CN104465057B - 一种筒状导体电流互感器 - Google Patents
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Abstract
一种筒状导体电流互感器，其特征在于：筒状导体电流互感器由筒状铁磁导体(1)和线圈绕组(2)组成；筒状导体(1)的筒壁上布置有两个通孔，两个通孔位于筒状导体(1)筒壁的不同长度位置上，两孔的中心连线平行于筒状导体(1)的轴向；线圈绕组(2)穿过两个通孔环绕于筒状导体(1)的内外两壁；筒状导体(1)的两端与通电线路相连，当交变电流通过筒状导体(1)时，线圈绕组(2)的两端所产生的感应电动势的大小与交变电流对时间的导数成正比。新型筒状铁磁导体电流互感器具有结构简单可靠、输出信号强、无磁饱和及抗电磁干扰的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流互感器，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，以及用于通过单根通电线获取电能的技术领域。
背景技术
交变电流互感、电流传感和测量是工程技术以及科学研究中广泛涉及的研究课题。电流互感器和电流传感器在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、高压和超高压交流输送方面具有特殊用途。
目前传统的电流互感器均采用变压器方式，初级线圈绕组和次级线圈绕组环绕于一铁磁环体上。当交变电流通过初级绕组时，次级绕组两端产生感应电动势。另一方式为通电导线穿过绕有线圈的铁磁体环，线圈绕组两端产生感应电动势。第二种方式实际上是第一种方式中通电导线作为初级绕组的特殊形式。在这些传统的电流互感器中需要一个传导磁通的铁磁体环。
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’slaw)，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输出信号较小，需要信号放大。
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。
本发明提供一种电流互感器，无需传统电流互感器中的铁磁体环，能够通过单根通电线获取电能。本发明提供的电流互感器具有结构简单可靠、输出信号强、无磁饱和及抗电磁干扰的特点。由于测量磁路闭合，本发明所提供的筒状铁磁导体电流互感器具有很强的抗电磁干扰能力。
发明内容
本发明所涉及的一种筒状铁磁导体电流互感器，由筒状导体和线圈绕组构成。筒状导体的筒壁上布置有两个通孔，两个通孔的中心连线平行于筒状导体的轴向。线圈绕组穿过两个通孔环绕于筒状导体的内外两壁。筒状导体的两端与通电线路相连。电流在导体内外产生垂直于电流方向的交变磁场。交变磁场穿过线圈绕组所围绕的平面。当交变电流通过筒状导体时，通过线圈绕组的磁通量发生变化。线圈绕组的两端所产生的感应电动势的大小正比于交变电流对时间的导数。
本发明提供一种筒状导体电流互感器，无需传统电流互感器中的铁磁体环，具有结构简单可靠、输出信号强、无磁饱和及抗电磁干扰的特点。由于测量磁路闭合，本发明所提供的筒状铁磁导体电流互感器具有很强的抗电磁干扰能力，能为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：
一种筒状导体电流互感器，其特征在于：筒状导体电流互感器由筒状导体1和线圈绕组2组成。筒状导体1的筒壁上布置有两个通孔，两个通孔位于筒状导体1筒壁的不同长度位置上。两孔的中心连线平行于筒状导体1的轴向。线圈绕组2穿过两个通孔环绕于筒状导体1的内外两壁。筒状导体1的两端与通电线路相连，交变电流经由筒状导体1的两端通过筒状导体；筒状导体壁内交变电流的方向平行于筒状导体1的轴向。电流在导体内外产生垂直于电流方向的交变磁场，交变磁场穿过线圈绕组2所围绕的平面。当交变电流通过筒状导体1时，通过线圈绕组2的磁通量发生变化。线圈绕组2的两端所产生的感应电动势的大小正比于交变电流对时间的导数。
更进一步的，筒状导体1由铁磁导体材料构成。筒状导体1的结构为圆筒状或者矩形筒状。
本发明的原理如下：
本发明的原理是基于电流在筒状铁磁导体（Fe,Co,Ni及其合金）内部产生垂直于电流方向的磁场。如图1所示，设电流I通过一长筒状铁磁导体，筒体的内径为r1，外径为r2，长度为L。导线内的电流密度j等于I/[π(r2 2-r1 2)]。根据毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savartlaw)，电流在导体内外产生磁场，磁场方向垂直于电流方向。磁感应强度B与距离筒体轴线的径向位置r有关，其大小为：
（1）
式中μ0为真空磁导率，μ为铁磁体的磁导率。磁感应强度B与通电筒状铁磁导体径向半径r的关系如图2所示。由于铁磁体的磁导率大于真空磁导率，因此在相同条件下通电筒状铁磁体内磁感应强度大于其它导体内的磁感应强度。在通电筒状铁磁内取一截面，截面宽度为r2-r1,长度为L，截面的法向平行于感应磁场方向，如图1和图3所示。截面的面积为（r2-r1）L。感应磁场在筒状铁磁导体壁内形成封闭回路。绕组平面平行于截面。磁感应强度是径向位置r的函数。通过单匝线圈的磁通量Φ为
。（2）
联立公式（1）和（2），可导出磁通量与电流成正比，其结果为：Φ=kI。式中磁通量与电流的比例常数k为：
。（3）
在给定外径r2的条件下，比例常数k在r1趋于0时有极大值μLr2/3。比例常数k与筒体内径r1的关系如图4所示。通过单匝线圈的磁通量Φ随筒体的外径r2、长度L及电流I的增大而升高；随筒体内径r1的增加而减小。设围绕筒壁的线圈绕组的匝数为N，线圈绕组两端的感应电动势U（t）为
。（4）
感应电动势U（t）的大小正比于电流对时间的导数。本发明在效果上等效于一传统的铁芯变压器。变压器的初级线圈绕组匝数为1、通过初级线圈绕组的电流为I、次级线圈绕组匝数为N、通过铁芯的磁通量为Φ=kI的。但本发明无需铁芯磁环。磁通在筒状通电导体壁内形成垂直于电流的封闭回路。因此本发明提供的一种筒状导体电流互感器具有输出信号大、抗电磁干扰的特点。
本发明作为电流传感器，可通过对电动势的积分获得通过导体的电流。技术上，将感应电动势信号通过有源或者无源积分电路并可得到与电流I成正比的输出信号。图5为由电阻(电阻值为R)和电容(电容值为C)组成的无源积分电路示意图；图6为由电阻、电容和运算放大器A构成的有源积分电路示意图。图6中的Rp为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调；Rf是积分漂移泄漏电阻，用来防止积分漂移所造成的饱和或截止现象。随时间变化的感应电动势U(t)通过有源或者无源积分电路后，输出信号uo(t)为
。（5）
输出信号uo(t)正比于通过筒状铁磁体的电流I。从以上分析可以看出，磁通在筒状通电导体壁内形成垂直于电流方向的封闭回路是本发明在原理上的基本要求，因此在结构上本发明的筒状导体可为圆筒状，或者为矩形筒状；在材料上本发明的筒状导体应选择磁导率大的铁磁材料（Fe,Co,Ni及其合金），以增大通过绕组的磁通量，并且避免外部磁场的干扰。本发明提供的一种筒状导体电流互感器具有结构简单可靠、输出信号强、无磁饱和的特点。由于测量磁路闭合，本发明作为电流传感器具有很强的抗电磁干扰能力。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1为筒状通电铁磁导体壁内产生的垂直于电流方向的磁场示意图；
图2为磁感应强度B与通电筒状铁磁导体径向半径r的关系示意图；
图3为通过通电筒状铁磁导体截面的磁通量与电流方向关系的剖面示意图；
图4为磁通量与电流的比例常数k与筒状铁磁导体内径r1的关系示意图；
图5为无源积分电路示意图；
图6为有源积分电路示意图；
图7为筒状铁磁导体电流互感器与通电线路连接关系示意图；
图8为内螺纹结构的筒状铁磁导体的剖面示意图；
图9为筒状铁磁导体电流互感器与通电线路及有源积分电路连接关系示意图。
具体实施例
实施例1：
图7为筒状铁磁导体交变电流互感器与通电线路连接关系示意图。互感器由筒状铁磁导体1、线圈绕组2和连接件3组成。筒状导体1的筒壁上布置有两个通孔，两个通孔位于筒状导体1筒壁的不同长度位置上，两孔的中心连线平行于筒状导体1的轴向。线圈绕组2穿过两个通孔环绕于筒状导体1的内外两壁。筒状导体1两端通过连接件3与通电线路串联。如图8所示，筒状铁磁导体的两端可加工成内螺纹结构。连接件3可加工成螺杆结构。通过筒状铁磁导体与连接件3的螺纹-螺杆连接，可增大接触面积，减小接触电阻。当交变电流通过筒状导体1时，线圈绕组2的两端所产生的感应电动势的大小与交变电流对时间的导数成正比。关系式为：U(t)=-Nk（dI/dt)。
实施例2：
图9为筒状铁磁导体电流互感器与通电线路及有源积分电路连接关系示意图。电流互感器由筒状铁磁导体1、线圈绕组2、连接件3和有源积分电路组成。筒状导体1的筒壁上布置有两个通孔，两个通孔位于筒状导体1筒壁的不同长度位置上，两孔的中心连线平行于筒状导体1的轴向。线圈绕组2穿过两个通孔环绕于筒状导体1的内外两壁。筒状导体1两端通过连接件3与通电线路串联。有源积分电路由电阻、电容和运算放大器A构成。有源积分电路中的Rp为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调，一般取Rp=R。Rf是积分漂移泄漏电阻，用来防止积分漂移所造成的饱和或截止现象，为了减小误差，需要满足Rf≥10R。线圈绕组2的两端与有源积分电路连接。当交变电流通过筒状导体1时，有源积分电路的输出信号uo(t)大小与交变电流成正比,关系式为：uo(t)=NkI/(RC)。
本发明提供的一种筒状导体电流互感器无需传统电流互感器中的铁磁体环，具有结构简单可靠、输出信号强、无磁饱和及抗电磁干扰能力的特点。
Claims (4)
1.一种筒状导体电流互感器，其特征在于：筒状导体电流互感器由筒状导体(1)和线圈绕组（2）组成；筒状导体(1)的筒壁上布置有两个通孔，两个通孔位于筒状导体(1)筒壁的不同长度位置上，两孔的中心连线平行于筒状导体(1)的轴向；线圈绕组（2）穿过两个通孔环绕于筒状导体(1)的内外两壁；筒状导体(1)的两端与通电线路相连，当交变电流通过筒状导体(1)时，线圈绕组（2）的两端所产生的感应电动势的大小与交变电流对时间的导数成正比。
2.如权利要求1所述的一种筒状导体电流互感器，其特征在于：筒状导体(1)由铁磁导体材料构成。
3.如权利要求1所述的一种筒状导体电流互感器，其特征在于：筒状导体(1)为圆筒状。
4.如权利要求1所述的一种筒状导体电流互感器，其特征在于：筒状导体(1)为矩形筒状。
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| CN201510006827.8A CN104465057B (zh) | 2015-01-07 | 2015-01-07 | 一种筒状导体电流互感器 |
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