磁调制零磁通电流传感器状态监测方法

王东兴， 朱燕燕， 李 瑞， 李德明

(1. 中国科学院大学，北京市100864；2. 中国科学院 上海应用物理研究所，上海市 201204)

智能化电网需要智能电器提供工作状态来判断电网及用电设备的健康指数[1-5]．准确的在线设备工作状态信息为远程检测、预诊断、决策判断和故障分析提供了有力的数据保障，从而提高供电、用电设备的可靠性[6-9]，甚至能实现故障的自动修复[10]．磁调制式零磁通电流传感器凭借其高稳定、高分辨率、温度系数小、良好的线性度以及抗干扰能力强成为直流大电流检测的关键设备[11-12]，尤其在精密电流测量和高精度稳流电源技术中扮演着关键角色[13]，但恶劣的电磁环境通常会影响其性能的稳定性[14]以至需要采取保护措施[15]．传统的电流传感器通常采用继电器或半导体的通断作为传感器状态信号，不能满足电网、电器的智能化发展．三折线作图法是磁调制的传统分析方法，能对磁化曲线理想化处理，忽略磁芯进入饱和状态时磁导率的变化．而在实际磁调制运用中，磁芯进入饱和状态的过程是人们更为关心的．因此，文中提出一种以磁导率变化为基础的磁调制[16]分析方法，避开三折线分析磁调制的不足[17-18]; 同时运用傅里叶级数分析调制解调信号携带的频率成分，通过比对零磁通和非零磁通状态调制、解调包含的频率成分幅值，确定了反映磁调制正常工作与否的关联频率分量;结合零磁通电流传感器的基本原理，提出了一种判断磁调制零磁通电流传感器的在线监测、诊断的方法．并用实验电路验证了所述的传感器状态信息与电流传感器工作状态之间的对应关系．

1 零磁通电流传感器原理

磁调制零磁通电流传感器是利用磁芯的磁通偏离信号在次级电路上产生与被测电流(初级)方向相反数量相同的安匝数(即磁通)，实现磁芯的磁通趋近于零，读取次级电流完成被测电流的隔离测量．零磁通电流传感器通常由如下几部分组成: 高磁导率材料构成的磁芯; 被测电流Ip和补偿电流Is在磁芯上形成的两个绕组: 初级绕组和次级绕组; 功率放大器．如图1所示，图中虚线框内为获取磁通信号的磁调制部分．

图1 零磁通电流传感器的原理图图2 基于RL电路的磁调制解调原理图

2 RL电路与峰值检波实现磁调制

2.1 RL电路磁调制与峰值检波

软磁材料是磁调制方式检测磁通的常用材料，利用其磁导率μ随磁场强度变化的特性实现磁调制[16]．图2是基于RL电路的磁调制解调原理图，图中虚线左边的为磁调制部分，虚线右边为解调部分．调制部分包括高频方波激励源Ue，由带磁芯的电感L和R组成的调制耦合电路．解调部分包括峰值检波二极管电路VD1和VD2，由C1、C2、R1和R2构成的滤波保持电路及运算放大器以及由R3构成的信号放大电路．当激励电压Ue为图3(a)和图3(b)中所示的方波电压时，则在电感L上的电流可表示为

(1)

其中，N、A和l分别为激励磁芯的线圈匝数、截面积和有效磁路长度;T为电压方波的周期;μ为磁导率的有效值．由于软磁材料的瞬时磁导率μ(i)是励磁电流i的函数，电感L上电流i的波形见图3中i(t)所示．

图3 激励电流波形

2.2 RL电路磁调制特征信号和峰值检波的电流检测灵敏度分析

在峰值检波中，滤波电容的峰值电压UC1、UC2和ΔI有相关性．鉴于工程实际和计算方便，设置C1=C2，R1=R2且R1C1=R2C2≫T(T为激励电压Ue的周期)．当UC在 ΔI=0 时，滤波电容C1和C2上的电压波形如图3(a)所示; 当UC在 ΔI≠0 时，滤波电容C1和C2上的电压波形如图3(b)所示．可以看出，滤波电容C1和C2上的电压的波形是周期连续的．

当ΔI=0时，在单个周期内，电容C1放电电压曲线为UC1exp(-tτ)，电容C2放电电压曲线为UC2exp(-(t+T2)τ)，其中，τ=R1C1=R2C2．对电容C1和C2的放电电压进行频率分析，其电压可表示为

当R1=R2=R3时，解调电压Uφ可表示为

(8)

当ΔI≠0时，解调电压Uφ可表示为

由于零磁通电流传感器正常工作时磁芯的磁通几乎为零，从图3所示的磁导率μ(i)与激励电流i关系可以看出: 当ΔI变化较小时，磁导率的变化量可表示为

(10)

则磁导率μ在电流imax处的斜率为 ΔμΔI．若取 ΔI→ 0，则μ随电流i的变化率可表示为

(11)

把式(11)代入式(9)，并舍弃(Δμ)2，可整理为

(12)

对比式(8)和式(12)，式(12)的第2项即为UφΔI=0．可以看出，ΔI引起的Uφ变化主要集中在激励频率的直流分量和偶次谐波中，而式(12)中UφΔI=0和ΔI无关，是由磁调制的参数决定的．式(12)对ΔI求导，则灵敏度S可表示为

(13)

3 仿真和实验数据分析

文中通过实验电路验证了式(13)所述的灵敏度S．在实验电路中，磁芯采用宽为 7 mm、厚为 25 μm 的纳米晶合金软磁带材绕制为外径为 143 mm、内径为 133 mm 的磁环．在 1 kHz、0.25 V 的测试条件下，该磁环单匝电感电感量大于等于 3 μH．实验电路参看图2，其中，激励电压源Ue为幅值 7.5 V 的方波、周期为 50 μs; ΔI为 0.01 A 的 10 Hz 正弦波; 滤波保持电容C1和C2为 2 nF，电阻R1、R2和R3为 100 kΩ．在ωL≫R(ω为激励频率)条件下，N分别取20、25和30，R从 1 Ω 递增到 10 Ω，通过示波器自带的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)读取Uφ的 10 Hz 分量值，观测Uφ的 10 Hz 分量随R的变化．图4是R与Uφ的 10 Hz 分量在实验电路中的测试结果．

同时，文中通过实验电路验证式(8)所述磁调制电路的特征信息，其中，激励电流imax= 50～ 60 mA，ΔI为直流电流从0以 10 mA 为步长变化到 ±100 mA，其余电路参数与验证灵敏度电路参数一样．通过示波器自带到FFT功能观察式(8)中Uφ的基波幅值．图5中，圆点和三角所标示的是激励基波幅值随ΔI的变化，对应的直线是测量值的线性拟合．

图4 灵敏度S与取样电阻R的关系图5 R=10Ω激励基波幅值与ΔI的关系

4 结 束 语

对于磁调制零磁通电流传感器常见的磁饱和等故障问题，可以根据式(8)和式(13)通过监测Uφ激励基波和直流分量的幅值判断电流传感器工作状态，如表1所示．

表1 根据Uφ传感器工作状态判断表

文中运用傅里叶级数分析磁调制解调信号，对比了影响激励基波分量和直流分量的因素，结合零磁通电流传感器的工作原理，确定了反映磁调制零磁通电流传感器工作状态的特征参量．文中通过实验验证了磁调制的基波幅值反映传感器工作状态的可行性，并且该状态特征参量能反映传感器状态的渐变过程．通过式(13)可以看出，若有磁导率μ与磁场强度的解析关系，则可以完全定量分析．

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