一种高频电流传感器的设计

传感 器的 输 出 电压 值 随取 样 电阻 R� 的 升 高而 升 高, 而输 出波形不 受取样电 阻的影响; 当 R 0 �� 5 � � 后, 则 输出 电压 基本 不再 变化 ( 小于 1 传 0 %) .屏 蔽后 , 感器 受外 界电磁 场干 扰极 小 ( 小于 1 且 基 本不 受 �V) , 传感 器位 置变化 的影 响 . 当信 号发 生器 输出 频率 小于 时, 锰 锌 合金 铁 氧 体材 料 传 感 器输 出 波 形开 始 4 0 � H� 发生 畸变 . 由实 验的结 果分 析 , 我们 得到 如下 结论 : 镍 锌合 金 铁氧 体 材料 电 1 .铁镍 合金 铁 氧体 材料 , 流传 感 器虽 然 具有 较 高的 电 流 灵 敏度 , 但 受 外 界电 磁 场干 扰较 大 , 且 导磁 频带 较窄 , 不适 合作 电晕 电流 传感 器. 2 坡 莫合 金构 成的 传 感器 电 流灵 敏 .非晶 态 合金 , 度较 低 , 亦不 适于 作 电晕 电流 传感 器 .3 .所 选 锰锌 合 金环 具有 较大的 电流 灵敏 度 , 较高 的导 磁频率 , 传 感器 受 位 置 影响 极 小 , 且在频率达到一定值( 后, 3 0 0 � H� ) 感应 信号 的相移 几乎 不变 , 因 此, 对 于电 晕电 流这 类高 频信 号的 感应而 言 , 输出 信号 畸变 必然 较小 , 完全 适合 作电 晕电 流传感 器磁 芯 . 传感 器模拟 信号 处理 实验 : 依 设计 构想 , 我们 准备 对电 晕电 流的 2 段 频谱 进行 分 析 , 欲根 0 0 �3 � H� MH� 据电 晕电 流各频 率幅 值的 变化 情况 判定 线路 绝缘 子的 绝缘 状 况 , 因此 , 在 传 感器 信 号 输 出的 前 级 , 设 计了 一 个模 拟带 通滤波 器 , 目的 在于 消除 其它 外界干 扰 ( 特别 是无 线电 通讯干 扰 ) 带通 滤波 器的 模拟 运算 放大 器采 . 用 T 其 单 位 增 益带 宽 为 L E 2 0 3 7高 频 运 算 放 大 器 , 5 0 MH� . 用模拟 信号 发生 器对 传感 器通 以模 拟交 流信 号进 行 实验 的 测试 数 据结 果 表 明 , 模 拟滤 波 电 路有 效 地抑 制 了非 必 要信 号 对测 量 的 影 响 , 放大 了 有 用测 量
传感 器 受外 界 电 磁场 干 扰 特 别严 重 , 将 传 感器 置 于屏 蔽 盒中 与放 在 屏蔽 盒外 效果 明 显不 同 ( 如图 3 ( � ) 和3 所示 ) 在传 感器 的设 计中 应尤 其注 意防 ( ) .因此 , _ 外界 高频 电磁干 扰的 影响 .
�
8 2 . 5 � L �1 0 � � � A�
3 实
验
图 3 屏蔽前后传感器输出信号 ( 零外加电压 ) 信号采样频率为 4 ( 0 0 � ^ � ^ )
为验 证 我们 的 设 计 , 实际 中 我 们 在对 几 种 不同 组 分的 铁 氧体 , 非 晶 态合 金 及坡 莫 合 金 等几 种 软 磁材 料
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第2 卷 2
图 4 不同电压下的脉冲电流波形及通过取样电阻获得的原方电流波形比较图
图 2 不同材料传感器的幅频特性图 图中 , �线, [线, \线, ]线, + 线分别表示坡 莫合金材料 , 非 晶态合金材料 , 铁镍合 金铁氧体材料 , 锰锌合金铁氧体材料 和 镍锌合金铁氧体 材料传感器的幅频特性 图 1 传感器性能测试示意图 ( 其中 : 信号源输出电压 为 2 示波器为 TD 数字示波 器 ) . 8 1 0 �有效值 , K2
1 引
言
2 设计原理及实际设计考虑
高频 电晕电 流传 感器 是利 用电 抗器 的原 理设 计而 成 .由 法拉第 电磁 感应 定律 知 , 当有 电流 i 通 过绕 有一 定安 匝的 闭合线 圈时 , 则 在线 圈的 输出 端有感 应电 压 : s � s i -3 �- 4 0 ( ( 1 ) � N1N2 � � �1 �) s r s r 其中 : N1 为 被测 电 流导 线 穿越 闭 合线 圈 次数 , N2 为 闭 合线 圈 绕制 匝 数 , 为 导 磁横 截 面面 积 为 磁 芯材 料 , � � �e 的导 磁率 . 由于 电晕电 流本 身具 有频 率高 , 信 号弱 , 频谱 宽等 特点 , 典型 电晕 电流 的上 升沿 约 5 脉冲 宽度 在 2 0 n o , 0 0
( 5 )
� � 2 2 -9 式中 : L � =2 � � ( )� � �1 0 , �是 材 料 的 � -� + 2 � � 2 1 1 等值 电 感 , 为材料的磁导率的实部, � � A� 是 材 料 的 截 面积 . 4 .传 感 器 磁 路的 气 隙 大 小 将 直接 影 响 到 磁 导 率 的值 , 故设 计应 尽量 做到 密耦 合 , 即 尽量 使磁 路气 隙达 到最 小值 .
( 4 )
式中 : 外 径 及高 度 , 为 � 1 , � 2 , �分 别 为磁 芯 材料 的 内 , � 线圈 总长 .故 为达 到宽 带的 目的 , 必须 使 � 2 / � 1 尽 量大 或 � 实际中我们综合利用了这两种方 =( � 2 -� 1 ) / 2 , 法, 且 以第 二种 方法 为主 . 考 虑到 高频 信 号时 分 布电 容 3 .绕线 匝数 的 确定 : 的影 响 , 传 感器 线圈 的匝 数由 下述 公式 计算获 得 : N�
1 � 之间� 传感器内芯磁性材料必须满足频率 �3 5 0 n o ,
高压 线路绝 缘子 的在 线监 测是 电力 系统 非常 关心 的一 个问 题 . 多 年来 , 各国 研究 者们 一直 在孜 孜不 倦地 探索 着解 决这一 问题 的途 径 . 最近 受到 普遍 关注 的电 晕电 流 法为 这 一问 题 的解 决 提 供 了一 条 全 新的 思 路 . 所谓 电晕 电流法 就是 通过 测量 绝缘 子电 晕脉 冲电 流的 方法 来判 断绝缘 子的 绝缘 状况 , 其 原理 是 : 存 在劣 值绝 缘子 的绝 缘子串 中 , 由于 劣值 绝缘 子的 绝缘电 阻很 低 , 它在 绝 缘子 串 中承 担 的电 压 也 较 小 , 于是 其 它 正常 绝 缘子 在绝 缘子串 上的 承受 电压 必然 明显 大于 正常 情况 时的 承受 电压 , 而因 回路 阻抗 变小 , 绝缘 子电 晕现 象的 加剧 , 电晕 脉冲 电流 必将 变大 � 根据 线路 上存 在劣 值绝 缘子 时电 晕脉冲 个数 的增 多 , 幅值 的增 大的现 象 , 利用 宽频 带电 晕脉冲 电流 传感 器套 入杆 塔接 地引 线取 出电 晕脉 冲电 流信号 , 通 过一 定的 信号 处理 手段 , 从而 达到 在低 压端 检出不 良绝 缘子 的目 的 . 电晕 脉 冲电 流 的 特点 在 于 频 带宽 , 其 最 高 频率 可 达到 几十 兆赫兹 � 同 时, 电 晕脉 冲电 流还 具有 较大 的随 机性 , 特别 是工 频电 压下 的电 晕 , 由 于每 半周 内都 存在 起始 及熄 灭阶段 , 因 此, 传 感器 类型 的选 择及 结构 设计 至关 重要 .
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范围 宽 , 相 对磁 导 率高 , 剩 磁 小 的 要求 , 即 必 须 从软 磁 材料 中选 择最佳 � 而 软磁 材料 中 , 由 磁性 材料 理论 知金 属铁 磁材 料的通 频带 ( 或 涡流 极限 频率 f 取 决于 该材 |)
2 � 料的 厚度 及材料 本身 的电 磁特 性 � 即: ,
3 ] 由铁 氧体的 特性 知 [ 其 响应 特性 由 材料 组分 , 材 , 4
构成 的 传感 器 进行 实 验 , 分析 比 较 的 基础 上 选 择了 一 种锰 锌 合金 环 铁氧 体 为磁 芯 , 并 成 功 地研 制 出 了一 种 高 灵 敏 度 的 电 晕 电 流 传 感 器, 其灵敏度 在 1 0 0 � H� 其实 验 线路 图 及频 率 2 5 0 MH�范围 内 超过 1 �V/ �A, 响应 值分 别如 图 1及 图 2所 示 . 由图 2可见 , 锰锌 合金 铁氧 体材 料具有 比其 他材 料都 好的 频率 响应 特性 .
第2 2卷第 3期增刊
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2 0 0 1年 6月
一 种 高 频 电 流 传 感器 的 设 计
聂一 雄
尹项 根
刘
春
文远 芳
华中科技大学电气与电子工程学院 (
武汉
4 3 0 0 7 4 )
摘要 关键词
本文介绍了一种高频电流传感器的设计原理及研究结果 . 高压电晕电 流测量实验表明该 传感器具有灵敏度 高 , 频响动态 范 电流传感器 电晕电流 高频电流测量
4 � ( 2 ) 2 � � 0 { 式 中: 为 磁 性材 料 的 电阻 率 (�� vv2) , � {为 材料 厚 f |� 度( 为 材 料 的 初始 磁 导 率 , 因此, 频率越高要 , vv) � 0 求材 料 的厚 度 越薄 . 如 对 于 频率 为 1 0 ���的 电晕 电 流 的 感 应, 材 料 的 厚 度 应 不大 于 3 才能在一定的 � v,
料尺 寸及 绕线匝 数所 决定 . 实 际设 计时 我们 注意 了以 下几 个方 面的问 题 : 高频 响 铁 氧 体 材 料 有 石 榴 石 型 , 1 .材 料 的 选 择 : 尖 晶 石 型 等 几 种 类 型, 考虑 到铁氧体 材料的斯 诺克 效 应, 即其复数 相对磁导率受斯诺克常数 S ( S � � � � ) 及材 料本 身的上 限截 止频 率 � 和实 际工 作 频率 � 的限 � 制, 用 公式 表示 即为 : S � � S � ) + 2 2 ( 3 ) � 2 2 � +� � +� � � 综合 考虑 传感器 技术 特性 , 材 料来 源和 价格等 因素 , 实 =� � +� " =( 1 + � � 际中 我们 采用了 尖晶 石型 铁氧 体为 传感 器磁 芯 . 由 于 信 号 的 频 谱 较 宽, 而铁 2 .磁 芯 尺 寸 的确 定 : 氧体 材料 的相对 带宽 由下 式决 定 : � 2 -9 2 � � � � � �1 0 � � �� � 1 � 2 � � � � ( � 2 -� 1 +2 � )
第3 期增 刊
一种高频电流传感器的设计
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频带内 达到 相对 磁导 率 � 较大 且基 本不变 的目 的 .限 � 于国 内 目前 的 生产 工 艺 水 平 , 硅钢 片 , 坡 莫 合金 , 非晶 态合 金 等金 属 型软 磁 材料 由 于 生 产工 艺 的 限制 , 目前 在满 足高导 磁率 条 件下 其频 响范 围最 高 只能 达到 且 性能 价 格 比 难 以 满足 实 际 需 要 , 因 此, 1 MH�左 右 , 只能 从非 金属材 料铁 氧体 中寻 找满 足高 频响 要求 的传 感器 磁 芯 , 虽然 目 前这 类 产品 的 最 高 磁导 率 只 能达 到 但其 频响 可达 到几 百兆 赫兹 . 1 0 数 量级 ,
围宽 , 稳定性好等特点 , 完全满足实际需要 .
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( ,Wu h i i j 4 ,k ) Hu a z h o n gUn i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y h a n 4 h i n a
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