基于零磁通原理的高精度小電流傳感器的研究

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(tài)電子電路，實  現小電流傳感器的“動態(tài)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(tǒng)的采樣單元，已得到業(yè)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(tǒng)使用環(huán)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(tǒng)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(huán)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(tǒng)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(tài)跟蹤電子電路的應用，使小電流傳感器具有高精度、高穩(wěn)定度、抗干擾能力強的優(yōu)點。

    電力系統(tǒng)絕緣在線檢測對電流傳感器的基本要求電力系統(tǒng)絕緣在線檢測系統(tǒng)長期工作在強電磁場環(huán)境中，且多為戶外環(huán)境。作為其采樣輸入端，小電流傳感器必須能高精度、高穩(wěn)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(tǒng)強噪聲干擾環(huán)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(wěn)定，不隨溫度等因素的變化而變化?？垢蓴_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(tài)，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(tài)，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(tài)平衡電子電路對其進行動態(tài)調整，使鐵芯始終處于“動態(tài)零磁通狀態(tài)”。
小電流傳感器的原理設ND為檢測繞組，D為動態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)檢測ND兩端的電勢差，當電勢差足夠?。ń茷榱愕脑试S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(tài)，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(tài)逼近零，所以，其容性誤差仍可忽略。

    經過前述高速動態(tài)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(tài)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(tài)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?？捎贸⒕Ш辖鹱鞔牌帘尾牧?。

    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(tài)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(wěn)定度。