CN101872005B - 带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，包括升流器主铁芯、升流器辅助铁芯、基准主铁芯、基准辅助铁芯、基波供电线圈、谐波供电线圈、一次线圈、二次线圈、升流器检测线圈、升流器补偿线圈、基准检测线圈、基准补偿线圈、补偿机构、纯阻性内置精密电阻、运算放大器和二次线路屏蔽层。本发明能产生电子式电流互感器准确度校验用的周期性非正弦波一次试验电流，同时能输出与该周期性非正弦波一次试验电流成线性比例关系的二次标准参考电压，它克服了目前电子式电流互感器在单一频率条件下分别进行基波和谐波准确度校验的局限性，使电子式电流互感器的非线性现象得到校验。

Description

带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，尤其涉及一种互感器校验用基准，具体地说是一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器。

背景技术

电子式电流互感器是一种电流传感器，它是传统电磁式电流互感器更新换代的产品，主要用于电网电能计量、电能质量分析及安全保护。传统电磁式电流互感器测量频带较窄，它采用铁芯线圈进行一次电流的传感，其二次端额定输出为5A或1A的电流标准值。电子式电流互感器具有测量频带宽、功耗低等特点，它主要采用带电子器件的光学装置、带与不带内置积分器的空心线圈或内装并联电阻的铁芯线圈进行一次电流的传感，其二次端具有电压模拟量输出或数字量输出两种形式。准确度是电子式电流互感器最重要的技术指标，在规定的使用条件下，电子式电流互感器的误差必须在给定的准确度等级所规定的限值内。2002年国际电工委员会首次发布了电子式电流互感器国际标准IEC60044-8，在此基础上，我国于2007年首次制定并发布了电子式电流互感器国家标准GB/T20840.8。这两个标准都给出了包括基准在内的电子式电流互感器准确度的校验电路，校验电路中基准和被校验电子式电流互感器的一次端口通以相同的一次试验电流，通过比较基准二次端口输出的二次标准参考电压和被校验电子式电流互感器的二次输出量，就可以计算出被校验电子式电流互感器的的准确度误差。

电子式电流互感器的标准分别对基波及谐波准确度提出了要求，考虑到试验条件的限制，目前采用单一频率的一次电流分别进行基波和谐波准确度的校验，但是这和电子式电流互感器实际应用时电网电流的真实情况不符。理想情况下进行试验时，应在额定频率及额定一次电流上叠加所要求的各谐波频率分量，该分量为额定一次电流的某个百分数，这样的一次电流更接近波形畸变真实的情况，从而使电子式电流互感器可能发生的非线性现象得到良好的反映和校验，此时电子式电流互感器的基波和谐波准确度可以同时进行校验。当然，如果在一次电流波形畸变的条件下进行试验，则需要基准同时具有较高的基波及谐波准确度，并且试验时还需要产生波形畸变的稳态一次试验大电流。现在电子式电流互感器准确度试验用的基准主要采用传统电流互感器的基准，传统电流互感器的基准包括标准电流互感器、双级电流互感器、零磁通电流互感器及电流比较仪等电流比例标准器，而试验所用的一次电流则是通过具有单独变压器结构的升流器或带升流器的电流互感器基准产生，但是这些基准及升流器都是在正弦波条件下进行设计并使用的。实际上由于传统电流互感器的计量检定规程中没有谐波准确度的要求，这些基准及升流器在设计时通常不考虑波形畸变的工作条件。此外，即使在正弦波条件下，传统电流互感器基准作为电子式电流互感器基准也存在问题。为了采用差值校验法校验传统电流互感器的准确度误差，传统电流互感器基准的二次输出与传统电流互感器二次输出相同，其额定值通常为5A或1A的电流标准参考量，而电子式电流互感器输出的是几十毫伏到几伏的电压模拟量或数字量，因此需要高准确度及高稳定性的电流/电压转换器以方便数字采样。除了传统电流互感器基准以外，同轴分流器也可用作基准进行准确度的误差试验，为了防止分流器过热一次电流不宜太大，它适用于单一频率的小电流谐波准确度误差试验。由于畸变波升流器的输出电流和基准一次试验电流相同，因此可以考虑将畸变波升流器和基准合二为一，但是目前这样的设备未见有专利或文献报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，提出一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，在对具有电压模拟量输出或数字量输出的电子式电流互感器基波及谐波准确度进行校验时，它能输出周期性非正弦波一次试验电流并同时能提供与该一次试验电流成线性比例关系的二次标准参考电压模拟量。

本发明的技术方案：一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，它包括升流器主铁芯、升流器辅助铁芯、基准主铁芯、基准辅助铁芯、基波供电线圈、谐波供电线圈、一次线圈、二次线圈、升流器检测线圈、升流器补偿线圈、基准检测线圈、基准补偿线圈、补偿机构、纯阻性内置精密电阻、运算放大器和二次线路屏蔽层；由升流器主铁芯、升流器辅助铁芯、基波供电线圈、谐波供电线圈、一次线圈、升流器检测线圈、升流器补偿线圈、补偿机构构成升流器；由基准主铁芯、基准辅助铁芯、一次线圈、二次线圈、基准测线圈、基准补偿线圈、补偿机构、纯阻性内置精密电阻、运算放大器和二次线路屏蔽层构成基准；一次线圈的出线端口既作为升流器的输出端口，又作为基准的一次端口；升流器主铁芯、升流器辅助铁芯、基准主铁芯和基准辅助铁芯均为闭环铁芯；所述的升流器检测线圈均匀绕制在升流器主铁芯上，所述的升流器补偿线圈均匀绕制在升流器辅助铁芯上，所述的基波供电线圈和谐波供电线圈同时均匀地绕制在升流器主铁芯和升流器辅助铁芯上，所述的基准检测线圈均匀绕制在基准主铁芯上，所述的基准补偿线圈均匀绕制在基准辅助铁芯上，所述的二次线圈同时均匀地绕制在基准主铁芯和基准辅助铁芯上，所述的一次线圈同时绕制在升流器主铁芯、升流器辅助铁芯、基准主铁芯及基准辅助铁芯上；补偿机构具有两个检测电压输入端口和两个补偿电流输出端口，该补偿机构由数字信号处理器、两路模数转换模块、两路数模转换模块、两路输入信号调理和保护电路、两路输出信号功率放大和滤波电路组成；升流器检测线圈和基准检测线圈的出线端口分别连接补偿机构的两个检测电压输入端口，升流器补偿线圈和基准补偿线圈的出线端口分别连接补偿机构的两个补偿电流输出端口；二次线圈采用屏蔽电线绕制，该屏蔽电线上的屏蔽层与运算放大器的同相输入端相连，运算放大器的反相输入端和输出端相连后与二次线路屏蔽层相连，使屏蔽电线上的屏蔽层与二次线路屏蔽层等电位；二次线圈的输出端口接纯阻性内置精密电阻，纯阻性内置精密电阻两端输出基准的二次标准参考电压。

本发明的基波供电线圈由外部基波电流源提供频率固定、幅值及初相角可调的基波电流，谐波供电线圈由外部谐波电流源提供频率、幅值及初相角可调的单次谐波电流；补偿机构检测升流器检测线圈和基准检测线圈输出的检测电压，同时分别向升流器补偿线圈和基准补偿线圈注入补偿电流，以调整升流器辅助铁芯和基准辅助铁芯的磁通，使升流器主铁芯和基准主铁芯的激磁安匝数趋于零，此时升流器输出的一次试验电流为基波供电线圈中的基波电流和谐波供电线圈中的单次基波电流的线性组合，同时基准的一次电流和二次线圈电流之间实现准确转换；二次线圈输出的基波和谐波电流的额定值设计在几十到几百微安范围内，二次线圈的输出端接温度漂移率低于5ppm/℃的纯阻性内置精密电阻，以保证基准二次标准参考电压的准确输出；通过检测基准输出的二次标准参考电压，可以对外部基波电流源和外部谐波电流源针对一次试验电流的基波电流和单次谐波电流的频率、幅值和初相角的选择和调节进行监控；基波电流频率为一个固定值，单次谐波频率连续可调，可以实现以基波为参变量进行电子式电流互感器准确度误差频率响应的测试。

本发明升流器输出的一次试验电流基波额定电流方均根值可达1000A，单次谐波额定电流的方均根值为基波额定电流方均根值的1/10，额定频率为50Hz或60Hz，单次谐波频率范围为100Hz至2KHz或120Hz至2.4KHz，基波和单次谐波电流的初相角为任意值；基准二次标准参考电压的基波和单次谐波额定电压的方均根值分别为1V和0.1V；基准额定负荷为2MΩ，基准的基波准确度误差和谐波准确度误差分别不超过0.1级电子式电流互感器规定的基波和谐波准确度误差限值的1/10；升流器容量可达1.5KVA，额定基波供电电流的方均根值低于12A，额定谐波供电电流的方均根值低于1.2A；补偿机构中输入信号采样频率和输出补偿信号的更新频率不低于60KHz。

本发明与现有技术相比的特点和技术效果：

(1)本发明的特点在于该装置能产生电子式电流互感器准确度校验用的周期性非正弦波一次试验电流，同时能输出与该周期性非正弦波一次试验电流成线性比例关系的二次标准参考电压，它克服了目前电子式电流互感器在单一频率条件下分别进行基波和谐波准确度校验的局限性，解决了周期性非正弦波条件下对电子式电流互感器基波和谐波准确度同时进行校验时对一次试验电流及基准的需求问题，使电子式电流互感器的非线性现象得到校验；(2)本发明产生的周期性非正弦波一次试验电流由基波电流和单次谐波电流合成，基波电流和单次谐波电流的频率、幅值和初相角都可以通过外部基波电流源和外部谐波电流源进行选择和调节，通过检测基准输出的二次标准参考电压可以对这些频率、幅值和初相角的选择和调节进行监控；基波电流频率为一个固定值，单次谐波频率连续可调，可以实现以基波为参变量进行电子式电流互感器准确度误差频率响应的测试；(3)本发明通过分别在该装置的升流器及基准部分进行磁势平衡的补偿控制，提高了周期性非正弦波升流器的升流控制质量以及基准中电流传感转换精度；(4)本发明通过纯阻性内置精密电阻将二次线圈输出电流转化为便于直接采样的电压模拟量输出，同时二次线圈输出电流的额定值设计在几十到几百微安范围内，以降低纯阻性内置精密电阻上的热损耗，保证了电流/电压转换的稳定性；(5)本发明所述的纯阻性内置精密电阻的温度漂移率低于5ppm/℃，保证在20℃变化范围内该电阻的准确度优于100ppm；(6)本发明的二次线圈出线端口接纯阻性内置精密电阻，消除了传统电流互感器基准二次不能开路的限制；(7)本发明通过运算放大器使二次线圈的屏蔽电线上的屏蔽层与二次线路屏蔽层等电位，消除了具有小电流多匝数特点的二次线圈分布电容的影响，有利于提高基准高次谐波的准确度。

附图说明

图1为本发明带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器的原理图。

具体实施方式

本发明提出的带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器的实施例，其原理如图1所示，它包括升流器主铁芯1、升流器辅助铁芯2、基准主铁芯3、基准辅助铁芯4、基波供电线圈5、谐波供电线圈6、一次线圈7、二次线圈10、升流器检测线圈12、升流器补偿线圈8、基准检测线圈11、基准补偿线圈9、补偿机构14、纯阻性内置精密电阻15、运算放大器13和二次线路屏蔽层16；由升流器主铁芯1、升流器辅助铁芯2、基波供电线圈5、谐波供电线圈6、一次线圈7、升流器检测线圈12、升流器补偿线圈8、补偿机构14构成升流器；由基准主铁芯3、基准辅助铁芯4、一次线圈7、二次线圈10、基准测线圈11、基准补偿线圈9、补偿机构14、纯阻性内置精密电阻15、运算放大器13和二次线路屏蔽层16构成基准；一次线圈7既作为升流器的输出线圈，又作为基准的一次线圈；升流器主铁芯1、升流器辅助铁芯2、基准主铁芯3和基准辅助铁芯4均为闭环铁芯；先将升流器检测线圈12均匀绕制在升流器主铁芯1上，再将升流器补偿线圈8均匀绕制在升流器辅助铁芯2上，然后将基波供电线圈5和谐波供电线圈6同时均匀地绕制在升流器主铁芯1和升流器辅助铁芯2上；接着将基准检测线圈11均匀绕制在基准主铁芯3上，基准补偿线圈9均匀绕制在基准辅助铁芯4上，然后将二次线圈10同时均匀地绕制在基准主铁芯3和基准辅助铁芯4上，最后将一次线圈7同时均匀地绕制在升流器主铁芯1、升流器辅助铁芯2、基准主铁芯3及基准辅助铁芯4上；补偿机构14具有两个检测电压输入端口和两个补偿电流输出端口，补偿机构14由数字信号处理器、两路模数转换模块、两路数模转换模块、两路输入信号调理和保护电路、两路输出信号功率放大和滤波电路组成；补偿机构14检测升流器检测线圈12和基准检测线圈11的输出电压，同时分别向升流器补偿线圈8和基准补偿线圈9注入补偿电流，使升流器主铁芯1和基准主铁芯3的激磁安匝数趋于零；二次线圈10的输出端接纯阻性内置精密电阻15；二次线圈10采用屏蔽电线绕制，该屏蔽电线上的屏蔽层通过运算放大器13与二次线路屏蔽层16等电位；基波供电线圈5由外部基波电流源提供频率固定、幅值及初相角可调的基波电流，谐波供电线圈6由外部谐波电流源提供频率、幅值及初相角可调的单次谐波电流；纯阻性内置精密电阻15两端输出基准的二次标准参考电压模拟量；P₁和P₂为升流器的输出端口，同时也是基准的一次端口，S₁和S₂为基准二次标准参考电压的输出端口。E₁和E₂为基波供电线圈5的输入端口，E₃和E₄为谐波供电线圈6的输入端口；外部基波电流源由E₁和E₂端口向基波供电线圈5提供供电电流i_s1，外部谐波电流源由E₃和E₄端口向谐波供电线圈6施加供电电压i_sh。

下面对本发明的带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器的原理做进一步的说明。

升流器主铁芯1的磁动势平衡方程为：

N_s1i_s1+N_shi_sh+N₁i₁＝N₁i₀₁

式中i₁为升流器输出电流及基准一次试验电流，i₀₁为升流器主铁芯1的励磁电流，N_s1为基波供电线圈5的匝数，N_sh为谐波供电线圈6的匝数，N₁为一次线圈7的匝数。

升流器辅助铁芯2的磁动势平衡方程为：

N_s1i_s1+N_shi_sh+N₁i₁+N_c1i_c1＝N₁i₀₂

式中i₀₂为升流器辅助铁芯2的励磁电流，i_c1为补偿机构14向升流器补偿线圈8输出的补偿电流。N_c1为升流器检测线圈的匝数。

调节外部供电电流源，使基波供电电流为谐波供电电流为

式中f和h分别为供电电流源的基波频率及谐波次数，I_s1和I_sh分别为基波供电电流和谐波供电电流的有效值，φ_s1和φ_sh分别为基波供电电流和谐波供电电流的初相角。当在补偿机构14作用下满足理想条件N_c1i_c1＝N₁i₀₂时，有i₀₁＝0，且升流器输出电流及基准一次试验电流i₁为：

$i_1=\sqrt{2}{I}_{11}\sin \left({2\mathrm{\πf}+\mathrm{\φ}}_1\right)+\sqrt{2}{I}_{1h}\sin (h\×2\mathrm{\πf}+{\mathrm{\φ}}_h)$

式中

φ₁＝φ_s1+π，φ_h＝φ_sh+π，I₁₁和I_1h分别为一次试验电流的基波分量有效值及谐波分量有效值。

基准主铁芯3的磁动势平衡方程为：

N₁i₁+N₂i₂＝N₁i₀₃

式中i₀₃为基准主铁芯3的励磁电流，N₂为二次线圈10的匝数，i₂为二次线圈10的电流。

基准辅助铁芯4的磁动势平衡方程为：

$N_1{i}_1-N_2\frac{u_2}{R_0}+N_{c2}{u}_{c2}=N_1{i}_{04}$

式中i₀₄为基准辅助铁芯4的励磁电流，R₀为纯阻性内置精密电阻15阻值，i_c2为补偿机构14向基准补偿线圈9输出的补偿电流，N_c2为基准补偿线圈9的匝数，u₂为基准输出的二次标准参考电压。

当在补偿机构14作用下满足理想条件N_c2i_c2＝N₁i₀₄时，有i₀₃＝0，且：

$u_2=\frac{N_1{R}_0}{N_2}{i}_1$

本实施例具体设计参数为：基准一次电流的基波和单次谐波额定电流的方均根值分别为500A和50A，额定频率为50Hz，单次谐波频率范围为100Hz至2KHz，基波和单次谐波电流的初相角为任意值；基准二次电压的基波和单次谐波额定电压的方均根值分别为1V和0.1V；基准额定负荷为2MΩ，基准的基波准确度误差和谐波准确度误差分别不超过0.1级电子式电流互感器规定的基波和谐波准确度误差限值的1/10；升流器容量为1.5KVA，升流器额定基波供电电流的方均根值为6A，升流器额定谐波供电电流的方均根值为0.6A；升流器主铁芯1和升流器辅助铁芯2均为铁基非晶合金闭环铁芯，升流器主铁芯1的截面为60×10mm²，升流器辅助铁芯2的截面为60×55mm²；一次线圈7的匝数N₁＝4，基波供电线圈5的匝数N_s1＝334，谐波供电线圈6的匝数N_sh＝334，升流器检测线圈12的匝数N_d1＝200、升流器补偿线圈8的匝数N_c1＝20；基准主铁芯3和基准辅助铁芯4均为铁基纳米晶合金闭环铁芯，基准主铁芯3的截面为20×10mm²，基准辅助铁芯4的截面为20×20mm²；二次线圈10的基波和单次谐波额定电流的方均根值分别为0.1A和0.01A，二次线圈10分20组绕制，每组的匝数为1000匝，基准检测线圈11的匝数N_d2＝2000、基准补偿线圈9的匝数N_d2＝200；纯阻性内置精密电阻15的阻值R₀＝10Ω，其温度漂移率需低于5ppm/℃；补偿机构14采用工作频率为300MHz的数字信号处理器、16位ADC和16位DAC，输入信号采样频率和输出补偿信号的更新频率为80KHz，两路输出信号功率放大和滤波电路中滤波器的截止频率为60KHz。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，其特征在于包括：升流器主铁芯（1）、升流器辅助铁芯（2）、基准主铁芯（3）、基准辅助铁芯（4）、基波供电线圈（5）、谐波供电线圈（6）、一次线圈（7）、二次线圈（10）、升流器检测线圈（12）、升流器补偿线圈（8）、基准检测线圈（11）、基准补偿线圈（9）、补偿机构（14）、纯阻性内置精密电阻（15）、运算放大器（13）和二次线路屏蔽层（16）；由升流器主铁芯（1）、升流器辅助铁芯（2）、基波供电线圈（5）、谐波供电线圈（6）、一次线圈（7）、升流器检测线圈（12）、升流器补偿线圈（8）、补偿机构（14）构成升流器；由基准主铁芯（3）、基准辅助铁芯（4）、一次线圈（7）、二次线圈（10）、基准测线圈（11）、基准补偿线圈（9）、补偿机构（14）、纯阻性内置精密电阻（15）、运算放大器（13）和二次线路屏蔽层（16）构成基准；一次线圈（7）既作为升流器的输出线圈，又作为基准的一次线圈；升流器主铁芯（1）、升流器辅助铁芯（2）、基准主铁芯（3）和基准辅助铁芯（4）均为闭环铁芯；所述的升流器检测线圈（12）均匀绕制在升流器主铁芯（1）上，所述的升流器补偿线圈（8）均匀绕制在升流器辅助铁芯（2）上，所述的基波供电线圈（5）和谐波供电线圈（6）同时均匀地绕制在升流器主铁芯（1）和升流器辅助铁芯（2）上；所述的基准检测线圈（11）均匀绕制在基准主铁芯（3）上，所述的基准补偿线圈（9）均匀绕制在基准辅助铁芯（4）上，所述的二次线圈（10）同时均匀地绕制在基准主铁芯（3）和基准辅助铁芯（4）上，所述的一次线圈（7）同时均匀地绕制在升流器主铁芯（1）、升流器辅助铁芯（2）、基准主铁芯（3）及基准辅助铁芯（4）上；补偿机构（14）具有两个检测电压输入端口和两个补偿电流输出端口，所述补偿机构（14）包括数字信号处理器、两路模数转换模块、两路数模转换模块、两路输入信号调理和保护电路、两路输出信号功率放大和滤波电路，补偿机构（14）检测升流器检测线圈（12）和基准检测线圈（11）的输出电压，同时分别向升流器补偿线圈（8）和基准补偿线圈（9）注入补偿电流，使升流器主铁芯（1）和基准主铁芯（3）的激磁安匝数趋于零；二次线圈（10）的输出端接纯阻性内置精密电阻（15）；二次线圈（10）采用屏蔽电线绕制，该屏蔽电线上的屏蔽层通过运算放大器（13）与二次线路屏蔽层（16）等电位；基波供电线圈（5）由外部基波电流源提供频率固定、幅值及初相角可调的基波电流，谐波供电线圈（6）由外部谐波电流源提供频率、幅值及初相角可调的单次谐波电流；纯阻性内置精密电阻（15）两端输出基准的二次标准参考电压模拟量。

2.根据权利要求1所述的一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，其特征在于：所述升流器的一次线圈（7）产生由基波电流和单次谐波电流合成的周期性非正弦波一次试验电流，该一次试验电流的单次谐波额定电流的方均根值为基波额定电流方均根值的1/10，基波额定频率为50Hz或60Hz，单次谐波频率范围为100Hz至2KHz或120Hz至2.4KHz，基波和单次谐波电流的初相角为任意值；通过检测基准输出的二次标准参考电压，对外部基波电流源和外部谐波电流源针对一次试验电流的基波电流和单次谐波电流的频率、幅值和初相角的选择和调节进行监控。

3.根据权利要求1所述的一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，其特征在于：所述的纯阻性内置精密电阻（15）两端输出的基准二次标准参考电压模拟量的基波和单次谐波额定电压的方均根值分别为1V和0.1V。

4.根据权利要求1所述的一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，其特征在于：所述基准的额定负荷为2MΩ，基准的基波准确度误差和谐波准确度误差分别不超过0.1级电子式电流互感器规定的基波和谐波准确度误差限值的1/10。

5.根据权利要求1所述的一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，其特征在于：升流器额定基波供电电流的方均根值低于12A，额定谐波供电电流的方均根值低于1.2A。

6.根据权利要求1所述的一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，其特征在于：所述补偿机构（14）中的输入信号采样频率和输出信号更新频率不低于60KHz。

7.根据权利要求1所述的一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，其特征在于：所述纯阻性内置精密电阻（15）的温度漂移率低于5ppm/℃。

8.根据权利要求1所述的一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，其特征在于：所述二次线圈（10）输出的基波及谐波电流额定值在几十到几百微安范围内。

9.根据权利要求1所述的一种带升流器的电子式周期性非正弦波基准电流互感器，其特征在于：所述基准二次输出端口允许开路。

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