基于互感器的大电流测量系统研制毕业论文

1、本科毕业论文论文题目：基于互感器的大电流测量系统研制 学 号： 200801230208 姓 名： 李欣 学科专业： 电子信息科学与技术 指导教师： 宋蓬勃 山东师范大学教务处制2012 年 5 月20 日毕业论文（设计）内容介绍论文（设计）题 目基于互感器的大电流测量系统研制选题时间201110.10完成时间2012.5.20论文（设计）字数5249关 键 词磁传感器 大电流 离散傅里叶变换 准确性论文（设计）题目的来源、理论和实践意义：传统的电流测量使用电磁式互感器，但其存在许多固有的缺点，近年来随着技术的发展，相继出现了Rogowski线圈电流互感器，电子式电流互感器，光电电流互感器等。

2、而大电流测量用互感器的小型化，智能化和低成本是一个必然的趋势，用微磁传感器测量电流周围的磁场从而测量电流是解决这一问题的一种思路。基于互感器测量大电流的方法，设计了一套测量大电流的实验测试系统，基于离散傅里叶变换的电流测量算法设计了数据采集处理的软件系统，通过对不同母排截面形状，不同母排拓扑，不同传感器拓扑，不同电流大小的各种组合进行试验。通过电流传感器的实践，可以是电流实时测量和显示，提供机电保护信号同时具有微机通讯接口。论文（设计）的主要内容及创新点： 此测量系统只关注最高次为51次的谐波，其波长远大于测量系统的尺寸。本测量系统属于磁准静态场,可忽略位移电流，不考虑电磁场的波动性,设磁场空

3、间中不存在非线性物质。磁场与产生它的电流具有相同频率，在工作带宽内磁传感器输出随磁场的变化而变化，所以磁传感器输出电压的频率等于磁场频率。在幅值以及相位上，磁场与电流以及磁传感器输出与磁场之间都具有线性关系。此次测量采用的是互感器测量大电流的一种新的测量方式，更加精确的保证了大电流的测量的准确性。附：论文（设计）本人签名： 年 月 日 目录摘要41 基本原理52引言53实验系统设计631 实验系统总体结构632 实验测试硬件系统633 数据采集处理软件系统74验证内容841 实验内容842 实验数据及误差分析842.1 不同电流大小的实验情况842.2 不同模型形势的实验情况942.3 不同母

4、排间距的实验情况942.4 不同磁传感器拓扑的实验情况1043 实验结果讨论105总结11参考文献12 基于互感器的大电流测量系统研制摘要 电力系统中现有的大电流测量设备往往存在体积大、测量范围窄、绝缘困难等缺陷，故提出了使用互感器测量交直流大电流的思路，该测量方法具有体积小、成本低、非接触测量、交直流通用、可数字化输出等优点。为了分析在实际系统中影响该方法测量精度的若干因素，利用基于 离散傅里叶变换的多相大电流测量算法，设计了大电流实验测量装置，并使用该装置进行了一系列不同母排形状的测量实验，并对各测量环节产生的误差来源进行了理论分析。关键词 磁传感器；大电流；离散傅里叶变换；准确性Abst

5、ract Currently available methods for high current measurement often have shortcomings of large volume, limited measurement range and difficulty in insulation in power systems. Hence the demand of many electrical applications for novel technologies to overcome these problems. To this end, a promising

6、 solution is the utilization of magnetic sensor arrays to measure both the AC and DC large current in a power system. Compared with transformers, this approach has such advantages as a smaller size, lower cost, digital output and non-contact measurement. In order to analyze several aspects affecting

7、 the measuring accuracy, the poly-phase current measurement algorithm based on the DFT is employed, and the hardware and software frameworks of the experimental measurement system are designed. A series of experiments on different bus-bar cross sections are completed with the experimental system, an

8、d the current errors introduced in each step are also analyzed. Keyword Magnetic sensor;high current;DFT;accuracy1 基本原理此测量系统只关注最高次为51次的谐波，其波长远大于测量系统的尺寸。本测量系统属于磁准静态场,可忽略位移电流，不考虑电磁场的波动性,设磁场空间中不存在非线性物质。其中任何电流（im（t），m=1，2，M）和传感器输出电压（vn（t），n=1，2，N）作为周期信号都可用傅里叶级数分解为各次谐波，并可将电流，电压的第k次谐波表示为： m，k=Im，kejm，k （1

9、）式中的两个量分别是第m个电流第k次谐波的幅值和初相位。 磁场与产生它的电流具有相同的频率，在工作带宽内磁传感器输出随磁场的变化而变化，所以磁传 感器输出电压的频率等于磁场频率。在幅值以及相 位上，磁场与电流以及磁传感器输出与磁场之间都具有线性关系，把2个过程结合到一起，对于基 波及每一次谐波有以下统一的谐波矩阵关系：V1，k c11,k c12,k c1m,k I1,k V2,k c21,k c22,k c2m,k I2,k = Vn,k cn1,k cn2,k cnm，k Im,k方程组中的矩阵元素Cnm，k结合了磁传感器输出与磁场，磁场与电流2个过程的线性关系。对第n个传感器输出信号进行

10、采样，通过DFT可以得到k次谐波分量Vn，k，从而根据所有传感器输出信号可以得到向量：Vk=V1,kre,V2,kre,，Vn，kre，V1，kin，V2，kin，Vn，kinT不计噪声影响可通过下式进行矩阵运算或者直接求解线性代数方程组球的电流k次谐波分量：Ik=（CkTCk）-1CkTVk在频率较低的情况下，在一小段时间t中可以认为i（t）是恒定直流。如果在关注的频率范围内磁场的延迟效应和涡流产生的各种效应可以忽略。 2引言传统的电流测量使用电磁式互感器，但其存在许多固有缺陷，近年来伴随技术的发展，相继出现了rogowski线圈电流互感器、电子式电流互感器、光电电流互感器等。而大电流测量用

11、互器的小型化、智能化和低成本是一个必然趋势，用磁传感器测量电流周围的磁场从而测量电流是解决这一问题的一种思路。常见的磁传感器有真空微电子磁传感器、巨磁阻磁传感器、霍尔磁传感器等。 用磁传感器测量电流的主要思路是研究建立磁场与产生它的被测电流之间的对应关系。当前应用相对成熟的方法是借助于特定装置建立磁与产生它的电流的对应关系。而另一种思路就是用磁传感器另一方面，本文的5%。误差都是在5次谐波上出现的，由于5次谐波的幅值相对较小，由数据 釆集卡的A/D转换量化误差可知，相对误差会偏大；而对于电流的总体误差而言，该谐波上的偏差造 成的总体误差将很小。另外，数据釆集过程中高斯分布的白噪声也会产生一定的

12、误差。 直接测量电流周围空间点的磁场，通过一定的运算来求解电流。其核心是把被测电流产生的磁场从其他干扰磁场中分离出来，从而建立磁场与产生它的电流之间的对应关系。磁传感器测量电流可以分为3个发展阶段：1由最初单个磁传感器的输出与电流建立简单的对应关系2用磁传感器环绕于电流周围，用安培环路定律建立磁场与电流的对应关系，但这种方法的不足是只能分析直流情形，不适用于交流电流的测量分析；3用合理的传感器拓扑，通过对多传感器输出信息进行数据处理的方法，在排除干扰的同时建立磁场与电流的对应关系。3实验系统设计 31 实验系统总体结构 实验验证的基本思路是釆用传统电流测量方法 和用磁传感器阵列电流测量方法测量

13、同一大电流， 将2种测量方法得到的结果进行比较，从而验证磁传感器阵列测量电流新方法的有效性。32 实验测试硬件系统 实验系统硬件结构如图1所示。大电流发生器 产生的电流经过变压器通入母排中，通过定位在实 验固定板上的微磁传感器组将电压信号经调理电路 送入数据釆集处理子系统；而与母排串联接入电路 的低感分流器两端电压将作为电流基准值同样送入 数据釆集处理子系统。 图1 实验系统硬件系统结构示意图33 数据采集处理软件系统用磁传感器阵列测量电流是把磁传感器阵列安 放于电流母排周围的空间，通过测量所在位置的磁 场大小，根据已知的拓扑关系反算电流。该测量方 法的核心是对磁传感器阵列的输出信号进行处理，

14、 通过矩阵运算，计算出电流的直流值和各次谐波值。 利用VC+与MATLAB混合编程技术，本文设计了数据釆集处理软件系统，用于对现场数据的釆集、显示、处理和管理等。数据采集处理系统的软件模型如图2. 图2 数据采集处理软件模块4验证内容41 实验内容本文应用实验系统对用磁传感器阵列测量大电流的原理进行一系列验证实验。测量实验釆用如图 3所示系统，其中电流在母排A，B中反方向流过，母排C开路。进行不同电流大小、不同母排拓扑、 图3 矩形母排测量系统拓扑图不同计算模型的电流测量实验其中以a1,a2,a3都取 25mm）。针对三矩形母排电流系统还进行了多种磁传感器阵列拓扑的电流测量实验。42 实验数据

15、及误差分析42.1 不同电流大小的实验情况 釆用大电流发生器产生有效值为500A 900A的电流，在不同电流下实验系统使用该方法求得的各次谐波的幅值和相位相对于低感分流器测得的电流的误差如图4所示。 图4 三矩形母排系统不同电流大小下的误差比较42.2 不同模型形势的实验情况 大电流变压器产生有效值为1kA的电流母排间距为20mm），得到的各次谐波幅值和相位相对低感分流器测得的电流误差如图5所示。图5 三矩形母排系统不同模型下的误差比较 由图5可以看到，实验系统在不同模型下的幅 值误差都在16%之间，基波的相位误差大约为 -0.1rad，3次谐波的相位误差在-0.5以内。5次谐波的相位误差在-

16、0.7rad以内。通过简化模型测量得到的电流有较大的测量误差，因为随着电流频率的升高，该系统中涡流现象已不能忽略，此时简化模型不可用。42.3 不同母排间距的实验情况 母排的间距d取15mm和20mm共2种情况，大电流变压器产生有效值为1kA的电流。不同母排间距情况下，系统的幅值和相位的测量误差 如图6所示。 图6 三矩形母排系统不同母排间距下差距比较从图6可知，系统在不同母排间距下，电流测量 幅值误差都在8 %范围内，基波的相位误差大约为 -0.1rad，3次谐波相位误差在-0.3rad以内，5次谐波相位误差在-0.5rad以内。相同谐波的幅值误差和相位误差都比较接近，测量方法有基本一致的测

17、量精度。42.4 不同磁传感器拓扑的实验情况 在矩形母排实验中，针对母排间距为20 mm情况进行多种不同磁传感器拓扑的验证实验。针对图 4的三矩形母排系统，表1为3种不同拓扑情况。拓扑情况以102035拓扑125252515.0拓扑225252512.5拓扑325292414.7表1 不同磁传感器阵列拓扑下磁传感器位置43 实验结果讨论 前面实验结果中，分别给出了各组实验的幅值 误差和相位误差，下面对实验系统各个环节分别进 行误差分析。首先分析传感器本身误差。实验系统中釆用的 磁传感器为Melexis MLX90215霍尔微磁传感 器，其霍尔感应面为0.2mm0.2mm小方块，而在实验中均按传

18、感器的输出为其中间点对应空间点磁感应强度来计算，所以在一定程度上存在误差。 此外，霍尔元器件对温度敏感，今后的实验系统可以 考虑绘制传感器温度补偿曲线或者釆用低温度系数 的微磁传感器。磁传感器内部结构中含有D/A转换器导致其输出对磁场有滞后效应，滞后时间为一定值250s，可求出这一滞后时间对应于工频、3次 谐波和5次谐波电流相位分别相差0.0785rad，0.2355rad和0.3925rad，可以通过在实验系统中添加固定补偿值来减小幅值误差。在传感器调理电路和釆集环节中，电阻的精度 误差包含在数学模型求解表达式的测量数据向量Vk中。另一方面，本文的5%。误差都是在5次谐波上出现的，由于5次谐

19、波的幅值相对较小，由数据 釆集卡的A/D转换量化误差可知，相对误差会偏大；而对于电流的总体误差而言，该谐波上的偏差造 成的总体误差将很小。另外，数据釆集过程中高斯分布的白噪声也会产生一定的误差。微磁传感器在空间的安放误差主要是空间位置相对于理论空间点的误差。传感器在空间安放误差体现在数学模型求解表达式的系数矩阵Ck上，如果计算方程组是病态方程组的话，将会导致待测电流 的误差急剧增大。本次实验中选取的若干传感器阵列拓扑的系数矩阵条件数整体较小，所以实验结果的相对误差较小。环境因素是指测量系统空间中可能存在其他磁场，可以是系统外其他靠近测量系统的电流产生的磁场、非电流产生的带磁体和地磁场等。测量数

20、学模型假设被测电流母排系统远离其他任何磁体，所 以环境磁场在测量数学模型中并没有考虑，是引入误差的一个因素。环境因素反映在数学模型求解表 达式的测量向量Vk中。上述分析引起实验系统电流测量误差的因素，在未来实际测量系统中同样存在，但会随着技术的发展和本项目研究的深入得到改善，例如选择性能更理想的微磁传感器、传感器拓扑优化分析、测量系统数学模型系数矩阵经过实验标定、在实验系统中增加传感元件误差的统计分析功能等。5总结在电力系统中釆用互感器测量大电流 是一种新的测量方式。测量电流，有很多种方法，最通用的方法是使用阻性分流器，另一方面，本文的5%。误差都是在5次谐波上出现的，由于5次谐波的幅值相对较

21、小，由数据 釆集卡的A/D转换量化误差可知，相对误差会偏大；而对于电流的总体误差而言，该谐波上的偏差造 成的总体误差将很小。另外，数据釆集过程中高斯分布的白噪声也会产生一定的误差。变压器，或磁性传感器。阻性分流器应用欧姆定律：通过分流 器的电流与分流器两端的电压值成正比，分流器相当于与负载串联。这种方法的优点是：精度高，低偏差，缺点是无法提供 电绝缘和高的温飘。因而短暂的峰值可能烧伤分流器，并有可能导致电子元件的过载。电流变压器由一个初级线圈和一个次 极线圈，包围着一个磁芯组成，初级线圈产生电流，使磁芯感应出磁场，从而使次极线圈产生感应电流，与初级电流成正比， 比例大小由匝数决定。电流变压器提

22、供了电气绝缘，但只能工作于交流电，并且体积大。此次试用的方法综合了各种的优点，能够行之有效的测量出待测大电流。参考文献【1】辛希孟.信息技术与信息服务国际研讨会论文集：A集C.北京：中国社会科学出版社，1994.【2】魏明,刘尚合,武占成,陈亚洲;ESD模拟器电流校验研究J;仪表技术与传感器;1999【3】范红勇;高压直流输电有源光纤直流电流传感器的研究D;华中科技大学;2006年指导教师意见（包括选题的意义，资料收集或实验方法、数据处理等方面的能力，论证或实验是否合理，主要观点或结果是否正确，有何独到的见解或新的方法，基础理论、专业知识的掌握程度及写作水平等，并就该论文是否达到本科毕业论文水

23、平做出评价）该论文作者对大电流测量方法进行了研究包括大电流测量的分类，相关概念以及模型等。作者在论文中对大电流测量技术入的了解，内容全面，较好地反映了这一领域的发展历史和研究现状，为今后相关领域的研究工作奠定了良好基础。该论文选题注重实用，原理阐述准确，资料掌握充分，主要技术水平认识正确。作者较好地掌握了本研究领域的主要方法及工具，能够利用自身掌握的理论基础和专业知识，提出问题、分析问题和解决问题，具有一定的独立进行科研工作的能力。论文撰写规范，结构合理，逻辑清晰，理论分析严谨，研究方法和结论合理。综合以上，该论文已达到本科毕业论文要求，同意参加学位论文答辩。成绩： 指导教师（签名）： 201

24、2 年 5 月 22 日注：成绩按优、良、中、合格、不合格五级分制计。评阅人意见（包括选题的意义，资料收集或实验方法、数据处理等方面的能力，论证或实验是否合理，主要观点或结果是否正确，有何独到的见解或新的方法，基础理论、专业知识的掌握程度及写作水平等，并就该论文是否达到本科毕业论文水平做出评价）该论文作者对大电流测量方法进行了研究包括大电流测量的分类，相关概念以及模型等。作者在论文中对大电流测量技术入的了解，内容全面，较好地反映了这一领域的发展历史和研究现状，为今后相关领域的研究工作奠定了良好基础。该论文选题注重实用，原理阐述准确，资料掌握充分，主要技术水平认识正确。作者较好地掌握了本研究领域

25、的主要方法及工具，能够利用自身掌握的理论基础和专业知识，提出问题、分析问题和解决问题，具有一定的独立进行科研工作的能力。论文撰写规范，结构合理，逻辑清晰，理论分析严谨，研究方法和结论合理。综合以上，该论文已达到本科毕业论文要求，同意参加学位论文答辩。 成绩： 评阅人（签名）： 2012 年 5 月 23日注：成绩按优、良、中、合格、不合格五级分制计。答辩委员会意见（应根据论文内容和答辩情况，并参考指导教师意见、评阅人意见对论文的综合水平做出具体评价）论文答辩过程中，作者表述清晰，思路明确，能较满意地回答答辩委员会委员的提问。学术委员会认为，该毕业生已达到申请学士学位所具有的水平，一致同意该同学

26、通过论文答辩，建议授予学士学位。成绩： 答辩委员会主任（签名）： 2012 年 5 月 26 日学院学位分委员会意见 成绩： 学位分委员会主任（签名）： （公章） 年 月 日注：成绩按优、良、中、合格、不合格五级分制计。山东师范大学本科毕业论文（设计）题目审批表学院：物理与电子科学学院(章)系别/教研室：电子系 时间：2011年 10月 10 日课题情况题目名称基于互感器的大电流测量系统研制课题性质A基础研究 B基础应用研究 C应用研究教师姓名宋蓬勃职称讲师学位硕士课题来源A.科研 B.生产 C.教学 D. 学生自拟 E. 其它成果类别A.论文 B.设计主要研究内容与研究目标应用互感器检测大电

27、流，在尽量小的耗损，以及更加精确的条件下，测量待测大电流，结合所学知识，应用合适互感器。 指导教师（签名）： 2011年10月10 日 选题学生（签名）： 2011年 10月10日系所或教研室审题意见论文题目符合专业要求，切实可行，同意该选题。负责人（签名）: 2011年 10 月12日学院审批意见学院学位分委员会主任（签名）: 年 月 日山东师范大学本科毕业论文（设计）开题报告论文题目： 基于互感器的大电流测量系统研制 学院名称： 物理与电子科学学院 专 业： 电子信息科学与技术 学生姓名： 李欣 学 号： 200801230208 指导教师： 宋蓬勃 2011年 12月 21 日一、选题的

28、性质 应用研究二、选题的目的和意义传统的电流测量使用电磁式互感器，但其存在许多固有的缺陷。近年来伴随技术的发展，相继出现了Rogowski线圈电流互感器，电子式电流互感器，光电电流互感器等。而大电流测量用互感器的小型化，智能化和低成本是一个必然的趋势，用微磁传感器测量电流周围的磁场从而测量电流是解决这一问题的一种思路，也是解决测量大电流系统的比较行之有效的方法之一，因为我选择这一方向进行研究。三、与本课题相关的国内外研究现状，预计可能有所创新的方面大电流的测量方法目前国内外主要有四种方法，电阻量具测量法，直流电流互感器测量法，直流比较仪测量法，磁阻变换器测量法。用电阻量具测量法是直流小电流测量

29、的延续，通过测已知电阻或分流器上的电压降来确定被测电流的大小，其优点是不受外磁场的影响，性能稳定可靠，缺点是该装置必须断开被测直流母线，能耗较大，在大电流测量中基本不用。磁阻变换器测量法磁阻变换器线性度较差，受温度影响大，测量精度不高，实际测量中也很少用。直流电流互感器测量法是利用被测直流电流带有铁芯扼制线圈的感抗，从而引起辅助交流电流的变化，间接的反应被测电流，优点是拆装时无需断开母线排，性能稳定，运行可靠，负载承受能力强，缺点是体积大而重，拆卸极不方便，抗磁场干扰能力差，精度不高。本课题借用了一种三相母排系统电流测量中使用磁传感器阵列的数据处理方法，取得了良好的效果。四、课题研究的可行性分

30、析基于互感器的大电流测量系统研制，对于测量方法，测量环境等均有不同程度的改进，使之更加适合于现实情况，以及更高的精确度，同时要考虑系统的散热设计，系统的绝缘设计，反馈电路，磁性材料的选择以及互感器的选择。使之为了研究结果的精确服务。此课题研究考虑了诸多影响因素及误差统计，更加可靠的保证了系统测量的可靠性以及可信性，从而确保实验数据的真实性。五、课题研究的策略、方法和步骤 研究建立磁场与产生它的被测电流之间的对应关系。用磁传感器直接测量电流周围空间点的磁场，通过一定的运算来求解电流。其核心是把被测电流产生的磁场从其他干扰磁场中分离出来，从而建立磁场与产生它的电流之间的对应关系。磁传感器测电流可以

31、分为三个阶段：第一阶段由最初单个磁传感器的输出与电流建立简单的对应关系；第二阶段是用磁传感器环绕于电流周围，用安培环路定律建立磁场与电流的对应关系，但这种方法的不足是只能分析直流的情形，不适用于交流电流的测量分析；第三阶段是用合理的传感器拓扑，通过对多传感器输出信息进行数据处理的方法，在排除干扰的同时建立磁场与电流的对应关系。六、预期成果形式描述 本科毕业论文七、指导教师意见 论文开题报告符合论文题目要求，时间、内容安排比较合理，同意该同学的开题报告。指导教师签字：年 月 日八、学院学位分委员会意见 学院学位分委员会主任签字： 年 月 日5（学生教师合用）山东师范大学本科毕业论文（设计）教师指导记录表学院：物理与电子科学学院 系别：电子系 专业：电子信息科学与技术论文（设计）题目：基于互感器的大电流测量系统研制学生姓名李欣学号200801230208指导教师宋蓬勃职称讲师计划完成时间：2012年5月20号指导情况纪录（含指导时间、指导内容）2011年10月：选择论文题目，确定后先收集多篇论文资料及科学杂志进行熟读，明白研究的方向和主要内容，做好开题报告。2011年12月21日：指导如何组织论文结构框架以及如何写开题报告等注意事项。2012年3月12日：指导一些技术方面的知识，对文中关键技术和章节的组织提出了许多宝贵的意见。2012年4月9日