零磁通传感器的研究_刘君 电力自动化设备

零磁通传感器的研究
刘
君，吴广宁，周利军，吕
玮，王万岗，马
果
（西南交通大学电气工程学院，四川成都610031）
摘要：分析了传统电流传感器存在的固有误差及其影响因素；根据磁动势方程设计了一种双级结构的电流传感器，以消除励磁误差；由电磁感应定律与磁路定律建立了传感器的仿真模型；采用DSP 增益自适应方案，动态调整补偿信号幅值及相位，保证自动补偿励磁电流，使之工作在零磁通状态。

测试实验与现场应用证明，设计的零磁通电流传感器准确度可达0.1级，能满足在线监测信号采集的需要。

关键词：电流传感器；误差；零磁通；补偿；在线监测中图分类号：TM 452文献标识码：A 文章编号：1006－6047（2009）08－0067－04
收稿日期：2008－08－03；修回日期：2009－03－
20
电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
Vol．29No．8Aug.2009
第29卷第8期2009年8月
0引言
高压设备绝缘在线监测［1-8］的关键技术是泄漏电流的采集。

本文对单匝穿心式微电流传感器结构、材料以及误差补偿等方面进行分析改进，研制出高精度零磁通泄漏电流检测传感器［9-14］，以满足绝缘状况在线监测信号采集的需要。

1电流传感器基本原理
单匝穿心式微电流传感器结构如图1所示，当一次绕组中流过电流I 1时，由于电磁感应在二次绕组中就会感应电势E 2，在二次绕组接通负荷的情况下，有二次电流I 2流通。

当电流I 1流过传感器匝数为N 1的一次绕组时，将建立一次磁势I 1N 1。

二次磁势为I 2N 2，一次磁势与二次磁势的相量和即为励磁磁势，故电流传感器的磁势平衡方程式为
I 1N 1+I 2N 2=I 0N 1
（1）一次磁势I 1N 1包括2部分，其中很小一部分用来励磁，即I 0N 1，以产生主磁通Φ0，另外一大部分用来平衡二次磁势I 2N 2，这一部分磁势与二次磁势大小相等，方向相反。

式（1）还可表示为
I 1+I 2N 2／N 1=I 0
（2）I 1+I ′2=I 0
（3）其中，I ′2＝I 2N 2／N 1为折算到一次侧的二次电流。

电流传感器的T 型等值电路图如图2所示。

2
电流传感器误差分析
2.1
相量图按照图2所示等值电路图画出电流传感器相量图如图3所示。

主磁通Φ0在一、二
次绕组中感应出电势
E 1、E ′2，显然E 1=E ′2滞后于主磁通Φ0一个90°角。

由于主磁通Φ0穿过
铁心时，受磁滞和涡流损耗的影响，使得I 0滞后于
一个损耗角θ，又由于二次绕组阻抗压降I ′2Z ′2的存在，所以二次电压U ′2滞后E ′2一个角度β。

电流传感器二次负载通常是感性负载，故二次电流I ′2滞后电压U ′2一个角度φ2。

确定I 0、I 2方向后，按式（3）可以得到I 1的大小和方向。

2.2电流传感器误差分析
电流传感器的误差就是按额定电流比折算到一次侧的二次电流与一次电流之间的数值差和角度差，分别为比值差和相位差［5，15］。

f =K n I 2-I 11
×100%
（4）图3中，作OD=OB ，AB ∥I 0，BC ⊥OD ，得∠ABC =α+θ。

则I 2与I 1的大小之差为AD 的长度，由于实际电流传感器中δ角很小，近似认为OC =OD ，即有
I ′2-I 1=-AC =-AB sin （α+θ）=-I 0sin （α+θ）
（5）图3电流传感器相量图
Fig.3Vector diagram of current sensor
Φ0
-E ′2-j I ′2X ′2-I ′2R ′2
-I ′2-I ′2R ′
z -U ′2D B
I 1C α+θ
-j I ′2X ′z A
αβφ2
I 0
θ
δO
图1电流传感器原理图
Fig.1Principle diagram of current sensor
I 1
Φ
I 2
Z 2
图2电流传感器T 型等效电路图
Fig.2T -type equivalent circuit of current sensor
I 1-E ′
2I 0X 0R 0
-U ′
2X ′z R ′
z R ′
2X ′
2I ′2
第29卷
电力自动化设备
比差：
f =
-AC OD
100％＝-I 0I 1sin （α+θ）×100％=
-I 0N 1I 1N 1
sin （α+θ）×100％（6）
角差：
δ≈sin δBC I 0I 1cos （α+θ）=
I 0N 1I 1N 1
cos （α+θ）×3440′（7）
根据电磁感应定律：
Φ0=2姨E 22πf N 2=2姨I 2Z 2
2πf N 2
（8）
由磁路定律：
Φ0=BS =2姨μHS
（9）而HL C =I 0N 1，故可得：
I 0N 1=
I 2Z 2L C
2πf μSN 2
（10）
代入式（6）（7）得比差及角差为
f =-I 2Z 2L C
2πf μSN 2I 1N 1
sin （α+θ）×100％
（11）δ=I 2Z 2L C
π211
cos （α+θ）×3440′
（12）分析以上2式，可知影响电流传感器误差的因素如下：
a.误差与一次安匝成反比；
b.传感器的误差与二次阻抗成正比；
c.减小平均磁路长度，增加铁心截面积，可以减
小误差；
d.铁心磁导率越高，误差越小。

3
零磁通传感器原理
3.1
零磁通传感器工作原理
零磁通传感器结构采用双级传感器原理，如图4所示，图中N 1、N 2为原边及副边匝数，N e 为检测线圈匝数，N 3为补偿线圈匝数，u 为检测电压。

无补偿时，T 1和T 2的磁动势平衡方程为
I 1N 1+I 2N 2=I 01N 1（13）I 1N 1+I 2N 2=I 02N 1
（14）
式中
I 01、I 02为激磁电流。

补偿启动后，T 1和T 2的磁动势平衡方程变为
I 1N 1+I ′2N 2=I ′01N 1
（15）I 1N 1+I ′2N 2+I 3N 3=I ′02N 1
（16）其中，I ′2=I 2+I ″2
，I ″2为补偿电流I 3在二次侧感应的附加电流。

调节I 3，即调整I ″2的大小和相位，使得
I ′2N 2=-I 1N 1，则2个磁芯的磁势平衡方程变为
I ′01N 1=0
（17）I 3N 3=I ′02N 1
（18）此时N 1与N 2构成一个无励磁误差的
电流传感器，即I 1N 1=-I 2N 2。

补偿后的相量图见图5，图中相量均为磁动势。

可见，原角差
为δ，补偿后I 2N 2变为I ′2N 2，I 1N 1与I ′2N 2处于同一直线，角差和比差为0。

3.2零磁通传感器的实现原理
根据图4所示的零磁通传感器的基本原理，设计如图6所示的零磁通电流传感器结构。

根据磁感应定律及磁路定律，可得其磁通分布如图6所示。

由图6可知，补偿线圈的主要作用即为使副边线圈产生与励磁磁通Φ11、Φ12大小相等、方向相反的补偿磁通Φ21、Φ22，使传感器工作在零磁通状态。

由磁路定律，根据磁势与磁阻的相互关系，将所有的物理量折算到一次侧，建立其等效T 型电路图如图7所示。

通过调整补偿电流I ′3的大小和相位，使检测线圈检测到的电压-U ′e 为0，即铁心T 1工作在零磁通状态。

通过该模型的计算及仿真，可以得到在不同检测电压情况下应该输入的补偿电流大小及相位，从而为补偿电路的设计提供了理论基础。

3.3
铁心选择
坡莫合金与铁基纳米晶合金、硅钢片的磁性能
I ′2N 2I ″2N 2
I 2N 2
I 3N 3
-I 2N 2I 1N 1
-E ′
2-U ′2Φ0
图5零磁通传感器相量图Fig.5Vector diagram of zero -flux
type current sensor I 1N 1N 1T 1T 2N 2N 2
I 2
N e u
补偿电路
U N 3I 3
图4零磁通传感器原理图
Fig.4Principle diagram of zero -flux
type current sensor
Z 2X 01
R X ′z
X ′2图7零磁通传感器T 型等效电路图
Fig.7T -type equivalent circuit diagram of
zero -flux type current sensor
图6零磁通传感器结构图
Fig.6Structure of zero -flux type current sensor
I 1
Φ11Φ12
Φ21Φ22
I 3Φ32
T 2
T 1
I 2
刘君
，等：零磁通传感器的研究
第8期
数据对比如表1［5］所示。

由于坡莫合金初始磁导率与最大磁导率高，且坡莫合金的低频响应（50Hz ）有其他2类合金无法比拟的优势，更适合测试低频小信号电流，故电流传感器铁心选用坡莫合金。

4
补偿原理
4.1
补偿电流计算测试
在如图6所示零磁通传感器中，通过测试和仿真可以得到图7中的各物理参量。

根据图7所示的零磁通传感器T 型等效电路图，原边输入电流I 1在（0.05~1.2）I N 范围内改变时，可仿真得到零磁通电流传感器检测线圈的电压，通过改变补偿电流I ′3的相位和大小使检测线圈的检测电压-U ′e 小于设定的误差允许值U 0。

这样就可以得到检测电压-U ′e 与补偿电流I ′3之间的对应曲线，如图8所示（横轴η=I 1／I N ，下同）。

4．2
补偿电路实现反馈信号-U ′e 经放大和电压／电流转换并正确移相得到I ′3，激磁磁势I 3N 3在二次侧感应的磁动势I ″2N 2实为去磁磁势，使T 1近似“零磁通”状态工作。

上述过程形成反馈闭环，电流传感器可稳定运行。

本文应用DSP 实现电压的A ／D 转换、电压／电流转换、电流放大移相及电流的D ／A 转换，电路原理见图9。

4.3
DSP 程序实现框图
通过图9、图10的补偿电路原理及程序实现框
图，可对零磁通传感器的励磁电流进行自适应补偿，
调节方便，使传感器的误差控制在允许范围内。

5
现场应用分析
5.1
误差测试
对传感器在补偿前后进行误差对比性实验，电流传感器工作的额定电流I N =500μA ，负载Z 2=0.5Ω。

电流传感器按规定应测试5%、10%、20%、50%、80%、100%和120%额定电流下角差和比差，测试结果如表2所示。

从表2可以看出，所设计的零磁通电流传感器准确度可达0.1级。

5.2现场应用分析
所设计的零磁通电流传感器已用于绝缘在线监测系统。

利用研制的零磁通传感器与日产SG140泄漏电流测试仪对比测试110kV 变压器高压侧110kV 套管泄漏电流，测试结果见图11（I L 为泄漏电流，n 为测试次数）。

结果表明在线监测零磁通传感器系统具有较高的测试精度。

6结论
本文对零磁通传感器的误差进行了系统的理论
3.53.0
I L ／m A
6
12
18
n
▲◆◆
◆◆▲▲▲▲▲◆◆◆◆
◆◆◆◆◆▲▲▲▲▲▲▲
零磁通传感器
◆
SG140
图11泄漏电流对比测试
Fig.11Contrast test for leakage
current
图8检测电压与补偿电流对应曲线
Fig.8Detection voltage curve corresponding
to compensation current curve
1371U ′e ／m V
33.5
21.0
31.0I ′3／μA
20
40
60
80
100120
η／%
28.526.023.5材料B ／T μb ／（μH ·m -1）μm ／（μH ·m -1）
铁基纳米晶合金
1.25（4～8）×104>20×104坡莫合金0.75（5～8）×104
>20×104硅钢片
2.0
～103
>4×104
注：B 为饱和磁感应强度；μb 为初始磁导率；μm
为最大磁导率。

表1电流传感器铁心常用软磁
材料典型参数比较
Tab.1Typical parameters of soft magnetic
materials commonly used in current transducer
检测线圈
补偿线圈
检
测电压放大滤波
A ／D 转换
DSP
电压电流转换
D ／A 转换
电流驱动
图9补偿电路原理图Fig.9Principle diagram of compensating circuit η／%补偿前
补偿后
f ／%δ／（′）f ／%δ／（′）5-1.4593-0.008 1.210-1.1267-0.0060.820-0.6746-0.0060.650-0.4524-0.0030.380-0.2515-0.0010.1100120
-0.15-0.2098-0.001-0.00100.1
表2零磁通传感器测试结果
Tab.2Test results of zero -flux
type current sensor
补偿平衡结束
开始初始化U 0设定I 0＝0，k =1检测电压U k
A ／D 转换U k ＜U 0？
I k +1=I k +I k -1
D ／A 转换I k +1注入补偿电流I k +1
k =k +1U k I k 比例放大移相调节
N
图10DSP 程序流程图
Fig.10Flowchat of DSP program
Y
Zero -flux type current sensor
LIU Jun ，WU Guangning ，ZHOU Lijun ，L 譈Wei ，WANG Wangang ，MA Guo
（Southwest Jiaotong University ，Chengdu 610031，China ）
Abstract ：The inherent error and influencing factors of traditional current sensor are analyzed.In order to eliminate the excitation error ，a current sensor of two -stage structure is designed according to magnetic momentum equation.By the electromagnetic induction law and the magnetic path law ，the sensor simulation model is established.The DSP -gain self -adaptation scheme is used to automatically compensate the excita -tion current by adjusting the amplitude and phase of compensation signal ，so that the current sensor is working in the state of zero flux.The test experiment and its application prove that the accuracy of the designed zero -flux type current sensor can get the 0.1grade ，and it is more suitable for online monitoring.Key words ：current sensor ；error ；zero flux ；compensation ；online
monitoring
第29卷
电力自动化设备
分析；根据电磁感应定律与磁路定律建立了传感器的仿真模型；采用DSP 增益自适应方案，可以动态调整补偿信号幅值及相位，以补偿传感器的测试误差。

测试实验与现场应用证明，传感器准确度能达到0.1级的测量标准。

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（责任编辑：李玲）
作者简介：
刘君（1984－），男，四川成都人，博士研究生，主要研究方向为电气设备故障监测与诊断技术（E -mail ：liu1983jun@ ）；
吴广宁（1969－），男，江苏南京人，教授，博士研究生导师，主要研究方向为高电压与绝缘技术。