CN103487629B - 用于ac/dc灵敏电流测量的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电隔离的AC/DC灵敏电流测量的方法及设备（2），包括：测量电流变压器（4），该测量电流变压器（4）具有初级绕组（10），待测量的电流流过该初级绕组（10），经由共享的磁通量（12）在初级绕组（10）与次级绕组（14）之间的形成变压器耦合，该共享的磁通量（12）形成具有由具有相对磁导率的材料制成的至少一个部段（28）的磁路，其中，在次级绕组（14）中，感应出与初级侧电流随时间的变化成比例的第一部分电压。为实现该目的，本发明包括具有可随时间变化而变化的控制磁通量（26）的控制电流变压器（6）。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电隔离(galvanically isolated)的AC/DC灵敏电流测量的方法及设备，包括：测量电流变压器，该测量电流变压器具有初级绕组，待测量的电流流过该初级绕组，经由共享的磁通量在初级绕组与次级绕组之间形成变压器耦合，该共享的磁通量形成具有至少一个由具有相对磁导率的材料制成的部段的磁路，其中，在次级绕组中，感应出与初级侧电流随时间的变化成比例的第一部分电压(partialvoltage)。
背景技术
用于电隔离的电流测量的方法及设备在用于电力系统的差动电流监测设备的功能和形式方面是已知的。根据VDE(德国电气、电子和信息技术协会)章程，差动电流监测设备的任务是，监测电气装置或电路的差动电流的出现并且在该差动电流超过预定值的情况下，通过警报来报告此事。为此，通过具有次级绕组的测量电流变压器将待保护的电缆出口的所有有效导体引导为初级绕组。该测量电流变压器构成了磁路，在该磁路中，对由在初级绕组中流动的电流所产生的磁场进行引导并且由此经由共享的磁通量将该磁场变压器耦合至次级绕组。闭合磁路可由若干个具有变化的磁导率的部段组成，例如，由具有高磁导率的磁芯材料和气隙组成，其总是具有相对磁导率μrel＝1。
在无故障的供电系统中，所有电流的矢量和以及由此差动电流等于零，使得在该次级绕组中并未感应出电压。然而，如果例如作为绝缘故障的结果而使故障电流流至大地，则差动电流流过该测量电流变压器，其磁路在随时间变化的情况下在次级侧感应出可被检测和计算出的电压。由于感应原理，这种布置仅能够检测磁通量随时间的变化并由此仅能够检测出导致这些磁通量变化的初级侧电流变化。
然而，连接至电气系统的用电设备、例如具有如整流器或变频器中的二极管或晶闸管之类的电子半导体部件的电机，也可导致不具有纯凹形的时间推进但具有脉冲时间推进的差动电流或者以直流差动电流的形式出现的差动电流。因此，对于这些应用领域，应当设法进行AC/DC灵敏电流测量。
通过技术发展水平，获知了基于磁补偿的原理而工作的用于AC/DC灵敏测量的方法。其中，电流变压器芯上设置有两个次级绕组，测量电流变压器集成在推挽式振荡器中，作为产生振荡的元件。由于振荡器原理，振荡频率固定不变地流过芯的磁特性曲线直到饱和范围为止。因此，对直流磁化进行补偿，其中，流过振荡器的补偿电流成比例地受到交流差动电流和直流差动电流的影响并且可被计算出。在该方法中，由于振荡器的运行，磁性软芯材料必须满足高要求，这被证明是不利的。此外，特别是在大型测量电流变压器中，就待记录的交流差动电流而言，仅可获得低带宽。
其它用于AC/DC灵敏电流测量的方法基于与诸如霍尔探针之类的磁场传感器、磁阻传感器的使用有关的补偿电路或者基于磁通量闸门磁强计。这种布置通常仅具有窄的动态范围。
最后，存在利用分流电阻器来测量电流的方法，其中，通过隔离放大器来实现电隔离，并且借助于数字信号处理对测量值进行计值。然而，可证明经由与单独的电隔离有关的分流电阻器的记录是一种昂贵的解决方案，特别是在待监测的网络中的供电电压较高的情况下更是如此。
发明内容
因此，本发明的目的在于研发一种用于AC/DC灵敏电流测量的方法及设备，特别地用于时间上恒定的初级侧电流(直流差动电流)的测量，该方法及设备具有高测量灵敏度和宽动态范围。该方法及设备必须同样适用于简单电流测量的应用和用于差动电流测量的供电系统中的应用。
该目的通过以下方法来实现，通过形成部段的材料的相对磁导率随时间的变化，在次级绕组中感应出与初级绕组中的待测量的直流电流成正比的第二部分电压。
除了由于初级电流随时间的变化而感应出的第一部分电压之外，在于初级绕组中有直流电流部分流动的情况下，作为在时间上变化的相对磁导率的结果，感应出与该直流电流部分成正比的第二部分电压。
根据感应定律，第一感应部分电压以已知的方式自初级电流i随时间的变化产生：
式中，N＝绕组匝数，μrel＝相对磁导率(穿透数)，μ0＝4π10-7Vs/Am(磁常数)，Aeff＝有效磁截面，leff＝有效磁路长度。
时间上恒定的初级电流——表示在初级侧上流过测量电流变压器的直流差动电流或直流电流——不产生感应电压。因此，根据等式(1)的作用机理仅适用于记录交流值。
根据本发明，所要求保护的用于AC/DC灵敏电流测量的方法由此包括第二作用机理，该第二作用机理基于形成部段的材料的相对磁导率随时间的变化并且产生其振幅与初级绕组中的待测量的直流电流成正比的第二感应部分电压：
其中，ΔIDC描述了待测量的直流电流(初级电流)。
从等式(2)中可以得出，如果磁性材料的相对磁导率在时间上变化，则时间上恒定的初级电流也可从感应电压的出现检测出来。
在另一优选实施方式中，借助于控制电流变压器而在形成部段的材料中实现相对磁导率随时间的变化，该控制电流变压器在形成部段的材料中产生不耦合至测量电流变压器的磁通量的控制磁通量。
为了能够影响材料的相对磁导率，该材料被独立于将测量电流变压器的初级绕组和次级绕组耦合的磁通量的控制磁通量所穿透。控制通量由控制电流变压器以如下方式产生和引导：即，使得在测量电流变压器的磁路与控制通量之间不发生耦合。在该方法的实际执行中，由于测量电流变压器中的感应线与形成控制通量的感应线在相交的部段中彼此正交地行进，因此可实现该情况。
有利地，由具有可调频率的可随时间变化而变化的控制电流流过其中的控制绕组在控制电流变压器中产生控制磁通量。
改变相对磁导率所必需的磁场可由(控制)电流绕组以简单的方式产生并且被控制变压器磁芯引导穿过该相交的部段。由于控制电流形成频率可调的交流电流，因此控制通量发生随时间的变化。由于测量电流变压器中的磁通量和控制电流变压器中的磁通量被电磁地去耦合(共享部段中的磁感应线彼此正交地行进)，因此，在控制绕组与测量电流变压器的次级绕组(测量绕组)之间不存在变压器耦合。
以有利的方式，可随时间变化而变化的控制电流通过改变磁性工作点而与非线性的磁特性曲线有关地导致形成部段的材料的相对磁导率的依赖于调制的变化。取决于流过控制绕组的电流和所产生的磁场强度，可经由对应于非线性的磁特性曲线而发生的感应来影响工作点并由此影响相交的部段中的材料的相对磁导率。所应用的公式为：
μrel(t)＝f(ist(t)) (3)，
其中，ist(t)是依赖于时间的控制电流。
由于叠加的第一感应部分电压和第二感应部分电压，因此，可于测量电流变压器的次级绕组的负载电阻处记录总测量电压。在测量电流变压器的闭合的次级回路中，感应出的部分电压引起在负载电阻处导致电压降的电流，该电流可以叠加的状态而被分路为总测量电压。
与可随时间变化而变化的控制电流同步地对所记录的总测量电压进行评估。
借助于与可随时间变化而变化的控制电流同步并且与在负载电阻处记录的总测量电压相乘的电压来实现对所记录的总测量电压的评估，从而产生与待测量的直流电流成比例的第二测量信号。
该评估对应于同步整流电路，借助于该同步整流电路，对总测量电压由第二感应电压所引起的部分进行整流。这样一来，获得了与直流电流成比例的测量信号。
有利地，借助于滤波电路来实现对所记录的总测量电压的滤波，该滤波电路形成为在可变的控制电流的设定频率下的带阻滤波器并产生与待测量的交流电流成比例的第一测量信号。
在与同步整流器并联的信号路径上，对所记录的总测量电压进行滤波。滤波电路阻挡了总测量电压中由于第二感应电压而产生的干扰信号部分，使得在滤波器输出端上产生了第一测量信号，该第一测量信号将被唯一地追溯至第一感应电压并且由此分别代表与待测量的交流差动电流或待测量的交流电流成比例的测量信号。
随后，将第一测量信号和第二测量信号相加以获得显示AC/DC灵敏电流测量的结果的输出信号。
在另一有利实施方式中，为了更好地记录第一测量信号和第二测量信号，可在至少两个频率之间周期性地切换控制电流的频率。
该措施使得：假定在(用于产生第二测量信号的)控制电流的频率和变压器发射信号(第一测量信号)的频率是接近的并且测量信号可能彼此干扰的情况下，可通过周期性地切换控制电流的频率来更为清楚地区分测量信号成为可能，这是因为由于频率变化，导致代表直流差动电流的第二测量信号以跳跃的方式并且与频率变化同步地变化。
还可通过具有可随时间变化而变化的控制磁通量的控制电流变压器而以与权利要求11的前序部分相关的设备来实现本发明所基于的目的，该可随时间变化而变化的控制磁通量不耦合至测量电流变压器中的磁通量并且以如下方式形成磁路：即，使得测量电流变压器的磁路的部段形成为与控制电流变压器的磁路的共享部段，以使得形成共享部段的材料被控制通量穿透，从而与非线性的磁特性曲线有关地导致形成部段的材料的相对磁导率的变化并由此导致在次级绕组中感应出第二部分电压。
对应于所要求保护的方法的特性，根据本发明的设备因此包括产生独立于测量电流变压器中的磁通量的可随时间变化而变化的控制通量的控制电流变压器。为此，该控制通量的闭合的感应线以如下方式形成设置成与测量电流变压器的位置有关的磁路：即，使得测量电流变压器的磁路的部段形成为与控制电流变压器的磁路的共享部段。这样一来，共享部段被测量电流变压器中所产生的磁通量穿透，并且被控制电流变压器中所产生的磁通量穿透。形成共享部段的材料具有非线性的磁特性曲线，使得通过沿该特性曲线改变该磁性工作点而导致相对磁导率的依赖于调制的变化，并且根据上面所引用的等式(2)，由此在次级绕组中感应出与初级绕组中待测量的直流电流成正比的第二部分电压。
在另一有利实施方式中，为了实现对测量电流变压器中的磁通量和控制电流变压器中的磁通量去耦合，将测量电流变压器和控制电流变压器设置成使得两个磁路的共享部段中的磁感应线彼此正交地行进。
测量电流变压器中的磁通量和控制电流变压器中的磁通量由此是彼此独立的，使得磁性工作点的变化及由此相对磁导率的变化不关于测量电流变压器中的磁通量产生失真反馈。在测量电流变压器的次级绕组与设置在控制电流变压器上的控制绕组(参见下文)之间，由于正交的磁感应路线而存在变压器耦合。
优选地，在两个磁路的带有或者不带有气隙的共享部段中形成测量电流变压器与控制电流变压器之间的连接。
带有气隙的实施方式具有以下优势：可利用传统的磁芯来制造测量电流变压器，并且可单独地对测量电流变压器和控制电流变压器进行绕线。另一方面，可用铁氧体材料产生用户专用的不带有气隙的实施方式，并且该不带有气隙的实施方式具有以下优势：即使利用低控制性能，也可获得相对磁导率的大的变化。
控制电流变压器具有控制绕组，可随时间变化而变化的控制电流以可调频率流过该控制绕组。
控制电流产生磁场，使得磁感应按照非线性的磁特性曲线传递。通过磁性工作点的变化来实现形成共享部段的材料的相对磁导率随时间的变化，由此该相对磁导率随时间的变化是根据上面所引用的等式(3)的依赖于调制的。另外，由于控制电流变压器中不存在与负载电阻的耦合(控制电流变压器仅包括作为单个绕组的控制绕组)，因此可通过控制电流的小的变化来实现相对磁导率的所需要的变化。
在另一实施方式中，该设备包括信号处理装置，该信号处理装置为了记录总测量电压而在测量电流变压器的次级绕组中具有负载电阻。
在负载电阻上，可将电压分路为叠加的测量电压并且然后对该电压进行处理，该电压由第一感应部分电压产生，并由测量电流变压器中的第二感应部分电压产生。
该信号处理装置包括用于对所记录的总测量电压进行评定的评估电路。
优选地，此处的评估电路包括电压源，该电压源与可变的控制电流同步地受控，并且该电压源的输出电压被供给至乘法器并与所记录的总测量电压相乘。
为了获得与待测量的直流电流成比例的测量信号(第二测量信号)，与控制电流的路线(同步整流电路)同步地对总测量电压由第二感应电压所引起的一部分进行评定。
此外，信号处理装置包括滤波电路，在该滤波电路的输入端上，被施加以所记录的总测量电压，并且该滤波电路形成为在可变的控制电流的设定频率下的带阻滤波器。
为了确定第一测量信号和控制电流的频率，带阻滤波器阻止干扰信号部分流过信号路径，以使得与待测量的交流电流成比例的测量信号不失真。
在优选实施方式中，控制电流变压器具有尽可能短的磁路长度。对于所需要的相对磁导率的变化，仅控制电流的轻微变化是必需的，这在很大的测量电流变压器中是特别有利的。
附图说明
其它有利的实现特征由下列描述和附图产生，附图利用示例举例说明了本发明的优选实施方式。
图1示出了根据本发明的设备的基本结构；
图2示出了信号处理器的原理框图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于电隔离的AC/DC灵敏电流测量的设备2的基本结构。该设备2包括测量电流变压器4和控制电流变压器6。该测量电流变压器4包括带有气隙9的常规环形磁芯8。作为对所示实现示例的替代，由铁氧体材料制成的不带有气隙9的磁芯8的实施方式也是可能的。充当带有两个有效导体的初级绕组10的电气导线10被引导穿过测量电流变压器4。次级绕组14经由磁芯8中的磁通量12被变压器耦合至初级绕组10。为了测量与感应电压成比例的(总)测量电压uB(t)，由负载电阻RB来闭合该次级绕组14。
控制电流变压器6包括随时间变化的控制电流ist(t)流过的控制绕组22。控制电流ist(t)在控制电流变压器6的闭合环形芯24中产生磁通量26。于此，以如下方式设置该控制电流变压器6：即，使得控制电流变压器6的环形芯24被引导穿过测量电流变压器4的气隙9并且与测量电流变压器4的磁路相交。由此，控制电流变压器6的环形芯24的设置在气隙9中的部分形成该测量电流变压器的磁路与该控制电流变压器的磁路的共享部段28。共享部段28的材料既被测量电流变压器4的磁通量12穿透，又被控制电流变压器6的磁通量26穿透，其中，相应的感应线彼此正交地行进并且由此在相应的磁芯8和24中出现的磁通量12与26之间不存在耦合。
由于随时间变化的控制电流ist(t)，现在可改变形成共享部段28的材料的磁性工作点，从而导致相对磁导率μrel的改变，该改变对应于材料的磁特性曲线地依赖于调制。由此，当直流电流在导线10中流动时，根据上面所引用的等式(2)可于负载电阻RB处记录与该直流电流成比例的测量信号(图2中的第二测量信号32)。根据上面所引用的等式(1)得到并且作为待测量的交流电流的结果而出现的第一测量信号31(图2)叠加至第二测量信号32，使得可在负载电阻上得到总测量信号uB(t)。
图2示出了信号处理器41的原理框图。可于负载电阻RB处分路(tap)的总测量信号uB(t)被并行地供给在评估电路40和滤波电路42中。评估电路40包括使总测量信号uB(t)和符号同步于控制电流ist(t)的控制电压Ust彼此相乘的乘法器44。作为该同步整流的结果，在乘法器输出端上出现了其振幅与在导线10中流动的直流电流成正比的测量信号(第二测量信号32)。滤波电路42被实现为带阻滤波器42，该带阻滤波器42对处于控制电流ist(t)的频率范围内的信号部分进行抑制。由此，避免了第二测量信号32的信号部分另外作用在被提供用于记录交流电流的第一测量信号31上，并避免第二测量信号32的信号部分可能以其它方式导致测量结果的失真。在带阻滤波器42的输出端上，出现了第一测量信号31，该第一测量信号31与待测量的交流电流成比例并且在加法器46中被添加至第二测量信号32，从而产生输出信号URCMB。
利用根据本发明的方法和实施所述方法的设备，为AC/DC灵敏电流测量提供大带宽与高测量灵敏度的结合体。该测量可应用于测量单个导体的电流以及用于测量具有多个有效导体的电流系统中的差动电流。
Claims (17)
1.一种用于供电系统中电隔离的AC/DC灵敏电流测量的方法，其特征在于，包括：
提供测量电流变压器(4)，使得所述供电系统的电气导线充当供待测量的电流流过的初级绕组(10)，
经由共享的磁通量(12)而在所述初级绕组(10)与次级绕组(14)之间形成变压器耦合，使得在所述次级绕组(14)中感应出与初级侧电流随时间的变化成比例的第一部分电压，其中，使所述共享的磁通量(12)形成具有由具有相对磁导率的材料制成的至少一个部段(28)的磁路，
使形成所述部段(28)的材料的所述相对磁导率随时间变化，从而在所述次级绕组(14)中感应出与在所述初级绕组(10)中的待测量的直流电流成正比的第二部分电压，以及
在所述测量电流变压器(4)的所述次级绕组(14)的负载电阻(RB)处使感应出的所述第一部分电压与感应出的所述第二部分电压彼此叠加而获得总测量电压(uB(t))，并在所述负载电阻(RB)处记录所述总测量电压(uB(t))。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过控制电流变压器(6)来实现形成所述部段(28)的材料的所述相对磁导率随时间的变化，所述控制电流变压器(6)在形成所述部段(28)的材料中产生控制磁通量(26)，所述控制磁通量(26)不耦合至所述测量电流变压器(4)的所述共享的磁通量(12)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，借助于控制绕组(22)在所述控制电流变压器(6)中产生所述控制磁通量(26)，具有可调频率的可随时间变化而变化的控制电流(ist(t))流过所述控制绕组(22)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述可随时间变化而变化的控制电流(ist(t))通过改变磁性工作点而与非线性的磁特性曲线有关地导致形成所述部段(28)的材料的所述相对磁导率的依赖于调制的变化。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，与所述可随时间变化而变化的控制电流(ist(t))同步地评估所记录的总测量电压(uB(t))。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，借助于电压(Ust)来实现对所记录的总测量电压(uB(t))的评估，从而产生与待测量的直流电流成比例的第二测量信号(32)，所述电压(Ust)同步于所述可随时间变化而变化的控制电流(ist(t))，并且所述电压(Ust)与于所述负载电阻(RB)处记录的所述总测量电压(uB(t))相乘。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，借助于滤波电路来实现对所记录的总测量电压(uB(t))的滤波，从而产生与待测量的交流电流成比例的第一测量信号(31)，所述滤波电路被实现为在所述可随时间变化而变化的控制电流(ist(t))的设定频率下的带阻滤波器。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述第一测量信号(31)与所述第二测量信号(32)相加以获得显示所述AC/DC灵敏电流测量的结果的输出信号(URCMB)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，为了对所述第一测量信号(31)和所述第二测量信号(32)进行改进的记录，能够在至少两个频率之间周期性地切换所述可随时间变化而变化的控制电流(ist(t))的频率。
10.一种用于供电系统中电隔离的AC/DC灵敏电流测量的设备，包括测量电流变压器(4)，所述测量电流变压器(4)以所述供电系统的电气导线充当初级绕组(10)，待测量电流流过所述初级绕组(10)，经由共享的磁通量(12)在所述初级绕组(10)与次级绕组(14)之间形成变压器耦合，所述共享的磁通量(12)形成具有由具有相对磁导率的材料制成的至少一个部段(28)的磁路，其中，在所述次级绕组(14)中，感应出与初级侧电流随时间的变化成比例的第一部分电压，
其特征在于，
包括具有可随时间变化而变化的控制磁通量(26)的控制电流变压器(6)，所述可随时间变化而变化的控制磁通量(26)不耦合至所述测量电流变压器(4)中的所述共享的磁通量(12)并且以如下方式形成磁路：即，使得所述测量电流变压器(4)的所述磁路的所述部段(28)形成为与所述控制电流变压器(6)的所述磁路的共享部段，以使得形成所述共享部段的材料被所述控制磁通量(26)穿透，从而与非线性的磁特性曲线有关地导致形成所述共享部段的材料的所述相对磁导率的变化并由此导致在所述次级绕组(14)中感应出第二部分电压，并且包括信号处理装置(41)，所述信号处理装置(41)具有处于所述测量电流变压器(4)的所述次级绕组(14)中的负载电阻(RB)用以记录总测量电压(uB(t))。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，为了所述测量电流变压器(4)中的所述共享的磁通量(12)的去耦合以及所述控制电流变压器(6)中的所述控制磁通量(26)的去耦合，以如下方式设置所述测量电流变压器(4)和所述控制电流变压器(6)：即，使得两个磁路的所述共享部段中的磁感应线彼此正交地行进。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，在两个磁路的所述共享部段中，所述测量电流变压器(4)与所述控制电流变压器(6)之间的连接以带有气隙(9)或不带有气隙(9)的方式形成。
13.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述控制电流变压器(6)具有控制绕组(22)，具有可调频率的可随时间变化而变化的控制电流(ist(t))流过所述控制绕组(22)。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述信号处理装置(41)具有用于评估所记录的总测量电压(uB(t))的评估电路(40)。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述评估电路(40)具有与所述可随时间变化而变化的控制电流(ist(t))同步地受控的电压源(Ust)，所述电压源(Ust)的输出电压被供给至乘法器(44)并与所记录的总测量电压(uB(t))相乘。
16.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述信号处理装置(41)具有滤波电路(42)，所记录的总测量电压(uB(t))施加于所述滤波电路(42)的输入端，并且所述滤波电路(42)被形成为在所述可随时间变化而变化的控制电流(ist(t))的设定频率下的带阻滤波器(42)。
17.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述控制电流变压器(6)具有尽可能短的磁路长度。
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