電力公用事業業務正在全球范圍內發生變化。曾經主要的電力供應商是煤炭、天然氣、石油甚至核電站，而如今風能和太陽能等可再生能源正變得越來越重要。2020 年是風電有記錄以來最好的一年，全球新增裝機容量 93 吉瓦，同比增長 53%。隨著世界的目標是到 2050 年實現碳排放凈零，這一趨勢將繼續下去
全球風能委員會 (GWEC) 發布的一份新報告認為，為了避免氣候變化的最壞影響，世界需要在未來十年內以三倍的速度安裝風力發電。
這正在推動電力行業各個方面的巨大變化，包括用于測量大電流的方法。傳統化石燃料發電站的一大優勢是供電非常穩定，易于控制和調節。對于可再生能源，電力來源是不穩定的——除非有風，否則不會產生電力。來自光伏裝置或其他可再生能源中使用的功率轉換器的直流電流可以注入傳統的交流電網，因此傳統的大電流測量技術不適合。
另一個相關趨勢涉及大型電池。為了在需要時使用電力——不僅僅是在產生電力時——正在建造巨大的電池系統。一個特別恰當的例子是在加利福尼亞州的蒙特雷灣，這里的莫斯蘭丁發電廠曾經是加利福尼亞州最大的天然氣發電站，現在擁有世界上最大的電池，當太陽能電池板和風電場發電時儲存多余的能量并在它們空閑時將其反饋回電網。更名的 Moss Landing 儲能設施一期于 2020 年 12 月開始運營，容量為 300MW / 1,200MWh。該項目的二期將于 2021 年 8 月完成，將再增加 100MW / 400MWh。如此龐大的裝置還需要非常精確的大電流測量。
相反，需要測量 5kA 以上電流的應用越來越多地關注使用電流循環產生的磁場的零磁通技術，例如 Danisense 的磁通門技術。
零通量技術
為了解釋零通量技術的操作，首先考慮一些基本原理是合適的。在圖 1 中，左上方顯示了圍繞磁棒構建的拾波線圈；在右上角，等效電路顯示為帶有一個電阻器和一個電感器。當施加電壓時，電路中的電流顯示在紅色曲線中。電流按照電感值的斜率逐漸增長，直至電感飽和。在這種情況下，等效電路只能被認為是電阻性的。
在創建零磁通電流傳感器時，用于拾取桿的材料具有特定的磁性，導致電流遵循藍色曲線。最初，由于高阻抗值，電流增長緩慢。然后，突然，電感飽和并且電流非常迅速地增加以達到之前的終點。
圖 1. 零磁通電流傳感器操作的基本原理。
如果現在施加一個方波電壓信號，則電流曲線變為連續的正負飽和和去飽和循環。如果導體靠近磁通門元件放置，電流的循環將產生一個額外的磁場，該磁場將通過移動零位來影響信號（圖 2a - 藍色曲線）。最后，對二次諧波執行的信號處理揭示了初級電流的細節（圖 2a - 紫色曲線）。
圖 2. 移動零位 (2a)；閉環原理（2b）。
為了進一步提高電流感應的性能，制造商通常將零磁通技術與閉環原理相結合，如圖 2b 所示。在這里，磁通門元件放置在氣隙中，在測量磁場期間，電流輸出通過次級繞組重新注入，然后產生相反方向的磁場。使用這種方法，磁通門所經歷的磁場始終為零，從而消除了偏移和線性問題。
目前有四種主要的零磁通拓撲可用（圖 3）。第一個 (3a) 基于具有氣隙的磁芯以及次級繞組。它類似于閉環霍爾效應電流傳感器，其中氣隙中的霍爾元件已被磁通門取代。主要好處是良好的偏移漂移。第二種拓撲結構 (3b) 是一個單核，它起到磁通門元件的作用。由于沒有氣隙，主要優勢之一是它的 EMC 穩健性和高分辨率。但是由于內核的飽和很快發生，帶寬被限制在幾赫茲。第三種拓撲通過添加僅測量交流信號的繞組芯 (3c) 解決了這個問題，就像電流互感器一樣。在這種情況下，您將獲得所有好處。但是，如果需要更高的性能，“平衡核心”（3d）拓撲采用兩個相同的磁通門元件相對放置。因此，無論外部環境條件如何（例如 EMC 或溫度變化），兩個傳感元件之間都會存在自然的無源補償。使用這種方法，即使在惡劣的環境中，也可以實現 1ppm 的測量精度。
圖 3. 零通量拓撲
圖 4.Danisense 的 DR10000IM (11kA) 電流傳感傳感器顯示了無源傳感頭和信號處理單元的分離。
磁通門技術可用于為所有電流水平提供非常準確、穩定和可重復的電流測量，Danisense 開發了一系列電流感應傳感器，涵蓋 0-600A、600-3000A 和 3kA 以上。對于本文第一部分中討論的具有非常高電流的新興市場，Danisense 不得不應對新的挑戰，但目前正在開發高達 30kA 的解決方案，并且認為磁通門方法沒有理論上的限制。
隔離和安全是高功率應用的關鍵要求。管理標準是 IEC 61010。與公司為低電流應用提供的產品不同，Danisense 的 DR50000IM (8kA) 和 DR10000IM (11kA) 電流傳感傳感器（圖 4）將傳感頭與電子信號處理單元分開。
傳感頭是一種堅固的無源設備，可以在嘈雜的電氣環境中長時間放置和放置，而不會受到任何不可避免的干擾的影響，因為所涉及的電流很大。復雜的信號調理和處理可以在距離傳感頭30m的安全、溫控良性的實驗室環境中遠程完成。通過以這種方式分離電流傳感傳感器的功能，也可以使無源傳感頭足夠堅固以應對具有挑戰性的環境條件。此外，在高磁場環境附近工作很危險，因此這種方法最大限度地減少了操作員在磁場中操縱傳感器的需要——例如連接電源和輸出——從而提高了安全性。
Danisense 的新型大電流傳感器還具有 7kHz 的低激勵頻率。對于較小的產品，最好使用高達 32kHz 的更高激勵頻率，因為這可以提高動態性能。然而，對于 DR 系列傳感器來說，用高頻使如此大的磁芯飽和將需要大功率電路，這可能是大而昂貴的。通過降低頻率，Danisense 已經能夠在動態性能和功率水平之間取得很好的平衡。
圖 5 顯示了位于 Siemens Gamesa 風力渦輪機裝置中的 Danisense DR10000IM 傳感頭。
圖 5. Siemens Gamesa 風力渦輪機安裝中的 Danisense DR10000IM 傳感頭。
一種特殊設計的電纜具有多個雙絞線，具有單獨的屏蔽層，由第二個整體屏蔽層包圍，用于連接傳感頭和電子處理階段。如果頭部和處理單元之間的距離超過 30 米，Danisense 使用三根線來補償電流，而不是一根，以降低電流值，進而降低阻抗效應。
圖 6. 已經上市的新型 30kA 傳感頭的 3D 渲染
Danisense 的 DR50000IM 和 DR10000IM 電流感應傳感器具有 100kHz 的高帶寬，并且非常穩定，線性誤差僅為 1ppm。該公司還提供這些傳感器的等效電壓輸出版本 - DR50000UX (8kA) 和 DR10000UX (11kA)。
結論
隨著智能電網的引入，公用事業公司和其他公司不得不重新考慮他們采用的當前測量技術，因為電力是由比以往更廣泛的來源產生的。Danisense 的 Fluxgate 技術已廣泛應用于 MRI 掃描儀、電動汽車充電站和 CERN 等大型物理機構等應用中，事實證明，它同樣能夠處理數十千安的高電流，提供準確、穩定和可重復的測量結果。Danisense 知道在不久的將來將需要測量更高的電流，并將很快推出能夠測量高達 30kA 的電流感應傳感器（圖 6）。