大電流測量方案對比

大電流檢測在工業、電力電子、航空、軍工等領域應用廣泛，下表為電流檢測方案的信息匯總及其特點。

表1

一、分流器原理：

將已知的純電阻放在被測電流的電路里，回路中的電流可以通過測量電阻上的電壓來求得，分流器利用了歐姆定理進行測量。實際應用中分流器的電阻數值在毫歐或微歐級別，目前常規的分流器規格有100A/75mV、500A/75mV、1000A/75mV等。

分流器存在較小的電感其等效電路如圖1，正弦電流通過分流器時，分流器兩側上的電壓為。要使分流器測量精度高并且響應速度快，要降低被測電流的頻率和幅度，否則當頻率和幅度變高，會使分流器的發熱量大幅度增加，嚴重影響分流器的測量精度。結構設計上，應盡量減少分流器的自感，并對外界磁場有較好的屏蔽能力，而且具有一定的動態穩定性能。

圖1 分流器等效電路

為了減少電磁力和熱應力對分流器測量結果的影響程度，科學家們對分流器的結構進行了分析和改進。但由于分流器自身的缺陷，有很多問題是無法利用補償和設計來彌補的，例如發熱和頻率特性等問題。

二、直流互感器原理：

1936年德國的克萊麥爾教授第一個研制成功直流電流互感器，通過測量原邊電流對帶有鐵芯線圈的感抗的改變來測量直流電流的大小，這和交流互感器的原理是不同的。結構如圖2。

直流電流互感器的副邊和原邊電流也有可能滿足公式（2.1），即在不計鐵芯損耗、不計副邊組的內阻及鐵芯均勻磁化的情況下。但是直流電流互感器的測量結果很容易受到外界磁場的影響從而產生很大的誤差，比如當測量電流的激磁電流小于直流互感器時，不論是哪一種軟磁材料的磁化特性曲線都不是完美的，都是存在著缺陷的。

圖2 直流互感器原理

三、零磁通直流互感器

圖3零磁通直流互感器

圖3的左邊，由一次繞組W1、二次繞組W2、W4，鐵芯T1、T2，二極管D1、D2，電阻R1、R2共同組成一個并聯的直流電流互感器，被測電流I1流過繞組W1，二次繞組W2、W4和電阻R1、R2，之間接有輔助交流電源e1；圖3右邊，由一次繞組W5、二次繞組W6、W7，鐵芯T4、T5，二極管D3、D4、D5、D6共同組成第二個并聯的直流電流互感器，二次繞組W6、W7和二極管D4、D5之間接有輔助交流電源e2。

在被測電流I1和輔助交流電源e1的共同作用下，在電阻R1、R2兩端會輸出一個和I1正比例的直流電壓，這個電壓被送到第二個互感器的一次繞組W5，并產了一個電流，該電流在輔助交流電源e2的共同作用下使得第二個互感器的電阻R4兩端會輸出一個直流電壓，這個直流電壓被送到第一個互感器的補償繞組W2，產生和被測電流相反的磁通勢，使第一個互感器的鐵芯T1、T2趨向于零。這時，補償繞組W2中的電流與被測電流成正比，測量補償繞組W2中的電流根據匝數比就可以計算出被測電流的大小。

為了改善性能，圖中增加了磁屏蔽層T3，和W8、R3、C共同組成的消振回路。這種互感器除二極管之外沒有其它電子元件，完全是電磁結構，因此故障率低工作可靠，其中的補償措施提高了它的測量精度。用這種方法制作的的直流電流互感器在額定電流范圍20%~100%內，最大誤差為0.2%。

目前國內直流輸電工程用直流電流互感器絕大多數都被進口產品壟斷，如ABB、西門子、ＨＩＴＥＣ公司及Ｒｅｉｔｚ等公司，國內對零磁通式直流電流互感器的研究較少，國內尚無有形成規模的零磁通式直流電流互感器廠家。

四、直流磁性比較儀

直流電流比較儀的原理結構圖如圖4所示，在圖中A為高磁導率材料的鐵芯，W1和W2為比例繞組，I1和I2分別由兩個獨立電源提供給W1和W2的直流電流。因為φ1=I1W1/Rm、φ2=I1W1/Rm，所以當I1W1=I2W2時，即鐵芯內合成磁通為0，此時有I1/I2=W2/W1。

圖4 直流磁性比較儀器

這里的問題是，如何知道磁通勢互相平衡了？也就是怎樣才能測量到鐵芯內的磁通等于零？這個問題對于交流比較儀而言，比較簡單，因為交變的電流可產生交變的磁通，這個交變的磁通是極其容易從檢測繞組中測出的，然而對于直流比較儀而言，就不是這么簡單了。因為作用于鐵芯上的磁勢不平衡時，其鐵芯內部必然相應存在一個恒定磁通，這個恒定磁通在檢測繞組上不能產生感應電動勢。當然在閉合鐵磁開一個小小的縫隙，縫隙中放入霍爾元件就可以測量出鐵芯內部的恒定磁通，并由此設計出自動調節平衡電流的直流比較儀，也就是我們知道的霍爾閉環電流傳感器。

圖5 霍爾閉環電流傳感器

目前國內霍爾閉環傳感器廠家眾多，除LEM外還有寧波中車時代、中旭、托肯等廠家，由于該霍爾電流傳感器在測量2000A以上電流時電流消耗大，且存在穿心孔內輸出差異大，目前2000A以上很少在客戶端大規模使用。

五、羅氏線圈

俄國科學家Rogowski在1912年發明了羅氏線圈（空芯線圈）。羅氏線圈的制作方法就是將漆包線均勻出纏繞在環形的塑料或者陶瓷之類的非鐵磁材料的骨架上，如圖6。根據安培定律，當載流導線穿過線圈中心時羅氏線圈兩端會產生一個感應電動勢，其大小與被測電流對時間的微分成線性關系。

e(t)=M·di/dt

其中，M=Nhμ0/2π·ln·a/b,u0為真空磁導率，大小為4π×10-7H/m，N為繞組匝數，h表示線圈骨架高度，a為骨架外徑，b為骨架內徑，h、a、b單位為m。

由于交流互感器的輸出是電流信號，輸出回路不能斷開，羅氏線圈的輸出是電壓信號，輸出回路一般處于打開狀態，雖然羅氏線圈和交流互感器都只能測量交流電流，羅氏線圈的結構中沒有鐵芯，磁感應的強度大于被測電流，羅氏線圈不會出現磁飽和的現象。

圖6羅氏線圈結構原理

六、光纖電流傳感器

當線偏振光在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度d的乘積成正比，即ψ=VBd，比例系數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。上述現象稱為法拉第磁光效應。

根據安培環路定律，電流產生的磁場磁場強度H沿任意閉合曲線的積分等于閉合曲線所包圍的所有電流的代數和，

，光纖電流傳感器就是基于安培環路定律與法拉第磁光效應進行設計的。

光纖電流傳感器主要由傳感頭、輸送與接收光纖、電子回路等三部分組成，如圖8所示，傳感頭包含載流導體，繞于載流導體上的傳感光纖，以及起偏鏡、檢偏鏡等光學部件。電子回路則有光源、受光元件、信號處理電路等。和磁電式電流檢測相比，光纖電流傳感器具有絕緣性能好、測量準確度高（不存在磁飽和、直流偏磁與鐵磁諧振等問題）、抗干擾能力強（光纖傳輸具有好的電磁抗干擾能力）、安全性高（傳統的磁電式在次邊開路時容易形成高壓，有易燃易爆的危險，而光纖電流傳感器就沒有這個問題）、體積小（電壓等級３４５ｋＶ的充油式電磁式電流互感器整體高度達６．１ｍ，重量超過７噸，與此同時，美國西屋公司生產的同等電壓等級的磁光式光纖電流互感器高度僅有２．７ｍ，重量不超過１００ｋｇ）等優點，但由于其造價昂貴，目前在工業領域還未大規模進行使用。

原文標題：大電流測量方案對比

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