直流检测与补偿技术方案

传统的电流互感器只能变换被测电流中的交流分量，却无法变换其中直流分量，从而既无法实现直流分量的检测，也同时因直流分量的影响而无法准确测量交流分量。因此在实际现场校验复杂电流信号时，直流分量单独而准确的计量尤为重要。基于霍尔效应的霍尔电流传感器的基本原理是，当直流电流流经霍尔元件的电流端元件平面法线方向时，可产生磁场效应转化为正比于输入直流电流大小的电动势。此外，霍尔元件（霍尔传感器）还具备线性度优、稳定度佳、隔离度高等优势，因此特别适合且已被广泛应用于直流测量。如图4所示为本文提出的基于霍尔元件直流补偿的交直流钳形电流表（电流互感器）的总体设计方案基本原理框图。
总体设计方案是在通用可测交流信号的电流互感器的电路基础上，通过改造引入霍尔元件，组成交直流检测电路（震荡直流检测电路），准确获取负载中直流电流或直流分量的大小，然后通过运算放大器搭建组成闭环电路，可根据检测的直流电流信号产生直流补偿驱动信号，再通过功放运算放大器提供补偿给线圈直流电流“−i3(t)”，给钳形电流表铁芯注入一个反向等量磁通，规避了磁芯饱和风险，使得钳形电流表内铁芯上的磁感应强度Bcoil接近于0，保证铁芯即时恢复到正常的工作状态，从而确保采样副边电流通过信号处理计算，能准确检测出原边电流的大小。因此原理上分析，改进后的钳形电流表应能实现交直流电流的独立准确检测。

原理框图中的交流检测模块用于检测通用电流互感器内的交流电流，原理本文不赘述；AD转换模块用于将通过交流检测模块或优化设计后的交直流检测模块采样到的模拟信号转换为数字信号；DSP模块通过精准同步算法对数字信号进行运算及处理，计量分析各种电工参数。直流检测与直流补偿基本模块功能详细说明如下。

直流检测模块
直流检测模块由霍尔元件及其外围电路组成，用于检测流经通用电流互感器的直流电流大小，以便直流补偿模块产生一个和所测直流电流大小相同的直流电流，反向注入通用电流互感器，使通用电流互感器的磁链脱离饱和区域。原理图如图5所示。
图中UGN3501为霍尔传感器，查阅芯片手册，得知该芯片的输出电势差为：

Uhall=7×10−3B(coil:DC)+3.6
(8)
式中， Uhall为UGN3501芯片输出电势差；B(coil:DC)为被检测的由直流分量在铁芯中产生的磁感应强度。

类似参照公式（7）的安培环路定理，可将公式（8）改写如下：

Uhall=7×10−3⋅(N1⋅μcoillcoil)×I(DC)+3.6
(9)
式中，I(DC)为直流电流分量。

图中AD522为高精度数据采集仪表放大器。图中霍尔传感器的输出电势差作为该放大器的输入，根据其芯片手册，满足如下关系式：

Uout=(1 + 200×103R4)⋅Uhall
(10)
式中，R4为图中所示可调电阻阻值。

将公式（9）代入公式（10）可得：

Uout=(1+200×103R4)⋅[7×10−3⋅(N1⋅μcoillcoil)×I(DC)+3.6]
(11)
此电路可以测得流经线圈的直流电流或直流分量大小。此电路将采样的电流信号通过电路转换，输出为电压信号，此转换电压和实际测得的电流的关系可改为下式（12）：

I(DC)=(R4⋅lcoilR4+1.4×103⋅N1⋅μcoil)⋅Uout−3.6×103⋅lcoil7⋅N1⋅μcoil
(12)
令K1 = R4⋅lcoilR4+1.4×103⋅N1⋅μcoil，K2 = 3.6×103⋅lcoil7⋅N1⋅μcoil，而K1仅与材料材质、一次线圈匝数以及元器件R4值有关，明显为常数，同理K2也为常数。将上述公式简化为明显呈线性关系的公式（13）：

I(DC)=K1⋅Uout−K2
(13)
直流补偿模块
电流互感器在测无直流分量影响的交流信号时，根据楞次定律可知其线圈二次侧的感应磁通应与一次侧的产生的磁通值的大小相等，一次测的总磁通小部分用于励磁，其余用来抵消二次侧感应磁通的影响。

B感应=N1⋅μcoillcoil⋅(I(AC)-I(AC励磁))=N2⋅μcoillcoil⋅∣∣I(AC测1)∣∣
(14)
式中，B感应为铁芯中用于感应的磁通；N1、N2分别代表线圈一次测与二次侧匝数；I(AC)代表被测交流信号；I(AC励磁)代表一次侧用于励磁的电流；I(AC测1)代表互感器二次侧感应电流。

电流互感器正常工作时，二次侧阻抗应该很小（相当于短路运行），可如果当式中I（AC测1）=0时，可推算出I(AC)=I(AC励磁)，则表明二次侧相当于开路，一次侧电流全部用来励磁，将在二次测产生危险的高压，甚至发生绝缘击穿事故，对互感器或人员带来损伤风险，这便是电流互感器输出端不能开路的原因。

由公式（14）可推导：

∣∣I（AC测1）∣∣=(1−I(AC励磁)I(AC))⋅N1N2⋅I(AC)
(15)
式中，I(AC励磁)相比于I(AC)为很小的量，所以∣∣I(AC测1)∣∣≈N1N2⋅I(AC)，这便是测量原理。假如上述情况下输入电流中掺杂了直流分量I(DC)，而其他电磁参量不变，根据前文分析，该分量会最终在电流互感器线圈一次侧全部用于励磁（I(DC励磁)=I(DC)），产生单向的直流励磁磁通满足以下公式：

N1⋅μcoillcoil⋅(I(AC)−I(AC励磁)−I(DC))=N2⋅μcoillcoil⋅∣∣I(AC测2)∣∣
(16)
式中， I(AC测2)代表有直流分量情况下本次中互感器二次侧的感应电流。

此时：

∣∣I(AC测2)∣∣=(1−I(AC励磁)+I(DC)I(AC))⋅N1N2⋅I(AC)
(17)
这种情况下由于I(DC)不可忽略，故而∣∣I(AC测2)∣∣≠N1N2⋅I(AC)，测量值并不能准确反映交流分量。

直流补偿模块是由连接控制单元的直流信号发生单元与直流补偿线圈组成。为了使电流互感器不被直流分量影响，需要由控制单元读取直流检测模块检测的直流值，通过控制直流信号发生单元向直流补偿线圈注入一个反向等值的直流电流（I′(DC)≈−I(DC)），给铁芯施加一个反向磁通，抵消直流分量产生的磁通，使通用电流互感器的磁链不要进入饱和区域，基本恢复到完全无直流干扰情况下的工况，以保障交流电流分量测量的准确可靠，分析如下。

参照之前计算步骤，可以得到：

∣∣I(AC测3)∣∣=(1−I(AC励磁)+I(DC)+I′(DC)I(AC))⋅N1N2⋅I(AC)
(18)
式中， I(AC测3)代表有直流分量且有直流补偿模块作用的情况下此次互感器二次侧的感应电流。

由于I(DC)+I′(DC)≈0，公式（18）约等于公式（15）等式的右边，故∣∣I(AC测3)∣∣≈N1N2⋅I(AC)。由此可见应用了直流补偿模块的电流互感器，直流分量的影响作用几乎被完全补偿。实际过程中，直流补偿线圈所补偿的直流电流是一个动态变量，其大小是根据交直流检测电路检测到的实际线路中直流电流的大小而定的。直流补偿模块可以实时将直流检测模块检测的直流电流反向补偿到线圈中，使电流互感器一直保持在正常测量交流信号的良好工况中。