電流監(jiān)測器靈敏度誤差的校準(zhǔn)

周力任 潘 洋 朱 力 糜堅平 林 艷/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

隨著電能消費的不斷增加和能量利用形態(tài)的高功能化，大電流技術(shù)是一個在能量的產(chǎn)生、傳輸、變換、控制等方面正在迅速崛起的領(lǐng)域。除了以往的大電力輸電、利用短路發(fā)電機的大電流試驗、電化學(xué)工業(yè)的直流大電流技術(shù)外，還包括了核聚變技術(shù)、強磁場產(chǎn)生技術(shù)、磁能存儲、電磁力應(yīng)用、脈沖功率技術(shù)等多個尖端技術(shù)領(lǐng)域[1-3]。

根據(jù)大電流工作性質(zhì)狀態(tài)的不同，常?？煞譃槿箢悾捶€(wěn)態(tài)大電流、暫態(tài)大電流和脈沖大電流[4]。所謂穩(wěn)態(tài)電流是指系統(tǒng)相對平穩(wěn)、正常運行時的負(fù)荷電流，例如正常運行的輸電系統(tǒng)中的交流電或直流電。所謂暫態(tài)電流是指系統(tǒng)發(fā)生短路或者運行狀態(tài)發(fā)生突變時的電流，往往比穩(wěn)態(tài)電流大許多倍。例如，電力系統(tǒng)母線發(fā)生短路，或者當(dāng)發(fā)電機或變壓器內(nèi)部發(fā)生短路時，就有比正常工作電流大許多倍的短路電流。所謂脈沖電流，是指在較短時間（如數(shù)百微秒甚至更短時間）內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百或者數(shù)千安培的瞬間電流。例如在遇到雷擊或者有閃烙時，電力系統(tǒng)輸電線會產(chǎn)生脈沖電流。

Pearson 公司所生產(chǎn)的電流監(jiān)測器是一種帶磁芯的Rogowski 線圈（圖1），廣泛應(yīng)用于測量各種快速變化的電流信號，例如電力系統(tǒng)中的諧波、帶電粒子束、等離子體中的電流、雷電沖擊電流等，具有測量時與被測電流回路有良好的電氣絕緣、可測電流幅值大（峰值最大至500 kA）、頻帶寬（0.15 Hz～ 200 MHz）、上升時間快（納秒級）等特點。

圖1 電流監(jiān)測器

1 電流監(jiān)測器工作原理及特性參數(shù)

一次大電流通過電流監(jiān)測器，根據(jù)靈敏度（如0.01 V/A）其輸出端會產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)值的小電壓信號。根據(jù)儀表測得的電壓信號，能夠得到一次電流的峰值、有效值、頻率等參數(shù)。電流監(jiān)測器特性參數(shù)包括：靈敏度、最大允許誤差、輸出阻抗、最大峰值電流、最大有效值電流、下降率、電流時間乘積、可用上升時間、低頻3 db點、高頻3 db點、I/f 指數(shù)等。

型號2100 電流監(jiān)測器的靈敏度為1.0 V/A，最大允許誤差為+1%，輸出阻抗50 Ω，最大峰值電流500 A、最大有效值電流7.5 A、下降率0.08%/μs、電流時間乘積最大為0.005 As、可用上升時間20 ns、低頻3 db點125 Hz、高頻3 db點20 MHz、I/f 指數(shù)為0.017 A/Hz。

2 無感電阻的繞制

無電感線繞電阻的繞制是采用雙線并繞,如圖2所示。當(dāng)電流通過線圈時,所產(chǎn)生的磁通在任何時候總是大小相等、方向相反,因此相互抵消,不會產(chǎn)生磁通,所以沒有電感[5]。

電阻絲選用鍺錳銅（Ge-Mn-Cu alloy）合金線材，其電阻率為4.3×10-8Ωm，平均電阻溫度系數(shù)為±3×10-6℃-1（20℃～70℃）。繞制成四端電阻，阻值分別為0.01 Ω、0.1 Ω、1 Ω。

圖2 無感電阻

3 電流監(jiān)測器靈敏度誤差校準(zhǔn)的方法

根據(jù)電流監(jiān)測器的工作原理，可以采用標(biāo)準(zhǔn)電流源法對其靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，即提供標(biāo)準(zhǔn)電流通過監(jiān)測器，示波器采樣其輸出的電壓信號。但此種方法對標(biāo)準(zhǔn)器的要求極高（標(biāo)準(zhǔn)電流源和示波器的最大允許誤差不得超過±0.3%，電流波形上升時間為ns 級，頻率為MHz 級），可見很難滿足。因此，本文提出另外一種測電壓差法：電流通過電流監(jiān)測器及無感標(biāo)準(zhǔn)電阻，監(jiān)測器輸出端電壓與無感標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓差由示波器測得，即為電流監(jiān)測器靈敏度的誤差，如圖3所示。這可以大大降低對標(biāo)準(zhǔn)電流源和示波器最大允許誤差的要求。校準(zhǔn)時要求標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值與監(jiān)測器標(biāo)定的靈敏度大小一致。上述的繞制成阻值分別為0.01 Ω、0.1 Ω、1 Ω的四端電阻，對于靈敏度數(shù)值處于電阻值數(shù)值之間的情況，可以采用等安匝繞制的方法處理。

圖3 監(jiān)測器靈敏度誤差校準(zhǔn)示意圖

3.1 穩(wěn)態(tài)電流信號下的校準(zhǔn)

輸入信號：頻率10 kHz的方波電流信號，流過監(jiān)測器和無感電阻后，差壓信號由示波器測得，為頻率10 kHz的方波電壓信號，幅值即為靈敏度誤差。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 靈敏度誤差值

3.2 暫態(tài)電流信號下的校準(zhǔn)

輸入信號為脈沖電流，其波形如圖4所示。此脈沖流過監(jiān)測器后，會感應(yīng)出電壓；同樣電阻兩端也會感應(yīng)出電壓。前者與后者的電壓差波形如圖5所示，讀取數(shù)值即能測得暫態(tài)電流信號下的電流監(jiān)測器靈敏度誤差。

圖4 輸入信號波形

圖5 差壓信號波形

4 結(jié)語

本文介紹電流監(jiān)測器工作原理及特性參數(shù)、無感電阻的繞制，提出以無感電阻為標(biāo)準(zhǔn)器，對監(jiān)測器的靈敏度誤差進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。以型號為2100的電流監(jiān)測器為例，分別對穩(wěn)態(tài)電流信號和暫態(tài)電流信號下監(jiān)測器的靈敏度誤差進(jìn)行了校準(zhǔn)。

[1]（日）電氣學(xué)會大電流能量應(yīng)用技術(shù)調(diào)查專門委員會.大電流能量技術(shù)與應(yīng)用[M].//陳國呈，譯.北京：科學(xué)出版社,2004.

[2]李維波，毛承雄，李啟炎，等.神光III強激光能源模塊測量線圈研究[J].中國電機工程學(xué)報，2003，23(5)：53-57.

[3]T.Ishida,K.Matsuse,K.Sugita,et al.DC voltage control strategy for a five-level converter[J].IEEE Trans.on Power Electronics,2000,15(3)：508-515.

[4]李維波.基于Rogowski線圈的大電流測量傳感理論研究與實踐.華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2005：1-2.

[5]祝紅芳.無感電阻的繞制及電學(xué)原理.南昌職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，1996(4)：90-91.