基于零磁通原理的高精度小電流傳感器的研究_包軍_繼電器

1、 基于零磁通原理的高精度小電流傳感器的研究包軍, 田建華, 張秀閣(鄭州電力高等?？茖W(xué)校, 河南鄭州450004摘要:分析了零磁通電流互感器的原理, 提出了一種用超微晶合金做鐵芯, 增加自適應(yīng)動(dòng)態(tài)電子電路, 實(shí)現(xiàn)小電流傳感器的“動(dòng)態(tài)零磁通”的新方法。關(guān)鍵詞:小電流傳感器; 零磁通; 誤差中圖分類號(hào):T M452文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1003-4897(2002 12-0032-021引言用電流傳感器作為電氣設(shè)備絕緣在線檢測(cè)系統(tǒng)的采樣單元, 已得到業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)。目前, 電流傳感器有多種類型, 如霍爾傳感器、無(wú)磁芯電流傳感器、共振電流傳感器等12特殊性, 作原理的, 從采樣方式上分, 這類傳

2、感器主要有直接串入式、鉗式、閉環(huán)穿芯式三種。為保證采樣的準(zhǔn)確性, 使輸出、輸入信號(hào)間的比值差和相角差盡量小, 研究人員采用的誤差補(bǔ)償方法有:短路有源補(bǔ)償法、純電阻誤差補(bǔ)償法、二次阻抗完全補(bǔ)償法、自平衡電子補(bǔ)償法等。大量的研究試驗(yàn)表明, 基于“零磁通原理”的小電流互感器更適合電力系統(tǒng)絕緣在線檢測(cè)的要求6。本文所述小電流傳感器即是以此為基本原理, 加上自適應(yīng)動(dòng)態(tài)跟蹤電子電路的應(yīng)用, 使小電流傳感器具有高精度、高穩(wěn)定度、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。2電力系統(tǒng)絕緣在線檢測(cè)對(duì)電流傳感器的基本要求電力系統(tǒng)絕緣在線檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境中, 且多為戶外環(huán)境。作為其采樣輸入端, 小電流傳感器必須能高精度、高穩(wěn)

3、定性地完成采樣工作。然而, 由于被采信號(hào)小, 它極易受電磁場(chǎng)、溫度、濕度等因素的干擾影響。為了能在電力系統(tǒng)強(qiáng)噪聲干擾環(huán)境下準(zhǔn)確采樣, 用于在線檢測(cè)的小電流傳感器應(yīng)滿足以下條件3:(1 采樣范圍在幾百A 級(jí)至幾mA 級(jí)。靈敏度高, 輸出能靈敏反應(yīng)輸入量的微小變化; 輸出信號(hào)盡可能大。(2 在測(cè)量范圍內(nèi)線性度好, 輸出波形不畸變, 輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)間的比值差、角差小, 并且其差值穩(wěn)定, 不隨溫度等因素的變化而變化。(3 抗干擾能力強(qiáng), 電磁兼容性好。3451所示, 圖I 1為小電流互感器一, I 2為二次側(cè)電流, I 0為激磁電流。N 1、N 2分別為一、二次繞組匝數(shù)。因此, 該小電流互感器的磁

4、勢(shì)平衡方程為:I 1N 1+I 2N 2=-I 0N 1當(dāng)激磁安匝I 0N 1為零時(shí), I 1N 1=-I 2N 2即付邊安匝變化能完全反映原邊安匝變化, 誤差為零。一般稱I 0N 1為絕對(duì)誤差, I 0N 1I 1N 1為相對(duì)誤差。電流互感器的誤差為復(fù)數(shù)誤差, 可用比值差f 和角差表示。=-I 0N 1I 1N 1=f +j 式中f =(I 2N 2I 1N 1 I 1100%, 為I 2逆時(shí)針180后與I 1的夾角, 如圖3所示 。圖1電流互感器原理電路圖Fig. 1Principle circuit of CT圖2二次等效電路圖Fig. 2Secondary equivalent cir

5、cuit由此可見(jiàn), 由于I 0N 1的存在, 使I 2N 2與I 1N 1存在角差和比值差f 。若I 0=0, 則激磁磁勢(shì)為0, 誤差為零。此時(shí)的鐵芯處于“零磁通”狀態(tài), 它工作23第30卷第12期2002年12月15日繼電器RE LAY V ol. 30N o. 12Dec. 15, 2002 圖3電流互感器相量圖Fig. 3Phas or of CT于磁化曲線的起始段(線性段 。這時(shí), 電流互感器輸出波形就不會(huì)畸變, 保持良好的線性度。此即為“零磁通原理”。因此, 若能使互感器鐵芯始終處于零磁通狀態(tài), 就能從根本上消除電流互感器的誤差。但是, 由互感器的工作原理可知, 靠互感器自身是不可能

6、實(shí)現(xiàn)零磁通的, 必須靠外界條件的補(bǔ)償或調(diào)整。為此, 采用動(dòng)態(tài)平衡電子電路對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整, 使鐵芯始終處于“動(dòng)態(tài)零磁通狀態(tài)”。4小電流傳感器的原理圖4所示為本傳感器的原理框圖, N D 檢測(cè)繞組,D 有源網(wǎng)絡(luò)。:I 1N 1+I 2N 2+I D N D =-I 0N 1I 1產(chǎn)生的激磁磁通在N D 兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),并加到動(dòng)態(tài)檢測(cè)單元D 的輸入端, 通過(guò)G 產(chǎn)生二次電流I 2提供給二次繞組, I 2所產(chǎn)生的磁通對(duì)鐵芯去磁, 使鐵芯達(dá)到磁勢(shì)平衡。因此, 理想狀態(tài)時(shí), 該傳感器的二次繞組電流I 2全部由有源網(wǎng)絡(luò)G 供給, 而不從感應(yīng)電勢(shì)取電流。D 高速動(dòng)態(tài)檢測(cè)N D 兩端的電勢(shì)差, 當(dāng)電勢(shì)差足夠

7、小(近似為零的允許值 時(shí), 鐵芯中的磁通即近似為零磁通。若檢測(cè)值偏離允許值,G 則自動(dòng)高速調(diào)整。如此高速跟蹤調(diào)整, 使鐵芯能始終保持在逼近零磁通狀態(tài), 傳感器達(dá)到較高的精度。圖4小電流傳感器原理框圖Fig. 4Principle diagrarn of little current sens or5誤差分析電流傳感器的誤差包括容性誤差、磁性誤差以及檢測(cè)調(diào)整電子電路的靈敏度誤差三部分。所謂容性誤差, 是指各側(cè)線圈本身和線圈之間的容性泄漏電流所造成的測(cè)量誤差。對(duì)工頻信號(hào)來(lái)說(shuō), 當(dāng)N 21000時(shí), 這項(xiàng)誤差可控制在10-5以內(nèi)。本裝置由于一、二次繞組匝數(shù)均很小, 容性誤差可以不計(jì)。檢測(cè)繞組雖然匝數(shù)

8、相對(duì)較多, 但其電位差動(dòng)態(tài)逼近零, 所以, 其容性誤差仍可忽略。經(jīng)過(guò)前述高速動(dòng)態(tài)調(diào)整后, I 00, 鐵芯逼近零磁通, 磁性誤差很小。但事實(shí)上, 完全的零磁通狀態(tài)是達(dá)不到的, 鐵芯中必須有一點(diǎn)微弱的磁通才能使G 輸出I 2, 這就使磁性誤差仍然存在。從本傳感器磁勢(shì)平衡方程可見(jiàn), 磁性誤差主要由兩部分組成:一是由I 0帶來(lái)的殘余磁勢(shì)引起的誤差, 另一部分是由檢測(cè)繞組I D 帶來(lái)的附加磁勢(shì)引起的誤差, 即:=I 0N 1I 2N 2+I D N D =8E D l 0D S I 2N 2+E D N D R i I 2N 2:D D , l 為磁路長(zhǎng)度, S0為鐵芯初始磁導(dǎo)率, R i 為檢測(cè)單元

9、輸入阻抗。由此可見(jiàn), 降低磁性誤差一是應(yīng)選擇0值較高的鐵芯和合適的檢測(cè)繞組匝數(shù), 本傳感器選擇了0為6104的超微晶鐵芯, N D 為100500匝; 二是要有較大的檢測(cè)單元輸入阻抗。E D 和I 2可通過(guò)有源動(dòng)態(tài)平衡網(wǎng)絡(luò)控制在所需范圍內(nèi)。除此之外, 還需使用高導(dǎo)電、高導(dǎo)磁材料做屏蔽以消除電磁場(chǎng)的干擾?？捎贸⒕Ш辖鹱鞔牌帘尾牧?。6結(jié)論小電流傳感器在使用超微晶做鐵芯, 采取有源電子電路網(wǎng)絡(luò)與副邊繞組直接相連, 構(gòu)成自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整回路后, 可使小電流傳感器的測(cè)量精度有較大幅度的提高, 同時(shí)保持高穩(wěn)定度。參考文獻(xiàn):1顧惠芬. 鉗形電流互感器的誤差分析與補(bǔ)償J.儀表技術(shù),2000, (5 :24-2

10、6.2王紅霞. 超微晶合金在測(cè)量用電流互感器鐵芯中的應(yīng)用J.變壓器,1999, (4 42-46. 3艾欣. 一種提高T A 準(zhǔn)確度的外部有源補(bǔ)償法J.中國(guó)電力,1999, (6 :16-17.4邸春程. 高精度弱電流互感器的研制J.電測(cè)儀表,1999, (6 :12-14.5G eoffrey E Beard ,S ingle 2S tage Am plifier 2Aided Current T rans 2formers P ossessing Small Ratio Errors at 60H z M .IEEE T rans ,1979,I M 228(2 :1412146.(下轉(zhuǎn)第

11、37頁(yè)33包軍, 等基于零磁通原理的高精度小電流傳感器的研究 期變化的量, 即可補(bǔ)償周期的變化。實(shí)施方法:(1 閾值用撥盤(pán)輸入兩位, (2 檢測(cè)三角波周期, 或正脈沖序列周期, 還可以檢測(cè)負(fù)脈沖序列周期。通過(guò)變基準(zhǔn)可以防止三角波上升周期與下降周期變化對(duì)t 的影響, 通過(guò)變閾值可以防止三角波周期緩慢變化對(duì)裝置報(bào)警的影響。程序框圖圖6所示。5運(yùn)行評(píng)估磁調(diào)制式直流系統(tǒng)絕緣在線檢測(cè)裝置, 在不對(duì)檢測(cè)元件提出特別要求的前提下, 即可提高一倍的靈敏度。由于在本裝置中采用了固定偏差設(shè)計(jì), 在檢測(cè)結(jié)果中干擾與噪聲將被固定偏差一道剔除, 從而大大提高了裝置的抗干擾能力。該裝置在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí), 是把直流系統(tǒng)上的各條

12、支路穿過(guò)傳感器孔, 傳感器通過(guò)通訊電纜連接到主機(jī)上。主機(jī)全天候在線監(jiān)測(cè)巡檢直流系統(tǒng)上的各條支路運(yùn)行狀況, 支路出現(xiàn)故障, , , , 所以不對(duì)直流系統(tǒng)造成影響, 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況良好。參考文獻(xiàn):1李繼凡, 羅過(guò)瑜, 陶時(shí)澎, 等. 精密電氣測(cè)量M.北京:計(jì)量出版社,1984.2崔實(shí), 張連斌. 變頻在線直流檢測(cè)系統(tǒng)裝置研究J.華北電力技術(shù),1997, (9 :25-28.3曾維魯, 向小民. 可控非對(duì)稱式直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)J.華北電力技術(shù),1998, (8 :55-54.4張德龍, 趙志英, 涂時(shí)亮. 單片微機(jī)原理的應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)M.上海復(fù)旦大學(xué)出版社,1993.收稿日期:2002207211作者簡(jiǎn)

13、介:崔實(shí)(1952- , 男, 教授級(jí)高工, 從事電力電子技術(shù)及其;-, ;(- , , 工程師, 云峰發(fā)電廠生技處長(zhǎng), 從。The design and applicatiooon of DC system insulation monitoring apparatusC UI Shi 1, NIE H ong 2zhan 1, QI De 2yin 2, W U Man2(1. N ortheast E lectric P ower Engineering Institute ,Jilin 132012,China2.Jilin Y un feng P ower Plant , Jilin

14、 134200, China Abstract :The paper presents the DC transducer by magnetic m odulation. By this theory , a DC in system sulation m onitor is developned which is independent to DC system. The DC transducer is sim ple in structure but has high discriminability. With strong antidisturbance for fixed dev

15、iation design , it s suitable to be applied in power plant and substation. K ey w ords :magnetic m odulation ; DC system ; fixed deviation(上接第33頁(yè)6張臻. 電流互感器有源電子補(bǔ)償裝置的研制J.山西電力技術(shù),1998, (1 :24-27收稿日期:2002-05-15作者簡(jiǎn)介:包軍(1968- , 男, 工學(xué)碩士, 講師, 主要從事變電運(yùn)行及電力設(shè)備在線檢測(cè)的教學(xué)與研究工作。The study on high accuracy little current sensor based on zero 2fluxBAO Jun ,TI AN Jian-hua ,ZH ANG X iu-ge(Zhengzhou E lectric P ower C ollege ,Zhengzhou 450004,China Ab astract :The principle of zero 2flux current trans former is analyzed