零磁通電流互感器也稱為磁平衡式電流互感器,同樣基于電磁感應原理,零磁通電流互感器理論誤差等于零,不存在比差和角差。
零磁通電流互感器為了消除勵磁電流對測量精度的影響,采用一個補償繞組,專門用于提供勵磁電流,這樣,測量繞組就不會受到勵磁電流的影響,就不存在比差和角差,從而達到高精度的測量。
圖1:電流互感器原理電路圖 圖2:二次等效電路圖
穿芯式電流互感器的原理電路如圖1所示,圖2是其二次等效電路圖。I1為電流互感器一次側電流,I2為二次側電流,I0為激磁電流。N1、N2分別為一、二次繞組匝數。因此,該電流互感器的磁勢平衡方程為:
當激磁安匝I0N1為零時,I1N1=-I2N2即副邊安匝變化能完全反應原邊安匝變化,誤差為零。一般稱I0N1為絕對誤差,I0N1/I1N1為相對誤差。電流互感器的誤差為復數誤差,可用比值差f和角差δ表示。
式中:
δ為I2逆時針180°后與I1的夾角,如圖3所示。
圖3:電流互感器向量圖
由此可見,由于I0N1的存在,使I2N2與I1N1存在角差δ和比差值f。若I0=0,則激磁磁勢為0,誤差為0。磁勢的鐵芯處于“零磁通”狀態(tài),它工作在磁化曲線的起始段(線性段)。這時,電流互感器輸出波形就不會畸變,保持良好的線性段。此即為“零磁通原理”。因此,若能使互感器鐵芯始終處于零磁通狀態(tài),就能從根本上消除電流互感器的誤差。但是,由互感器的工作原理可知,靠互感器自身是不可能實現零磁通的,必須靠外界條件的補償或調整。為此,采用動態(tài)平衡電子電路對其進行動態(tài)調整,使鐵芯始終處于“動態(tài)零磁通狀態(tài)”。
圖4:電流互感器原理框圖
圖4所示零磁通電流傳感器的原始框圖。其中,ND為檢測繞組,D為動態(tài)檢測單元,C為產生二次電流的有源網絡。本回路的磁勢平衡方程為:
I1產生的激磁磁通在ND兩端產生感應電勢,并加到動態(tài)檢測單元D輸入端,通過G產生二次電流I2提供給二次繞組,I2所產生的磁通對鐵芯去磁,使鐵芯達到磁勢平衡。因此,理想狀態(tài)時,該傳感器的二次繞組電流I2全部由有源網絡G供給,而不從感應電勢取電流。D高速動態(tài)檢測ND兩端的電勢差,當電勢差足夠小(近似為零的允許值)時,鐵芯中的磁通即近似為零磁通。若檢測值偏離允許值,G則自動高速調整。如此高速跟蹤調整,使鐵芯能始終保持在逼近零磁通狀態(tài),傳感器達到較高的精度。
零磁通電流互感器的誤差包括容性誤差、磁性誤差以及檢測調整電子電路的靈敏度誤差三部分。所謂容性誤差,是指各側線圈本身和線圈之間的容性泄露電流所造成的測量誤差。對工頻信號來說,當N2<1000時,這項誤差可控制在10^5以內。
本文中零磁通電流互感器由于一、二次繞組匝數均很小,容性誤差可以不計。檢測繞組雖然匝數相對較多,但其電位差動態(tài)逼近零,所以,其容性誤差仍可忽略。
經過電流傳感器高速動態(tài)調整后,I0——0,鐵芯逼近零磁通,磁性誤差很小。但事實上,完全的零磁通狀態(tài)是達不到的,鐵芯中必須有一點微弱的磁通才能使G輸出I2,這就使磁性誤差仍然存在。從電流互感器磁勢平衡方程可見,磁性誤差主要由兩部分組成:一是由I0帶來的參與磁勢引起的誤差,另一部分是由檢測繞組ID帶來的附加磁勢引起的誤差,即:
其中:ED為ND的感應電勢,l為磁路長度,S為鐵芯截面積,u0為鐵芯初始磁導率,Ri為檢測單元輸入阻抗。由此可見,降低磁性誤差一是應當選擇u0值較高的鐵芯和合適的檢測繞組匝數,本傳感器選擇了u0為6*10^4的超微晶鐵芯,ND為100~500匝;二是要有較大的檢測單元輸入阻抗,ED和I2可通過有源動態(tài)平衡網絡控制在所需范圍內。除此之外,還可以使用高導電、高導磁材料做屏蔽以消除電磁場的干擾,亦可用超微晶合金作此屏蔽材料。
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