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零磁通电流互感器

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  • 发布时间:2017/7/18 16:53:03
  • 作者:ly_yinhe

  零磁通电流互感器也称为磁平衡式电流互感器,同样基于电磁感应原理,零磁通电流互感器理论误差等于零,不存在比差和角差。

  零磁通电流互感器为了消除励磁电流对测量精度的影响,采用一个补偿绕组,专门用于提供励磁电流,这样,测量绕组就不会受到励磁电流的影响,就不存在比差和角差,从而达到高精度的测量。

零磁通电流传感器工作原理

图1:电流互感器原理电路图 图2:二次等效电路图 

图1:电流互感器原理电路图    图2:二次等效电路图

  穿芯式电流互感器的原理电路如图1所示,图2是其二次等效电路图。I1为电流互感器一次侧电流,I2为二次侧电流,I0为激磁电流。N1、N2分别为一、二次绕组匝数。因此,该电流互感器的磁势平衡方程为:

ee

  当激磁安匝I0N1为零时,I1N1=-I2N2即副边安匝变化能完全反应原边安匝变化,误差为零。一般称I0N1为绝对误差,I0N1/I1N1为相对误差。电流互感器的误差为复数误差,可用比值差f和角差δ表示。

dd

  式中:

cc

  δ为I2逆时针180°后与I1的夹角,如图3所示。

电流互感器向量图

图3:电流互感器向量图

  由此可见,由于I0N1的存在,使I2N2与I1N1存在角差δ和比差值f。若I0=0,则激磁磁势为0,误差为0。磁势的铁芯处于“零磁通”状态,它工作在磁化曲线的起始段(线性段)。这时,电流互感器输出波形就不会畸变,保持良好的线性段。此即为“零磁通原理”。因此,若能使互感器铁芯始终处于零磁通状态,就能从根本上消除电流互感器的误差。但是,由互感器的工作原理可知,靠互感器自身是不可能实现零磁通的,必须靠外界条件的补偿或调整。为此,采用动态平衡电子电路对其进行动态调整,使铁芯始终处于“动态零磁通状态”。

零磁通电流互感器的构成及工作原理

电流互感器原理框图

图4:电流互感器原理框图

  图4所示零磁通电流传感器的原始框图。其中,ND为检测绕组,D为动态检测单元,C为产生二次电流的有源网络。本回路的磁势平衡方程为:

aa

  I1产生的激磁磁通在ND两端产生感应电势,并加到动态检测单元D输入端,通过G产生二次电流I2提供给二次绕组,I2所产生的磁通对铁芯去磁,使铁芯达到磁势平衡。因此,理想状态时,该传感器的二次绕组电流I2全部由有源网络G供给,而不从感应电势取电流。D高速动态检测ND两端的电势差,当电势差足够小(近似为零的允许值)时,铁芯中的磁通即近似为零磁通。若检测值偏离允许值,G则自动高速调整。如此高速跟踪调整,使铁芯能始终保持在逼近零磁通状态,传感器达到较高的精度。

零磁通电流互感器误差分析

  零磁通电流互感器的误差包括容性误差、磁性误差以及检测调整电子电路的灵敏度误差三部分。所谓容性误差,是指各侧线圈本身和线圈之间的容性泄露电流所造成的测量误差。对工频信号来说,当N2<1000时,这项误差可控制在10^5以内。

  本文中零磁通电流互感器由于一、二次绕组匝数均很小,容性误差可以不计。检测绕组虽然匝数相对较多,但其电位差动态逼近零,所以,其容性误差仍可忽略。

  经过电流传感器高速动态调整后,I0——0,铁芯逼近零磁通,磁性误差很小。但事实上,完全的零磁通状态是达不到的,铁芯中必须有一点微弱的磁通才能使G输出I2,这就使磁性误差仍然存在。从电流互感器磁势平衡方程可见,磁性误差主要由两部分组成:一是由I0带来的参与磁势引起的误差,另一部分是由检测绕组ID带来的附加磁势引起的误差,即:

bb

  其中:ED为ND的感应电势,l为磁路长度,S为铁芯截面积,u0为铁芯初始磁导率,Ri为检测单元输入阻抗。由此可见,降低磁性误差一是应当选择u0值较高的铁芯和合适的检测绕组匝数,本传感器选择了u0为6*10^4的超微晶铁芯,ND为100~500匝;二是要有较大的检测单元输入阻抗,ED和I2可通过有源动态平衡网络控制在所需范围内。除此之外,还可以使用高导电、高导磁材料做屏蔽以消除电磁场的干扰,亦可用超微晶合金作此屏蔽材料。