CN104897940B

CN104897940B - 一种穿心式电流互感器

Info

Publication number: CN104897940B
Application number: CN201510315907.1A
Authority: CN
Inventors: 骆雪; 杨健
Original assignee: GUANGZHOU KINGRISE ENTERPRISES Co Ltd
Current assignee: GUANGZHOU KINGRISE ENTERPRISES Co Ltd
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2018-02-16
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: CN104897940A

Abstract

本发明公开一种穿心式电流互感器，包括：第一环形磁芯、第二环形磁芯、一次电流线、二次电流线和处理电路，所述一次电流线绕制于第一环形磁芯和第二环形磁芯上，二次电流线穿过第一环形磁芯和第二环形磁芯的中心；处理电路包括采样信号转换电路和放大电路，所述采样信号转换电路的输入端与一采样绕组连接，采样绕组绕制于第一环形磁芯上，采样信号转换电路的输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与一输出绕组连接，输出绕组绕制于第二环形磁芯上。本发明实现较大的电流输出范围和较大的负载范围，只需要一个电流档位，避免了繁杂的多电流档位，通过采样绕组、处理电路和输出绕组实现对二次电流线动态的补偿。

Description

一种穿心式电流互感器

技术领域

本发明涉及一种穿心式电流互感器。

背景技术

目前，大多数高压电能表的内部电压互感器与电流互感器的同名端是在内部短接的，对外只有一个接线端子。这样，在对高压电能表进行检定时，电流测量回路与电压测量回路是相连接，无法分开的，那么就会造成电流测量回路也会带有高压。

然而，就目前的电子元器件来说，是无法直接承受10kV高压，和输出600A电流的，因此，目前的电流源都是通过一个高压大电流互感器进行高压隔离和电流升流。

然而，对于高压电能表的计量要求，这个高压大电流互感器需要至少0.1mA-600A的电流输出范围，至少400VA每表位的负载输出能力，以及18kV以上的耐压水平，并且还能保证较高的精度水平。为达到上述指标，目前的高压大电流大多数都是一次电流线与二次电流线为多匝结构，电流档位繁多，一次电流线与二次电流线,电路板部分与二次电流线的18KV耐压需要多层隔离(例如：高压接触器通过中压接触器隔离，再通过低压接触器隔离，再通过中间继电器隔离，在通过小型继电器隔离到电路板上)。不仅对18kV耐压的隔离繁琐，可靠性不高，稳定性不够，精度水平也难以保证。

而且目前的大多数高压大电流互感器输出端采用接线端子式的连接，在600A电流经过时，容易发热发烫，如果接线端子没有良好接触，还会烧毁接线端子，造成不必要的损失。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高精度、较大的电流输出范围和较大的负载范围穿心式电流互感器。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种穿心式电流互感器，包括：第一环形磁芯、第二环形磁芯、一次电流线、二次电流线和处理电路，所述一次电流线绕制于第一环形磁芯和第二环形磁芯上，二次电流线穿过第一环形磁芯和第二环形磁芯的中心；处理电路包括采样信号转换电路和放大电路，所述采样信号转换电路的输入端与一采样绕组连接，采样绕组绕制于第一环形磁芯上，采样信号转换电路的输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与一输出绕组连接，输出绕组绕制于第二环形磁芯上；

所述采样绕组，用于根据第一环形磁芯上的磁通量产生相应的感应电流，并输出至采样信号转换电路；所述采样信号转换电路，用于将采样绕组所输出的信号转换为电压信号并输出至放大电路；所述放大电路，用于对接收到的电压信号进行放大输出至输出绕组；所述输出绕组，用于通过第二环形磁芯将放大电路输出的电压信号向二次电流线提供补偿电流。

优选的，所述放大电路包括：运算放大器U3、运算放大器U4、运算放大器U5和集成功率放大器U7，所述运算放大器U5的反相端通过电阻R22与采样信号转换电路的输出端连接，运算放大器U5的同相端通过电阻R12与运算放大器U3的输出端连接，运算放大器U5的输出端通过电阻R17与集成功率放大器U7的反相端连接；集成功率放大器U7的同相端接地，集成功率放大器U7的输出端通过电阻R23与输出绕组的一端连接，电阻R23与输出绕组的一端之间为放大电路的输出端，输出绕组的另一端通过电阻R18与集成功率放大器U7的反相端连接，输出绕组的另一端还通过电阻R8与运算放大器U4的反相端连接，运算放大器U4的同相端接地，运算放大器U4的输出端通过电阻R7与运算放大器U3的反相端连接，运算放大器U3的同相端接地。

优选的，所述处理电路还包括过载开路保护电路，过载开路保护电路用于检测放大电路的输出电压，当放大电路的输出电压大于预设值时将输出绕组短路，断掉放大电路的输出。

优选的，所述放大电路包括：运算放大器U3、运算放大器U4、运算放大器U5和集成功率放大器U7；所述过载开路保护电路包括：电阻R3、电压比较器U1、电压比较器U2、电阻R25、三极管Q1、继电器K1和二极管D3；

所述运算放大器U5的反相端通过电阻R22与采样信号转换电路的输出端连接，运算放大器U5的同相端通过电阻R12与运算放大器U3的输出端连接，运算放大器U5的输出端通过电阻R17与集成功率放大器U7的反相端连接；集成功率放大器U7的同相端接地，集成功率放大器U7的输出端通过电阻R23与输出绕组的一端连接，电阻R23与输出绕组的一端之间为放大电路的输出端，输出绕组的另一端与继电器K1的动触点连接，继电器K1的常开触点通过电阻R18与集成功率放大器U7的反相端连接，继电器K1的常开触点还通过电阻R8与运算放大器U4的反相端连接，继电器K1的常闭触点与放大电路的输出端连接，运算放大器U4的同相端接地，运算放大器U4的输出端通过电阻R7与运算放大器U3的反相端连接，运算放大器U3的同相端接地；

电阻R3的一端与集成功率放大器U7的输出端连接，电阻R3的另一端分别与电压比较器U1的同相端和电压比较器U2的反相端连接，电压比较器U1的反相端通过电阻R2接入直流负电压端以及通过电阻R1接地，电压比较器U2的同相端通过电阻R10接入直流正电压端以及通过电阻R9接地，电压比较器U1和电压比较器U2的输出端分别与电阻R25连接，电阻R25的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极分别与继电器K1的线圈一端和二极管D3的正极连接，三极管D3的负极与继电器K1的线圈另一端连接，继电器K1的线圈另一端接入直流电源端。

优选的，所述二次电流线套设于高压绝缘管中并穿过第一环形磁芯和第二环形磁芯的中心。

优选的，所述高压绝缘管的外壁包裹有铜箔，且该铜箔接地。

优选的，所述一次电流线利用高压灌封胶进行灌封。

优选的，所述第一环形磁芯为单绕组的超微晶环形磁芯。

优选的，所述第二环形磁芯为单绕组的硅钢片环形磁芯。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：1、实现较大的电流输出范围和较大的负载范围，只需要一个电流档位，避免了繁杂的多电流档位，而且高压隔离部分的结构简洁；2、通过采样绕组、处理电路和输出绕组实现对二次电流线动态的补偿，使二次电流线的安匝数与一次电流线的安匝数相等；3、一次电流线与二次电流线不存在容性泄露问题；4、本发明增加过载开路保护电路，实现二次电流线发生过载或者开路的情况时将输出绕组短路，断开处理电路的输出，而且不会对一次电流线中的电流造成影响；5、二次电流线采用穿心式结构，容易实现高压二次电流线与低压一次电流线和处理电路的高压隔离。6、本发明的穿心式电流互感器体积和重量都较小，线路结构简单，便于安装调试。

附图说明

图1为本发明优选实施例的穿心式电流互感器的结构图。

图2为本发明优选实施例的处理电路的电路结构图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

参考图1和图2，一种穿心式电流互感器，包括：第一环形磁芯1、第二环形磁芯2、一次电流线3、二次电流线4和处理电路，一次电流线3绕制于第一环形磁芯1和第二环形磁芯2上，二次电流线3穿过第一环形磁芯1和第二环形磁芯2的中心；处理电路包括采样信号转换电路、放大电路和过载开路保护电路，采样信号转换电路的输入端与一采样绕组5连接，采样绕组5绕制于第一环形磁芯1上，采样信号转换电路的输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与一输出绕组6连接，输出绕组6绕制于第二环形磁芯2上。

第一环形磁芯1优选为一个单绕组的超微晶环形磁芯，第二环形磁芯2优选为单绕组的硅钢片环形磁芯。一次电流线3利用高压灌封胶进行灌封，二次电流线4套设于高压绝缘管中并穿过第一环形磁芯1和第二环形磁芯2的中心。采样绕组5的匝数一般在500匝以上，产生的感应电流也很小，因此采样绕组5几乎不会对一次电流线3中的电流产生影响。

采样信号转换电路包括电阻R5、二极管D1、二极管D2、电容C4、电阻R14和运算放大器U6，电阻R5的两端分别与采样绕组5的两端连接，二极管D1、二极管D2、电容C4和电阻R14为并联连接，且二极管D1的正极与电阻R5连接，二极管D2的负极与电阻R5连接，电阻R14的一端与运算放大器U6的反相端连接，电阻R14的另一端与运算放大器U6的输出端连接，运算放大器U6的同相端接地。该采样信号转换电路为一个经典的采用运算放大器将电流转换为电压的电路，这样能进一步减少采样绕组5对一次电流线3所产生的影响。

放大电路主要包括运算放大器U3、运算放大器U4、运算放大器U5和集成功率放大器U7，过载开路保护电路包括：电阻R3、电压比较器U1、电压比较器U2、电阻R25、三极管Q1、继电器K1和二极管D3。具体的，运算放大器U5的反相端通过电阻R22与采样信号转换电路的输出端连接，即与运算放大器U6的输出端连接，运算放大器U5的输出端通过电阻R17与集成功率放大器U7的反相端连接，集成功率放大器U7的同相端通过电阻R24接地，集成功率放大器U7的输出端通过电阻R23与输出绕组6的一端连接，输出绕组6的另一端与继电器K1的动触点(图2中的触点3)连接，继电器K1的常开触点(图2中的触点5)通过电阻R8与集成功率放大器U7的反相端连接，常开触点还通过电阻R8与运算放大器U4的反相端连接，常开触点还通过电阻R15接地，继电器K1的常闭触点(图2中的触点4)与放大电路的输出端连接，放大电路的输出端为电阻R23与输出绕组6的一端之间。

运算放大器U4的同相端通过电阻R13接地，运算放大器U4的输出端通过电阻R7与运算放大器U3的反相端连接，运算放大器U3的同相端通过相互并联连接的电阻R11和电容C3接地，运算放大器U3的输出端通过电阻R12与运算放大器U5的同相端连接，运算放大器U5的同相端还通过相互并联连接的电容C5和电阻R19接地。另外，运算放大器U5的反相端和输出端之间还并联有电阻R20和电容C7，运算放大器U4的反相端和输出端之间还并联有电阻R6和电容C1，运算放大器U3的反相端和输出端之间还并联有电阻R4和电容C2，集成功率放大器U7的负电源端还与二极管D4的正极连接，二极管D4的负极与放大电路的输出端连接，集成功率放大器U7的正电源端还与二极管D5的负极连接，二极管D5的正极与放大电路的输出端连接。

集成功率放大器U7的输出端还与一电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端分别连接电压比较器U1的同相端和电压比较器U2的反相端，电压比较器U1的反相端通过电阻R2接入直流负电压端以及通过电阻R1接地，电压比较器U2的同相端通过电阻R10接入直流正电压端以及通过电阻R9接地，电压比较器U1和电压比较器U2的输出端分别与电阻R25连接，电阻R25的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极分别与继电器K1的线圈一端和二极管D3的正极连接，三极管D3的负极与继电器K1的线圈另一端连接，继电器K1的线圈另一端接入直流电源端。

结合上述放大电路的电路结构与图2，该放大电路可实现一个对额定频率范围内的电压信号进行较大倍数的放大，例如对45HZ-55HZ或者55HZ-65HZ的电压信号进行较大倍数的放大，而且对其它频率的电压信号也有一定倍数的放大作用。需要说明的是，输出绕组6位于集成功率放大器U7的输出端与反馈电阻R18之间，这样可保证集成功率放大器U7的输出电流的相位与二次电流线4上的负载无关，集成功率放大器U7的一个输出反馈点AG1位于电阻R8的一端，然后接入运算放大器U4进行反向放大，再经过运算放大器U3的反向放大输入到运算放大器U5的同相端进行正反馈。根据实际应用的需求，输出绕组6的匝数可以改变，也可以使用多个第二环形磁芯2并联使用。

过载开路保护电路利用继电器K1中的线圈通断，来控制动触点与常闭触点接触或者与常开触点接触。当二次电流线4的负载发生过载或者开路现象时，动触点与常闭触点接触，使输出绕组6短路，断掉放大电路的输出。

本发明的穿心式电流互感器的工作原理如下：一般的一次电流线作为供电端，二次电流线连接负载，例如连接高压电能表进行检测。当一次电流线3的安匝数和二次电流线4的安匝数不相等时，会在第一环形磁芯1中产生磁通，进而采样绕组5上会产生感应电流。当二次电流线4的安匝数小于一次电流线3的安匝数时，采样绕组5会产生正相的信号，通过采样信号转换电路和放大电路，由输出绕组6向二次电流线4提供一个正相的补偿电流，增大二次电流线4的安匝数；当二次电流线4的安匝数大于一次电流线3的安匝数时，采样绕组5会产生负相的信号，通过采样信号转换电路和放大电路，由输出绕组6向二次电流线4提供一个负相的补偿电流，减少二次电流线4的安匝数。从而形成一个动态的平衡，使二次电流线4的安匝数等于一次电流线3的安匝数。另外，当集成功率放大器U7的输出电压过大时，表示二次电流线4上的负载过大，即可能过载或者开路，此时电压比较器U1和U2的并联输出点JZC为低电平，从而使继电器K1断开动触点与常开触点的连接，并使动触点与常闭触点连接，则输出绕组6被短路，为一次电流线3中的电流提供一个超低阻抗(短路)的二次电流回路，放大电路的输出回路也被断开。当集成功率放大器U7的输出电压在额定的范围内，即正常时，电压比较器U1和U2的并联输出点JZC为高电平，继电器K1的动触点与常开触点连接，此时放大电路会在输出绕组6上产生补偿电流。

另外，本发明的穿心式电流互感器的二次电流线4为耐高压部分，二次电流线4套设于高压绝缘管中，在高压绝缘管的外壁还包裹着铜箔，并接入大地，二次电流线4可以承受18KV的高压。而且二次电流线4采用的是穿心式结构，容易实现高压二次电流线4与低压一次电流线3和处理电路部分的高压隔离。

进一步的，在处理电路部分中，采样信号转换电路的结构不限定于图2中的电路结构，只要能实现将采样绕组5的信号转换为正比例的电压信号即可；放大电路的结构也不限定于图2中的电路结构，只要满足对额定频率范围内的电压信号实现放大这一基本功能即可。一次电流线与二次电流线的匝比也是根据实际应用的需要而设置不同的匝比。

本发明的优点在于：1、实现较大的电流输出范围和较大的负载范围，只需要一个电流档位，避免了繁杂的多电流档位，而且高压隔离部分的结构简洁；2、通过采样绕组、处理电路和输出绕组实现对二次电流线动态的补偿，使二次电流线的安匝数与一次电流线的安匝数相等；3、一次电流线与二次电流线不存在容性泄露问题；4、本发明增加过载开路保护电路，实现二次电流线发生过载或者开路的情况时将输出绕组短路，断开处理电路的输出，而且不会对一次电流线中的电流造成影响；5、二次电流线采用穿心式结构，容易实现高压二次电流线与低压一次电流线和处理电路的高压隔离。6、本发明的穿心式电流互感器体积和重量都较小，线路结构简单，便于安装调试。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种穿心式电流互感器，其特征在于，包括：第一环形磁芯、第二环形磁芯、一次电流线、二次电流线和处理电路，所述一次电流线绕制于第一环形磁芯和第二环形磁芯上，且所述一次电流线利用高压灌封胶进行灌封，所述二次电流线套设于高压绝缘管中并穿过第一环形磁芯和第二环形磁芯的中心；处理电路包括采样信号转换电路和放大电路，所述采样信号转换电路的输入端与一采样绕组连接，采样绕组绕制于第一环形磁芯上，采样信号转换电路的输出端与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与一输出绕组连接，输出绕组绕制于第二环形磁芯上；

2.根据权利要求1所述的穿心式电流互感器，其特征在于，所述放大电路包括：运算放大器U3、运算放大器U4、运算放大器U5和集成功率放大器U7，所述运算放大器U5的反相端通过电阻R22与采样信号转换电路的输出端连接，运算放大器U5的同相端通过电阻R12与运算放大器U3的输出端连接，运算放大器U5的输出端通过电阻R17与集成功率放大器U7的反相端连接；集成功率放大器U7的同相端接地，集成功率放大器U7的输出端通过电阻R23与输出绕组的一端连接，电阻R23与输出绕组的一端之间为放大电路的输出端，输出绕组的另一端通过电阻R18与集成功率放大器U7的反相端连接，输出绕组的另一端还通过电阻R8与运算放大器U4的反相端连接，运算放大器U4的同相端接地，运算放大器U4的输出端通过电阻R7与运算放大器U3的反相端连接，运算放大器U3的同相端接地。

3.根据权利要求1所述的穿心式电流互感器，其特征在于，所述处理电路还包括过载开路保护电路，过载开路保护电路用于检测放大电路的输出电压，当放大电路的输出电压大于预设值时将输出绕组短路，断掉放大电路的输出。

4.根据权利要求3所述的穿心式电流互感器，其特征在于，所述放大电路包括：运算放大器U3、运算放大器U4、运算放大器U5和集成功率放大器U7；所述过载开路保护电路包括：电阻R3、电压比较器U1、电压比较器U2、电阻R25、三极管Q1、继电器K1和二极管D3；

电阻R3的一端与集成功率放大器U7的输出端连接，电阻R3的另一端分别与电压比较器U1的同相端和电压比较器U2的反相端连接，电压比较器U1的反相端通过电阻R2接入直流负电压端以及通过电阻R1接地，电压比较器U2的同相端通过电阻R10接入直流正电压端以及通过电阻R9接地，电压比较器U1和电压比较器U2的输出端分别与电阻R25连接，电阻R25的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极分别与继电器K1的线圈一端和二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与继电器K1的线圈另一端连接，继电器K1的线圈另一端接入直流电源端。

5.根据权利要求1所述的穿心式电流互感器，其特征在于，所述高压绝缘管的外壁包裹有铜箔，且该铜箔接地。

6.根据权利要求1所述的穿心式电流互感器，其特征在于，所述第一环形磁芯为单绕组的超微晶环形磁芯。

7.根据权利要求1所述的穿心式电流互感器，其特征在于，所述第二环形磁芯为单绕组的硅钢片环形磁芯。