徐慧

【摘 要】積分電路中電流傳感器是電力系統(tǒng)電能測(cè)量及保護(hù)監(jiān)控的重要器件，其關(guān)鍵作用是根據(jù)一定比例系數(shù)，將積分電路上的大電流直接進(jìn)行分化與降低，從而能夠在儀表上使用。電流傳感器的測(cè)量精準(zhǔn)度、安全性是確保積分電路可靠、經(jīng)濟(jì)的根本。文章對(duì)積分電路中電流傳感器性能的優(yōu)化進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵詞】積分電路；電流傳感器；性能；優(yōu)化

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP212 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）09-0091-02

1 電流傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 對(duì)二次螺旋線(xiàn)圈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

互感系數(shù)的大小將直接影響到傳感器整體性能的優(yōu)異程度，而且對(duì)于空心線(xiàn)圈的電流傳感器而言，互感系數(shù)具有更大的作用。一次直導(dǎo)體和二次線(xiàn)圈的間距及相處角度、二次線(xiàn)圈匝數(shù)和其自身實(shí)際面積都會(huì)對(duì)電流傳感器的互感系數(shù)造成影響，此外，還應(yīng)該將二次內(nèi)電阻、電流自感作為影響互感系數(shù)的潛在因素。在給電過(guò)程中，一次直導(dǎo)體的周邊是磁場(chǎng)最為強(qiáng)大的位置，所以提高二次線(xiàn)圈在該位置的實(shí)際面積可以有效地提升電流傳感器的互感因數(shù)。此外，對(duì)一次直導(dǎo)體和二次線(xiàn)圈相處位置及角度進(jìn)行分析，如果一次導(dǎo)體處于二次線(xiàn)圈的右邊緣處，那么整個(gè)電流傳感器便會(huì)擁有最佳的工作效率；與此同時(shí)，二次線(xiàn)圈半徑及長(zhǎng)度發(fā)生變化，也會(huì)對(duì)互感系數(shù)造成巨大的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析確定，二次線(xiàn)圈的實(shí)際面積必須保持在一定范圍內(nèi)，倘若面積超出范圍，會(huì)在提高測(cè)試靈敏度的同時(shí)，大幅度降低電流傳感器的精準(zhǔn)度；偶數(shù)個(gè)二次線(xiàn)圈必須相互緊湊安置，只有這樣才能在受到外界干擾磁場(chǎng)的影響過(guò)程中最大限度地降低磁場(chǎng)的不均勻效應(yīng)，進(jìn)而提升電流傳感器的抗干擾水平；當(dāng)然，二次螺旋線(xiàn)圈的匝數(shù)也在一定控制范圍之內(nèi)，超出這個(gè)控制范圍，線(xiàn)圈匝數(shù)增加，其自身內(nèi)電阻和自感現(xiàn)象也會(huì)變得更加明顯，從而對(duì)電流傳感器的性能帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)。

1.2 研究二次互感線(xiàn)圈對(duì)電流傳感器性能的影響

理想狀態(tài)下任何一層線(xiàn)圈的幾何參數(shù)均保持一致，即它們的自感及雜散電容L和C滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

L=L1+L2+…+Ln=nLn（1）

■=■+■+…+■=■（2）

將公式（1）、公式（2）帶入到固定頻率公式當(dāng)中，可以得到電流傳感器線(xiàn)圈的固定頻率：

f=■=■=■（3）

從公式（3）中可以發(fā)現(xiàn)，將n層pcb板進(jìn)行搭建，其最終的合成互感系數(shù)是原先的n倍，可是其固定頻率沒(méi)有發(fā)生改變。因此，得出以下結(jié)論：匝數(shù)少或是pcb層數(shù)少的繞組線(xiàn)圈擁有更加出色的頻率特點(diǎn)，而且在檢測(cè)高頻特性電流及擁有較多高次諧波電流環(huán)節(jié)中性能更加優(yōu)越，與此同時(shí)，一層線(xiàn)圈也存在明顯的缺陷，即自身的互感系數(shù)相比于多層線(xiàn)圈而言相差很多，所以在檢測(cè)低頻電流時(shí)很難擁有和多層線(xiàn)圈一樣的靈敏程度。根據(jù)以上問(wèn)題，在設(shè)計(jì)電流互感器時(shí)，要盡可能地維持線(xiàn)圈原本的帶寬，且還要保證線(xiàn)圈的靈敏度不受到破壞。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)分析，pcb平面螺旋形空心線(xiàn)圈電流傳感器使用多個(gè)雙層板，并且相互進(jìn)行串聯(lián)，可以有效達(dá)到這一目標(biāo)。該設(shè)計(jì)擁有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，可以通過(guò)提升雙層板的數(shù)量來(lái)擴(kuò)大互感系數(shù)，這樣有利于電流傳感器的性能優(yōu)化；第二，考慮到線(xiàn)圈內(nèi)電阻和自感系數(shù)對(duì)電流傳感器的影響，可以確保最小內(nèi)電阻及最大互感的共同存在。

2 數(shù)字積分電路的優(yōu)化及設(shè)計(jì)

在大多數(shù)積分電路當(dāng)中低頻干擾次數(shù)普遍較少，主要存在的干擾包括以下兩種：基波及高頻諧波。所以，在pcb繞組線(xiàn)圈當(dāng)中，電流傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)首先會(huì)通過(guò)數(shù)字信號(hào)/模擬信號(hào)串口，在該串口進(jìn)行轉(zhuǎn)變之后，再進(jìn)入數(shù)字低通濾波設(shè)備（LPF），通過(guò)LPF可以很好地過(guò)濾掉高頻諧波。此外，數(shù)字/模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換串口會(huì)受到自身因素的影響或是周?chē)鷾囟鹊挠绊懯狗糯笃鳟a(chǎn)生電流的直流偏量，因此在信號(hào)通過(guò)數(shù)字低通濾波設(shè)備之后，還需要進(jìn)入LPF及HPF當(dāng)中，通過(guò)對(duì)低頻諧波進(jìn)行過(guò)濾，以便消除電流的直流偏量?，F(xiàn)階段，可以有效實(shí)現(xiàn)積分效果的算法主要包含以下幾種：復(fù)合矩形算法、梯形算法、辛普生算法等等。在同樣的精度需求之下，矩形算法能夠確保單位周期內(nèi)的采樣數(shù)量，其次是梯形算法，最后是辛普生算法。從算法框架角度進(jìn)行分析，復(fù)合矩形算法最為便利，梯形算法也較為容易，而辛普生算法便顯得較為煩瑣。所以，綜合以上幾方面內(nèi)容進(jìn)行分析，最終選取梯形算法。在進(jìn)行數(shù)字積分電路設(shè)計(jì)、優(yōu)化環(huán)節(jié)時(shí)還需要注意以下幾方面內(nèi)容：首先，模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換串口自身因素所導(dǎo)致的電流直流偏移現(xiàn)象，該問(wèn)題已經(jīng)在本文所闡述的優(yōu)化方法當(dāng)中得以改進(jìn)。其次，數(shù)字積分電流的積分初值內(nèi)容，要盡量將被檢測(cè)的電流信號(hào)進(jìn)行還原，只有這樣才能準(zhǔn)確地查詢(xún)到積分的初值。一般情況下，pcb繞組線(xiàn)圈的電流傳感器在工作中處于非積分狀態(tài)，往往采取的解決方案就是檢測(cè)積分電流過(guò)零點(diǎn)，當(dāng)電流傳感器非積分信號(hào)位于極限狀態(tài)時(shí)，對(duì)其初值進(jìn)行積分。最后，關(guān)于數(shù)字/模擬信號(hào)串口飽和內(nèi)容。任意一個(gè)數(shù)字/模數(shù)轉(zhuǎn)換器都存在信號(hào)范圍值，倘若超出信號(hào)輸入范圍，就會(huì)存在飽和的情況。所以，在挑選數(shù)字/模擬管理元器件時(shí)，要選用高分辨率的模塊。為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確程度，不論是模擬積分電路還是數(shù)字積分處理電路，都需要采取有針對(duì)性的抗擾措施。

3 用于保護(hù)設(shè)施中電流傳感器的性能優(yōu)化

現(xiàn)階段在進(jìn)行積分電路繼電保護(hù)過(guò)程中，應(yīng)用最為廣泛的就是電磁式電流傳感器，因?yàn)閯?lì)磁電流的存在，使得較小的電流容易出現(xiàn)較大的誤差及相位角的偏移，倘若發(fā)生短路現(xiàn)象及出現(xiàn)非周期分量時(shí)，還容易發(fā)生磁飽和的問(wèn)題，并且通頻帶較窄、磁力不夠的缺陷也暴露無(wú)遺，久而久之，對(duì)電流傳感器的暫態(tài)誤差影響十分重大。隨著我國(guó)電力系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電器元件的容量也在不斷提升，傳統(tǒng)的保護(hù)措施已經(jīng)被新研究出的保護(hù)策略所替代，因此對(duì)積分電路當(dāng)中的電流傳感器的要求也愈來(lái)愈高，原有的積分電路電流采樣模式很難達(dá)到高穩(wěn)態(tài)且能夠快速消除故障的基本要求，如今繼電保護(hù)設(shè)施已經(jīng)得到廣泛使用，它也同樣需要電流信號(hào)的輸入與輸出。在繼電保護(hù)設(shè)施工作過(guò)程中，為了進(jìn)一步提升積分電路中pcb螺旋空心繞組線(xiàn)圈電流傳感器一次和二次的間隙磁場(chǎng)聯(lián)系，可以進(jìn)一步擴(kuò)大繞組線(xiàn)圈的匝數(shù)，以便于保護(hù)設(shè)備的正常工作，在此期間，一次繞組線(xiàn)圈可以制作成多匝型，與二次線(xiàn)圈位于同一工作面上。

4 結(jié)語(yǔ)

電流傳感器在積分電路中發(fā)揮著不可替代的作用，而傳統(tǒng)的積分電路電流傳感器已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)電力系統(tǒng)更高的要求，本文主要研究了積分電路中電流傳感器的性能影響因素、提出了有效的優(yōu)化策略，并且對(duì)電流傳感器本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計(jì)，最后對(duì)積分電路進(jìn)行了升級(jí)、完善。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]余丹.有源積分電路設(shè)計(jì)[J].科技傳播，2014，6（10）：108，114.

[2]仝杰，張薇，王興隆，等.新型表面波電流傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用聲學(xué)，2017，36（5）：389-394.

[3]李民.電流互感器的傳變特性、影響因素及優(yōu)化措施[D].南京：東南大學(xué)，2017.

[4]楊學(xué)寶.電流互感器動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定優(yōu)化計(jì)算[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2015（15）：123-124.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]