设计与制造零磁通电流传感器的研制3王伟杰,卫 军,赵学增,聂 鹏(哈尔滨工业大学机电学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:对电流传感器的误差进行了分析,研制了一种用于高压电容性设备在线监测的穿心式高准确度微电流传感器。
通过单片机系统,对激磁电流进行补偿,使传感器近似工作在“零磁通”状态。
测试表明,补偿收到了良好的效果。
关键词:电流传感器;零磁通;补偿;单片机中图分类号:TP212 文献标识码:B 文章编号:1000-9787(2003)08-0024-03 Development on the current transducer with zero fluxWAN G Wei2jie,WEI J un,ZHAO Xue2zeng,N IE Peng(Coll of E lec and Mech E ngin,H arbin I nstitute of T echnology,H arbin150001,China)Abstract:The error of the current transducer is analyzed.A type of low current transducer with cored structure and high accuracy is described which is specially designed for on line monitoring of high voltage apparatus.The circuit in the transducer can track the variation of magnetizing current and compensate it by single chip processor systems automatically to assure the magnetic core working in“zero flux”condition.The test of the current transducer shows that the design gets satisfactory results.K ey w ords:current transducer;zero flux;compensation;single chip processor0 引 言测量用的传感器及其测试仪器是经典的电工仪器,发展至今约有一个世纪。
随着生产技术的发展,一方面对传感器提出各种新的要求,另一方面新材料新技术提高了传感器的性能[1]。
在电力设备状态监测技术中,微电流(μA,mA级)传感器应用越来越广泛。
单匝穿心式微电流传感器由于其原副边隔离,对设备接线无影响等特点,成为高压电容性设备在线监测用电流传感器的首选。
对于此种电流传感器,要求其准确度高,有良好的抗电磁干扰能力和长时间的稳定性,因此,选择正确的误差补偿方法是问题的关键。
1 电流传感器的误差分析及补偿方法对于理想电流传感器,电流传感器的铁心如果不消耗能量,那么一次绕组的能量全部传递到二次绕组。
则有E1I1=E2I2,E1 E2=N1N2,收稿日期:2003-02-243基金项目:黑龙江省电力局科技攻关项目(200175)式中 E1,E2为一次绕组、二次绕组感应电势; I1,I2,为一次绕组、二次绕组电流; N1,N2为一次绕组、二次绕组的匝数。
理想电流传感器的电流比为K=I1I2=N2N1.这就是电流传感器计算的基本公式。
可由上式计算电流比和一次绕组、二次绕组匝数。
还可得出I1N1=I2N2.电流与匝数的积,称安匝数,单位安匝。
电流传感器一次绕组安匝数等于二次绕组安匝数。
但实际上电流传感器在工作中不可避免有能量的损失。
电流传感器误差的主要原因在于激磁电流也即激磁安匝的存在。
要使二次绕组产生电流,必须要有激磁电流I0来激磁才产生感应电势,从而产生电流。
激磁电流由一次绕组提供。
激磁电流I0与一次绕组匝数N1的积I0N1,叫激磁安匝或激磁磁动势。
就是一次绕组安匝I1N1要扣除激磁安匝I0N1才传递到二次绕组,这时误差产生了。
I0N1所引起的误差[2],通常表示为42 传感器技术(Journal of Transducer Technology) 2003年第22卷第8期 ε=-I0N1I1N1=f+jδ,式中 f称为比差,用百分值表示为f=I2K n-I1I1×100%=(I2I1K n-1)×100%,K n=I1/I2,称为额定变化;δ称为角差,是指次级安匝I2N2逆时针旋转180°,超前I1N1的为正角差,反之为负角差。
降低电流传感器误差的方法,无不基于减小或相当于减小激磁电流而设计。
传统的误差补偿方法主要是无源补偿,包括匝数补偿、辅助铁心补偿、电容补偿。
这些方法,作为电流传感器的自补偿方法,只有在特定的情况下,才能得到有效的补偿,存在很大的局限性。
使用简单的补偿方法只能补偿一部分误差。
如匝数补偿只对比差起到补偿作用,补偿量与二次负荷和电流大小无关。
补偿匝数一般只有几匝,匝数补偿应计算电流低端二次阻抗最大时,和电流高端二次阻抗最小时的误差。
对于高准确度的微型电流传感器匝数补偿即使只补偿1匝,就会补偿过量。
这时可以采用半匝或分数匝补偿。
但是电流传感器的匝数是以通过铁心窗口的封闭回路计算的,是一匝一匝计算的,不存在半匝的情况。
补偿准确度不够高,只适用于0.5级传感器。
要想提高准确度必须采用辅助手段如:双绕组、双铁心等,会导致接线及补偿工艺复杂,调整不方便或根本不可能调整。
用于大规模提高运行中传感器准确度,不太可行。
随着电子技术的发展,对传感器的误差进行有源补偿,可以很大程度上克服无源补偿的缺点。
经过有源电子补偿的传感器具有容量大、电流特性和负载特性平坦、准确度高、补偿工艺简单和安装调整方便等优点。
2 零磁通电流传感器设计2.1 零磁通电流传感器补偿原理电流传感器的误差很大程度上来自激磁电流I0,在I0=0所谓“零磁通”状态下无角差、比差,然而它是理想化的,如无I0,则铁心中无磁通,一、二次能量无法传递,电流传感器不能工作。
但正确选择补偿方法可将铁心中磁通降到极低的近似“零磁通”的状态,使电流传感器达到非常高的准确度[2,3]。
基于双级电流传感器原理[4]设计了零磁通电流传感器补偿结构。
其原理如图1。
图中T1,T2为工作、辅助磁心,且在普通电流传感器基础上增设了检测绕组N0和补偿绕组N3。
检测绕组N0检测T1中磁通密度,动态跟踪I0的变化,为系统提供反馈的电压信号。
单片机系统输出的补偿电流I3通过补偿绕组N3产生激磁动势。
使I0降至极低,达到近似“零磁通”的效果。
图1 零磁通电流传感器原理图Fig1 Principle diagram of the zero flux current transducer 补偿前,由于激磁安匝I0N1的存在,磁动势平衡方程为I1N1+I2N2=I0N1,补偿后,磁动势平衡方程为I1N1+I′2N2+I3N3=I′0N1,式中 I′2=I2+I″2,其中I″2为I3在二次侧感应电流。
调节I3,即调整I″2的大小和相位,使磁动势平衡方程为I′2N2=-I1N1,I3N3=I′0N1.此时N1和N2构成一个无激磁误差的零磁通电流传感器,即I1N1=-I2N2.补偿后的向量见图2。
图2 补偿后磁动势的向量图Fig2 V ector diagram of m agnetomotive force compensated 图中向量均为磁动势。
可见,原角差为δ,补偿后I2N2变为I′2N2,I1N1与I′2N2处于同一直线,角差δ和比差f为0。
2.2 电源的解决由于24h不间断检测,如从高压线路的导线取能,则存在绝缘和电源干扰问题,本系统以太阳能电池对蓄电池浮充的供电。
采用各种降功耗措施后,整机平均功耗电流低于3mA,采用6V,4Ah蓄电池供电,加上8.1V,2W太阳能板后,可保证其常年正常运行。
52第8期 王伟杰等:零磁通电流传感器的研制 2.3 铁心材料的选择铁基纳米晶合金具有以下特性:饱和磁感应强度介于硅钢片和坡莫合金之间,有利于减少仪表的保安系数;高的磁导率,大大提高传感器准确度,减少比差;质量轻、成本低,价格明显低于坡莫合金,而且可在-55～130℃长时间工作。
因此选用铁基纳米晶合金作为传感器的铁心材料。
铁基纳米晶合金与坡莫合金及硅钢片磁性能数据对比如表1[5]。
表1 电流传感器铁心常用软磁材料典型参数比较T ab1 Comp arison of the soft m agnetism m aterial’s typicalp arameters of the current transducer基本参数铁基纳米晶合金坡莫合金(I J85)硅钢片饱和磁感应强度(T)1.250.752.0初始磁导率(μH・m-1)(4～8)×104(5～8)×104～103最大磁导率(μH・m-1)>20×104>20×104>4×104居里温度(℃)570400740密度(g/cm3)7.258.757.65叠片系数>0.70.90.9厚度(mm)0.025～0.0350.150.33 电流传感器实验数据分析利用本文所述的方法制成的传感器,经过实验测得的数据见表2。
表2 比差和角差的实验数据T ab2 Experiment d ata of the ratio errors and ph ase displacements 基本参数数 据额定电流I N(%)102050100120比差f(%)-0.15-0.09-0.010.010.02角差δ(’)11.29.58.06.87.1 从表2可以看出,传感器的准确度达到了国家标准(G B1208-1997)0.2级电流传感器的准确度,完全符合工程对电流传感器的设计要求。
4 结 论运用单片机系统动态跟踪补偿激磁电流,使传感器近似工作在“零磁通”状态,可大幅度提高传感器的准确度和检测范围,具有广阔的应用前景。
参考文献:[1] 赵英俊,杨克冲,杨叔子.非晶态合金传感器技术与应用[M].武汉:华中理工大学出版社,1998,(3):1-13.[2] 宋婀娜,程彦华,张海宁.电流互感器的误差分析及其应用技术[J].煤炭技术,1999,(8):14-16.[3] 单平,罗勇芬,李彦明,等.高精度微电流传感器[J].高电压技术,2002,(5):28-29.[4] 鲍海,艾欣,杨以涵.双级零磁通电流互感器状态反馈控制研究[J].电工技术学报,2000,(4):12-15.[5] 李静,沙玉洲,张有和.测量用电流互感器仪表保安系数的计算和控制[J].变压器,2002,(10):7-9.作者简介:王伟杰(1963-),男,黑龙江省哈尔滨人,副教授,硕士生导师,多年来一直从事测控与传感技术方向的研究。