專利名稱：一種電流傳感器的補償方法及零磁通微電流傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電工測量用的電流傳感器(互感器)，特別是一種在工業(yè)現(xiàn)場設備及電力系統(tǒng)等廣泛應用于精密測量的一種電流傳感器的補償方法及用該方法設計的零磁通微電流傳感器。
背景技術：
電流傳感器是一種用途廣泛的電工測量儀器，在工業(yè)現(xiàn)場設備、電力系統(tǒng)一次保護和控制回路中都裝有大量的電流傳感器。對電流傳感器的基本要求是有高的精確度、較平直的誤差曲線和良好的抗外界電磁干擾能力以及長時間的穩(wěn)定性。上述要求對于高精度微電流傳感器(mA級，μA級)顯得更為重要。眾所周知，電流傳感器是由一次線圈和二次線通過磁感應耦合實現(xiàn)能量傳遞，其誤差是由建立鐵芯中的磁通所需要的激磁電流造成的，提高精度就是要減小激磁電流的影響。如果沒有激磁電流，電流傳感器將工作在理想狀態(tài)，一次電流和二次電流相差180度，不存在角差和比差，一次二次之間是嚴格的匝比關系，這就是所謂的“零磁通”狀態(tài)。但是，真正的零磁通只是一個理想化的狀態(tài)，實際上，如果沒有激磁電流，鐵芯中就不會有磁通，也就無法建立一次和二次的能量傳遞關系。但通過正確選擇補償措施，可以將鐵芯中磁通降到極低程度，達到近似“零磁通”的狀態(tài)，這時電流傳感器有非常高的精度。補償措施的指導思想是提供一個與激磁電流的 大小、相位適當?shù)难a償電流 使I·0′=-I·0]]>可達到零磁通的理想效果。(參看圖5)但是上述補償電流 不能由原電流傳感器提供，需外部注入，靠外部電流源對輔助磁芯激磁來提供。中國專利95201568.4公開了一種補償結構設置了一個與主工作磁芯疊加的輔助磁芯，一次線圈和二次線圈繞制在二個疊加的磁芯上，在工作磁芯上繞制了一個補償線圈并在補償線圈的兩端間接有一個補償電阻，上述結構雖然提高了電流傳感器的測量精度，但其缺點是靜態(tài)補償，不能實時的跟蹤激磁電流的變化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種電流傳感器的補償方法及用該方法設計的零磁通微電流傳感器，它通過設置的檢測線圈，補償線圈以及電子調理電路采用零磁通平衡原理，準確實時地跟蹤激磁電流的變化，并對其進行補償，達到近似于零磁通的效果，從而準確測量待測交流微電流，并將其變換為直接可用的跟蹤電壓。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種電流傳感器的補償方法，其特征是實時檢測工作磁芯中的磁感應強度，并通過反饋電路輸出相位、大小合適的電流對磁芯中產生的激磁電流跟蹤補償。根據該方法設計的零磁通微電流傳感器，設有兩個互相疊合的環(huán)形工作磁芯和輔助磁芯，磁芯上繞制有一次、二次線圈和補償線圈，磁芯外設有屏蔽及保護盒，其特征是一次及二次線圈繞制在疊加磁芯上，二次線圈兩端間接有負載，設置一個繞制在工作磁芯上的檢測線圈及一個繞制在輔助磁芯上的補償線圈，補償線圈與檢測線圈的兩端中有一端接地，另一端之間連接一個包括有放大器、壓流變換器組成的電子調理電路，電子調理電路的輸入端電壓放大電路與檢測線圈連接，電子調理電路的輸出端壓流變換電路與補償線圈連接。電壓放大電路采用同相放大器，壓流變換電路采用恒流源電路。在放大電路與壓流變換電路之間還設有移相電路及濾波電路。磁芯設有多層屏蔽。所說的屏蔽層為三層，由里至外依次為坡莫合金、鐵、銅。
本發(fā)明的優(yōu)點及效果(1)傳感器可由傳感器頭和信號處理板兩部分組合，穿孔式非接觸測量，無插入損耗。
(2)精度高，有良好的抗電磁干擾能力，高可靠性、高穩(wěn)定性、低溫漂，工作環(huán)境溫度為-40℃至+85℃。
(3)輸入輸出高度隔離，輸出值與被測電流成線性比例，角差在±3’以內。


圖1是本發(fā)明的電原理結構圖；圖2是本發(fā)明的結構框圖；圖3、4分別是本發(fā)明采用的一種同相放大及恒流源電路；圖5、6分別是本發(fā)明補償原理示意圖及補償效果向量表示圖。
具體實施例方式
參看圖1，本發(fā)明在普通電流傳感器基礎上增設了一個與環(huán)形工作磁芯T1形狀、尺寸均可相同的輔助磁芯T2，兩者疊合后一次線圈N1及二次線圈N2繞制在疊合磁芯上，二次線圈N2的兩端間連有負載(如精密電阻R)作為二次電流通過后轉換為電壓信號后再放大輸出，檢測線圈N0繞制在工作磁芯T1上，補償線圈N3繞制在輔助磁芯T2上，N0與N3之間連接電子調理電路W。檢測繞組N0的作用是檢測T1中的磁密(磁感應強度)，為電子調理電路W提供反饋的電壓信號，在N0繞組中沒有電流，因此對T1列磁動勢平衡方程時將不出現(xiàn)I0N0項。電子電路輸出的補償電流I3通過N3產生勵磁磁動勢，產生與激磁電流I0相反的I0′去補償I0(圖5)，I0′相當于I3的二次電流，圖中“*”號表示同名端接法，感應電動勢向量 應在 反相180°位置， 作為反饋信號經放大和V/I轉換并正確移相，得到 如按同名端注入，則 作為激磁磁動勢在二次側感應的磁動勢 將恰好符合圖6中各向量的位置。 實際起到去磁磁動勢的作用，使T1近似零磁通狀態(tài)工作，上述過程形成閉環(huán)，電流傳感器可穩(wěn)定運行。
圖2給出了本發(fā)明補償過程的框圖，也給出了一種三層屏蔽的實施方式。由于用于電力系統(tǒng)在線檢測的電流傳感器處于強電磁場的環(huán)境中，同時又長期工作在戶外，易受溫度、濕度等大氣條件的影響，尤其是微電流傳感器的屏蔽與防護，一直是困擾其性能的難點。如何將微弱的模擬信號無失真的放大，在溫度變化、電磁干擾的環(huán)境下精確跟蹤一次電流，并且保證角差、比差達到要求。針對電力系統(tǒng)電磁干擾的特點(工頻為主，高頻范圍寬)，本發(fā)明采用了由外到內依次為銅、純鐵、坡莫合金，屏蔽效果比單層大得多。對于電屏蔽，實壁單層銅屏蔽在最薄的厚度下也大于100dB，可不用雙層屏蔽。但對于磁場干擾采用多層屏蔽才能獲得很好的效果。本發(fā)明采用了0.35mm厚的銅、純鐵、坡莫合金制作三層屏蔽，效果很好。對于安匝數(shù)較低、測量精度要求高的電流互感器，宜選用初始導磁率很高的磁芯，考慮到磁芯材料的溫度性能，本發(fā)明用超微晶材料做鐵芯，在-40℃～+85℃范圍內，傳感器都具有穩(wěn)定的性能，二次側輸出信號具有極小的漂移。圖1中的電子調理電路W必不可少的基本組成應包括電壓放大和壓流變換電路，中間也可設置移相及濾波電路，考慮到信號調理的要求和穩(wěn)定性，可采用二階貝賽爾線性相移濾波電路及有30Hz通帶的四階帶通濾波器。所有電路均應為公知電路，本申請對電路組成及其原理不再途述。圖3給出了一種同相放大器電路，當然也可采用反相輸入放大或差動輸入放大器等公知電路。圖中Rf為反饋電阻，由于檢測線圈N0感應的電壓信號E0要求放大器具有高的輸入阻抗，從而使N0線圈中無電流。若采用反相放大器，高的輸入阻抗及放大倍數(shù)要求反饋電阻Rf也增大，反饋電阻大，受溫度的影響也大，也會引入一定的噪聲。選用同相放大器具有較高的輸入阻抗，而且輸入輸出同相位對后續(xù)電路也有利。圖4給出了一種壓流轉換的恒流源電路，輸出電流不隨負載而變化，完全由控制電壓決定，相當于電壓控制電流源，調節(jié)Rs可以改變輸出電流大小，輸出電流最大不超過運放允許輸出電流，最小可到μA級。
由圖6可以看出，無補償時，由T1和T2的磁動勢平衡方程T1:I·1N1+I·2N2=I·01N1]]>T2:I·1N1+I·2N2=I·02N1]]> 分別是T1和T2的激磁電流。補償啟動后，平衡方程變?yōu)門1:I·1N1+I·2′N2=I·01′N1]]>T2:I·1N1+I·2′N2+I·3N3=I·02′N1]]> 可視為I·2′′=I·2+I·2′′]]>，其中 為 在二次側感應的附加電流，調節(jié) ，也即調整 的大小和相位，使I·2′N2=-I·1]]>N1，則每個磁芯的磁勢平衡方程變?yōu)門1:I·01′N1=0]]>T2:I·3N3=I·01′N1]]>此時T1的激磁電流為0，故磁通也為0，T1與繞組N1和N2將構成一個沒有誤差的電流傳感器，此時I·1/I·2′=-N2/N1]]>，為嚴格的匝比變化關系?？梢钥闯?，補償后 變?yōu)?原先的角差是 與 的夾角δ，補償后 與 處于同一直線，角差和比差為零。
權利要求
1.一種電流傳感器的補償方法，其特征是實時檢測工作磁芯中的磁感應強度，并通過反饋電路輸出相位、大小合適的電流對磁芯中產生的激磁電流跟蹤補償。
2.根據上述方法設計的零磁通微電流傳感器，設有兩個互相疊合的環(huán)形工作磁芯和輔助磁芯，磁芯上繞制有一次、二次線圈和補償線圈，磁芯外設有屏蔽及保護盒，其特征是一次及二次線圈繞制在疊加磁芯上，二次線圈兩端間接有負載，設置一個繞制在工作磁芯上的檢測線圈及一個繞制在輔助磁芯上的補償線圈，補償線圈與檢測線圈的兩端中有一端接地，另一端之間連接一個包括有放大器、壓流變換器組成的電子調理電路，電子調理電路的輸入端電壓放大電路與檢測線圈連接，電子調理電路的輸出端壓流變換電路與補償線圈連接。
3.根據權利要求2所述的零磁通微電流傳感器，其特征是所說電壓放大電路采用同相放大器，壓流變換電路采用恒流源電路。
4.根據權利要求2或3所述的零磁通微電流傳感器，其特征是在放大電路與壓流變換電路之間還設有移相電路及濾波電路。
5.根據權利要求2或3所述的零磁通微電流傳感器，其特征是磁芯設有多層屏蔽。
6.根據權利要求4所述的零磁通微電流傳感器，其特征是磁芯設有多層屏蔽。
7.根據權利要求5所述的零磁通微電流傳感器，其特征是所說的屏蔽層為三層，由里至外依次為坡莫合金、鐵、銅。
8.根據權利要求6所述的零磁通微電流傳感器，其特征是所說的屏蔽層為三層，由里至外依次為坡莫合金、鐵、銅。
全文摘要
一種電流傳感器的補償方法，其特征是實時檢測工作磁芯中的磁感應強度，并通過反饋電路輸出相位、大小合適的電流對磁芯中產生的激磁電流跟蹤補償。根據該方法設計的零磁通微電流傳感器，設有兩個互相疊合的環(huán)形工作磁芯和輔助磁芯，磁芯上繞制有一次、二次線圈和補償線圈，磁芯外設有屏蔽及保護盒，其特征是一次及二次線圈繞制在疊加磁芯上，二次線圈兩端間接有負載，設置一個繞制在工作磁芯上的檢測線圈及一個繞制在輔助磁芯上的補償線圈，補償線圈與檢測線圈的兩端中有一端接地，另一端之間連接一個包括有放大器、壓流變換器組成的電子調理電路，電子調理電路的輸入端電壓放大電路與檢測線圈連接，電子調理電路的輸出端壓流變換電路與補償線圈連接。磁芯設有三層屏蔽，由里至外依次為坡莫合金、鐵、銅。
文檔編號H01F38/28GK1417814SQ0214857
公開日2003年5月14日 申請日期2002年12月18日 優(yōu)先權日2002年12月18日
發(fā)明者徐大可, 曹俊嶺, 王軍鋒, 黃建華 申請人:國電南京自動化股份有限公司