论积分电路中电流传感器性能的优化

徐慧

【摘 要】积分电路中电流传感器是电力系统电能测量及保护监控的重要器件，其关键作用是根据一定比例系数，将积分电路上的大电流直接进行分化与降低，从而能够在仪表上使用。电流传感器的测量精准度、安全性是确保积分电路可靠、经济的根本。文章对积分电路中电流传感器性能的优化进行论述。

【关键词】积分电路；电流传感器；性能；优化

【中图分类号】TP212 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）09-0091-02

1 电流传感器的结构优化

1.1 对二次螺旋线圈参数进行优化

互感系数的大小将直接影响到传感器整体性能的优异程度，而且对于空心线圈的电流传感器而言，互感系数具有更大的作用。一次直导体和二次线圈的间距及相处角度、二次线圈匝数和其自身实际面积都会对电流传感器的互感系数造成影响，此外，还应该将二次内电阻、电流自感作为影响互感系数的潜在因素。在给电过程中，一次直导体的周边是磁场最为强大的位置，所以提高二次线圈在该位置的实际面积可以有效地提升电流传感器的互感因数。此外，对一次直导体和二次线圈相处位置及角度进行分析，如果一次导体处于二次线圈的右边缘处，那么整个电流传感器便会拥有最佳的工作效率；与此同时，二次线圈半径及长度发生变化，也会对互感系数造成巨大的影响。根据实验分析确定，二次线圈的实际面积必须保持在一定范围内，倘若面积超出范围，会在提高测试灵敏度的同时，大幅度降低电流传感器的精准度；偶数个二次线圈必须相互紧凑安置，只有这样才能在受到外界干扰磁场的影响过程中最大限度地降低磁场的不均匀效应，进而提升电流传感器的抗干扰水平；当然，二次螺旋线圈的匝数也在一定控制范围之内，超出这个控制范围，线圈匝数增加，其自身内电阻和自感现象也会变得更加明显，从而对电流传感器的性能带来负面效应。

1.2 研究二次互感线圈对电流传感器性能的影响

理想状态下任何一层线圈的几何参数均保持一致，即它们的自感及杂散电容L和C满足以下关系式：

L=L1+L2+…+Ln=nLn（1）

■=■+■+…+■=■（2）

将公式（1）、公式（2）带入到固定频率公式当中，可以得到电流传感器线圈的固定频率：

f=■=■=■（3）

从公式（3）中可以发现，将n层pcb板进行搭建，其最终的合成互感系数是原先的n倍，可是其固定频率没有发生改变。因此，得出以下结论：匝数少或是pcb层数少的绕组线圈拥有更加出色的频率特点，而且在检测高频特性电流及拥有较多高次谐波电流环节中性能更加优越，与此同时，一层线圈也存在明显的缺陷，即自身的互感系数相比于多层线圈而言相差很多，所以在检测低频电流时很难拥有和多层线圈一样的灵敏程度。根据以上问题，在设计电流互感器时，要尽可能地维持线圈原本的带宽，且还要保证线圈的灵敏度不受到破坏。根据多次实验分析，pcb平面螺旋形空心线圈电流传感器使用多个双层板，并且相互进行串联，可以有效达到这一目标。该设计拥有如下優点：第一，可以通过提升双层板的数量来扩大互感系数，这样有利于电流传感器的性能优化；第二，考虑到线圈内电阻和自感系数对电流传感器的影响，可以确保最小内电阻及最大互感的共同存在。

2 数字积分电路的优化及设计

在大多数积分电路当中低频干扰次数普遍较少，主要存在的干扰包括以下两种：基波及高频谐波。所以，在pcb绕组线圈当中，电流传感器所产生的信号首先会通过数字信号/模拟信号串口，在该串口进行转变之后，再进入数字低通滤波设备（LPF），通过LPF可以很好地过滤掉高频谐波。此外，数字/模拟信号转换串口会受到自身因素的影响或是周围温度的影响使放大器产生电流的直流偏量，因此在信号通过数字低通滤波设备之后，还需要进入LPF及HPF当中，通过对低频谐波进行过滤，以便消除电流的直流偏量。现阶段，可以有效实现积分效果的算法主要包含以下几种：复合矩形算法、梯形算法、辛普生算法等等。在同样的精度需求之下，矩形算法能够确保单位周期内的采样数量，其次是梯形算法，最后是辛普生算法。从算法框架角度进行分析，复合矩形算法最为便利，梯形算法也较为容易，而辛普生算法便显得较为烦琐。所以，综合以上几方面内容进行分析，最终选取梯形算法。在进行数字积分电路设计、优化环节时还需要注意以下几方面内容：首先，模拟/数字信号转换串口自身因素所导致的电流直流偏移现象，该问题已经在本文所阐述的优化方法当中得以改进。其次，数字积分电流的积分初值内容，要尽量将被检测的电流信号进行还原，只有这样才能准确地查询到积分的初值。一般情况下，pcb绕组线圈的电流传感器在工作中处于非积分状态，往往采取的解决方案就是检测积分电流过零点，当电流传感器非积分信号位于极限状态时，对其初值进行积分。最后，关于数字/模拟信号串口饱和内容。任意一个数字/模数转换器都存在信号范围值，倘若超出信号输入范围，就会存在饱和的情况。所以，在挑选数字/模拟管理元器件时，要选用高分辨率的模块。为了确保测量的准确程度，不论是模拟积分电路还是数字积分处理电路，都需要采取有针对性的抗扰措施。

3 用于保护设施中电流传感器的性能优化

现阶段在进行积分电路继电保护过程中，应用最为广泛的就是电磁式电流传感器，因为励磁电流的存在，使得较小的电流容易出现较大的误差及相位角的偏移，倘若发生短路现象及出现非周期分量时，还容易发生磁饱和的问题，并且通频带较窄、磁力不够的缺陷也暴露无遗，久而久之，对电流传感器的暂态误差影响十分重大。随着我国电力系统技术的不断发展，电器元件的容量也在不断提升，传统的保护措施已经被新研究出的保护策略所替代，因此对积分电路当中的电流传感器的要求也愈来愈高，原有的积分电路电流采样模式很难达到高稳态且能够快速消除故障的基本要求，如今继电保护设施已经得到广泛使用，它也同样需要电流信号的输入与输出。在继电保护设施工作过程中，为了进一步提升积分电路中pcb螺旋空心绕组线圈电流传感器一次和二次的间隙磁场联系，可以进一步扩大绕组线圈的匝数，以便于保护设备的正常工作，在此期间，一次绕组线圈可以制作成多匝型，与二次线圈位于同一工作面上。

4 结语

电流传感器在积分电路中发挥着不可替代的作用，而传统的积分电路电流传感器已经无法满足人们对电力系统更高的要求，本文主要研究了积分电路中电流传感器的性能影响因素、提出了有效的优化策略，并且对电流传感器本身结构进行优化、设计，最后对积分电路进行了升级、完善。

参 考 文 献

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[责任编辑：钟声贤]