電能計量中的電流感應(yīng)技術(shù)

  電子電能表需要對電壓與電流信號進行采集，其中電流采集相對來說更難一些，這不僅因為電流互感器需要更寬的動態(tài)測量范圍以應(yīng)付不同負載，而且電流波形中還含有很多諧波成分，所以它還必須有更寬的頻率范圍。本文介紹利用數(shù)字積分器將來自Rogowski線圈電流感應(yīng)器的di/dt信號輸出轉(zhuǎn)換成合適的信號，并將其應(yīng)用于大電流電能計量儀表中。 
        
     電子電能表又稱為固態(tài)電能表，目前大多數(shù)先進的電子電能表都采用混合信號結(jié)構(gòu)，前端使用高精度A/D轉(zhuǎn)換器，而在后端使用DSP。一些電表使用分立元件，多數(shù)則采用專門設(shè)計用于電能計量的ASIC，這種混合信號結(jié)構(gòu)具有極高的精度和長期穩(wěn)定性。在對電流和電壓取樣前，這兩種信號都需要進行變換以達到合適的信號電平， 所有電能表都有電壓和電流感應(yīng)元件。其中電流感應(yīng)較為困難，因為電流感應(yīng)器需要有一個較寬的動態(tài)測量范圍，并且由于在電流波形中含有多個諧波分量,所以還要能處理較寬頻率范圍。隨著家庭用電量的不斷增長，大電流測量將不僅僅限于工業(yè)應(yīng)用中，如美國住宅新安裝的電能表最大能測量200A電流，目前的電流感應(yīng)技術(shù)已不能經(jīng)濟有效地測量如此大的電流。
    
     Rogowski線圈長期用于次級變電站變壓器及電焊機之類的電流測量，相比于其它電流感應(yīng)方式它有很多優(yōu)點，然而要制造一個能長期穩(wěn)定工作的模擬積分器相當困難，使得Rogowski線圈無法用在電能表應(yīng)用中。下面介紹Rogowski線圈基本原理和新型數(shù)字積分器技術(shù)，將二者結(jié)合起來能使這種電流感應(yīng)技術(shù)成功用于大電流電能表設(shè)計。該項技術(shù)有很多好處，可作為新型感應(yīng)器而用在下一代電能表中。 
   
    現(xiàn)有電流感應(yīng)方案
    
     目前有三種感應(yīng)技術(shù)最為常用，分別是小電阻電流旁路、電流互感器和霍爾效應(yīng)傳感器。 
      
     ◆小電阻電流旁路
     電流旁路是當前成本最低的一種方案，圖1是這種電流測量器件的簡化模型。 
     
     小電阻電流旁路技術(shù)可用較低成本得到較高精度，而且電流的測量也很簡單。在進行高精度電流測量時，需要考慮旁路的寄生電感，該電感量典型值為幾個nH，頻率較高時它將影響旁路阻抗的幅值；但它對相位的影響即使在工頻條件下仍非常大，功率因素較低時會產(chǎn)生明顯誤差。 
     
     因電壓和電流相位不匹配而造成的測量誤差百分比可由下式估算：
    
     誤差≈相位差(弧度)×tan(φ)×100% 
     
     上式中的φ代表電壓和電流之間的功率因素相位角，必須要特別注意保證內(nèi)部電壓和電流相位精確匹配。 
     
     旁路技術(shù)經(jīng)濟可靠，在電能計量應(yīng)用中被普遍采用，但是因為電流旁路基本是一個阻性元件，它產(chǎn)生的熱量與通過電流的平方成正比，所以這一自熱問題使旁路技術(shù)很少用在大電流電能表中。