論積分電路中電流傳感器性能的優化

徐慧

【摘 要】積分電路中電流傳感器是電力系統電能測量及保護監控的重要器件，其關鍵作用是根據一定比例系數，將積分電路上的大電流直接進行分化與降低，從而能夠在儀表上使用。電流傳感器的測量精準度、安全性是確保積分電路可靠、經濟的根本。文章對積分電路中電流傳感器性能的優化進行論述。

【關鍵詞】積分電路；電流傳感器；性能；優化

【中圖分類號】TP212 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）09-0091-02

1 電流傳感器的結構優化

1.1 對二次螺旋線圈參數進行優化

互感系數的大小將直接影響到傳感器整體性能的優異程度，而且對于空心線圈的電流傳感器而言，互感系數具有更大的作用。一次直導體和二次線圈的間距及相處角度、二次線圈匝數和其自身實際面積都會對電流傳感器的互感系數造成影響，此外，還應該將二次內電阻、電流自感作為影響互感系數的潛在因素。在給電過程中，一次直導體的周邊是磁場最為強大的位置，所以提高二次線圈在該位置的實際面積可以有效地提升電流傳感器的互感因數。此外，對一次直導體和二次線圈相處位置及角度進行分析，如果一次導體處于二次線圈的右邊緣處，那么整個電流傳感器便會擁有最佳的工作效率；與此同時，二次線圈半徑及長度發生變化，也會對互感系數造成巨大的影響。根據實驗分析確定，二次線圈的實際面積必須保持在一定范圍內，倘若面積超出范圍，會在提高測試靈敏度的同時，大幅度降低電流傳感器的精準度；偶數個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最大限度地降低磁場的不均勻效應，進而提升電流傳感器的抗干擾水平；當然，二次螺旋線圈的匝數也在一定控制范圍之內，超出這個控制范圍，線圈匝數增加，其自身內電阻和自感現象也會變得更加明顯，從而對電流傳感器的性能帶來負面效應。

1.2 研究二次互感線圈對電流傳感器性能的影響

理想狀態下任何一層線圈的幾何參數均保持一致，即它們的自感及雜散電容L和C滿足以下關系式：

L=L1+L2+…+Ln=nLn（1）

■=■+■+…+■=■（2）

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

f=■=■=■（3）

從公式（3）中可以發現，將n層pcb板進行搭建，其最終的合成互感系數是原先的n倍，可是其固定頻率沒有發生改變。因此，得出以下結論：匝數少或是pcb層數少的繞組線圈擁有更加出色的頻率特點，而且在檢測高頻特性電流及擁有較多高次諧波電流環節中性能更加優越，與此同時，一層線圈也存在明顯的缺陷，即自身的互感系數相比于多層線圈而言相差很多，所以在檢測低頻電流時很難擁有和多層線圈一樣的靈敏程度。根據以上問題，在設計電流互感器時，要盡可能地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。根據多次實驗分析，pcb平面螺旋形空心線圈電流傳感器使用多個雙層板，并且相互進行串聯，可以有效達到這一目標。該設計擁有如下優點：第一，可以通過提升雙層板的數量來擴大互感系數，這樣有利于電流傳感器的性能優化；第二，考慮到線圈內電阻和自感系數對電流傳感器的影響，可以確保最小內電阻及最大互感的共同存在。

2 數字積分電路的優化及設計

在大多數積分電路當中低頻干擾次數普遍較少，主要存在的干擾包括以下兩種：基波及高頻諧波。所以，在pcb繞組線圈當中，電流傳感器所產生的信號首先會通過數字信號/模擬信號串口，在該串口進行轉變之后，再進入數字低通濾波設備（LPF），通過LPF可以很好地過濾掉高頻諧波。此外，數字/模擬信號轉換串口會受到自身因素的影響或是周圍溫度的影響使放大器產生電流的直流偏量，因此在信號通過數字低通濾波設備之后，還需要進入LPF及HPF當中，通過對低頻諧波進行過濾，以便消除電流的直流偏量。現階段，可以有效實現積分效果的算法主要包含以下幾種：復合矩形算法、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的采樣數量，其次是梯形算法，最后是辛普生算法。從算法框架角度進行分析，復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，綜合以上幾方面內容進行分析，最終選取梯形算法。在進行數字積分電路設計、優化環節時還需要注意以下幾方面內容：首先，模擬/數字信號轉換串口自身因素所導致的電流直流偏移現象，該問題已經在本文所闡述的優化方法當中得以改進。其次，數字積分電流的積分初值內容，要盡量將被檢測的電流信號進行還原，只有這樣才能準確地查詢到積分的初值。一般情況下，pcb繞組線圈的電流傳感器在工作中處于非積分狀態，往往采取的解決方案就是檢測積分電流過零點，當電流傳感器非積分信號位于極限狀態時，對其初值進行積分。最后，關于數字/模擬信號串口飽和內容。任意一個數字/模數轉換器都存在信號范圍值，倘若超出信號輸入范圍，就會存在飽和的情況。所以，在挑選數字/模擬管理元器件時，要選用高分辨率的模塊。為了確保測量的準確程度，不論是模擬積分電路還是數字積分處理電路，都需要采取有針對性的抗擾措施。

3 用于保護設施中電流傳感器的性能優化

現階段在進行積分電路繼電保護過程中，應用最為廣泛的就是電磁式電流傳感器，因為勵磁電流的存在，使得較小的電流容易出現較大的誤差及相位角的偏移，倘若發生短路現象及出現非周期分量時，還容易發生磁飽和的問題，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誤差影響十分重大。隨著我國電力系統技術的不斷發展，電器元件的容量也在不斷提升，傳統的保護措施已經被新研究出的保護策略所替代，因此對積分電路當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到高穩態且能夠快速消除故障的基本要求，如今繼電保護設施已經得到廣泛使用，它也同樣需要電流信號的輸入與輸出。在繼電保護設施工作過程中，為了進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系，可以進一步擴大繞組線圈的匝數，以便于保護設備的正常工作，在此期間，一次繞組線圈可以制作成多匝型，與二次線圈位于同一工作面上。

4 結語

電流傳感器在積分電路中發揮著不可替代的作用，而傳統的積分電路電流傳感器已經無法滿足人們對電力系統更高的要求，本文主要研究了積分電路中電流傳感器的性能影響因素、提出了有效的優化策略，并且對電流傳感器本身結構進行優化、設計，最后對積分電路進行了升級、完善。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]