摘 要：電功率計(jì)算包括根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的具體電氣和機(jī)械特性進(jìn)行電流測(cè)量。在實(shí)芯電磁感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)能夠暫時(shí)以低成本提供良好性能的同時(shí)，一些鉗形互感器最近在技術(shù)上取得了重大進(jìn)展，重新彰顯了其在涉及將功率表加進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行更新等應(yīng)用場(chǎng)合方面的價(jià)值。鉗形互感器并非新鮮出爐，但是在過(guò)去這些互感器又大又笨重，所采用的傳統(tǒng)技術(shù)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(shù)本身，而是線性度、輸出電流的移相誤差和讀數(shù)超時(shí)的持續(xù)性。下文對(duì)傳統(tǒng)的電流感應(yīng)技術(shù)和一些創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行了分析，側(cè)重這些互感器在不同功率測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 功率測(cè)量應(yīng)用 　　電功率測(cè)量已經(jīng)成為1）電源管理、2）用電控制3）狀態(tài)監(jiān)控等工業(yè)領(lǐng)域中眾多應(yīng)用場(chǎng)合的重中之重。 　　1）由于電源管理是所有工業(yè)和商業(yè)活動(dòng)的根本，因此是基本的功率測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域。電源管理主要側(cè)重發(fā)電和配電公司，但是也兼顧工業(yè)專業(yè)人士，這些人員通過(guò)監(jiān)控其電力質(zhì)量和功率因數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其設(shè)備征收的費(fèi)率進(jìn)行控制，尤其是當(dāng)操作低功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)。 　　2）由于實(shí)施能量二次計(jì)量可以對(duì)能量成本進(jìn)行跟蹤并對(duì)其進(jìn)行分配，同時(shí)也對(duì)電量消耗進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而提高其效率，因此逐步引起設(shè)備和工廠經(jīng)理的關(guān)注。電源選型和計(jì)費(fèi)通常取決于峰值消耗，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理可以降低運(yùn)營(yíng)成本并防止故障發(fā)生。了解和管理主要消費(fèi)對(duì)象以及確定通常由于故障電器或設(shè)備用量不足（比如不合適的照明、加熱或空氣調(diào)節(jié)）而造成的能量浪費(fèi)需要對(duì)能量進(jìn)行二次計(jì)量。 　　3）狀態(tài)監(jiān)控要求對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)并做出反應(yīng)，從而防止對(duì)設(shè)備造成損壞或臨界進(jìn)程發(fā)生中斷。電功率測(cè)量給出一套反映電機(jī)負(fù)載特性（比如傳送機(jī)、軸承、泵、切削刀具等）的綜合信息（電流、有效功率、功率因數(shù)、頻率等）。通常情況下，這種監(jiān)控對(duì)異常情況的檢測(cè)速度要比傳統(tǒng)互感器快，比如溫度、壓力、振蕩等。及時(shí)對(duì)這些電氣參數(shù)的變化進(jìn)行分析甚至能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障進(jìn)行估計(jì)，從而可以計(jì)劃有效的預(yù)先維護(hù)。 　　功率測(cè)量不僅在工業(yè)領(lǐng)域受到關(guān)注，在監(jiān)控商業(yè)和住宅負(fù)載方面也是如此。不管從成本還是從環(huán)境保護(hù)方面來(lái)考慮，節(jié)約能源在全球日益成為公眾關(guān)注的話題。 關(guān)鍵問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)能源消耗實(shí)質(zhì)性的持續(xù)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(duì)這些能量負(fù)責(zé)。鎖定該領(lǐng)域仍然是一個(gè)工業(yè)課題，而且日益成為政府機(jī)構(gòu)的關(guān)注重點(diǎn)。許多國(guó)家正在開展各種減少能源消耗的運(yùn)動(dòng)并且制定各種激勵(lì)預(yù)算。這些激勵(lì)措施的啟用要求各種機(jī)構(gòu)開發(fā)各種精確的測(cè)量性能。 電流互感器要求 　　工程師設(shè)計(jì)功率監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)非常具體的特性謹(jǐn)慎選擇所需要的電流互感器： 　　1）精確度-在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，測(cè)量精確度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率有著直接的影響。功率計(jì)算的精確程度明顯取決于電流互感器的精確度。1級(jí)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(huì)與昂貴的材料和制造工藝相關(guān)。一個(gè)替代方案是對(duì)所應(yīng)用的每一臺(tái)互感器都對(duì)功率表進(jìn)行標(biāo)定?？紤]到每臺(tái)互感器的具體特性，允許將功率表設(shè)定在其最精確的操作模式以及將變量從一臺(tái)互感器傳遞到另外一臺(tái)互感器。正如我們?cè)诒疚暮竺娌糠炙吹降模私饩€性度、漂移和可重復(fù)性以及對(duì)其整體不精確的讀數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償開啟了各種新技術(shù)研究的大門。 　　2）漂移-互感器的漂移與初始系統(tǒng)標(biāo)定無(wú)關(guān)的讀數(shù)超時(shí)持續(xù)性有關(guān)。其特性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(duì)這些限制因素具有很高的抵抗能力-是構(gòu)建高性能穩(wěn)定可靠功率表的一個(gè)非常重要的特性。 　　3）線性度-互感器的線性度指的是在整個(gè)操作模式范圍內(nèi)其特性的穩(wěn)定性。模擬感應(yīng)部件的高線性度對(duì)大范圍一次電流進(jìn)行精確測(cè)量來(lái)說(shuō)必不可少，尤其是在低電流值的情況下。幾種技術(shù)只對(duì)有限的測(cè)量范圍提供良好的性能，因此將應(yīng)用領(lǐng)域的電流限制到相當(dāng)高或相當(dāng)?shù)汀? 　　4）相移-實(shí)際有效功率或能量計(jì)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(guān)，而且與兩個(gè)相關(guān)值測(cè)量之間可能發(fā)生的相移有關(guān)。當(dāng)然，相移應(yīng)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，電流互感器不需要任何其他的接線 。很多這種互感器都提供經(jīng)過(guò)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)輸出，以便在功率監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行集成。典型的1A 和 5A或 333 mV輸出均與市場(chǎng)上的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)功率表相匹配。高精度功率表需要根據(jù)不能再互換的每臺(tái)互感器進(jìn)行特定的標(biāo)定。然后這些互感器可能會(huì)產(chǎn)生低電流輸出，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中接觸這些低電流會(huì)比傳統(tǒng)的1A/5A信號(hào)要安全。此外，電流輸出還幾乎不受干擾的影響，因此當(dāng)需要采用長(zhǎng)距離導(dǎo)線將互感器連接至功率表時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用電流信號(hào)輸出而非電壓信號(hào)輸出。 　　6）價(jià)格-互感器的價(jià)格固然重要，尤其是三相功率測(cè)量需要3臺(tái)精確電流互感器時(shí)。但是，不應(yīng)單獨(dú)考慮電流互感器的價(jià)格，同時(shí)也要考慮其安裝和維護(hù)成本。盡管實(shí)芯互感器成本更高，但是總的來(lái)說(shuō)性能更可靠以及更便于安裝和取代鉗形互感器還是確實(shí)降低了系統(tǒng)成本。 實(shí)芯電流互感器 　　由于分流器比無(wú)觸點(diǎn)電流互感器更容易產(chǎn)生功率損失以及安裝和安全問(wèn)題，因此功率測(cè)量系統(tǒng)一般采用無(wú)觸點(diǎn)電流互感器。傳統(tǒng)的實(shí)芯電流互感器基于互感器原理，即初級(jí)和次級(jí)繞組通過(guò)一根鐵芯連接。測(cè)量電流感應(yīng)鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)，從而在次級(jí)繞組內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電流，這個(gè)電流與初級(jí)電流除以次級(jí)繞組匝數(shù)的商成正比。這些普通的電流互感器設(shè)計(jì)用于測(cè)量50/60 Hz典型范圍內(nèi)的正弦交流電流。由于采用了普通材料和工藝，該項(xiàng)眾所周知的技術(shù)非常普及。 　　實(shí)芯電流互感器為設(shè)計(jì)專用于新型設(shè)備和建筑的功率表提供經(jīng)濟(jì)核算的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。但是對(duì)于涉及現(xiàn)有機(jī)器和設(shè)施的功率監(jiān)控的眾多應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，這些互感器并不合適，其中在可能使用的所有場(chǎng)所更新實(shí)芯互感器之前，必須要切斷電源并且斷開導(dǎo)線。安裝功率計(jì)量系統(tǒng)時(shí)如果要求斷電，哪怕只是一會(huì)（例如中斷生產(chǎn)線、電信或數(shù)據(jù)中心電源、某些核電站設(shè)備等），一般來(lái)說(shuō)也是不可能的，究其原因是費(fèi)用太高或異常危險(xiǎn)。 鉗形電流互感器 　　無(wú)觸點(diǎn)自供電鉗形電流互感器能夠僅僅與一個(gè)導(dǎo)體相連，而無(wú)需擰到或焊接到復(fù)雜的支架上，這樣使安裝和維護(hù)更簡(jiǎn)單。為了避免復(fù)雜的接線，這些互感器可以安裝在電氣控制盤內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)有時(shí)在難以接近的或惡劣的環(huán)境中運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。鉗形互感器的好處在于無(wú)需對(duì)一臺(tái)帶電裝置的運(yùn)行產(chǎn)生干擾即可將其重新裝配進(jìn)去，這經(jīng)常使鉗形互感器成為工程師設(shè)計(jì)功率表的唯一選擇。 　　但是這些優(yōu)點(diǎn)都是有代價(jià)的，使鉗形電流互感器比實(shí)芯互感器價(jià)格更貴、精確度也更低。因此，了解可以應(yīng)用的各種技術(shù)之間的區(qū)別并根據(jù)特定應(yīng)用限制條件進(jìn)行選擇非常重要。 　　鉗形電流互感器通?；谏鲜鲇糜趯?shí)芯互感器的原理。但是在這種情況下，磁芯是由兩個(gè)能夠分離的截然不同的部分組成。不確定度主要來(lái)自兩部分之間的不良接觸，以及次級(jí)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(jià)格和性能與設(shè)備的物理和機(jī)械特性有關(guān)。在鐵芯的兩個(gè)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(chǎn)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(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。 [align=center] 圖1 鉗形電流互感器（1000A）[/align] 硅鋼鉗形電流互感器 　　硅鋼材料已經(jīng)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(jià)格。但是，特別是由于其線性度很差（尤其在低電流值時(shí)）和相移太大（典型特性如圖1所示），這種材料所表現(xiàn)的性能卻非常差。這些缺點(diǎn)限制了其用于低成本電流互感器進(jìn)行相當(dāng)高強(qiáng)度電流的測(cè)量，而在這些互感器中功率監(jiān)控不需要很高的精確度。許多應(yīng)用場(chǎng)合僅需要對(duì)功率消耗進(jìn)行大概的估計(jì)，而不是對(duì)電量消費(fèi)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)從而對(duì)其準(zhǔn)確的消耗進(jìn)行分析。對(duì)于某些場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，采用一個(gè)固定電壓值而非采用精確的測(cè)量值來(lái)檢測(cè)設(shè)備是否在耗電以及繪制工作時(shí)間曲線也許就足夠。在這種情況下，相移高不是大問(wèn)題。典型的應(yīng)用場(chǎng)合是在配電板上對(duì)分支電流進(jìn)行監(jiān)控，以便使系統(tǒng)能夠檢測(cè)一些電路何時(shí)會(huì)過(guò)載并且發(fā)生報(bào)警或?qū)ω?fù)載進(jìn)行平衡。 　　硅鋼電流互感器的另外一個(gè)缺點(diǎn)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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)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(shí)現(xiàn)良好的性能，但是價(jià)格昂貴。當(dāng)精確度和相移都很重要時(shí)，或者當(dāng)互感器需要測(cè)量小電流時(shí)，鐵-鎳合金可以成為鐵硅鋼材料不錯(cuò)的替代。 　　除了價(jià)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(yè)設(shè)備和配電板內(nèi)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?yàn)殂Q形結(jié)構(gòu)造成的氣隙。 鐵氧體鉗形電流互感器 　　盡管鐵氧體多年來(lái)一直被人們所熟知，但是其在飽和電平和導(dǎo)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(lái)的發(fā)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(jiān)控應(yīng)用場(chǎng)合提供了許多優(yōu)勢(shì)。新型鐵氧體具有顯著改善的導(dǎo)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?qū)崿F(xiàn)在一個(gè)更寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，這個(gè)頻率范圍包括50/60 Hz應(yīng)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(diǎn)，這對(duì)于實(shí)際有效功率或能量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量至關(guān)重要。堅(jiān)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(diǎn)但并不是最不重要的一點(diǎn)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(jià)格將高性能鉗形電流互感器投放市場(chǎng)。 　　對(duì)于大電流測(cè)量，應(yīng)該采用大得多的鐵氧體磁芯進(jìn)行測(cè)量，但不幸的是，由于制造方面的限制，這種鐵芯還相當(dāng)稀有。目前來(lái)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(shù)對(duì)于高強(qiáng)度電流來(lái)說(shuō)更合適些。 [align=center] 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[/align] 硅鋼、鐵-鎳合金和鐵氧體材料之間的對(duì)比 　　高導(dǎo)磁率鐵氧體材料在實(shí)芯電流互感器上不能達(dá)到最佳效果，因此我們來(lái)關(guān)注一下鉗形電流互感器。只要?dú)庀督档偷侥軌蚍€(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(jìn)行非常精細(xì)的機(jī)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(lì)（即用于低強(qiáng)度電流）時(shí)，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(dǎo)磁率鐵的相移特性模擬截圖。 [align=center] 圖x：5A電流互感器中硅鋼、鐵-鎳合金和高導(dǎo)磁率鐵氧體材料的相移特性[/align] 　　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(wú)疑被淘汰。鐵芯氣隙減小也實(shí)現(xiàn)了更好的轉(zhuǎn)換比精確度（初級(jí)匝數(shù)比次級(jí)匝數(shù)）。 羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil） 　　羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）用來(lái)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(cè)導(dǎo)體上。羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）包含一個(gè)螺旋形線圈，導(dǎo)線一端穿過(guò)線圈的中心回到另一端，因此兩個(gè)端點(diǎn)都在線圈的同一端。線圈長(zhǎng)度根據(jù)相關(guān)的電流測(cè)量范圍選定，以便獲得最佳的轉(zhuǎn)換性能。 　　利用該技術(shù)能夠?qū)Τ跫?jí)電流的變化（演變）速度進(jìn)行非常精確的檢測(cè)，初級(jí)電流在線圈的兩端感應(yīng)一個(gè)正比例電壓。電子積分電路將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與初級(jí)電流成正比的輸出信號(hào)。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(biāo)定的代價(jià)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(yīng)系數(shù)比電流互感器的感應(yīng)系數(shù)低，同時(shí)由于其采用了非磁芯材料，因此具有更好的頻率響應(yīng)。此外，由于不存在可能會(huì)飽和的鐵芯，它還具有很高的線性度，即使對(duì)于高強(qiáng)度的初級(jí)電流也是如此。因此該種互感器特別適用于能夠承受高強(qiáng)度或快速變化的電流的功率測(cè)量系統(tǒng)。 對(duì)于測(cè)量高強(qiáng)度電流而言，它還具有外形緊湊和易于安裝的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的電流互感器則體積龐大而且笨重。 [align=center] 圖x：羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）原理[/align] 　　由于需要等間隔的繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhì)量。另外一個(gè)關(guān)鍵的特性是導(dǎo)致線圈內(nèi)不連續(xù)的閉合點(diǎn)，致使對(duì)外部導(dǎo)體和環(huán)路內(nèi)測(cè)量導(dǎo)體的位置產(chǎn)生影響。固定或夾持系統(tǒng)應(yīng)該確保線圈的末端在一個(gè)非常精確而且可以重新再確定的位置，以及在將其中一個(gè)末端接至輸出導(dǎo)線時(shí)的高對(duì)稱性。這個(gè)領(lǐng)域最近涌現(xiàn)了一些新技術(shù)，這些技術(shù)具有特殊的機(jī)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(chǎn)生的誤差在50/60 Hz頻率域一般不超過(guò) +/-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(jīng)降低到了+/-0.5%以下。 [align=center] 圖x：LEM公司生產(chǎn)的羅果夫斯基線圈電流 互感器[/align] 結(jié)論 　　許多新型裝置都受益于實(shí)芯互感器，鉗形技術(shù)的電氣技術(shù)特性并不能與這些實(shí)芯互感器相媲美。但是，現(xiàn)存的機(jī)器和建筑設(shè)備就無(wú)法增加各種實(shí)芯裝置，因?yàn)闊o(wú)法承受系統(tǒng)停機(jī)的損失。用新型材料和技術(shù)來(lái)裝備先進(jìn)的鉗形電流互感器，實(shí)現(xiàn)了高性能經(jīng)濟(jì)核算的狀態(tài)監(jiān)控、功率計(jì)量和設(shè)備管理系統(tǒng)的及時(shí)更新。快速發(fā)展的節(jié)能市場(chǎng)和大型功率測(cè)量系統(tǒng)的配置支配著對(duì)于高性能且經(jīng)濟(jì)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(tǒng)技術(shù)卻表現(xiàn)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(dǎo)磁率，最終實(shí)現(xiàn)了在提供高性能的同時(shí)也具有普遍接受的價(jià)格。羅果夫斯基線圈（Rogowski Coil）最近也具有很大的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了用于高強(qiáng)度電流的小型、輕型和靈活的互感器，但是需要一些信號(hào)適應(yīng)和標(biāo)定來(lái)將這些特性發(fā)揮到極致。設(shè)計(jì)和制造工藝方面取得的最重要進(jìn)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(diǎn)后，Rogowski Coil技術(shù)將是一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)。 　　技術(shù)的多樣性反映了最近進(jìn)展很多的應(yīng)用領(lǐng)域需求的多樣化，由此說(shuō)明多樣化系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施受到成本和環(huán)境的影響。