电流测量的原理及应用

电流测量的原理及应用

在工业生产和科学研究中，通常需要测量导线和导线中的电流。传统上,测量电流是通过使被测电流流过阻值已知的电阻器,测出电阻上的电压,再根据欧姆定律I=U/R求出电流。由于需要接入取样电阻,不仅存在对被测电路的影响使测量结果难以精确,而且测试过程非常不方便,难以实现自动化。利用某些光电磁效应,可以通过间接方式检测电流,实现不接入电路的非侵入式测量,亦称“无电位检测”。使用这种测量方式,被测电路的状态不受检测电路的影响,检测电路也不受被测电路的影响,被测电路与检测电路之间是电隔离的。目前,非侵入式电流测量主要采用电流互感器、Rogowski线圈、霍尔电流传感器、光学电流传感器、磁阻电流传感器等,本文对这些方法做了总结。1电流ct测量方式电流互感器(CurrentTransformer,CT)是目前我国电能计量装置中使用最广泛的电流测量方式。在冶金、化工等使用强电流进行生产的工业部门,大部分也是采用电流互感器作变送器去推动指针式电流表。1.1电流测试系统电流互感器主要由一次绕组、二次绕组、铁芯、绕组间与铁芯的绝缘以及外壳组成,工作原理与变压器类似,如图1所示,绕组N1接被测电流,称为一次绕组(或初级绕组),绕组N2接测量仪表,称为二次绕组(或次级绕组)。电流互感器铁心内的交变主磁通由一次线圈内电流所产生,一次主磁通在二次线圈中感应出二次电势而产生二次电流。一次线圈串联在电路中,并且匝数很少,因此,一次线圈中的电流完全取决于被测电路的负荷电流,而与二次电流无关;电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小,所以正常情况下,电流互感器在近于短路状态下运行。电流互感器一、二次额定电流之比,称为电流互感器的额定互感比(又称额定电流比):Kn=I1n/I2n。该比值已标准化。电流互感器将一次线圈中的电流转换为比较统一的电流,便于二次仪表测量。另外线路上的电压都比较高,如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离的作用。1.2a、b继电器电流互感器原理简单,使用方便,可以测量非常大的电流,消耗的功率却很少,是目前大电流电子电能表中使用得最多的感应器。其正常的输出为5A或1A,能为电磁式继电器提供足够的驱动能力。但由于是磁化电流,他一般相应会有一个很小的相移(0.1°～0.3°)。如果没有校正,低功率因素下会产生相当大的误差。此外,铁芯使用的铁氧体材料在大电流下会饱和,而且磁化后铁芯还会产生磁滞现象,除非重新去磁,否则精度就会下降。其测量动态范围小、频带窄、易受电磁干扰、精度低、绝缘结构复杂、造价高,这些都是他的缺点。目前多于工频或低频电流的测量。1.3交变励磁电流为零时,整体看著零磁通电流互感器就是铁芯磁通为零的互感器。电流互感器的误差是由提供磁通的交变励磁电流产生的,若把他降为零,理论上互感器就没有误差了。通过外电路引入反电动势可实现零磁通目的,从而大大提高了互感器的测量精度。2gowski测量洛氏线圈(Rogowski线圈)是WRogowski于1912年发明的电流测量线圈,又称微分电流传感器。输出信号是电流对时间的微分,通过一个积分器,就可以真实还原输入电流。2.1传感器的输出电动势e/t洛氏线圈是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈,有一个非磁性的芯,其最基本形状是一个环形的空气芯线圈,如图2所示。被测电流从线圈中心穿过,由电磁感应原理可知:任何一个随时间变化的电流i(t)总是伴随着一个随时间变化的磁场环链,这个磁场将在线圈中感应产生电势e(t),电压e(t)与电流的变化率di(t)/dt成正比。当互感系数M已知,感应电势e(t)为:e(t)=−Mdi/dte(t)=-Μdi/dt互感系数M的值为:M=μ0mS式中,μ0为真空磁导率,其值为4π×10-7H/m;m=N/2πR,为传感线圈单位长度匝数(R为传感器的平均半径(m);N为传感线圈的总匝数);S为空芯线圈的横截面积(m2)。由上式可知互感M与传感线圈单位长度匝数、截面积、磁介质磁导率的乘积成比例,完全由传感器的几何尺寸、绕线匝数和磁介质特性所决定,对于固定结构的传感线圈,M为一常数。传感器的输出电动势e正比于被测电流i的变化率di/dt。因为Rogowski线圈的输出与电流对时间的导数成正比,所以需要一个积分器将di/dt信号转换成i(t)函数以进行下一步处理。传统方法使用高性能运算放大器构建模拟积分器,图3是用运算放大器设计的一个简单积分器。也可以使用性能更优异的数字积分器。2.2引领于常规传感器的roga优点:不含铁磁性材料,无磁滞效应,几乎为零的相位误差;因为没有铁芯,因此在很宽测量范围内都不会有非线性现象,无磁饱和现象,因而测量范围可从数安培到数百千安的电流;结构简单,并且和被测电流之间没有直接的电路联系;响应频带宽(0.1Hz～1MHz)。与带铁芯的传统互感器相比,洛氏线圈测量范围宽,精度高,稳定可靠,同时具有测量和继电保护功能,体积小、重量轻、安全且符合环保要求。缺点:线圈的输出电压取决于初级电流di/dt变化率,因为只有在磁场变化时才会产生电动势,所以Rogowski线圈不能用来测量电流中的直流分量;由于制造工艺和材料的限制,对于正常50Hz正弦波其准确度尚不及常规互感器,最高一般只能做到0.5%;由于他靠磁场进行测量,所以这种类型传感器与电流互感器相比易受外界磁场干扰的影响。使用时可通过减小多余回路面积、采用消除干扰的设计、加屏蔽等方法减少外界磁场干扰。基于洛氏线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点,可应用于继电保护,可控硅整流,变频调速,电阻焊等信号严重畸变的场合。3不失真的测量设备用霍尔器件制作的霍尔电流传感器可以对主电流及测量电路进行严格的隔离,能够不失真地测量直流、交流、脉冲及各种波形的电流。其测量精度高,响应速度快(可以达到0.2μs)、频带宽、过载能力强,所以近年来在电气测量领域得到了广泛的应用。3.1电流的垂直方向加磁场b霍尔效应是1879年美国物理学家EdwinH.Hall研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。如图4所示,在长方形导体薄片H上通一电流IC,沿电流的垂直方向加磁场B,将引起在与电流和磁场两者垂直的两侧面载流子数量的变化,因而产生了电势差,即霍尔电压VH:VH=K⋅IC⋅B/dVΗ=Κ⋅ΙC⋅B/d其中K是所用材料的霍尔常数,d是薄片厚度。在一定的工作电流IC下,霍尔电压VH和外磁场磁感应强度B成正比。这样就构成一个霍尔元件。目前霍尔元件多用Ge,Si,InSb,GaAs,InAs,InAsP等半导体材料制成。霍尔元件直接输出的电压信号较小,并且有一定的温度漂移,需要有放大及温度补偿电路和一个稳定的外部电流源。3.2霍夫电流传感器3.2.1直检式电流传感器当电流Ip通过一根长直导线时,导线周围即有磁场产生,在滞环线性区内磁场的大小B与流过导线的电流IP成正比:B=K1·IP。如图5,这一磁场经聚磁环聚集以后,在聚磁环的开口处用霍尔器件检测磁环的磁场,然后经放大器放大得到电压信号输出。由于电流IP,磁场B,霍尔输出电压VH,放大之间都成正比,经标定校形以后,可以从输出信号中直接得到电流大小的数值。控制电流IC是由恒流源供给的。直接检测式电流传感器,通常穿心式单匝可以测试到数安培的电流,最大电流可以测到500kA。直检式电流传感器的响应时间>3μs。这种方式的优点是结构简单,测量结果的精度(可以达到0.5%)和线性度都较高。但他的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中,霍尔器件是磁场检测器,他检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后,磁芯可能达到饱和;随着频率升高,磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然,也可采取一些改进措施来降低这些影响,例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料;制成多层磁芯;采用多个霍尔元件来进行检测等。这类霍尔电流传感器的价格也相对便宜,使用非常方便,已得到极为广泛的应用,国内外已有许多厂家生产。3.2.2电流传感器的工作原理另一种电流传感器是零磁通式(或称磁平衡式/反馈补偿式/霍尔效应闭环)电流传感器,1972年由J.P.Etter首先研制成功。由于使用了一个集成的磁场补偿电路,使得霍尔电流传感器的性能大大提高。零磁通式电流传感器的工作原理是将主电流回路所产生的磁场,通过一个次级线圈的电流(补偿电流IS)所产生的磁场进行补偿,使霍尔器件始终处于检测零磁通的条件下工作(图6)。当主回路有一大电流IP流过时,在导线周围产生强磁场,感应霍尔器件,使他有一个信号输出。这一信号经放大器放大,输入到功率放大器,从电源获得一个补偿电流IS。IS要通过很多匝导线,所产生的磁场与主电流IP所产生的磁场相反,因而补偿了原来的磁场,使霍尔器件的输出逐渐减小。最后当IS与匝数相乘所产生的磁场与IP所产生的磁场相等时,IS不再增加。这时霍尔器件就起到指示零磁通的作用。这是一个动态平衡的过程,从宏观上看,次级补偿电流的安匝数在任何时候都与主电流的安匝数一模一样。由于匝数不同,只要测得补偿线圈的小电流,就能知道主电流的大小。这种电流传感器由于磁芯中的磁感应强度极低(理想状态应为0),不会使磁芯饱和,也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。因没有磁滞的问题,故响应速度可以做到0.2μs,工作频率在100kHz以上。用这种模式做成的电流传感器,穿心式最小单匝可以测到1A,最大为数万安培。在工业生产中,可以达到0.5%的精度(-25～+85℃);在比较窄的温区中,如0～40℃,可以达到0.2%的精度。4偏振光的旋转角度测量系统光学电流传感器(OpticalCurrentTransducer,OCT)是根据法拉第效应(Faradayeffect)的原理制成的电流传感测量器件。如图7所示,当一束平面线偏振光通过置于磁场的、透明的磁光材料(如铅玻璃等)时,在外磁场作用下,其偏振面将发生旋转,旋转角θ正比于磁场强度H沿光传播路线的线积分:θ=V∫L0HdL=VLH(1)θ=V∫0LΗdL=VLΗ(1)式中,V为物质的弗尔德(Verdet)常数,单位rad/A,不同物质的费尔德常数不同,且与光波波长和温度有关;L为光线在材料中通过的路程。如果这个磁场是由长直载流导线I产生的,且光路设计为闭合回路,根据安培环路定律:I=∮H⃗⋅dl⃗=HL(2)Ι=∮Η→⋅dl→=ΗL(2)于是可得:θ=V⋅Iθ=V⋅Ι测得线偏振光的旋转角度θ就可求出导体中的电流I。OCT的工作过程如图8所示。用恒流源驱动某一波长的发光二极管(LED)或激光器提供一个恒定的光源,经起偏器成为线偏振光后由光纤射入光学传感器。光在传感器中环绕载流导线一周或数周。在磁场的作用下,偏振面发生旋转,出射光经检偏器(Analyzer)检偏后,经光电检测转换成电信号进行放大滤波,由微机系统进行处理。由于目前精确测量偏振光振动面的偏转角尚有困难,所以常采用将偏振光振动面偏转角的信息变换成光的强度后再进行测量。与传统的电磁式电流互感器相比,光学电流传感器的输出信号为低电平,易于与数字仪表及微机接口;测量范围大,频率响应范围宽,可从直流到几万赫;结构简单、体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强。其缺点是系统较复杂,成本较高,某些工程问题尚在研究之中。目前已有国内外多座变电站在进行高压传输线的电流测量中采用。5磁阻效应引起的电阻1857年,英国物理学家LordKelvin发现,导体的电阻在外磁场中会增加,并随着外磁场的变化而变化。这种现象称为磁致电阻效应,简称磁阻效应(magnetore-sistanceeffect)。对于由某些磁敏材料(如锑—铟系化合物)制成的半导体元件,这种效应更为显著。磁阻效应与霍尔效应密切相关。当通电流的半导体或金属薄片置于外磁场中时,霍尔电场使载流子的运动方向发生偏转,改变了其漂移路径,从而导致器件的电阻率增大、通过器件的电流密度减小。载流子的迁移率μ越大,亦即试件的载流子在单位电场强度作用下达到最大迁移速度越大,外磁场B越强,其磁致电阻的变化量(常用电阻率的相对变化率Δρ/ρ表示)就越明显。研究表明,在磁场强度B不太大时,Δρ/ρ与μ2,B2成正比;在强磁场情况下,Δρ/ρ与μ,B成正比;当B趋向无限大时,电阻率ρ趋向饱和。利用磁阻效应,把电流导体与磁阻元件按一定结构组合,当有电流流过时,电流产生的磁场引起磁阻改变,通过电压信号检出这个变化,可实现在一定电流范围内的线性检测。由于磁阻效应所引起的电阻增量一般较小,常将多个磁阻元件组成对称互补式或桥式电路以提高传感器的灵敏度。制成的磁阻电流传感器具有结构简单、体积小巧、耐压高、频带宽、反应快和灵敏度高等优点,适合于对交直流的精确测量,以及需要对电路中过载和短路进行监控