磁調制零磁通電流傳感器狀態監測方法

王東興， 朱燕燕， 李 瑞， 李德明

(1. 中國科學院大學，北京市100864；2. 中國科學院 上海應用物理研究所，上海市 201204)

智能化電網需要智能電器提供工作狀態來判斷電網及用電設備的健康指數[1-5]．準確的在線設備工作狀態信息為遠程檢測、預診斷、決策判斷和故障分析提供了有力的數據保障，從而提高供電、用電設備的可靠性[6-9]，甚至能實現故障的自動修復[10]．磁調制式零磁通電流傳感器憑借其高穩定、高分辨率、溫度系數小、良好的線性度以及抗干擾能力強成為直流大電流檢測的關鍵設備[11-12]，尤其在精密電流測量和高精度穩流電源技術中扮演著關鍵角色[13]，但惡劣的電磁環境通常會影響其性能的穩定性[14]以至需要采取保護措施[15]．傳統的電流傳感器通常采用繼電器或半導體的通斷作為傳感器狀態信號，不能滿足電網、電器的智能化發展．三折線作圖法是磁調制的傳統分析方法，能對磁化曲線理想化處理，忽略磁芯進入飽和狀態時磁導率的變化．而在實際磁調制運用中，磁芯進入飽和狀態的過程是人們更為關心的．因此，文中提出一種以磁導率變化為基礎的磁調制[16]分析方法，避開三折線分析磁調制的不足[17-18]; 同時運用傅里葉級數分析調制解調信號攜帶的頻率成分，通過比對零磁通和非零磁通狀態調制、解調包含的頻率成分幅值，確定了反映磁調制正常工作與否的關聯頻率分量;結合零磁通電流傳感器的基本原理，提出了一種判斷磁調制零磁通電流傳感器的在線監測、診斷的方法．并用實驗電路驗證了所述的傳感器狀態信息與電流傳感器工作狀態之間的對應關系．

1 零磁通電流傳感器原理

磁調制零磁通電流傳感器是利用磁芯的磁通偏離信號在次級電路上產生與被測電流(初級)方向相反數量相同的安匝數(即磁通)，實現磁芯的磁通趨近于零，讀取次級電流完成被測電流的隔離測量．零磁通電流傳感器通常由如下幾部分組成: 高磁導率材料構成的磁芯; 被測電流Ip和補償電流Is在磁芯上形成的兩個繞組: 初級繞組和次級繞組; 功率放大器．如圖1所示，圖中虛線框內為獲取磁通信號的磁調制部分．

圖1 零磁通電流傳感器的原理圖圖2 基于RL電路的磁調制解調原理圖

2 RL電路與峰值檢波實現磁調制

2.1 RL電路磁調制與峰值檢波

軟磁材料是磁調制方式檢測磁通的常用材料，利用其磁導率μ隨磁場強度變化的特性實現磁調制[16]．圖2是基于RL電路的磁調制解調原理圖，圖中虛線左邊的為磁調制部分，虛線右邊為解調部分．調制部分包括高頻方波激勵源Ue，由帶磁芯的電感L和R組成的調制耦合電路．解調部分包括峰值檢波二極管電路VD1和VD2，由C1、C2、R1和R2構成的濾波保持電路及運算放大器以及由R3構成的信號放大電路．當激勵電壓Ue為圖3(a)和圖3(b)中所示的方波電壓時，則在電感L上的電流可表示為

(1)

其中，N、A和l分別為激勵磁芯的線圈匝數、截面積和有效磁路長度;T為電壓方波的周期;μ為磁導率的有效值．由于軟磁材料的瞬時磁導率μ(i)是勵磁電流i的函數，電感L上電流i的波形見圖3中i(t)所示．

圖3 激勵電流波形

2.2 RL電路磁調制特征信號和峰值檢波的電流檢測靈敏度分析

在峰值檢波中，濾波電容的峰值電壓UC1、UC2和ΔI有相關性．鑒于工程實際和計算方便，設置C1=C2，R1=R2且R1C1=R2C2?T(T為激勵電壓Ue的周期)．當UC在 ΔI=0 時，濾波電容C1和C2上的電壓波形如圖3(a)所示; 當UC在 ΔI≠0 時，濾波電容C1和C2上的電壓波形如圖3(b)所示．可以看出，濾波電容C1和C2上的電壓的波形是周期連續的．

當ΔI=0時，在單個周期內，電容C1放電電壓曲線為UC1exp(-tτ)，電容C2放電電壓曲線為UC2exp(-(t+T2)τ)，其中，τ=R1C1=R2C2．對電容C1和C2的放電電壓進行頻率分析，其電壓可表示為

當R1=R2=R3時，解調電壓Uφ可表示為

(8)

當ΔI≠0時，解調電壓Uφ可表示為

由于零磁通電流傳感器正常工作時磁芯的磁通幾乎為零，從圖3所示的磁導率μ(i)與激勵電流i關系可以看出: 當ΔI變化較小時，磁導率的變化量可表示為

(10)

則磁導率μ在電流imax處的斜率為 ΔμΔI．若取 ΔI→ 0，則μ隨電流i的變化率可表示為

(11)

把式(11)代入式(9)，并舍棄(Δμ)2，可整理為

(12)

對比式(8)和式(12)，式(12)的第2項即為UφΔI=0．可以看出，ΔI引起的Uφ變化主要集中在激勵頻率的直流分量和偶次諧波中，而式(12)中UφΔI=0和ΔI無關，是由磁調制的參數決定的．式(12)對ΔI求導，則靈敏度S可表示為

(13)

3 仿真和實驗數據分析

文中通過實驗電路驗證了式(13)所述的靈敏度S．在實驗電路中，磁芯采用寬為 7 mm、厚為 25 μm 的納米晶合金軟磁帶材繞制為外徑為 143 mm、內徑為 133 mm 的磁環．在 1 kHz、0.25 V 的測試條件下，該磁環單匝電感電感量大于等于 3 μH．實驗電路參看圖2，其中，激勵電壓源Ue為幅值 7.5 V 的方波、周期為 50 μs; ΔI為 0.01 A 的 10 Hz 正弦波; 濾波保持電容C1和C2為 2 nF，電阻R1、R2和R3為 100 kΩ．在ωL?R(ω為激勵頻率)條件下，N分別取20、25和30，R從 1 Ω 遞增到 10 Ω，通過示波器自帶的快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)讀取Uφ的 10 Hz 分量值，觀測Uφ的 10 Hz 分量隨R的變化．圖4是R與Uφ的 10 Hz 分量在實驗電路中的測試結果．

同時，文中通過實驗電路驗證式(8)所述磁調制電路的特征信息，其中，激勵電流imax= 50～ 60 mA，ΔI為直流電流從0以 10 mA 為步長變化到 ±100 mA，其余電路參數與驗證靈敏度電路參數一樣．通過示波器自帶到FFT功能觀察式(8)中Uφ的基波幅值．圖5中，圓點和三角所標示的是激勵基波幅值隨ΔI的變化，對應的直線是測量值的線性擬合．

圖4 靈敏度S與取樣電阻R的關系圖5 R=10Ω激勵基波幅值與ΔI的關系

4 結 束 語

對于磁調制零磁通電流傳感器常見的磁飽和等故障問題，可以根據式(8)和式(13)通過監測Uφ激勵基波和直流分量的幅值判斷電流傳感器工作狀態，如表1所示．

表1 根據Uφ傳感器工作狀態判斷表

文中運用傅里葉級數分析磁調制解調信號，對比了影響激勵基波分量和直流分量的因素，結合零磁通電流傳感器的工作原理，確定了反映磁調制零磁通電流傳感器工作狀態的特征參量．文中通過實驗驗證了磁調制的基波幅值反映傳感器工作狀態的可行性，并且該狀態特征參量能反映傳感器狀態的漸變過程．通過式(13)可以看出，若有磁導率μ與磁場強度的解析關系，則可以完全定量分析．

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