道路、越野、船舶和飛行器的電氣化；開發(fā)可再生能源電源和儲(chǔ)能；監(jiān)測和提高現(xiàn)有電網(wǎng)、交通和工業(yè)設(shè)施的效率，可以從用于狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的電隔離電流傳感器中受益。
基于固定孔徑磁芯的電流傳感器以出色的精度提供直流和交流響應(yīng)，但它們通常難以安裝在現(xiàn)有系統(tǒng)上。分流式電流傳感器通常設(shè)計(jì)用于操作員的手持測量，而不是半固定或永久安裝，不適合在寬溫度范圍內(nèi)、潮濕、骯臟或高振動(dòng)環(huán)境中或可能出現(xiàn)高故障電流過載的情況下運(yùn)行。通常，換能器孔徑是有限的，不適用于大電流、大橫截面的電纜或母線。
基于 Rogowski 線圈的電流傳感器可以設(shè)計(jì)用于非常高的峰值電流，并且具有長而小橫截面的線圈，可以包圍幾乎任何電流導(dǎo)體，并在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。但 Rogowski 線圈響應(yīng)與頻率成正比，因此響應(yīng)不會(huì)擴(kuò)展到直流，并且 S/N 在低頻時(shí)會(huì)降低。
GMW 開發(fā)了一系列電流傳感器，使用磁傳感器陣列來測量封閉電流產(chǎn)生的磁場。這種方法特別適用于測量頻率響應(yīng)高達(dá)約 75kHz (-3dB) 的高直流和交流電流。沒有磁芯，因此沒有磁滯效應(yīng)或脈沖或連續(xù)大電流過載造成的損壞。換能器橫截面很小，與磁芯換能器不同，它與額定電流無關(guān)。換能器孔徑幾何結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為與具有大孔徑的特定橫截面電流導(dǎo)體相匹配。
安培電路定律：
對(duì)于從直流到超過 2GHz 的頻率，提供與封閉電流精確成比例的輸出信號(hào)的磁芯或 Rogowski 線圈電流傳感器是安培電路定律的實(shí)現(xiàn)，如圖 1 所示。
圖 1. 安培電路定律。圖片由 Bodo's Power Systems提供
近似安培電路定律：
GMW 電流探頭利用一組“點(diǎn)”磁場傳感器，可以包圍要測量的電流。安培線積分可以通過在電流周圍點(diǎn)處進(jìn)行的磁場測量值的總和來近似，參見圖 2。
圖 2. 安培電路定律的求和近似。圖片由 Bodo's Power Systems提供
不同的探頭幾何形狀：
安培定律適用于任何閉合曲線，因此可以根據(jù)初級(jí)導(dǎo)體和相關(guān)絕緣的形狀和尺寸定制無芯電流傳感器的幾何形狀。GMW 開發(fā)的幾何形狀包括：
CPC 電流探頭夾：
電流范圍：+/250A 至 +/-2000A。輸出信號(hào)：0 +/-2V。靈敏度準(zhǔn)確度，+/-1%。孔徑：27mm 圓形。質(zhì)量：30 克（1 盎司）。工作溫度：-40C 至 +100C。防塵和防潮：密封 IP65，EN60529。電源：+5V，<85mA（USB 端口）。
圖 3. CPC 電流探頭夾的極小尺寸使其能夠與 Rogowski 線圈并聯(lián)使用，以測量車輛充電電纜上的直流和低頻電流分量，而無需斷開任何電纜。由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室提供，Ted Bohn。圖片由 Bodo's Power Systems提供
CPCO 電流探頭，鉗式：
電流范圍：+/0.5kA 至 +/-16kA。輸出信號(hào)：電壓或電流。靈敏度準(zhǔn)確度，+/-1%。孔徑：77mm 或 160mm 圓形。質(zhì)量：120g 或 300g。工作溫度：-40C 至 +85C。防塵和防潮：密封 IP65，EN60529。功率：+11V 至 31V，<0.8W。
CCS 無芯電流傳感器，滑動(dòng)式：
電流范圍：+/0.5kA 至 +/-12kA。輸出信號(hào)：0 +/-2V。靈敏度準(zhǔn)確度，+/-1%。孔徑：U 形，30 毫米寬 x 90 毫米深。質(zhì)量：65g。工作溫度：-40C 至 +85C。防塵和防潮：密封 IP65，EN60529。電源：+5V，<150mA。
沒有任何初級(jí)電流過載造成的偽影或損壞：
在過載初級(jí)電流期間，探頭的磁性傳感器電氣限制和探頭信號(hào)輸出電氣限制在標(biāo)稱范圍的約 1.25 倍，不會(huì)因任何連續(xù)過載電流而造成過沖、下垂、振鈴或損壞。
圖 4. 四個(gè) CPCO 鉗式、160mm 孔徑、12kA 電流探頭，用于監(jiān)測電化學(xué)應(yīng)用中的母線電流，并在惡劣環(huán)境中可靠運(yùn)行。圖片由 Bodo's Power Systems提供
在初級(jí)電流小于 10us 的范圍內(nèi)，輸出信號(hào)跟隨初級(jí)電流而沒有基線偏移。這使得即使可能存在非常高的故障電流峰值，也可以選擇無芯電流傳感器的電流范圍，以獲得正常工作電流的最佳信噪比。
圖 5. 帶有滑動(dòng)式 CSS、絕緣手柄和數(shù)據(jù)記錄器的手電流探頭組件，用于監(jiān)測母線或電纜電流。圖片由 Bodo's Power Systems提供
外部磁場的電流探頭抑制：
安培定律的求和近似提供了對(duì)附近電流或磁性材料產(chǎn)生的外部磁場的高度抑制。
重復(fù)熱循環(huán)后的信號(hào)穩(wěn)定性：
不同型號(hào)的 CPC 電流探頭夾和 CPCO 電流探頭夾在 -40C 和 +85C 之間經(jīng)受了 50 個(gè)熱循環(huán)，觀察到的最大變化是：零偏移，滿量程的 +/-0.4%；靈敏度，+/- 0.5%。
圖 6a。 CPC 電流探頭夾的輸出信號(hào)，標(biāo)稱范圍為 +/-250A，在 750Arms、+/-1060A、60Hz 初級(jí)電流下運(yùn)行。示波器靈敏度為垂直200A/格，水平10ms/格。綠色跡線是使用磁通門傳感器測量的初級(jí)電流，黃色跡線是 CPC 250A 電流探頭信號(hào)，顯示與初級(jí)電流相同的符號(hào)且沒有偽影的干凈電氣限制。圖片由 Bodo's Power Systems提供
圖 6b。與圖 6a 相同的測量結(jié)果增加了垂直和水平靈敏度，表明在高電流過載后基線和相移可以忽略不計(jì)。圖片由 Bodo's Power Systems提供
圖 7. 具有 77mm 孔徑和 +/-4kA 范圍的 CPCO 的零偏移變化是由距離 CPCO 表面 25mm 處的 1kA 直流電流引起的。圖片由 Bodo's Power Systems提供
低至直流的低信號(hào)噪聲：
無芯探頭的輸出信號(hào)噪聲沒有開關(guān)頻率峰值，并且可以在探頭之間重復(fù)，從而能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行連續(xù)頻譜分析，以監(jiān)測機(jī)械損壞、振動(dòng)、絕緣退化或負(fù)載變化。可以在標(biāo)稱交流初級(jí)電流上以高分辨率監(jiān)測直流或低頻電流分量，以保護(hù)高效交流電源變壓器。
圖 8. CPC 電流探頭夾和 CPCO 電流探頭夾的溫度周期以測量零偏移和靈敏度穩(wěn)定性。圖片由 Bodo's Power Systems提供
圖 9. 具有 77 mm 孔徑和 +/-4 kA 范圍的 CPCO 的噪聲頻譜，初級(jí)電流在 21Hz 時(shí)約為 0.15Arms。初級(jí)電流被清楚地分辨。圖片由 Bodo's Power Systems提供
結(jié)論
GMW 具有夾式、夾式或滑動(dòng)式幾何形狀和大孔徑的空心杯電流傳感器可以提供對(duì)高電流的隔離和連續(xù)監(jiān)測，而無需斷開空間受限和高磁場位置的現(xiàn)有導(dǎo)體與附近電流或變壓器的連接。準(zhǔn)確的幅度和相位響應(yīng)以及從直流到超過 40kHz(-3dB) 的低噪聲，即使在具有廣泛溫度變化、潮濕、灰塵和機(jī)械振動(dòng)的惡劣環(huán)境中也能對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行功率和頻譜狀態(tài)監(jiān)測。