刘毕杰　许铎　侯延鹏

摘 要：直流系统绝缘监测领域对漏电流传感器测量精度要求极高，需要使用高精度直流传感器以检测支路出现绝缘下降时的漏电流。因此，研制出一种频带宽、灵敏度好、精确度高的直流小电流传感器具有重要的理论意义和实用价值。本文设计了一种新型直流小电流传感器，利用导磁材料的B-H 间的磁滞特性采用单一线圈的自激励，将电流的变化转化成脉冲宽度的改变。本文对其进行了硬件设计，并进行了基于Multisim的仿真。

关键词：绝缘监测；B-H磁滞特性；直流小电流传感器

0 引言

直流系统绝缘监测领域对漏电流传感器测量精度要求极高，需要使用高精度直流传感器以检测支路出现绝缘下降时的漏电流。因此，研制出一种频带宽、灵敏度好、精确度高的直流小电流传感器具有重要的理论意义和实用价值。目前，在市场中流行的电流传感器种类比较多，其功能各有不同，各有优缺点。

1 传感器电路设计

所设计的传感器电路主要包括振荡电路、滤波电路、放大电路、调零电路等。其中振荡电路是将测试信号转换为矩形波信号，滤波电路是将矩形波流信号进行滤波，放大电路是将滤波后的信号进行放大。调零电路是将放大后的电路在不测量情况下进行调零，以保证在测量信号时能输出信号。

振荡电路的目的是得到幅值稳定的采样信号。本传感器的振荡电路是经过由电感构成的振荡电路的高低电平的时间宽度的不同而测量电感的变化，来求取电流值。振荡电路如图1所示。在输入信号的高低电平信号的变换下，电阻R5和电感L1共同构成了RL换能电路。运算放大器U1A和R3及R4共同构成了具有迟滞特性的反相滞回比较器，其上限阈值电压为：

i（t） 是按照指数规律变化的电流，电阻R5上的电流就是电感L1中的电流，所以电阻R5两端电压按指数规律增加。因为Ul是反相滞回比较器的输入，所以，随着电流的增加，UL端电压将增加。当Ul端电压高于上限阈值时，输出Uo将会翻转，由+Uz变为-Uz，电感中的电流将按照指数变化规律缓慢减小。在R5两端电压减小时，Ul端电压也会下降，当Ul端电压低于下限阈值时，比较器再次发生翻转，在输出端Uo输出高电平Uz，电感电流缓慢增大，进入下一周期循环。

在公式（3）中，当对应输出的为高电平时，i（∞）为，当对应输出的为低电平时，i（∞）为。i（0+）为电感电流的初始值，对应输出为高电平时，i（0+）为，对应输出为低电平时，i（0+）为。τ是电路的时间常数，为：。

综上，输出矩形波的高低电平宽度为：

由上式得出，电阻R3的变化会同时影响三个指标，R1和R2的并联值则影响滤波电路的中心频率和品质因数，R2不影响通带增益，但是电容C并不影响带通滤波电路的增益和品质因数[5]。

调零电路：调零电路的作用是当在检测电流信号时，调零电路输出的信号会根据检测信号形成一定的变化，通过标定后，即可实现检测的目的。通过滑动变阻器的切换，使内部左右两个性能一致的电阻分别与对应分配电阻构成并联状态，工作在校零的状态。通过外接电源辅助调零电路，可以改善运算放大电路的输入失调电压过大或者无法调零的状况。

当经过一级放大电路的输出信号为正向电流时，调零电路通过将滑动变阻器向左滑动，使调零电路输出与其大小相等方向相反的电流信号，从而使最后的输出电流保证为零。同理，当一级放大电路输出反向电流时，亦能保证输出电流为零，从而达到调零的目的。

2 直流小电流传感器仿真验证

根据各模块电路设计，使用Multisim完成了直流小电流传感器的整体电路设计，得到图4所示仿真电路图。

（1）对振荡电路进行仿真，得到的波形如图5所示。

由图5，输入12V的直流信号，输出电压为10.7V、频率为120Hz电压信号。所以传感器线圈能感應出直流系统中存在的电流，振荡电路的输出矩形波的高低电平宽度会随着电流变化，该电路满足设计要求。

（2）对滤波电路进行仿真，得到的波形如图6所示。

由图6，滤波电路滤除了方波信号中的谐波信号，输出信号是一个近似正弦波的电压信号，满足设计要求。

（3）对该调零电路进行仿真实验，得到的波形如图7所示。

从图7可知，此电路能够完成调零功能，电压等级可达到100uV，满足设计要求。

为使仿真结果更加清晰，将一级放大电路和调零电路的输出结果接入示波器XSC2，得到仿真结果如图8所示。

由图8可知，在10.588ms时，一级放大电路的输出电压为-26.098mV，调零电路的输出电压为+26.098mV。此时，直流小电流传感器的输出结果为零，检测精度小于100uV。

综上，经过滤波电路、一级放大电路，得到一个电压信号，其后通过改变可调变阻器阻值，使输出结果为零。这样，就达到了直流小电流传感器的工作目的。通过多次仿真实验，证明了此传感器在检测精度在100uA以上。

3 结论

针对直流系统绝缘监测领域直流漏电流传感器检测精度不足的问题，本文提出了一种直流小电流传感器，具有穿心式、高灵敏度、宽量程、小体积、低成本的特点。其主要通过振荡、滤波、放大、调零等步骤以实现对小电流的检测。通过仿真分析，验证了其检测精度达到100uA数量级。

本课题受吉林市科技创新发展计划项目（20165011）、吉林市科技创新发展计划项目（20161209）资助

参考文献

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作者简介：

刘毕杰（1995—），男，汉族，重庆，研究生，单位：东北电力大学，研究方向：智能检测与控制

（作者单位：1.东北电力大学电气工程学院 2.国网吉林省电力有限公司3.国网辽宁省电力有限公司本溪供电公司）