CN104215817A

CN104215817A - 快响应穿芯式直流漏电流传感器

Info

Publication number: CN104215817A
Application number: CN201410442538.8A
Authority: CN
Inventors: 李洪儒; 徐海宁; 张军; 王晓雯; 刘筝; 陈雷; 郑强; 牟丹; 孙伟君; 王静瑜; 祁静; 羿丽红
Original assignee: SHENZYANG HUIBO AUTOMATED INSTRUMENTATION CO Ltd
Current assignee: SHENZYANG HUIBO AUTOMATED INSTRUMENTATION CO Ltd
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2014-12-17

Abstract

本发明属于漏电流检测产品领域，尤其涉及一种快响应穿芯式直流漏电流传感器，包括交流激磁振荡线圈(W1)、平衡反馈线圈(W2)、磁环及信号处理模块；被测电流导线从磁环穿孔通过；所述平衡反馈线圈(W2)及交流激磁振荡线圈(W1)分层绕制于磁环上；内层为平衡反馈线圈(W2)；外层为交流激磁振荡线圈(W1)；所述平衡反馈线圈(W2)与交流激磁振荡线圈(W1)的信号传输端口分别与信号处理模块的信号传输端口相接；信号处理模块包括激磁振荡电路、滤波电路、放大电路、平衡驱动电路及稳压电源电路。本发明具有非线性误差及温度漂移小，抗干扰能力强，检测精度高，可靠性好等特点。

Description

快响应穿芯式直流漏电流传感器

技术领域

本发明属漏电流检测产品领域，尤其涉及一种对车辆、直流设备或装置中的漏电流情况进行快速检测的快响应穿芯式直流漏电流传感器。

背景技术

在使用直流供电系统的企业，如电力、电信、铁路、冶金等行业，直流系统的安全运行要求十分严格。如果设备或装置上不是等电位的两点同时接地，会引起设备和装置的误动作，造成安全事故。实时监测直流系统对地的漏电流状况，尤其是对直流系统中设备对地微小漏电流的监测，对于避免事故的发生，就显得尤其重要。因此，将直流系统接地故障隐患提前消除，避免因两点同时接地带来的危害，以及如何及时准确地排除直流系统接地故障，是长期以来急需解决的问题。特别是随着直流装备的发展和直流供电系统的大量采用，对直流漏电流的检测需求更是越来越多。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种非线性误差及温度漂移小，抗干扰能力强，检测精度高，可靠性好的快响应穿芯式直流漏电流传感器。本发明快响应直流漏电流传感器系采用磁调制隔离技术作为小电流采样的核心技术来进行产品的设计。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

快响应穿芯式直流漏电流传感器，它包括交流激磁振荡线圈W1、平衡反馈线圈W2、磁环及信号处理模块；被测电流导线从磁环穿孔通过；所述平衡反馈线圈W2及交流激磁振荡线圈W1 分层绕制于磁环上；内层为平衡反馈线圈W2；外层为交流激磁振荡线圈W1；所述平衡反馈线圈W2与交流激磁振荡线圈W1的信号传输端口分别与信号处理模块的信号传输端口相接。

作为一种优选方案，本发明所述信号处理模块包括激磁振荡电路、滤波电路、放大电路、平衡驱动电路及稳压电源电路；所述激磁振荡电路产生PWM方波，并经滤波电路实现脉冲信号向直流电压的转换；待处理直流信号再经放大处理后送至平衡驱动电路，以驱动平衡反馈线圈W2。

进一步地，本发明所述磁环可采用高导磁率材料制成的环形结构。

进一步地，本发明所述交流激磁振荡线圈W1及平衡反馈线圈W2可采用耐高温漆包线。

本发明是针对直流装备及系统中的漏电流的检测需要而设计的一种穿芯式小电流传感器产品。该产品采用磁调制原理和磁平衡原理相结合的技术方案设计，传感器的综合性能得到了极大提高。特别是传感器的非线性误差和温度漂移很小，抗干扰能力较强，工作稳定性好，通过合理的结构设计和器件参数的选择，传感器的响应时间得到了极大提高，对系统的实时测量和防护效果显著。

该传感器主要用于对设备的直流泄漏电流进行检测，广泛应用于直流输电、蓄电检测、直流屏、直流电源、大型医疗卫生设备、光伏、风力发电、通信基站等行业设备中，对设备的漏电情况进行反馈，通过相关的漏电保护系统对设备进行防护，以避免事故的发生，确保设备安全和人身安全。在直流设备和系统中，根据国家相关安全使用标准，对于安全防护方面都有一定的硬性要求，直流漏电流传感器是确保设备安全运行的不可或缺的一个重要元器件。

传感器的技术实现。

（1）采用低漂移、高稳定性运算放大器组成磁调制振荡电路，外围辅助电阻选用温度漂移优于10PPM的产品；降低振荡线圈的电感量，保证振荡电路产生的PWM波形频率在200Hz以上，提高了传感器的响应时间。

（2）有源滤波电路中的电容采用低温漂系数的电容，保证了传感器在整个温区内的滤波效果，即保证了传感器的纹波控制在一定的水平。

（3）放大电路和平衡反馈电路中采用高速、低漂移运算放电器，保证了平衡线圈电流能及时抵消被测电流。

（4）采用屏蔽磁场效果好的硅钢片制成的屏蔽壳对测试线圈和平衡线圈进行整体屏蔽，保证传感器的抗干扰性能。

（5）采用耐高温屏蔽导线作为传感器引出线，传感器用环氧树脂进行整体灌封，提高了产品的可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明的工作原理图。

图2为本发明的电路图。

具体实施方式

为了提高产品的响应时间和输出信号的温度特性，本发明采用的是磁调制原理和磁平衡原理相结合的技术方案，采用封闭式铁芯、双线圈结构。传感器在磁路的材料选择及处理工艺上，在传感器的结构设计上，在激磁振荡线圈和平衡线圈的参数设计上采取了新的技术和方法，克服了常规产品小电流测量值不稳定，响应速度达不到设备保护要求的缺陷。

本发明通过选取合适的磁路材料、适当的线圈电感设计和滤波电路的器件参数的设计，实现了对直流漏电流的高精度、快速隔离检测。传感器在设备运行中可以实时监测系统的漏电流状态，对设备的漏电情况进行反馈，通过相关的漏电保护系统对设备进行防护，以达到有效地避免事故的发生，确保设备安全和人身安全的目的。

图1中W1为交流激磁振荡线圈，W2为平衡反馈线圈，磁环由高磁导率的坡莫合金材料制成，两组线圈分层绕制在磁环上。由交流激磁振荡线圈W1和运算放大器及电阻、电容器件组成磁调制振荡电路。磁调制振荡电路产生的是PWM方波，PWM方波通过RC滤波电路可以得到与信号占空比成线性关系的直流电压，从而实现从脉冲信号到直流电压的转换。当磁环中有电流流过时，会引起PWM波的占空比变化，进而使得滤波后的直流电压变化。经过有源滤波后的直流电压信号经放大后输入给平衡驱动电路，驱动平衡反馈线圈W2，平衡反馈线圈中的电流为I ₂ 则I ₂ ＝U _O / R，根据磁平衡传感器的等安匝原理，当磁路平衡时N ₁ I ₁ =N ₂ I ₂ ，则：I ₁ ＝N ₂ I ₂ / N ₁ ，= N ₂ U _O /N ₁ R。

即传感器输出电压U _O 与被测电流I ₁ 成线性的对应关系，这样通过测量传感器的输出电压就得到了被测电流值。

由于传感器是用于小电流检测，因此必须采用起始磁导率高的材料作为铁芯，以确保非常小的电流就引起磁路中磁通量的变化，以便提高传感器的灵敏度和稳定性。

根据传感器的响应时间，可以确定磁调制振荡电路产生的PWM波形频率的最低值，只有适当提高PWM的波形频率，这样才能保证传感器的输出基本是一条直线，即传感器的纹波保持在合适的水平。PWM波形频率主要取决于激磁线圈的电感，在磁芯体积固定的情况下，通过调整交流激磁振荡线圈的匝数可以保证线圈的电感设计成合适的值。

为了提高产品的抗干扰性，在绕制好铁芯外面加了一层屏蔽，屏蔽壳是选用硅钢片叠制而成，目地是屏蔽低频磁场的影响，增强产品的抗干扰性。

磁调制振荡电路产生的是PWM方波。PWM方波通过RC滤波电路可以得到与信号占空比成线性关系的直流电压，从而实现从脉冲信号到直流电压的转换。

滤波电路中的R，C参数与PWM的周期以及直流电压的精度要求直接相关。设计PWM波RC滤波电路时，应根据响应时间要求，确定时间常数，并且使RC时间常数远大于PWM周期。RC充放电时间常数应尽量相等。此外还应根据电压精度要求确定RC参数。

传感器的信号处理模块包括激磁振荡电路、滤波电路、放大电路、平衡驱动电路及稳压电源电路。

如图2所示，电源电路包括有电源稳压模块U3、U4，电容CA1、CA3、CA5、CA2、CA4、CA6，电源电路的输出电压为+9V和-9V；D1和D2为防止输入电源接反的保护二极管；该电源为信号处理电路中运算放大器的工作电源，保证PWM波的幅值不随传感器工作电源的变换而变化。

运算放大器U1A，激磁振荡线圈W1，电阻R1、R2、R3、R4组成PWM振荡电路，当磁环中通过被测电流时，线圈W1的电感发生变化，使得PWM波的占空比发生变化。

运算放大器U1B，电容C1、C4、C5，电阻R6、R20、R21组成RC有源滤波电路，PWM波经RC滤波电路滤波后变为直流电压信号。

运算放大器U2B，电阻R7、R8、R9组成放大电路，对滤波后的直流电压信号进行适当放大，电容C6、C7是为了进一步提高滤波效果。

Z1和Z2是两个稳压二极管，通过电阻R13、R14、R14B、R15、R16、R10和电位器W3组成零点调整电路，通过调整电位器来调整传感器的零点输出。

运算放大器U2A是平衡驱动电路，其输出端接平衡线圈W2的其中一端，平衡线圈的另一端接RF1、RF2、RF3、RF4电阻组成的限流电阻网络，通过调整网络电阻的大小来调整传感器的满量程输出，电阻R12一端接运算放大器U2A的1脚输出端，一端接传感器的输出信号线，起保护作用。

测量直流漏电流时，将被测电流导线穿过传感器的穿孔，电流导线的穿过方向按传感器电流标识的方向，否则传感器输出是负值。将两根导线按电流相互抵消的方式穿过传感器的通孔，还可以实现对两根电流导线中的电流差值的测量。

当被测电流导线中的电流变化时，磁路中的磁场会发生变化，进而引起W1线圈的电感发生变化，变化的电感会引起振荡电路PWM波的PWM波的占空比改变，进而使得滤波后的直流电压变化。经过有源滤波后的直流电压信号经放大后输入给平衡驱动电路驱动平衡反馈线圈W2，平衡反馈线圈中的电流产生反向磁场，与被测电流产生的磁场进行抵消，达到新的工作平衡，这样通过测量传感器的输出电压就得到了被测电流值的大小。

可以理解地是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.快响应穿芯式直流漏电流传感器，其特征在于：包括交流激磁振荡线圈(W1)、平衡反馈线圈(W2)、磁环及信号处理模块；被测电流导线从磁环穿孔通过；所述平衡反馈线圈(W2)及交流激磁振荡线圈(W1) 分层绕制于磁环上；内层为平衡反馈线圈(W2)；外层为交流激磁振荡线圈(W1)；所述平衡反馈线圈(W2)与交流激磁振荡线圈(W1)的信号传输端口分别与信号处理模块的信号传输端口相接。

2.根据权利要求1所述的快响应穿芯式直流漏电流传感器，其特征在于：所述信号处理模块包括激磁振荡电路、滤波电路、放大电路、平衡驱动电路及稳压电源电路；所述激磁振荡电路产生PWM方波，并经滤波电路实现脉冲信号向直流电压的转换；待处理直流信号再经放大处理后送至平衡驱动电路，以驱动平衡反馈线圈（W2）。

3.根据权利要求2所述的快响应穿芯式直流漏电流传感器，其特征在于：所述磁环采用高导磁率材料制成的环形结构。

4.根据权利要求3所述的快响应穿芯式直流漏电流传感器，其特征在于：所述交流激磁振荡线圈(W1)及平衡反馈线圈(W2)采用耐高温漆包线。