張建永，賈云濤，胡耀元，岳偉，張勝強

(北京無線電計量測試研究所，北京100039)

0 引言

隨著能量消耗的不斷增加和利用效率的提高，大電流技術成為能量的產生、傳輸、釋放、控制方面的一個新興領域，并被廣泛應用在電力、電化學、核能技術、強磁場產生技術、脈沖功率技術等多個高端技術領域［1-3］。

大電流測量系統(tǒng)一般從被測電流的回路開始，利用傳感器測得比例的電壓，經過高頻傳送回路到測量儀器。傳感器是大電流測量的關鍵部件，其特性決定了測量的準確性。大電流測量用傳感器主要有霍爾元件、Rogowski 線圈、分流器等［4-5］。

分流器測量交流、脈沖大電流精度高，階躍響應特性好，使用簡便，參數(shù)穩(wěn)定。但大電流中瞬變量的頻率較高時，分流器的趨膚效應會對測量結果產生較大誤差。分流器本質是一個穩(wěn)定的電阻，其中的殘余電感會對后端采樣測量電壓有影響。同軸盤式分流器一般都指制成平面型的盤式電阻器。同軸盤式分流器具有很好的低感特性，其階躍響應上升時間可以達到ns 級。電阻材料可采用碳膜或金屬，通常安裝在同軸傳輸線的末端，由盤的中心及邊緣取出電壓信號，然后經由高頻同軸電纜把信號傳至測量端［6］。

基于以上現(xiàn)狀，設計了一種盤式分流器，與CS1622 數(shù)據(jù)采集卡結合組建了大電流測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)中盤式分流器阻值為0.01 Ω，可用于測量50 Hz ～10 kHz，1 ～100 A 交流、脈沖電流。數(shù)據(jù)采集卡可實時顯示電流波形，測量準確度達到0.1%。系統(tǒng)對于大電流精確計量有重要的意義。

1 盤式分流器的設計

1.1 盤式分流器的原理

設定電阻材料的導磁率為μ，電阻率為ρ。電流從圓盤的中心到達分流器時開始穿過電阻膜，對稱地由中心向四周流動，電流密度均勻。這一過程與電磁波沿傳輸線傳播類似。電感分析圖見圖1。

圖1 盤式分流器的電感分析圖

電流密度δk在圓盤上均勻分布。設與電流密度δk相交鏈的磁場密度為Hk，則有

即徑向電流不形成電感。

當電流沿厚度方向流動時，根據(jù)安培環(huán)路定律

則

得到

電感量

式中:D 為電阻片的外部直徑;d 為內部直徑;L 為電阻片厚度。對于非磁性的金屬電阻膜，μ=μ0=4π×10-7H/m，金屬薄膜的厚度為cm 數(shù)量級時，電感RL的范圍:10-7～10-5H。

可見，盤式分流器只有沿厚度方向有電感，且電感值相對較?。?-9］。

另可計算得到盤式分流器的方波上升時間公式為［10］

有μ=μ0=4π×10-7H/m，銅的電阻率ρ=1.75×10-8Ωm，當L=10 μm，tr=1.7ns?？梢?，有很好的頻率響應特性。

1.2 盤式分流器的結構設計

盤式分流器一般為薄膜金屬圓盤(環(huán)狀圓盤)，內外邊緣可作為電流的輸入端(例如，內外邊緣分別連接同軸電纜末端的內外導體)，同時也作為測量端。電流在薄的電阻盤中徑向均勻流動，測量信號受雜散電感影響很小，適用于測量快速變化的電流。盤式分流器也可由大量小阻值電阻并聯(lián)組成，電阻的一端在圓心相連，另一端連接成圓盤的外環(huán)。

本文采用全金屬材料、并聯(lián)寬頻大功率小電阻設計了一種盤式分流器。盤式分流器主要包括依次連接的上面板、紫銅圓盤、電阻和下面板。上面板輸入端的丁頭正端與紫銅圓盤中心孔通過電路焊接連接;紫銅圓盤邊緣與12 個電阻電路焊接連接，電阻另一端焊接到下面板邊緣;紫銅圓盤中心孔與下面板的輸出端N 型頭的正端電路焊接連接。盤式分流器結構效果圖如圖2所示。

圖2 盤式分流器結構圖

上面板結構如圖3所示。上面板由兩部分組成，兩部分之間為機械螺絲連接，方便組裝。上面板整體為長方體，中心凹進為圓柱體。上面板正面連接同軸丁頭，丁頭的負端與上面板整體導通。上面板圓柱體邊緣留有等分的12 個凹進去的長方體，為電阻焊接留下足夠的空間。

圖3 上面板結構圖

紫銅圓盤結構如圖4所示。紫銅圓盤的中心孔與上面板丁頭的正端、下面板N 型頭的正端通過銅線電路焊接在一起。紫銅圓盤的邊緣有等分的12 個圓孔用來固定和電路焊接的12 個電阻。紫銅圓盤上還有2 個固定通孔，用絕緣螺絲固定在下面板上。

圖4 紫銅圓盤、電阻結構圖

電阻的組裝方式如圖4所示。先在紫銅圓盤和下面板的12 個圓孔上螺絲固定紫銅片，再將電阻一邊焊接在紫銅圓盤的固定紫銅片上，另一邊焊接在下面板的固定紫銅片上。

下面板結構如圖5所示。下面板正面連接同軸N型頭，N 型頭的負端與下面板整體導通，N 型頭正端與紫銅圓盤中心孔相連。

圖5 下面板結構圖

盤式分流器實物圖見圖6。其中大電流由前面板的丁頭輸入，經過丁頭正端流到紫銅圓盤，經過12 路電阻到下面板，下面板與上面板是相通的，電流回到上面板，即丁頭負端，形成回路。下面板的N 型頭正端從紫銅圓盤電阻端、負端從下面板采取電壓信號。此盤式分流器即可實現(xiàn)將大電流轉化為電壓進行測量。

圖6 盤式分流器實物圖

1.3 盤式分流器特點

電阻為VISHAY 公司的CSM 系列電阻，阻值為0.12 Ω，可通過最大電流為10 A 或者功率為20 W。此盤式分流器具有以下優(yōu)點:

1)電阻排列及接口設計均用同軸結構，對稱性好，外部采用金屬圓桶，能減少分布參數(shù)影響，屏蔽雜散磁場，趨膚效應好。信號經同軸接口輸出，失真度小;

2)各部件由紫銅制成，表面鍍銀，導電性好，整體結構都為金屬材料，散熱性好，能長時間測量而不影響測量精度;

3)采用大功率、頻帶寬的穩(wěn)定電阻，長時間通過電流不會因過度發(fā)熱而導致電阻值發(fā)生改變并影響測量數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)采集卡

測試系統(tǒng)中的電壓頻率最高達到10 kHz，其波形持續(xù)時間短，很難精確測量。為此我們選定美國Dynamic System 公司型號為CS1622 的高速數(shù)據(jù)采集卡，其采樣速率達到200 MS/s，帶寬125 MHz，分辨力為16 位。高速數(shù)據(jù)采集卡采用SMA 接口，由同軸屏蔽線接到阻抗匹配連接器電壓端N 型接口，減小了高頻信號傳輸?shù)膿p耗和電磁干擾。測量程序采用多次測量取平均值，同時清除噪聲干擾，保證測量數(shù)據(jù)準確可靠。

2 系統(tǒng)組建和測量結果分析

盤式分流器的直流阻值按照直流標準電阻采用直流電流比較儀式電橋校準。其交流電阻采用比較法測量，即標準交流電流源輸出穩(wěn)定電流依次通過盤式分流器和標準分流器A40B，測量兩個分流器上電壓，因相同電流可由分流器A40B 阻值計算得到盤式分流器交流阻值。

盤式分流器經計量校準不同頻率點阻值如表1所示。其中不同頻率下盤式分流器的阻值相對變化最大為1.5×10-4，可以看出盤式分流器頻帶很寬，符合大電流的校準要求。

表1 盤式分流器100 A 時頻率阻值

測試系統(tǒng)由超級大電流源52120A/脈沖電流源LDI-928-25 輸出大電流，經過盤式分流器由數(shù)據(jù)采集卡測得電壓，計算得到電流值。系統(tǒng)連接圖見圖7。

圖7 系統(tǒng)連接圖

數(shù)據(jù)采集卡CS1622 有軟件GagaScope，可以設置采樣速率、耦合方式等，直接測量有效值、幅值、上升時間、周期等量值，見圖8。

圖8 測量量值顯示

實驗中超級大電流源52120A 輸出100 A，10 kHz電流，經過分流器轉化為電壓，在數(shù)據(jù)采集卡軟件中顯示的波形如圖9所示。

圖9 實驗結果波形圖

3 結論

設計了一種寬頻大電流盤式分流器，建立了大電流測試系統(tǒng)，可對100 A，10 kHz 電流的有效值、幅值、周期、上升時間等參數(shù)進行精確測量。盤式分流器采用同軸結構，屏蔽了外部干擾，趨膚效應小;紫銅金屬材料散熱性能好，適合大電流測量;選用寬頻大功率電阻溫度漂移小，穩(wěn)定性好。系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)采集卡測量各種參數(shù)，測量準確度高，便于大電流測試。

表2 100 A，10 kHz 交流電流測量結果

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