高精度零磁通电流传感器的研究_张振洪 传感器与微系统(TP 自动化技术,计算机技术)

传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2009年第28卷第10期高精度零磁通电流传感器的研究张振洪,赵有俊(山东科技大学,山东泰安271019)摘　要:普通电流传感器的测量精度只有3%～5%,难以满足高精度测量的需要。

通过对电流传感器误差的分析,在普通电流传感器的基础上,加入电子线路动态跟踪铁芯中的激磁电流并进行补偿,使铁芯动态地达到“零磁通”状态。

分析了加入电子补偿线路后电流传感器的工作原理、电子线路的结构与线路中参数的确定方法,并对铁芯的材料、结构与屏蔽等做了分析。

测试表明:电流传感器的精度得到了提高,补偿效果良好。

关键词:电流传感器;零磁通;电子线路;补偿中图分类号:TM461 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2009)10—0052—03Study on high2precision current sensor with zero fluxZHAN G Zhen2hong,ZHAO Y ou2jun(Shandong U niversity of Science and T echnology,T aian271019,China)Abstract:The measurement accuracy of common current sensor is only3%～5%and it is difficult to meetthe needs of high2precision measurement.Through the error analysis of current sensor,the electronic circuitis added to the common current sensor to track the magnetizing current of iron core and compensate itdynamically,so that the iron core can achieve“zero flux”state.The working principle of current sensor byadding electronic compensation circuit,the structure of electronic circuit and the selection method ofparameters in circuit are analyzed.The material and structure of iron core and shielding method of currentsensor are also analyzed.The performance test shows that the accuracy of current sensor is improved andthe compensation effect is good.K ey w ords:current sensor;zero flux;electronic circuit;compensation0　引　言在高压电器设备的绝缘在线监测过程中,泄漏电流的提取是分析绝缘状况的一个重要环节。

单匝穿心式电流传感器因其接入时不改变高压设备的一次接线,二次侧发生故障时不影响一次侧高压设备的正常运行,被认为是提取泄漏电流比较好的一种方法。

普通的电流传感器测量精度只有3%～5%,难以满足一些重要设备的绝缘监测要求,为提高其精度,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、自平衡电子补偿法等。

大量的研究实验表明:基于“零磁通原理”的电流传感器更适合电力系统绝缘在线监测的要求[1]。

本文研究的单铁芯零磁通电流传感器在普通电流传感器的基础上加入了补偿电子线路,实现自动跟踪铁芯中的激磁电流,并进行补偿以达到铁芯零磁通的目的。

1　电流传感器的误差分析对于理想的电流传感器,铁芯不消耗有功功率,也不需要无功功率激磁,一次线圈和二次线圈的视在功率相等[2],即E1I1=E2I2.由电磁感应定律知E1E2=N1N2.所以,没有误差时电流传感器的电流与匝数的关系为K in=I1I2=N2N1,式中　N1,N2分别为一次和二次线圈的匝数;E1,I1分别为一次线圈的感应电动势和电流;E2,I2分别为二次线圈的感应电动势和电流。

实际上,铁芯和线圈均有损耗,引起电流互感器的变换误差[3](磁性误差和容性误差)。

容性误差,是指初次级本身和两者之间存在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。

磁性误差是指由于漏磁、激磁电流和气隙磁势造成的。

收稿日期:2009—07—01 25第10期 张振洪,等:高精度零磁通电流传感器的研究 若不考虑容性误差,则实际安匝方程为I 1N 1+ I 2N 2= I 0N 1,式中 I 0为铁芯中的激磁电流; I 0N 1为激磁安匝。

因此, I 1N 1≠- I 2N 2是因为有了 I 0N 1。

在实际的电流传感器中,需要激磁电流 I 0供给铁芯激磁和功率消耗,激磁安匝 I 0N 1就构成了电流传感器的误差。

由于电流传感器的一次线圈与二次线圈通过磁感应作用相互耦合,它们之间没有电的联系,一般采用等值电路和对应的向量图来分析电流传感器的误差[2],电流传感器的复数误差为ε=-K in I 2- I 1I 1×100%=-I 0N 1 I 1N 1×100%=f +jδ,式中　f 为比差;δ称为角差,一般δ<2°,比差和角差分别为f =I 2N 2-I 1N 1I 1N 1≈I 0N 1I 1N 1sin (ψ+α)×100%,δ≈sin δ=I 0N 1I 1N 1cos (ψ+α)×100%(rad )=I 0N 1I 1N 1cos (ψ+α)×3438(′),式中　ψ为铁芯损耗角;α为二次负载的阻抗角。

由于电流传感器的误差由激磁电流引起,要想减小电流传感器的误差,最有效的方法就是减小激磁电流,传统的误差补偿方法主要是无源补偿,包括磁动势补偿和电动势补偿,常用的有匝数补偿、二次负载并联电容补偿、辅助互感器补偿等,这些方法作为电流传感器的自补偿方法,只有在特定的情况下才能得到有效的补偿,存在很大的局限性[1]。

2　零磁通电流传感器的设计2.1　零磁通电流传感器的工作原理当电流传感器的激磁电流I 0=0时,即是所谓的“零磁通”状态,此时电流传感器的输出保持良好的线性度,比差和角差为零。

但这是一种理想的情况,当I 0=0时,铁芯中的磁通为零,一二次无法实现信号的耦合,电流传感器不能进行工作。

但正确选择补偿方法可将铁芯中的磁通降到极低的近似“零磁通”的状态[4],使电流传感器达到非常高的精度。

文献[5,6]在双级电流传感器的基础上设计了零磁通电流传感器,取得了比较好的补偿效果,本文在普通电流传感器的基础上加入了有源电子补偿线路,实现动态跟踪铁芯中的激磁电流并进行补偿的作用,其原理如图1。

图1　零磁通电流传感器的工作原理Fig 1　Principle diagram of zero flux current sensor 图1中,N 1为一次绕组,N 2为二次绕组,N 0为检测绕组,N 3为补偿绕组。

未补偿时I 1N 1+ I 2N 2= I 0N 1.当加入电子线路补偿后,铁芯中的磁势平衡方程为 I 1N 1+ I ′2N 2+ I 3N 3= I ′0N 1,式中 I ′2为加入补偿后二次侧的电流值;I 3为由检测绕组N 0中的感应电势经补偿电子线路调节得到的; I ′0为加入补偿线路后铁芯中的激磁电流,通过调节电子线路可满足 I 3N 3= I′0N 1,此时 I 1N + I ′2N 2=0,N 1,N 2组成零磁通电流传感器。

2.2　电子补偿线路电子线路的结构如图2。

图2　电子线路结构图Fig 2　Structure diagram of electronic circuit 1)放大电路:采用由A/D 公司生产的通用单片放大器AD620,它具有成本低、精度高、功耗低、工作频带宽、使用简单等特点,仅用一个外接电阻设置增益,增益范围为1～1000。

2)移相电路:移相电路用来改变电压V 1的相位,调整输入到补偿绕组N 3的电流I 3的相位,这里,采用常用的等幅移相电路,如图3。

图3　等幅移相电路Fig 3　Equ al amplitude and ph ase 2shift circuit 当R 1=R f 时,频率特性为A v = U 0U i =R +j X R -j X =R 2-X 2R 2+X2+j 2R XR 2+X 2.其中,X =1ωC。

幅频特性为A v =1,<=-π-arctan2R XR 2-X 2.当选择不同的R ,C 值时,可调节相角<在-180°～-360°变化。

3)滤波电路:采用四阶切比雪夫带通滤波器,中心频率为50Hz ,带宽为20Hz 。

4)V/I 转换电路:采用由2个跨导运放(O TA )构成对温度不敏感的V/I 转换电路[7],如图4。

35 传感器与微系统 第28卷图4　V /I 转换电路Fig 4　Conversion circuit of V /I 由图4可知I 3=I B2I B1・V y Z X =A G V yZ X,式中　I 3为V/I 转换电路的输出电流;V y 为V/I 转换电路的输入电压;I B1,I B2为OT A1,OT A 2的偏置电流,设OT A 1的偏置电阻为R B1,OT A 2的偏置电阻为R B2,I B2/I B1=R B1/R B2,通过合理选择R B1,R B2和Z X 的值可调节V/I 之间的转换系数。

2.3　电子补偿线路参数的确定检测绕组N 0的感应电动势为 e =-N 0d Φd t.(1)由电磁学理论可知Φ=B S ,(2)B =μH ,(3)Hl = I 0N 1.(4)将式(2),式(3)和式(4)代入式(1),得 e =-N 0μS N 1l・d I 0d t.当 I 0=I 0sin ωt 时, e =-N 0μS N 1ωlI 0e j90°, I 0e j90°是指将 I 0逆时针移相90°。

补偿绕组N 3中的电流 I 3是将检测绕组N 0中的感应电势 e 移相、按比例进行转换得到的I 3=A k e e jθ=A k N 0μS N 1ωlI 0e j (90°+θ),式中　A k 为放大环节;V/I 为转换环节的比例系数之积;θ为移相电路的移相角。