大電流測量方案對比

大電流檢測在工業(yè)、電力電子、航空、軍工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，下表為電流檢測方案的信息匯總及其特點(diǎn)。

表1

一、分流器原理：

將已知的純電阻放在被測電流的電路里，回路中的電流可以通過測量電阻上的電壓來求得，分流器利用了歐姆定理進(jìn)行測量。實(shí)際應(yīng)用中分流器的電阻數(shù)值在毫歐或微歐級別，目前常規(guī)的分流器規(guī)格有100A/75mV、500A/75mV、1000A/75mV等。

分流器存在較小的電感其等效電路如圖1，正弦電流通過分流器時(shí)，分流器兩側(cè)上的電壓為。要使分流器測量精度高并且響應(yīng)速度快，要降低被測電流的頻率和幅度，否則當(dāng)頻率和幅度變高，會使分流器的發(fā)熱量大幅度增加，嚴(yán)重影響分流器的測量精度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量減少分流器的自感，并對外界磁場有較好的屏蔽能力，而且具有一定的動態(tài)穩(wěn)定性能。

圖1 分流器等效電路

為了減少電磁力和熱應(yīng)力對分流器測量結(jié)果的影響程度，科學(xué)家們對分流器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和改進(jìn)。但由于分流器自身的缺陷，有很多問題是無法利用補(bǔ)償和設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)的，例如發(fā)熱和頻率特性等問題。

二、直流互感器原理：

1936年德國的克萊麥爾教授第一個(gè)研制成功直流電流互感器，通過測量原邊電流對帶有鐵芯線圈的感抗的改變來測量直流電流的大小，這和交流互感器的原理是不同的。結(jié)構(gòu)如圖2。

直流電流互感器的副邊和原邊電流也有可能滿足公式（2.1），即在不計(jì)鐵芯損耗、不計(jì)副邊組的內(nèi)阻及鐵芯均勻磁化的情況下。但是直流電流互感器的測量結(jié)果很容易受到外界磁場的影響從而產(chǎn)生很大的誤差，比如當(dāng)測量電流的激磁電流小于直流互感器時(shí)，不論是哪一種軟磁材料的磁化特性曲線都不是完美的，都是存在著缺陷的。

圖2 直流互感器原理

三、零磁通直流互感器

圖3零磁通直流互感器

圖3的左邊，由一次繞組W1、二次繞組W2、W4，鐵芯T1、T2，二極管D1、D2，電阻R1、R2共同組成一個(gè)并聯(lián)的直流電流互感器，被測電流I1流過繞組W1，二次繞組W2、W4和電阻R1、R2，之間接有輔助交流電源e1；圖3右邊，由一次繞組W5、二次繞組W6、W7，鐵芯T4、T5，二極管D3、D4、D5、D6共同組成第二個(gè)并聯(lián)的直流電流互感器，二次繞組W6、W7和二極管D4、D5之間接有輔助交流電源e2。

在被測電流I1和輔助交流電源e1的共同作用下，在電阻R1、R2兩端會輸出一個(gè)和I1正比例的直流電壓，這個(gè)電壓被送到第二個(gè)互感器的一次繞組W5，并產(chǎn)了一個(gè)電流，該電流在輔助交流電源e2的共同作用下使得第二個(gè)互感器的電阻R4兩端會輸出一個(gè)直流電壓，這個(gè)直流電壓被送到第一個(gè)互感器的補(bǔ)償繞組W2，產(chǎn)生和被測電流相反的磁通勢，使第一個(gè)互感器的鐵芯T1、T2趨向于零。這時(shí)，補(bǔ)償繞組W2中的電流與被測電流成正比，測量補(bǔ)償繞組W2中的電流根據(jù)匝數(shù)比就可以計(jì)算出被測電流的大小。

為了改善性能，圖中增加了磁屏蔽層T3，和W8、R3、C共同組成的消振回路。這種互感器除二極管之外沒有其它電子元件，完全是電磁結(jié)構(gòu)，因此故障率低工作可靠，其中的補(bǔ)償措施提高了它的測量精度。用這種方法制作的的直流電流互感器在額定電流范圍20%~100%內(nèi)，最大誤差為0.2%。

目前國內(nèi)直流輸電工程用直流電流互感器絕大多數(shù)都被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷，如ABB、西門子、ＨＩＴＥＣ公司及Ｒｅｉｔｚ等公司，國內(nèi)對零磁通式直流電流互感器的研究較少，國內(nèi)尚無有形成規(guī)模的零磁通式直流電流互感器廠家。

四、直流磁性比較儀

直流電流比較儀的原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，在圖中A為高磁導(dǎo)率材料的鐵芯，W1和W2為比例繞組，I1和I2分別由兩個(gè)獨(dú)立電源提供給W1和W2的直流電流。因?yàn)棣?=I1W1/Rm、φ2=I1W1/Rm，所以當(dāng)I1W1=I2W2時(shí)，即鐵芯內(nèi)合成磁通為0，此時(shí)有I1/I2=W2/W1。

圖4 直流磁性比較儀器

這里的問題是，如何知道磁通勢互相平衡了？也就是怎樣才能測量到鐵芯內(nèi)的磁通等于零？這個(gè)問題對于交流比較儀而言，比較簡單，因?yàn)榻蛔兊碾娏骺僧a(chǎn)生交變的磁通，這個(gè)交變的磁通是極其容易從檢測繞組中測出的，然而對于直流比較儀而言，就不是這么簡單了。因?yàn)樽饔糜阼F芯上的磁勢不平衡時(shí)，其鐵芯內(nèi)部必然相應(yīng)存在一個(gè)恒定磁通，這個(gè)恒定磁通在檢測繞組上不能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當(dāng)然在閉合鐵磁開一個(gè)小小的縫隙，縫隙中放入霍爾元件就可以測量出鐵芯內(nèi)部的恒定磁通，并由此設(shè)計(jì)出自動調(diào)節(jié)平衡電流的直流比較儀，也就是我們知道的霍爾閉環(huán)電流傳感器。

圖5 霍爾閉環(huán)電流傳感器

目前國內(nèi)霍爾閉環(huán)傳感器廠家眾多，除LEM外還有寧波中車時(shí)代、中旭、托肯等廠家，由于該霍爾電流傳感器在測量2000A以上電流時(shí)電流消耗大，且存在穿心孔內(nèi)輸出差異大，目前2000A以上很少在客戶端大規(guī)模使用。

五、羅氏線圈

俄國科學(xué)家Rogowski在1912年發(fā)明了羅氏線圈（空芯線圈）。羅氏線圈的制作方法就是將漆包線均勻出纏繞在環(huán)形的塑料或者陶瓷之類的非鐵磁材料的骨架上，如圖6。根據(jù)安培定律，當(dāng)載流導(dǎo)線穿過線圈中心時(shí)羅氏線圈兩端會產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動勢，其大小與被測電流對時(shí)間的微分成線性關(guān)系。

e(t)=M·di/dt

其中，M=Nhμ0/2π·ln·a/b,u0為真空磁導(dǎo)率，大小為4π×10-7H/m，N為繞組匝數(shù)，h表示線圈骨架高度，a為骨架外徑，b為骨架內(nèi)徑，h、a、b單位為m。

由于交流互感器的輸出是電流信號，輸出回路不能斷開，羅氏線圈的輸出是電壓信號，輸出回路一般處于打開狀態(tài)，雖然羅氏線圈和交流互感器都只能測量交流電流，羅氏線圈的結(jié)構(gòu)中沒有鐵芯，磁感應(yīng)的強(qiáng)度大于被測電流，羅氏線圈不會出現(xiàn)磁飽和的現(xiàn)象。

圖6羅氏線圈結(jié)構(gòu)原理

六、光纖電流傳感器

當(dāng)線偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長度d的乘積成正比，即ψ=VBd，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。上述現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)。

根據(jù)安培環(huán)路定律，電流產(chǎn)生的磁場磁場強(qiáng)度H沿任意閉合曲線的積分等于閉合曲線所包圍的所有電流的代數(shù)和，

，光纖電流傳感器就是基于安培環(huán)路定律與法拉第磁光效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

光纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成，如圖8所示，傳感頭包含載流導(dǎo)體，繞于載流導(dǎo)體上的傳感光纖，以及起偏鏡、檢偏鏡等光學(xué)部件。電子回路則有光源、受光元件、信號處理電路等。和磁電式電流檢測相比，光纖電流傳感器具有絕緣性能好、測量準(zhǔn)確度高（不存在磁飽和、直流偏磁與鐵磁諧振等問題）、抗干擾能力強(qiáng)（光纖傳輸具有好的電磁抗干擾能力）、安全性高（傳統(tǒng)的磁電式在次邊開路時(shí)容易形成高壓，有易燃易爆的危險(xiǎn)，而光纖電流傳感器就沒有這個(gè)問題）、體積?。妷旱燃墸常矗担耄值某溆褪诫姶攀诫娏骰ジ衅髡w高度達(dá)６．１ｍ，重量超過７噸，與此同時(shí)，美國西屋公司生產(chǎn)的同等電壓等級的磁光式光纖電流互感器高度僅有２．７ｍ，重量不超過１００ｋｇ）等優(yōu)點(diǎn)，但由于其造價(jià)昂貴，目前在工業(yè)領(lǐng)域還未大規(guī)模進(jìn)行使用。

原文標(biāo)題：大電流測量方案對比

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