CN107356806A - 一种电流测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及测量技术领域，具体涉及一种电流测量装置及测量方法。现有的电流测量传感器将测量和供电功能分离，那么就会在一套装置中存在两个互感器，使得在线监测设备占用较大空间，也增加了生产成本。本申请提供一种电流测量装置，包括取电单元、供能单元和测量单元；所述取电单元包括电流源模块；所述供能单元包括取电磁芯、电流源模块、电压波形信号示波模块、电流波形信号示波模块和整流桥模块；所述测量单元包括信号调理及放大模块和微控制模块。可以大大简化在线监测装置的设计复杂度，减少测量装置的体积和重量，节约生产成本。本申请还涉及一种电流测量方法。

Description

一种电流测量装置及测量方法

技术领域

本申请涉及测量技术领域，具体涉及一种电流测量装置及测量方法。

背景技术

随着电力行业水平的发展，工作在输配电线路上的在线监测设备越来越多。而电流测量是电力系统在线监测的重要部分，电流值能有效反映线路的运行状态，电流的变化可以预示线路故障的发生。一般在线监测中的电流测量是通过基于变压器原理的电流互感器实现的，互感器套接在线路上，利用电磁感应原理，将一次侧的大电流转化为二次侧的小电流，然后通过调理电路实现测量功能。

一般电流测量装置在内的在线监测设备多分布在野外，环境复杂，所以测量装置的电源设计十分关键，供电电源的可靠性工作是装置的基本保障。监测设备的电源要有良好的转换效率；要满足分布式设计的要求；最好能自身实现电源供给。所以，感应取能供电是最为适合的供电方式。感应取能技术将取能磁芯套接在线路上，利用电磁感应原理，绕结在磁芯上的线圈从线路中获取电能。

现有的电流测量传感器将测量和供电功能分离，那么就会在一套装置中存在两个互感器，使得在线监测设备占用较大空间，也增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有的电流测量传感器将测量和供电功能分离，那么就会在一套装置中存在两个互感器，使得在线监测设备占用较大空间，也增加了生产成本的问题。

为此，本发明实施例提供了如下技术方案：一种电流测量装置，包括取电单元、供能单元和测量单元；

所述取电单元包括电流源模块；

所述供能单元包括取电磁芯，所述取电磁芯一端与所述电流源模块相连接，所述取电磁芯另一端分别与电压波形信号示波模块和电流波形信号示波模块相连接，所述电压波形信号示波模块与电流波形信号示波模块连接，所述电压波形信号示波模块连接于整流桥模块的前端，所述电流波形信号示波模块连接于所述整流桥模块的前端；

所述测量单元包括信号调理及放大模块，所述信号调理及放大模块与微控制模块相连接。

可选地，所述供能单元还包括直流转换模块、电阻负载和电容负载；所述整流桥模块与所述直流转换模块相连接，所述直流转换模块与所述电阻负载相连接，所述电阻负载与所述电容负载相连接。

一种电流测量方法，所述测量方法包括如下步骤：

S1取电磁芯从电流源模块中获取能量；

S2电压波形信号示波模块获取整流桥模块前端的电压，电流波形信号示波模块获取整流桥模块前端的电流；

S3采用信号调理及放大模块获取步骤S2中的电压电流信号输入微控制模块；

S4通过微控制模块计算输入端电流。

可选地，所述步骤S2中的电压包括互感器输出端电压，所述步骤S2中的电流包括互感器输出端电流。

可选地，所述输入端电流的计算公式如下：

式中E₂为互感器输出端电压；I₂为互感器输出端电流；l表示平均磁路长度；S表示磁芯的有效截面积；N₁取电磁芯输入端匝数、N₂取电磁芯输出端匝数；f为工频50Hz；μ为磁导率。

本发明实施例提供的技术方案包括以下有益效果：本申请是基于取电磁芯的电流测量装置，其中设置有自供电功能，将现有的取能磁芯运用于电流测量，将取能互感器和测量互感器合二为一，从而同时实现上述两个功能。通过互感器输入端和输出端的电磁关系，使用输出端电流、电压分量表示线路输入端电流。通过采集电流测量装置供电单元整流桥模块前端的电压信号与整流桥模块前端的电流信号，实现线路电流测量的功能。这种电流测量装置和测量方法充分发挥互感器的作用，可以大大简化在线监测装置的设计复杂度，减少测量装置的体积和重量，节约生产成本。本申请涉及的电流测量方法简单可行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中电流测量装置拓扑结构图；

图2为本发明实施例中电流测量装置供能部分整流桥前电流典型波形；

图3为本发明实施例中电流测量装置供能部分整流桥前电压典型波形。

图1～3中的符号表示如下：

1-取电单元，2-供能单元，3-电流源模块，4-取电磁芯，5-电压波形信号示波模块，6-电流波形信号示波模块，7-整流桥模块，8-直流转换模块，9-电阻负载，10-电容负载。

具体实施方式

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

随着在线监测设备向小型化和低成本发展，将测量传感技术和感应取电技术融合创新是在线监测研究的发展方向。

本申请的电流测量方法的基本原理是：

典型感应取能装置的磁芯套接在输入端导线上，设导线上流过电流为变压器的内径为D_i，外径为D_o，厚度为h，匝数为N₂。取能磁芯的输出端电压E₂的表达式为：

式中主磁通最大值为Φ_m＝B_mS，其中S为磁芯的有效截面积，假定磁芯工作在线性区，则B_m与H_m的关系为:

B_m＝μH_m (2)

用l表示平均磁路长度，由安培环路定律:

结合(1)、(2)、(3)可得:

根据变压器的磁动势平衡方程式可得：

忽略铁耗电流则有：

将(6)代入(4)得出输出端电压与输入端电流及输出端电流的关系如下：

根据上述公式，化简得到：

在式(8)中，I₁是工频分量，互感器输出端电压E₂与输出端电流I₂含有三次及以上的高次谐波，因此可以得出输出端电压E₂与输出端电流I₂三次谐波相位相同。因此，只需要测取输出端电压E₂和输出端电流I₂的工频分量，就可以计算输入端电流值，从而达到测量的目的。

实施例一

参见图1～3，为本发明实施例提供一种电流测量装置，包括取电单元1、供能单元2和测量单元，所述取电单元1包括电流源模块3；

所述供能单元2包括取电磁芯4，所述取电磁芯4一端与所述电流源模块3相连接，所述所述取电磁芯4另一端分别与电压波形信号示波模块5和电流波形信号示波模块6相连接，所述电压波形信号示波模块5与电流波形信号示波模块6连接，所述电压波形信号示波模块5连接于整流桥模块7的前端，所述电流波形信号示波模块6连接于所述整流桥模块7的前端；

所述测量单元包括信号调理及放大模块，所述信号调理及放大模块与微控制模块相连接。

可选地，所述供能单元2还包括直流转换模块8、电阻负载9和电容负载10；所述整流桥模块7与直流转换模块8相连接，所述直流转换模块8与电阻负载9相连接，所述电阻负载9与电容负载10相连接。

本发明实施例具体工作过程：在供能单元2上的取电磁芯4套接在线路上，通过电磁感应从线路电流中获取能量。供能单元2包含功率控制及保护电路、整流滤波电路以及直流转换模块8。在测量单元，信号调理及放大模块采集的信号来自供能单元2整流桥模块7前的电压电流信号，调理及放大模块输出的采样信号输入微控制单元中，微控制单元实现一系列的采集和运算等功能，达到测量输入端电流的目的。电流测量传感装置中关于线路电流的运算运用本申请所述公式，通过采集整流桥模块7前电压电流信号，并结合取能互感器固有参数，通过公式计算线路电流。

根据本申请所述装置设计的电流测量实验电路如图1所示，其包括电流源模块3，取电磁芯4，用于采集电压波形信号示波模块5，用于采集电流波形信号示波模块6，整流桥模块7，直流转换模块8，电阻负载9以及电容负载10。电流源模块3输出不同有效值的输入端电流，以50A为步进值，设定电流值为50A、100A、150A等至500A。电流源模块3输出电流作为取电磁芯4的输入端，取电磁芯4的输出端连接整流桥模块7，整流桥模块7与直流转换模块8相连接，最后直流转换模块8的输出连接电阻负载9和电容负载10，设定电阻负载9为500Ω，电容负载10为470uF。在实验电路中连接电压波形信号示波模块5和电流波形信号示波模块6，其中电压波形信号示波模块5用于测量输出端电压信号，电流波形信号示波模块6用于测量输出端电流信号。

实施例二

参见图1～3，为本发明实施例提供一种电流测量方法，所述测量方法包括如下步骤：

S1取电磁芯从电流源模块中获取能量；

S2电压波形信号示波模块获取整流桥模块前的电压，电流波形信号示波模块获取整流桥模块前的电流；

S3采用信号调理及放大模块获取步骤S2中的电压电流信号输入微控制模块；

S4通过微控制模块计算输入端电流。

可选地，所述步骤S2中的电压包括互感器输出端电压，所述步骤S2中的电流包括互感器输出端电流。

可选地，所述输入端电流的计算公式如下：

式中：E₂为互感器输出端电压；I₂为互感器输出端电流；l表示平均磁路长度；S表示磁芯的有效截面积；N₁取电磁芯输入端匝数、N₂取电磁芯输出端匝数；f为工频50Hz；μ为磁导率。

本发明实施例具体工作过程：本申请所述的基于取电磁芯的电流测量装置，配合应用于相应的电流测量传感装置中，对输入端电流进行测量。电流测量装置整体挂接在线路上，线路从取电磁芯4中穿过，取电磁芯4通过电磁感应从线路电流中获取能量，

经过供能单元2为测量电路供电。测量单元采集供能单元2中取能互感器输出端的电压电流波形数据，经过调理及放大模块后输出采样信号到微控制模块。微控制模块根据式(8)计算输入端电流值，用于计算的参量取自取能互感器的固有参数，同时微控制模块实现信号的同步和存储，从而实现进一步的功能。

在该实验中记录每个输入端电流值对应的电压电流波形，请参阅图2与图3，图2为整流桥模块7前电流典型波形，图3为整流桥模块7前电压典型波形。对上述波形进行快速傅里叶变换，分别得到各次谐波的幅值和相角。将测试数据中的电压和电流作为输出端电压E₂与输出端电流I₂，将其三次谐波相位进行对比，发现三次谐波相位基本相同，与理论计算符合。将E₂与I₂代入公式计算输入端电流，发现计算值和设定值基本相同，如表1所示。测量误差控制在2％以下，在误差允许的范围之内，因此本发明所述的基于取电磁芯的电流测量技术行之有效。

本申请由于采用了以上技术方案，大大简化在线监测和故障定位装置的设计复杂度，优化装置的体积和重量，充分发挥互感器的作用。电流的测量可以为取能过程检测小电流和浪涌电流，防止电网电流变化大造成的供能不足或过压损坏问题；而自供电的功能也可以为电流的测量提供充分的电源保证，提高了在线监测的准确性。

表1整流桥前电压电流计算原边电流表(单位：A)

以上所述仅是本发明实施例的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种电流测量装置，其特征在于，包括取电单元、供能单元和测量单元；

所述取电单元包括电流源模块；

所述供能单元包括取电磁芯，所述取电磁芯一端与所述电流源模块相连接，所述取电磁芯另一端分别与电压波形信号示波模块和电流波形信号示波模块相连接，所述电压波形信号示波模块与电流波形信号示波模块连接，所述电压波形信号示波模块连接于整流桥模块的前端，所述电流波形信号示波模块连接于所述整流桥模块的前端；

所述测量单元包括信号调理及放大模块，所述信号调理及放大模块与微控制模块相连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供能单元还包括直流转换模块、电阻负载和电容负载；所述整流桥模块与所述直流转换模块相连接，所述直流转换模块与所述电阻负载相连接，所述电阻负载与所述电容负载相连接。

3.一种电流测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：

S1取电磁芯从电流源模块中获取能量；

S2电压波形信号示波模块获取整流桥模块前端的电压，电流波形信号示波模块获取整流桥模块前端的电流；

S3采用信号调理及放大模块获取步骤S2中的电压电流信号输入微控制模块；

S4通过微控制模块计算输入端电流。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的电压包括互感器输出端电压，所述步骤S2中的电流包括互感器输出端电流。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述输入端电流的计算公式如下：

<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>l</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;fN</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>&amp;mu;SN</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> </mrow>

式中E₂为互感器输出端电压；I₂为互感器输出端电流；l表示平均磁路长度；S表示磁芯的有效截面积；N₁取电磁芯输入端匝数、N₂取电磁芯输出端匝数；f为工频50Hz；μ为磁导率。