開環(huán)式磁通門電流傳感器聚磁環(huán)設(shè)計

楊 卓, 蔡曉斌, 吳 波, 譚向宇, 張文斌, 李 彤

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650504;2.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,云南 昆明 650504)

0 引 言

因光伏發(fā)電、新能源汽車、直流充電樁等直流設(shè)備的不斷增加,產(chǎn)生的剩余電流含有多種直流成份,并且越來越復(fù)雜。為解決含有直流信號的剩余電流檢測問題,實(shí)現(xiàn)交直剩余電流的有效檢測和漏電保護(hù)就顯得更為重要[1～6]。文獻(xiàn)[3]提出了簡化的磁調(diào)制交、直流剩余電流檢測方法。文獻(xiàn)[4,5]提出通過勵磁電流實(shí)現(xiàn)交直剩余電流的檢測。文獻(xiàn)[7,8]介紹了一種通過硬件設(shè)計實(shí)現(xiàn)脈動直流剩余電流信號的檢測與保護(hù)。文獻(xiàn)[9]將“國網(wǎng)芯”交直流混合漏電監(jiān)測技術(shù)與監(jiān)測保護(hù)等模塊結(jié)合運(yùn)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[10]將全電流敏感型RCD應(yīng)用在電動汽車的充電裝置中,用于檢測交直剩余電流,以保護(hù)設(shè)備以及人身安全。近幾年來,隨著磁調(diào)制式剩余電流檢測技術(shù)研究的深入,A型剩余電流保護(hù)器可以檢測到直流和脈動直流形式的剩余電流[11]。并且國內(nèi)外許多學(xué)者對剩余電流的檢測方法和電流波形的識別方法進(jìn)行了深入的研究,為復(fù)雜波形剩余電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論支撐[12]。

磁通門傳感器作為一種擁有良好綜合性能的弱磁場測量器件[13],可以測直流、交流產(chǎn)生的磁場,并且還具有零點(diǎn)穩(wěn)定性好、溫漂小、分辨率高的優(yōu)點(diǎn),在測量磁場方面有較大優(yōu)勢[14]。

本文提出了一種基于開環(huán)式磁通門的交直流漏電流檢測方法,通過仿真設(shè)計了磁環(huán)參數(shù)。

1 磁通門電流傳感器的結(jié)構(gòu)及原理

磁通門電流傳感器原理如圖1所示。

圖1 磁通門電流傳感器測量原理

磁通門電流傳感器主要由磁環(huán)、通電線圈、磁通門磁場傳感器以及放大濾波電路四部分組成。磁通門磁場傳感器可以輸出與磁場正比的電壓信號,通過測量剩余電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度來間接測出電流的大小。此外,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與穿過該回路的總電流和真空中的磁導(dǎo)率有關(guān)。對于剩余電流來說,通過人體安全電流不允許超過30 mA,并且空氣的磁導(dǎo)率很小,因此直流剩余電流在空氣中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度很弱,此時磁通門傳感器就很難測出剩余電流的值,這就要求傳感器具有很高的靈敏度。

通過上述分析可知,增加一個磁導(dǎo)率較高的磁芯可以提高傳感器的靈敏度,或者在磁環(huán)上纏繞更多的線圈,使環(huán)形磁路內(nèi)微弱的直流剩余電流可以產(chǎn)生很大的磁感應(yīng)強(qiáng)度。本文研究的方法是使用一個磁導(dǎo)率很高的磁環(huán),增加聚磁環(huán)能力,能更容易測得微弱的直流剩余電流產(chǎn)生的磁場。對于磁通門電流傳感器,增加磁環(huán)后有磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定理

(1)

式中μ=μrμ0,μ為磁環(huán)的磁導(dǎo)率。

2 開環(huán)式磁通門電流傳感器磁環(huán)設(shè)計

2.1 磁環(huán)設(shè)計的理論基礎(chǔ)

在進(jìn)行磁環(huán)設(shè)計前引入磁感應(yīng)強(qiáng)度

H=B/μ

(2)

將式(2)代入式(1)得到

∮H·dl=∑I

(3)

上述公式是對一根導(dǎo)線中的電流進(jìn)行分析,如果被測導(dǎo)線均勻纏繞在磁環(huán)上,那么同樣滿足有磁介質(zhì)時的安培環(huán)路定理,則公式可以簡化為

Hl=NI

(4)

式中N為線圈匝數(shù),l為磁路的平均長度,則傳感器的輸出為

(5)

式中k為比例系數(shù),與傳感器的特性有關(guān)。根據(jù)以上公式可得,當(dāng)磁環(huán)的磁導(dǎo)率為定值時,傳感器的輸出與待測電流成線性關(guān)系。而由于磁環(huán)的磁滯特性,只有工作在線性區(qū)間內(nèi),磁環(huán)的磁導(dǎo)率才是恒定值,因此必須選擇低矯頑力HC和高飽和強(qiáng)度BS的磁環(huán)。本文通過仿真設(shè)計磁芯的各項(xiàng)參數(shù),獲得磁芯開口處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值。

2.2 磁環(huán)材料的選擇

常見的高磁導(dǎo)率材料有鐵基非晶合金、硅鋼、鐵氧體等,其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 常見磁材料的性能指標(biāo)

其中,鐵氧體和其他材料相比,磁導(dǎo)率和磁飽和感應(yīng)強(qiáng)度是最低的,所以不做選用；鐵基納米合金雖有較高磁導(dǎo)率,但不適用于工作在線性段的傳感器；硅鋼片磁導(dǎo)率和磁飽和強(qiáng)度很高,但其電阻率太小,在高頻時渦流損耗很大,廣泛地應(yīng)用于低頻場合。最后選擇磁材料為鐵基非晶合金。

2.3 磁環(huán)尺寸參數(shù)設(shè)計

2.3.1 磁環(huán)的開口大小設(shè)計

聚磁環(huán)是開環(huán)式的,但開環(huán)后會發(fā)生漏磁,降低磁場傳感器檢測的磁通,所以應(yīng)該設(shè)計合適的開口尺寸。磁場傳感器尺寸為5 mm×5 mm×1 mm,磁環(huán)的開口寬度至少為6 mm,同時磁環(huán)的厚度不能低于5 mm,磁環(huán)的高度不能夠低于1 mm,從而保證磁場傳感器的整個側(cè)面都處在磁環(huán)的開口的內(nèi)部。

2.3.2 磁環(huán)的內(nèi)徑變化仿真

在磁環(huán)上纏繞兩圈導(dǎo)線增加其靈敏度。確定磁環(huán)內(nèi)徑為16 mm,磁環(huán)厚度最小為5 mm,故磁環(huán)外徑最小為26 mm。磁場傳感器作為測量元件,不含導(dǎo)磁成份,對被測磁場影響很小,所以其相對磁導(dǎo)率設(shè)置為1。建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 建立的仿真模型

設(shè)置參數(shù)化掃描范圍,限定內(nèi)徑的掃描范圍從16 mm到32 mm,即半徑從8 mm到16 mm,掃描步長為2 mm。根據(jù)理論分析可知,當(dāng)磁芯的內(nèi)徑增大后,磁芯的磁路長度會增大,導(dǎo)致傳感器的靈敏度下降。繪制出磁芯內(nèi)徑參數(shù)化掃描仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,固定磁芯厚度后,隨著磁芯內(nèi)徑的增大,磁場傳感器截面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值逐漸減小。因此,當(dāng)磁環(huán)的厚度不變時,磁芯的內(nèi)徑越小,聚磁效果越好,在開口處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,所以內(nèi)徑的值應(yīng)定為16 mm。

圖3 磁芯內(nèi)徑參數(shù)化掃描仿真結(jié)果

2.3.3 磁環(huán)的厚度變化仿真

磁環(huán)的內(nèi)外徑之差為磁芯的厚度,因此確定磁芯外徑,就需要分析磁芯的厚度對開口處磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。根據(jù)理論分析,越靠近電流位置磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,邊緣處存在漏磁并且磁芯開口的中心位置漏磁較少,所以磁場傳感器放置的最佳位置是在磁芯的中心位置。由于傳感器的寬度是5 mm,先選定厚度為10 mm的磁芯,其面上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布如圖4所示。

圖4 傳感器水平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度

可以看出,由于存在漏磁,在磁環(huán)開口處整體的磁感應(yīng)強(qiáng)度相比磁環(huán)內(nèi)部降低了很多,而開口內(nèi)側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度要比外側(cè)強(qiáng),這與之前的理論分析是一致的,結(jié)合圖4的仿真結(jié)果可知,傳感器放在磁芯的開口中心位置最佳。

限定磁芯厚度的掃描范圍為5～10 mm,步長為1 mm。分析其平均磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布狀況,結(jié)果如圖5(a)所示。由圖5(a)可以看出,隨著磁環(huán)厚度增加,截面的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度先有略微增大,然后開始逐漸減小。這是因?yàn)榇艌鰝鞲衅髡w靠近磁環(huán)截面的中心的位置,由于磁環(huán)開口中心處漏磁較少,此時檢測到的磁場強(qiáng)度會有一定的增加。而隨著磁環(huán)厚度的繼續(xù)增加,磁環(huán)的開口大小也在增加,磁環(huán)的磁路長度也隨之增加,會導(dǎo)致漏磁越來越多,此時檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度會減小。

磁芯厚度的增加只會略微增大磁場傳感器檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度,在厚度為8 mm時就基本上達(dá)到了最大值,即外徑為32 mm最佳。

2.3.4 磁環(huán)的高度變化仿真

根據(jù)前文分析,磁環(huán)要保證磁場傳感器在其開口內(nèi)部,其高度最低為1 mm,掃描步長為1 mm。繪制磁場傳感器截面上平均磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化,仿真結(jié)果如圖5(b)所示。從圖5(b)中可以看出,在磁環(huán)高度變化的過程中,截面檢測到的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度的值先略有增大,然后開始逐漸減小。這是因?yàn)榇艌鰝鞲衅魇冀K處于距離磁芯底部1 mm的位置,而磁芯的開口邊沿會有一定的漏磁。當(dāng)磁芯高度增加后,磁場傳感器遠(yuǎn)離磁芯的開口邊沿,因此平均磁感應(yīng)強(qiáng)度略有提升。但是隨著磁芯高度的增加,開口面積、漏磁也會逐漸增加。由圖中可以看出,磁芯的高度為3 mm時,截面的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到最大值,因此磁芯的高度設(shè)置為3 mm最佳。

圖5 磁環(huán)厚度、高度參數(shù)化掃描仿真結(jié)果

通過上述仿真,可以確定鐵基非晶合金磁環(huán)的參數(shù)為：內(nèi)徑16 mm,外徑32 mm,厚度為8 mm,高度為3 mm。根據(jù)此參數(shù)所定制的磁芯如圖6所示。

圖6 磁環(huán)實(shí)物

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)測試平臺如圖7所示,任意波形信號發(fā)生器的輸出連接功率放大器,功率放大器的輸出連接限流電阻,并穿繞磁環(huán)構(gòu)成回路,以模擬不同波形和電流值的漏電。示波器的一通道使用電流鉗表探頭采集線路中的電流波形,二通道采集傳感器的輸出電壓。

圖7 實(shí)驗(yàn)測試平臺

實(shí)驗(yàn)中,調(diào)節(jié)任意信號發(fā)生器輸出0～10 kHz正弦波掃頻,調(diào)節(jié)電阻RL使線路中的電流值為30 mA。繪制加有聚磁環(huán)后的磁場傳感器幅頻特性如圖8所示?？芍獋鞲衅鞯膸挒椋? 700 Hz(-3 dB)。

圖8 傳感器的幅頻特性曲線

通過輸出不同的直流電流值,對加有聚磁環(huán)的磁場傳感器和普通傳感器進(jìn)行靈敏度測試,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。對圖9(a)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,獲得的線性公式為y=0.15x,即靈敏度為0.15 V/A,線性誤差為0.020 5 %；同樣圖9(b)的公式為y=1.54x,即靈敏度為1.54 V/A,線性誤差為0.002 1 %,線性誤差減少了0.0184 %。

圖9 無/有磁環(huán)磁場傳感器擬合曲線

4 結(jié) 論

本文提出的開環(huán)式聚磁環(huán)選擇鐵基非晶合金材料,并通過仿真確定了磁環(huán)的內(nèi)徑為16 mm,外徑為32 mm,厚度為8 mm,高度為3 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計的開環(huán)式聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)的磁通門電流傳感器檢測剩余電流的帶寬達(dá)6.7 kHz,靈敏度為1.54 mV/mA,線性誤差為0.0021 %,滿足復(fù)雜剩余電流波形的準(zhǔn)確檢測。