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电流传感器的技术演进


       根据被测电流所建立磁场为基础,通过一定的手段测量其磁密、磁通或磁势等方法来测量电流,是传统磁通门电流传感器的技术起步阶段,而自激振荡磁通门技术的出现为直流测量的发展筑起了更高的台阶。


       对直流电流的测量方法就其工作原理而言主要分为两大类。一类是根据被测电流在已知电阻上的电压降来确定被测直流大电流的大小,如分流器;另一类是根据被测电流所建立磁场为基础,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其磁密、磁通或磁势等方法来测量电流。


       磁场测量的理论基础是磁调制器技术,磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下,其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”,通过这道“门”,相应的磁通量即被调制,并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场,从而间接的达到测量电流的目的,这正是许多研究人员将这类传感器称为磁通门电流传感器的原因。


一、传统磁通门电流传感器的技术演进

1.  国外对磁调制器的理论研究始于20世纪30年代,其中具有代表性的有:

       1951年,英国曼彻斯特大学(The University of Manchester)F. C. Williams 和英国电信研究所(Telecommunications Research Establishment)S. W. Noble 对二次谐波磁调制器的理论模型进行了深入研究,他们应用图解法基于磁化曲线的分段线性函数模型推导了三角波恒流源激励的双磁芯磁调制器的输出电压方程,深入分析了磁调制器的失调和噪声来源,并在简化假设条件下建立了巴克豪森噪声的频谱表达式;


       1959年,美国雪城大学(Syracuse University)E.  J. Kletsky同样应用图解法基于磁化曲线的分段线性近似模型推导了正弦波恒流源激励的双铁芯磁调制器的输出电压方程式,并通过理论分析和实验建立了二次谐波磁调制器的优化设计原则。


2.  国内对磁调制器的理论研究则推迟到了20世纪70年代

       1978年,中国计量科学研究院郭来祥对磁调制器技术进行了系统研究,他应用图解法分别推导了方波恒压源、正弦波恒流源、三角波恒流源、梯形波恒流源和脉冲波恒流源激励下二次谐波磁调制器的灵敏度公式,并分析了灵敏度的影响因素及提高措施,同时以正弦波恒流源激励为例应用解析法推导了二次谐波磁调制器的理论输出公式,此外还对磁调制器的传输特性进行了理论分析。


       2005年,华中科技大学李前等基于MATLAB建立了正弦波电压源激磁的双铁芯磁调制器仿真模型,为快速研究各个参数对磁调制器的性能影响提供了便利。


       2008年,海军工程大学张民等建立了正弦波电压源激励下的二次谐波磁调制器灵敏度公式,分析了灵敏度的主要影响因素,指出提高灵敏度的主要措施是选用高磁导率、低饱和磁感应强度的矩磁性材料制作激磁磁芯。至此,有关磁调制器的理论研究趋于完善。


       3.  实际应用中,国内推动磁通门法发展的主要研究单位有华北电力科学研究院、中国科学院、华中科技大学和中国计量科学研究院。


       1978年,华北电力科学研究院--彭时雄--研制出国内的第一台40kA多比例交流电流比较仪,比例精度优于10−6量级,填补了国内空白。

      

       1982 年,中国科学院电工研究所---刘廷文等--将二次谐波磁调制器技术和传统交流电流互感器技术相结合研制出5000:1 的零磁通直流电流互感器,满量程±5k A内的直流比例精度达到3×10−6。

 

       2013 年,华中科技大学任士焱课题组建立了60kA强直流计量标准装置,相对比例精度达到5×10−6。


       2013年,中国计量科学研究院--邵海明课题组--建立了国家5kA直流大电流计量标准,提出了抑制大电流母线漏磁干扰的“分布式均匀化空间磁势法”,推导了带气隙磁屏蔽效能的理论计算公式,提出了在额定磁势下高准确度自校准的“串并联法”,最终建立的比例标准在10A:1A~5k A:5A 范围内的相对比例精度达到2×10−8~5×10−7,邵海明课题组也因此获得2013年国家科学技术进步二等奖。


二、自激振荡磁通门电流传感器的技术演进

       近年来我国在直流大电流的计量校准、量值传递与溯源方面取得了巨大成就,对传统磁通门技术及应用掌握的已经非常成熟,很难再有所突破。因此,直流测量技术必须寻找新的突破口,而自激振荡磁通门技术的出现为直流测量技术提供了一个契机


1.  国外自激振荡磁通门技术的发展

       1991年,加拿大阿尔伯塔大学(University of Alberta)I. M. Filanovsky和前苏联科学家V. A. Piskarev提出一种由非线性互感器和运算放大器构成RL多谐振荡器测量直流电流的新方法,这标志着基于自激振荡磁通门技术测量直流电流的开始。


       2007年,贝尔格莱德大学M. M. Ponjavic 和R. M. Duric 基于磁化曲线的反正切函数模型再次对I. M. Filanovsky 和V. A. Piskarev 提出的测量方法进行了数学证明,并在近似条件下建立了激磁电流平均值与被测电流之间的简化线性方程,通过降低激磁电流采样电阻将测量范围提高到250A。但是,受滤波解调方式限制,满量程内的线性度仅达到1.2%。


       2009年,日本东京大学(The University of okyo)和瑞士LEM公司在当年的电机与系统国际会议(International Conference on Electrical Machines and Systems)上报道了基于开环自激振荡磁通门技术研制的用于车载蓄电池电流监测的商用电流传感器,同时提出通过检测自激振荡磁通门饱和区的自激振荡频率扩展测量范围的方法,但测量精度无法保证。


       2011年,西班牙加泰罗尼亚技术大学(Technical University of Catalonia)G. Velasco-Quesada等和西班牙Premo公司F. Jeréz合作将开环自激振荡磁通门技术与传统交流电流互感器技术相结合,研制出类似传统磁通门电流传感器的三磁芯三绕组闭环自激振荡磁通门电流传感器,将测量范围提高到700A。但是,其满量程内的测量精度仅0.2%。


2. 国内对自激振荡磁通门技术的研究

       2009年,西门子(中国)有限公司--Xu Zeliang等--基于开环自激振荡磁通门技术研制出B型剩余电流检测器,其中滤波解调电路采用了2阶有源低通滤波器,其输出信号经单片机片上 A/D转换为数字量再由单片机进行处理。


       2014年,河北工业大学-武一等--基于磁化曲线的分段线性函数模型,推导了考虑磁芯磁滞效应情况下自激振荡磁通门激磁电流平均值与被测电流之间的关系方程,指出通过合理选择磁芯饱和电流值可以得到与不考虑磁滞效应时相同的关系方程。


       2014年,河北工业大学--杨晓光等--对G. Velasco-Quesada 等提出的三磁芯三绕组闭环测量方案进行了改进,研制出两磁芯三绕组闭环自激振荡磁通门电流传感器。虽然该方案实现了低成本,但满量程

20A 内的测量精度仅为 0.7%。


       2015~2016 年,河北工业大学--杨晓光等又对该方案的磁芯和绕组结构进行了改进,但由于未解决上述限制测量精度的核心问题,最终导致优化版的传感器满量程25A内的测量精度最高仅为0.4%。


       2011~2016年,哈尔滨工业大学张钟华院士团队基于国家重大科学仪器设备开发专项—“宽量限超高精度电流测量仪”(项目编号:2011YQ090004),用5年时间探索基于自激振荡磁通门技术实现直流大电流测量的新方案,取得了很大的进展。其团队提出三磁芯四绕组方案,研制了600A精密电流传感器,其最高测量精度达到十万份之一以内,达到传统磁通门传感器技术精度。


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