CN107796976A - 超微晶合金磁芯钳形电流传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

超微晶合金磁芯钳形电流传感器及测量方法。普通单匝穿心结构的电流互感器很难满足测量精度的要求，也无法实现泄漏电流的在线监测。本发明组成包括：超微晶合金磁芯（3），所述的超微晶合金磁芯上套有多个PCB竖板（2），多个所述的PCB竖板均匀分布在所述的超微晶合金磁芯上，所述的PCB竖板的下端与PCB横板（4）固定连接，所述的PCB竖板衫缠绕有Rogowski线圈（1）。本发明用于超微晶合金磁芯钳形电流传感器及测量方法。

Description

超微晶合金磁芯钳形电流传感器及测量方法

技术领域：

本发明涉及一种电流传感器，具体涉及一种超微晶合金磁芯钳形电流传感器及测量方法。

背景技术：

对于正常运行的氧化锌避雷器，其泄漏电流一般为毫安级。通常情况下，传统测量方法是将被测电流流经的接地线断开，采用传统方式——接入测量仪表或电流互感器进行测量。但是如果设备运维单位不允许监测设备利用断开氧化锌避雷器接地线的方式实现其泄漏电流的测量工作，那么传统的电流测量方式将无法适用于变电站内设备泄漏电流的在线监测。在工程实际工作中，为了解决不允许断开接地线的问题，往往采用单匝穿心式的钳形电流互感器；然而氧化锌避雷器泄露电流仅为毫安级，普通单匝穿心结构的电流互感器很难满足测量精度的要求，也无法实现泄漏电流的在线监测。

发明内容：

本发明的目的是解决传统的电流测量方式存在的问题，提供一种线性好、结构简单、成本低廉，能够有效地实现毫安级微弱电流测量的超微晶合金磁芯钳形电流传感器及测量方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种超微晶合金磁芯钳形电流传感器，其组成包括：超微晶合金磁芯，所述的超微晶合金磁芯上套有多个PCB竖板，多个所述的PCB竖板均匀分布在所述的超微晶合金磁芯上，所述的PCB竖板的下端与PCB横板固定连接，所述的PCB竖板衫缠绕有Rogowski线圈。

所述的超微晶合金磁芯钳形电流传感器，所述的PCB竖板是由双层板组合形成的一体式结构。

所述的超微晶合金磁芯钳形电流传感器，所述的Rogowski线圈的匝数为20匝，每两匝所述的Rogowski线圈之间的距离为10mil。

一种超微晶合金磁芯钳形电流传感器的测量方法，该方法包括如下步骤：

（1）利用Rogowski线圈的基本原理测量流经中心导体的被测电流，并采用超微晶合金磁芯的方式提高线圈的输出电压，具体过程为：

Rogowski线圈截面的内径为r₁，外径为r₂，高度为h，线圈内部导磁材料的磁导率为μ_rμ_0，，若流经线圈中心导体的交流电流为i(t)，根据安培环路定律，则有：

故位于距中心导体r处的磁场强度H(t)与磁感应强度B(t)分别为：

于是穿过线圈截面的磁通量Φ(t)为：

因此，匝数为n的线圈中的感应电动势e(t)为：

而线圈开路状态时，输出电压u(t)为：

其中，μ_r为超微晶合金的相对磁导率，μ₀为真空中的磁导率，在SI中，真空中的磁导率μ₀=4π×10-7 H/m，

由此可见，当被测交流电流i(t)流经超微晶磁芯Rogowski线圈的中心导体时，线圈的输出电压u(t)与电流i(t)对时间t的导数成正比关系，

函数关系为：

式中，i为被测电流，单位为mA，

u为超微晶Rogowski电流传感器的输出电压，单位为mV，

故对输出电压信号u(t)进行积分运算与幅值调整后即可得到被测电流i(t)；

（2）最后经过A/D转换与积分电路的处理得到被测电流的数字信号，传送至后续环节进行处理。

有益效果：

1.本发明是一种微晶合金磁芯钳形电流传感器及测量方法，具有线性好、结构简单、成本低廉的特点，能够有效地实现毫安级微弱电流的测量，能够在不断开氧化锌避雷器接地线的前提下，对微弱泄漏电流进行精确的非接触式线性测量。

本发明能够给实现微弱电流的非接触式精确测量，从而解决传统泄漏电流测量方法与变电站内设备运行条件的矛盾，实现泄漏电流的在线监测。

本发明Rogowski线圈的基本原理是利用被测电流的磁场在线圈中产生的感应电压进行电流的测量，其测量范围大、频带宽和线性好以及结构简单、成本低廉。

本发明超微晶合金是继硅钢、铁氧体、坡莫合金与非晶合金等材料之后出现的软磁材料，性能优良、工艺简单，本发明利用超微晶合金高磁导率，以及在一定磁场强度范围内线性好的特点，当磁感应强度在0.002T至0.006T之间，磁场强度在0.02A/m至0.10A/m之间时，磁化曲线具有良好的线性特点，且该种超微晶合金材料的相对磁导率约为50000。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是本发明的工作原理图；

附图3是本发明Rogowski线圈的测量原理图；

图中：1、Rogowski线圈；2、PCB竖板；3、超微晶合金磁芯；4、PCB横板；5、A/D转换与积分电路。

具体实施方式：

实施例1：

一种超微晶合金磁芯钳形电流传感器，其组成包括：超微晶合金磁芯3，所述的超微晶合金磁芯上套有多个PCB竖板2，多个所述的PCB竖板均匀分布在所述的超微晶合金磁芯上，所述的PCB竖板的下端与PCB横板4固定连接，所述的PCB竖板衫缠绕有Rogowski线圈1，加工时对超微晶合金磁芯进行了固化处理，并且为了实现钳形传感器的设计，磁环由中轴线切断，超微晶合金磁环的相对磁导率μ_r为2000，这是由于切断磁环需进行特殊工艺加工，导致磁环相对磁导率大幅降低，磁环矩形截面的内径r₁为50mm，外径r₂为65mm，高度h为20mm。

实施例2：

根据实施例1所述的超微晶合金磁芯钳形电流传感器，所述的PCB竖板是由双层板组合形成的一体式结构，PCB竖板为30个。

实施例3：

根据实施例1或2所述的超微晶合金磁芯钳形电流传感器，所述的Rogowski线圈的匝数为20匝，每两匝所述的Rogowski线圈之间的距离为10mil，Rogowski线圈导线的直径为10mil，并配有过孔与焊盘。

实施例4：

一种超微晶合金磁芯钳形电流传感器的测量方法，该方法包括如下步骤：

（1）利用Rogowski线圈的基本原理测量流经中心导体的被测电流，并采用超微晶合金磁芯的方式提高线圈的输出电压，具体过程为：

Rogowski线圈截面的内径为r₁，外径为r₂，高度为h，线圈内部导磁材料的磁导率为μ_rμ_0，，若流经线圈中心导体的交流电流为i(t)，根据安培环路定律，则有：

故位于距中心导体r处的磁场强度H(t)与磁感应强度B(t)分别为：

于是穿过线圈截面的磁通量Φ(t)为：

因此，匝数为n的线圈中的感应电动势e(t)为：

而线圈开路状态时，输出电压u(t)为：

其中，μ_r为超微晶合金的相对磁导率，μ₀为真空中的磁导率，在SI中，真空中的磁导率μ₀=4π×10-7 H/m，

由此可见，当被测交流电流i(t)流经超微晶磁芯Rogowski线圈的中心导体时，线圈的输出电压u(t)与电流i(t)对时间t的导数成正比关系，

函数关系为：

式中，i为被测电流，单位为mA，

u为超微晶Rogowski电流传感器的输出电压，单位为mV，

故对输出电压信号u(t)进行积分运算与幅值调整后即可得到被测电流i(t)；

（2）最后经过A/D转换与积分电路5的处理得到被测电流的数字信号，传送至后续环节进行处理。

Claims (4)

1.一种超微晶合金磁芯钳形电流传感器，其组成包括：超微晶合金磁芯，其特征是：所述的超微晶合金磁芯上套有多个PCB竖板，多个所述的PCB竖板均匀分布在所述的超微晶合金磁芯上，所述的PCB竖板的下端与PCB横板固定连接，所述的PCB竖板衫缠绕有Rogowski线圈。

2.根据权利要求1所述的超微晶合金磁芯钳形电流传感器，其特征是：所述的PCB竖板是由双层板组合形成的一体式结构。

3.根据权利要求1或2所述的超微晶合金磁芯钳形电流传感器，其特征是：所述的Rogowski线圈的匝数为10-30匝，每两匝所述的Rogowski线圈之间的距离为10mil。

4.一种权利要求1-3所述的超微晶合金磁芯钳形电流传感器的测量方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

（1）利用Rogowski线圈的基本原理测量流经中心导体的被测电流，并采用超微晶合金磁芯的方式提高线圈的输出电压，具体过程为：

Rogowski线圈截面的内径为r₁，外径为r₂，高度为h，线圈内部导磁材料的磁导率为μ_rμ_0，，若流经线圈中心导体的交流电流为i(t)，根据安培环路定律，则有：

故位于距中心导体r处的磁场强度H(t)与磁感应强度B(t)分别为：

于是穿过线圈截面的磁通量Φ(t)为：

因此，匝数为n的线圈中的感应电动势e(t)为：

而线圈开路状态时，输出电压u(t)为：

其中，μ_r为超微晶合金的相对磁导率，μ₀为真空中的磁导率，在SI中，真空中的磁导率μ₀=4π×10-7 H/m，

由此可见，当被测交流电流i(t)流经超微晶磁芯Rogowski线圈的中心导体时，线圈的输出电压u(t)与电流i(t)对时间t的导数成正比关系，

函数关系为：

式中，i为被测电流，单位为mA，

u为超微晶Rogowski电流传感器的输出电压，单位为mV，

故对输出电压信号u(t)进行积分运算与幅值调整后即可得到被测电流i(t)；

（2）最后经过A/D转换与积分电路的处理得到被测电流的数字信号，传送至后续环节进行处理。