CN112034231B - 基于频变积分电阻的高频电流传感器 - Google Patents

基于频变积分电阻的高频电流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于频变积分电阻的高频电流传感器。该传感器由线圈、积分电阻和频变积分电阻组成。频变积分电阻连接在线圈两端。频变积分电阻随频率的非线性变化给传感器带来了显著的随频率非线性，使得传感器具有非常好的抗干扰能力，特别是能够抵抗工频电流导致的磁饱和。

Description

基于频变积分电阻的高频电流传感器
技术领域
本发明属于电流信号测量领域，具体是指一种随频率非线性特征非常显著、抗干扰能力强的线圈型高频电流传感器。
背景技术
在一些应用场景下，线圈型电流传感器被用来检测导体上的电流信号，而导体上存在非常强大的干扰电流。例如，利用频响法检测带电运行的大型电力变压器绕组变形情况时，需要利用线圈型电流传感器检测电力变压器高压引出线上的1kHz～10MHz的微弱扫频电流信号，而此时高压引出线上存在几百甚至上千安培的工频电流。这个工频电流不但会使电流传感器的输出信号中的有用信号淹没在幅值巨大的工频干扰之中，而且会使电流传感器的磁芯产生磁饱和，失去检测扫频电流信号的能力。
常规设计的线圈型电流传感器，由线圈和积分阻抗组成。线圈往往带有磁芯和金属屏蔽外壳。其金属屏蔽外壳能够屏蔽外来的电磁干扰，但是屏蔽不了被测导体上的干扰电流。积分阻抗通常有两种，第一种积分阻抗是由电阻和电容并联而成，与线圈的电感形成谐振，所构造出的电流传感器是一种窄带传感器，它的测量频带就是上述电容和电感的谐振频率；第二种积分阻抗就是一个电阻，所构造出的电流传感器是一种宽带传感器，常用来测量高频电流信号。
由积分电阻和线圈组成的高频电流互感器，其结构如图1所示，等效电路如图2所示，其中L为线圈的自感；R为积分电阻；M为互感；i1(t)为被测电流；i2(t)为线圈中的电流；u1(t)为感应电势；u2(t)为传感器输出电压。等效电路的电路方程如下：
Figure GDA0003811394760000011
传感器的传递函数H(S)为：
Figure GDA0003811394760000012
其中U2(S)为u2(t)的拉普拉斯变换，I1(S)为i1(t)的拉普拉斯变换
在正弦稳态信号下，有：
Figure GDA0003811394760000021
其中ω＝2πf，f为正弦电流的频率，U2为u2(t)的幅值，I1为i1(t)的幅值。
因此，电流传感器的幅频特性为：
Figure GDA0003811394760000022
进而，该电流传感器的测量频带的下限频率为：
Figure GDA0003811394760000023
可见，当被测电流的频率远低于传感器的低频截止频率时，传感器的幅频特性简化为：
|H(jω)|＝ωM (1-6)
此时，传感器的输出信号幅值与信号的频率成正比，是一个线性关系。
具体而言，对于测量频带下限为1kHz的电流传感器，fl＝1kHz，则R＝6280L。假设被测高频电流i1的频率是1kHz，则传感器对i1的输出电压u2i＝4441Mi1。当被测导体上存在50Hz干扰电流ir时，如果磁芯不饱和，则传感器对ir的输出电压u2r＝314Mir。因此，对于幅值仅有几个毫安的高频电流i1而言，幅值达到上百安培的工频干扰电流ir所产生的传感器输出干扰u2r比u2i大上万倍。此外，对于50Hz电流ir，L的感抗ωL＝314L，远小于R，则i2r在磁芯中的磁势远小于ir在磁芯中的磁势，两者不能完全抵消，导致磁芯中的磁场强度很大，磁芯发生深度饱和，进而在饱和区完全失去测量i1的能力。
发明内容
本发明提供了一种基于频变积分电阻的高频电流传感器，其特征在于，该传感器由线圈[1]、电阻[2]和频变电阻[3]组成；其中电阻[2]与频变电阻[3]并联而成线圈[1]的积分电阻，连接在线圈[1]的两端；频变电阻[3]是一段具有导磁性和导电性的金属丝；根据传感器对积分电阻的阻值的需要，利用现有电阻计算公式确定该金属丝的直径、长度、相对磁导率和电导率。
根据本发明提供的积分电阻R，由常规电阻R1和频变电阻R2(ω)并联而成。积分阻抗R的阻值不再是恒定不变常数，而是随频率发生非线性变化。在低频段，电阻R2(ω)很小，使得积分电阻R很小，线圈的两端近似于短路，从而在上百安培的工频电流ir下，线圈中的电流i2r幅值也很大，u2r较小，从而对有用信号u2i的干扰有极大降低。i2r的磁势与ir的磁势相抵消，使得磁芯不会饱和；在高频段，频变电阻R2(ω)很大，使得线圈的两端的积分电阻R近似于常规电阻R1，从而使得传感器在测量频带内的检测性能不受频变电阻R2(ω)的影响。
附图说明
图1为线圈型电流传感器的结构示意图。
图2为线圈型电流传感器等效电路。
图3为本发明所提出的基于频变积分电阻的高频电流传感器结构示意图。
图4为本发明所提出的基于频变积分电阻的高频电流传感器等效电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图3，一个基于频变积分电阻的高频电流传感器，由线圈[1]、电阻[2]和频变电阻[3]组成；电阻[2]与频变电阻[3]并联。
线圈[1]的磁芯整体为环形，截面为正方形，材料为具有良好导磁性能的铁基非晶体，其内直径为400mm，外直径为440mm，高为25mm，相对磁导率2000；线圈[1]由铜漆包线绕制而成。铜漆包线的直径为0.5mm，均匀地缠绕在磁芯上，绕制150匝，形成线圈[1]。则，该线圈的电感L等于0.021H。对于现有的线圈型电流传感器而言，当积分电阻仅仅选用普通的13Ω电阻(即，R1＝13Ω)时，其传递函数为：
Figure GDA0003811394760000031
根据上式，该传感器的低频截止频率fl为98.6Hz。对于50kHz、10mA的被测高频电流信号，该传感器的输出电压信号u2等于0.87mv；对于50Hz、100A的工频干扰电流，该传感器的输出电压u2r等于3.92v，是u2的4505.7倍。进而，该磁芯的饱和磁感应强度大约为0.6T，则当工频电流达到471A时，线圈的磁芯出现饱和，被测信号u2不再稳定，随时间(或者磁芯的饱和程度)而变化。
根据本发明，利用铁镍合金(设其电导率为γ，磁导率为μ，半径为r，长度为D)丝线制作一个频变电阻R2，则由于集肤效应(即，电磁场在导体中的投入深度随电磁场的频率而变化)，这段铁镍合金的电阻R2可由下列公式计算：
Figure GDA0003811394760000041
令R2在50Hz时等于1Ω，则R2在50kHz时等于31.6Ω。
将这段铁镍合金电阻丝R2与常规的13Ω电阻R1并联，则对于50kHz、10mA的被测高频电流信号，R1与R2的并联电阻R等于9.2Ω，该传感器的输出电压信号u2等于0.62mv；对于50Hz、100A的工频干扰电流，R1与R2的并联电阻R等于0.93Ω,该传感器的输出电压u2r等于0.28V，是u2的451.6倍。进而，线圈的磁芯出现饱和时的工频电流达到1515A。可见，引入适当的频变电阻R2之后，该线圈型电流传感器的工频干扰被压缩近10倍(4505.7/451.6≈10)，工频饱和电流提高3.2倍(1515/471＝3.2)，该电流传感器的性能得到显著提升。

Claims (1)

1.一种基于频变积分电阻的高频电流传感器，其特征在于，该传感器由线圈[1]、电阻[2]和频变电阻[3]组成；其中电阻[2]与频变电阻[3]并联而成线圈[1]的积分电阻，连接在线圈[1]的两端；频变电阻[3]是一段具有导磁性和导电性的金属丝，频变电阻[3]的电阻值R2(ω)由下列公式计算：
Figure FDA0003811394750000011
式中γ为金属丝的电导率，μ为磁导率，r为半径，D为长度；电阻[2]与频变电阻[3]并联后的积分电阻的阻值为R，在正弦稳态信号下，传感器的传递函数H(jω)为
Figure FDA0003811394750000012
。
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