CN104215827A - 一种交变电流传感器 - Google Patents
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Abstract
一种交变电流传感器由通电导体(1)、变压器(2)、电极(3)、数据处理系统(4)、光电信号通信转换模块(5)、光纤(6)组成；通电导体(1)穿过变压器(2)中的铁磁体环；两个电极(3)与通电导体(1)的接触点分布并固定在离导体(1)的轴线不同距离的位置上；两个电极(3)之间的电压信号经由数据处理系统(4)放大并转换成数字信号；电脉冲数字信号经由光电信号通信转换模块(5)转换成光脉冲数字信号并由光纤(6)引出；变压器(2)中的次级绕组环绕于铁磁体环外部；次级绕组两端的感应电动势为数据处理系统(4)和光电信号通信转换模块(5)供电。本发明可实现信号传输的高绝缘隔离，具有结构简单、无磁饱和的特点，能够在大的范围内测量交变和瞬变电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种交变电流传感器，在供电和变电设备的电流测量和控制、高压和超高压交流输送方面具有特殊用途，也可广泛用于工业产品和设备的电流测量、控制、校准以及过流保护和监控，包括铁路机动车辆瞬时电流检测以及金属冶炼和化工等行业大电流的测量、控制与保护。
背景技术
电流传感和测量是工程技术以及科学研究中广泛涉及的一个研究课题，如供电和变电设备的电流测量和控制，工业产品和设备的电流测量、控制、校准以及过流保护和监控。目前传统的电流传感器有电阻法、基于霍尔效应的电流传感器和基于法拉第效应的光纤电流传感器。电阻法使用简单，是将一电阻串联在电路内， 根据欧姆定律(Ohm’s law)，串联电阻两断的电动势之差正比于通过的电流。采用电阻法需要通电导体与电阻串联，在大电流的情况下由于电阻发热而产生大的功耗。基于霍尔效应的电流传感器的结构简单、但温度特性不佳，受温度漂移的影响大、大电流导致铁芯磁饱和。基于霍尔效应的电流传感器为有源传感器，工作时需要供电。本技术发明人已获授权的一种基于通电导体受压形变的压电式电流传感器（专利号：2001120038603.2），采用压电器件测量导体形变和通电导体电流，具有结构简单、高绝缘隔离、受电磁干扰小、温度特性好的特点，为一种无源电流传感器。本技术发明人已获授权的另外一种电流传感器（专利号：2001320706404.3）是基于电流在导体内部产生垂直于电流方向的磁场。导体内运动的栽流子受到由于磁场而引起的洛伦兹(Lorentz) 力的作用，在导体内栽流的电子向导体表面移动，因而形成径向电场。在垂直电流方向的平面内，通电导体中心沿径向至导体表面间电动势之差正比于通过导体电流的平方。这种新型电流传感器的测量范围广、响应时间短，可以检测传统电流传感器所不能检测的大的直流和交变电流。但这两种电流传感器的信号放大与传输均需外部供电。对于高压和超高压交变输电系统，外部为传感器供电成为高压绝缘的一个技术瓶颈。基于法拉第效应的光纤电流传感器能够克服高压绝缘的技术问题，而且受电磁干扰小。但光纤电流传感器受温度漂移的影响大，精度较低，且结构复杂，成本较高，目前市场还少见成熟的光纤电流传感器。
本发明提供一种交变电流传感器能够克服传统电流传感器需外部供电的局限，这一电流传感器能够在位获取电能，信号通过光纤传输，实现信号传输的高绝缘隔离，具有结构简单、无磁饱和的特点，能够在大的范围内测量交变和瞬变电流。
发明内容
本发明提供一种交变电流传感器，通过一变压器在位获取电能。本发明是基于通电导体产生垂直于电流方向的磁场。导体内运动的栽流子受到由于磁场而引起的洛伦兹力的作用，在导体内栽流的电子向导体表面移动，因而形成径向电场。在垂直电流方向的平面内，通电导体中心沿径向至导体表面间电动势之差正比于通过导体电流的平方。采用电极测量通电导体中径向电动势差。两个电极之间的电压信号经由数据处理系统放大并转换成数字信号。电脉冲数字信号经由光电信号通信转换模块转换成光脉冲数字信号并由光纤引出。通电导体穿过变压器中的铁磁体环。变压器中的次级绕组环绕于铁磁体环外部，次级绕组两端的感应电动势为数据处理系统和光电信号通信转换模块供电。
本发明提供一交变电流传感器能够在位获取电能，信号通过光纤传输，可实现信号传输的高绝缘隔离，具有结构简单、无磁饱和的特点。本发明通过测量固定在通电导体不同部位的两电极间的电动势之差来确定通过导体的电流，能够在大的范围内测量交变和瞬变电流。这种新型电流传感器的测量范围广、响应时间短，能为高压和超高压输电系统的电流测量和控制提供一种可靠技术手段。
本发明的目的是通过如下途径实现的：
一种交变电流传感器，其特征在于：电流传感器由通电导体1、变压器2、电极3、数据处理系统4、光电信号通信转换模块5、光纤6组成；通电导体1穿过变压器2中的铁磁体环；两个电极3与通电导体1的接触点分布并固定在离导体1的轴线不同距离的位置上；两个电极3之间的电压信号经由数据处理系统4放大并转换成数字信号；电脉冲数字信号经由光电信号通信转换模块5转换成光脉冲数字信号并由光纤6引出；变压器2中的次级绕组环绕于铁磁体环外部；次级绕组两端的感应电动势为数据处理系统4和光电信号通信转换模块5供电。
更进一步的，通电导体可分别为柱状和带状。在通电导体为柱状的情况下，两个电极2与通电导体1的接触点分布在垂直于电流方向的平面上；通电导体1为哑铃状圆柱体的情况下，电极2与通电导体1的接触点分布在两个不同半径的圆周上。在通电导体1为带状的情况下，两个电极2与通电导体1的接触点分布在宽的带面和窄的侧面上。
更进一步的，采用电极测量通电导体中径向电动势差，两电极之间的电动势差经仪表放大器信号放大。变压器2从通电导体1获取电能，为数据处理系统4和光电信号通信转换模块5供电。数据处理系统4由信号放大、模数转换和数据通信部分构成。通信方式为RS232，或RS485、或RS422、或CAN、或SSI。光电信号通信转换模块5将数据处理系统4传输过来的电脉冲数字信号转换成光脉冲数字信号，光脉冲数字信号并由光纤6引出。光纤6输出的光脉冲信号与电流的平方成正比。
本发明的原理如下：
本发明的原理是基于电流在导体内部产生垂直于电流方向的磁场。导体内运动的电子受到由于磁场而引起的洛伦兹力的作用，使电子向导体表面移动，因而形成径向电场。在垂直电流方向的平面内，通电导体从轴线沿径向至导体表面间电动势之差正比于通过导体电流的平方。设电流I通过一长导体，导体截面积为S，且截面的法向与电流方向平行。径向平均电动势差为：U=(μ 0 I 2)/(2πnqS)。式中μ 0为真空磁导率，n为导体中的自由电子浓度，q为电子所带的电荷。由该式可以看出，通电导体从轴线沿径向至导体表面间电动势之差正比于通过导体电流的平方。采用电极测量通电导体中径向电动势差，电动势差经仪表放大器信号放大。输出信号与通电导体的电流平方成正比。变压器2为数据处理系统4和光电信号通信转换模块5供电。数据处理系统4由信号放大、模数转换和数据通信部分构成。光电信号通信转换模块5将数据处理系统4传输过来的电脉冲数字信号转换成光脉冲数字信号，光脉冲数字信号并由光纤6引出。
如果通电导为铁磁材料(Fe, Co, Ni及其合金)，其磁导率μ远大于真空磁导率(μ=μ 0 μ r, μ r为相对磁导率)。一般金属导体的相对磁导率为μ r≈1。由于铁磁材料的相对磁导率很高(对于纯铁，μ r≈5000)，因此在相同电流和导体几何尺寸的条件下，铁磁材料中径向电动势差远大于其它导体材料。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1为圆柱状通电导体交变电流测量装置结构示意图；
图2为哑铃状圆柱体交变电流测量装置结构示意图；
图3为带状通电导体交变电流测量装置结构示意图。
具体实施例
实施例1：
图1为一种圆柱状通电导体交变电流测量装置结构示意图。电流传感器由圆柱状通电导体1、变压器2、电极3、数据处理系统4、光电信号通信转换模块5、光纤6组成；圆柱状通电导体1穿过变压器2中的铁磁体环；两个电极2与通电导体1的接触点分布在垂直于电流方向的平面上，并沿径向固定在导体1的轴线和圆周的位置上；两个电极之间的电压信号经由数据处理系统4放大并转换成数字信号；电脉冲数字信号经由光电信号通信转换模块5转换成光脉冲数字信号并由光纤6引出；变压器2中的次级绕组环绕于铁磁体环外部；次级绕组两端的感应电动势为数据处理系统4和光电信号通信转换模块5供电。
设圆柱状通电导体1的半径为r。柱状导体圆周上的切向磁场垂直于电流方向，磁感应强度的大小为：B=μ 0 I/(2πr)。径向电动势差与电流之间的关系为：U=(μ 0 I 2)/(2π2 nqr 2 )。通过一给定电流值并在此条件下测量径向电动势差，即可标定U与I 2之间的比例常数。完成标定后，通过测量径向电动势差，即可确定通过导体的电流。为了消除外部磁场的干扰，可在电极引出线的位置套上一个铁氧体环。
实施例2：
图2为一种哑铃状圆柱体交变电流测量装置结构示意图。电流传感器由哑铃状圆柱形通电导体1、变压器2、电极3、数据处理系统4、光电信号通信转换模块5、光纤6组成。圆柱状通电导体1穿过变压器2中的铁磁体环。电极2与通电导体1的接触点分布在两个不同直径的圆周上。位于半径为r 2圆周上两个接触点联接成一个电极，两个接触点与位于半径为r 1圆周上的另外一个电极接触点形成相等间距。两个电极之间的电压信号经由数据处理系统4放大并转换成数字信号；电脉冲数字信号经由光电信号通信转换模块5转换成光脉冲数字信号并由光纤6引出；变压器2中的次级绕组环绕于铁磁体环外部；次级绕组两端的感应电动势为数据处理系统4和光电信号通信转换模块5供电。
两个电极之间的电压与通电电流之间的关系为：U=μ 0 I 2/(2π2 qnr 2)(r 1 -2-r 2 -2)。通过一给定电流值并在此条件下测量径向电动势差，即可标定U与I 2之间的比例常数。完成标定后，通过测量径向电动势差，即可确定通过导体的电流。为了消除外部磁场的干扰，可在电极引出线的位置套上一个铁氧体环。
实施例3：
图3为一种带状通电导体交变电流测量装置结构示意图。电流传感器由带状通电导体1、变压器2、电极3、数据处理系统4、光电信号通信转换模块5、光纤6组成。带状通电导体1穿过变压器2中的铁磁体环。两个电极2与通电导体1的接触点分布在宽的带面和窄的侧面上。两个电极2的连线方向垂直于电流方向。两个电极之间的电压信号经由数据处理系统4放大并转换成数字信号；电脉冲数字信号经由光电信号通信转换模块5转换成光脉冲数字信号并由光纤6引出；变压器2中的次级绕组环绕于铁磁体环外部；次级绕组两端的感应电动势为数据处理系统4和光电信号通信转换模块5供电。
通过一给定电流值并在此条件下测量径向电动势差，即可标定U与I 2之间的比例常数。通过测量径向电动势差，即可确定通过导体的电流。为了消除外部磁场的干扰，可在电极引出线的位置套上一个铁氧体环。
本发明提供一种交变电流传感器，通过变压器在位获取电能。变压器为数据处理系统和光电信号通信转换模块供电。两个电极之间的电压信号经由数据处理系统放大并转换成数字信号；电脉冲数字信号经由光电信号通信转换模块转换成光脉冲数字信号并由光纤引出。本发明可实现信号传输的高绝缘隔离，具有结构简单、无磁饱和的特点，能够在大的范围内测量交变和瞬变电流。
Claims (8)
1.一种交变电流传感器，其特征在于：电流传感器由通电导体(1)、变压器（2）、电极(3)、数据处理系统（4）、光电信号通信转换模块（5）、光纤（6）组成；通电导体(1)穿过变压器（2）中的铁磁体环；两个电极(3)与通电导体(1)的接触点分布并固定在离导体(1)的轴线不同距离的位置上；两个电极(3)之间的电压信号经由数据处理系统（4）放大并转换成数字信号；电脉冲数字信号经由光电信号通信转换模块（5）转换成光脉冲数字信号并由光纤（6）引出；变压器（2）中的次级绕组环绕于铁磁体环外部；次级绕组两端的感应电动势为数据处理系统（4）和光电信号通信转换模块（5）供电。
2.如权利要求1所述的一交变电流传感器，其特征在于：通电导体(1)为圆柱状，两个电极（2）与通电导体（1）的接触点分布在垂直于电流方向的平面上。
3.如权利要求1所述的一交变电流传感器，其特征在于：通电导体(1)为哑铃状圆柱体，电极（2）与通电导体（1）的接触点分布在两个不同半径的圆周上。
4.如权利要求1所述的一种交变电流传感器，其特征在于：通电导体(1)为带状，两个电极（2）与通电导体（1）的接触点分布在宽的带面和窄的侧面上。
5.如权利要求1所述的一种交变电流传感器，其特征在于：变压器（2）从通电导体(1)获取电能，为数据处理系统（4）和光电信号通信转换模块（5）供电。
6.如权利要求1所述的一种交变电流传感器，其特征在于：数据处理系统（4）由信号放大、模数转换和数据通信部分构成；通信方式为RS232，或RS485、或RS422、或CAN、或SSI。
7.如权利要求1所述的一种交变电流传感器，其特征在于：光电信号通信转换模块（5）将数据处理系统（4）传输过来的电脉冲数字信号转换成光脉冲数字信号，光脉冲数字信号并由光纤（6）引出。
8.如权利要求1所述的一种交变电流传感器，其特征在于：光纤（6）为单模光纤或多模光纤。
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