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(yīng)動(dòng)態(tài)電子電路，實(shí)現(xiàn)小電流傳感器的“動(dòng)態(tài)零磁通”的新方法。
關(guān)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(shè)備絕緣在線檢測(cè)系統(tǒng)的采樣單元，已得到業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)。目前，電流傳感器有多種類型，如霍爾傳感器、無(wú)磁芯電流傳感器、高導(dǎo)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(yīng)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(zhǔn)確性，使輸出、輸入信號(hào)間的比值差和相角差盡量小，研究人員采用的誤差補(bǔ)償方法有：短路有源補(bǔ)償法、純電阻誤差補(bǔ)償法、二次阻抗完全補(bǔ)償法、自平衡電子補(bǔ)償法等。大量的研究試驗(yàn)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(cè)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(yīng)動(dòng)態(tài)跟蹤電子電路的應(yīng)用，使小電流傳感器具有高精度、高穩(wěn)定度、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
電力系統(tǒng)絕緣在線檢測(cè)對(duì)電流傳感器的基本要求電力系統(tǒng)絕緣在線檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在強(qiáng)電磁場(chǎng)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(hào)小，它極易受電磁場(chǎng)、溫度、濕度等因素的干擾影響。為了能在電力系統(tǒng)強(qiáng)噪聲干擾環(huán)境下準(zhǔn)確采樣，用于在線檢測(cè)的小電流傳感器應(yīng)滿足以下條件：
采樣范圍在幾百μA級(jí)至幾mA級(jí)。靈敏度高，輸出能靈敏反應(yīng)輸入量的微小變化；輸出信號(hào)盡可能大。
在測(cè)量范圍內(nèi)線性度好，輸出波形不畸變，輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)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。
抗干擾能力強(qiáng)，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(shè)I1為小電流互感器一次側(cè)電流，I2為二次側(cè)電流，I0為激磁電流。N1、N2分別為一、二次繞組匝數(shù)。因此，該小電流互感器的磁勢(shì)平衡方程為：
I1N1+I2N2= -I0N1
當(dāng)激磁安匝I0N1為零時(shí)，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(duì)誤差，I0N1/I1N1為相對(duì)誤差。
電流互感器的誤差為復(fù)數(shù)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(shí)針180°后與I1的夾角。
由此可見(jiàn)，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(shì)為0，誤差為零。此時(shí)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(shí)，電流互感器輸出波形就不會(huì)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(shí)現(xiàn)零磁通的，必須靠外界條件的補(bǔ)償或調(diào)整。為此，采用動(dòng)態(tài)平衡電子電路對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使鐵芯始終處于“動(dòng)態(tài)零磁通狀態(tài)”。
小電流傳感器的原理
設(shè)ND為檢測(cè)繞組，D為動(dòng)態(tài)檢測(cè)單元，G為產(chǎn)生二次電流的有源網(wǎng)絡(luò)。本回路的磁勢(shì)平衡方程為：
I1N1+I2N2+IDND = —I0N1
I1產(chǎn)生的激磁磁通在ND兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，并加到動(dòng)態(tài)檢測(cè)單元D的輸入端，通過(guò)G產(chǎn)生二次電流I2提供給二次繞組，I2所產(chǎn)生的磁通對(duì)鐵芯去磁，使鐵芯達(dá)到磁勢(shì)平衡。因此，理想狀態(tài)時(shí)，該傳感器的二次繞組電流I2全部由有源網(wǎng)絡(luò)G供給，而不從感應(yīng)電勢(shì)取電流。D高速動(dòng)態(tài)檢測(cè)ND兩端的電勢(shì)差，當(dāng)電勢(shì)差足夠小（近似為零的允許值）時(shí)，鐵芯中的磁通即近似為零磁通。若檢測(cè)值偏離允許值，G則自動(dòng)高速調(diào)整。如此高速跟蹤調(diào)整，使鐵芯能始終保持在逼近零磁通狀態(tài)，傳感器達(dá)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(cè)調(diào)整電子電路的靈敏度誤差三部分。所謂容性誤差，是指各側(cè)線圈本身和線圈之間的容性泄漏電流所造成的測(cè)量誤差。對(duì)工頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，當(dāng)N2〈1000時(shí)，這項(xiàng)誤差可控制在10-5以內(nèi)。本裝置由于一、二次繞組匝數(shù)均很小，容性誤差可以不計(jì)。檢測(cè)繞組雖然匝數(shù)相對(duì)較多，但其電位差動(dòng)態(tài)逼近零，所以，其容性誤差仍可忽略。
經(jīng)過(guò)前述高速動(dòng)態(tài)調(diào)整后，I0→0，鐵芯逼近零磁通，磁性誤差很小。但事實(shí)上，完全的零磁通狀態(tài)是達(dá)不到的，鐵芯中必須有一點(diǎn)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(shì)平衡方程可見(jiàn)，磁性誤差主要由兩部分組成：一是由I0
帶來(lái)的殘余磁勢(shì)引起的誤差，另一部分是由檢測(cè)繞組ID帶來(lái)的附加磁勢(shì)引起
的誤差，即：
ε=（I0N1/I2N2）+（IDND/I2N2）=（108 EDl/222μ0NDSI2N2）+（EDND/RiI2N2）
其中：ED為ND的感應(yīng)電勢(shì)，l為磁路長(zhǎng)度，S為鐵芯截面積，μ0為鐵芯初始磁導(dǎo)率，Ri為檢測(cè)單元輸入阻抗。由此可見(jiàn)，降低磁性誤差一是應(yīng)選擇μ0值較高的鐵芯和合適的檢測(cè)繞組匝數(shù)，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(cè)單元輸入阻抗。ED和I2可通過(guò)有源動(dòng)態(tài)平衡網(wǎng)絡(luò)控制在所需范圍內(nèi)。
除此之外，還需使用高導(dǎo)電、高導(dǎo)磁材料做屏蔽以消除電磁場(chǎng)的干擾。可用超微晶合金作磁屏蔽材料。
6 結(jié)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(wǎng)絡(luò)與副邊繞組直接相連，構(gòu)成自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整回路后，可使小電流傳感器的測(cè)量精度有較大幅度的提高，同時(shí)保持高穩(wěn)定度。