CN103134971B - 导体电流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导体电流测量装置，该装置包括：均磁部件，用于套设在被测导体上，具有一个或多个开口；传感器，设置于均磁部件产生的磁场内，用于检测磁场的磁信号；信号传输部件，与传感器相连接；以及信号处理模块，与信号传输部件相连接，用于根据传感器检测的磁信号计算被测导体的电流。通过本发明，均磁部件套设在被测导体上，并且在均磁部件上设置一个或多个开口，能够保证均磁部件在整个电流测量范围内不会饱和，并具有足够的抗干扰的能力，使得测量导体电流抗干扰性强，测量误差小，测量精度高。

Description

导体电流测量装置

技术领域

本发明涉及电路领域，具体而言，涉及一种导体电流测量装置。

背景技术

目前，在高压高功率直流或交流电力传输中，采用光学的测量方法测量高压传输线上的电流受到了广泛的关注，基于光纤技术的各类光电电流互感器的研发和应用已得到了国际间广泛的重视。

在高压高功率直流或交流电力传输中，主要利用法拉第效应等磁光效应实现测量高压传输线上的电流。

磁场和电流的对应关系如下式所示：

式中左边是导体中的电流，右边是磁场强度的闭环积分。

在现有技术中，闭环的法拉第效应的电流测量工艺复杂。但是，如果用局部磁场测量推算电流的方法，磁场和电流的关系往往会被外界不确定因素干扰，如高压传输线的接线方式，外部电流等，导致电流测量不准确；另一方面，测量位置处磁场的分布不均，导致测量传感器的位置微小变动引起测量信号的巨大失真，从而导致电流测量不准确。

针对相关技术中利用光学测量方法测量导体电流时，易受干扰、精度低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种导体电流测量装置，以解决利用光学测量方法测量导体电流时，易受干扰、精度低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种导体电流的测量。

该测量装置包括：均磁部件，用于套设在被测导体上，具有一个或多个开口；传感器，设置于均磁部件产生的磁场内，用于检测磁场的磁信号；信号传输部件，与传感器相连接；以及信号处理模块，与信号传输部件相连接，用于根据传感器检测的磁信号计算被测导体的电流。

进一步地，传感器为多个，其中，信号处理模块用于根据多个传感器检测的磁信号计算被测导体的电流。

进一步地，均磁部件为圆环状。

进一步地，在均磁部件包括多个开口时，多个开口均匀设置。

进一步地，均磁部件具有偶数个开口。

进一步地，传感器为磁场传感器或光纤磁光传感器。

进一步地，均磁部件包括：第一均磁部件，用于套设在被测导体上；以及第二均磁部件，用于套设在被测导体上，且位于第一均磁部件外。

进一步地，第一均磁部件具有依次均匀设置的第一开口、第二开口、第三开口和第四开口；以及第二均磁部件具有均匀设置的第五开口和第六开口，其中，第五开口与第一开口相对应，第六开口与第三开口相对应。

进一步地，传感器设置于第一均磁部件与第二均磁部件之间的磁场内。

进一步地，传感器设置于均磁部件的开口内。

进一步地，传感器设置于均磁部件与被测导体之间的磁场内。

进一步地，根据本发明的导体电流测量装置还包括：第一固定部件，设置于均磁部件与被测导体之间，用于固定均磁部件；和/或第二固定部件，设置于传感器与被测导体之间，或设置于传感器与均磁部件之间，用于固定传感器，其中，第一固定部件和第二固定部件均为非导体材料。

通过本发明，采用包括以下部分的导体电流测量装置：均磁部件，用于套设在被测导体上，具有一个或多个开口；传感器，设置于均磁部件产生的磁场内，用于检测磁场的磁信号；信号传输部件，与传感器相连接；以及信号处理模块，与信号传输部件相连接，用于根据传感器检测的磁信号计算被测导体的电流，解决了利用光学测量方法测量导体电流时，易受干扰、精度低的问题，进而达到了测量导体电流时抗干扰性强、测量误差小，测量精度高的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的导体电流测量装置的实施例1；

图2示出了实施例1在测量位置的磁场大小分布情况；

图3示出了实施例1在外磁场影响下的磁场分布情况；

图4示出了根据本发明的导体电流测量装置的实施例2；

图5示出了根据本发明的导体电流测量装置的实施例3；

图6示出了根据本发明的导体电流测量装置的实施例4；以及

图7示出了根据本发明的导体电流测量装置的实施例5。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

图1示出了根据本发明的实施例1。根据本实施例中的导体电流测量装置用于测量承载电流的被测导体2上的电流，包括：均磁部件，优选地，该均磁部件为均磁环1，采用环状结构的均磁部件能够产生更加均匀的磁场；四个磁场传感器3，通过多个磁场传感器检测磁信号得到的测试结果更准确；信号传输部件4以及信号处理模块5。

在该实施例中，均磁环1具有4个缝隙(即开口)，能够防止均磁环内磁饱和，并且等距离分布在均磁环圆周上，能够产生方向性更好、大小适合测量的磁场。均磁环1套设在被测导体2上，即环绕载流被测导体2放置，均磁环1与被测导体2的轴心可重合，也可不完全重合(本实施例以重合方式说明)。四个磁场传感器3分别设置在均磁环1的各缝隙和被测导体2之间的位置，该位置附近磁场分布均匀(可根据具体的机构参数，通过仿真验证)。

各个磁场传感器探测各处的磁场，并将检测到的磁信号通过信号传输部件4传输到信号处理模块5中。信号处理模块5将所获取的每个磁场强度进行线性累加，累加所获得的磁场强度磁信号与导体中的电流对应，通过试验校准后，可通过检测磁场信号来测量被测导体2内的电流。

为了进一步说明本实施例的技术效果，以1000A额定电流的测量为例加以说明。针对1000A的额定电流的测量，根据本实施例的导体电流测量装置可作如下设计：载流导体的直径35mm；选取均磁环的内直径为110mm，厚度为4mm，在上下左右四个方向等分位置各开一个1mm的缝隙；四个磁场传感器3分别被置于各缝隙和载流导体之间，距离导体中心32mm。在上述参数下获得的磁力线分布如图1所示。

图2示意了在上述结构参数下，传感器位置附近的磁场强度分布的仿真结果，在图中，横坐标为位置(毫米)，纵坐标为磁感应强度(特斯拉)。该结果显示当被测导体左右平移0.2mm，磁场变化为0.37‰。对比没有均磁环的情况，相同位置移动0.2mm，磁场变化为6.28‰，即，没有均磁环的磁场变化较设置均磁环后的磁场变化为17倍。因此，采用本实施例提供的导体电流测量装置，大大降低了传感器相对于被测导体位置对测量结果影响的敏感性，提高了测量装置的抗干扰能力。

根据本发明的导体电流测量装置同时可以有效消除外部串扰及电流源偏心对测量精度的影响。在距离上述被测导体250mm位置放置具有1000A外部电流的导体时，上下传感器位置处磁场变化1.5‰，左右的传感器位置磁场变化分别变化-9.8‰和6.8‰，磁场累加后总磁场变化0.03‰。各处的磁场方向变化在0.2°以内。图3示意了所述情况下的磁场分布。对比没有加均磁环时，放置相同位置的外部串扰时，左右两侧的测量传感器位置的磁场变化分别为-49.3‰和31.8‰，分别是前者的5.0倍和4.7倍，上下两侧磁场变化8.3‰，为前者的5.5倍，总磁场变化0.22‰，为前者的7.3倍。所以，采用本实施例提供的导体电流测量装置，大大降低了外磁场干扰对测量结果影响的敏感性，提高了测量装置的抗干扰能力。

综上所述，采用本实施例的导体电流测量装置，使得测量导体电流时抗干扰性强，从而测量误差小，测量精度高。此外，通过将均磁部件设置为均磁环，并且在均磁环上均匀设置偶数个开口，将磁场传感器设置于均磁部件与被测导体之间的均匀磁场内，使得导体电流测量装置的电流测量的精度更好。

实施例2

图4示出了根据本发明的导体电流测量装置的实施例2。根据本实施例的测量装置用于测量承载电流的导体2的电流，包括：一个均磁环1，两个磁场传感器3，信号传输部件以及信号处理模块(图中未示出)。

其中，均磁环1具有两个缝隙，以防止均磁环内磁饱和，在均磁环圆周上对称分布，能够在磁场传感器处产生方向性更好、大小适合测量的磁场。均磁环1环绕载流导体2放置，轴心可重合，也可不完全重合。两个磁场传感器3分别被置于均磁环缝隙和导体之间磁场分布均匀的位置，该位置可根据具体的机构参数求得。各个磁场传感器3探测各处的磁场，并将信号通过传输部件传输到信号处理模块中，信号处理模块将所获取的每个磁场强度进行线性累加，累加所获得的磁场强度和与导体中的电流对应，通过试验校准后，获得的磁场信号可用来测量被测导体2内的电流。

以载有1000A额定电流的导体测量为例，实验显示，当距离被测导体250mm的位置放置1000A外部串扰时，测量传感器处的左右磁场变化分别为-4.6‰和5.3‰，磁场累加后变化为0.3‰，传感器左右平移0.2mm，测得的磁场最大变化为1.1‰。

综上所述，采用本实施例的导体电流测量装置，使得测量导体电流时抗干扰性强，从而测量误差小，测量精度高。

实施例3

图5示出了根据本发明的导体电流测量装置的实施例3。根据本实施例的电流测量装置用于测量承载电流的导体2的电流，包括：第一均磁环1A和第二均磁环1B，两个磁场传感器3，信号传输部件以及信号处理模块(图中未示出)。其中，第一均磁环1A和第二均磁环1B分别具有对称分布的两个缝隙，均套设在导体2上，即均环绕载流导体2放置，并且，第一均磁环1A的直径较大，第二均磁环1B直径较小，第一均磁环1A在第二均磁环1B之外，两者轴心重合，并且，两者的缝隙与轴心成一线，在两者之间并且在缝隙对应的空间放置磁场传感器。

其中，第二均磁环1B的直径由使用环境的实际空间来决定，第一均磁环1A与第二均磁环1B直径的差别(或两者缝隙的距离)根据测量电流的范围和传感器的特性来决定。磁场传感器3放置在第一均磁环1A和第二均磁环1B的缝隙之间附近磁场均匀分布的位置，该位置可根据具体的机构参数得到。

各个磁场传感器探测各处的磁场，并将信号通过传输部件传输到信号处理模块中，信号处理模块将所获取的每个磁场强度进行线性累加，累加所获得的磁场强度和与导体中的电流对应，通过试验校准后，获得的磁场信号可用来测量被测导体2内的电流。根据本实施例的导体电流测量装置，提供了传感器设置空间的灵活性。

采用本实施例3提供的导体电流测量装置，测量1000A额定电流的导体，具体设计参数举例如下：第一均磁环1A和第二均磁环1B的两侧各开一个5mm的缝隙，其中，第一均磁环1A的内直径为267mm，第二均磁环1B的内直径为123mm，厚度均为5mm。测量传感器3放置缝隙之间距离导体中心100mm的位置。实验结果显示，当有距离中心250mm处存在外部1000A电流串扰时，测量传感器位置磁场变化0.03‰；载流导体偏离均磁环中心距达到40mm时，传感器处的磁场变化2.4‰；传感器横向平移0.2mm，磁场变化0.5‰。

综上可得，采用该实施例提供的导体电流测量装置，对外部干扰以及内部测量位置变化的敏感度低，鲁棒性好，从而降低测量误差，提高测量精度。

实施例4

图6示出了根据本发明的导体电流测量装置的实施例4。根据本实施例的测量装置用于测量承载电流的导体2的电流，包括：两个均磁环：第一均磁环1A和第二均磁环1B，两个具有第一量程的第一磁场传感器3A和两个均有第二量程的第二磁场传感器3B，信号传输部件以及信号处理模块(图中未示出)。

其中，第一均磁环1A具有对称分布的两个缝隙，第二均磁环1B具有对称分布的四个缝隙，两均磁环轴心重合。第一均磁环1A的两缝隙与第二均磁环1B的两缝隙及轴心成一线。第一均磁环1A和第二均磁环1B均环绕载流导体2放置。第一均磁环1A的直径较大，第二均磁环1B的直径较小，在两者缝隙对应的空间可放置传感器。第二均磁环1B的直径由使用环境的实际空间来决定，第一均磁环1A与第二均磁环1B的直径差别(或两者缝隙的距离)根据测量电流的范围和传感器的特性来决定。磁场传感器3A放置在第一均磁环1A和第二均磁环1B缝隙之间的磁场分布均匀的位置，该位置可根据具体的机构参数求得。

第二磁场传感器3B放置在第二均磁环1B的另外两个缝隙之外的位置，该位置的磁场比第一磁场传感器3A位置的磁场弱一定的倍数。第一磁场传感器3A探测磁场并累加计算可用来精确测量第一量程范围的电流，第二磁场传感器3B探测磁场并累加计算可用来测量第二量程范围的电流。

由于磁探头总有一定的量程范围，当电流超过第一量程范围时，第一磁场传感器3A处的磁场可能已经使磁场探测器饱和，而第二磁场传感器3B处的磁场只有第一磁场传感器3A处的几十分之一，不会导致磁场传感器饱和。这样第一量程可以提供高精度测量，而第二量程提供超宽量程。例如，根据本发明的装置可能提供第一量程0～1000A 0.2s级的高精度测量，同时通过第二量程提供0～30KA的5TP的宽量程测量。实际应用中，第一量程用来提供电流在量程范围内的计量，而第二量程用来提供突发事件时的电流保护信号。

采用本实施例4提供的导体电流测量装置，测量1000A额定电流的导体，具体设计参数举例如下：第二均磁环1B上下位置缝隙为1mm，其他结构参数与实施例3的结构参数相同。实验结果显示，当有距离中心250mm处存在外部1000A电流串扰时，第一磁场传感器3A测得的位置总磁场变化为0.03‰；载流导体偏离均磁环中心距达到40mm时，第一磁场传感器3A测得的磁场变化为1.3‰；第一磁场传感器3B横向平移0.2mm，磁场变化0.5‰。

实施例5

图7示出了根据本发明的导体电流测量装置的实施例5。根据本实施例的测量装置用于测量承载电流的导体2的电流，包括：分别设置有2个缝隙的第一均磁环1A，第二均磁环1B和第三均磁环1C，两个磁场传感器3，同样包括如实施例1中的信号传输部及信号处理模块(图中未示出)。

第一均磁环1A和第三均磁环1C在上下方向具有对称分布的两个缝隙并与轴心成一线，第二均磁环1B在左右位置具有对称分布的两个缝隙，三者都环绕载流导体2放置，且三者轴心重合。其中，第一均磁环1A的直径最大，第三均磁环1C直径最小，第二均磁环1B的直径介于两者之间，与前面实施例不同的是，磁场传感器放置在第二均磁环1B的缝隙内，这种设计相较于磁场传感器放置在均磁环与导体之间、或两均磁环之间的情况，可以使得传感器处具有更大的磁场，从而在被测额定电流较小时，在传感器处仍然具有合适的磁场大小。并且，在测量电流较小时，为获得精确的测量，均磁环的缝隙宽度也较前面几个实施例中的缝隙宽度大。

在该实施例中，各均磁环的直径均由使用环境的实际空间来决定。第二均磁环1B缝隙的宽度大小根据测量电流的范围和传感器的特性来决定。磁场传感器3放置在第二均磁环1B缝隙内的位置，在该位置附近磁场分布均匀，可根据具体的机构参数，通过得到。各个磁场传感器3探测各处的磁场，并将信号通过传输部件传输到信号处理模块中。信号处理模块将所获取的每个磁场强度进行线性累加，累加所获得的磁场强度和与导体中的电流对应，通过试验校准后，获得的磁场信号可用来测量被测导体2内的电流。根据本实施例的电流测量装置，提供了一种测量小电流的方法和装置，并且提供了传感器安置空间的灵活性。

采用本实施例5提供的导体电流测量装置，测量300A额定电流的导体，具体设计参数举例如下：第一均磁环1A和第三均磁环1C的上下各开一个1mm的缝隙，第二均磁环1B左右各开一个50mm的缝隙。第一均磁环1A的内直径为267mm，第三均磁环1C的内直径为123mm，厚度均为5mm，第二均磁环1B的内直径为170mm，厚度为30mm。测量传感器3放置在第二均磁环1B缝隙之间，并距离导体中心96mm。实验结果显示，当有距离中心250mm处存在外部1000A电流串扰时，传感器位置的磁场基本不变，总磁场变化为0。同样，载流导体偏离均磁环中心对测量处的磁场也没有影响，总磁场变化为0。磁场传感器3横向移动0.2mm，磁场变化0.5‰在以内。

综上，采用多个均磁环，在适当的位置开设适当大小的缝隙，且将磁场传感器设置在缝隙内，在测量较小电流的同时，能够进一步降低外磁场干扰，降低传感器与导体相对位置发生变化时对测量结果的影响。

需要说明的是，本具体实施方式均以均磁环为例，实际上，本发明的均磁部件并不局限于形状。此外，各实施例中的根据本发明的磁场传感器是可以将磁敏材料局部的磁场转换成其他物理量的传感器，包含光纤磁光传感器。

优选地，在各实施例中，为了固定均磁部件和传感器的位置，导体电流测量装置还包括第一固定部件，设置于均磁部件与被测导体之间，用于固定均磁部件；和/或第二固定部件，设置于传感器与被测导体之间，或设置于传感器与均磁部件之间，用于固定传感器，其中，第一固定部件和第二固定部件均为非导体材料。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：通过将均磁部件套设在被测导体上，并且在均磁部件上设置一个或多个开口，能够保证均磁部件在整个电流测量范围内不会饱和，并具有足够的抗干扰的能力，使得测量导体电流抗干扰性强，测量误差小，测量精度高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种导体电流测量装置，其特征在于，包括：

均磁部件，用于套设在被测导体上，具有一个或多个开口；

传感器，设置于所述均磁部件产生的磁场内，用于检测所述磁场的磁信号；

信号传输部件，与所述传感器相连接；以及

信号处理模块，与所述信号传输部件相连接，用于根据所述传感器检测的磁信号计算所述被测导体的电流，

其中，所述均磁部件包括：

第一均磁部件，用于套设在所述被测导体上；以及

第二均磁部件，用于套设在所述被测导体上，且位于所述第一均磁部件外。

2.根据权利要求1所述的导体电流测量装置，其特征在于，所述传感器为多个，其中，所述信号处理模块用于根据多个所述传感器检测的磁信号计算所述被测导体的电流。

3.根据权利要求1所述的导体电流测量装置，其特征在于，所述均磁部件为均磁环。

4.根据权利要求1所述的导体电流测量装置，其特征在于，在所述均磁部件包括多个开口时，所述多个开口均匀设置。

5.根据权利要求1所述的导体电流测量装置，其特征在于，所述均磁部件具有偶数个开口。

6.根据权利要求1所述的导体电流测量装置，其特征在于，所述传感器为磁场传感器或光纤磁光传感器。

7.根据权利要求1所述的导体电流测量装置，其特征在于，

所述第一均磁部件具有依次均匀设置的第一开口、第二开口、第三开口和第四开口；以及

所述第二均磁部件具有均匀设置的第五开口和第六开口，其中，所述第五开口与所述第一开口相对应，所述第六开口与所述第三开口相对应。

8.根据权利要求1所述的导体电流测量装置，其特征在于，所述传感器设置于所述第一均磁部件与所述第二均磁部件之间的磁场内。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的导体电流测量装置，其特征在于，所述传感器设置于所述均磁部件的开口内。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的导体电流测量装置，其特征在于，所述传感器设置于所述均磁部件与所述被测导体之间的磁场内。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的导体电流测量装置，其特征在于，还包括：

第一固定部件，设置于所述均磁部件与所述被测导体之间，用于固定所述均磁部件；和/或

第二固定部件，设置于所述传感器与所述被测导体之间，或设置于所述传感器与所述均磁部件之间，用于固定所述传感器，

其中，所述第一固定部件和所述第二固定部件均为非导体材料。