劉畢杰　許鐸　侯延鵬

摘 要：直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測領(lǐng)域?qū)β╇娏鱾鞲衅鳒y量精度要求極高，需要使用高精度直流傳感器以檢測支路出現(xiàn)絕緣下降時的漏電流。因此，研制出一種頻帶寬、靈敏度好、精確度高的直流小電流傳感器具有重要的理論意義和實用價值。本文設(shè)計了一種新型直流小電流傳感器，利用導(dǎo)磁材料的B-H 間的磁滯特性采用單一線圈的自激勵，將電流的變化轉(zhuǎn)化成脈沖寬度的改變。本文對其進行了硬件設(shè)計，并進行了基于Multisim的仿真。

關(guān)鍵詞：絕緣監(jiān)測；B-H磁滯特性；直流小電流傳感器

0 引言

直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測領(lǐng)域?qū)β╇娏鱾鞲衅鳒y量精度要求極高，需要使用高精度直流傳感器以檢測支路出現(xiàn)絕緣下降時的漏電流。因此，研制出一種頻帶寬、靈敏度好、精確度高的直流小電流傳感器具有重要的理論意義和實用價值。目前，在市場中流行的電流傳感器種類比較多，其功能各有不同，各有優(yōu)缺點。

1 傳感器電路設(shè)計

所設(shè)計的傳感器電路主要包括振蕩電路、濾波電路、放大電路、調(diào)零電路等。其中振蕩電路是將測試信號轉(zhuǎn)換為矩形波信號，濾波電路是將矩形波流信號進行濾波，放大電路是將濾波后的信號進行放大。調(diào)零電路是將放大后的電路在不測量情況下進行調(diào)零，以保證在測量信號時能輸出信號。

振蕩電路的目的是得到幅值穩(wěn)定的采樣信號。本傳感器的振蕩電路是經(jīng)過由電感構(gòu)成的振蕩電路的高低電平的時間寬度的不同而測量電感的變化，來求取電流值。振蕩電路如圖1所示。在輸入信號的高低電平信號的變換下，電阻R5和電感L1共同構(gòu)成了RL換能電路。運算放大器U1A和R3及R4共同構(gòu)成了具有遲滯特性的反相滯回比較器，其上限閾值電壓為：

i（t） 是按照指數(shù)規(guī)律變化的電流，電阻R5上的電流就是電感L1中的電流，所以電阻R5兩端電壓按指數(shù)規(guī)律增加。因為Ul是反相滯回比較器的輸入，所以，隨著電流的增加，UL端電壓將增加。當Ul端電壓高于上限閾值時，輸出Uo將會翻轉(zhuǎn)，由+Uz變?yōu)?Uz，電感中的電流將按照指數(shù)變化規(guī)律緩慢減小。在R5兩端電壓減小時，Ul端電壓也會下降，當Ul端電壓低于下限閾值時，比較器再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在輸出端Uo輸出高電平Uz，電感電流緩慢增大，進入下一周期循環(huán)。

在公式（3）中，當對應(yīng)輸出的為高電平時，i（∞）為，當對應(yīng)輸出的為低電平時，i（∞）為。i（0+）為電感電流的初始值，對應(yīng)輸出為高電平時，i（0+）為，對應(yīng)輸出為低電平時，i（0+）為。τ是電路的時間常數(shù)，為：。

綜上，輸出矩形波的高低電平寬度為：

由上式得出，電阻R3的變化會同時影響三個指標，R1和R2的并聯(lián)值則影響濾波電路的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)，R2不影響通帶增益，但是電容C并不影響帶通濾波電路的增益和品質(zhì)因數(shù)[5]。

調(diào)零電路：調(diào)零電路的作用是當在檢測電流信號時，調(diào)零電路輸出的信號會根據(jù)檢測信號形成一定的變化，通過標定后，即可實現(xiàn)檢測的目的。通過滑動變阻器的切換，使內(nèi)部左右兩個性能一致的電阻分別與對應(yīng)分配電阻構(gòu)成并聯(lián)狀態(tài)，工作在校零的狀態(tài)。通過外接電源輔助調(diào)零電路，可以改善運算放大電路的輸入失調(diào)電壓過大或者無法調(diào)零的狀況。

當經(jīng)過一級放大電路的輸出信號為正向電流時，調(diào)零電路通過將滑動變阻器向左滑動，使調(diào)零電路輸出與其大小相等方向相反的電流信號，從而使最后的輸出電流保證為零。同理，當一級放大電路輸出反向電流時，亦能保證輸出電流為零，從而達到調(diào)零的目的。

2 直流小電流傳感器仿真驗證

根據(jù)各模塊電路設(shè)計，使用Multisim完成了直流小電流傳感器的整體電路設(shè)計，得到圖4所示仿真電路圖。

（1）對振蕩電路進行仿真，得到的波形如圖5所示。

由圖5，輸入12V的直流信號，輸出電壓為10.7V、頻率為120Hz電壓信號。所以傳感器線圈能感應(yīng)出直流系統(tǒng)中存在的電流，振蕩電路的輸出矩形波的高低電平寬度會隨著電流變化，該電路滿足設(shè)計要求。

（2）對濾波電路進行仿真，得到的波形如圖6所示。

由圖6，濾波電路濾除了方波信號中的諧波信號，輸出信號是一個近似正弦波的電壓信號，滿足設(shè)計要求。

（3）對該調(diào)零電路進行仿真實驗，得到的波形如圖7所示。

從圖7可知，此電路能夠完成調(diào)零功能，電壓等級可達到100uV，滿足設(shè)計要求。

為使仿真結(jié)果更加清晰，將一級放大電路和調(diào)零電路的輸出結(jié)果接入示波器XSC2，得到仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，在10.588ms時，一級放大電路的輸出電壓為-26.098mV，調(diào)零電路的輸出電壓為+26.098mV。此時，直流小電流傳感器的輸出結(jié)果為零，檢測精度小于100uV。

綜上，經(jīng)過濾波電路、一級放大電路，得到一個電壓信號，其后通過改變可調(diào)變阻器阻值，使輸出結(jié)果為零。這樣，就達到了直流小電流傳感器的工作目的。通過多次仿真實驗，證明了此傳感器在檢測精度在100uA以上。

3 結(jié)論

針對直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測領(lǐng)域直流漏電流傳感器檢測精度不足的問題，本文提出了一種直流小電流傳感器，具有穿心式、高靈敏度、寬量程、小體積、低成本的特點。其主要通過振蕩、濾波、放大、調(diào)零等步驟以實現(xiàn)對小電流的檢測。通過仿真分析，驗證了其檢測精度達到100uA數(shù)量級。

本課題受吉林市科技創(chuàng)新發(fā)展計劃項目（20165011）、吉林市科技創(chuàng)新發(fā)展計劃項目（20161209）資助

參考文獻

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作者簡介：

劉畢杰（1995—），男，漢族，重慶，研究生，單位：東北電力大學(xué)，研究方向：智能檢測與控制

（作者單位：1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院 2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司本溪供電公司）