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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 電流傳感器

基于零磁通原理的高精度小電流傳感器的研究

發布日期：2022-10-09 點擊率：211

    摘要：分析了零磁通電流互感器的原理，提出了一種用超微晶合金做鐵芯，增加自適應動態電子電路，實現小電流傳感器的“動態零磁通”的新方法。
關鍵詞：小電流傳感器；零磁通；誤差
引言:
    用電流傳感器作為電氣設備絕緣在線檢測系統的采樣單元，已得到業內人士的共識。目前，電流傳感器有多種類型，如霍爾傳感器、無磁芯電流傳感器、高導磁非晶合金多諧振蕩電流傳感器、電子自旋共振電流傳感器等。由于電力系統使用環境的特殊性，許多傳感器存在自身的局限性。目前應用于電力系統的電流傳感器多是以電磁耦合為基本工作原理的，從采樣方式上分，這類傳感器主要有直接串入式、鉗式、閉環穿芯式三種。為保證采樣的準確性，使輸出、輸入信號間的比值差和相角差盡量小，研究人員采用的誤差補償方法有：短路有源補償法、純電阻誤差補償法、二次阻抗完全補償法、自平衡電子補償法等。大量的研究試驗表明，基于“零磁通原理”的小電流互感器更適合電力系統絕緣在線檢測的要求。  本文所述小電流傳感器即是以此為基本原理，加上自適應動態跟蹤電子電路的應用，使小電流傳感器具有高精度、高穩定度、抗干擾能力強的優點。
    電力系統絕緣在線檢測對電流傳感器的基本要求電力系統絕緣在線檢測系統長期工作在強電磁場環境中，且多為戶外環境。作為其采樣輸入端，小電流傳感器必須能高精度、高穩定性地完成采樣工作。然而，由于被采信號小，它極易受電磁場、溫度、濕度等因素的干擾影響。為了能在電力系統強噪聲干擾環境下準確采樣，用于在線檢測的小電流傳感器應滿足以下條件：
    采樣范圍在幾百μA級至幾mA級。靈敏度高，輸出能靈敏反應輸入量的微小變化；輸出信號盡可能大。
    在測量范圍內線性度好，輸出波形不畸變，輸出信號與被測信號間的比值差、角差小，并且其差值穩定，不隨溫度等因素的變化而變化。
抗干擾能力強，電磁兼容性好。
電流互感器的“零磁通原理”
穿芯式小電流互感器的原理如下:
    設I1為小電流互感器一次側電流，I2為二次側電流，I0為激磁電流。N1、N2分別為一、二次繞組匝數。因此，該小電流互感器的磁勢平衡方程為：
I1N1+I2N2= -I0N1
當激磁安匝I0N1為零時，I1N1=-I2N2即付邊安匝變化能完全反映原邊安匝變化，誤差為零。一般稱I0N1為絕對誤差，I0N1/I1N1為相對誤差。
電流互感器的誤差為復數誤差，可用比值差f和角差δ表示。
ε=-I0N1/I1N1=f+jδ
式中f=(I2N2/I1N1)/I1X100%，δ為I2逆時針180°后與I1的夾角。
    由此可見，由于I0N1的存在，使I2N2與I1N1存在角差δ和比值差f。若I0=0，則激磁磁勢為0，誤差為零。此時的鐵芯處于“零磁通”狀態，它工作于磁化曲線的起始段（線性段）。這時，電流互感器輸出波形就不會畸變，保持良好的線性度。此即為“零磁通原理”。因此，若能使互感器鐵芯始終處于零磁通狀態，就能從根本上消除電流互感器的誤差。
    但是，由互感器的工作原理可知，靠互感器自身是不可能實現零磁通的，必須靠外界條件的補償或調整。為此，采用動態平衡電子電路對其進行動態調整，使鐵芯始終處于“動態零磁通狀態”。
小電流傳感器的原理
    設ND為檢測繞組，D為動態檢測單元，G為產生二次電流的有源網絡。本回路的磁勢平衡方程為：
I1N1+I2N2+IDND = —I0N1
    I1產生的激磁磁通在ND兩端產生感應電勢，并加到動態檢測單元D的輸入端，通過G產生二次電流I2提供給二次繞組，I2所產生的磁通對鐵芯去磁，使鐵芯達到磁勢平衡。因此，理想狀態時，該傳感器的二次繞組電流I2全部由有源網絡G供給，而不從感應電勢取電流。D高速動態檢測ND兩端的電勢差，當電勢差足夠小（近似為零的允許值）時，鐵芯中的磁通即近似為零磁通。若檢測值偏離允許值，G則自動高速調整。如此高速跟蹤調整，使鐵芯能始終保持在逼近零磁通狀態，傳感器達到較高的精度。
5、誤差分析
    電流傳感器的誤差包括容性誤差、磁性誤差以及檢測調整電子電路的靈敏度誤差三部分。所謂容性誤差，是指各側線圈本身和線圈之間的容性泄漏電流所造成的測量誤差。對工頻信號來說，當N2〈1000時，這項誤差可控制在10-5以內。本裝置由于一、二次繞組匝數均很小，容性誤差可以不計。檢測繞組雖然匝數相對較多，但其電位差動態逼近零，所以，其容性誤差仍可忽略。
    經過前述高速動態調整后，I0→0，鐵芯逼近零磁通，磁性誤差很小。但事實上，完全的零磁通狀態是達不到的，鐵芯中必須有一點微弱的磁通才能使G輸出I2，這就使磁性誤差仍然存在。
    從本傳感器磁勢平衡方程可見，磁性誤差主要由兩部分組成：一是由I0
帶來的殘余磁勢引起的誤差，另一部分是由檢測繞組ID帶來的附加磁勢引起
的誤差，即：
ε=（I0N1/I2N2）+（IDND/I2N2）=（108 EDl/222μ0NDSI2N2）+（EDND/RiI2N2）
    其中：ED為ND的感應電勢，l為磁路長度，S為鐵芯截面積，μ0為鐵芯初始磁導率，Ri為檢測單元輸入阻抗。由此可見，降低磁性誤差一是應選擇μ0值較高的鐵芯和合適的檢測繞組匝數，本傳感器選擇了μ0為6 X 104的超微晶鐵芯,ND為100~500匝；二是要有較大的檢測單元輸入阻抗。ED和I2可通過有源動態平衡網絡控制在所需范圍內。
除此之外，還需使用高導電、高導磁材料做屏蔽以消除電磁場的干擾。可用超微晶合金作磁屏蔽材料。
6 結論
    小電流傳感器在使用超微晶做鐵芯，采取有源電子電路網絡與副邊繞組直接相連，構成自適應動態調整回路后，可使小電流傳感器的測量精度有較大幅度的提高，同時保持高穩定度。

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