电流测量技术方案及特点-感算商城

电流测量的技术方案有分流器、互感器、罗氏线圈、磁通门电流传感器、霍尔电流传感器、磁阻电流传感器、光纤电流传感器、超导量子干涉仪等，国内大批量生产的主要是分流器、互感器、磁通门电流传感器、霍尔电流传感器及光纤电流传感器，下面分别介绍这几种类型传感器的特点。

1.分流器

分流器（Shunt，见图1）利用欧姆定理采样，通过直接测量电流通过分流电阻所产生的压降，来测量电流，插槽式的定值分流器经常作为测量直流电流的标准器具，而锰铜分流片采用温度系数低的锰铜电阻采样，因其低廉的成本在智能电表上有广泛的应用。分流器类产品适用《GB/T 7676-2017直接作用模拟指示电测量仪表及其附件》标准，此类传感器业内制作工艺非常成熟，近几年出现的高性能同轴分流器产品优化了分流器结构设计，-3dB截止频率达到120MHz，可以较好地测量高频电流。但由于利用欧姆定理采样，自身功耗会随着被测电流的增大而增大，实际功耗符合焦耳定律计算，且随着自身功耗的增大会导致自身温度漂移增大。

图1：分流器实物图

由于分流器属于非隔离测量系统，用于高压电源、大电流测量时，必须额外增加隔离电路，这对于需要进行模数转换的运用场景而言尤为麻烦。

2.互感器

互感器类电流传感器依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量（见图2），但只能测量交变电流量。电流互感器（current transformer，CT）由闭合铁芯和两个绕组构成，一次侧匝数少，二次侧不可开路，串联在被测电路上，按照匝比关系标定被测电流量。CT的原理简单、技术成熟、价格低廉，在电力系统有着最泛的应用。目前已形成适应电力建设的全系列产品，包括干式、油浸式和气体绝缘式等多种结构，现行产品执行标准是《GB/T 20840 互感器》。但是用于测量高频电流时会失准，一般认为可以实现700Hz以下的交流电流信号测量。

图2：互感器实物图

CT普遍采用高磁通铁芯（硅钢片、坡莫合金）来增强电磁感应效率，但也带来了无法微型化、磁饱和、铁磁谐振、二次开路以及体积问题，难以满足电力市场智能化新需求，尽管在铁芯材料上研制了纳米晶等更高磁通的新材料，性能指标有所改进，仍然无法彻底解决上述问题，发展格局受限。

3.罗氏线圈

罗氏线圈（Rogowski coil）抗饱和能力强，重量轻，体积小，短路保护功能好，无磁芯饱和现象，适用于大电流测量（最大量限可达MA级），使用灵活，测量带宽可达数十MHz以上。国外厂家以美国Pearson及英国PEM产品应用较广泛，国内少数小型企业可生产部分规格，其中以柔性线圈为主，有骨架的罗氏线圈已可实现小型化，精度可达0.5%，频率范围达到1MHz，多用于电力保护场合，不适合小电流及高精度测量。目前还没有罗氏线圈产品相关国家执行标准，无法校准溯源。此外罗氏线圈无法测量直流电流，仅支持交流电流测量，且由于缺少高导磁率磁芯而灵敏度较低。

4.磁通门电流传感器

磁通门电流传感器（Flux gate current sensor）精度高，可测量电流范围广，从几微安到几kA，性能优越，主要用于精密测量场合，这种类型传感器较昂贵并且很脆弱，在使用中一旦未给传感器供电情况下，通有被测电流，会造成传感器损坏。国外厂家以瑞士LEM为代表，占据大部分市场份额，国内一些厂家，如湖南银河电气可生产“零磁通调制”的磁通门传感器，可达到带宽800KHz，线性度1ppm，零偏2ppm，温漂0.1ppm/K，时漂0.2ppm/month，噪声10ppm。当前尚无行业或国家标准。

磁通门电流传感器由磁通门感应单元和信号处理单元构成（原理见图3），磁通门感应单元是一种特殊的“饱和电感”，原边电流产生的磁通Φp，会影响到感应单元的电感量，经信号调制处理，这一变化转变为跟随变化的反馈电流，通过铁芯上的反馈线圈，形成与Φp 大小相同、方向相反的磁通-Φp，从而使感应单元处的磁通保持为 0，这时的反馈电流与原边电流成正比关系，可以直接标定。这种基于饱和铁芯的磁平衡闭环技术精度极高（可达 0.001%），响应速度快，使磁通门成为测量电流/磁场最精准的技术之一。常见的磁通门电流传感器有单铁芯、双铁芯以及三铁芯等多种型式，其中多铁芯结构主要是利用互感器原理来优化磁通门的高频特性和抗干扰能力。

图3：磁通门工作原理

5.霍尔电流传感器

霍尔电流传感器（见图4）广泛用于工业领域，霍尔开环电流传感器的精度通常是1%～5%，带宽10KHz以下，测量范围从几A到30 kA，短时间可以承受5～10 倍过载的脉冲电流，过载后磁失调会增大，通过消磁可以减小或消除开环传感器的磁失调。霍尔闭环电流传感器的精度误差通常优于1%，带宽可以达到100kHz，测量范围从几A到几百kA，但也存在磁失调问题。国外厂家ABB、霍尼韦尔、易福门、甲神是主流品牌，国内南京中旭可自产霍尔集成电路，解决了核心技术问题，产品规格较全，是国内研制、生产霍尔传感器的骨干企业。目前业内执行《JB/T 7490-2007 霍尔电流传感器》标准，尚无电力行标和国标出台。

图4 霍尔电流传感器

开环霍尔电流传感器采用直接测量方式，采样单元得到的原始信号，直接输出，或者经滤波、放大等环节输出以提高信噪比和传输能力，传感器的精度依赖于采样单元固有的线性度。而闭环霍尔电流传感器一般采用磁平衡原理，将采样信号调制为跟随变化的反馈电流，驱动补偿线圈产生与原边磁信号大小相同或接近、方向相反的磁通，将其抵消，使采样单元处的磁通始终保持恒定值，这时候的反馈电流与被测电流成正比关系，经滤波、放大、标定等环节，即可输出。特殊情况下，如采用磁敏感器件作为采样探头，一般会要求补偿磁通与一次电流的磁通严格抵消，使采样单元处实际磁通趋近为零，称作零磁通原理，这时候，电流传感器的精度将取决于磁敏感器件的灵敏度，与它的线性度无关。开环霍尔电流传感器和闭环霍尔电流传感器测量方式原理示意图如图5所示。

图5：测量方式原理示意图

6.光纤电流传感器

OCT（Optical current transducer）基于法拉第磁旋光效应，采用光纤为信号传输介质，通过测量磁光材料的入射光受母线电流磁场影响而产生的旋转角，来间接测量母线电流量（工作原理见图6）。

图6：光纤电流传感器工作原理

常见OCT有两类，包括全光纤电流传感器（MOCT）和块状晶体光纤电流传感器（CMFOCT），区别在于MOCT采用环状传感光纤采样，CMFOCT 采用光学玻璃作为探头，提高了稳定性和精度，但也带来了探头易碎、不易加工、成本高昂等问题。OCT的优势在于精度高、绝缘好、量程宽、传输信噪比高等优势，但对工作环境有较高要求，在中高压领域有一定应用。