CN112255583B

CN112255583B - 一种直流电流互感器误差补偿方法

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Publication number: CN112255583B
Application number: CN202011264881.XA
Authority: CN
Inventors: 叶刚进; 王骏海; 杨翾; 朱军; 商佳宜; 尹建兵; 江奕军; 赵天煜; 陆海波; 陈致远; 方响; 徐寅飞
Original assignee: State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; Hangzhou Power Equipment Manufacturing Co Ltd; Hangzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; Hangzhou Power Equipment Manufacturing Co Ltd; Hangzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2023-04-14
Anticipated expiration: 2040-11-13
Also published as: CN112255583A

Abstract

本发明公开了一种直流电流互感器误差补偿方法，直流电流互感器包括气隙磁芯及插入到气隙磁芯中的霍尔传感器，误差补偿方法包括：S1、计算忽略气隙磁芯的非线性特性时的直流电流，记为被测直流电流，计算忽略霍尔系数随温度变化的关系时的磁通量，记为被测磁通量；S2、计算考虑了气隙磁芯的非线性特性时的直流电流，记为实际直流电流，计算考虑了霍尔系数随温度变化的关系时的磁通量，记为实际磁通量；S3、基于被测直流电流和被测磁通量以及实际直流电流和实际磁通量，分别计算直流电流的误差和磁通量的误差；S4、通过微处理器对含有误差的被测直流电流和被测磁通量进行数字补偿。本发明提高了直流电流互感器的测量精度，使得测量的结果更加准确。

Description

一种直流电流互感器误差补偿方法

技术领域

本发明涉及电流互感器技术领域，具体涉及一种直流电流互感器误差补偿方法。

背景技术

由安培环路电路定律可知，磁场强度是产生电流的函数。如果可以检测到磁通量，那么也将检测到电流，通常使用磁芯来最大化磁通密度。因此，可将磁通量转换为电压信号的霍尔传感器被广泛用于直流电流互感器中。

为了将霍尔传感器插入到磁芯中，使用了气隙磁芯，得到了如图1所示的直流电流互感器。若忽略气隙磁芯的非线性特征，由安培环路定律可知，要想测得直流电流只需要测得磁通量。霍尔传感器是磁传感器的一种，利用半导体霍尔效应来检测磁通，图2显示了霍尔传感器的霍尔效应，霍尔传感器的厚度与磁芯的截面积是恒定的，若忽略霍尔系数随温度变化的关系，则霍尔传感器的电阻与注入的电流不变，因此霍尔电压与磁通之间是线性关系。

上述直流电流互感器现有的测量方法是通过测量霍尔电压得到磁通量进而得到被测直流电流的值。但是此方法忽略了气隙磁性的非线性特性以及霍尔系数随温度的变化，测量存在误差。

虽然气隙长度较短，但由于空气与磁铁的磁导率不同，因此被测电流与磁通量为非线性关系，现有测量方法忽略了这一点，导致测量所得的电流值存在误差，从而测量的精度较低。

霍尔传感器的霍尔系数会随着温度的变化而变化，因此霍尔电压与磁通量之间是非线性关系，现有方法忽略了这一点，导致测量所得的磁通量存在误差，从而测量的精度低。

上述两大误差相互叠加，导致直流电流互感器的测量结果误差大，本发明针对该缺点，设计了一种直流电流互感器的误差补偿方法，目的是提高直流电流互感器测量精度。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种直流电流互感器误差补偿方法。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种直流电流互感器误差补偿方法，所述直流电流互感器包括气隙磁芯以及插入到气隙磁芯中的霍尔传感器，所述误差补偿方法包括如下步骤：

S1、计算忽略气隙磁芯的非线性特性时的直流电流，记为被测直流电流，计算忽略霍尔系数随温度变化的关系时的磁通量，记为被测磁通量；

S2、计算考虑了气隙磁芯的非线性特性时的直流电流，记为实际直流电流，计算考虑了霍尔系数随温度变化的关系时的磁通量，记为实际磁通量；

S3、基于步骤S1得到的被测直流电流和被测磁通量以及步骤S2得到的实际直流电流和实际磁通量，分别计算直流电流的误差和磁通量的误差；

S4、基于步骤S3得到的直流电流的误差和磁通量的误差，通过微处理器对含有误差的被测直流电流和被测磁通量进行数字补偿。

进一步地，所述步骤S1中，计算忽略气隙磁芯的非线性特性时的被测直流电流，具体包括如下：

由安培环路定律，得到直流电流互感器的磁通量为：

（公式1）

上式中，为电流匝数，为磁芯总长度；

那么，直流电流互感器的被测直流电流的测量值为：

（公式2）。

进一步地，所述步骤S1中，计算忽略霍尔系数随温度变化的关系时的被测磁通量，具体包括如下：

霍尔传感器的霍尔电压为：

（公式3）

上式中，为基准温度下的霍尔系数，为霍尔传感器的厚度，为注入到霍尔传感器中的电流，为磁通密度，为几何因子；由于霍尔传感器的长度远远大于宽度，故设为1，因此，霍尔电压进一步表示如下：

（公式4）

上式中，为气隙磁芯的截面积；

则，被测磁通量的测量值为：

（公式5）。

进一步地，所述步骤S2中，计算考虑了气隙磁芯的非线性特性时的实际直流电流，具体包括如下：

磁芯的磁通密度表示为关于磁芯磁场强度的函数：

（公式6）

上式中，为磁芯磁场强度到磁芯磁通密度的映射关系；

则其反函数，即磁芯磁场强度表示为：

（公式7）

由于气隙极微小，忽略其边缘效应，使得磁芯的磁通密度与气隙的磁通密度相同，故实际直流电流表示为关于磁通量的函数：

（公式8）

上式中，为磁芯长度，为气隙长度，为真空磁导率，为磁通量的实际值，为磁通量到实际直流电流的映射关系。

进一步地，所述步骤S2中，考虑了霍尔系数随温度变化的关系时的实际磁通量，是直接通过实测得到。

进一步地，所述步骤S3中，计算直流电流的误差为：

（公式9）。

进一步地，所述步骤S3中，计算磁通量的误差为：

（公式10）

上式中，代表温度的基准值，即忽略温度影响确定的基准值，代表温度的实际值。

进一步地，所述步骤S2之后还包括步骤S2＇：基于步骤S1得到的被测直流电流和被测磁通量，得到被测的磁通量与电流之间的线性关系和被测的磁通量与霍尔电压的线性关系；基于步骤S2得到的实际直流电流和实际磁通量，得到实际的磁通量-电流曲线。

进一步地，所述步骤S4具体是：基于步骤S3得到的直流电流的误差和磁通量的误差，并通过将实际的磁通量-电流曲线和被测的磁通量与电流之间的线性关系，以及被测的磁通量与霍尔电压的线性关系和实测得到的实际的霍尔电压-温度特性曲线输入到微处理器中，对含有误差的被测直流电流和被测磁通量进行数字补偿。

进一步地，步骤S1和步骤S2的顺序可以互换，即，先获得被测直流电流和被测磁通量，或者先获得实际直流电流和实际磁通量，并没有先后顺序之分和影响。

本发明的有益效果是：

本发明分别解决了因忽略气隙磁芯的非线性特性导致的所测电流值存在误差，以及解决了因忽略霍尔系数随温度变化的关系导致的所测磁通量存在误差的技术问题，并通过误差补偿方法提高了直流电流互感器的测量精度，使得测量的结果更加准确。

附图说明

图1为直流电流互感器的结构示意图。

图2为霍尔传感器的霍尔效应示意图。

图3为所述的实际的磁通量-电流曲线和被测的磁通量与电流之间的线性关系曲线。

图4为所述的InSb霍尔传感器和GaAs霍尔传感器在恒压源和恒流源驱动下的霍尔电压-温度特性曲线图。

图5为所述的直流电流互感器误差补偿的原理图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

本发明的实施例公开了一种直流电流互感器误差补偿方法，所述直流电流互感器包括气隙磁芯以及插入到气隙磁芯中的霍尔传感器，直流电流互感器如图1所示，霍尔传感器如图2所示。

本实施例所述的直流电流互感器误差补偿方法，包括如下步骤：

步骤S1、计算忽略气隙磁芯的非线性特性时的直流电流，记为被测直流电流，计算忽略霍尔系数随温度变化的关系时的磁通量，记为被测磁通量。

首先，计算忽略气隙磁芯的非线性特性时的被测直流电流，如图1所示，具体包括如下：

在忽略气隙磁芯的非线性特性时，由安培环路定律，得到直流电流互感器的磁通量为：

（公式1）

上式中，为电流匝数，为磁芯总长度，该磁芯总长度是图1中所示的和相加之和。

因此，想要得到被测直流电流的测量值，只需测得磁通量；那么，根据公式1，直流电流互感器的被测直流电流的测量值为：

（公式2）。

其次，计算忽略霍尔系数随温度变化的关系时的被测磁通量，如图2所示，具体包括如下：

由于霍尔传感器是磁传感器的一种，故利用半导体霍尔效应来检测磁通量，霍尔传感器的霍尔电压为：

（公式3）

上式中，为基准温度下的霍尔系数，为霍尔传感器的厚度，为注入到霍尔传感器中的电流，为磁通密度，为几何因子；此外，为电子的速度，为霍尔传感器的长度，为霍尔传感器的宽度，为电场强度，为磁场强度；由于霍尔传感器的长度远远大于宽度，故通常设为1，因此，霍尔电压进一步表示如下：

（公式4）

上式中，为气隙磁芯的截面积，如图1所示；

则，被测磁通量的测量值为：

（公式5）。

由于霍尔传感器的厚度与磁芯的截面积是恒定的，若忽略霍尔系数随温度的变化关系，则霍尔传感器的电阻与注入到霍尔传感器中的电流不变，由公式4可知，霍尔电压与磁通量之间是线性关系。因此，直流电流互感器现有的测量方法是通过测量霍尔电压得到磁通量进而得到被测直流电流的值，但是该方法忽略了气隙磁芯的非线性特性以及霍尔系数随温度的变化，导致测量存在误差。

针对直流电流互感器现有的测量方法存在的量大误差，首先分析出误差产生的原理，然后提出误差的补偿方法。

步骤S2、计算考虑了气隙磁芯的非线性特性时的直流电流，记为实际直流电流，计算考虑了霍尔系数随温度变化的关系时的磁通量，记为实际磁通量。

首先，计算考虑了气隙磁芯的非线性特性时的实际直流电流，具体包括如下：

磁芯的磁通密度表示为关于磁芯磁场强度的函数：

（公式6）

上式中，为磁芯磁场强度到磁芯磁通密度的映射关系；

则其反函数，即磁芯磁场强度表示为：

（公式7）

（公式8）

上式中，为磁芯长度，为气隙长度，为真空磁导率，为磁通量的实际值，为磁通量到实际直流电流的映射关系，如图1所示。

其次，考虑了霍尔系数随温度变化的关系时的实际磁通量，是直接通过实测得到。

作为本实施例优选的，所述步骤S2之后还包括步骤S2＇，具体地，所述步骤S2＇包括：基于步骤S1得到的被测直流电流和被测磁通量，得到被测的磁通量与电流之间的线性关系和被测的磁通量与霍尔电压的线性关系；基于步骤S2得到的实际直流电流和实际磁通量，得到实际的磁通量-电流曲线。如图3所示，其中，实线表示实际的磁通量-电流曲线，虚线表示被测的磁通量与电流之间的线性关系曲线，对比可知，由于忽略了气隙磁芯的非线性特性，产生了测量误差。如图4所示，展示了InSb霍尔传感器和GaAs霍尔传感器两种霍尔传感器分别在恒压源和恒流源驱动下的霍尔电压-温度特性曲线，具体是：两条实线分别表示恒压源驱动下的InSb霍尔传感器的霍尔电压-温度特性曲线和恒流源驱动下的InSb霍尔传感器的霍尔电压-温度特性曲线，两条虚线分别表示恒压源驱动下的GaAs霍尔传感器的霍尔电压-温度特性曲线和恒流源驱动下的GaAs霍尔传感器的霍尔电压-温度特性曲线。通过图4中所示的曲线说明，首先，霍尔传感器的霍尔电压随温度的变化而变化；其次，即使是同一种霍尔传感器，但在不同的外加激励下（即恒压源或恒流源），其霍尔电压-温度特性曲线也不同；第三，即使在相同的激励条件下（均在恒压源驱动或均在恒流源驱动），不同的霍尔传感器其霍尔电压-温度特性曲线也不同。

步骤S3、基于步骤S1得到的被测直流电流和被测磁通量以及步骤S2得到的实际直流电流和实际磁通量，分别计算直流电流的误差和磁通量的误差。

首先，由于忽略气隙磁芯的非线性特性，得到的直流电流的误差为：

（公式9）。

其次，若考虑了霍尔系数与温度的关系，并且使用恒流源使得注入霍尔传感器的电流保持不变，那么所测得的磁通量的误差表示为：

（公式10）

步骤S4、基于步骤S3得到的直流电流的误差和磁通量的误差，通过微处理器对含有误差的被测直流电流和被测磁通量进行数字补偿。

具体是：基于步骤S3得到的直流电流的误差和磁通量的误差，并通过将实际的磁通量-电流曲线和被测的磁通量与电流之间的线性关系，以及被测的磁通量与霍尔电压的线性关系和实测得到的实际的霍尔电压-温度特性曲线输入到微处理器中，其中，被测的磁通量与电流之间的线性关系和被测的磁通量与霍尔电压之间的线性关系均是通过查表法查询数据的对应关系；如图5所示，除了将上述数据输入到微处理器中之外，还将温度传感器贴在霍尔传感器的表面以实时采集霍尔传感器的温度，所述温度传感器的输出端与微处理器的输入端连接，所述微处理器对含有误差的被测直流电流和被测磁通量进行数字补偿，具体是所述微处理器通过将查表法得到的被测直流电流和被测磁通量分别加上电流的误差补偿值和磁通量的误差补偿值，从而输出直流电流的实际值和磁通量的实际值。

此外，本实施例中，所述步骤S1和步骤S2的顺序可以互换，即，先获得被测直流电流和被测磁通量，或者先获得实际直流电流和实际磁通量，并没有先后顺序之分和影响。

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种直流电流互感器误差补偿方法，所述直流电流互感器包括气隙磁芯以及插入到气隙磁芯中的霍尔传感器，其特征在于，所述误差补偿方法包括如下步骤：

计算考虑了气隙磁芯的非线性特性时的实际直流电流，具体包括如下：

磁芯的磁通密度B_mag表示为关于磁芯磁场强度H_mag的函数：

B_mag＝f_B-H(H_mag) (公式6)

上式中，f_B-H为磁芯磁场强度到磁芯磁通密度的映射关系；

则其反函数，即磁芯磁场强度H_mag表示为：

由于气隙极微小，忽略其边缘效应，使得磁芯的磁通密度B_mag与气隙的磁通密度B_air相同，故实际直流电流表示为关于磁通量的函数：

上式中，l_mag为磁芯长度，l_air为气隙长度，μ₀为真空磁导率，φ为磁通量的实际值，f_I-φ为磁通量到实际直流电流的映射关系，N为电流匝数，A为气隙磁芯的截面积；

2.根据权利要求1所述的直流电流互感器误差补偿方法，其特征在于，所述步骤S1中，计算忽略气隙磁芯的非线性特性时的被测直流电流，具体包括如下：

由安培环路定律，得到直流电流互感器的磁通量φ_meas为：

上式中，N为电流匝数，L为磁芯总长度；

那么，直流电流互感器的被测直流电流的测量值I_meas为：

3.根据权利要求2所述的直流电流互感器误差补偿方法，其特征在于，所述步骤S1中，计算忽略霍尔系数随温度变化的关系时的被测磁通量，具体包括如下：

霍尔传感器的霍尔电压V_H为：

上式中，R_H(T₀)为基准温度下的霍尔系数，d为霍尔传感器的厚度，I_C为注入到霍尔传感器中的电流，B为磁通密度，f_H为几何因子；由于霍尔传感器的长度远远大于宽度，故f_H设为1，因此，霍尔电压V_H进一步表示如下：

上式中，A为气隙磁芯的截面积；

则，被测磁通量的测量值φ_meas为：

4.根据权利要求3所述的直流电流互感器误差补偿方法，其特征在于，所述步骤S2中，考虑了霍尔系数随温度变化的关系时的实际磁通量，是直接通过实测得到。

5.根据权利要求4所述的直流电流互感器误差补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算直流电流的误差I_error为：

6.根据权利要求4所述的直流电流互感器误差补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算磁通量的误差为：

上式中，T₀代表温度的基准值，即忽略温度影响确定的基准值，T代表温度的实际值。

7.根据权利要求1-6任一项所述的直流电流互感器误差补偿方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括步骤S2′：基于步骤S1得到的被测直流电流和被测磁通量，得到被测的磁通量与电流之间的线性关系和被测的磁通量与霍尔电压的线性关系；基于步骤S2得到的实际直流电流和实际磁通量，得到实际的磁通量-电流曲线。

8.根据权利要求7所述的直流电流互感器误差补偿方法，其特征在于，所述步骤S4具体是：基于步骤S3得到的直流电流的误差和磁通量的误差，并通过将实际的磁通量-电流曲线和被测的磁通量与电流之间的线性关系，以及被测的磁通量与霍尔电压的线性关系和实测得到的实际的霍尔电压-温度特性曲线输入到微处理器中，对含有误差的被测直流电流和被测磁通量进行数字补偿。

9.根据权利要求1所述的直流电流互感器误差补偿方法，其特征在于，步骤S1和步骤S2的顺序可以互换。