AC-DC泄漏电流检测(修订).doc

开口AC和DC泄漏电流检测器摘要：本文探讨了一种通过两个相同开口铁芯测量较小直流或交流电流的探测器特性。为了测量直流电流，利用了由磁调制器中的交变参考电压产生的不对称磁化电流。这种磁调制器的调制频率通常少于1kHz。由于调制频率的限制，磁调制器对于高频电流的测量是无能为力的。当测量高频电流的时候，检测器误差上升的同时线性度也下降了。我们使用了一种不同的技术，改善了AC/DC测量系统的误差和线性度。我们没有使用类似零磁通电流互感器之类的调制器，而是使用带变换器和电子线路的双极电流互感器来测量交流电流，从而提高了互感器的线性度，降低了误差。我们制作了一种开口的、微电子电路手提式AC/DC泄漏电流检测器。在200：1的变比下，它的电流幅值误差小于0.3%，相角误差小于10mrad。电流测量范围为10mA2A，频率范围：0Hz10kHz。1 简介 数种电流检测器常常用来测量线路电流。特别是钳形电流检测器有时会用来在不剪断线路的情况下测量已经安装好的、地下电力系统和汽车引擎上复杂电缆的电流。在很多工业领域对开口式直流、交流检测器的需求不断增长。钳形AC/DC电流检测器主要是利用一个带反馈线圈的霍尔装置来测量电流的。这种办法是可行的，但是有时候精度达不到要求。进一步来说，霍尔元件需要在温度变化的时候进行误差补偿，而且它的一大缺点是需要一个很强的磁场。在微弱电流的检测中，霍尔元件的线性度是很差的。电子式钳形AC/DC电流传感器可以用来单独测量AC、DC，或者同时测量AC和DC电流。传统的钳形AC/DC电流传感器主要是用于工频大电流的测量。零磁通AC/DC电流测量检测器主要是检测由磁调制器产生的不对称磁化电流。由于磁调制器的频率限制，这些检测器只能用来测量直流大电流或者是低频的交流电流。本文介绍了一种新型的使用了几种不同技术的AC和DC电流检测器。这种检测器在误差、灵敏度、线性度方面有所改善，而且它的测量频率可以扩展到几百kHz，测量电流可以小到1mA。检测器由磁芯和一个带调制器的电子电路组成。这两个磁铁芯都分为两个独立的半绕组，每个半绕组占据着一个半矩形型芯，并且一致使用一种半矩形模型绕制。对于AC测量装置来说，没有使用调制器，比如零磁通电流传感器或者是带开关的双极电流传感器而是使用了一种电子电路来提高电流检测器的线性度。在测量直流电流的情况下，检测器使用了调制器的电流信号，这个信号由一个参考交变电压源控制。这个电压信号供给双极线圈使用，所以由两个铁芯产生的感应电流抵消了。我们制作了一种手持式的小电流钳形AC/DC电流检测器，检测器使用了多芯结构和微型电子电路。2 检测器结构探测器由两对有相同绕组的半矩形结构的矩形铁芯装配而成。图1显示的是在磁芯上一次绕组和二次绕组的绕制情况。T1和T2是磁芯。W1是单根待测电流线圈。线圈W3在磁芯T1上，在磁芯T2上的线圈W4是二次绕组。输出线圈W2缠绕在T1和T2上。W3和W4平均地分配到两个磁芯上（每个磁芯100圈）。探测器的尺寸为长22mm，厚12mm，宽16mm。 图1 开口AC/DC电流检测器结构测量原理主要和检测由磁调制器参考交变电压产生的一个不对称磁化电流相关。磁调制器的运算是基于磁性材料的非线性磁化曲线。图2显示的是使用磁调制器的检测器原理。在回路中（图2），一个磁调制器由两个磁芯组成。磁体上主线圈和双极线圈依次相连。待测直流反应到主线圈W1中，同时一个对称的参考交变电压信号G1提供给双极线圈。这个信号周期性的在两个方向进行驱动使得磁芯饱和。作为电流中直流分量的测量后果就是磁芯的预磁方向依赖于直流分量在一次绕组中的流动方向。磁化电流由G1产生。它虽然有一个对称的结构，也没有对磁芯进行预磁，但由于磁化曲线的非线性因数，也会造成预磁铁芯的不对称效果。不对称的程度取决于预磁的程度。图2.（a）磁调制器和电流方向（b）没有直流情况下的磁化电流和相反方向的调制电流（c）和调制电流相同方向直流情况下的磁化电流。在电子线路的进一步辅助下，磁化电流的不对称度和方向是可以检测出来的，并且直流分量的方向也能获得。图.2.b中显示的是磁化电流的形式，它描绘的是没有剩余磁场的情况（平均磁通为零）。图2c中描绘的是有剩余磁场的情况（磁通不为零）。从图2b中的虚线看来，如果铁芯中的磁通平均值为零，磁化电流就会是对称的。正的峰值和负的峰值是相等的。在磁通的平均值不为零的情况，作为测量直流电流的结果，磁调制器的磁化电流不再是对称的，就像是在图2c中显示的那样。正负峰值不再相等。交流检测器的结构，包含一个电子辅助的双极电流带开关传感器和一个电子电路，这与直流电路检测器带电磁调制器和W3W4线圈不同。一般来说高频交流电流是不能测量的，因为参考交流电压信号的频率小于几百个Hz。在这篇文章里，参考交流电压信号的频率是一个330Hz的矩形波。双级电流传感器由两个铁芯组成（T1和T2），它们都有一次线圈W1和二次线圈W2隔离和励磁。图.3. 电流检测器的电路图3 检测器与电子线路图3显示的是AC/DC电流检测器的电路图。电路图由一个磁调制器（T1，T2，W3，W4），AC/DC选择开关（S1-S5），电阻R1和R2，一个交变电压信号G1，两个峰值检测器和一个放大器组成。当开关选择为DC时，直流检测功能启动。当R1和R2的值相对于两个铁芯（T1T2）的自感应很小时，在铁芯饱和的情况下，直流电流通过电阻时就会相对增长的十分快。那么这些电阻上就会呈现出一种电压脉冲。两个峰值检测器不同的输出信号可以由差分放大器A4得到，它的信号提供给感应线圈W3。放大器A5的信号与被测直流信号成比例。图.4 AC/DC电流检测器的测量误差4 试验结果图.5 当输入频率变化时，交流电流检测器的测量误差我们使用FLUKE 5720A作为AC/DC电流源，测试电流从0.001A到2A，频率从直流到10kHz。图4和图5显示的是检测装置的误差和频率特性。测量的最大值有0.25%的变动，这取决直流电流的方向。对于直流测量装置来说在湿度（555）%，开氏温度295K的情况下准确率为0.3%。交流测量装置的允许频率从40Hz到10kHz这时的误差在+-0.3%。检