电流监测器灵敏度误差的校准

周力任 潘 洋 朱 力 糜坚平 林 艳/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着电能消费的不断增加和能量利用形态的高功能化，大电流技术是一个在能量的产生、传输、变换、控制等方面正在迅速崛起的领域。除了以往的大电力输电、利用短路发电机的大电流试验、电化学工业的直流大电流技术外，还包括了核聚变技术、强磁场产生技术、磁能存储、电磁力应用、脉冲功率技术等多个尖端技术领域[1-3]。

根据大电流工作性质状态的不同，常常可分为三大类，即稳态大电流、暂态大电流和脉冲大电流[4]。所谓稳态电流是指系统相对平稳、正常运行时的负荷电流，例如正常运行的输电系统中的交流电或直流电。所谓暂态电流是指系统发生短路或者运行状态发生突变时的电流，往往比稳态电流大许多倍。例如，电力系统母线发生短路，或者当发电机或变压器内部发生短路时，就有比正常工作电流大许多倍的短路电流。所谓脉冲电流，是指在较短时间（如数百微秒甚至更短时间）内产生高达数百或者数千安培的瞬间电流。例如在遇到雷击或者有闪烙时，电力系统输电线会产生脉冲电流。

Pearson 公司所生产的电流监测器是一种带磁芯的Rogowski 线圈（图1），广泛应用于测量各种快速变化的电流信号，例如电力系统中的谐波、带电粒子束、等离子体中的电流、雷电冲击电流等，具有测量时与被测电流回路有良好的电气绝缘、可测电流幅值大（峰值最大至500 kA）、频带宽（0.15 Hz～ 200 MHz）、上升时间快（纳秒级）等特点。

图1 电流监测器

1 电流监测器工作原理及特性参数

一次大电流通过电流监测器，根据灵敏度（如0.01 V/A）其输出端会产生相应数值的小电压信号。根据仪表测得的电压信号，能够得到一次电流的峰值、有效值、频率等参数。电流监测器特性参数包括：灵敏度、最大允许误差、输出阻抗、最大峰值电流、最大有效值电流、下降率、电流时间乘积、可用上升时间、低频3 db点、高频3 db点、I/f 指数等。

型号2100 电流监测器的灵敏度为1.0 V/A，最大允许误差为+1%，输出阻抗50 Ω，最大峰值电流500 A、最大有效值电流7.5 A、下降率0.08%/μs、电流时间乘积最大为0.005 As、可用上升时间20 ns、低频3 db点125 Hz、高频3 db点20 MHz、I/f 指数为0.017 A/Hz。

2 无感电阻的绕制

无电感线绕电阻的绕制是采用双线并绕,如图2所示。当电流通过线圈时,所产生的磁通在任何时候总是大小相等、方向相反,因此相互抵消,不会产生磁通,所以没有电感[5]。

电阻丝选用锗锰铜（Ge-Mn-Cu alloy）合金线材，其电阻率为4.3×10-8Ωm，平均电阻温度系数为±3×10-6℃-1（20℃～70℃）。绕制成四端电阻，阻值分别为0.01 Ω、0.1 Ω、1 Ω。

图2 无感电阻

3 电流监测器灵敏度误差校准的方法

根据电流监测器的工作原理，可以采用标准电流源法对其灵敏度进行校准，即提供标准电流通过监测器，示波器采样其输出的电压信号。但此种方法对标准器的要求极高（标准电流源和示波器的最大允许误差不得超过±0.3%，电流波形上升时间为ns 级，频率为MHz 级），可见很难满足。因此，本文提出另外一种测电压差法：电流通过电流监测器及无感标准电阻，监测器输出端电压与无感标准电阻两端的电压差由示波器测得，即为电流监测器灵敏度的误差，如图3所示。这可以大大降低对标准电流源和示波器最大允许误差的要求。校准时要求标准电阻的阻值与监测器标定的灵敏度大小一致。上述的绕制成阻值分别为0.01 Ω、0.1 Ω、1 Ω的四端电阻，对于灵敏度数值处于电阻值数值之间的情况，可以采用等安匝绕制的方法处理。

图3 监测器灵敏度误差校准示意图

3.1 稳态电流信号下的校准

输入信号：频率10 kHz的方波电流信号，流过监测器和无感电阻后，差压信号由示波器测得，为频率10 kHz的方波电压信号，幅值即为灵敏度误差。具体数据见表1。

表1 灵敏度误差值

3.2 暂态电流信号下的校准

输入信号为脉冲电流，其波形如图4所示。此脉冲流过监测器后，会感应出电压；同样电阻两端也会感应出电压。前者与后者的电压差波形如图5所示，读取数值即能测得暂态电流信号下的电流监测器灵敏度误差。

图4 输入信号波形

图5 差压信号波形

4 结语

本文介绍电流监测器工作原理及特性参数、无感电阻的绕制，提出以无感电阻为标准器，对监测器的灵敏度误差进行校准的方法。以型号为2100的电流监测器为例，分别对稳态电流信号和暂态电流信号下监测器的灵敏度误差进行了校准。

[1]（日）电气学会大电流能量应用技术调查专门委员会.大电流能量技术与应用[M].//陈国呈，译.北京：科学出版社,2004.

[2]李维波，毛承雄，李启炎，等.神光III强激光能源模块测量线圈研究[J].中国电机工程学报，2003，23(5)：53-57.

[3]T.Ishida,K.Matsuse,K.Sugita,et al.DC voltage control strategy for a five-level converter[J].IEEE Trans.on Power Electronics,2000,15(3)：508-515.

[4]李维波.基于Rogowski线圈的大电流测量传感理论研究与实践.华中科技大学博士学位论文，2005：1-2.

[5]祝红芳.无感电阻的绕制及电学原理.南昌职业技术师范学院学报，1996(4)：90-91.