CN103632823A - 一种双气隙铁芯电子式电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双气隙铁芯电子式电流互感器，该双气隙铁芯电子式电流互感器包括：第一双气隙铁芯，所述第一双气隙铁芯上设置第一气隙及第二气隙，所述第一气隙与第二气隙的连线经过所述第一双气隙铁芯的圆心；第二双气隙铁芯，与所述的第一双气隙铁芯串联连接，并且共轴设置，所述第二双气隙铁芯上设置第三气隙及第四气隙，所述第三气隙与第四气隙的连线经过所述第二双气隙铁芯的圆心，并且垂直于所述第一气隙与第二气隙的连线；所述的导体依次穿过所述第一双气隙铁芯及第二双气隙铁芯的中心；所述数据处理芯片连接所述第一双气隙铁芯及所述第二双气隙铁芯的线圈，用于接收测量数据，对所述的测量数据进行模数转换后显示并输出。

Description

一种双气隙铁芯电子式电流互感器

技术领域

本发明是关于电力系统互感器技术，具体地，是关于一种双气隙铁芯电子式电流互感器。

背景技术

互感器是保证电力系统正常、安全和可靠运行的重要设备。经过多年的发展，互感器从传统的电磁式互感器发展到了如今的电子式互感器，铁芯材料从最初的铁氧体发展到了如今的纳米晶和非晶材料。但是，现有的电流互感器不能方便的在现场进行带电安装的测量。

最初的电流互感器采用闭合铁芯，随着电力系统的发展特别是电力系统短路电流的迅速增大，闭合铁芯在大短路电流下的饱和问题越来越突出。为了改善这种现象，国内外研究学者开始考虑使用铁芯带有完整的非磁性气隙的电流互感器作为电力系统的保护用电流互感器，虽然该铁芯带有的非磁性气隙，但其整体的铁芯结构都是固定的，气隙是也完全固定的，使得其在运输、安装和维护的过程中的工作量较大，不方便在现场进行移动式的安装。

常见的互感器还有光学电流互感器，其在理论上可以达到很高的精确度，但目前仍然停留在试验和挂网试运行的阶段，正在向实用化的方向发展。虽然它可以采用比较灵活的传感头结构，但是其自身的双折射问题难以解决，在应用时，环境温度和振动等外界因素对测量准确度影响较大，难以在恶劣的现场条件下达到高精度。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种双气隙铁芯电子式电流互感器，以克服上述两种互感器存在的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种双气隙铁芯电子式电流互感器，该双气隙铁芯电子式电流互感器包括：第一双气隙铁芯，所述第一双气隙铁芯上设置第一气隙及第二气隙，所述第一气隙与第二气隙的连线经过所述第一双气隙铁芯的圆心；第二双气隙铁芯，与所述的第一双气隙铁芯串联连接，并且共轴设置，所述第二双气隙铁芯上设置第三气隙及第四气隙，所述第三气隙与第四气隙的连线经过所述第二双气隙铁芯的圆心，并且垂直于所述第一气隙与第二气隙的连线；所述的导体依次穿过所述第一双气隙铁芯及第二双气隙铁芯的中心；所述数据处理芯片连接所述第一双气隙铁芯及所述第二双气隙铁芯的线圈，用于接收测量数据，对所述的测量数据进行模数转换后显示并输出。

在一实施例中，在上述气隙连线的两侧分别绕制有多匝线圈，包括：一次绕组及二次绕组。

在一实施例中，上述数据处理芯片连接所述第一双气隙铁芯的二次绕组及所述第二双气隙铁芯的二次绕组。

具体地，上述数据处理芯片包括：模数转换器，用于对所述的测量数据进行模数转换；数据存储器，用于对模数转换后的测量数据进行压缩及存储；数据显示输出模块，用于对模数转换后的测量数进行显示并输出，实现数据的通信。

在一实施例中，上述双气隙铁芯电子式电流互感器还包括：电阻，所述电阻的两端与所述第一双气隙铁芯的二次绕组，及所述第二双气隙铁芯的二次绕组连接。

本发明实施例还提供一种双气隙铁芯电子式电流互感器，该双气隙铁芯电子式电流互感器包括：双气隙铁芯，所述双气隙铁芯上设置第一气隙及第二气隙，所述第一气隙与第二气隙的连线经过所述双气隙铁芯的圆心；所述的导体穿过所述双气隙铁芯的中心；所述数据处理芯片连接所述双气隙铁芯的线圈，用于接收测量数据，对所述的测量数据进行模数转换后显示并输出。

在一实施例中，在上述气隙连线的两侧分别绕制有多匝线圈，包括：一次绕组及二次绕组。

在一实施例中，上述数据处理芯片连接所述双气隙铁芯的二次绕组。

具体地，上述数据处理芯片包括：模数转换器，用于对所述的测量数据进行模数转换；数据存储器，用于对模数转换后的测量数据进行压缩及存储；数据显示输出模块，用于对模数转换后的测量数进行显示并输出，实现数据的通信。

在一实施例中，上述双气隙铁芯电子式电流互感器还包括：电阻，所述电阻的两端与所述双气隙铁芯的二次绕组的两端。

本发明的有益效果在于，本发明实施例的双气隙铁芯电子式电流互感器，可以在现场进行方便的带电安装和拆卸，同时，双层铁芯的结构在大电流范围内具备较好的测量特性，并能够提高测量精度。另外，双铁心结构的双气隙铁芯电子式电流互感器能够减小偏心距误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的双气隙铁芯电子式电流互感器的结构示意图；

图2根据本发明实施例的双气隙铁芯的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的铁芯线圈的比差随截面宽度变化的关系曲线；

图4为根据本发明实施例的铁芯线圈的角差随截面宽度变化的关系曲线；

图5为根据本发明实施例的铁芯截面宽度与重量的变化关系曲线；

图6为根据本发明实施例的铁芯线圈角差随铁芯重量变化的关系曲线；

图7为根据本发明实施例的单位重量铁芯的角差下降率和铁芯重量的关系曲线；

图8为根据本发明实施例的双气隙铁芯电子式电流互感器的结构示意图；

图9为根据本发明实施例的偏心距与气隙连线之间的夹角与铁芯线圈偏心误差变化曲线；

图10为根据本发明实施例的双铁芯线圈偏心误差和偏心距及角度的关系曲线；

图11为根据本发明实施例的双铁芯线圈偏心误差和偏心距及角度的关系曲线的放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种双气隙铁芯电子式电流互感器。以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种双气隙铁芯电子式电流互感器，该双气隙铁芯电子式电流互感器包括：导体1、双气隙铁芯2及数据处理芯片4。

其中，导体1穿过双气隙铁芯2的中心。该双气隙铁芯2的对称位置设置有两个完整的非磁性气隙：气隙5及气隙6（其中，气隙5被导体1挡住，故在图中未示出），该气隙5与气隙6贯穿该双气隙铁芯2，即上述气隙5与气隙6的长度等于该双气隙铁芯2的截面宽度，且该气隙5与气隙6的连线经过该双气隙铁芯2的圆心（中心）。由此，使得该双气隙铁芯2实际上能够分为两个半圆形结构，因而方便在线路上进行带电安装和卸载。

由图2可知，在上述的双气隙铁芯2的两个半圆形结构部分分别绕制有多匝线圈，该多匝线圈根据其属于输入端或输出端分为一次绕组N₂₁及二次绕组N₂₂。

上述的数据处理芯片4分别连接该双气隙铁芯2的二次绕组的两端，以接收由该双气隙铁芯2传送的信号数据，并对该信号数据进行处理。具体实施时，该数据处理芯片4包括：模数转换器41，数据存储器42及数据显示输出模块43。模数转换器41用于对测量数据进行模数转换，从而生成转换后的测量数据；数据存储器42用于对模数转换后的测量数据进行压缩及存储；数据显示输出模块43用于对模数转换后的测量数进行显示并输出，实现数据的通信。

如图1所示，在一较佳实施例中，本发明实施例的双气隙铁芯电子式电流互感器还包括一电阻，该电阻的两端分别连接该双气隙铁芯2的二次绕组的两端。

综上所述，本发明实施例的双气隙铁芯电子式电流互感器，由于其中的双气隙铁芯具有的两个对称设置的气隙，使得双气隙铁芯能够被分为两个对称的半圆形结构，以便于在实际应用时的安装与拆卸。

具体实施时，需要根据实际的运行环境的需求，选用不同规格的双气隙铁芯，因此，需要对上述的双气隙铁芯的参数进行优化，以使其更好地符合高精度的要求，以下对具体的参数优化方法进行详细的描述。

首先，根据二次绕组电流密度的大小确定二次绕组直径为1mm，然后根据二次绕组绕6层，一层500匝，确定铁芯内直径为300mm。

铁芯的截面的宽和高的比例一般在1：1.5～1：2之间，假定比例固定在1：2进行计算，铁芯内的磁通密度比较平均。

铁芯内直径d₁=300mm，铁芯截面宽度设为ε，则铁芯高度h=2ε，铁芯的外直径d₂=d₁+ε，下面计算铁芯的上述各参数随铁芯截面宽度ε的变化关系。

在铁芯截面宽度ε在20～100mm内变化，气隙计算长度为2mm的情况下，计算得到铁芯线圈的比差随ε变化的关系曲线如图3所示，铁芯线圈的角差随ε变化的关系曲线如图4所示。从图3及图4中可以看到在ε超过40mm之后，比差和角差下降的速度明显变慢。

在铁芯截面的宽度增大的同时，会使得铁芯的重量相应的增加，具体的截面宽度与重量的变化关系曲线如图5所示。从图5中可以看到，铁芯的重量从截面宽度30mm时的不足20公斤到截面宽度100mm时接近200公斤，本领域普通技术人员应当知道，在一般的试验中，很少会用到重量为200公斤的铁芯，因此需要进一步合理的设计铁芯的重量。由此引出角差随铁芯重量变化的关系曲线，如图6所示。

从图6中可以看到，在铁芯的重量超过40公斤之后，角差随铁芯重量下降的速度明显变慢。为了能够更加合理的确定铁芯重量的范围，可再进一步计算增加单位重量铁芯的角差下降率和铁芯重量的关系，如图7所示。从图7中可以看到，在铁芯的重量超过20公斤后，增加铁芯重量所能够带来的角差下降收益是非常低的，并且和20公斤之前相比差距非常明显。由此得出，铁芯的重量应当控制在20公斤以内。从图5中可以看到，重量控制在20公斤之内，那么铁芯截面的宽度则相应控制在35mm以内。

根据上述的计算和分析结果，可以得到一个较佳的铁芯优化参数：内直径为300mm，外直径为370mm，高度为60mm。需要说明的是，上述优化方法仅为举例说明针对双气隙铁芯进行参数优化的过程，而并非用以限定本发明实施例的双气隙铁芯的规格。

本发明实施例的双气隙铁芯结构中，由于在两个非磁性气隙的存在，在这两个非磁性气隙处会有线圈的缺口，因此不能实现完全分布式绕组，产生的偏心距离会产生误差，此即为偏心距误差。同时，在现场多次安装的情况下，也难以保证一次导体准确的从线圈中心穿过。因此，在本发明实施例中，对偏心距误差进行了理论计算，计算偏心度（偏心距离与铁芯内半径的比值）分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5时，偏心误差随偏心距与气隙连线之间夹角的变化关系。偏心距与气隙连线之间的夹角，以偏心距在气隙连线上时为零度角，计算该角度在0～90°范围之间变化时的偏心误差变化曲线，如图8所示。从图8中可以看到，由于气隙的存在，可能会导致本发明实施例的单个双气隙铁芯的结构存在一定的偏心误差。

如图8所示，偏心误差有比较明显的正向误差和负向误差的区域，并且两个区域的偏心距离误差的绝对值大小差距不大，因此，可以考虑将双气隙铁芯线圈偏心距离误差的正向误差区域和负向误差区域叠加的方式来减小误差，为此，在本发明实施例中，发明人在单个双气隙铁芯的基础上，对本发明实施例的双气隙铁芯电子式电流互感器作进一步的改进，提出了一种将两个双气隙铁芯串联的电流互感器。

图9是根据本发明实施例的双气隙铁芯电子式电流互感器的结构示意图，如图9所示，该双气隙铁芯电子式电流互感器包括：导体1、双气隙铁芯2、双气隙铁芯3、数据处理芯片4。

其中，导体1依次穿过双气隙铁芯2及双气隙铁芯3的中心；双气隙铁芯2与双气隙铁芯3串联连接，并且以两者的圆心连线为轴共轴设置。如图9所示，在双气隙铁芯2的对称位置存在两个完整的非磁性气隙：气隙5及气隙6，该气隙5与气隙6贯穿该双气隙铁芯2，且该气隙5与气隙6的连线经过该双气隙铁芯2的圆心，由此，使得该双气隙铁芯2实际上能够分为两个对称的部分，因而方便在线路上进行带电安装和卸载。同样地，在双气隙铁芯3的对称位置存在两个完整的非磁性气隙：气隙7及气隙8（其中，气隙8被导体1挡住，故在图中未示出），该气隙7与气隙8贯穿该双气隙铁芯3，该气隙7与气隙8的连线经过该双气隙铁芯3的圆心，使得该双气隙铁芯3实际上能够分为两个对称的部分，因而方便在线路上进行带电安装和卸载。

由图9可以看出，两个双气隙铁芯的结构中，两个双气隙铁芯的位置关系为：两个双气隙铁芯平行放置，且两个双气隙铁芯的气隙连线相互垂直。在这种位置关系下，双气隙铁芯2的正向误差区域和双气隙铁芯3的负向误差区域重叠，双气隙铁芯2的负向误差区域和双气隙铁芯3的正向误差区域重叠。当一次导体处于一个偏心位置时，其在两个双气隙铁芯中产生的偏心距离误差会产生相当程度的抵消。

另外，由于每个双气隙铁芯具有的两个对称设置的气隙，使得双气隙铁芯能够被分为两个对称的半圆形结构，以便于在实际应用时的安装与拆卸。

计算偏心比分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5时，角度在0～90°变化时的偏心误差，得到双气隙铁芯中偏心误差和偏心距及角度的关系如图10所示。对比图8和图10可知，设置两个双气隙铁芯时，由两个双气隙铁芯组成的线圈结构的偏心误差比单个双气隙铁芯结构的偏心误差小，偏心比为0.3时的最大偏心误差已经小于0.1%。考虑实际应用中期望的铁芯的精度和实际的偏心距情况，将0.1、0.2和0.3这三种偏心比的情况放大进一步观察，如图11所示。

从图11中可以看到如果能够将一次载流导体的偏心度控制在0.2以内，那么偏心误差很小，小于0.01%，如果将偏心度控制在0.3以内，那么产生的偏心误差小于0.05%。此时，铁芯内直径为300mm，偏心比0.2对应偏心距30mm，偏心比0.3对应偏心距45mm。

由以上的分析和计算过程能够看出，通过采用本发明实施例的两个双气隙铁芯的结构，能够很好地减小双气隙铁芯线圈的偏心距离误差。

如图9所示，上述数据处理芯片4的两端分别于上述双气隙铁芯2及上述双气隙铁芯3的线圈连接。具体实施时，数据处理芯片4与双气隙铁芯2的二次绕组及双气隙铁芯3的二次绕组分别连接（图中未示出）。该数据处理芯片4用于接收测量数据，并对测量数据进行模数转换后显示并输出。具体地，上述数据处理芯片4包括：模数转换器41、数据存储器42及数据显示输出模块43。

其中，上述模数转换器41用于对从双气隙铁芯的二次绕组输出的测量数据进行模数转换；数据存储器42用于对模数转换后的测量数据进行压缩及存储；数据显示输出模块43用于对模数转换后的测量数进行显示并输出，从而实现数据的通信。

在一较佳实施例中，如图9所示，上述的双气隙铁芯电子式电流互感器还包括：连接在上述双气隙铁芯2、双气隙铁芯3与数据处理芯片4之间的电阻，该电阻的两端分别与双气隙铁芯2的二次绕组及双气隙铁芯3的二次绕组连接（图中未示出）。

综上所述，本发明实施例的一种使用双气隙铁芯的电子式电流互感器，可以在现场进行方便的带电安装和拆卸。根据电流互感器的基本原理和气隙铁芯理论，结合气隙铁芯误差的计算，针对双气隙铁芯比差和角差大的特点，为了能够合理的确定铁芯参数，改善比差和角差情况，进行了双气隙铁芯误差计算。在不同的气隙长度下对双气隙铁芯线圈进行精度试验，根据试验结果，总结了双气隙铁芯线圈的比差和角差随气隙长度变化的规律。

同时，为了改善铁芯的偏心距误差大的特点，本发明实施例结合实际情况进行了理论计算，根据单铁芯线圈偏心距误差的特点，确定了双铁芯结构，并通过计算和试验验证了该双铁芯结构能够较好地提高测量精度。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，比如ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双气隙铁芯电子式电流互感器，其特征在于，所述双气隙铁芯电子式电流互感器包括：

第一双气隙铁芯，所述第一双气隙铁芯上设置第一气隙及第二气隙，所述第一气隙与第二气隙的连线经过所述第一双气隙铁芯的圆心；

第二双气隙铁芯，与所述的第一双气隙铁芯串联连接，并且共轴设置，所述第二双气隙铁芯上设置第三气隙及第四气隙，所述第三气隙与第四气隙的连线经过所述第二双气隙铁芯的圆心，并且垂直于所述第一气隙与第二气隙的连线；

所述的导体依次穿过所述第一双气隙铁芯及第二双气隙铁芯的中心；

所述数据处理芯片连接所述第一双气隙铁芯及所述第二双气隙铁芯的线圈，用于接收测量数据，对所述的测量数据进行模数转换后显示并输出。

2.根据权利要求1所述的双气隙铁芯电子式电流互感器，其特征在于，在所述气隙连线的两侧分别绕制有多匝线圈，包括：一次绕组及二次绕组。

3.根据权利要求2所述的双气隙铁芯电子式电流互感器，其特征在于，所述数据处理芯片连接所述第一双气隙铁芯的二次绕组及所述第二双气隙铁芯的二次绕组。

4.根据权利要求3所述的双气隙铁芯电子式电流互感器，其特征在于，所述数据处理芯片包括：

模数转换器，用于对所述的测量数据进行模数转换；

数据存储器，用于对模数转换后的测量数据进行压缩及存储；

数据显示输出模块，用于对模数转换后的测量数进行显示并输出，实现数据的通信。

5.根据权利要求4所述的双气隙铁芯电子式电流互感器，其特征在于，所述双气隙铁芯电子式电流互感器还包括：电阻，所述电阻的两端与所述第一双气隙铁芯的二次绕组及所述第二双气隙铁芯的二次绕组连接。

6.一种双气隙铁芯电子式电流互感器，其特征在于，所述双气隙铁芯电子式电流互感器包括：

双气隙铁芯，所述双气隙铁芯上设置第一气隙及第二气隙，所述第一气隙与第二气隙的连线经过所述双气隙铁芯的圆心；

所述的导体穿过所述双气隙铁芯的中心；

所述数据处理芯片连接所述双气隙铁芯的线圈，用于接收测量数据，对所述的测量数据进行模数转换后显示并输出。

7.根据权利要求6所述的双气隙铁芯电子式电流互感器，其特征在于，在所述气隙连线的两侧分别绕制有多匝线圈，包括：一次绕组及二次绕组。

8.根据权利要求7所述的双气隙铁芯电子式电流互感器，其特征在于，所述数据处理芯片连接所述双气隙铁芯的二次绕组。

9.根据权利要求8所述的双气隙铁芯电子式电流互感器，其特征在于，所述数据处理芯片包括：

模数转换器，用于对所述的测量数据进行模数转换；

数据存储器，用于对模数转换后的测量数据进行压缩及存储；

数据显示输出模块，用于对模数转换后的测量数进行显示并输出，实现数据的通信。

10.根据权利要求9所述的双气隙铁芯电子式电流互感器，其特征在于，所述双气隙铁芯电子式电流互感器还包括：电阻，所述电阻的两端与所述双气隙铁芯的二次绕组的两端连接。

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