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大电流测量方案对比

大电流检测在工业、电力电子、航空、军工等领域应用广泛，下表为电流检测方案的信息汇总及其特点。

表1

方案	精度	测量范围	频带	工作电源	体积	价格	总体评价
分流器	0.1%	kA到兆A	直流、工频及千赫兹	无	大	便宜	适用于低频低功率，对主回路参数不敏感的场合
直流互感器	1%	A到千A	直流、工频及千赫兹	交流电源	大	便宜	原理简单、造价低廉，适合于对精度要求不高的场合
零磁通式直流互感器	0.05%	A到千A	直流、工频及千赫兹	交流电源	大	贵	具有极好的检测精度，但控制系统复杂，稳定性不好
直流磁性比较仪	0.1%	A到千A	直流、工频及千赫兹	直流电源	大	贵	克服了铁芯磁饱和、磁滞和直流偏磁的缺点，但功耗大，不能长时间运行
罗氏线圈	1%或0.1%	A到兆A	工频、千赫兹及兆赫兹	无	小	便宜	功耗低，测量范围宽，造价低，但无法克服直流稳态电流时的漂移问题
光纤传感器	0.1%	千A到兆A	直流、工频及千赫兹		小	贵	精度高、电磁抗干扰能力强、安装方便，但价格昂贵

一、分流器原理：

将已知的纯电阻放在被测电流的电路里，回路中的电流可以通过测量电阻上的电压来求得，分流器利用了欧姆定理进行测量。实际应用中分流器的电阻数值在毫欧或微欧级别，目前常规的分流器规格有100A/75mV、500A/75mV、1000A/75mV等。

分流器存在较小的电感其等效电路如图1，正弦电流通过分流器时，分流器两侧上的电压为。要使分流器测量精度高并且响应速度快，要降低被测电流的频率和幅度，否则当频率和幅度变高，会使分流器的发热量大幅度增加，严重影响分流器的测量精度。结构设计上，应尽量减少分流器的自感，并对外界磁场有较好的屏蔽能力，而且具有一定的动态稳定性能。

图1 分流器等效电路

为了减少电磁力和热应力对分流器测量结果的影响程度，科学家们对分流器的结构进行了分析和改进。但由于分流器自身的缺陷，有很多问题是无法利用补偿和设计来弥补的，例如发热和频率特性等问题。

二、直流互感器原理：

1936年德国的克莱麦尔教授第一个研制成功直流电流互感器，通过测量原边电流对带有铁芯线圈的感抗的改变来测量直流电流的大小，这和交流互感器的原理是不同的。结构如图2。

直流电流互感器的副边和原边电流也有可能满足公式（2.1），即在不计铁芯损耗、不计副边组的内阻及铁芯均匀磁化的情况下。但是直流电流互感器的测量结果很容易受到外界磁场的影响从而产生很大的误差，比如当测量电流的激磁电流小于直流互感器时，不论是哪一种软磁材料的磁化特性曲线都不是完美的，都是存在着缺陷的。

图2 直流互感器原理

三、零磁通直流互感器

图3零磁通直流互感器

图3的左边，由一次绕组W1、二次绕组W2、W4，铁芯T1、T2，二极管D1、D2，电阻R1、R2共同组成一个并联的直流电流互感器，被测电流I1流过绕组W1，二次绕组W2、W4和电阻R1、R2，之间接有辅助交流电源e1；图3右边，由一次绕组W5、二次绕组W6、W7，铁芯T4、T5，二极管D3、D4、D5、D6共同组成第二个并联的直流电流互感器，二次绕组W6、W7和二极管D4、D5之间接有辅助交流电源e2。

在被测电流I1和辅助交流电源e1的共同作用下，在电阻R1、R2两端会输出一个和I1正比例的直流电压，这个电压被送到第二个互感器的一次绕组W5，并产了一个电流，该电流在辅助交流电源e2的共同作用下使得第二个互感器的电阻R4两端会输出一个直流电压，这个直流电压被送到第一个互感器的补偿绕组W2，产生和被测电流相反的磁通势，使第一个互感器的铁芯T1、T2趋向于零。这时，补偿绕组W2中的电流与被测电流成正比，测量补偿绕组W2中的电流根据匝数比就可以计算出被测电流的大小。

为了改善性能，图中增加了磁屏蔽层T3，和W8、R3、C共同组成的消振回路。这种互感器除二极管之外没有其它电子元件，完全是电磁结构，因此故障率低工作可靠，其中的补偿措施提高了它的测量精度。用这种方法制作的的直流电流互感器在额定电流范围20%~100%内，最大误差为0.2%。

目前国内直流输电工程用直流电流互感器绝大多数都被进口产品垄断，如ABB、西门子、ＨＩＴＥＣ公司及Ｒｅｉｔｚ等公司，国内对零磁通式直流电流互感器的研究较少，国内尚无有形成规模的零磁通式直流电流互感器厂家。

四、直流磁性比较仪

直流电流比较仪的原理结构图如图4所示，在图中A为高磁导率材料的铁芯，W1和W2为比例绕组，I1和I2分别由两个独立电源提供给W1和W2的直流电流。因为φ1=I1W1/Rm、φ2=I1W1/Rm，所以当I1W1=I2W2时，即铁芯内合成磁通为0，此时有I1/I2=W2/W1。

图4 直流磁性比较仪器

这里的问题是，如何知道磁通势互相平衡了？也就是怎样才能测量到铁芯内的磁通等于零？这个问题对于交流比较仪而言，比较简单，因为交变的电流可产生交变的磁通，这个交变的磁通是极其容易从检测绕组中测出的，然而对于直流比较仪而言，就不是这么简单了。因为作用于铁芯上的磁势不平衡时，其铁芯内部必然相应存在一个恒定磁通，这个恒定磁通在检测绕组上不能产生感应电动势。当然在闭合铁磁开一个小小的缝隙，缝隙中放入霍尔元件就可以测量出铁芯内部的恒定磁通，并由此设计出自动调节平衡电流的直流比较仪，也就是我们知道的霍尔闭环电流传感器。

图5 霍尔闭环电流传感器

目前国内霍尔闭环传感器厂家众多，除LEM外还有宁波中车时代、中旭、托肯等厂家，由于该霍尔电流传感器在测量2000A以上电流时电流消耗大，且存在穿心孔内输出差异大，目前2000A以上很少在客户端大规模使用。

五、罗氏线圈

俄国科学家Rogowski在1912年发明了罗氏线圈（空芯线圈）。罗氏线圈的制作方法就是将漆包线均匀出缠绕在环形的塑料或者陶瓷之类的非铁磁材料的骨架上，如图6。根据安培定律，当载流导线穿过线圈中心时罗氏线圈两端会产生一个感应电动势，其大小与被测电流对时间的微分成线性关系。

e(t)=M·di/dt

其中，M=Nhμ0/2π·ln·a/b,u0为真空磁导率，大小为4π×10-7H/m，N为绕组匝数，h表示线圈骨架高度，a为骨架外径，b为骨架内径，h、a、b单位为m。

由于交流互感器的输出是电流信号，输出回路不能断开，罗氏线圈的输出是电压信号，输出回路一般处于打开状态，虽然罗氏线圈和交流互感器都只能测量交流电流，罗氏线圈的结构中没有铁芯，磁感应的强度大于被测电流，罗氏线圈不会出现磁饱和的现象。

图6罗氏线圈结构原理

六、光纤电流传感器

当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度d的乘积成正比，即ψ=VBd，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。上述现象称为法拉第磁光效应。

根据安培环路定律，电流产生的磁场磁场强度H沿任意闭合曲线的积分等于闭合曲线所包围的所有电流的代数和，

，光纤电流传感器就是基于安培环路定律与法拉第磁光效应进行设计的。

光纤电流传感器主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成，如图8所示，传感头包含载流导体，绕于载流导体上的传感光纤，以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。和磁电式电流检测相比，光纤电流传感器具有绝缘性能好、测量准确度高（不存在磁饱和、直流偏磁与铁磁谐振等问题）、抗干扰能力强（光纤传输具有好的电磁抗干扰能力）、安全性高（传统的磁电式在次边开路时容易形成高压，有易燃易爆的危险，而光纤电流传感器就没有这个问题）、体积小（电压等级３４５ｋＶ的充油式电磁式电流互感器整体高度达６．１ｍ，重量超过７吨，与此同时，美国西屋公司生产的同等电压等级的磁光式光纤电流互感器高度仅有２．７ｍ，重量不超过１００ｋｇ）等优点，但由于其造价昂贵，目前在工业领域还未大规模进行使用。