CN107037252B - 电子补偿式感应分流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子补偿式感应分流器，解决现有技术中阻容线路的附加阻抗会对感应分流器的误差测量造成影响、无法补偿感应分流器的负载特性的问题。本发明包括主铁心（1）、辅助铁心（2）、比例绕组（3）、补偿绕组（4）和检测绕组（5）和运算放大器。检测绕组（5）绕制在主铁心（1）的外侧，补偿绕组（4）绕制在检测绕组（5）的外侧，主铁心（1）、检测绕组（5）和补偿绕组（4）同轴嵌套在辅助铁心（2）内，比例绕组（3）绕制在辅助铁心（2）的外侧；检测绕组（5）与运算放大器相连，运算放大器的输出端与补偿绕组（4）相连。本发明适用于电流比例自校系统的自校准等领域，具有量程扩展效率高、测量不确定度小等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流计量器具，特别是一种电子补偿式感应分流器。
背景技术
分流器是实现工频电流取样功能的一类重要的电流计量器，传统的电阻式分流器结构简单、准确度高，但在大电流的环境下使用时会产生大量的焦耳热，并使电阻的阻值发生变化。随着技术的发展，基于变压器电磁感应原理的电流互感器普遍取代了原始的电阻式分流器，也称作感应分流器。现有的感应分流器在不施加补偿的情况下测量准确度等级不超过0.001级，并且感应分流器误差受二次负荷影响较大，不能满足电流比例标准的应用需要(准确度在2×10-5以上的电流互感器被称为电流比例标准，用来检定0.01级及以下的电流互感器)。因此，需要对感应分流器进行补偿才能实现计量功能。
在电流比例标准下，现有技术涉及的感应分流器采用电工式补偿法：通过小电流互感器分流加阻容分流来分别补偿比值差和相位差(比值差是二次电流I2按额定电流Kn比折算到一次后，与实际一次电流I1的大小之差，即
相位差是二次电流反转180度后，与一次电流相角之差，并以分为单位)。但电工式补偿法存在两个问题，一是阻容分流线路的电容容易老化，其值也会随环境温度的变化而改变，不符合高准确度等级的电流比例标准的长期稳定性要求；二是阻容线路的附加阻抗作为二次负荷折算到感应分流器的二次侧时会对感应分流器的误差测量造成影响，且电工式补偿方法对感应分流器的负载特性没有补偿作用(误差随负载变化而变化的规律称为负载特性)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电子补偿式感应分流器，解决现有技术中阻容线路的附加阻抗会对感应分流器的误差测量造成影响、无法补偿感应分流器的负载特性的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电子补偿式感应分流器，包括感应分流单元和电子补偿单元；所述感应分流单元包括主铁心(1)、辅助铁心(2)、比例绕组(3)、补偿绕组(4)和检测绕组(5)；所述电子补偿单元包括运算放大器；
所述检测绕组(5)绕制在主铁心(1)的外侧，所述补偿绕组(4)绕制在检测绕组(5)的外侧，所述主铁心(1)、检测绕组(5)和补偿绕组(4)同轴嵌套在所述辅助铁心(2)内，所述比例绕组(3)绕制在辅助铁心(2)的外侧；所述辅助铁心(2)为非封闭结构，用于防止所述辅助铁心(2)形成短路环；
所述检测绕组(5)与运算放大器的第一输入端相连，所述运算放大器的输出端与补偿绕组(4)相连；
所述运算放大器的第二输入端接地，所述补偿绕组(4)接地，所述检测绕组(5)接地。
所述比例绕组(3)由多段依次连接、匝数相等的绕组构成。
所述比例绕组(3)内各段绕组的连接端设有抽头引出线。
所述比例绕组(3)的匝数和所述补偿绕组(4)的匝数相等。
所述辅助铁心(2)为两端空心、侧面非封闭的筒状结构；所述辅助铁心(2)的侧面开口处设有绝缘层(6)。
所述辅助铁心(2)由相互分离的第一半筒和第二半筒组成，所述第一半筒和第二半筒通过绝缘层(6)相连。
所述绝缘层(6)为一块绝缘片，与所述第一半筒结合为封闭筒状结构，所述主铁心(1)、检测绕组(5)和补偿绕组(4)同轴嵌套在所述封闭筒状结构内；所述第二半桶设置在所述绝缘片的另一侧。
所述绝缘层(6)为两块独立的绝缘片，分别设置在所述第一半筒和所述第二半桶的剖切面之间。
所述运算放大器的放大倍数大于100。
所述比例绕组(3)由10段依次连接、匝数相等的绕组构成。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：当主铁心处于非零磁通状态时，检测绕组上感应的电压驱动运算放大器工作，其产生的补偿电流进入补偿绕组以抵消主铁心的励磁磁通直到其为零磁通状态，感应分流单元和电子补偿单元组成一个自平衡的负反馈系统，自动补偿励磁误差，使得感应分流器测量准确度提高一个数量级；辅助铁心为非封闭结构，防止辅助铁心形成短路环。本发明由辅助铁心带负载，主铁心处于零磁通状态，在理想状态时该感应分流器励磁误差为零，避免了附加阻抗对误差测量的影响，适用于高准确度等级电流比例标准器的量值传递。本发明自动调节补偿电流，量程扩展效率高，测量不确定度小，器件不易老化，结构简单、实用性好。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例2的结构示意图；
图3是实施例3的结构示意图；
图4是本发明的原理解释图；
图中：1.主铁心；2.辅助铁心；3.比例绕组；4.补偿绕组；5.检测绕组；6.绝缘层；7.运算放大器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1：
本实施例包括感应分流单元和电子补偿单元；感应分流单元包括主铁心1、辅助铁心2、比例绕组3、补偿绕组4和检测绕组5；电子补偿单元由运算放大器7构成。比例绕组3由10段依次连接、匝数为20匝的绕组构成；补偿绕组4和比例绕组3的匝数相等，均为200匝；检测绕组取50匝。运算放大器7采用模拟集成低噪声运算放大器OP07，的放大倍数(增益)为200。
参见附图1，检测绕组5均匀绕制在主铁心1的外侧，补偿绕组4均匀绕制在检测绕组5的外侧，主铁心1、检测绕组5和补偿绕组4整体地、同轴嵌套在辅助铁心2内。辅助铁心2由相互分离的第一半筒和第二半筒组成，绝缘层6与第一半筒结合为封闭筒状结构，第二半桶设置在绝缘层6的另一侧。比例绕组3依次均匀绕制在辅助铁心2的外侧。在比例绕组3的每段绕组的连接端设置一根抽头引出线，共10根，如附图4所示。检测绕组5与运算放大器7的第一输入端(同相输入端)相连，运算放大器7的输出端与补偿绕组4相连；运算放大器7的第二输入端(反相输入端)接地，补偿绕组4接地，检测绕组5接地。
本实施例的工作过程如下：
启动电子补偿式感应分流器，比例绕组3中通过第一级一次电流I1和第一级二次电流I2，同时给辅助铁心2励磁，满足磁势平衡方程：
I1N1+I2N2＝I0N1
上式中I表示电流，I0为励磁电流，N表示绕组的匝数，电流与绕组匝数的乘积为对应的磁势。
由于主铁心1嵌套于辅助铁心2和比例绕组3内，因此第一级互感器的励磁磁势I0N1给主铁心1励磁，则绕制在主铁心上的检测绕组5产生感应电势，驱动运算放大器7在补偿绕组4上产生相应补偿电压和补偿电流，则有磁势平衡方程：
I0N1+ICNC+IDND＝I0BN1
C表示补偿绕组4、D表示检测绕组5，B表示主铁心1。
运算放大器7持续工作，直到检测绕组5上感应电势为零，这时主铁心1处于零磁通状态，励磁电流近似为零可忽略不计，即I0B＝0，则有磁势平衡后的磁势平衡方程：
I0N1+I'CNC＝0
I1N1+I2N2+I'CNC＝0
其中，I'C为磁势平衡后补偿电流，当N2＝NC时，I'C与I2的电流和即为该感应分流器输出的二次电流。
本实施例的一次电流和二次电流之间没有励磁电流，完全由补偿电流提供，因此在理想状态时该感应分流器励磁误差为零，使其能在一定电流范围和负载情况下自动调节零磁通，而具备更好负载特性。
本实施例比例绕组的匝数和补偿绕组的匝数相等，有效避免粗大误差，提高补偿效果。
本实施例比例绕组由10段依次连接、匝数相等的绕组构成，确保输出电流比例稳定。
本实施例比例绕组内各段绕组的连接端设有抽头引出线，便于和外界负载的抽头建立连接。
本实施例检测绕组均匀绕制在主铁心的外侧、补偿绕组均匀绕制在检测绕组的外侧、比例绕组依次均匀绕制在辅助铁心的外侧，均匀绕制使得输出电流近似为常数，保持磁势稳定。
本实施例的辅助铁心处设有绝缘层，辅助铁芯上半部分与下半部分没有直接的接触，不会形成短路环。
本实施例运算放大器的放大倍数大于100，实现高增益补偿功能。
实施例2：
本实施例包括感应分流单元和电子补偿单元；感应分流单元包括主铁心1、辅助铁心2、比例绕组3、补偿绕组4和检测绕组5；电子补偿单元由运算放大器7构成。比例绕组3由5段依次连接、匝数为50匝的绕组构成；补偿绕组4和比例绕组3的匝数相等，均为250匝；检测绕组取200匝。运算放大器7采用模拟集成低噪声运算放大器OP07，的放大倍数(增益)为500。
参见附图2，检测绕组5均匀绕制在主铁心1的外侧，补偿绕组4均匀绕制在检测绕组5的外侧，主铁心1、检测绕组5和补偿绕组4整体地、同轴嵌套在辅助铁心2内，辅助铁心2为两端空心、侧面非封闭的筒状结构；辅助铁心2的侧面开口处设有绝缘层6。比例绕组3依次均匀绕制在辅助铁心2的外侧。在比例绕组3的每段绕组的连接端设置一根抽头引出线，共5根。检测绕组5与运算放大器7的第一输入端(同相输入端)相连，运算放大器7的输出端与补偿绕组4相连；运算放大器7的第二输入端(反相输入端)接地，补偿绕组4接地，检测绕组5接地。
本实施例的工作过程如下：
启动电子补偿式感应分流器，比例绕组3中通过第一级一次电流I1和第一级二次电流I2，同时给辅助铁心2励磁，满足磁势平衡方程：
I1N1+I2N2＝I0N1
上式中I表示电流，I0为励磁电流，N表示绕组的匝数，电流与绕组匝数的乘积为对应的磁势。
由于主铁心1嵌套于辅助铁心2和比例绕组3内，因此第一级互感器的励磁磁势I0N1给主铁心1励磁，则绕制在主铁心上的检测绕组5产生感应电势，驱动运算放大器7在补偿绕组4上产生相应补偿电压和补偿电流，则有磁势平衡方程：
I0N1+ICNC+IDND＝I0BN1
C表示补偿绕组4、D表示检测绕组5，B表示主铁心1。
运算放大器7持续工作，直到检测绕组5上感应电势为零，这时主铁心1处于零磁通状态，励磁电流近似为零可忽略不计，即I0B＝0，则有磁势平衡后的磁势平衡方程：
I0N1+I'CNC＝0
I1N1+I2N2+I'CNC＝0
其中，I'C为磁势平衡后补偿电流，当N2＝NC时，I'C与I2的电流和即为该感应分流器输出的二次电流。
实施例3：
本实施例包括感应分流单元和电子补偿单元；感应分流单元包括主铁心1、辅助铁心2、比例绕组3、补偿绕组4和检测绕组5；电子补偿单元由运算放大器7构成。比例绕组3由10段依次连接、匝数为20匝的绕组构成；补偿绕组4和比例绕组3的匝数相等，均为200匝；检测绕组取50匝。运算放大器7采用模拟集成低噪声运算放大器OP07，的放大倍数(增益)为200。
参见附图3，检测绕组5均匀绕制在主铁心1的外侧，补偿绕组4均匀绕制在检测绕组5的外侧，主铁心1、检测绕组5和补偿绕组4整体地、同轴嵌套在辅助铁心2内。辅助铁心2由相互分离的第一半筒和第二半筒组成，绝缘层6为两块独立的绝缘片，分别设置在第一半筒和第二半桶的剖切面之间。在比例绕组3的每段绕组的连接端设置一根抽头引出线，共10根，如附图4所示。检测绕组5与运算放大器7的第一输入端(同相输入端)相连，运算放大器7的输出端与补偿绕组4相连；运算放大器7的第二输入端(反相输入端)接地，补偿绕组4接地，检测绕组5接地。
本实施例的工作过程如下：
启动电子补偿式感应分流器，比例绕组3中通过第一级一次电流I1和第一级二次电流I2，同时给辅助铁心2励磁，满足磁势平衡方程：
I1N1+I2N2＝I0N1
上式中I表示电流，I0为励磁电流，N表示绕组的匝数，电流与绕组匝数的乘积为对应的磁势。
由于主铁心1嵌套于辅助铁心2和比例绕组3内，因此第一级互感器的励磁磁势I0N1给主铁心1励磁，则绕制在主铁心上的检测绕组5产生感应电势，驱动运算放大器7在补偿绕组4上产生相应补偿电压和补偿电流，则有磁势平衡方程：
I0N1+ICNC+IDND＝I0BN1
C表示补偿绕组4、D表示检测绕组5，B表示主铁心1。
运算放大器7持续工作，直到检测绕组5上感应电势为零，这时主铁心1处于零磁通状态，励磁电流近似为零可忽略不计，即I0B＝0，则有磁势平衡后的磁势平衡方程：
I0N1+I'CNC＝0
I1N1+I2N2+I'CNC＝0
其中，I'C为磁势平衡后补偿电流，当N2＝NC时，I'C与I2的电流和即为该感应分流器输出的二次电流。
本实施例的一次电流和二次电流之间没有励磁电流，完全由补偿电流提供，因此在理想状态时该感应分流器励磁误差为零，使其能在一定电流范围和负载情况下自动调节零磁通，而具备更好负载特性。
本实施例比例绕组的匝数和补偿绕组的匝数相等，有效避免粗大误差，提高补偿效果。
本实施例比例绕组由10段依次连接、匝数相等的绕组构成，确保输出电流比例稳定。
本实施例比例绕组内各段绕组的连接端设有抽头引出线，便于和外界负载的抽头建立连接。
本实施例检测绕组均匀绕制在主铁心的外侧、补偿绕组均匀绕制在检测绕组的外侧、比例绕组依次均匀绕制在辅助铁心的外侧，均匀绕制使得输出电流近似为常数，保持磁势稳定。
本实施例的辅助铁心处设有绝缘层，辅助铁芯上半部分与下半部分没有直接的接触，不会形成短路环。
本实施例运算放大器的放大倍数大于100，实现高增益补偿功能。
本发明当主铁心处于非零磁通状态时，检测绕组上感应的电压驱动运算放大器工作，其产生的补偿电流进入补偿绕组以抵消主铁心的励磁磁通直到其为零磁通状态，感应分流单元和电子补偿单元组成一个自平衡的负反馈系统，自动补偿励磁误差，使得感应分流器测量准确度提高一个数量级。本发明由辅助铁心带负载，主铁心处于零磁通状态，在理想状态时该感应分流器励磁误差为零，避免了附加阻抗对误差测量的影响，适用于高准确度等级电流比例标准器的量值传递。本发明自动调节补偿电流，量程扩展效率高，测量不确定度小，器件不易老化，结构简单、实用性好。本发明适用于电流比例自校系统的自校准、级联标准电流互感器、检定变比不一致的被检电流互感器领域，具有显著的社会效益和经济效益。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (3)
1.一种电子补偿式感应分流器，其特征在于，包括感应分流单元和电子补偿单元；所述感应分流单元包括主铁心(1)、辅助铁心(2)、比例绕组(3)、补偿绕组(4)和检测绕组(5)；所述电子补偿单元包括运算放大器；
所述检测绕组(5)绕制在主铁心(1)的外侧，所述补偿绕组(4)绕制在检测绕组(5)的外侧，所述主铁心(1)、检测绕组(5)和补偿绕组(4)同轴嵌套在所述辅助铁心(2)内，所述比例绕组(3)绕制在辅助铁心(2)的外侧；所述辅助铁心(2)为非封闭结构，用于防止所述辅助铁心(2)形成短路环；
所述检测绕组(5)与运算放大器的第一输入端相连，所述运算放大器的输出端与补偿绕组(4)相连；且运算放大器的输出端直接与补偿绕组(4)相连；
所述运算放大器的第二输入端接地，所述补偿绕组(4)接地，所述检测绕组(5)接地；
所述比例绕组(3)由多段依次连接、匝数相等的绕组构成；
所述比例绕组(3)内各段绕组的连接端设有抽头引出线；
所述比例绕组(3)的匝数和所述补偿绕组(4)的匝数相等；
所述辅助铁心(2)为两端空心、侧面非封闭的筒状结构；所述辅助铁心(2)的侧面开口处设有绝缘层(6)，或者所述辅助铁心(2)由相互分离的第一半筒和第二半筒组成，所述第一半筒和第二半筒通过绝缘层(6)相连；
所述绝缘层(6)为一块绝缘片，与所述第一半筒结合为封闭筒状结构，所述主铁心(1)、检测绕组(5)和补偿绕组(4)同轴嵌套在所述封闭筒状结构内；所述第二半筒设置在所述绝缘片的另一侧；或者所述绝缘层(6)为两块独立的绝缘片，分别设置在所述第一半筒和所述第二半筒的剖切面之间。
2.如权利要求1任意一项所述的电子补偿式感应分流器，其特征在于，所述运算放大器的放大倍数大于100。
3.如权利要求2所述的电子补偿式感应分流器，其特征在于，所述比例绕组(3)由10段依次连接、匝数相等的绕组构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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