零磁通霍尔电流传感器和零磁通电流互感器的原理与区别

一、零磁通霍尔电流传感器与零磁通电流互感器原理简介

1、磁通霍尔电流传感器原理

　　霍尔效应在1879年被E.H. 霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体或半导体的时候，磁场会对导体或半导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在导体或半导体的两端产生电压差，这个电压差，称为霍尔电势。

　　普通代替产生的霍尔电势非常微弱，不易测量，因此，直到出现利用半导体材料制作的霍尔元件后，霍尔效应才得以广泛的应用。

　　早期的霍尔电流传感器是利用霍尔效应将一次电流产生的磁场变换为霍尔电势，再利用放大电路将霍尔电势放大输出的电流传感器。上述原理制作而成的霍尔电流传感器，被称为开环式霍尔电流传感器。

　　后来为了提高传感器性能，又稍作了改造，就是利用一个补偿绕组产生磁场，通过闭环控制，使其与被测电流产生的磁场大小相等，方向相反，达到互相抵消的效果，此时，补偿绕组中的电流正比与被测电流的大小，这种传感器，被称为闭环式或磁平衡式霍尔电流传感器，由于一次绕组与二次绕组产生的磁通互相抵消，宏观上看，霍尔电流传感器的铁心中的磁通为零，因此，闭环式霍尔电流传感器也称零磁通霍尔电流传感器。

　　图1为零磁通霍尔电流传感器的构成原理，零磁通霍尔电流传感器由磁芯，霍尔元件，补偿绕组，误差放大电路等构成。

图1 零磁通霍尔电流传感器的构成及原理

　　在零磁通霍尔电流传感器中，霍尔元件输出与误差放大电路相连，当传感器处于理想平衡状态时，霍尔元件处磁通为零，霍尔元件输出霍尔电势为零。可见，霍尔元件实际上是用于检测零磁通，或者说，是用于检测是否有磁通。

　　由于磁芯的非线性，开环式霍尔电流传感器的输出线性度较差。而在零磁通霍尔电流传感器中，霍尔元件输出的霍尔电势与磁芯中的磁通是否成线性关系，磁芯中的磁通与一次电流是否成线性关系几乎与二次输出无关，对测量精度几乎没有影响，这是零磁通霍尔电流传感器的相对于开环式霍尔电流传感器的最大优势！

2、零磁通电流互感器原理

　　电流互感器基于电磁感应原理，因此，铁芯中的必须有磁通是电流互感器工作的先决条件。可是，为了在铁芯中建立磁通，就需要励磁电流，励磁电流是互感器误差的主要来源。零磁通电流互感器的目的，就是消除励磁电流对互感器测量精度的影响。

　　必须要有励磁电流，又要消除励磁电流对测量精度的影响，最直接的办法就是采用一个补偿绕组，专门用于提供励磁电流，这样，测量绕组就不会受到励磁电流的影响。如图2所示，零磁通电流互感器包括两个铁芯，四个绕组。四个绕组分别为一次绕组NP、二次补偿绕组NC、二次测量绕组NS、检测绕组ND。两个铁芯分别为Core1和Core2。

图2 零磁通电流互感器的构成及原理

　　一次绕组NP和二次测量绕组NS同时绕在Core1和Core2上，补偿绕组NC绕在Core1上，检测绕组ND绕在Core2上。

　　检测绕组ND连接高阻抗电压表，绕组电流可以忽略。

　　补偿绕组NC连接一个与被测一次电流频率相同的可控交流电压源。互感器工作时，一次绕组NP及二次测量绕组NS在Core1和Core2中均产生磁通，补偿绕组NC只在Core1中产生磁通。检测绕组ND只与Core2磁通铰链，并且自身负载阻抗很大，电流可忽略不计，不产生磁通。调节补偿绕组NC的电压源，当检测绕组ND的电压表读数等于零时，铁芯Core2中磁通为零。

　　由于一次绕组NP和二次测量绕组NS均与铁芯Core2铰链，此时，对于铁芯Core2而言，一次绕组NP和二次测量绕组NS的在Core2中产生的磁通相同，即一次绕组NP和二次测量绕组NS安匝数相等：NP×IP=NS×IS。在一次绕组NP和二次测量绕组NS上产生感应电动势的磁通完全由二次补偿绕组NC提供，即：NC绕组提供励磁电流和励磁磁场。

　　零磁通电流互感器的理论误差等于零，不存在比差和角差。之所以称为零磁通电流互感器，就是因为铁芯Core2中的磁通为零，一次绕组NP和二次测量绕组NS的磁通在铁芯Core2中达到了平衡，因此，也可以称为磁平衡式电流互感器。

二、零磁通霍尔电流传感器与零磁通电流互感器相同点

1、零磁通霍尔电流传感器与零磁通电流互感器都包含有用于积聚磁通的磁芯；

2、零磁通霍尔电流传感器与零磁通电流互感器都是通过磁平衡原理达到零磁通的过程；

3、零磁通霍尔电流传感器与零磁通电流互感器都有用于检测零磁通的元件；

4、零磁通霍尔电流传感器与零磁通电流互感器的目的都是改善传感器性能指标。

三、零磁通霍尔电流传感器与零磁通电流互感器的区别

1、磁芯的区别

　　零磁通霍尔电流传感器的磁芯理论上可以采用与互感器相同的铁芯，但是，更多时候采用磁导率更高、工作频带更宽、不易饱和的其它材料（如非晶）；而零磁通电流互感器的铁芯通常与普通互感器的铁芯相同。

　　零磁通霍尔电流传感器的磁芯磁通接近零，磁通幅度非常小，允许工作在很高的频率下。而零磁通电流互感器的铁芯core1不是工作在零磁通下，磁通变化幅度大，受铁芯磁滞效应等的影响，允许工作的频率较低。

　　上述区别决定了零磁通霍尔电流传感器的带宽远远高于零磁通电流互感器。

　　零磁通霍尔电流传感器的磁芯为开口结构，开口处安装霍尔元件；而零磁通电流互感器的所有铁芯均为闭环铁芯。这一区别决定了零磁通霍尔电流传感器测量精度较容易受外部磁场的影响，而零磁通电流互感器测量精度受外磁场的影响甚微。

　　零磁通霍尔电流传感器只有一个磁芯，而零磁通电流互感器具有两个铁芯。

2、零磁通检测原理不同

　　零磁通霍尔电流传感器通过霍尔元件检测零磁通，而零磁通电流互感器通过辅助绕组检测零磁通。

　　零磁通霍尔电流传感器的二次电流由控制电路产生，产生的二次电流磁通与一次电流磁通抵消达到零磁通。

　　零磁通电流互感器基于电磁感应原理，非零的磁通是互感器工作的前提，非零磁通为励磁磁通，建立在铁芯core1中，由补偿绕组NC提供。通过电磁感应原理产生二次电流的是另一个铁芯core2，在这个core2中，一次电流与二次电流磁通互相抵消，达到磁平衡时，磁通为零。

3、建立磁平衡及零磁通的目的不同

　　零磁通霍尔电流传感器建立零磁通状态的目的是减小铁芯非线性及带宽较窄的影响；而零磁通电流互感器建立零磁通状态的目的是减小励磁电流对测量精度（互感器比差和角差）的影响。

四、零磁通霍尔电流传感器与零磁通电流互感器的应用

　　零磁通霍尔电流传感器具有较高的带宽和良好的线性度，适合测量各种频率及各种波形的复杂电量——变频电量。

　　零磁通电流互感器具有极小的角差，适合大型电力变压器的空载及短路试验等低功率因数工况的高精度功率测量。

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