测量暂态大电流分流器的分析计算和结构设计

测量暂态大电流分流器的分析计算和结构设计

王鹏飞1王素娟2熊保良2

（1.苏州电器科学研究院股份有限公司江苏苏州215011；2.河南平高电气股份有限公司河南平顶山467001）

摘要：分流器在暂态大电流的测量中表现出极高的精度和较快的响应速度，但由于趋肤效应的影响使传统分流器的应用受到很大的限制。本文主要介绍了用不同结构的分流器来测量暂态大电流的方法和有关分析及计算问题，并在文末举例说明了测量工频电流及冲击电流用分流器设计结构等相关问题。

关键词：测量用分流器；暂态大电流；分析计算；结构设计

1在交流下分流器工作特点的一般考虑

我们探讨一下图1-1所示的一些分流器方案的工作：

为便于叙述，我们把沿分流器电流回路流通的电流称为分流器电流，而把电压回路输出端上的电压称为分流器电压。

图1-1，a是一最简单的分流器，其电流回路乃是一实心圆柱体，电压回路接在AB段上。回路ABEA处在圆柱体中心线所构成的平面中。

显然，当存在感应分量时，分流器电压不仅与被测电流值有关，还与其变化速度有关。这样，测量比例固定不变的原则便受到破坏。如果电压回路紧贴圆柱体的表面，（图1-1，b）则回路ABEA的面积等于零。方程式（1-1）中的感应分量便不存在。

只有把圆柱导体换成截面无限小的导体（图1-1，c）时，才能既消除电流分布的不均匀性，又消除外磁场的匝链。这样，我们就会得到理想的分流器。此时，不管电流怎么变化，分流器上的电压都会与被测电流完全对应。显然，这种分流器不适于实际测量，因为分流器的电流回路终究还必须有一定的截面尺寸。当把实心圆柱体改变空心的管体后，则既保证了必须的横截面尺寸，又减小了电流分布不均所引起的误差。此外，如果电压回路按图1-1，d接入，还能消除外磁场的影响。实际上，减小管壁的厚度，同时增大管径，则所需的截面和电流的实际均匀分布都会达到。外磁场影响的消除也不难理解，如果故意把电流源接到电压回路的输出端上，则沿分流器流出的电流线便会由此而形成理想的环形系统，正如马克斯威尔所证明，它并不与外磁场匝链。如果分流器的直径比长度小得多，磁场的磁力线则呈同心圆状，其所在平面与分流器的轴线相垂直。这样的磁场分布会把电流推向圆柱体的外表面，因而，当把电压回路接到分流器的外表层时，（图1-1，b）则分流器上的电压将比被测电流导前，且稍高于它的实际值；反之，如果把电压回路接至内表面，（图1-1，d）则分流器电压将滞后于被测电流，并稍低于实际值。通过所探讨的例子所作的比较，我们可以看出，在一定的条件下，圆柱形分流器的本体中应该有这样的薄层，当把电压回路接到这层上时，就能保证分流器电压与待侧电流间的完全对应。（图1-1，f）在管形分流器中，在内表面和管内的所有点上磁场强度都等于零；而在图1-1，e所示的由两个同心管构成的分流器中，不仅内表面和管内各点，而且在外管的外表面和分流器周围的所有点上，磁场强度也都等于零。因而，在这一结构中，两个圆管中的电流将向远离管间间隙的表面排斥。

图1-1，g是片状分流器，由薄带片弯成。弯曲两头使之彼此平行，互相贴紧。两带片中间磁场的磁力线与带片宽度方向相平行。磁场这样分布时，与图1-1，e的分流器一样，电流向离间隙的表面排斥。然而，如果间隙大到这样的程度，以致弯曲处的正面和反面彼此互不影响时，则不仅在浅表面上，而且在其边缘处都会出现电流集中的倾向。这个附加的边缘效应，对电流分布的量值和特性起主要的作用。甚至对锰铜带片来说，当其宽度为厚度的24倍、间隙仅为厚度的1/3时，电流的不均匀分布仍然主要决定于带片边缘上电流的集中，而所产生的效应要比仅将电流排斥到表面上（即完全没有边级效应）时的数值大一个数量级。此外，片状分流器在原理上的一个总的缺点是，它对轴不对称，因而对外磁场较敏感。

由（1-12），（1-13）和（1-14）各式得出的以上各种特性，我们将其作成曲线，并示于图1-2内。

由管形分流器所得出的计算曲线，甚至对一边接成短路的、由两个同心圆筒组成的分流器来说也是正确的。但此时要注意，当电压回路接到外管的外表面和内管的内表面（图1-1e）时，所得出的K和值与电压回路接至管形分流器的内表面时的结果一样。其实，管形分流器的所有计算曲线，对同轴分流器的内管来说也是正确的，因为二者的磁场分布都相同；对外管的分界面也会得到同样的公式，但此时应该把外表面当作内表面来看，而把内表面当作外表面来看才对。下面我们就来证明这一原理。

1.3分流器结构的选择和计算

以上谈了分流器电流回路的结构形式、电压回路的接入位置以及布置方式对测量精度的影响。显然由中心线引出电压回路的薄壁管状分流器（图1-1d）或同轴分流器（图1-1e）的精度最高。所以也许会认为，只要经常研究这些结构就行了。但在实际上，还可能采用各种不同的分流器结构方案，其中包括实心圆截面的或圆柱形表面不连续、由独立的片构成的结构。（各片与轴平行，均匀地平放或立放在圆柱支架上）究竟选择怎么的结构，这与具体要求和制作分流器用的材料有关。这里的介绍仅限于一般的结构计算和选择，下面再举便说明之。

最好按以下顺序来选择和计算分流器结构：

如果我们把分流片看成带均匀载荷Fг的两端固定的单跨距梁，则得Миэг.м=，式中Миэг.м为最大弯曲力矩。由上面最后三个方程的联立求解，即可得求得动稳定电流的表达式1-30。

脉冲电流和高频振荡电流一般是用电子示波器记录的，而工频电流是用电磁示波器记录的（注：现在已采用数字化测试系统）。分流器与示波器间的距离有几十米甚至几百米。要用高频电缆把电压由分流器送到示波器（现在是通过光纤传输），为了匹配，电缆末端还并接有波阻抗。但要将电压传输到电磁式示波器，测量回路中的连接线就要用拧紧的双绞线。

电压回路出线端的结构以及电缆或绞线与出线端的连接处，都不应形成回路，因为在这种回路中可能感应出与待测电流值可比的电势。例如，如果这一连接处不正规，因而在冲击分流器的电压回路出线端形成面积仅为1厘米2的回路时，（它与主回路间的互感系数可能有0.002微享）则当电流脉冲波前的变化速度为5.1010安/秒时，感应的寄生电势将为100伏，于是波前的记录将会发生畸变。因此，在测量冲击电流时，仔细地对待传输回路是特别重要的。因此，电压回路的出线端要用高频插头与电缆相接，这样，就可把电压回路看作示波器同轴电缆的延长线，其中心导线的末端与同轴电缆的外壳相短接。在用作工频电流测量的分流器中，无需要使用高频插头，所以容许出线端与传输用的测量回路连接处有小面积的环路。

分流器应在其电流出端上一点接地。当快速变化的电流流过时，在主回路接地点与控测室接地点之间，可能产生高达数千伏的电压（地电位），因而传输回路和示波器的偏转系统与示波器室的接地之间，应有足够的绝缘。在不能保证必要的绝缘的情况下，有一个解决办法，这就是可将分流器至示波器的传输线穿入导电性好的金属屏蔽中，如铜管中。然后，屏蔽分别在分流器的电流出端和示波器室两点接地。

2结语

当设计和计算的分流器用作测量随时间变化的电流时，除考虑直流分流器中所发生的一般过程外，还应考虑：表面效应引起分流器电流回路电阻的变化、电压回路接入位置及其布置方式的影响以及测量回路受交变电磁场影响等其它的因素。

参考文献：

[1]鲍洛金,艾捷里合著.短路状态下的测量[M].俄文中译本,1978

[2]庄稼人.短路电流的测量.高压电器,1978(6):31-52

[3]方鸿发.冲击性强电流测量用低感分流器[A].高压电器,1982(5):20-26

[4]张建永,贾云涛,岳伟.一种测量脉冲大电流的改进分流器设计[A].电子测量技术,2013,36(6):25-28

[5]NB/T42024-2013.大容量实验室以标准分流器为基准的大电流测量溯源.中国电力出版社,2014

作者简介：

王鹏飞（1988—），男，工程师，本科，从事高压电器试验检测技术研究、大容量强电流试验站的建设及实验室体系认证认可工作。

王素娟（1986—），女，工程师，硕士，从事电力行业安全技术、环境工程技术研究、安全环保设备设施研发及安全环保管理等工作。

熊保良（1987—），男，工程师，本科，从事电力行业高压电器产品核心零部件的物资采购、供应及招投标等技术管理工作。