大电流测量概述

大电流测量概述1大电流测量概述1大电流测量概述1大电流测量方法概述著名科学家门捷列夫指出：科学是从测量开始的。在现代科学技术和生产力的推动下,测量已经成为了一门完整且十分重要的学科,测量的对象日趋丰富，涵盖了绝大多数的物理量。电流在自然界中十分普遍，人类在对电现象本质的探索中积累了测量电流的丰富经验，特别是近几十年以来，半导体器件和计算机技术突飞猛进，为了便于量化和计算，许多非电量被转化成电量进行间接测量,电流测量在现代工业中十分普遍同时非常重要.一、大电流测量方法简介对大电流的测量方法，就其原理而言可分为两大类：一类是根据被测电流在已知电阻上的电压来确定被铡电流的大小．如分流器等。根据被测电流在已知电阻上的电压来确定被测电流的太小，由于其体积、误差、损耗、绝缘、测量范围等方面的不足，已经难以满足现代测量的标准。另一类是根据被测电流所建立豹磁场为基础,实际上是将电流的测量问题转变为磁场的测量问题,通过一定的手段测量它的磁密、磁通或磁势,再经过转换来得知电流的大小。从物理学角度来看磁场的测量方法主要有磁共振法、霍尔效应法、电融感应法、磁通门法、光泵法、磁光效应法、磁膜剥磁法及超导量子干涉器件法等.此外．尚有一些未得到广泛应用的磁场测量方法．如磁阻效应法、磁棒管法、磁敏二极管法、短脉冲放电法、半导体负荷浓度效应法、电子束法、阴极射线法和电子回旋共振法等等。这些方法中大部分由于各种原困的限制无法应用于测量电流的互感器，如设备造价太高、结构过于复杂等，也有些对被测磁场有特殊的要求.所以实际上并不是所有的测量磁场的方法都可用于测量电流.现在人们比较关注的主要有霍尔效应法、磁光效应法及罗氏线圈。霍尔效应原理互感器有磁平衡式（闭环)和直放式(开环）两种，它于70年代由瑞士的LEM公司首先研制成功。其拥有带宽为0—100kHz，响应时间为1us．准确度可以达到1～0。1级，线性度优于0。1％等优点。但是由于其本身受其制作材料的影响所产生的磁阻效应、不等位电势以及温漂，影响了其在更大领域内的推广.采用磁光效应原理制成的互感器叫光电互感器，它的基本原理是法拉第磁光效应,即通过偏振光在磁场中的偏转角度来测量电流的大小。这种互感器的优点是使用的光导材料具有良好的电隔离和绝缘性能．抗电磁干扰特性也根好。光电互感器遇到的问题主要是准确度较差、有震动干扰等。罗氏线圈是测量各种变化电流的常用手段之一.它是根据被测电流所产生的磁通势来确定电流大小的测量装置。在利用罗氏线圈进行测量时．将线圈围绕载有被测电流的导体，线圈两端接上采样电阻就可以测量变化的电流。因为它不含铁芯．所以理论上不存在磁饱和问题，也不存在动力和热力的稳定问题,并且几乎不受被测电流大小的限制．测量时也不需要断开被测电路。但是受其本身材料的限制．线圈骨架和绕制的非均匀性将带来根大的测量误差，严重影响线圈的抗干扰能力；温度将使线圈的骨架发生变化．从而引起线翻互感和自感系数变化，影响测量精度：输出信号较弱，易受外界电磁场的干扰，这些因素都导致了它不能更广泛的应用。二、电流检测方法及特点综述本章以电流检测原理为研究主线，简要介绍了分流器、铁芯交流电流互感器、铁芯直流电流互感器、空芯线圈、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器、光学电流传感器等常见的电流检测原理和其它可用于电流测量的磁场检测原理，分析了各种电流检测方案的优缺点，重点分析了传感原理相对简单的霍尔电流传感器和空芯线圈存在的不足。1、分流器分流器是根据电流通过电阻时在电阻两端产生电压进行电流测量。利用分流器测量电流时，是将电阻数值已知的分流器串联在被测电路里，通过测量或者观测分流器两端的引出电压，即可获得被测电流的大小或波形。理想的制造分流器的材料必须拥有较好的散热性能,材料的电阻率必须拥有极高的长期稳定性和可靠的温度稳定性，制造分流器的材料有多种,比较常用的有康铜和锰铜等合金金属，近来以来也有新的材料被报道采用。分流器的原理简单，在低频率小幅值电流测量中，表现出极高的精度和较快的响应速度。工业领域中，在不涉及到测量回路与被测电流之间电隔离的场合，分流器是将电流信号转变为电压信号的首选方案。分流器应用在大幅值高频率的电流测量中，会产生较大的误差。随着被测电流的增大,分流器的发热急剧增加，为了保证分流器的正常工作,分流器的尺寸、重量和造价不可避免的急剧增加，一定程度上限制了分流器在大电流工业现场的应用;另一方面，当分流器用于测量快速变化的电流或者脉冲电流时，分流器的电感分量不再可以忽略不计，同时，由于集肤效应的存在，使得分流器中的电流分布非均匀化，分流器输出端的电压发生时移，测量的精度将大打折扣。近些年以来，许多科学家进行了大量的研究工作，对分流器的结构进行了分析和改进，其目的主要是减小分流器在测量电流中受到电磁力和热应力的影响程度。派克(Park）、亨姆斯(Hains)和伯奈特（Bennett）等对分流器的模型进行了严格的理论分析，求解了同轴分流器在多种频率电流作用下的电流和电压分布，并提出了各种补偿方法,使得分流器电位输出端的电压更接近于理想的阶跃函数（当引入分流器的被测电流为阶跃函数时）.无论采用多么高深而巧妙的设计方法和补偿措施，分流器的发热问题和频率特性不可能得到本质上的改善，如果采用分流器测量高于数十千安的电流,或者采用分流器测量数百千赫兹甚至阶跃电流，都是不合适的.2、电流互感器变压器是人们在19世纪中对电与磁关系探索过程中的杰出成就之一，从领头巨人法拉第(Farady)和亨利（Henry),到第一次提出“Transformer”(变压器）这一概念的布拉什（Blathy），人类进行了长达五十多年的探索。1886年，美国科学家威斯金豪斯(Wisgenhouse）使用变压器作为交流输配电成功，掀开了人类利用电能的新篇章。随着发电、输电和配电的进一步发展，对输电线电流的检测显得十分重要和迫切，基于变压器原理的用以测量交流电流的互感器在更多学者的不断实践中出现了。交流电流互感器的典型结构与普通变压器极其相似(如下图所示)，它包括一个闭合铁芯和两个绕组，在理想的情况下，如果忽略激磁电流，则原副边绕组的磁通势是相互平衡的，即：（1—1）其中,I1为被测电流，I2为副边电流，w1和w2分别为原副边的绕线匝数.对于一个电流互感器,原副边绕组的匝数是已知且固定的，通过测量副边电流即可测量原边被测电流的大小.电流互感器有两个作用：一是通过测量较小的电流实现对较大电流的测量；二是实现测量回路与被测回路之间的电气绝缘，避免了测量回路与一次电流之间的直接电连接.交流电流互感器的传感原理简单，精度较高，其变比仅仅与原副边绕线的匝数有关，长期稳定性和温度稳定性有保障，因此,交流电流互感器在电力系统中得到了极广的运用。近些年来，软磁材料的发展日新月异，性能优越的坡莫合金、纳米合金以及非晶合金等新型铁磁材料不断涌现，使得互感器的性能得到极大改善，精度不断提高(可高达10—4级），体积、重量和价格有所优化，与此同时，人们在传统电流互感器的基础之上，采取了许多改进措施以进一步提高电流互感器的精度，例如基于零磁通原理的电流互感器，精度可达到10—5级甚至更高.虽然交流电流互感器在工业现场交流电流的检测中十分普及,但是交流电流互感器的变压器原理决定了其难以从根本上摆脱以下方面的缺陷：交流电流互感器仅适用于数千安培以内的交流电流测量，被测电流过大，则互感器的激磁电流不再可以忽略不计,过大的激磁电流使铁芯工作在饱和区，互感器的测量误差将急剧增大；交流电流互感器比较适用于电网工作频率附近频段的电流测量，不可用于过高或者过低频率电流的测量；被测电流中存在暂态直流分量时，铁芯将进入饱和区域，互感器的测量精度将急剧恶化。直流电流互感器直流电流互感器利用被测直流改变带有铁芯扼制线圈的感抗，间接的改变辅助交流电路的电流，从而来反映被测电流的大小。直流电流互感器是德国科学家克莱麦尔(Crämar）教授在1936年研制成功的，是一种简单实用的直流电流检测手段。直流电流互感器的典型结构如下图所示，它由两个相同的闭合铁芯组成，每个铁芯上都有两个绕组:原边绕组和副边绕组。原边绕组串联接入被测电路,副边绕组反向串联连接到辅助交流电路里.假定铁芯具有理想的磁特性曲线，即铁芯不存在损耗,原边绕组和副边绕组均匀的分布在铁芯上，即铁芯被均匀的磁化，副边绕组内阻相对于副边绕组自感系数可忽略，经过数学推导，直流电流互感器的副边电流为方波电流，其频率与电压激励源的频率相等，其幅值满足下列关系式：（1−2）在实际情况下，任何软磁材料的磁化特性与理想的无损耗铁磁材料都相去甚远，因此直流电流互感器存在较大的误差,其精度一般在5×10-3，特别是当被测电流相对互感器的额定电流较小时,误差更大，此外，易受外磁场的影响也是直流电流互感器难以克服的另一缺陷。虽然直流电流互感器在精度和抗干扰上存在一些缺陷，但是与直流电流测量的另一种有效方式分流器相比,直流电流互感器能够有效实现原边与副边的电气隔离,功率消耗小且稳定可靠，同时，副边能够承担一定负载，所以,目前工业领域应用直流电流互感器测量直流电流仍然比较普遍，特别是经过很多学者的不断改进，直流电流互感器的性能有了较大的提升.1976年，加拿大科学家麦克马尔登(MacMartin）研制出了一种新的补偿式直流互感器，补偿直流电流由晶体管提供,通过反馈电路控制晶体管的直流电流来补偿被测电流的部分磁通势，大大的提高了直流电流互感器的精度，可高达1×10-4。晶体管的驱动能力毕竟有限，为了消除外磁场对100千安以上大型直流电流互感器的影响并提高测量精度,德国科学家克莱麦尔（Crämar)提出了全补偿式直流电流互感器，采用铁磁材料将互感器屏蔽，并采用磁放大器自动加以控制补偿绕组的电流，克莱麦尔提出的全补偿型直流电流互感器实质上是直流比较仪的雏形，直流比较仪是一种十分有效的测量直流大电流的手段，精度可高达10—5级。国内从事直流电流互感器研究的机构以华中科技大学电气学院代表，任士焱教授领导的直流大电流实验室制作了用于在线校验和测量的320kA高精度磁调制型直流电流比较仪，其性能达到了国际领先水平。总体而言，直流电流互感器的传感原理简单可靠，与基于变压器原理的交流电流互感器一样，其传感系数仅仅与原副边的匝数有关，长期可靠性和温度稳定性均有保障，因此,直流电流互感器是检测直流大电流的一种有效手段，其缺点主要体现在体积较大、价格较高、需要外界电源的支持等方面。4、空芯线圈空芯线圈通常被称为Rogowski线圈,因为它是由俄国科学家Rogowski在1912年发明的。空芯线圈往往采用将漆包线均匀的绕制在环形骨架上制成，骨架采用塑料或者陶瓷等非铁磁材料，骨架的相对磁导率与空气中的相对磁导率相同，这便是空芯线圈有别于带铁芯的交流电流互感器的一个显著特征。空芯线圈的典型结构如下图所示，圆柱形载流导线穿过空芯线圈的中心，两者的中心轴重合，空芯线圈上的漆包线绕组均匀分布，且每匝线圈所在的平面穿过线圈的中心轴。理想的空芯线圈对电流的测量依赖于一个稳定可靠的互感系数，将测得的感应电势进行积分处理并结合该空芯线圈的互感系数进行计算，即可得到被测电流的大小，积分环节可以采用模拟积分器或者数字积分器，所以，通常而言，空芯线圈是一种有源式电流检测方法，但是，采用空芯线圈测量高频电流时采用无源模拟积分器也是一种简单有效的方式。将空芯线圈的二次绕线均匀的布置，是将N匝线圈构成一个近似于线积分的效果,而不是简单的多匝线圈的直接累加，当绕线无限密集均匀时,从数学上可以证明，理想空芯线圈的互感系数非常稳定，感应电势的大小不会因为载流母线形状的改变而发生改变，感应电势也不会因为空芯线圈与载流母线的相对位置的改变而发生变化，更为重要的是,当有电流从空芯线圈的窗外穿过时，无限密集的二次绕线上的感应电势相互抵消，最终感应到的感应电势与外界的干扰电流（或磁场）无关,从而保证了空芯线圈测量窗内电流的准确性和可靠性.空芯线圈和基于变压器原理的交流电流互感器一样，只能用来实现对交流电流的检测，但是它们的传感原理完全不同：交流电流互感器的二次输出信号为电流，拥有一定的承担负载的能力，其大小正比于被测电流的大小,其二次回路不能够开路工作;空芯线圈的输出信号为弱电压信号，基本没有承担负载的能力，其大小正比于被测电流对时间的变化，其二次输出一般处于开路工作状态.空芯线圈不含有铁芯，骨架中的磁感应强度与被测电流可始终保持线性关系，所以空芯线圈不存在磁饱和问题，而且，一定频率下,空芯线圈的输出电压信号随被测电流的增加而增加,对感应电势的处理和检测更为容易，所以，空芯线圈在大电流或高频率电流测量中有着先天的优势。空芯线圈在交流电流的测量中拥有体积小、重量轻和价格低等优点，在电力系统暂态电流测量和工业脉冲大电流测量中有比较成熟和普遍的应用,但是测量精度不高、难以大批量生产、不适合用于小电流测量等缺点在一定程度上阻碍了空芯线圈的大面积推广。5、霍尔电流传感器霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，它采用霍尔元件作为传感单元，通过被测电流产生的磁场的大小来实现对电流的测量.霍尔元件又被称作霍尔片，因为它是一种半导体薄片，作为一种技术成熟且应用广泛的磁场检测元件，霍尔元件是根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势为基础的，图1。4所示为霍尔元件的基本传感原理，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的.半导体薄片的横向方向通过电流Ic，在垂直于薄片的磁场B作用下，载流子由于受到洛仑兹（Lorentz)力的作用，在纵向上发生偏转,在薄片的上下两端不断积累，其中一边累积正电荷，另一边累积负电荷，正负电荷之间的电场被称作霍尔电场，它们之间的电势差被称作霍尔电势，霍尔电势与电流Ic和磁感应强度B成正比。霍尔元件是一种半导体器件，其温度稳定性和长期可靠性是阻碍霍尔电流传感器应用在高可靠性和高精度测量场合的主要因素之一，但是，随着半导体技术的高度集成化，霍尔元件的线性度和稳定性大幅度提高（具体情况在后文中具体阐述），霍尔电流传感器的应用领域进一步拓宽。从传感原理上可将霍尔电流传感器分为开环型霍尔电流传感器和闭环型霍尔电流传感器.开环型霍尔电流传感器以铁磁材料作为导磁体，而将霍尔元件放置在导磁体的气隙中，很明显,铁磁部分磁阻远远小于气隙的磁阻，在一定范围内,气隙中的磁感应强度与被测电流保持稳定的线性关系,测量多个气隙内的磁感应强度,结合气隙铁芯的传感系数即可获得被测电流的大小。采用铁磁材料聚磁的主要作用有二：起到聚磁的作用，增强被测电流产生的磁感应强度；消除外界电流或磁场对开环型电流传感器的影响，分段开气隙的铁磁材料可有效屏蔽外界磁场，从而使得传感器的总霍尔电势对外界磁场或电流的感应为零。开环型霍尔电流传感器往往精度不高，一般可达10—2级，被测电流与互感器额定电流相比较小时,测量误差会急剧增加，其主要原因是:由于铁磁材料存在磁滞和损耗，当被测电流在较大范围内变化时，气隙中的磁感应强度与电流之间的线性关系会发生一定变化，特别是较小电流时，这种偏差尤为明显。闭环型霍尔电流传感器沿用了比较仪的零磁通原理，在开环型霍尔电流传感器的基础上进行了一系列改进，首先是在带气隙的铁磁材料上均匀布置一个平衡绕组,其次霍尔元件不再用以直接检测电流的大小,而作为一个剩余磁通检测单元,霍尔元件的输出霍尔电势控制驱动一定大小的电流通过平衡绕组。稳态下，平衡绕组与被测电流保持良好的线性关系，比例系数为平衡绕组的绕线匝数与被测电流绕线匝数的比值，通过检测平衡绕组中的电流大小即可得到被测电流的大小.闭环型电流传感器稳定可靠，精度可高达10—3级甚至更高，但是，平衡电路的驱动能力有限,制作大电流闭环霍尔电流传感器是比较困难且十分昂贵的。霍尔电流传感器是一种典型的有源型电流检测方法，适用于从直流到中频段的任意波形电流的测量，在现在的工业现场，霍尔电流传感器是数百安培以内电流检测的首选产品.开环型霍尔电流传感器简单，闭环型霍尔电流传感器精度较高，但是它们都带有铁芯，动态范围有限，且应用在大电流测量的场合存在体积大、重量重的缺点，所以，霍尔电流传感器的发展方向是在保证甚至提高稳定性和精度的基础上减小其体积、重量和造价。6、磁通门电流传感器1933年，世界上出现了第一台磁通门磁力仪，从此,磁通门作为一种简单实用的弱磁场测量仪器受到了人们普遍的关注，1956年我国从原苏联引入的磁通门航空磁力仪，灵敏度高达5nT,近年来，我国自行研制在南极站上使用的CTM2302型磁通门磁力仪分辨率可达1nT以内。磁通门能够准确的检测磁场，自然能够实现电流测量，但是由于磁通门能够检测的最大磁场不过数十高斯，所以磁通门在电流测量中对象仅仅限于微弱电流。下图是采用磁通门测量毫安级电流的典型应用，传感器主要由软磁材料坡莫合金（或者纳米晶等其他高初始磁导率软磁材料）铁芯、两个激励绕组和两个检测绕组组成.两个激励绕组均匀对称的绕在铁芯上且反向串联，匝数亦相等的检测绕组均匀对称的绕制在激励绕组上且方向一致，激励绕组中通以一定频率和幅值的交流电流而在铁芯中产生相应的交变磁场,检测绕组获取的感应电势与被测电流存在一定的线性关系。当圆环铁芯中无电流通过时,由于两激励绕组匝数相等且反向串接,铁芯中产生的两交变磁场的大小相等，方向相反，此时检测绕组上的输出电势为零.当圆环铁芯中有电流I0通过时，由I0产生的直流磁场H0叠加在上述两交变磁场Hc之上,由于激励绕组反向串接,一个激励绕组的励磁作用加强，磁场强度为（Hc+H0)，另一个激励绕组的励磁作用减弱，磁场强度为(Hc-H0)。由于铁芯中磁感应强度B可近似于描述成磁场强度H的一次函数和三次函数之和,而检测绕组上的感应电压正比于磁感应强度对时间的变化,经过系列推导，可以得到以下结论:检测绕组的感应电势的幅值与被测电流产生的磁场强度H0和激励电流的频率成正比，比例系数与激励电流、铁芯物理尺寸和绕线匝数有关。为了提高精度,往往对感应电势进行二次谐波分量（相对于激励电流的频率)进行提取分析,为了提高磁通门的灵敏度，提高激励电流的频率和增大铁芯的截面积是简单而行之有效的方法.磁通门在弱磁场和小电流领域有较大的应用前景，近年来有相关的采用PCB技术实现微型磁通门批量生产和应用的报道。磁通门能够实现准确测量的前提是：待检测的磁场强度H0与激励磁场强度Hc相比很小甚至可近似忽略.因此，磁通门仅适用于近似于直流的稳恒微弱电流测量，且只有在有限的动态范围内才能保证接近于1×10-2级的精度.7、光学电流传感器光学电流传感器可以采用多种物理效应,如:法拉第（Faraday)磁光效应、磁致伸缩效应等，其中研究最为充分、最具有实用化前景的是基于法拉第磁光效应的光学电流传感器。当线偏振光在与其传播方向平行的外界磁场的作用下通过磁光介质时，其偏振面将发生偏转，偏转角θ可以表示为：（1-7)其中，µ为法拉第磁光材料的磁导率；V为磁光材料的Verdet常数，它与介质的特性、光源波长、外界温度等有关；H为作用于磁光材料的磁场强度；L为通过磁光材料的偏振光的光程长度。当光路为环绕电流导体的闭合路径时，根据安培环路定律可知：（1—8）其中，N为线偏振光围绕电流的环路数，i为被测电流。通过测量偏转角θ的大小,即可得到被测电流的大小，这就是基于法拉第磁光效应的光学电流传感器的基本原理。按传感头的结构不同，光学电流传感器可以分为全光纤式光学电流传感器、块状光学电流传感器、集磁环式光学电流传感器.全光纤光学电流传感器是将传感光纤缠绕在通电导体周围，利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中偏振光的旋转角来间接测量电流；块状光学电流传感器的光学传感部分采用磁光玻璃作为传感材料，通过特殊的光学加工使得偏振光在磁光材料中围绕通电导体旋转一周或多周；在磁环上开一缺口,将磁光材料置于磁环的缺口中,被测线路置于磁环的中央，通过测量磁环缺口中的磁场来间接测量线路中的电流，这种结构被称为集磁环式光学电流传感器（也被称为点式光学电流传感器）.全光纤式光学电流传感器和块状光学电流传感器采用闭合光路结构，传感系数如式(1-8）所示；磁环式光学电流传感器采用非闭合光路,模型如式（1-7）所述。光学电流传感器有着非常突出的优点：绝缘造价低,重量轻,体积小，易于和数字仪表接口,抗电磁干扰能力强，不存在暂态磁饱和现象，具有宽广的动态测量范围和频率响应范围。但是，从1963年美国制造出第一台光电流传感器“Tracer”到现在，光学电流互感器走过了一段非常曲折的历史，上世纪80年代是光学电流传感器最受关注的时期，但这一时期的光学电流互感器精度低、稳定性差，最终导致了光学电流互感器研究热潮在上世纪90年代的迅速消退，其主要原因是：全光纤式光学电流传感器传光和传感部分都采用光纤,其面临的线性双折射和长期运行稳定性问题比较严重；块状光学电流传感器要通过全反射构成闭合光路,电矢量相互垂直的两个分量之间产生相位差，存在相位补偿问题，而且多处采用光学胶粘合带来运行稳定性问题；集磁环式光学电流传感器光路短,受双折射影响小，但受铁芯材料的非线性影响较大。我国的清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学和西安交通大学等多家科研院所对传感器光学电流进行了长达20多年的研究，但测量精度有限（一般为5×10—3级）、稳定性差、实用化困难。本世纪以来，光学电流互感器的研究呈现全球化、多类型、多用途的发展趋势，特别是数字化变电站规约IEC-61850的出台，为电子式互感器创造了美好的前景，光学电流传感器作为最理想的电流检测方案迎来了又一次的研究热潮。其他电流传感器电流和磁场有着非常密切的联系，通过测量磁场来获知电流的大小有效而可行，所以，所有与磁效应有关的物理方法都可以作为磁场和电流测量的传感方案.在上述的电流传感器中，霍尔电流传感器采用的是霍尔元件的磁阻效应,空芯线圈利用的是电磁感应效应，基于法拉第效应的电流传感器利用了磁光效应，这些都是比较常见且技术相对成熟的磁场（或电流）检测方法，此外,还有一些磁场检测手段在科学研究中也得到了一定的实践和发展,下面列举了几种典型的磁场测量原理和方法，同样可能在电流检测领域得到应用。核磁共振.核磁共振是基于测量原子核核磁矩在磁场作进动的进动频率,而对于某一物质的原子核的旋磁