，而該精確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。考慮到每臺互感器的具體特性，允許將功率表設定在其最精確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，了解線性度、漂移和可重復性以及對其整體不精確的讀數進行補償開啟了各種新技術研究的大門。

　　2）漂移-互感器的漂移與初始系統標定無關的讀數超時持續性有關。其特性的一些變化可能由于周圍環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限制因素具有很高的抵抗能力-是構建高性能穩定可靠功率表的一個非常重要的特性。

　　3）線性度-互感器的線性度指的是在整個操作模式范圍內其特性的穩定性。模擬感應部件的高線性度對大范圍一次電流進行精確測量來說必不可少，尤其是在低電流值的情況下。幾種技術只對有限的測量范圍提供良好的性能，因此將應用領域的電流限制到相當高或相當低。

　　4）相移-實際有效功率或能量計算的精確度不僅僅與交流電流和電壓互感器的精確度和線性度的幅度有關，而且與兩個相關值測量之間可能發生的相移有關。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控儀裝置的兩根輸出線之外，電流互感器不需要任何其他的接線 。很多這種互感器都提供經過標定的標準輸出，以便在功率監控系統中進行集成。典型的1A 和 5A或 333 mV輸出均與市場上的大多數標準功率表相匹配。高精度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/5A信號要安全。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臺精確電流互感器時。但是，不應單獨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更高，但是總的來說性能更可靠以及更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更容易產生功率損失以及安裝和安全問題，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，即初級和次級繞組通過一根鐵芯連接。測量電流感應鐵芯內的磁場，從而在次級繞組內產生一個電流，這個電流與初級電流除以次級繞組匝數的商成正比。這些普通的電流互感器設計用于測量50/60 Hz典型范圍內的正弦交流電流。由于采用了普通材料和工藝，該項眾所周知的技術非常普及。

　　實芯電流互感器為設計專用于新型設備和建筑的功率表提供經濟核算的標準解決方案。但是對于涉及現有機器和設施的功率監控的眾多應用場合來說，這些互感器并不合適，其中在可能使用的所有場所更新實芯互感器之前，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、電信或數據中心電源、某些核電站設備等），一般來說也是不可能的，究其原因是費用太高或異常危險。

　　鉗形電流互感器

　　無觸點自供電鉗形電流互感器能夠僅僅與一個導體相連，而無需擰到或焊接到復雜的支架上，這樣使安裝和維護更簡單。為了避免復雜的接線，這些互感器可以安裝在電氣控制盤內來實現對有時在難以接近的或惡劣的環境中運行的設備進行遠程監控。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唯一選擇。

　　但是這些優點都是有代價的，使鉗形電流互感器比實芯互感器價格更貴、精確度也更低。因此，了解可以應用的各種技術之間的區別并根據特定應用限制條件進行選擇非常重要。

　　鉗形電流互感器通常基于上述用于實芯互感器的原理。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，以及次級繞組在磁芯的周圍分布不均勻而且僅分布在兩部分其中之一的周圍。這些互感器的價格和性能與設備的物理和機械特性有關。在鐵芯的兩個部分之間需要非常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/或鉸鏈以及可靠的開放式機構的特點。

圖1 鉗形電流互感器（1000A）

　　硅鋼鉗形電流互感器

　　硅鋼材料已經被廣泛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，特別是由于其線性度很差（尤其在低電流值時）和相移太大（典型特性如圖1所示），這種材料所表現的性能卻非常差。這些缺點限制了其用于低成本電流互感器進行相當高強度電流的測量，而在這些互感器中功率監控不需要很高的精確度。許多應用場合僅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檢測從而對其準確的消耗進行分析。對于某些場合來說，采用一個固定電壓值而非采用精確的測量值來檢測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，相移高不是大問題。典型的應用場合是在配電板上對分支電流進行監控，以便使系統能夠檢測一些電路何時會過載并且發生報警或對負載進行平衡。

　　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最佳材料，可以實現良好的性能，但是價格昂貴。當精確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限制。由于硅鋼電流互感器體積龐大，因此在工業設備和配電板內占用了寶貴的空間。這些互感器還因非常差的線性度和漂移而“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性能使其不能在低至50/60 Hz的頻率下使用。但是，近來的發展卻徹底改變了鐵氧體在這些頻率下的特性，為各種不同的功率監控應用場合提供了許多優勢。新型鐵氧體具有顯著改善的導磁率;此外，盡管其磁性飽和電平很低，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新型鐵氧體能夠實現在一個更寬的頻率范圍內對交流信號進行準確測量，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性，即使在非常低的電流水平下依然可以提供高精確度和良好的線性度。另外，這些互感器還具有輸入和輸出電流之間的非常低的相移特點，這對于實際有效功率或能量進行準確測量至關重要。堅硬的致密鐵芯將氣隙減至最小;與其他材料（如硅鋼或鐵-鎳合金）相比，鐵芯更不容易受到老化和溫度變化的影響。最后一點但并不是最不重要的一點是，鐵氧體的所有特性都可以低成本獲得，這樣能以非常有吸引力的價格將高性能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，由于制造方面的限制，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 ）技術對于高強度電流來說更合適些。

圖2 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

　　高導磁率鐵氧體材料在實芯電流互感器上不能達到最佳效果，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）就允許進行非常精細的機加工。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，而且更容易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，更小的氣隙可以使鐵氧體材料獲得更好的線性度，而且鐵氧體材料比鐵-鎳合金-80%具有更好的性能以及更低的投入成本。

　　圖1、圖2和圖3為在5A電流互感器中硅鋼、鐵-鎳合金和高導磁率鐵的相移特性模擬截圖。

圖x：5A電流互感器中硅鋼、鐵-鎳合金和高導磁率鐵氧體材料的相移特性

　　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更好的轉換比精確度（初級匝數比次級匝數）。

　　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性互感器，這種線圈可以很容易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，以便獲得最佳的轉換性能。

　　利用該技術能夠對初級電流的變化（演變）速度進行非常精確的檢測，初級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級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非常精確的線性電流互感器。

　　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，因此具有更好的頻率響應。此外，由于不存在可能會飽和的鐵芯，它還具有很高的線性度，即使對于高強度的初級電流也是如此。因此該種互感器特別適用于能夠承受高強度或快速變化的電流的功率測量系統。 對于測量高強度電流而言，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x：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最大抵抗力，所以此類電流互感器的性能在很大程度上取決于羅果夫斯基線圈的制造質量。另外一個關鍵的特性是導致線圈內不連續的閉合點，致使對外部導體和環路內測量導體的位置產生影響。固定或夾持系統應該確保線圈的末端在一個非常精確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高對稱性。這個領域最近涌現了一些新技術，這些技術具有特殊的機械和電氣特性，可以為低壓線定位提供更好的精確度和抵抗力。由于低壓線位置產生的誤差在50/60 Hz頻率域一般不超過 +/-3%，而在最新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x：LEM公司生產的羅果夫斯基線圈電流 互感器

　　結論

　　許多新型裝置都受益于實芯互感器，鉗形技術的電氣技術特性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各種實芯裝置，因為無法承受系統停機的損失。用新型材料和技術來裝備先進的鉗形電流互感器，實現了高性能經濟核算的狀態監控、功率計量和設備管理系統的及時更新。快速發展的節能市場和大型功率測量系統的配置支配著對于高性能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技術卻表現出眾多弊端。這些互感器或者以昂貴的材料制成（如鐵-鎳合金FeNi），或者性能很差，尤其在線性度和相移方面（比如硅鋼FeSi）。新型鐵氧體材料具有顯著改善的導磁率，最終實現了在提供高性能的同時也具有普遍接受的價格。羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）最近也具有很大的進展，實現了用于高強度電流的小型、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性發揮到極致。設計和制造工藝方面取得的最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技術將是一項非常有前景的技術。

　　技術的多樣性反映了最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境的影響。