論積分電路中電流傳感器性能的優(yōu)化

積分電路中電流傳感器是電力系統(tǒng)電能測量以及保護(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，從而能夠在儀表上進(jìn)行使用。電流傳感器的測量精準(zhǔn)度、安全性是確保積分電路可靠、經(jīng)濟(jì)的根本。本篇論文將對積分電路中電流傳感器性能的優(yōu)化進(jìn)行論述。

1  電流傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1  對二次螺旋線圈參數(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，而且對于空心線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)體和二次線圈的間距以及相處角度、二次線圈匝數(shù)和其自身實(shí)際面積都會(huì)對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。在給電過程中，一次直導(dǎo)體的周邊是磁場最為強(qiáng)大的位置，所以提高二次線圈在該位置的實(shí)際面積可以有效地提升電流傳感器的互感因數(shù)。 此外，對一次直導(dǎo)體和二次線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)，二次線圈半徑以及長度發(fā)生變化，也會(huì)對互感系數(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)二次線圈必須相互緊湊安置，只有這樣才能在受到外界干擾磁場的影響過程中可以最大程度降低磁場的不均勻效應(yīng)，進(jìn)而提升電流傳感器的抗干擾水平；當(dāng)然，二次螺旋線圈的匝數(shù)也在一定范圍控制之內(nèi)，超出這個(gè)控制范圍，線圈匝數(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，從而最終對電流傳感器的性能帶來負(fù)面效應(yīng)。

1.2  研究二次互感線圈對電流傳感器性能的影響

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

將公式（1.1）、（1.2）帶入到固定頻率公式當(dāng)中，可以得到電流傳感器線圈的固定頻率是：

從式（1.3）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)少的繞組線圈擁有更加出色的頻率特點(diǎn)，而且在檢測高頻特性電流以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)，一層線圈也存在明顯的缺陷，即自身的互感系數(shù)相比于多層線圈而言相差很多，所以在檢測低頻電流時(shí)很難擁有和多層線圈一樣的靈敏程度。根據(jù)以上問題，在設(shè)計(jì)電流互感器時(shí)，要盡可能的維持線圈原本的帶寬，且還要保證線圈的靈敏度不受到破壞，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)分析，pcb 平面螺旋型空心線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)擁有如下有點(diǎn)：第一，可以通過提升雙層板的數(shù)量來擴(kuò)大互感系數(shù)，這樣有利于電流傳感器的性能；第二，考慮到線圈內(nèi)電阻和自感系數(shù)對電流傳感器的影響，可以確保最小內(nèi)電阻以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：基波以及高頻諧波。所以，在pcb繞組線圈當(dāng)中，電流傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)首先會(huì)通過數(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LPF可以很好的過濾掉高頻諧波。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圍溫度的影響使放大器產(chǎn)生電流的直流偏量，因此在信號(hào)通過數(shù)字低通濾波設(shè)備之后，還需要進(jìn)入LPF以及HPF當(dāng)中，通過對低頻諧波進(jìn)行過濾，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尤為繁瑣。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，要盡最大可能將被檢測的電流信號(hào)進(jìn)行還原，只有這樣才能準(zhǔn)確的查詢到積分的初值。一般情況下，pcb繞組線圈的電流傳感器在工作情況中處于非積分狀態(tài)，往往采取的解決方案就是檢測積分電流電流過零點(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)較大的誤差以及相位角的偏移，倘若發(fā)生短路現(xiàn)象以及出現(xiàn)非周期分量時(shí)，還容易發(fā)生磁飽和的問題，并且通頻帶較窄、磁力不夠的缺陷也暴露無遺，久而久之，對電流傳感器的暫態(tài)誤差影響十分重大。 隨著我國電力系統(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，因此對積分電路當(dāng)中的電流傳感器的要求也愈來愈高，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)實(shí)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。在保護(hù)設(shè)施工作過程中，為了進(jìn)一步提升積分電路中pcb螺旋空心繞組線圈電流傳感器一次和二次的間隙磁場聯(lián)系，可以進(jìn)一步擴(kuò)大繞組線圈的匝數(shù)，以便于保護(hù)設(shè)備的正常工作，在此期間，一次繞組線圈可以制作成多匝型，和二次線圈位于同一工作面上。

4  結(jié)語

電流傳感器在積分電路中發(fā)揮中不可替代的作用，而傳統(tǒng)的積分電路電流傳感器已經(jīng)無法滿足人們對電力系統(tǒng)更高的要求，本篇論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，并且對電流傳感器本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計(jì)，最后對積分電路進(jìn)行了升級、完善。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.00559.cn/w/qk/21223.html