CN102854365B - 一种磁声电电流测量装置 - Google Patents

Abstract

一种磁声电电流测量方法，基于被测载流导线周围的磁场分布和超声探头发射超声波声场激励的相互耦合作用产生电场的原理，通过测量该电场的电位差，求解被测载流导线周围磁场分布，进而计算出被测的载流导线的电流参数。应用所述测量方法的装置中，绝缘套筒（4）同轴套在被测载流导线（5）上；金属薄片（3）镶嵌在圆柱形的绝缘套筒（4）的表面；所述的超声探头（1）的轴线方向与金属薄片（3）的中心（O）垂直；一对测量电极（a、b）分别贴放在金属薄片（3）的两个对边。

Description

一种磁声电电流测量装置

技术领域

本发明涉及一种电流测量方法及装置。 

背景技术

在现代科学技术和生产力的推动下，测量已经成为一门十分重要的学科，测量的对象日趋丰富，涵盖了绝大多数的物理量，其中电流测量在现代工业中十分普遍同时非常重要。目前常见的检测手段有分流器、铁心交流电流互感器、铁心直流电流互感器、空心线圈、磁通门电流传感器、光学电流传感器、霍尔电流传感器等。 

分流器在低频小幅值电流测量中，表现出极高的精度和较快的响应速度。但无论采用多么巧妙的设计方法，分流器始终存在频率特性和发热问题，不能存本质上得到改善；交流电流互感器在工业现场交流电流的检测中十分普及，精度较高，但难以摆脱测量电流过大激磁电流使铁芯工作在饱和区，适合于电网工作频率附近频段电流测量，被测电流中存在暂态直流分量铁芯进入饱和区等缺陷；直流互感器是检测直流大电流的一种有效手段，其缺点主要为体积较大、价格较高；空心线圈在交流电流的测量中不存在磁饱和现象，拥有体积小、价格低的特点，在电力系统暂态电流测量和工业脉冲大电流测量中有比较普遍的应用，但精度低、不适合用于小电流测量；磁通门能够准确的检测磁场，但仅适用于近似于直流的稳恒微弱电流测量；光学电流传感器抗电磁干扰能力强、不存在暂态磁饱和现象，有较宽的动态测量范围和频率响应范围，但测量精度有限、稳定性差；霍尔电流传感器是一种典型的有源型电流检测方法，是针对低频率或直流电流测量的简单而有效的检测方法，为数百安培以内电流检测的首选产品，但霍尔电流传感器需要保证甚至提高稳定性和精度的基础上减小其体积、重量和价格。 

总体而言，对于直流测量，分流器和霍尔电流传感器原理最为简单，霍尔电流传感器与分流器相比，其优点是可以有效的实现测量信号与被测信号之间的电气绝缘，事实也证明霍尔电流传感器是工业领域检测直流电流常用的手段。电流互感器是电力系统的重要设备，在电力系统的计量、监控以及保护中起着很重要的作用。长期以来，电力系统一直采用的是电磁式电流互感器，他的优点是原理简单、可靠性高、输出容量大，性能稳定。 

电流和磁场有着非常密切的联系，通过测量磁场来获知电流的大小有效而可行，所以与 磁效应有关的物理方法都可以作为磁场和电流测量的方案。在上述的电流传感器中，霍尔电流传感器采用的是霍尔元件的磁阻效应，空心线圈和电流互感器利用的是电磁感应效应，基于法拉第效应的电流传感器利用了磁光效应，这些都是比较常见且技术相对成熟的磁场或电流检测方法。 

无论是霍尔电流传感器、空心线圈还是电流互感器，都是利用磁场作为中间量来计算所测电流，这与本专利的思路有相似之处，但传统方法由于采用磁阻效应、电磁感应等原理，存在采用磁芯或者存在气隙的特点，带来了一系列的不足。如随着电力系统输电网络电压等级的不断提高，电磁式电流互感器也暴露出了其固有的缺点：体积越来越庞大，设备越来越笨重，绝缘造价原来越高，而且存在爆炸和绝缘击穿的危险；更严重的是由于其无法解决磁饱和的问题，已经很难正确反映线路的故障电流；而测量装置磁芯气隙的存在也使得测量精度难以提高。 

发明内容

为了克服上述现有方法的不足，本发明提出一种磁声电电流测量方法及装置。本发明可解决传统方法的磁饱和问题，更好地实现测量信号与被测信号之间的电气绝缘，为直流导线电流的测量提供新的思路。 

本发明磁声电电流测量方法基于被测载流导线周围的磁场分布和超声探头发射超声波声场激励的相互耦合作用产生电场的原理，通过测量该电场的电位差，求解出被测载流导线周围磁场分布，进而计算出被测的载流导线的电流参数。被测的载流导线悬空放置，载流导线周围产生以载流导线为轴的一系列同心圆的磁场，且离载流导线越远磁场越弱，磁场方向为圆的切线方向。本发明引入金属薄片，所述的金属薄片水平放置在载流导线周围，金属薄片的水平平面方向与载流导线的电流在金属薄片放置处产生的磁场方向一致。本发明将超声探头垂直于金属薄片放置，超声探头发射的超声波垂直入射至金属薄片，使金属薄片在超声波焦斑区域内的质点随超声波的传播而产生振动，同时在载流导线产生的磁场共同作用下，受到洛仑兹力作用，进而在金属薄片内产生局部电场。通过贴放在金属薄片上的测量电极可测得相应的电位差，通过电位差、质点振速和金属薄片电导率，可求出载流导线周围的磁感应强度。根据导线周围磁场与载流导线电流的关系，从而测得载流导线中流过的电流。 

本发明可克服传统方法的磁饱和问题，以及由于气隙所带来的精度低的问题。本发明可有效的实现测量信号与被测信号之间的电气绝缘。 

本发明方法求解被测载流导线周围空间电磁场的原理如下： 

在与金属片平行的方向存在电磁场，超声探头垂直于金属薄片放置，一对测量电极贴放在金属片的两个对边，测量电极与金属薄片宽度相同，两个测量电极中心点的连线与电磁场 方向垂直。假设被测载流导线周围产生的电磁场方向为x方向，超声探头发射超声波的方向为z方向，两个测量电极的垂直连线方向为y方向。垂直于金属薄片的超声探头发射的超声波垂直入射至金属薄片上，在金属薄片上的超声波焦斑覆盖区域Ω内的质点产生z方向的振动，振速为v，由于x方向电磁场的存在，使得运动的质点受洛伦兹力作用，于是在金属薄片内产生局部电场，通过贴放在金属薄片上的测量电极a、b可以测得相应的电位差 如果已知电位差 振速v、和金属片的电导率σ，便可以求出被测导线周围金属片放置处电磁场的磁感应强度B：具体为： 

（1）当超声探头发射的超声波和被测载流导线周围电磁场不存在时，金属薄片材料的电导率为σ，假设通过电极a、b注入1A直流电流作为激励给定，便可以计算出焦斑区域Ω内的电流密度分布J_ab，当焦斑很小时，可认为J_ab为常值，取电流密度y方向平均分量Jy_ab=1/A，A为金属薄片xz面的截面积； 

（2）当超声波和电磁场共同作用在金属薄片上时，由瑞利-卡尔松（Reyleigh-Carson）互易定理可以得到， 其中， 为测量电极a、b测得的金属薄片内的局部电场的电位差，J_ab为电流密度，v为质点振速，B为磁感应强度，Ω为超声波焦斑覆盖区域； 

（3）考虑到各矢量间的方向性，电流密度分布J_ab取y方向的平均分量Jy_ab，上述表达式可以等效为 其中S为焦斑区域Ω的面积，于是被测导线周围金属片放置处电磁场的磁感应强度 

（4）假设金属薄片中心点为O点，空气的磁导率为μ，那么距离被测载流导线中心轴线垂直距离为R处的O点的磁感应强度B＝μI/2πR，其中I为载流导线中通过的电流，R为O点距载流导线中心轴线的垂直距离，便可以计算出被测的载流导线中的电流I， 

应用本发明磁声电电流测量方法的装置包括超声探头、金属薄片、测量电极和绝缘套筒。所述的绝缘套筒为空心的圆柱体，所述的金属片镶嵌在圆柱形绝缘套筒的表面。测量时被测载流导线为悬空放置，绝缘套筒与被测的载流导线同轴布置，绝缘套筒套装在所述的载流导线上。超声探头垂直于金属薄片的中心位置，超声探头发射的超声波垂直于金属薄片。被测的载流导线周围产生以载流导线为轴的一系列同心圆的磁场，且离载流导线越远磁场越弱，磁场方向为圆的切线方向。金属薄片中心点为O，O点电磁场方向为以载流导线为轴，过O点的圆环上O点的切线方向。金属薄片平面上每一点的电磁场方向为该点的切线方向。一对测量电极为片状，布置在金属薄片的两个对边。测量电极与金属薄片宽度相同，两个测量电极中心点的连线与电磁场方向垂直。 

采用本发明方法的磁声电电流测量方法的装置测量方法及步骤如下： 

（1）被测的载流导线悬空放置，将磁声电电流测量装置的绝缘套筒套被测的载流导线 上，绝缘套筒与被测的载流导线同轴放置。超声探头与绝缘套筒表面的金属薄片垂直放置。 

（2）当超声探头发射的超声波和导线周围电磁场不存在时，金属薄片材料的电导率为σ，假设通过电极a、b注入1A直流电流作为激励给定，便可以计算出区域Ω内的电流密度分布J_ab，当焦斑很小时，可认为J_ab为常值，取电流密度y方向平均分量Jy_ab=1/A，A为金属薄片xz面的截面积； 

（3）向被测的载流导线通入电流，在载流导线周围产生以载流导线为轴的一系列同心圆的电磁场。同时超声探头发射超声的中心轴延长线与金属薄片中心点O重合，且垂直于金属薄片表面，超声探头发射的超声波垂直入射至金属薄片。当超声波和被测载流导线周围产生的电磁场共同作用在金属薄片上时，由瑞利-卡尔松（Reyleigh-Carson）互易定理可知，电位差 贴放在金属薄片上的测量电极记录所述电场的电位差 同时记录金属薄片的质点振速v。 

（4）由于电势差 可测，电流密度分布J_ab取y方向的平均分量Jy_ab，质点振速v已知，焦斑区域Ω已知，可得出载流导线周围磁场，考虑到各矢量间的方向性，即可得到金属薄片中心点磁场的磁感应强度 其中S为焦斑面积； 

（5）根据距离载流导线中心线垂直距离和计算得到的磁感应强度，计算出被测的载流导线电流。假设金属薄片中心点为O点，空气的磁导率为μ，那么距离载流导线中心轴线垂直距离为R处的O点的磁感应强度B＝μI/2πR，其中I为载流导线中通过的电流，R为O点距载流导线中心轴线的垂直距离，电磁场分布为以被测载流导线为轴的一系列同心圆环，电磁场方向为沿圆环的切线方向。根据上述方法得到的O点处的磁感应强度，便可以计算出被测的载流导线中的电流I， 

本发明不同于目前普遍应用的电磁场耦合检测法，采用超声波与载流导线周围电磁场共同作用在金属片上，通过测量电势差、质点振速、焦斑作用区域电流密度及已知的金属片电导率，得到距离金属片R处的载流导线中的电流。本发明测量系统简单，且可有效的实现测量信号与被测信号之间的电气绝缘，测量电流范围大，适用面广，便于操作，同时解决传统的地磁场耦合检测法磁饱和问题和气隙所带来的精度低的问题。为电流测量的装置简单化、高精度、应用面广、实用化发展提供新的思路。 

附图说明

图1本发明磁声电方法原理图； 

图2被测载流导线周围磁场分布图； 

图3本发明磁声电电流测量装置实施例结构图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。 

本发明磁声电方法原理如图1所示。本发明磁声电电流测量方法利用被测载流导线周围的磁场分布和超声探头发射超声波声场激励的相互耦合作用产生电势，求解出被测载流导线周围磁场分布，进而计算得到被测的载流导线的电流参数。如图1所示，在与水平放置的金属薄片平行的方向存在被测的载流导线的电流产生的电磁场。超声探头垂直于金属薄片放置，超声探头发射的超声波垂直入射至金属薄片，金属薄片在超声波焦斑区域内的质点随超声波的传播而产生振动，同时在载流导线产生的电磁场共同作用下，受到洛仑兹力作用，进而在金属薄片内产生局部电场。测量电极贴放在金属片的两个对边，测量电极与金属薄片宽度相同，两个测量电极中心点的连线与电磁场方向垂直。 

假设被测载流导线周围产生的电磁场方向为x方向，超声探头发射超声波的方向为z方向，两个测量电极垂直连线方向为y方向，垂直于金属薄片的超声探头发射的超声波垂直入射至金属薄片上时，在金属薄片上所产生的焦斑覆盖区域Ω内的质点随超声波的传播而产生z方向的振动，振速为v，由于x方向电磁场的存在，使得运动质点受洛伦兹力作用，在金属薄片内产生局部电场。通过测量电极可测得相应的电位差 已知电位差 质点振速v、和金属薄片的电导率σ，可求出载流导线周围电磁场的磁感应强度B。根据导线周围磁场与载流导线电流的关系，从而测得载流导线中流过的电流。 

所述的待测载流导线周围磁场分布如图2所示。被测的载流导线悬空放置，载流导线周围产生以载流导线为轴的一系列同心圆的电磁场，且离载流导线越远磁场越弱，电磁场方向为圆环的切线方向。如O点所示，O点的磁场方向为以载流导线为轴，过O点的圆环上O点的切线方向。 

如图1、图2所示，首先得出磁感应强度B的求解方法为： 

（1）当超声探头发射的超声波和导线周围电磁场不存在时，金属薄片材料的电导率为σ，假设通过电极a、b注入1A直流电流作为激励给定，可计算出区域Ω内的电流密度分布J_ab，当金属薄片上的超声波的焦斑很小时，可认为J_ab为常值，取电流密度y方向平均分量Jy_ab=1/A，A为金属薄片xz面的截面积； 

（2）当超声波和电磁场共同作用在金属薄片上时，由瑞利-卡尔松互易定理可以得到， 其中， 为测量电极a、b测得的电位差，为电流密度，v为质点振速，B为电磁场，Ω为超声波焦斑覆盖区域； 

（3）考虑到各矢量间的方向性，表达式可以等效为 其中S为焦斑区域Ω的面积，Jy_ab为电流密度y方向平均分量，于是磁感应强度 

（4）假设金属薄片中心点为O点，空气的磁导率为μ，那么距离被测载流导线中心轴线 垂直距离为R处的O点的磁感应强度B＝μI/2πR，其中I为载流导线中通过的电流，R为O点距载流导线中心轴线的垂直距离，便可以计算出被测的载流导线中的电流I， 

所述的本发明磁声电电流测量装置如图3所示。图中5为载流导线，2为超声探头作用焦斑覆盖区域。本发明所述的磁声电电流测量装置包括超声探头1、金属薄片3、绝缘套筒4，用于测量电势差的一对测量电极a、b。其中，所述的金属薄片3镶嵌在圆柱形绝缘套筒4的表面，测量时绝缘套筒4与待测载流导线5同轴放置，绝缘套筒4同轴套在载流导线5上。当载流导线5中有电流通过时，被测导线周围产生以载流导线5为轴的一系列同心圆的电磁场，电磁场方向为同心圆环的切线方向。金属薄片3中心点为O，O点电磁场方向为以载流导线5为轴，过O点的圆环上O点的切线方向。金属薄片3平面上每一点的电磁场方向为该点的切线方向。超声探头1放置方法为：超声探头1垂直于金属薄片的中心位置，超声探头1发射的超声波垂直于金属薄片3入射至金属薄片3，超声探头1发射的超声波在金属薄片3上形成焦斑覆盖区域2。一对测量电极a、b为片状，测量电极a、b分别贴放在金属薄片3的两个对边，测量电极与金属薄片宽度相同，两个测量电极中心点的连线与电磁场方向垂直。采用本发明方法的磁声电电流测量方法的装置测量方法及步骤如下： 

（1）将磁声电电流测量装置的绝缘套筒套在载流导线上，绝缘套筒与被测的载流导线同轴放置。超声探头与绝缘套筒表面的金属薄片垂直放置，被测载流导线悬空放置； 

（2）超声探头发射的超声波和导线周围电磁场不存在时，金属薄片材料的电导率为σ，假设通过电极a、b注入1A直流电流作为激励给定，便可以计算出焦斑区域Ω内的电流密度分布J_ab，当焦斑很小时，可认为J_ab为常值，取电流密度y方向平均分量Jy_ab=1/A，A为金属薄片xz面的截面积； 

（3）被测的载流导线通入电流的情况下，在载流导线周围产生以载流导线为轴的一系列同心圆的电磁场，同时超声探头发射超声的中心轴延长线与绝缘套筒上的金属片中心点重合，超声探头发射超声的中心轴与金属片中心点O重合，且垂直于金属薄片表面，超声探头发射的超声波垂直入射至金属薄片。当超声波和被测载流导线周围产生的电磁场共同作用在金属薄片上时，由瑞利-卡尔松（Reyleigh-Carson）互易定理可知，电位差 贴放在金属薄片上的测量电极记录所述电场的电位差 同时记录金属薄片的质点振速； 

（4）由于电势差 可测，电流密度分布J_ab为已知，取y方向的平均分量Jy_ab，质点振速v已知，焦斑区域Ω已知，可得出载流导线周围磁场，考虑到各矢量间的方向性，即可得到金属薄片中心点的磁场，磁感应强度可表示为 其中S为焦斑面积； 

（5）根据距离载流导线中心线垂直距离和计算得到的磁感应强度，计算出直流导线电流。假设金属薄片中心点为O点，空气的磁导率为μ，那么距离载流导线中心线垂直距离为R 处的O点的磁感应强度B=μI/2πR，其中I为载流导线中通过的电流，R为O点距载流导线中心轴的垂直距离，电磁场分布为以被测载流导线为轴的一系列同心圆环，电磁场方向为沿圆环的切线方向。根据上述方法得到的O点处的磁感应强度，便可以计算出载流导线中的电流I， 

Claims (3)

1.一种磁声电电流测量装置，其特征在于：所述的装置包括超声探头(1)、金属薄片(3)、一对测量电极(a、b)和绝缘套筒(4)；所述的金属薄片(3)镶嵌在圆柱形的绝缘套筒(4)的表面，绝缘套筒(4)同轴套在被测载流导线(5)上；所述的超声探头(1)的轴线方向与金属薄片(3)的中心(O)垂直，超声探头发射的超声波垂直于金属薄片；一对测量电极(a、b)为片状，一对测量电极(a、b)分别贴放在金属薄片(3)的两个对边，测量电极(a、b)与金属薄片的宽度相同，两个测量电极中心点的连线与电磁场方向垂直。 

2.根据权利要求1所述的磁声电电流测量装置，其特征在于：所述的电流测量装置基于磁声电原理，实现载流导线周围磁场测量，进而由磁场获得载流导线电流；被测载流导线周围的磁场分布和超声探头声场激励相互耦合作用产生电场，通过测量该电场的电位差，求解被测载流导线周围磁场分布，进而计算出被测的载流导线的电流参数。 

3.根据权利要求2所述的磁声电电流测量装置，其特征在于：所述的电流测量装置测量电流的具体工作过程为：将被测载流导线悬空放置，将金属薄片(3)水平放置在被测载流导线周围，金属薄片(3)的水平平面方向与载流导线的电流在金属薄片放置处产生的电磁场方向一致；将超声探头(1)垂直于所述的金属薄片(3)放置，超声探头(1)发射的超声波垂直入射至金属薄片(3)，使得金属薄片(3)的超声波焦斑区域内的电荷在电磁场和超声波的作用下受到洛仑兹力,进而在金属薄片(3)内产生局部电场，一对测量电极(a、b)测量该电场；测量步骤如下： 

(1)求解被测载流导线周围电磁场分布： 

a.金属薄片材料的电导率已知为σ，当不存在超声探头发射的超声波和被测载流导线周围电磁场作用时，假设通过电极a、b注入1A直流电流作为激励给定，便能够计算出焦斑区域Ω内的金属薄片中电流密度分布J_ab，当焦斑很小时，认为J_ab为常值，取电流密度y方向平均分量Jy_ab＝1/A，A为金属薄片xz面的截面积； 

b.将所述装置的绝缘套筒(4)同轴套在被测载流导线上，绝缘套筒与被测的载流导线同轴放置，使超声探头(1)发射的超声波和所述的被测载流导线周围电磁场共同作用在所述的金属薄片(3)上，产生所述的电场，测量所述电场的电位差

其中，为测量电极a、b测得的金属薄片内的局部电场的电位差，J_ab为已知电流密度，v为质点振速，B为磁感应强度未知量，Ω为超声波焦斑覆盖区域； 

c.求解被测载流导线的电流在金属薄片放置处所产生的电磁场的磁感应强度B： 

考虑到各矢量间的方向性，电流密度分布J_ab取y方向的平均分量Jy_ab，则有： 

上述公式中：为金属薄片内产生的局部电场电位差，Jy_ab为y方向电流密度分量，v为金属薄片超声波焦斑区域内的质点振速，S为焦斑区域Ω的面积； 

(2)求解被测载流导线的电流I： 

上述公式中：R为金属薄片中心点距离被测载流导线中心轴线的垂直距离，为金属薄片内的局部电场电位差，μ为空气的磁导率，Jy_ab为y方向电流密度分量，v为金属薄片超声波焦斑区域内的质点振速，S为焦斑区域Ω的面积。