[發明專利]一種磁場對消的大電流檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201710539565.0
• 申請日: 2017-07-04
• 公開（公告）號: CN107356800B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 湯曉君;周生;邱偉;席磊磊;劉帥
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G01R15/18;G01R15/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王萌

本發明公開了一種磁環磁場對消的大電流檢測裝置及方法。在待測電流導線上纏繞兩個磁環，其中兩個磁環在導線上繞制的角度有一定的差別，并且形成類似“凹”字型結構，兩個磁環的交匯處留有較大間隙，避免磁力線在兩個磁環內部各自形成閉合回路，使得電流流通導線時，在磁環上產生的磁場可以形成對消而留有剩余部分磁通。在磁環的連接處留有氣隙，氣隙處安裝有磁場傳感器，利用磁場傳感器檢測該剩余磁通，本發明通過調節繞制在磁環上補償線圈上的電流，使得磁場傳感器輸出的電壓信號為零。由于留有的磁通較小，在磁環中不會飽和，而使整個測量系統工作在線性區域，這種方法可以大為減小大電流測量裝置的體積、重量和功耗，且準確度高、穩定性好。

技術領域：

本發明涉及電氣工程學科、儀器科學與技術領域，涉及大電流檢測，具體涉及一種磁環磁場對消的大電流檢測裝置及方法。

背景技術：

大電流的測量方法主要分為兩大類：一類是根據被測電流在電阻上產生的電壓降落來確定被測電流大小，如分流器法；另一類是根據被測電流形成的磁場，將電流測量問題轉換為磁場的測量問題，通過測量其磁通、磁感應強度或磁勢，再經過轉換來獲取電流大小。前者由于體積、誤差、損耗、絕緣和測量范圍等方面的不足，已難以滿足現代測量的要求；后者從物理學角度來看，又分為磁共振法、霍爾效應法、電磁感應法、磁通門法、各向異性(AMR)法、巨磁阻效應(GMR)法、磁光效應法等。此外，還有磁敏二極管測量法、短脈沖放電法等，這些方法由于設備造價太高、或者結構過于復雜等原因，在工程實踐中很少用到。

目前，受到關注的電流測量方法主要有霍爾效應法、磁光效應法、羅氏線圈法、互感器法等。對于一般的精度要求，常采用直放式(開環)，而對于高精度檢測，則往往采用補償式(閉環)。

羅氏線圈法是測量各種變化電流的常用手段。這種方法不存在磁飽和問題，也不存在動力和熱力的穩定性問題，并幾乎不受被測電流大小的限制，測量時也不需要斷開被測電路。但這種方法受其本身材料的限制，如線圈骨架和繞制的非均勻性將帶來很大的測量誤差，嚴重影響線圈的抗干擾能力，溫度將使得線圈的骨架發生變化，從而引起互感和自感系數發生變化，影響測量結果的準確性，并且其輸出信號較弱，受外界磁場干擾大。而且，羅氏線圈法只能測量交變磁場。

霍爾電流傳感器是一種常用的電流測量裝置，但由于霍爾元件是一種半導體，其溫度穩定性和長期可靠性是阻礙霍爾電流傳感器應用在高可靠性和高準確度等級要求的測量場合的主要原因之一。常規的開環式霍爾法的準確度等級只能達到1級，近年來，隨著半導體技術的高度集成化，霍爾元件的線性度和穩定性大幅提高，但其穩定性要求依然存在諸多問題。閉環式霍爾法穩定可靠，準確度等級可以達到0.1級，甚至更高，但目前采用的平衡電路的驅動能力有限，制作大電流閉環式霍爾電流檢測裝置比較困難、且價格高，在大電流測量場合，還存在體積大、重量重、帶寬窄和功耗大的缺點。

互感器又分為交流和直流互感器，交流互感器與變壓器的原理相同，對于大電流的檢測，傳感器體積大、重量重，而且容易出現飽和。直流電流互感器利用被測的直流電流改變帶鐵芯扼制線圈的感抗，間接改變輔助交流電路的電流，從而反映被測電流的大小。這種方法傳感原理簡單可靠，與基于變壓器原理的交流電流互感器一樣，其傳感系數僅僅與原副邊的匝數有關，長期可靠性和溫度穩定性均有保障，是直流大電流檢測的有效手段，但這種傳感器體積也較大，比閉環式霍爾電流傳感器體積還大，價格非常高，需外界電源支持。常規的直流互感器準確度等級在0.5級以下，采用補償方法，其準確度等級可提高到0.01級，甚至更高，但也進一步增大了互感器的體積和重量。

各向異性(AMR)法、巨磁阻效應(GMR)法靈敏度都比較高，這兩種方法都可采用電流補償的閉環方式來檢測大電流產生的磁場，由于閉環式電流補償穩態時磁環中磁通為0，因此也叫零磁通法，其缺陷和閉環式霍爾電流檢測法是一樣的。