[发明专利]基于频变积分电阻的高频电流传感器

说明书

本发明提供一种基于频变积分电阻的高频电流传感器。该传感器由线圈、积分电阻和频变积分电阻组成。频变积分电阻连接在线圈两端。频变积分电阻随频率的非线性变化给传感器带来了显著的随频率非线性，使得传感器具有非常好的抗干扰能力，特别是能够抵抗工频电流导致的磁饱和。

技术领域

本发明属于电流信号测量领域，具体是指一种随频率非线性特征非常显著、抗干扰能力强的线圈型高频电流传感器。

背景技术

在一些应用场景下，线圈型电流传感器被用来检测导体上的电流信号，而导体上存在非常强大的干扰电流。例如，利用频响法检测带电运行的大型电力变压器绕组变形情况时，需要利用线圈型电流传感器检测电力变压器高压引出线上的1kHz～10MHz的微弱扫频电流信号，而此时高压引出线上存在几百甚至上千安培的工频电流。这个工频电流不但会使电流传感器的输出信号中的有用信号淹没在幅值巨大的工频干扰之中，而且会使电流传感器的磁芯产生磁饱和，失去检测扫频电流信号的能力。

常规设计的线圈型电流传感器，由线圈和积分阻抗组成。线圈往往带有磁芯和金属屏蔽外壳。其金属屏蔽外壳能够屏蔽外来的电磁干扰，但是屏蔽不了被测导体上的干扰电流。积分阻抗通常有两种，第一种积分阻抗是由电阻和电容并联而成，与线圈的电感形成谐振，所构造出的电流传感器是一种窄带传感器，它的测量频带就是上述电容和电感的谐振频率；第二种积分阻抗就是一个电阻，所构造出的电流传感器是一种宽带传感器，常用来测量高频电流信号。

由积分电阻和线圈组成的高频电流互感器，其结构如图1所示，等效电路如图2所示，其中L为线圈的自感；R为积分电阻；M为互感；i₁(t)为被测电流；i₂(t)为线圈中的电流；u₁(t)为感应电势；u₂(t)为传感器输出电压。等效电路的电路方程如下：

传感器的传递函数H(S)为：

其中U₂(S)为u₂(t)的拉普拉斯变换，I₁(S)为i₁(t)的拉普拉斯变换

在正弦稳态信号下，有：

其中ω＝2πf，f为正弦电流的频率，U₂为u₂(t)的幅值，I₁为i₁(t)的幅值。

因此，电流传感器的幅频特性为：

进而，该电流传感器的测量频带的下限频率为：

可见，当被测电流的频率远低于传感器的低频截止频率时，传感器的幅频特性简化为：

|H(jω)|＝ωM (1-6)

此时，传感器的输出信号幅值与信号的频率成正比，是一个线性关系。