大電流測量方案對(duì)比

1、大電流測量方案對(duì)比大電流檢測在工業(yè)、電力電子、航空、軍工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，下表為電流 檢測方案的信息匯總及其特點(diǎn)。表1萬案精度測量范圍頻帶工作電源體積價(jià)格總體評(píng)價(jià)分流器0.1%kA到兆A直流、工 頻及千赫 茲無大便宜適用于低頻低功 率，對(duì)主回路參 數(shù)不敏感的場合直流互感器1%A到千A直流、工 頻及千赫 茲交流電源大便宜原理簡單、造價(jià) 低廉，適合于對(duì) 精度要求不咼的 場合零磁通 式直流 互感器0.05%A到千A直流、工 頻及千赫 茲交流電源大貴具有極好的檢測 精度，但控制系 統(tǒng)復(fù)雜，穩(wěn)定性 不好直流磁 性比較 儀0.1%A到千A直流、工 頻及千赫 茲直流電源大貴克服了鐵芯磁飽 和、磁滯和直流 偏磁

2、的缺點(diǎn)，但 功耗大，不能長 時(shí)間運(yùn)行羅氏線圈1%或0.1%A到兆A工頻、千 赫茲及兆 赫茲無小便宜功耗低，測量范 圍寬，造價(jià)低， 但無法克服直流 穩(wěn)態(tài)電流時(shí)的漂 移問題光纖傳感器0.1%千A到兆A直流、工 頻及千赫 茲小貴精度咼、電磁抗 干擾能力強(qiáng)、安 裝方便，但價(jià)格曰車昂貴分流器原理:將已知的純電阻放在被測電流的電路里，回路中的電流可以通過測量電阻 上的電壓來求得，分流器利用了歐姆定理進(jìn)行測量。實(shí)際應(yīng)用中分流器的電阻 數(shù)值在毫歐或微歐級(jí)別，目前常規(guī)的分流器規(guī)格有100A/75mV、500A/75mV、1000A/75mV 等。分流器存在較小的電感？其等效電路如圖1,正弦電流通過分流器時(shí), 分

3、流器兩側(cè)上的電壓為?= ?(1?+ ?。要使分流器測量精度高并且響應(yīng)速 度快，要降低被測電流的頻率和幅度，否則當(dāng)頻率和幅度變高，會(huì)使分流器的 發(fā)熱量大幅度增加，嚴(yán)重影響分流器的測量精度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量減少分 流器的自感，并對(duì)外界磁場有較好的屏蔽能力，而且具有一定的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能為了減少電磁力和熱應(yīng)力對(duì)分流器測量結(jié)果的影響程度，科學(xué)家們對(duì)分流 器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和改進(jìn)。但由于分流器自身的缺陷，有很多問題是無法利 用補(bǔ)償和設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)的，例如發(fā)熱和頻率特性等問題。直流互感器原理:1936年德國的克萊麥爾教授第一個(gè)研制成功直流電流互感器，通過測量原 邊電流對(duì)帶有鐵芯線圈的感抗的改變來測量直流電流的大

4、小，這和交流互感器 的原理是不同的。結(jié)構(gòu)如圖2。直流電流互感器的副邊和原邊電流也有可能滿足公式（2.1），即在不計(jì)鐵 芯損耗、不計(jì)副邊組的內(nèi)阻及鐵芯均勻磁化的情況下。但是直流電流互感器的 測量結(jié)果很容易受到外界磁場的影響從而產(chǎn)生很大的誤差，比如當(dāng)測量電流的 激磁電流小于直流互感器時(shí)，不論是哪一種軟磁材料的磁化特性曲線都不是完 美的，都是存在著缺陷的。圖2直流互感器原理零磁通直流互感器圖3零磁通直流互感器圖3的左邊，由一次繞組 Wi、二次繞組W2、W4,鐵芯Ti、T2,二極管D2,電阻R2共同組成一個(gè)并聯(lián)的直流電流互感器，被測電流 I1流過繞 組Wi,二次繞組W2、W4和電阻Ri、F2,之間接有

5、輔助交流電源ei ;圖3右邊, 由一次繞組 W5、二次繞組 W6、W7，鐵芯T4、T5，二極管D3、D4、D5、D6共同 組成第二個(gè)并聯(lián)的直流電流互感器，二次繞組 W6、W7和二極管D4、D5之間接 有輔助交流電源e2。在被測電流I1和輔助交流電源ei的共同作用下，在電阻R、R2兩端會(huì)輸出 一個(gè)和|i正比例的直流電壓，這個(gè)電壓被送到第二個(gè)互感器的一次繞組W5,并產(chǎn)了一個(gè)電流，該電流在輔助交流電源 e2的共同作用下使得第二個(gè)互感器的電 阻R4兩端會(huì)輸出一個(gè)直流電壓，這個(gè)直流電壓被送到第一個(gè)互感器的補(bǔ)償繞組 W2，產(chǎn)生和被測電流相反的磁通勢，使第一個(gè)互感器的鐵芯T2趨向于零。這時(shí)，補(bǔ)償繞組 W2中

6、的電流與被測電流成正比，測量補(bǔ)償繞組 W2中的電流根 據(jù)匝數(shù)比就可以計(jì)算出被測電流的大小。為了改善性能，圖中增加了磁屏蔽層 T3,和W8、R3、C共同組成的消振回 路。這種互感器除二極管之外沒有其它電子元件，完全是電磁結(jié)構(gòu)，因此故障 率低工作可靠，其中的補(bǔ)償措施提高了它的測量精度。用這種方法制作的的直 流電流互感器在額定電流范圍20%100%內(nèi)，最大誤差為0.2%。目前國內(nèi)直流輸電工程用直流電流互感器絕大多數(shù)都被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷，如 ABB西門子、H ITEC公司及Reitz等公司，國內(nèi)對(duì)零磁通式直流電流 互感器的研究較少，國內(nèi)尚無有形成規(guī)模的零磁通式直流電流互感器廠家。四、直流磁性比較儀直流電流

7、比較儀的原理結(jié)構(gòu)圖如圖 4所示，在圖中A為高磁導(dǎo)率材料的鐵 芯，W和W2為比例繞組，|1和I2分別由兩個(gè)獨(dú)立電源提供給 W和W的直流電 流。因?yàn)?i=|iVWRm 2=liVWRm,所以當(dāng)|1W=|2W時(shí)，即鐵芯內(nèi)合成磁通為 0,此時(shí)有 I 1/I 2=WWW。圖4直流磁性比較儀器這里的問題是，如何知道磁通勢互相平衡了？也就是怎樣才能測量到鐵芯 內(nèi)的磁通等于零？這個(gè)問題對(duì)于交流比較儀而言，比較簡單，因?yàn)榻蛔兊碾娏?可產(chǎn)生交變的磁通，這個(gè)交變的磁通是極其容易從檢測繞組中測出的，然而對(duì) 于直流比較儀而言，就不是這么簡單了。因?yàn)樽饔糜阼F芯上的磁勢不平衡時(shí)， 其鐵芯內(nèi)部必然相應(yīng)存在一個(gè)恒定磁通，這個(gè)恒

8、定磁通在檢測繞組上不能產(chǎn)生 感應(yīng)電動(dòng)勢。當(dāng)然在閉合鐵磁開一個(gè)小小的縫隙，縫隙中放入霍爾元件就可以 測量出鐵芯內(nèi)部的恒定磁通，并由此設(shè)計(jì)出自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡電流的直流比較儀， 也就是我們知道的霍爾閉環(huán)電流傳感器。圖5霍爾閉環(huán)電流傳感器目前國內(nèi)霍爾閉環(huán)傳感器廠家眾多，除 LEM外還有寧波中車時(shí)代、中旭、 托肯等廠家，由于該霍爾電流傳感器在測量 2000A以上電流時(shí)電流消耗大，且 存在穿心孔內(nèi)輸出差異大，目前 2000A以上很少在客戶端大規(guī)模使用。五、羅氏線圈俄國科學(xué)家Rogowski在1912年發(fā)明了羅氏線圈（空芯線圈）。羅氏線圈 的制作方法就是將漆包線均勻出纏繞在環(huán)形的塑料或者陶瓷之類的非鐵磁材料 的

9、骨架上，如圖6。根據(jù)安培定律，當(dāng)載流導(dǎo)線穿過線圈中心時(shí)羅氏線圈兩端 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢，其大小與被測電流對(duì)時(shí)間的微分成線性關(guān)系。e（t） M di dt其中？-? uo為真空磁導(dǎo)率，大小為4 10 H m，N為繞組匝數(shù),h表示線圈骨架高度，a為骨架外徑，b為骨架內(nèi)徑，h、a、b單位為m。由于交流互感器的輸出是電流信號(hào)，輸出回路不能斷開，羅氏線圈的輸出 是電壓信號(hào)，輸出回路一般處于打開狀態(tài)，雖然羅氏線圈和交流互感器都只能 測量交流電流，羅氏線圈的結(jié)構(gòu)中沒有鐵芯，磁感應(yīng)的強(qiáng)度大于被測電流，羅 氏線圈不會(huì)出現(xiàn)磁飽和的現(xiàn)象。-uf 町 A圖6羅氏線圈結(jié)構(gòu)原理六、光纖電流傳感器當(dāng)線偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)

10、，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度書與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長度d的乘積成正比，即書=VBd比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率 有關(guān)。上述現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)。根據(jù)安培環(huán)路定律，電流產(chǎn)生的磁場磁場強(qiáng)度 H沿任意閉合曲線的積分等X =?2?羽 B/ i tJ aT?f?a 于閉合曲線所包圍的所有電流的代數(shù)和，0 ，光纖電流傳感器就是基于安培環(huán)路定律與法拉第磁光效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。光纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成，如圖8所示，傳感頭包含載流導(dǎo)體，繞于載流導(dǎo)體上的傳感光纖，以及 起偏鏡、檢偏鏡等光學(xué)部件。電子回路則有光源、受光元件、信號(hào)處理電路 等。和磁電式電流檢測相比，光纖電流傳感器具有 絕緣性能好、測量準(zhǔn)確度高（不存在磁飽和、直流偏磁與鐵磁諧振等問題）、抗干擾能力強(qiáng)（光纖傳輸具有好的電磁抗干擾能力）、安全性高（傳統(tǒng)的磁電式在次邊開路時(shí)容 易形成高壓，有易燃易爆的危險(xiǎn)，而光纖