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基于零磁通原理的高精度小电流传感器的研究
2006年6月29日
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摘要：分析了零磁通电流互感器的原理，提出了一种用超微晶合金做铁芯，增加自适应动态电子电路，实现小电流传感器的“动态零磁通”的新方法。
关键词：小电流传感器； 零磁通； 误差
引言:
用电流传感器作为电气设备绝缘在线检测系统的采样单元，已得到业内人士的共识。目前，电流传感器有多种类型，如霍尔传感器、无磁芯电流传感器、高导磁非晶合金多谐振荡电流传感器、电子自旋共振电流传感器等。由于电力系统使用环境的特殊性，许多传感器存在自身的局限性。目前应用于电力系统的电流传感器多是以电磁耦合为基本工作原理的，从采样方式上分，这类传感器主要有直接
串入式、钳式、闭环穿芯式三种。为保证采样的准确性，使输出、输入信号间的比值差和相角差尽量小，研究人员采用的误差补偿方法有：短路有源补偿法、纯电阻误差补偿法、二次阻抗完全补偿法、自平衡电子补偿法等。大量的研究试验表明，基于“零磁通原理”的小电流互感器更适合电力系统绝缘在线检测的要求。 本文所述小电流传感器即是以此为基本原理，加上自适应动态跟踪电子电路的应用，使小电流传感器具有高精度、高稳定度、抗干扰能力强的优点。
电力系统绝缘在线检测对电流传感器的基本要求电力系统绝缘在线检测系统长期工作在强电磁场环境中，且多为户外环境。作为其采样输入端，小电流传感器必须能高精度、高稳定性地完成采样工作。然而，由于被采信号小，它极易受电磁场、温度、湿度等因素的干扰影响。为了能在电力系统强噪声干扰环境下准确采样，用于在线检测的小电流传感器应满足以下条件：
采样范围在几百μA级至几mA级。灵敏度高，输出能灵敏反应输入量的微小变化；输出信号尽可能大。
在测量范围内线性度好，输出波形不畸变，输出信号与被测信号间的比值差、角差小，并且其差值稳定，不随温度等因素的变化而变化。
抗干扰能力强，电磁兼容性好。
电流互感器的“零磁通原理”
穿芯式小电流互感器的原理如下:
设I1为小电流互感器一次侧电流，I2为二次侧电流，I0为激磁电流。N1、N2分别为一、二次绕组匝数。因此，该小电流互感器的磁势平衡方程为：
I1N1+I2N2= -I0N1
当激磁安匝I0N1为零时，I1N1=-I2N2即付边安匝变化能完全反映原边安匝变化，误差为零。一般称I0N1为绝对误差，I0N1/I1N1为相对误差。
电流互感器的误差为复数误差，可用比值差f和角差δ表示。
ε=-I0N1/I1N1=f+jδ
式中f=(I2N2/I1N1)/I1X100%，δ为I2逆时针180°后与I1的夹角。
由此可见，由于I0N1的存在，使I2N2与I1N1存在角差δ和比值差f。若I0=0，则激磁磁势为0，误差为零。此时的铁芯处于“零磁通”状态，它工作于磁化曲线的起始段（线性段）。这时，电流互感器输出波形就不会畸变，保持良好的线性度。此即为“零磁通原理”。因此，若能使互感器铁芯始终处于零磁通状态，就能从根本上消除电流互感器的误差。
但是，由互感器的工作原理可知，靠互感器自身是不可能实现零磁通的，必须靠外界条件的补偿或调整。为此，采用动态平衡电子电路对其进行动态调整，使铁芯始终处于“动态零磁通状态”。
小电流传感器的原理
设ND为检测绕组，D为动态检测单元，G为产生二次电流的有源网络。本回路的磁势平衡方程为：
I1N1+I2N2+IDND = —I0N1
I1产生的激磁磁通在ND两端产生感应电势，并加到动态检测单元D的输入端，通过G产生二次电流I2提供给二次绕组，I2所产生的磁通对铁芯去磁，使铁芯达到磁势平衡。因此，理想状态时，该传感器的二次绕组电流I2全部由有源网络G供给，而不从感应电势取电流。D高速动态检测ND两端的电势差，当电势差足够小（近似为零的允许值）时，铁芯中的磁通即近似为零磁通。若检测值偏离允许值，G则自动高速调整。如此高速跟踪调整，使铁芯能始终保持在逼近零磁通状态，传感器达到较高的精度。
5、误差分析
电流传感器的误差包括容性误差、磁性误差以及检测调整电子电路的灵敏度误差三部分。所谓容性误差，是指各侧线圈本身和线圈之间的容性泄漏电流所造成的测量误差。对工频信号来说，当N2〈1000时，这项误差可控制在10-5以内。本装置由于一、二次绕组匝数均很小，容性误差可以不计。检测绕组虽然匝数相对较多，但其电位差动态逼近零，所以，其容性误差仍可忽略。
经过前述高速动态调整后，I0→0，铁芯逼近零磁通，磁性误差很小。但事实上，完全的零磁通状态是达不到的，铁芯中必须有一点微弱的磁通才能使G输出I2，这就使磁性误差仍然存在。
从本传感器磁势平衡方程可见，磁性误差主要由两部分组成：一是由I0
带来的残余磁势引起的误差，另一部分是由检测绕组ID带来的附加磁势引起
的误差，即：
ε=（I0N1/I2N2）+（IDND/I2N2）=（108 EDl/222μ0NDSI2N2）+（EDND/RiI2N2）
其中：ED为ND的感应电势，l为磁路长度，S为铁芯截面积，μ0为铁芯初始磁导率，Ri为检测单元输入阻抗。由此可见，降低磁性误差一是应选择μ0值较高的铁芯和合适的检测绕组匝数，本传感器选择了μ0为6 X 104的超微晶铁芯,ND为100~500匝；二是要有较大的检测单元输入阻抗。ED和I2可通过有源动态平衡网络控制在所需范围内。
除此之外，还需使用高导电、高导磁材料做屏蔽以消除电磁场的干扰。可用超微晶合金作磁屏蔽材料。
6 结论
小电流传感器在使用超微晶做铁芯，采取有源电子电路网络与副边绕组直接相连，构成自适应动态调整回路后，可使小电流传感器的测量精度有较大幅度的提高，同时保持高稳定度。 |
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力敏传感器
