基于复合测量原理的宽频非接触电流传感器研究

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随着智慧电网的加速发展,大量光伏、风电等新型绿色能源已经并入电网,使得电网中的电流信号除了工频以外,还包括大量的直流、高次谐波、和高频暂态信号。而传统用于电网监测的电流传感器多为接触式电流互感器,具有频带较窄、容易产生谐振、无法对直流信号进行测量等问题,这就导致无法满足现目前的电网发展趋势。因此,对宽频电流的非接触传感技术研究迫在眉睫。本文设计了一种基于复合测量原理的宽频非接触电流传感器。该传感器既利用了隧穿磁阻能交直流测量、低频信号稳定的优势,又利用了罗氏线圈可进行高频信号检测的特点,通过复合测量原理将其进行复合,从而实现宽频电流的测量。虽然这种复合测量原理在理论上可以实现很宽频带的测量,但在实际的工程应用中,由于受到实际器件的性能影响以及测量系统模型建模困难等问题,导致寻找低频测量信号与高频测量信号的复合频率点是一件十分困难的事情。针对此问题,本文通过理论计算以及仿真、实验,对隧穿磁阻元件内部结构进行建模和阻抗测试,确定了表征芯片测量频带性能的具体电气参数,并通过对罗氏线圈结构参数和等效模型的理论分析,结合阻抗扫描曲线的结果,不断修正了罗氏线圈的电路模型,设计了罗氏线圈的后端积分电路,进而解决了高频测量系统的复合频率点问题。最终,将高频测量部分和低频测量部分进行了电路复合,实现了非接触式复合宽频电流传感器样机的制作。此外,针对低频测量部分的抗干扰问题,通过研究隧穿磁阻芯片数量对环形阵列隧穿磁阻低频电流传感器抗干扰能力的影响,优化了隧穿磁阻传感器环形阵列排布设计;针对复合传感器的高频测量部分的抗干扰能力和便携使用性问题,设计了一种可开启式的传感器结构,并提出了一种新型的绕线方法。此方法有效的增加了可开启式PCB罗氏线圈电流测量的抗干扰能力。搭建了测试实验平台,对所设计的复合电流传感器的灵敏度、线性度、动态测量范围、抗干扰能力等方面进行了测试。除此之外,通过使用扫频电流法和脉冲电流法对非接触式复合宽频电流传感器样机的测量频带进行了测试,验证了基于复合测量原理的宽频非接触电流传感器的宽频特性,最后得出其测量频带为DC-17MHz。
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