CN106443125A - 一种基于双导线磁场对消的零磁通大电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双导线磁场对消的零磁通大电流检测方法，该方法首先将被测电流的导线分成结构一致，粗细有差别的两束导线，使得两束导线上的电流方向一致，电流大小有差别，然后在两束导线上套上一个“8”字型磁环，每束导线通过一个磁环圆圈，磁环上饶有补偿线圈，且交汇处留有间隙，避免“8”字型磁环的两个圈各自形成闭环，利用两束导线形成的磁场在“8”字型磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，并用磁场传感器测出该留有的小部分磁通，反馈给电流控制器，调节补偿线圈中的电流，最终使得磁场传感器输出为0，于是补偿电流乘以一个系数，即可得到被测电流。这种方法可以大为减小电流传感器体积、重量和功耗，且准确度高、稳定性好。

Description

一种基于双导线磁场对消的零磁通大电流检测方法

技术领域：

本发明涉及电气工程、仪器科学与技术领域，涉及大电流检测领域，具体涉及一种基于双导线磁场对消的零磁通大电流检测方法。

背景技术：

大电流的测量方法主要分为两大类：一类是根据被测电流在一直电阻上的电压来确定被测电流大小，如分流器法；另一类是根据被测电流形成的磁场，将电流测量问题转换为磁场的测量问题，通过测量其磁通、磁感应强度或磁势，再经过转换来获取电流大小。前者由于其体积、误差、损耗、绝缘和测量范围等方面的不足，已难以满足现代测量的要求；后者从物理学角度来看，又分为磁共振法、霍尔效应法、电磁感应法、磁通门法、各向异性(AMR)、巨磁阻效应(GMR)法、磁光效应法等。此外，还有磁敏二极管法、短脉冲放电法等，这些方法由于设备造价太高、或者结构过于复杂等原因，实践中很少用到。

目前受到关注的方法主要有霍尔效应法、磁光效应法、罗氏线圈法、直流互感器法。其中，霍尔效应法有磁平衡式(闭环)和直放式(开环)两种。

磁光效应法的光导材料具有良好的电隔离和绝缘性能，抗电磁干扰特性好，但准确性较差，一般在0.5级以下，受振动干扰严重，稳定性较差。

罗氏线圈法是测量各种变化电流的常用手段。这种方法不存在磁饱和问题，也不存在动力和热力的稳定性问题，并几乎不受被测电流大小的限制，测量时也不需要断开被测电路。但这种方法受其本身材料的限制，线圈骨架和绕制的非均匀性将带来很大的测量误差，严重影响线圈的抗干扰能力，温度将使得线圈的骨架发生变化，从而引起互感和自感系数发生变化，影响测量结果准确性，输出信号较弱，受外界磁场干扰大。

霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，但由于霍尔元件是一种半导体，其温度稳定性和长期可靠性是阻碍霍尔电流传感器应用在高可靠性和高准确度等级要求的测量场合的主要原因之一。常规的开环式霍尔法的准确度等级只能达到1级，近年来，随着半导体技术的高度集成化，霍尔元件的线性度和稳定性大幅提高，但其稳定性要求依然存在诸多问题。闭环式霍尔法稳定可靠，准确度等级可以达到0.1级，甚至更高，但目前采用的平衡电路的驱动能力有限，制作大电流霍尔电流比较困难、且价格高，在大电流测量场合，存在体积大、重量重的缺点。

直流电流互感器利用被测直流改变带铁芯扼制线圈的感抗，间接改变辅助交流电路的电流，从而反映被测电流的大小。这种方法传感原理简单可靠，与基于变压器原理的交流电流互感器一样，其传感系数仅仅与原副边的匝数有关，长期可靠性和温度稳定性均有保障，是直流大电流检测的有效手段，但这种传感器体积大，比闭环式霍尔电流传感器体积还大，价格非常高，需外界电源支持。常规的直流互感器准确度等级在0.5级以下。采用补偿方法，其准确度等级可提高到0.01级，甚至更高，但也进一步增大了互感器的体积、重量。

各向异性(AMR)、巨磁阻效应(GMR)法灵敏度高，一般检测比较弱磁场，可采用闭环式电流补偿的方式来检测大电流。闭环式电流补偿由于稳态时磁环中磁通为0，因此也叫零磁通法。

磁光效应法通常采用光纤来说实现，光纤既做信号传输部件，也是传感部件，因此叫全光纤电流传感器，这种传感器由于光学器件暴露于户外，存在随机漂移及信号衰减等稳定性问题，且抗震性较差。同时，传感光纤需从国外进口，价格昂贵。因此，目前反射式全光纤直流电流互感器尚未大量投入使用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻、功耗小、准确度高、可靠性好的基于双导线磁场对消的零磁通大电流检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种基于双导线磁场对消的零磁通大电流检测方法，该方法首先将被测电流的导线分成结构一致，粗细有差别的两束导线，使得两束导线上的电流方向一致，电流大小有差别，然后在两束导线上套上一个“8”字型磁环，每束导线通过一个磁环圆圈，磁环上饶有补偿线圈，且交汇处留有间隙，利用两束导线形成的磁场在“8”字型磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，并用磁场传感器测出该留有的小部分磁通，反馈给电流控制器，调节补偿线圈中的电流，最终使得磁场传感器输出为0，于是补偿电流乘以一个系数，即可得到被测电流。

本发明进一步的改进在于，对于由多根细导线组成的导线，将其分成细导线数量接近的两组。

本发明进一步的改进在于，被测电流I是由补偿电流I′乘以一个系数c得到的，该系数通过测试一个标准电流I₀，读取补偿电流I₂，计算c＝I₀/I₂来获得，或者通过补偿导线的匝数N、被测导线的分配比r和导线总体值s，通过计算c＝Ns/r来获得。

本发明进一步的改进在于，“8”字型磁环的交汇处的间隙距离d由磁环的磁阻r_m、磁环直径D和检测准确度等级a要求决定，且d>D²μ₀r_m/a，μ₀为空气磁导率。

本发明进一步的改进在于，检测磁环中检测磁通的磁场传感器是霍尔传感器、巨磁电阻传感器、磁通门传感器或者各向异性传感器。

本发明具有如下的优点：

将被测电流的导线分成结构一致，粗细略有差别的两束，使得两束导线上的电流方向一致，大小略有差别。然后在两个束线上套上一个“8”字型磁环，每束导线通过一个磁环圆圈。磁环上饶有补偿线圈，且交汇处留有间隙，避免“8”字型磁环的两个圈各自形成闭环。利用两束导线形成的磁场在“8”字型磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，并用霍尔传感器测出该留有的小部分磁通，反馈给电流控制器，调节补偿线圈中的电流，最终使得霍尔传感器输出为0。于是，给定一个标准被测电流，测出补偿线圈中的电流，可获得两者之间的比例系数。在实际测量过程中，将补偿电流乘以该系数，即可得到被测电流。该方法可以大为减小电流传感器体积、重量和功耗，且准确度高、稳定性好。

附图说明：

图1常规闭环式霍尔电流检测方法示意图；

图2霍尔传感器调理电路；

图3补偿电流控制电路；

图4基于双导线磁场对消的闭环霍尔大电流检测方法示意图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

本发明一种基于双导线磁场对消的零磁通大电流检测方法，该方法首先将被测电流的导线分成结构一致，粗细有差别的两束导线，使得两束导线上的电流方向一致，电流大小有差别，然后在两束导线上套上一个“8”字型磁环，每束导线通过一个磁环圆圈，磁环上饶有补偿线圈，且交汇处留有间隙，避免“8”字型磁环的两个圈各自形成闭环，利用两束导线形成的磁场在“8”字型磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，并用磁场传感器测出该留有的小部分磁通，反馈给电流控制器，调节补偿线圈中的电流，最终使得磁场传感器输出为0，于是补偿电流乘以一个系数，即可得到被测电流。该方法可以大为减小电流传感器体积、重量和功耗，且准确度高、稳定性好。

将被测电流流经的导线一分为二，两根导线并行且各自穿过一个“8”字型的磁环的圆圈，对于由多根细导线组成的导线，可将其分成细导线数量接近的两组，例如，总计100根细导线，可分成数量分别为51和49的两组；而对于整体型铜牌等实心导线，可将其分成两根形状一样，但截面积略有差异的导线。

实施例

为便于说明，本实施例以霍尔传感器为例来说明本发明专利的实施方法。常规的闭环式霍尔法电流传感器(零磁通法的一种)结构如附图1所示。这种传感器由霍尔磁场传感器及其调理电路、补偿线圈、磁环、电流源组成。其中磁环套在被测导线上，且磁环上缠绕有补偿线圈，其匝数为N₂，磁环有一个缺口，中间装有霍尔磁场传感器。霍尔磁场传感器及其调理电路如附图2所示，它用来检测磁环中的磁场强度，当磁环中磁场达到磁平衡时，H₂＝I₂N₂＝-H₁，即H₂与H₁方向相反，大小相等，霍尔磁场传感器输出为0。补偿线圈与电流源相连，电流源输出的补偿电流受霍尔磁场传感器及其调理电路输出信号控制，其控制电路框图如附图3所示。当被测电流I₁很大时，为了对消其在磁环中形成的磁场H₁，要么增大电流I₂，要么增大磁环上绕的补偿线圈的匝数。对于前一种方案，电流控制回路所需电源容量大，电源体积大，成本高，对于后一种方案，电流传感器体积大，重量大，散热困难。因此，这种结构用于大电流的检测是不太现实的。

为了在减小体积和重量的同时，还能减小补偿电流，从而减小功耗，本发明专利将闭环式霍尔电流传感器结构改进为附图4所示的结构。这种闭环式电流霍尔检测方法将两根导线并行各自穿过一个“8”字型的磁环的圆圈。对于由多根细导线组成的导线，可将其分成细导线数量接近的两组，例如，总计100根细导线，可分成数量分别为51和49的两组。而对于铜牌等实心导线，可将其分成两根形状一样，但截面积略有差异的导线。于是，被测电流I₀就分成几乎均等，但不完全均等的两部分I₁和I′₁，由于I₁和I′₁近似相等，例如，上述100根细导线，由于两端电压相等，每根导线通过的电流均等，I′₁＝49I₁/51，，在“8”字型的磁环中形成的磁场H′₁与H₁方向相反，大小近似相等，且H′₁＝49H₁/51，因此磁环中最终的磁场等于H₁-H′₁＝2H₁/51＝0.02(H₁+H′₁)，其幅值只有总磁场的2％。于是，通过用霍尔传感器检测H₁-H′₁，并调节“8”字型的磁环中一侧缠绕的线圈中的补偿电流I′₂，即可使得霍尔传感器测得的电流为0。显然，由于磁环中的磁通小，稳态时磁通为0，因此，即使磁环的直径只有厘米级别，甚至更小，在检测时也不容易出现磁饱和。由于补偿前，磁环中的磁通只有0.02(H₁+H′₁)，因此，同采用常规的闭环式霍尔电流传感器相比，若补偿线圈匝数相同，均为N₂，这种结构的补偿电流I′₂只需要图1中I₂的2％即可，因此所需补偿电流大为减小。由于补偿线圈电阻为R时，其消耗的功率W＝I₂ ²R，因此，改进后的闭环式霍尔法电流传感器补偿线圈的功耗只有常规闭环式霍尔法电流传感器补偿线圈的1/2500；若只需将图4中补偿电流减小到图1中的20％，那么N₂可以减小到图1中的1/10，这可以大为减小电流传感器的体积。此外，如附图1所示的大电流检测方法，由于补偿电流大，功耗高，需要散热，否则，磁环的磁导率可能降低，而本专利所公开的方法因为功耗低，根本不需要考虑散热问题，因此体积进一步减小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种基于双导线磁场对消的零磁通大电流检测方法，其特征在于，该方法首先将被测电流的导线分成结构一致，粗细有差别的两束导线，使得两束导线上的电流方向一致，电流大小有差别，然后在两束导线上套上一个“8”字型磁环，每束导线通过一个磁环圆圈，磁环上饶有补偿线圈，且交汇处留有间隙，利用两束导线形成的磁场在“8”字型磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，并用磁场传感器测出该留有的小部分磁通，反馈给电流控制器，调节补偿线圈中的电流，最终使得磁场传感器输出为0，于是补偿电流乘以一个系数，即可得到被测电流。

2.根据权利要求1所述的一种基于双导线磁抵消的零磁通大电流检测方法，其特征在于，对于由多根细导线组成的导线，将其分成细导线数量接近的两组。

3.根据权利要求1所述的一种基于双导线磁抵消的零磁通大电流检测方法，其特征在于，被测电流I是由补偿电流I′乘以一个系数c得到的，该系数通过测试一个标准电流I₀，读取补偿电流I₂，计算c＝I₀/I₂来获得，或者通过补偿导线的匝数N、被测导线的分配比r和导线总体值s，通过计算c＝Ns/r来获得。

4.根据权利要求1所述的一种基于双导线磁抵消的零磁通大电流检测方法，其特征在于，“8”字型磁环的交汇处的间隙距离d由磁环的磁阻r_m、磁环直径D和检测准确度等级a要求决定，且d>D²μ₀r_m/a，μ₀为空气磁导率。

5.根据权利要求1所述的一种基于双导线磁抵消的零磁通大电流检测方法，其特征在于，检测磁环中检测磁通的磁场传感器是霍尔传感器、巨磁电阻传感器、磁通门传感器或者各向异性传感器。