CN108362925B - 双“8”字形三导线磁场对消的零磁通大电流检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双“8”字形三导线磁场对消的零磁通大电流检测装置及方法，首先在两根并排放置、粗细有差别的第一导线和第二导线套上一个第一“8”字型磁环，然后将这两根导线两端均纠结成一根合并导线，该合并导线与第三导线并排放置，两头均纠结在一起，在合并导线与第三导线之间也套上一个第二“8”字型磁环，利用磁场传感器分别测出电压信号，经调理电路后，调节补偿线圈中的电流，保证第一磁场传感器和第二磁场传感器的输出均为0，分别得到第一补偿系数和第二补偿系数，将两个补偿系数分别乘以对应补偿电流后相加，即计算出待测电流值的大小。

Description

双“8”字形三导线磁场对消的零磁通大电流检测系统及方法

技术领域：

本发明涉及电气工程、仪器科学与技术领域，涉及大电流检测领域，具体涉及一种基于双“8”字型三导线磁场对消的零磁通大电流检测系统及方法。

背景技术：

大电流的测量方法主要分为两大类：一类是根据被测电流在一电阻上产生的电压降来确定被测电流大小，如分流器法；另一类是根据被测电流形成的磁场，将电流测量问题转换为磁场的测量问题，通过测量其磁通、磁感应强度或磁势，再经过转换来获取电流大小。前者由于其体积、误差、损耗、绝缘和测量范围等方面的不足，已难以满足现代测量的要求；后者从物理学角度来看，又分为磁共振法、霍尔效应法、电磁感应法、磁通门法、各向异性(AMR)、巨磁电阻效应(GMR)法、磁光效应法等，这些方法是实践中所采用的主要方法。此外，还有磁敏二极管法、短脉冲放电法等，这些方法由于设备造价太高、或者结构过于复杂等原因，实践中很少用到。

目前，受到关注的电流测量方法主要有霍尔效应法、磁光效应法、罗氏线圈法、互感器法等。对于一般的精度要求，常采用直放式(开环)，而对于高精度检测，则往往采用补偿式(闭环)。

磁光效应法的光导材料具有良好的电隔离和绝缘性能，抗电磁干扰特性好，但准确性较差，一般在0.5级以下，受振动干扰严重，稳定性较差。

罗氏线圈法是测量各种变化电流的常用手段。这种方法不存在磁饱和问题，也不存在动力和热力的稳定性问题，并几乎不受被测电流大小的限制，测量时也不需要断开被测电路。但这种方法受其本身材料的限制，线圈骨架和绕制的非均匀性将带来很大的测量误差，严重影响线圈的抗干扰能力，温度将使得线圈的骨架发生变化，从而引起互感和自感系数发生变化，影响测量结果准确性，输出信号较弱，受外界磁场干扰大。而且，罗氏线圈法只能测量交变磁场。

霍尔电流传感器是一种常用的电流测量装置，但由于霍尔元件是一种半导体，其温度稳定性和长期可靠性是阻碍霍尔电流传感器应用在高可靠性和高准确度等级要求的测量场合的主要原因之一。常规的开环式霍尔法的准确度等级只能达到1级，近年来，随着半导体技术的高度集成化，霍尔元件的线性度和稳定性大幅提高，但其稳定性要求依然存在诸多问题。闭环式霍尔法稳定可靠，准确度等级可以达到0.1级，甚至更高，但目前采用的平衡电路的驱动能力有限，制作大电流霍尔电流比较困难、且价格高，在大电流测量场合，存在体积大、重量重的缺点。

互感器又分为交流和直流互感器，交流互感器的原理与变压器相同，对于大电流的检测，传感器体积重量大，而且容易出现饱和。直流电流互感器利用被测直流改变带铁芯扼制线圈的感抗，间接改变辅助交流电路的电流，从而反映被测电流的大小。这种方法传感原理简单可靠，与基于变压器原理的交流电流互感器一样，其传感系数仅仅与原副边的匝数有关，长期可靠性和温度稳定性均有保障，是直流大电流检测的有效手段，但这种传感器体积大，比闭环式霍尔电流传感器体积还大，价格非常高，需外界电源支持。常规的直流互感器准确度等级在0.5级以下。采用补偿方法，其准确度等级可提高到0.01级，甚至更高，但也进一步增大了互感器的体积和重量。

各向异性(AMR)、巨磁电阻效应(GMR)法灵敏度高，一般检测比较弱的磁场，这三种方法可采用电流补偿的方式来检测大电流。闭环式电流补偿由于稳态时磁环中磁通为0，因此也叫零磁通法。

磁光效应法通常采用光纤来实现，光纤既做信号传输部件，也是传感部件，因此叫全光纤电流传感器，这种传感器由于光学器件暴露于户外，存在随机漂移及信号衰减等稳定性问题，且抗震性较差。同时，传感光纤需从国外进口，价格昂贵。因此，目前反射式全光纤直流电流互感器尚未大量投入使用。

为了解决上述大电流测量方法的缺陷，专利201610802270.3采用双导线磁场对消的方式能够基本上克服常规的基于大电流测量所导致的设备体积大和准确度不够的问题。但是需要在安装后标定，这对客户提出了较高的要求。如果客户水平不够，可能给大电流检测带来较大偏差。

发明内容：

本发明的目的在于在专利201610802270.3基础上，提供一种体积小、重量轻、功耗小、准确度高、可靠性好、安装后，不需要标定的双“8”字形的三导线磁场对消的零磁通大电流检测系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种双“8”字型三导线磁场对消的零磁通大电流检测系统，包括待测导线，该待测导线被分割为并排放置的第一导线、第二导线、第三导线，其中，第一导线和第二导线的两端分别纠结在一起，形成一根合并导线，该合并导线与第三导线并排放置且合并导线的两端分别与第三导线的两端纠结在一起形成待测导线；该检测装置进一步包括分别套在第一导线、第二导线、合并导线，以及第三导线上的磁环，其中，套在第一导线上的磁环和套在第二导线上的磁环形成第一“8”字形磁环，套在合并导线上的磁环和套在第三导线上的磁环形成第二“8”字形磁环，且两个“8”字形磁环均设置有缺口，形成未封闭结构，在缺口位置分别设置有第一磁场传感器和第二磁场传感器；该检测装置进一步包括分别连接在两个“8”字形磁环的输出端的第一调理电路和第二调理电路、同时连接在第一调理电路和第二调理电路输出端的微处理器，以及连接在微处理器输出端的第一补偿电流及控制器和第二补偿电流及控制器，分别用于调节两个“8”字形磁环上的补偿电流，保证“8”字形磁环的输出电流为0。

第一导线和第二导线的粗细稍有差别，保证第一导线上的电流不同于第二导线上的电流，合并导线和第三导线的粗细稍有差别，保证合并导线上的电流不同于待测导线上的电流。

一种双“8”字型三导线磁场对消的零磁通大电流检测方法，包括以下步骤：

(1)第一导线和第二导线形成的磁场在第一“8”字形磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，利用第一磁场传感器测出该留有的小部分磁通量，将测得的电压信号经第一信号调理电路输入到微处理器中；

(2)合并导线和待测导线形成的磁场在第二“8”字形磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，利用第二磁场传感器测出该留有的小部分磁通量，将测得的电压信号经第二信号调理电路输入到微处理器中；

(3)微处理器根据接收到的电压信号，通过第一补偿电流及控制器和第二补偿电流及控制器，分别调节两个“8”字形磁环上补偿线圈中的电流，保证第一磁场传感器和第二磁场传感器的输出均为0，分别得到第一补偿系数和第二补偿系数；

(4)将两个补偿系数分别乘以对应补偿电流后相加，即计算出待测电流值的大小。

第一导线中的电流为I₁，第二导线中的电流为I₂，第三导线中的电流为I₃，第一磁传感器输出u₁正比于I₁-I₂，在设计调理电路时设定：

u₁＝k₁(I₁-I₂)

其中，k₁为电流电压变换比，第二磁传感器输出u₂，正比于I₁+I₂-I₃，由于两个磁环是结构相同的，调理电路也是相同的，所以有

u₂＝k₁(I₁+I₂-I₃)

在传感器设计时设定

I₁/I₂＝k₂

于是，被测电流为：

I₁+I₂+I₃＝2(k₂+1)u₁/[(k₂-1)k₁]-u₂/k₁。

“8”字型磁环缺口距离d由磁环的磁阻r_m、磁环直径D和检测准确度等级a要求决定，且d>D²μ₀r_m/a，μ₀为空气磁导率。

若被测电流是交流电流，进一步在磁环上绕一个线圈，采用磁感应法直接测量，若采用补偿式，则在测出磁通后，在“8”字型磁环上缠绕补偿线圈的采用磁补偿测量方法，即零磁通法来提高测量准确性。

合并导线与第三导线纠结时，首先固定一端，在固定另一端时，先观察两个传感器输出的电压值，调节扭结导线的长度，直到两个传感器的输出值的绝对值接近，再固定死另一端。

本发明进一步的改进在于，被测电流I＝I₁+I₂+I₃是由补偿电流I′乘以一个系数c′与补偿电流I″乘以另一个系数c″的和来计算得到待测电流，或者通过补偿导线的匝数N′与N″、被测导线的分配比r′与r″和导线总体值s′与s″，通过计算c′＝N′s′/r′和c″＝N″s″/r″来获得。

本发明进一步的改进在于，检测磁环中检测磁通的方法可以是直测式，也可以是补偿式，磁场传感器是霍尔传感器、巨磁电阻传感器、磁通门法传感器或者各向异性传感器，若被测电流是交流电流，还可以采用磁感应法测出磁场，补偿式则需要在磁环上缠绕补偿线圈，通过电流控制器，控制补偿线圈中的电流，使得被磁传感器测量结果为0.

本发明具有如下的优点：

将被测电流的导线分成1组、2组和3组，其中1组与2组为粗细略有差别的两束导线，将1组与2组分别穿过“8”字型磁环，然后将两边扭结在一起成为1束导线，再将这组合而成的一束导线与3组分别穿过另一个“8”字型磁环，且“8”字型磁环的交汇处留有间隙，避免“8”字型磁环的两个圈各自形成闭环。利用上述组合形式的电流产生的磁场在两个“8”字型磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，并用磁传感器测出该留有的小部分磁通。于是，给定一个标准被测电流，测出补偿线圈中的电流，可获得两者之间的比例系数。在实际测量过程中，将两组补偿电流乘以相应的系数然后相加，即可得到被测电流。该方法可以大为减小电流传感器体积、重量和功耗，且准确度高、稳定性好，并且消除了传感器和信号调理电路对采集信号产生的影响。

附图说明：

图1常规闭环式霍尔电流检测方法示意图；

图2霍尔传感器调理电路；

图3补偿电流控制电路；

图4基于三导线磁场对消的闭环霍尔大电流检测方法示意图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

请参阅图4所示，本发明双“8”字型三导线磁场对消的零磁通大电流检测装置包括：待测导线、磁环、调理电路、补偿电流及控制器，以及微处理器。

待测导线一分为三，分别为第一导线、第二导线、第三导线，其中，第一导线和第二导线粗细差别不大，且其两端分别纠结在一起形成一根合并导线，该合并导线与第三导线并排放置且合并导线的两端分别与第三导线的两端分别纠结在一起形成所述待测导线。

在第一导线、第二导线、合并导线、第三导线上分别套有磁环，其中，套在第一导线上的磁环和套在第二导线上的磁环形成第一“8”字形磁环，套在合并导线上的磁环和套在第三导线上的磁环形成第二“8”字形磁环，第一导线和第二导线分别穿过第一“8”字形磁环的两个圈，合并导线和第三导线分别穿过第二“8”字形磁环的两个圈。两个“8”字形磁环均设置有缺口，形成未封闭结构，在缺口位置分别设置有第一磁场传感器和第二磁场传感器。

两个“8”字形磁环的输出端分别连接有第一调理电路和第二调理电路，该第一调理电路和第二调理电路的输出端同时连接有微处理器，所述微处理器输出端分别连接有第一补偿电流及控制器和第二补偿电流及控制器，分别用于调节两个“8”字形磁环上的补偿电流，保证“8”字形磁环的输出电流为0。

检测大电流时，首先将待测电流的导线分成结构一致，粗细有差别的三束导线，其中1组与2组差别不大，1组与2组两边扭结后形成的导线与3组差别不大，显然这样导致1组与2组电流大小有差别，1组与2组组合后的电流与3组电流大小有差别。然后在1组与2组两束导线上套上第一“8”字型磁环，每束导线通过一个磁环圆圈，磁环上绕有补偿线圈，且交汇处留有缺口，避免“8”字型磁环的两个圈各自形成闭环，利用两束导线形成的磁场在“8”字型磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，并用磁场传感器测出该留有的小部分磁通，反馈给电流控制器，调节补偿线圈中的电流，最终使得磁场传感器输出为0，可以得到第一补偿系数。

同理，将1组与2组组合后与3组两束导线按上述方法进行操作，同样可以得到第二补偿系数。将两个补偿系数分别乘以对应补偿电流后相加，就可以计算出待测电流值的大小。该方法可以大为减小电流传感器体积、重量和功耗，且准确度高、稳定性好，并且消除了磁场传感器和信号调理电路对采集到的电压信号产生的影响。

将被测电流流经的导线一分为三，对于由多根细导线组成的导线，可将其分成细导线数量接近的两组和另一组(与前两组组合后的数量接近)。例如，总计100根导线，可分成数量分别为24、25和51的三组组合方式；而对于整体型铜牌等实心导线，可将其分成三根形状一样，但截面积(按上述比例)有差异的导线。

实施例

为便于说明，本实施例以霍尔传感器为例来说明本发明专利的实施方法。常规的闭环式霍尔法电流传感器(零磁通法的一种)结构如图1所示。这种传感器由霍尔磁场传感器及其调理电路、补偿线圈、磁环、电流源组成。其中磁环套在被测导线上，且磁环上缠绕有补偿线圈，其匝数为N₂，磁环有一个缺口，中间装有霍尔磁场传感器。霍尔磁场传感器及其调理电路如图2所示，它用来检测磁环中的磁场强度，当磁环中磁场达到磁平衡时，H₂＝I₂N₂＝-H₁，即H₂与H₁方向相反，大小相等，霍尔磁场传感器输出为0。

补偿线圈与电流源相连，电流源输出的补偿电流受霍尔磁场传感器及其调理电路输出信号控制，其控制电路框图如图3所示。当被测电流I₁很大时，为了对消其在磁环中形成的磁场H₁，要么增大电流I₂，要么增大磁环上绕的补偿线圈的匝数。对于前一种方案，电流控制回路所需电源容量大，电源体积大，成本高，对于后一种方案，电流传感器体积大，重量大，散热困难。因此，这种结构用于大电流的检测是不太现实的。

为了在减小体积和重量的同时，还能减小补偿电流，从而减小功耗，本发明专利将闭环式霍尔电流传感器结构改进为图4所示的结构。

这种闭环式电流霍尔检测方法将两组导线并行各自穿过一个“8”字型的磁环的圆圈，然后将导线两边扭结在一起与另一组导线并行各自穿过另一个“8”字型的磁环的圆圈。对于由多根细导线组成的导线，可将其分成细导线数量接近的两组和另一组(与前两组组合后的数量接近)。例如，总计100根细导线，可分成数量分别为24、25和51的三组组合方式；而对于整体型铜牌等实心导线，可将其分成三根形状一样，但截面积(按上述比例)有差异的导线。于是，被测电流I＝I₁+I₂+I₃，其中I₁与I₂近似相等，(I₁+I₂)与I₃近似相等，例如，上述的100根细导线，由于两端电压相等，每根导线通过的电流均等，I₁＝24×I/100，I₂＝25×I/100，I₃＝51×I/100。在第一个“8”字型的磁环中形成的磁场H₁与H₂方向相反，大小近似相等，且H₁＝24×H/100，H₂＝25×H/100，因此第一个磁环中最终的磁场等于H₂-H₁＝H/100，其中H为电流I在磁环中产生的磁场强度，其幅值只有总磁场的1％，于是，通过用霍尔传感器检测H₂-H₁，并调节“8”字型的磁环中一侧缠绕的线圈中的补偿电流I′，即可使得霍尔传感器测得的电压为0。在第二个“8”字型的磁环中形成的磁场(H₁+H₂)与H₃方向相反，大小近似相等，且H₁+H₂＝49×H/100，H₃＝51×H/100，因此磁环中最终的磁场等于H₃-(H₁+H₂)＝2H/100，其幅值只有总磁场强度的2％，于是，通过用霍尔传感器检测H₃-(H₁+H₂)，并调节“8”字型的磁环中一侧缠绕的线圈中的补偿电流I″，即可使得霍尔传感器测得的电压为0。显然，由于磁环中的磁通小，稳态时磁通为0，因此，即使磁环的直径只有厘米级别，甚至更小，且在检测时也不容易出现磁饱和。由于补偿前，磁环中的磁通只有(H/100+2H/100＝3H/100)，因此，同常规的闭环式霍尔电流传感器相比，若补偿线圈匝数相同，均为N₂，这种结构的补偿电流I′₂只需要图1中I₂的3％即可，因此所需补偿电流大为减小。由于补偿线圈电阻为R时，其消耗的功率W＝I₂ ²R，因此，改进后的闭环式霍尔法电流传感器补偿线圈的功耗只有常规闭环式霍尔法电流传感器补偿线圈的9/10000；若只需将图4中补偿电流减小到图1中的30％，那么N₂可以减小到图1中的1/10，这可以大为减小电流传感器的体积。并且，由于采用两路传感系统，这样可以抵消传感系统引起信号的误差。此外，对于如图1所示的大电流检测方法，由于补偿电流大，功耗高，需要散热，否则，磁环的磁导率可能降低，而本专利所公开的方法因为功耗低，根本不需要考虑散热问题，因此体积进一步减小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种双“8”字型三导线磁场对消的零磁通大电流检测系统，其特征在于，包括待测导线，该待测导线被分割为并排放置的第一导线、第二导线、第三导线，其中，第一导线和第二导线的两端分别纠结在一起，形成一根合并导线，该合并导线与第三导线并排放置且合并导线的两端分别与第三导线的两端纠结在一起形成待测导线；该零磁通大电流检测系统进一步包括分别套在第一导线、第二导线、合并导线，以及第三导线上的磁环，其中，套在第一导线上的磁环和套在第二导线上的磁环形成第一“8”字形磁环，套在合并导线上的磁环和套在第三导线上的磁环形成第二“8”字形磁环，且两个“8”字形磁环均设置有缺口，形成未封闭结构，在缺口位置分别设置有第一磁场传感器和第二磁场传感器；该零磁通大电流检测系统进一步包括分别连接在两个“8”字形磁环的输出端的第一调理电路和第二调理电路、同时连接在第一调理电路和第二调理电路输出端的微处理器，以及连接在微处理器输出端的第一补偿电流及控制器和第二补偿电流及控制器，分别用于调节两个“8”字形磁环上的补偿电流，保证“8”字形磁环的输出电流为0。

2.根据权利要求1所述的一种双“8”字型三导线磁场对消的零磁通大电流检测系统，其特征在于，第一导线和第二导线的粗细稍有差别，保证第一导线上的电流不同于第二导线上的电流，合并导线和第三导线的粗细稍有差别，保证合并导线上的电流不同于待测导线上的电流。

3.一种基于权利要求1或2所述的一种双“8”字型三导线磁场对消的零磁通大电流检测系统的大电流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）第一导线和第二导线形成的磁场在第一“8”字形磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，利用第一磁场传感器测出该留有的小部分磁通量，将测得的电压信号经第一信号调理电路输入到微处理器中；

（2）合并导线和待测导线形成的磁场在第二“8”字形磁环中相互抵消大部分，留有一小部分，利用第二磁场传感器测出该留有的小部分磁通量，将测得的电压信号经第二信号调理电路输入到微处理器中；

（3）微处理器根据接收到的电压信号，通过第一补偿电流及控制器和第二补偿电流及控制器，分别调节两个“8”字形磁环上补偿线圈中的电流，保证第一磁场传感器和第二磁场传感器的输出均为0，分别得到第一补偿系数和第二补偿系数；

（4）将两个补偿系数分别乘以对应补偿电流后相加，即计算出待测电流值的大小。

4.根据权利要求3所述的大电流检测方法，其特征在于：第一导线中的电流为I₁，第二导线中的电流为I₂，第三导线中的电流为I₃，第一磁场传感器输出u₁正比于I₁-I₂，在设计调理电路时设定

u₁=k ₁(I₁-I₂) (1)

其中，k ₁为电流电压变换比，第二磁场传感器输出u₂，正比于I₁+I₂-I₃，由于两个磁环是结构相同的，调理电路也是相同的，所以有

u₂=k ₁(I₁+I₂-I₃) (2)

在传感器设计时设定

I₁/I₂=k ₂ (3)

于是，被测电流为：

I₁+I₂+I₃=2(k ₂+1)u₁/[(k ₂-1) k ₁]-u₂/k ₁ (4)。

5.根据权利要求3所述的大电流检测方法，其特征在于，“8”字型磁环缺口距离d由磁环的磁阻r_m、磁环直径D和检测准确度等级a要求决定，且d>D²m₀r_m/a，m₀为空气磁导率。

6.根据权利要求3所述的大电流检测方法，其特征在于，若被测电流是交流电流，进一步在磁环上绕一个线圈，采用磁感应法直接测量，若采用补偿式，则在测出磁通后，在“8”字型磁环上缠绕补偿线圈，采用磁补偿测量方法，即零磁通法来提高测量准确性。

7.根据权利要求3所述的大电流检测方法，其特征在于，合并导线与第三导线纠结时，首先固定一端，在固定另一端时，先观察两个传感器输出的电压值，调节扭结导线的长度，直到两个传感器的输出值的绝对值接近，再固定死另一端。

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