开环式磁通门电流传感器聚磁环设计

杨 卓, 蔡晓斌, 吴 波, 谭向宇, 张文斌, 李 彤

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南 昆明 650504;2.昆明理工大学 机电工程学院,云南 昆明 650504)

0 引 言

因光伏发电、新能源汽车、直流充电桩等直流设备的不断增加,产生的剩余电流含有多种直流成份,并且越来越复杂。为解决含有直流信号的剩余电流检测问题,实现交直剩余电流的有效检测和漏电保护就显得更为重要[1～6]。文献[3]提出了简化的磁调制交、直流剩余电流检测方法。文献[4,5]提出通过励磁电流实现交直剩余电流的检测。文献[7,8]介绍了一种通过硬件设计实现脉动直流剩余电流信号的检测与保护。文献[9]将“国网芯”交直流混合漏电监测技术与监测保护等模块结合运用在光伏发电系统中。文献[10]将全电流敏感型RCD应用在电动汽车的充电装置中,用于检测交直剩余电流,以保护设备以及人身安全。近几年来,随着磁调制式剩余电流检测技术研究的深入,A型剩余电流保护器可以检测到直流和脉动直流形式的剩余电流[11]。并且国内外许多学者对剩余电流的检测方法和电流波形的识别方法进行了深入的研究,为复杂波形剩余电流检测系统的设计提供了理论支撑[12]。

磁通门传感器作为一种拥有良好综合性能的弱磁场测量器件[13],可以测直流、交流产生的磁场,并且还具有零点稳定性好、温漂小、分辨率高的优点,在测量磁场方面有较大优势[14]。

本文提出了一种基于开环式磁通门的交直流漏电流检测方法,通过仿真设计了磁环参数。

1 磁通门电流传感器的结构及原理

磁通门电流传感器原理如图1所示。

图1 磁通门电流传感器测量原理

磁通门电流传感器主要由磁环、通电线圈、磁通门磁场传感器以及放大滤波电路四部分组成。磁通门磁场传感器可以输出与磁场正比的电压信号,通过测量剩余电流产生的磁感应强度来间接测出电流的大小。此外,磁感应强度的大小与穿过该回路的总电流和真空中的磁导率有关。对于剩余电流来说,通过人体安全电流不允许超过30 mA,并且空气的磁导率很小,因此直流剩余电流在空气中产生的磁感应强度很弱,此时磁通门传感器就很难测出剩余电流的值,这就要求传感器具有很高的灵敏度。

通过上述分析可知,增加一个磁导率较高的磁芯可以提高传感器的灵敏度,或者在磁环上缠绕更多的线圈,使环形磁路内微弱的直流剩余电流可以产生很大的磁感应强度。本文研究的方法是使用一个磁导率很高的磁环,增加聚磁环能力,能更容易测得微弱的直流剩余电流产生的磁场。对于磁通门电流传感器,增加磁环后有磁介质时的安培环路定理

(1)

式中μ=μrμ0,μ为磁环的磁导率。

2 开环式磁通门电流传感器磁环设计

2.1 磁环设计的理论基础

在进行磁环设计前引入磁感应强度

H=B/μ

(2)

将式(2)代入式(1)得到

∮H·dl=∑I

(3)

上述公式是对一根导线中的电流进行分析,如果被测导线均匀缠绕在磁环上,那么同样满足有磁介质时的安培环路定理,则公式可以简化为

Hl=NI

(4)

式中N为线圈匝数,l为磁路的平均长度,则传感器的输出为

(5)

式中k为比例系数,与传感器的特性有关。根据以上公式可得,当磁环的磁导率为定值时,传感器的输出与待测电流成线性关系。而由于磁环的磁滞特性,只有工作在线性区间内,磁环的磁导率才是恒定值,因此必须选择低矫顽力HC和高饱和强度BS的磁环。本文通过仿真设计磁芯的各项参数,获得磁芯开口处的磁感应强度的最大值。

2.2 磁环材料的选择

常见的高磁导率材料有铁基非晶合金、硅钢、铁氧体等,其性能指标如表1所示。

表1 常见磁材料的性能指标

其中,铁氧体和其他材料相比,磁导率和磁饱和感应强度是最低的,所以不做选用；铁基纳米合金虽有较高磁导率,但不适用于工作在线性段的传感器；硅钢片磁导率和磁饱和强度很高,但其电阻率太小,在高频时涡流损耗很大,广泛地应用于低频场合。最后选择磁材料为铁基非晶合金。

2.3 磁环尺寸参数设计

2.3.1 磁环的开口大小设计

聚磁环是开环式的,但开环后会发生漏磁,降低磁场传感器检测的磁通,所以应该设计合适的开口尺寸。磁场传感器尺寸为5 mm×5 mm×1 mm,磁环的开口宽度至少为6 mm,同时磁环的厚度不能低于5 mm,磁环的高度不能够低于1 mm,从而保证磁场传感器的整个侧面都处在磁环的开口的内部。

2.3.2 磁环的内径变化仿真

在磁环上缠绕两圈导线增加其灵敏度。确定磁环内径为16 mm,磁环厚度最小为5 mm,故磁环外径最小为26 mm。磁场传感器作为测量元件,不含导磁成份,对被测磁场影响很小,所以其相对磁导率设置为1。建立的仿真模型如图2所示。

图2 建立的仿真模型

设置参数化扫描范围,限定内径的扫描范围从16 mm到32 mm,即半径从8 mm到16 mm,扫描步长为2 mm。根据理论分析可知,当磁芯的内径增大后,磁芯的磁路长度会增大,导致传感器的灵敏度下降。绘制出磁芯内径参数化扫描仿真结果如图3所示。由图3可知,固定磁芯厚度后,随着磁芯内径的增大,磁场传感器截面处的磁感应强度的平均值逐渐减小。因此,当磁环的厚度不变时,磁芯的内径越小,聚磁效果越好,在开口处产生的磁感应强度越大,所以内径的值应定为16 mm。

图3 磁芯内径参数化扫描仿真结果

2.3.3 磁环的厚度变化仿真

磁环的内外径之差为磁芯的厚度,因此确定磁芯外径,就需要分析磁芯的厚度对开口处磁感应强度的影响。根据理论分析,越靠近电流位置磁感应强度越大,边缘处存在漏磁并且磁芯开口的中心位置漏磁较少,所以磁场传感器放置的最佳位置是在磁芯的中心位置。由于传感器的宽度是5 mm,先选定厚度为10 mm的磁芯,其面上磁感应强度的分布如图4所示。

图4 传感器水平面的磁感应强度

可以看出,由于存在漏磁,在磁环开口处整体的磁感应强度相比磁环内部降低了很多,而开口内侧的磁感应强度要比外侧强,这与之前的理论分析是一致的,结合图4的仿真结果可知,传感器放在磁芯的开口中心位置最佳。

限定磁芯厚度的扫描范围为5～10 mm,步长为1 mm。分析其平均磁感应强度的分布状况,结果如图5(a)所示。由图5(a)可以看出,随着磁环厚度增加,截面的平均磁感应强度先有略微增大,然后开始逐渐减小。这是因为磁场传感器整体靠近磁环截面的中心的位置,由于磁环开口中心处漏磁较少,此时检测到的磁场强度会有一定的增加。而随着磁环厚度的继续增加,磁环的开口大小也在增加,磁环的磁路长度也随之增加,会导致漏磁越来越多,此时检测到的磁感应强度会减小。

磁芯厚度的增加只会略微增大磁场传感器检测到的磁感应强度,在厚度为8 mm时就基本上达到了最大值,即外径为32 mm最佳。

2.3.4 磁环的高度变化仿真

根据前文分析,磁环要保证磁场传感器在其开口内部,其高度最低为1 mm,扫描步长为1 mm。绘制磁场传感器截面上平均磁感应强度的变化,仿真结果如图5(b)所示。从图5(b)中可以看出,在磁环高度变化的过程中,截面检测到的平均磁感应强度的值先略有增大,然后开始逐渐减小。这是因为磁场传感器始终处于距离磁芯底部1 mm的位置,而磁芯的开口边沿会有一定的漏磁。当磁芯高度增加后,磁场传感器远离磁芯的开口边沿,因此平均磁感应强度略有提升。但是随着磁芯高度的增加,开口面积、漏磁也会逐渐增加。由图中可以看出,磁芯的高度为3 mm时,截面的平均磁感应强度已经达到最大值,因此磁芯的高度设置为3 mm最佳。

图5 磁环厚度、高度参数化扫描仿真结果

通过上述仿真,可以确定铁基非晶合金磁环的参数为：内径16 mm,外径32 mm,厚度为8 mm,高度为3 mm。根据此参数所定制的磁芯如图6所示。

图6 磁环实物

3 实验验证

实验测试平台如图7所示,任意波形信号发生器的输出连接功率放大器,功率放大器的输出连接限流电阻,并穿绕磁环构成回路,以模拟不同波形和电流值的漏电。示波器的一通道使用电流钳表探头采集线路中的电流波形,二通道采集传感器的输出电压。

图7 实验测试平台

实验中,调节任意信号发生器输出0～10 kHz正弦波扫频,调节电阻RL使线路中的电流值为30 mA。绘制加有聚磁环后的磁场传感器幅频特性如图8所示。可知传感器的带宽为：6 700 Hz(-3 dB)。

图8 传感器的幅频特性曲线

通过输出不同的直流电流值,对加有聚磁环的磁场传感器和普通传感器进行灵敏度测试,实验数据曲线如图8所示。对图9(a)的数据进行拟合,获得的线性公式为y=0.15x,即灵敏度为0.15 V/A,线性误差为0.020 5 %；同样图9(b)的公式为y=1.54x,即灵敏度为1.54 V/A,线性误差为0.002 1 %,线性误差减少了0.0184 %。

图9 无/有磁环磁场传感器拟合曲线

4 结 论

本文提出的开环式聚磁环选择铁基非晶合金材料,并通过仿真确定了磁环的内径为16 mm,外径为32 mm,厚度为8 mm,高度为3 mm。实验结果表明：设计的开环式聚磁环结构的磁通门电流传感器检测剩余电流的带宽达6.7 kHz,灵敏度为1.54 mV/mA,线性误差为0.0021 %,满足复杂剩余电流波形的准确检测。