大電流測(cè)量方案對(duì)比

大電流檢測(cè)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(cè)方案的信息匯總及其特點(diǎn)。

表1

一、分流器原理：

將已知的純電阻放在被測(cè)電流的電路里，回路中的電流可以通過(guò)測(cè)量電阻上的電壓來(lái)求得，分流器利用了歐姆定理進(jìn)行測(cè)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(guò)分流器時(shí)，分流器兩側(cè)上的電壓為。要使分流器測(cè)量精度高并且響應(yīng)速度快，要降低被測(cè)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(cè)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(chǎng)有較好的屏蔽能力，而且具有一定的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能。

圖1 分流器等效電路

為了減少電磁力和熱應(yīng)力對(duì)分流器測(cè)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(wèn)題是無(wú)法利用補(bǔ)償和設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)的，例如發(fā)熱和頻率特性等問(wèn)題。

二、直流互感器原理：

1936年德國(guó)的克萊麥爾教授第一個(gè)研制成功直流電流互感器，通過(guò)測(cè)量原邊電流對(duì)帶有鐵芯線圈的感抗的改變來(lái)測(cè)量直流電流的大小，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(cè)量結(jié)果很容易受到外界磁場(chǎng)的影響從而產(chǎn)生很大的誤差，比如當(dāng)測(cè)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

三、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W1、二次繞組W2、W4，鐵芯T1、T2，二極管D1、D2，電阻R1、R2共同組成一個(gè)并聯(lián)的直流電流互感器，被測(cè)電流I1流過(guò)繞組W1，二次繞組W2、W4和電阻R1、R2，之間接有輔助交流電源e1；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(cè)電流I1和輔助交流電源e1的共同作用下，在電阻R1、R2兩端會(huì)輸出一個(gè)和I1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(cè)電流相反的磁通勢(shì)，使第一個(gè)互感器的鐵芯T1、T2趨向于零。這時(shí)，補(bǔ)償繞組W2中的電流與被測(cè)電流成正比，測(cè)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(cè)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(méi)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(cè)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(guó)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(mén)子、ＨＩＴＥＣ公司及Ｒｅｉｔｚ等公司，國(guó)內(nèi)對(duì)零磁通式直流電流互感器的研究較少，國(guó)內(nèi)尚無(wú)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，W1和W2為比例繞組，I1和I2分別由兩個(gè)獨(dú)立電源提供給W1和W2的直流電流。因?yàn)棣?=I1W1/Rm、φ2=I1W1/Rm，所以當(dāng)I1W1=I2W2時(shí)，即鐵芯內(nèi)合成磁通為0，此時(shí)有I1/I2=W2/W1。

圖4 直流磁性比較儀器

這里的問(wèn)題是，如何知道磁通勢(shì)互相平衡了？也就是怎樣才能測(cè)量到鐵芯內(nèi)的磁通等于零？這個(gè)問(wèn)題對(duì)于交流比較儀而言，比較簡(jiǎn)單，因?yàn)榻蛔兊碾娏骺僧a(chǎn)生交變的磁通，這個(gè)交變的磁通是極其容易從檢測(cè)繞組中測(cè)出的，然而對(duì)于直流比較儀而言，就不是這么簡(jiǎn)單了。因?yàn)樽饔糜阼F芯上的磁勢(shì)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)恒定磁通在檢測(cè)繞組上不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)然在閉合鐵磁開(kāi)一個(gè)小小的縫隙，縫隙中放入霍爾元件就可以測(cè)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(guó)內(nèi)霍爾閉環(huán)傳感器廠家眾多，除LEM外還有寧波中車(chē)時(shí)代、中旭、托肯等廠家，由于該霍爾電流傳感器在測(cè)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(guó)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(lèi)的非鐵磁材料的骨架上，如圖6。根據(jù)安培定律，當(dāng)載流導(dǎo)線穿過(guò)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(shì)，其大小與被測(cè)電流對(duì)時(shí)間的微分成線性關(guān)系。

e(t)=M·di/dt

其中，M=Nhμ0/2π·ln·a/b,u0為真空磁導(dǎo)率，大小為4π×10-7H/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(kāi)，羅氏線圈的輸出是電壓信號(hào)，輸出回路一般處于打開(kāi)狀態(tài)，雖然羅氏線圈和交流互感器都只能測(cè)量交流電流，羅氏線圈的結(jié)構(gòu)中沒(méi)有鐵芯，磁感應(yīng)的強(qiáng)度大于被測(cè)電流，羅氏線圈不會(huì)出現(xiàn)磁飽和的現(xiàn)象。

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)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度d的乘積成正比，即ψ=VBd，比例系數(shù)V稱(chēng)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(chēng)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(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任意閉合曲線的積分等于閉合曲線所包圍的所有電流的代數(shù)和，

，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(cè)相比，光纖電流傳感器具有絕緣性能好、測(cè)量準(zhǔn)確度高（不存在磁飽和、直流偏磁與鐵磁諧振等問(wèn)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(kāi)路時(shí)容易形成高壓，有易燃易爆的危險(xiǎn)，而光纖電流傳感器就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題）、體積小（電壓等級(jí)３４５ｋＶ的充油式電磁式電流互感器整體高度達(dá)６．１ｍ，重量超過(guò)７噸，與此同時(shí)，美國(guó)西屋公司生產(chǎn)的同等電壓等級(jí)的磁光式光纖電流互感器高度僅有２．７ｍ，重量不超過(guò)１００ｋｇ）等優(yōu)點(diǎn)，但由于其造價(jià)昂貴，目前在工業(yè)領(lǐng)域還未大規(guī)模進(jìn)行使用。

原文標(biāo)題：大電流測(cè)量方案對(duì)比

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