CN102998522A - 一种电流测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电流测量装置及方法，该装置包括：磁铁心、辅助线圈，其特征是：磁铁心为固定开口的聚磁铁心，辅助线圈缠绕在聚磁铁心上，辅助线圈的输出导线端连接负载；测量时，被测母线穿过聚磁铁心中部，被测母线的电流变化通过缠绕在聚磁铁心上的辅助线圈感应，由检测负载两端的电压进行计算得到通过的电流。本发明测量灵敏度、受电磁干扰小，工艺性好。

Description

一种电流测量装置及方法
技术领域
本发明属于电力设备领域，涉及一种电流测量装置及方法，可应用在高电压大电流的电力测量系统中。
技术背景
在电力测量系统中，测量电流的方法有电流互感器，光学电流互感器及Rogowski线圈方法。
电流互感器（Current transformer 简称CT）的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，由电子测量电路测测量获取电流。电流互感器基于电磁感应原理由闭合的铁芯和绕组组成，二次侧绝对不允许开路，因一旦开路，一次侧电流I1全部成为磁化电流，引起φm和E2骤增，造成铁心过度饱和磁化，发热严重乃至烧毁线圈，同时，磁路过度饱和磁化后，使误差增大。
光学电流互感器(OCT)是以法拉第磁光效应为基础、以磁光材料为介质的新兴电力测量装置。它通过测量光波在经过磁光材料时其偏振面旋转(由于电流产生的磁场的作用)的角度来确定被测电流的大小。光学电流互感器具有抗高电磁噪声干扰、动态范围大、响应快、传感器电流灵敏度高以及测量装置结构紧凑、体积小、重量轻、价格便宜、非接触测量等优点,但是OCT的测量方式属于开放方式，因而很难达到理想的测量效果，而且由于线性双折射引起的温度漂移问题阻挡了OCT的实用化。
Rogowski线圈是在一根截面细小而均匀的环形非磁性骨架上均匀密绕的空心线圈，较之传统的电磁感应式CT，Rogowski基本解决了磁饱和问题，而且提高了传统CT的动态响应范围，但是仍存在难以满足互感器准确度，高压传感头必然是有源方式，不能转变为直流分量，线圈结构的非理想性、温度和电磁干扰的影响都不可忽略这四个关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量灵敏度、受电磁干扰小，工艺性好的电流测量装置及方法。
本发明的目的是这样实现的，一种电流测量装置，包括：磁铁心、辅助线圈，其特征是：磁铁心为固定开口的聚磁铁心，辅助线圈缠绕在聚磁铁心上，辅助线圈的输出导线端连接负载；测量时，被测母线穿过聚磁铁心中部，被测母线的电流变化通过缠绕在聚磁铁心上的辅助线圈感应，由检测负载两端的电压进行计算得到通过的电流。
所述的负载与电压测量电路电连接，电压测量电路采用带A/D输入的单片机，A/D输入有带通滤波电路。
所述的开口聚磁铁心是方框状或圆环状。
一种电流测量装置方法，其特征是：辅助线圈缠绕在开口聚磁铁心上，辅助线圈的输出导线端连接负载，负载两端的电压检测过程是：依据电磁感应定律，当被测母线中有电流通过时，会在辅助线圈上产生感生电动势                                                
Figure 2012105474791100002DEST_PATH_IMAGE001
Figure 551904DEST_PATH_IMAGE002
    （1）
其中：
Figure 2012105474791100002DEST_PATH_IMAGE003
——磁链，
Figure 557906DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 2012105474791100002DEST_PATH_IMAGE005
——铁心中的磁通；
设
Figure 54747DEST_PATH_IMAGE006
为聚磁铁心的铁心等效长度，
Figure 2012105474791100002DEST_PATH_IMAGE007
为气隙长度，则铁心等效磁阻
Figure 236329DEST_PATH_IMAGE008
和气隙等效磁阻分别由公式（2）和（3）给出：
   （2）
Figure 2012105474791100002DEST_PATH_IMAGE011
    （3）
式中：
Figure 919301DEST_PATH_IMAGE012
——空气磁导率（近似等于磁光晶体磁导率）；——聚磁铁心相对磁导率；
Figure 954253DEST_PATH_IMAGE014
——铁心截面积；——气隙处磁场的等效截面积；
给出辅助线圈的等效磁路，图中
Figure 849396DEST_PATH_IMAGE016
为被测载流导体产生的磁动势，
Figure 209971DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 597090DEST_PATH_IMAGE009
分别为铁心和气隙处的等效磁阻，
则被测载流导体产生的磁通
Figure 966891DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 2012105474791100002DEST_PATH_IMAGE017
  （4）
式中
Figure 326328DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 2012105474791100002DEST_PATH_IMAGE019
为铁心所包围的被测载流导体上通过的电流，
Figure 227112DEST_PATH_IMAGE020
，
将式（4）代入式（1）即可得到辅助线圈的理论输出
Figure 2012105474791100002DEST_PATH_IMAGE021
  （5）
由于当铁心尺寸确定后，式（5）中除
Figure 835948DEST_PATH_IMAGE016
以外的其他部分应该是一个常量，设被测母线电流为，则有感生电动势：
Figure 488963DEST_PATH_IMAGE024
  （6），式中，A是被测母线电流幅度，ω是被测母线电流频率。
本发明的优点是：通过理论分析及实验证实辅助线圈具有不同于传统CT和Rogowski线圈的优良特征。传统电磁式CT的被测电流与二次侧感应电流不存在微分关系，当一次侧电流不变时，二次侧输出电流与二次侧线圈匝数成反比，因而与辅助线圈的测量原理不同。辅助线圈和Rogowski线圈的测量原理都是基于电磁感应原理，都需要在输出端增加积分环节才能满足电流测量需要，且都容易受电磁干扰影响等特点。辅助线圈由于存在聚磁铁心，因而其测量灵敏度远高于Rogowski线圈，且辅助线圈对线圈绕制工艺要求较低，更易于机械加工。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例结构原理图；
图2是辅助线圈的等效磁路；
图3是辅助线圈匝数与输出有效值的关系；
图4 负载电阻与辅助线圈输出关系；
图5 被测电流与辅助线圈输出关系。
图中，1、磁铁心；2、负载；3、辅助线圈；4、被测母线；5、输出导线端。
具体实施方式
如图1所示，一种电流测量装置包括：磁铁心1、辅助线圈3，磁铁心1为一固定开口聚磁铁心，开口聚磁铁心是方框状或圆环状；辅助线圈3缠绕在聚磁铁心1上，辅助线圈3的输出导线端5与负载2电连接，负载2与电压测量电路电连接，由电压测量电路检测被测母线4通过的电流。
电压测量电路采用带A/D输入的单片机，A/D输入有带通滤波电路，被测母线4信号被带通滤波器带通滤波，只允许被测母线电流频率通过，然后由单片机对信息进行A/D转换读取数字信号。
测量时，被测母线4穿过方框状或圆环状的聚磁铁心1中部，被测母线4的电流变化通过缠绕在聚磁铁心1上的辅助线圈3感应，由检测负载2两端的电压换算得到通过的电流。
这种测量方法与传统电磁式CT有所区别，传统电磁式CT二次侧输出不能开路的特点，辅助线圈3在输出导线5上串接一定阻值的负载2，聚磁铁心1为开口状，被测母线4电流的变化通过测量负载2两端的电压
Figure DEST_PATH_IMAGE025
而获得。
本发明的原理是依据电磁感应定律，当被测母线4中有电流通过时，会在辅助线圈3上产生感生电动势
Figure 50395DEST_PATH_IMAGE001
Figure 146527DEST_PATH_IMAGE002
    （1）
其中：
Figure 858131DEST_PATH_IMAGE003
——磁链，
Figure 192160DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 331017DEST_PATH_IMAGE005
——铁心中的磁通。
从式（1）可以看出感生电动势
Figure 507921DEST_PATH_IMAGE001
与线圈匝数以及磁通的变化率有关。
设
Figure 757637DEST_PATH_IMAGE006
为聚磁铁心的铁心等效长度，
Figure 742910DEST_PATH_IMAGE007
为气隙长度，则铁心等效磁阻
Figure 521510DEST_PATH_IMAGE008
和气隙等效磁阻
Figure 592234DEST_PATH_IMAGE009
分别由公式（2）和（3）给出：
Figure 645641DEST_PATH_IMAGE010
   （2）
Figure 78896DEST_PATH_IMAGE011
    （3）
式中：
Figure 559556DEST_PATH_IMAGE012
——空气磁导率（近似等于磁光晶体磁导率）；
Figure 851997DEST_PATH_IMAGE013
——聚磁铁心相对磁导率；
Figure 709095DEST_PATH_IMAGE014
——铁心截面积；——气隙处磁场的等效截面积。
图2是辅助线圈的磁路等效，图中为被测载流导体产生的磁动势，和
Figure 664041DEST_PATH_IMAGE009
分别为铁心和气隙处的等效磁阻。
则被测载流导体产生的磁通
Figure 59250DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 608043DEST_PATH_IMAGE017
  （4）
式中F＝I 1 N＋I 2 n，I 1 为铁心所包围的被测载流导体上通过的电流，N =1，
Figure 164926DEST_PATH_IMAGE026
为辅助线圈输出电流，n为辅助线圈匝数。
将式（4）代入式（1）即可得到辅助线圈的理论输出：
Figure 431960DEST_PATH_IMAGE021
  （5）
由于当铁心尺寸确定后，式（5）中除以外的其他部分应该是一个常量
Figure 627635DEST_PATH_IMAGE022
，设被测母线电流为
Figure 886578DEST_PATH_IMAGE023
，则有
Figure 640907DEST_PATH_IMAGE024
  （6）
对比被测导体中电流与
Figure 370146DEST_PATH_IMAGE001
的表达式可知：
1）辅助线圈能够反映被测电流的变化，但是由于存在微分环节，需要进行积分补偿。
2）经过积分后的辅助线圈输出电流与被测电流同频，幅度相差常数倍。
图3为当被测电流一定时（图中为150A）辅助线圈3 的匝数与输出有效值的关系，从图中可以看出，当被测电流一定时，辅助线圈3的输出有效值电压与线圈的匝数成正比，并且具有良好的线性。
图4是负载电阻6与辅助线圈3输出的关系（被测电流150A，辅助线圈55匝），从图中可以看出，负载电阻6从3欧姆增加到78.2欧姆，辅助线圈3的输出不断增大，并且逐渐趋近于辅助线圈开路时的输出电压1.5V，这一特性完全不同于传统CT不能开路的特征。
图5是当辅助线圈3的匝数一定时，被测电流与辅助线圈输出的对应关系（辅助线圈55匝），从图中可以看出，当辅助线圈匝数一定时，随着被测电流的线性增加，辅助线圈两端电压具有良好的线性输出。
根据法拉第电磁感应定律，当穿过闭合导体回路所包围面积内的磁通量发生变化（增加或减少），回路中就会出现电流，这种电流称为感应电流（传统电磁式CT正是通过这一原理实现对被测导体的电流变化进行测量）。即只要满足法拉第电磁感应定律的两个基本条件，就可以产生感应电流：1)，要满足闭合导体回路。2)闭合回路所包围面积内的磁通量发生变化。因此，如果在开口铁心的臂上缠绕闭合线圈，那么线圈产生的感应量将会随被测电流磁场的变化而变化，且这种感应量的变化与被测母线的电流变化有密切关系。由于这种对电流变化的感应不同于传统CT（铁心闭合和二次侧不能开路）和传统变压器（原边与副边的匝数比即为一次侧电压与二次侧电压之比）原理的特点，该测量装置由于存在聚磁铁心，因而其测量灵敏度远高于Rogowski线圈，且铁心加工和线圈绕制工艺要求较低，更易于机械加工。另外，相对于传统的电磁式CT，该测量装置不易产生磁滞和磁饱和现象，因而相对于传统式CT具有体积小、重量轻、测量精度高等优点，较之光学OCT具有更高的长期稳定性和测量精度，受环境影响小，非常适合批量生产和应用。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (4)

1.一种电流测量装置，包括：磁铁心、辅助线圈，其特征是：磁铁心为固定开口的聚磁铁心，辅助线圈缠绕在聚磁铁心上，辅助线圈的输出导线端连接负载；测量时，被测母线穿过聚磁铁心中部，被测母线的电流变化通过缠绕在聚磁铁心上的辅助线圈感应，由检测负载两端的电压进行计算得到通过的电流。
2.根据权利要求1所述的一种电流测量装置，其特征是：所述的负载与电压测量电路电连接，电压测量电路采用带A/D输入的单片机，A/D输入有带通滤波电路。
3.根据权利要求1所述的一种电流测量装置，其特征是：所述的开口聚磁铁心是方框状或圆环状。
4.一种电流测量装置方法，其特征是：辅助线圈缠绕在开口聚磁铁心上，辅助线圈的输出导线端连接负载，负载两端的电压检测过程是：依据电磁感应定律，当被测母线中有电流通过时，会在辅助线圈上产生感生电动势                                               
Figure 2012105474791100001DEST_PATH_IMAGE002
    （1）
其中：
Figure 2012105474791100001DEST_PATH_IMAGE006
——磁链，；——铁心中的磁通；
设
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为聚磁铁心的铁心等效长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为气隙长度，则铁心等效磁阻
Figure DEST_PATH_IMAGE016
和气隙等效磁阻
Figure DEST_PATH_IMAGE018
分别由公式（2）和（3）给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
   （2）
Figure 2012105474791100001DEST_PATH_IMAGE022
    （3）
式中：——空气磁导率（近似等于磁光晶体磁导率）；——聚磁铁心相对磁导率；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
——铁心截面积；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
——气隙处磁场的等效截面积；
给出辅助线圈的等效磁路，图中
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为被测载流导体产生的磁动势，
Figure 132998DEST_PATH_IMAGE016
和分别为铁心和气隙处的等效磁阻，
则被测载流导体产生的磁通
Figure 243222DEST_PATH_IMAGE010
为
Figure DEST_PATH_IMAGE034
  （4）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为铁心所包围的被测载流导体上通过的电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，
将式（4）代入式（1）即可得到辅助线圈的理论输出
Figure DEST_PATH_IMAGE042
  （5）
由于当铁心尺寸确定后，式（5）中除
Figure 949010DEST_PATH_IMAGE032
以外的其他部分应该是一个常量
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，设被测母线电流为
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，则有感生电动势：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
  （6），式中，A是被测母线电流幅度，ω是被测母线电流频率。
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