磁調(diào)制零磁通電流傳感器狀態(tài)監(jiān)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(wǎng)需要智能電器提供工作狀態(tài)來判斷電網(wǎng)及用電設備的健康指數(shù)[1-5]．準確的在線設備工作狀態(tài)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(shù)據(jù)保障，從而提高供電、用電設備的可靠性[6-9]，甚至能實現(xiàn)故障的自動修復[10]．磁調(diào)制式零磁通電流傳感器憑借其高穩(wěn)定、高分辨率、溫度系數(shù)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(wěn)流電源技術(shù)中扮演著關鍵角色[13]，但惡劣的電磁環(huán)境通常會影響其性能的穩(wěn)定性[14]以至需要采取保護措施[15]．傳統(tǒng)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(tài)信號，不能滿足電網(wǎng)、電器的智能化發(fā)展．三折線作圖法是磁調(diào)制的傳統(tǒng)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(tài)時磁導率的變化．而在實際磁調(diào)制運用中，磁芯進入飽和狀態(tài)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(diào)制[16]分析方法，避開三折線分析磁調(diào)制的不足[17-18]; 同時運用傅里葉級數(shù)分析調(diào)制解調(diào)信號攜帶的頻率成分，通過比對零磁通和非零磁通狀態(tài)調(diào)制、解調(diào)包含的頻率成分幅值，確定了反映磁調(diào)制正常工作與否的關聯(lián)頻率分量;結(jié)合零磁通電流傳感器的基本原理，提出了一種判斷磁調(diào)制零磁通電流傳感器的在線監(jiān)測、診斷的方法．并用實驗電路驗證了所述的傳感器狀態(tài)信息與電流傳感器工作狀態(tài)之間的對應關系．

1 零磁通電流傳感器原理

磁調(diào)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(chǎn)生與被測電流(初級)方向相反數(shù)量相同的安匝數(shù)(即磁通)，實現(xiàn)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(gòu)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(nèi)為獲取磁通信號的磁調(diào)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(diào)制解調(diào)原理圖

2 RL電路與峰值檢波實現(xiàn)磁調(diào)制

2.1 RL電路磁調(diào)制與峰值檢波

軟磁材料是磁調(diào)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(xiàn)磁調(diào)制[16]．圖2是基于RL電路的磁調(diào)制解調(diào)原理圖，圖中虛線左邊的為磁調(diào)制部分，虛線右邊為解調(diào)部分．調(diào)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(diào)制耦合電路．解調(diào)部分包括峰值檢波二極管電路VD1和VD2，由C1、C2、R1和R2構(gòu)成的濾波保持電路及運算放大器以及由R3構(gòu)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(shù)、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(shù)，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(diào)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(xù)的．

當ΔI=0時，在單個周期內(nèi)，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(diào)電壓Uφ可表示為

(8)

當ΔI≠0時，解調(diào)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(diào)制的參數(shù)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(shù)據(jù)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(nèi)徑為 133 mm 的磁環(huán)．在 1 kHz、0.25 V 的測試條件下，該磁環(huán)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，F(xiàn)FT)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(jié)果．

同時，文中通過實驗電路驗證式(8)所述磁調(diào)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(shù)與驗證靈敏度電路參數(shù)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(jié) 束 語

對于磁調(diào)制零磁通電流傳感器常見的磁飽和等故障問題，可以根據(jù)式(8)和式(13)通過監(jiān)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(tài)，如表1所示．

表1 根據(jù)Uφ傳感器工作狀態(tài)判斷表

文中運用傅里葉級數(shù)分析磁調(diào)制解調(diào)信號，對比了影響激勵基波分量和直流分量的因素，結(jié)合零磁通電流傳感器的工作原理，確定了反映磁調(diào)制零磁通電流傳感器工作狀態(tài)的特征參量．文中通過實驗驗證了磁調(diào)制的基波幅值反映傳感器工作狀態(tài)的可行性，并且該狀態(tài)特征參量能反映傳感器狀態(tài)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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