CN107871601B - 电流互感器以及基于电流互感器的直流源 - Google Patents

电流互感器以及基于电流互感器的直流源 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电流互感器以及基于电流互感器的直流源，其中电流互感器包括两个输出端；串联在所述两个输出端之间的一个第一绕组和一个第二绕组；一个主铁芯，其具有闭合的磁回路；一个旁路铁芯，其可以独立于所述主铁芯，但与所述主铁芯以磁性耦合的方式布置，其中所述第一绕组缠绕所述主铁芯的一部分和所述旁路铁芯的一部分，以及所述第二绕组缠绕所述旁路铁芯的一部分；其中，所述电流互感器还包括一个高频旁路，其与所述第一绕组并联，用于过滤高频信号。高频旁路为被测的初级导体中的高频信号提供了低阻抗的通路，使得由带有第二绕组的旁路铁芯形成的对主铁芯的阻碍降低，进而减少发热现象。

Description

电流互感器以及基于电流互感器的直流源
技术领域
本发明涉及一种电流互感器，特别是用于断路器的自供电装置的电流互感器，以及一种基于该电流互感器的直流源。
背景技术
用于对断路器进行自供电的电流互感器通常应该在较小的初级电流下输出足够高的能量，并且同时还应该在初级电流较高时，能够限制次级电流的大小，从而防止输出的次级电流较大进而击穿整流电路中的元器件。如图1所示，示出了一种依据现有技术的一种实施方式的电流互感器。为了对次级电流进行限流，其在主铁芯10旁还有设有一旁路铁芯20。这种设计可以实现限流的作用，但是在初级电流载有高频信号或谐波信号时，导致在主铁芯10和旁路铁芯20处出现较为严重的发热。这种发热可能会对靠近能量电流互感器的测量电流互感器造成影响，同时还由于功率损失导致断路器的整体能耗升高。
发明内容
为了解决上述一个或多个问题，本发明首先提供一种电流互感器，其包括两个输出端；串联在所述两个输出端之间的一个第一绕组和一个第二绕组；一个主铁芯，其具有闭合的磁回路；一个旁路铁芯，其可以独立于所述主铁芯，但与所述主铁芯以磁性耦合的方式布置，其中所述第一绕组缠绕所述主铁芯的一部分和所述旁路铁芯的一部分，以及所述第二绕组缠绕所述旁路铁芯的一部分；其中，所述电流互感器还包括一个高频旁路，其与所述第一绕组并联，用于过滤高频信号。高频旁路为被测的初级导体中的高频信号提供了低阻抗的通路，使得由带有第二绕组的旁路铁芯形成的对主铁芯的阻碍降低。或者说通过设置高频旁路帮助高频信号被导通到相对于初级导体的二次侧(即电流互感器处)，由此在使得第一绕组和第二绕组之间的励磁电流降低，进而减少发热现象。
根据一种优选的实施方式，所述高频旁路为一个高通滤波电路。通过将高频旁路设计为高通滤波电路，使得高于某一目标频率的信号均可以被旁路掉。通过这种设计，能够在对次级电流进行限制的同时，减少铁芯部件的发热，降低磁损。
根据一种优选的实施方式，所述高通滤波电路包括一个高通电容。本领域技术人员可以根据想要限制的高频信号的频率制定截止频率，继而设计电容元件的电容。此外，该高通滤波电路还可以是RC电路。
根据一种优选的实施方式，所述高频旁路为一个谐振电路。其能够使得目标高频信号以及在目标高频信号附近频率的信号无阻碍的或者低阻碍地从该谐振电路通过，由此降低磁损或者说热损。
根据一种优选的实施方式，所述谐振电路为串联谐振电路。
更为优选的是，所述串联谐振电路包括串联的谐振电容和一个谐振绕组，其中所述谐振绕组缠绕所述旁路铁芯的一部分。串联的谐振电路根据能够更好地配置谐振电容和谐振绕组的大小，在电流互感器中非常实用。
根据一种优选的实施方式，所述谐振电路为并联联谐振电路。
优选地，所述并联谐振电路包括并联的谐振电容和一个谐振绕组，其中所述谐振绕组缠绕所述旁路铁芯的一部分。
根据一种优选的实施方式，在所述旁路铁芯上缠绕有至少一个短路绕组，以及该短路绕组短路连接。短路绕组在高频信号激励下形成的磁通可以抵消部分在旁路铁芯中的磁通，进而降低在主铁芯和旁路铁芯之间的磁损。实验验证发现在设有该短路绕组电流互感器的功率损耗(为在初级测的平均功率与次级侧，即有电流互感器输出的功率之间的差，其大部分转化为在铁芯上的热量)随着初级电流的频率升高仍保持在一个较低的水平。
本发明的另一个目的是提供一种基于电流互感器的直流源，包括：一个整流单元，以及如上述各实施方式中任意一项所述电流互感器，其中，所述整流单元能够与所述电流互感器的两个输出端连接。依据本发明的基于电流互感器的直流源功率损失小，发热问题也得到有效解决。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1示例性地示出了一种电流互感器以及基于该电流互感器的直流源一种实施方式；
图2示例性地示出了依据本发明的电流互感器以及基于该电流互感器的直流源一种实施方式；
图3示例性地示出了依据本发明的电流互感器以及基于该电流互感器的直流源一种实施方式；
图4示例性地示出了依据本发明的电流互感器以及基于该电流互感器的直流源一种实施方式；
图5示例性地示出了依据本发明的电流互感器以及基于该电流互感器的直流源一种实施方式；
图6示例性地示出了依据本发明的电流互感器以及基于该电流互感器的直流源一种实施方式。
附图标记列表：
10 供电电路
11 主铁芯
12 旁路铁芯
21；21 输出端
30 高频旁路
70 初级导体；交流电缆
81、82 电流互感器的输出端
90 整流电路；整流单元；ACDC电路
100 电流互感器
200 基于电流互感器的直流源
N1 第一绕组；次级绕组
N2 第二绕组；补偿绕组
N3 短路绕组；短路绕组
N4 谐振绕组
C1 高通电容
C2 谐振电容
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
图1示例性地示出了依据一种电流互感器100，其包括至少一个供电电路10，其具有一主铁芯11，该主铁芯11形成一个封闭的磁路。被测的初级导体、例如交流电缆线70可以被设置为被所述磁路环绕。其中在主铁芯11上绕有次级绕组或者说次级线圈N1，由此形成基本的电流互感器的结构。基本的电流互感器的结构为本领域已知，在此不再赘述。
在依据图1的实施例中，在主铁芯11旁还有设有一旁路铁芯12。该旁路铁芯12也形成一个磁回路。该旁路铁芯12与主铁芯11可以是分离设置的，但是另一方面又被设计为能够与主铁芯11磁性耦合，也就是说其能够减弱或者说分担在主铁芯11中由初级导体产生的磁通量。次级绕组N1同时缠绕主磁芯11的一部分和旁路磁芯12的一部分，或者次级绕组N1分别缠绕主磁芯11和旁路磁芯12。其中为了在初级导体中存在高频信号的情况下降低在主铁芯11上穿过次级绕组N1中的磁通量，旁路铁芯12可以被设计为具有一个气隙(图中未示出)，这样当初级导体中的具有高频电流时，在次级绕组N1中产生较高的次级电流，继而击穿气隙打通旁路铁芯12，使得原本仅在主铁芯11中的磁通部分分流到旁路铁芯12，由此通过次级绕组N1的磁通量降低。依据本发明，为了更好的减弱在主铁芯11中的磁通量，在旁路铁芯12上还可以绕有补偿绕组N2。次级绕组N1与补偿绕组N2串联设置。通过这种设计，使得在初级电流较大时，次级电流的大小能够得到有效地抑制，进而对后续电路中的元器件气到保护作用。如图所示，电流互感器100可以通过初级绕组N1与补偿绕组N2的两端形成电流互感器100的两个输出端81、82，用于与整流电路90(或者说ACDC电路、单元)连接，从而形成基于电流互感器的直流源200，其可以用于例如断路器。虽然图中没有示出，但是本领域技术人员可以理解的是整流电路90也设有输出端，用于输出经整流后的直流电。在增加补偿绕组N2后，一方面，由于旁路铁芯12的分流作用，使得经过次级绕组N1的磁通降低；另一方面补偿绕组N2本身还形成感性负载，由此对次级电流起到限流的作用。但是可以注意到，在初级电流载有高频信号或谐波信号时，由于次级绕组N1和补偿绕组N2产生励磁电流，进而磁损引起铁芯中尤其是主铁芯11与补偿铁芯12之间的部分出现发热。
图2示出了依据本发明的一种优选的实施方式的电流互感器100以及基于该电流互感器的直流源200。如图所示在该实施方式中的次级绕组N1并联有一高频旁路30，用于针对想要过滤的高频段信号形成一个低阻抗路径。其通过设置高频旁路30帮助高频信号更为容易地被导通到相对于初级导体的二次侧(即电流互感器100处)，由此在使得励磁电流降低，进而减少由此磁损造成的发热现象。
具体而言，如图3所示的一种实施方式示例性地示出，高频旁路30可以被设计为一个高通滤波电路。其中，可以简单地讲将高通滤波电路设计为包括一个高通电容C1。本领域技术人员可以根据想要限制的目标高频信号的频率制定截止频率，继而设计电容元件的电容。由此，频率高于该目标高频信号的信号都能够被旁路掉。电容的具体计算方法为本领域已知，在此不再赘述。通过这种设计，能够在对次级电流进行限制的同时，减少铁芯部件的发热，降低磁损。虽然没有示出，但是可以想到的是依据本发明的高通滤波电路也可以为一个RC电路。相应的，也可以对RC电路的电容和电阻大小进行设计计算。
图3进一步地示出了依据本发明的又一种优选的实施方式，与图2所示的实施方式的区别在于，电流互感器100还包括一个短路绕组N3，该短路绕组自身短路连接，并且缠绕于旁路铁芯12。短路绕组N3可以被设计为具有很小的阻抗，其形成的磁通，可以抵消部分在旁路铁芯12中由于高频信号产生的磁通，进而降低在主铁芯11和旁路铁芯12之间的热损。值得注意的是，当依据图3所示的方案设置有短路绕组N3时，通过实验验证发现电流互感器100的功率损耗(为在初级测的平均功率与次级侧，即，由电流互感器输出的功率之间的差，其大部分转化为在铁芯上的热量)随着初级电流的频率升高仍保持在一个较低的水平，在初级电流频率较高时功率损耗可以降低约90％。
为了让高频信号顺利地到达次级侧，还可以将与次级绕组N1并联的高频旁路30设计为一个谐振电路。
图4示出了依据本发明的一种优选的实施方式。例如该谐振电路可以是一个串联谐振电路，其包括一个串联的谐振绕组N4与一个谐振电容C2，其中，谐振绕组N4缠绕于所述旁路铁芯12。这样设计的谐振电路也叫陷波器，其能够使得目标高频信号(例如数千赫兹的信号)以及在目标高频信号附近频率的信号无阻碍的或者低阻碍地从该谐振电路通过，由此降低磁损或者说热损。谐振绕组的电感大小以及谐振电容的大小可以通过此公式进行计算：
Figure BDA0001122036240000051
其中，f为目标高频信号的频率，L为谐振绕组的电感，C为谐振电容的电容大小。谐振绕组的电感大小和谐振电容的大小可以相互匹配以实现对目标高频信号的过滤。与图2和图3所示的实施方式类似地，在本实施方式中，次级绕组N1可以是分别缠绕在主铁芯11和补偿铁芯12上，或者次级绕组N1可以直接同时缠绕在主铁芯11和补偿铁芯12上。次级绕组N1与补偿绕组N2的绕向相同，且谐振绕组N3的绕向与次级绕组相反。但是补偿绕组N2也可以与次级绕组N1绕向相反，此时需调整补偿绕组N2的匝数，已达到相同的效果。谐振绕组N3的绕向与匝数也可以进行相应的调整。
图5示意性地示出了依据本发明的一种实施方式的变形，其中例如该谐振电路可以是一个并联的谐振电路，其包括一个并联联的谐振绕组N4与一个谐振电容C2，其中，谐振绕组N4缠绕于所述旁路铁芯12。其能够实现如串联谐振电路类似地功能，其中，谐振绕组的电感大小以及谐振电容的大小可以通过此公式进行计算：
Figure BDA0001122036240000052
虽然没有示出，但是可以想到的是，当高频旁路被设计为谐振电路时(例如如图4、5所示出的实施方式)，电流互感器100也可以包括一个短路绕组N3，该短路绕组自身短路连接，并且缠绕于旁路铁芯12的一部分。短路绕组N3可以被设计为具有很小的阻抗，已形成抵消部分在旁路铁芯中的磁通。短路绕组N3的设置可以显著的降低高频信号引起的发热。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.电流互感器(100)，其特征在于，所述电流互感器包括：
两个输出端(81、82)；
串联在所述两个输出端之间的一个第一绕组(N1)和一个第二绕组(N2)；
一个主铁芯(11)，其具有闭合的磁回路；
一个旁路铁芯(12)，其与所述主铁芯(11)以磁性耦合的方式布置，其中
所述第一绕组(N1)缠绕所述主铁芯(11)的一部分和所述旁路铁芯(12)的一部分，以及
所述第二绕组(N2)缠绕所述旁路铁芯(12)的一部分；此外
所述电流互感器(100)还包括一个高频旁路，其与所述第一绕组(N1)并联，以过滤高频信号。
2.根据权利要求1所述的电流互感器(100)，其特征在于，所述高频旁路(为一个高通滤波电路。
3.根据权利要求2所述的电流互感器(100)，其特征在于，所述高通滤波电路包括一个高通电容(C1)。
4.根据权利要求1所述的电流互感器(100)，其特征在于，所述高频旁路为一个谐振电路。
5.根据权利要求4所述的电流互感器(100)，其特征在于，所述谐振电路为串联谐振电路。
6.根据权利要求5所述的电流互感器(100)，其特征在于，所述串联谐振电路包括串联的谐振电容(C2)和一个谐振绕组(N4)，其中所述谐振绕组(N4)缠绕所述旁路铁芯(12)的一部分。
7.根据权利要求4所述的电流互感器(100)，其特征在于，所述谐振电路为并联谐振电路。
8.根据权利要求7所述的电流互感器(100)，其特征在于，所述并联谐振电路包括并联的谐振电容(C2)和一个谐振绕组(N4)，其中所述谐振绕组(N4)缠绕所述旁路铁芯(12)的一部分。
9.根据权利要求2至8中任意一下所述的电流互感器(100)，其特征在于，在所述旁路铁芯(12)上缠绕有至少一个短路绕组(N3)，其中该短路绕组(N3)短路连接。
10.基于电流互感器的直流源(200)，包括：
一个整流单元(90)，以及
如权利要求1至9中任意一项所述电流互感器(10)，其中，所述整流单元能够与所述电流互感器(100)的两个输出端(81、82)连接。
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