[发明专利]一种磁场对消的大电流检测装置及方法

说明书

本发明公开了一种磁环磁场对消的大电流检测装置及方法。在待测电流导线上缠绕两个磁环，其中两个磁环在导线上绕制的角度有一定的差别，并且形成类似“凹”字型结构，两个磁环的交汇处留有较大间隙，避免磁力线在两个磁环内部各自形成闭合回路，使得电流流通导线时，在磁环上产生的磁场可以形成对消而留有剩余部分磁通。在磁环的连接处留有气隙，气隙处安装有磁场传感器，利用磁场传感器检测该剩余磁通，本发明通过调节绕制在磁环上补偿线圈上的电流，使得磁场传感器输出的电压信号为零。由于留有的磁通较小，在磁环中不会饱和，而使整个测量系统工作在线性区域，这种方法可以大为减小大电流测量装置的体积、重量和功耗，且准确度高、稳定性好。

技术领域：

本发明涉及电气工程学科、仪器科学与技术领域，涉及大电流检测，具体涉及一种磁环磁场对消的大电流检测装置及方法。

背景技术：

大电流的测量方法主要分为两大类：一类是根据被测电流在电阻上产生的电压降落来确定被测电流大小，如分流器法；另一类是根据被测电流形成的磁场，将电流测量问题转换为磁场的测量问题，通过测量其磁通、磁感应强度或磁势，再经过转换来获取电流大小。前者由于体积、误差、损耗、绝缘和测量范围等方面的不足，已难以满足现代测量的要求；后者从物理学角度来看，又分为磁共振法、霍尔效应法、电磁感应法、磁通门法、各向异性(AMR)法、巨磁阻效应(GMR)法、磁光效应法等。此外，还有磁敏二极管测量法、短脉冲放电法等，这些方法由于设备造价太高、或者结构过于复杂等原因，在工程实践中很少用到。

目前，受到关注的电流测量方法主要有霍尔效应法、磁光效应法、罗氏线圈法、互感器法等。对于一般的精度要求，常采用直放式(开环)，而对于高精度检测，则往往采用补偿式(闭环)。

罗氏线圈法是测量各种变化电流的常用手段。这种方法不存在磁饱和问题，也不存在动力和热力的稳定性问题，并几乎不受被测电流大小的限制，测量时也不需要断开被测电路。但这种方法受其本身材料的限制，如线圈骨架和绕制的非均匀性将带来很大的测量误差，严重影响线圈的抗干扰能力，温度将使得线圈的骨架发生变化，从而引起互感和自感系数发生变化，影响测量结果的准确性，并且其输出信号较弱，受外界磁场干扰大。而且，罗氏线圈法只能测量交变磁场。

霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，但由于霍尔元件是一种半导体，其温度稳定性和长期可靠性是阻碍霍尔电流传感器应用在高可靠性和高准确度等级要求的测量场合的主要原因之一。常规的开环式霍尔法的准确度等级只能达到1级，近年来，随着半导体技术的高度集成化，霍尔元件的线性度和稳定性大幅提高，但其稳定性要求依然存在诸多问题。闭环式霍尔法稳定可靠，准确度等级可以达到0.1级，甚至更高，但目前采用的平衡电路的驱动能力有限，制作大电流闭环式霍尔电流检测装置比较困难、且价格高，在大电流测量场合，还存在体积大、重量重、带宽窄和功耗大的缺点。

互感器又分为交流和直流互感器，交流互感器与变压器的原理相同，对于大电流的检测，传感器体积大、重量重，而且容易出现饱和。直流电流互感器利用被测的直流电流改变带铁芯扼制线圈的感抗，间接改变辅助交流电路的电流，从而反映被测电流的大小。这种方法传感原理简单可靠，与基于变压器原理的交流电流互感器一样，其传感系数仅仅与原副边的匝数有关，长期可靠性和温度稳定性均有保障，是直流大电流检测的有效手段，但这种传感器体积也较大，比闭环式霍尔电流传感器体积还大，价格非常高，需外界电源支持。常规的直流互感器准确度等级在0.5级以下，采用补偿方法，其准确度等级可提高到0.01级，甚至更高，但也进一步增大了互感器的体积和重量。

各向异性(AMR)法、巨磁阻效应(GMR)法灵敏度都比较高，这两种方法都可采用电流补偿的闭环方式来检测大电流产生的磁场，由于闭环式电流补偿稳态时磁环中磁通为0，因此也叫零磁通法，其缺陷和闭环式霍尔电流检测法是一样的。