楊 卓, 蔡曉斌, 吳 波, 譚向宇, 張文斌, 李 彤

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院,云南 昆明 650504;2.昆明理工大學 機電工程學院,云南 昆明 650504)

0 引 言

因光伏發(fā)電、新能源汽車、直流充電樁等直流設備的不斷增加,產生的剩余電流含有多種直流成份,并且越來越復雜。為解決含有直流信號的剩余電流檢測問題,實現交直剩余電流的有效檢測和漏電保護就顯得更為重要[1～6]。文獻[3]提出了簡化的磁調制交、直流剩余電流檢測方法。文獻[4,5]提出通過勵磁電流實現交直剩余電流的檢測。文獻[7,8]介紹了一種通過硬件設計實現脈動直流剩余電流信號的檢測與保護。文獻[9]將“國網芯”交直流混合漏電監(jiān)測技術與監(jiān)測保護等模塊結合運用在光伏發(fā)電系統中。文獻[10]將全電流敏感型RCD應用在電動汽車的充電裝置中,用于檢測交直剩余電流,以保護設備以及人身安全。近幾年來,隨著磁調制式剩余電流檢測技術研究的深入,A型剩余電流保護器可以檢測到直流和脈動直流形式的剩余電流[11]。并且國內外許多學者對剩余電流的檢測方法和電流波形的識別方法進行了深入的研究,為復雜波形剩余電流檢測系統的設計提供了理論支撐[12]。

磁通門傳感器作為一種擁有良好綜合性能的弱磁場測量器件[13],可以測直流、交流產生的磁場,并且還具有零點穩(wěn)定性好、溫漂小、分辨率高的優(yōu)點,在測量磁場方面有較大優(yōu)勢[14]。

本文提出了一種基于開環(huán)式磁通門的交直流漏電流檢測方法,通過仿真設計了磁環(huán)參數。

1 磁通門電流傳感器的結構及原理

磁通門電流傳感器原理如圖1所示。

圖1 磁通門電流傳感器測量原理

磁通門電流傳感器主要由磁環(huán)、通電線圈、磁通門磁場傳感器以及放大濾波電路四部分組成。磁通門磁場傳感器可以輸出與磁場正比的電壓信號,通過測量剩余電流產生的磁感應強度來間接測出電流的大小。此外,磁感應強度的大小與穿過該回路的總電流和真空中的磁導率有關。對于剩余電流來說,通過人體安全電流不允許超過30 mA,并且空氣的磁導率很小,因此直流剩余電流在空氣中產生的磁感應強度很弱,此時磁通門傳感器就很難測出剩余電流的值,這就要求傳感器具有很高的靈敏度。

通過上述分析可知,增加一個磁導率較高的磁芯可以提高傳感器的靈敏度,或者在磁環(huán)上纏繞更多的線圈,使環(huán)形磁路內微弱的直流剩余電流可以產生很大的磁感應強度。本文研究的方法是使用一個磁導率很高的磁環(huán),增加聚磁環(huán)能力,能更容易測得微弱的直流剩余電流產生的磁場。對于磁通門電流傳感器,增加磁環(huán)后有磁介質時的安培環(huán)路定理

(1)

式中μ=μrμ0,μ為磁環(huán)的磁導率。

2 開環(huán)式磁通門電流傳感器磁環(huán)設計

2.1 磁環(huán)設計的理論基礎

在進行磁環(huán)設計前引入磁感應強度

H=B/μ

(2)

將式(2)代入式(1)得到

∮H·dl=∑I

(3)

上述公式是對一根導線中的電流進行分析,如果被測導線均勻纏繞在磁環(huán)上,那么同樣滿足有磁介質時的安培環(huán)路定理,則公式可以簡化為

Hl=NI

(4)

式中N為線圈匝數,l為磁路的平均長度,則傳感器的輸出為

(5)

式中k為比例系數,與傳感器的特性有關。根據以上公式可得,當磁環(huán)的磁導率為定值時,傳感器的輸出與待測電流成線性關系。而由于磁環(huán)的磁滯特性,只有工作在線性區(qū)間內,磁環(huán)的磁導率才是恒定值,因此必須選擇低矯頑力HC和高飽和強度BS的磁環(huán)。本文通過仿真設計磁芯的各項參數,獲得磁芯開口處的磁感應強度的最大值。

2.2 磁環(huán)材料的選擇

常見的高磁導率材料有鐵基非晶合金、硅鋼、鐵氧體等,其性能指標如表1所示。

表1 常見磁材料的性能指標

其中,鐵氧體和其他材料相比,磁導率和磁飽和感應強度是最低的,所以不做選用；鐵基納米合金雖有較高磁導率,但不適用于工作在線性段的傳感器；硅鋼片磁導率和磁飽和強度很高,但其電阻率太小,在高頻時渦流損耗很大,廣泛地應用于低頻場合。最后選擇磁材料為鐵基非晶合金。

2.3 磁環(huán)尺寸參數設計

2.3.1 磁環(huán)的開口大小設計

聚磁環(huán)是開環(huán)式的,但開環(huán)后會發(fā)生漏磁,降低磁場傳感器檢測的磁通,所以應該設計合適的開口尺寸。磁場傳感器尺寸為5 mm×5 mm×1 mm,磁環(huán)的開口寬度至少為6 mm,同時磁環(huán)的厚度不能低于5 mm,磁環(huán)的高度不能夠低于1 mm,從而保證磁場傳感器的整個側面都處在磁環(huán)的開口的內部。

2.3.2 磁環(huán)的內徑變化仿真

在磁環(huán)上纏繞兩圈導線增加其靈敏度。確定磁環(huán)內徑為16 mm,磁環(huán)厚度最小為5 mm,故磁環(huán)外徑最小為26 mm。磁場傳感器作為測量元件,不含導磁成份,對被測磁場影響很小,所以其相對磁導率設置為1。建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 建立的仿真模型

設置參數化掃描范圍,限定內徑的掃描范圍從16 mm到32 mm,即半徑從8 mm到16 mm,掃描步長為2 mm。根據理論分析可知,當磁芯的內徑增大后,磁芯的磁路長度會增大,導致傳感器的靈敏度下降。繪制出磁芯內徑參數化掃描仿真結果如圖3所示。由圖3可知,固定磁芯厚度后,隨著磁芯內徑的增大,磁場傳感器截面處的磁感應強度的平均值逐漸減小。因此,當磁環(huán)的厚度不變時,磁芯的內徑越小,聚磁效果越好,在開口處產生的磁感應強度越大,所以內徑的值應定為16 mm。

圖3 磁芯內徑參數化掃描仿真結果

2.3.3 磁環(huán)的厚度變化仿真

磁環(huán)的內外徑之差為磁芯的厚度,因此確定磁芯外徑,就需要分析磁芯的厚度對開口處磁感應強度的影響。根據理論分析,越靠近電流位置磁感應強度越大,邊緣處存在漏磁并且磁芯開口的中心位置漏磁較少,所以磁場傳感器放置的最佳位置是在磁芯的中心位置。由于傳感器的寬度是5 mm,先選定厚度為10 mm的磁芯,其面上磁感應強度的分布如圖4所示。

圖4 傳感器水平面的磁感應強度

可以看出,由于存在漏磁,在磁環(huán)開口處整體的磁感應強度相比磁環(huán)內部降低了很多,而開口內側的磁感應強度要比外側強,這與之前的理論分析是一致的,結合圖4的仿真結果可知,傳感器放在磁芯的開口中心位置最佳。

限定磁芯厚度的掃描范圍為5～10 mm,步長為1 mm。分析其平均磁感應強度的分布狀況,結果如圖5(a)所示。由圖5(a)可以看出,隨著磁環(huán)厚度增加,截面的平均磁感應強度先有略微增大,然后開始逐漸減小。這是因為磁場傳感器整體靠近磁環(huán)截面的中心的位置,由于磁環(huán)開口中心處漏磁較少,此時檢測到的磁場強度會有一定的增加。而隨著磁環(huán)厚度的繼續(xù)增加,磁環(huán)的開口大小也在增加,磁環(huán)的磁路長度也隨之增加,會導致漏磁越來越多,此時檢測到的磁感應強度會減小。

磁芯厚度的增加只會略微增大磁場傳感器檢測到的磁感應強度,在厚度為8 mm時就基本上達到了最大值,即外徑為32 mm最佳。

2.3.4 磁環(huán)的高度變化仿真

根據前文分析,磁環(huán)要保證磁場傳感器在其開口內部,其高度最低為1 mm,掃描步長為1 mm。繪制磁場傳感器截面上平均磁感應強度的變化,仿真結果如圖5(b)所示。從圖5(b)中可以看出,在磁環(huán)高度變化的過程中,截面檢測到的平均磁感應強度的值先略有增大,然后開始逐漸減小。這是因為磁場傳感器始終處于距離磁芯底部1 mm的位置,而磁芯的開口邊沿會有一定的漏磁。當磁芯高度增加后,磁場傳感器遠離磁芯的開口邊沿,因此平均磁感應強度略有提升。但是隨著磁芯高度的增加,開口面積、漏磁也會逐漸增加。由圖中可以看出,磁芯的高度為3 mm時,截面的平均磁感應強度已經達到最大值,因此磁芯的高度設置為3 mm最佳。

圖5 磁環(huán)厚度、高度參數化掃描仿真結果

通過上述仿真,可以確定鐵基非晶合金磁環(huán)的參數為：內徑16 mm,外徑32 mm,厚度為8 mm,高度為3 mm。根據此參數所定制的磁芯如圖6所示。

圖6 磁環(huán)實物

3 實驗驗證

實驗測試平臺如圖7所示,任意波形信號發(fā)生器的輸出連接功率放大器,功率放大器的輸出連接限流電阻,并穿繞磁環(huán)構成回路,以模擬不同波形和電流值的漏電。示波器的一通道使用電流鉗表探頭采集線路中的電流波形,二通道采集傳感器的輸出電壓。

圖7 實驗測試平臺

實驗中,調節(jié)任意信號發(fā)生器輸出0～10 kHz正弦波掃頻,調節(jié)電阻RL使線路中的電流值為30 mA。繪制加有聚磁環(huán)后的磁場傳感器幅頻特性如圖8所示?？芍獋鞲衅鞯膸挒椋? 700 Hz(-3 dB)。

圖8 傳感器的幅頻特性曲線

通過輸出不同的直流電流值,對加有聚磁環(huán)的磁場傳感器和普通傳感器進行靈敏度測試,實驗數據曲線如圖8所示。對圖9(a)的數據進行擬合,獲得的線性公式為y=0.15x,即靈敏度為0.15 V/A,線性誤差為0.020 5 %；同樣圖9(b)的公式為y=1.54x,即靈敏度為1.54 V/A,線性誤差為0.002 1 %,線性誤差減少了0.0184 %。

圖9 無/有磁環(huán)磁場傳感器擬合曲線

4 結 論

本文提出的開環(huán)式聚磁環(huán)選擇鐵基非晶合金材料,并通過仿真確定了磁環(huán)的內徑為16 mm,外徑為32 mm,厚度為8 mm,高度為3 mm。實驗結果表明：設計的開環(huán)式聚磁環(huán)結構的磁通門電流傳感器檢測剩余電流的帶寬達6.7 kHz,靈敏度為1.54 mV/mA,線性誤差為0.0021 %,滿足復雜剩余電流波形的準確檢測。