CN110346634A - 一种改善铁芯线圈测量性能的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电工测试技术领域，公开了一种改善铁芯线圈测量性能的方法及系统。根据被测冲击电流波形，确定上下限截止频率，进而选择合适类型的铁芯材料；根据冲击电流的最大峰值ipm和铁芯的饱和磁感应强度，确定铁芯的最小内径和截面积；选择平衡绕组数m，m≥8；结合对输出电压幅值的要求，确定灵敏度K。本发明消除了目前常用冲击大电流传感器在该类电流测量方面的不足，保证了一、二次的电隔离，与常规大电流传感器相比，测量范围拓宽，避免了饱和畸变，测量装置内不含有源器件，不需外部提供工作电源；抗外磁场干扰能力强，对安装要求不高，特别适合工程现场应用。

Description

一种改善铁芯线圈测量性能的方法及系统

技术领域

本发明属于电工测试技术领域，尤其涉及一种改善铁芯线圈测量性能的方法及系统。

背景技术

目前，业内最接近的现有技术：

随着高电压技术和脉冲功率技术的发展，以及雷电灾害的频发，冲击大电流的检测技术日益受到重视。冲击大电流具有电流幅值变化大，持续时间短，频率范围宽的突出特点。在电流幅值大范围变化和频率宽范围覆盖的条件下，如实测量出冲击大电流是亟待解决的问题。

冲击电流一般峰值大，小为数十安，大则数千安甚至数百千安；同时波形复杂多样，其中下限频率可能低至数Hz及以下，上限频率可高达MHz及以上。目前常用的测量方法有分流器法、空芯线圈法和铁芯线圈法。分流器法是采用标准电阻实现电流到电压的转换，具有不易受外界磁场干扰的突出优点，但分流器需断开主回路接入，且不能实现测量回路与冲击大电流回路的电隔离，严重限制了它在实际工程中的应用。空芯线圈(也称罗氏线圈)基于磁感应原理不含铁磁材料，具有线性好、不饱和的特点，但下限频率高，在现场易受外界磁场干扰。为优化空芯线圈的低频性能，提高抗干扰能力，现有技术中的【CN201810356137一种用于脉冲电流测量的空心差分线圈及其测量方法；CN201110376623,基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量装置】，在一定程度上改善了空芯线圈的低频特性，但同时也增加了测量的复杂性，特别是有源电子器件的引入，要求接入电源供电，对现场的应用又设定了新的限制条件。铁芯线圈法基于磁感应原理，采用铁磁材料作芯提高信噪比，灵敏度高，不易受外界磁场干扰，低频特性好，但在冲击大电流条件下，基于常规铁芯线圈法的电流传感器易发生磁饱和畸变，测量性能差。

综上所述，现有技术存在的问题是：

对冲击大电流的检测中，铁芯线圈电流传感器易发生磁饱和畸变，测量性能差；分流器法不能实现测量回路与冲击大电流回路的电隔离；空芯线圈法下限频率高或需外接电源供电。

解决上述技术问题的难度：

测量数十KA及以上冲击大电流不饱和且线性好，同时要求电隔离且无需外部供电。

解决上述技术问题的意义：

满足冲击大电流工程现场准确测量的需要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种改善铁芯线圈测量性能的方法及系统。

本发明是这样实现的，一种改善铁芯线圈测量性能的方法，所述改善铁芯线圈测量性能的方法包括以下步骤：

第一步，根据被测冲击电流波形，确定上下限截止频率，进而选择合适类型的铁芯材料。

第二步，根据冲击电流的最大峰值ipm和铁芯的饱和磁感应强度，确定铁芯的最小内径和截面积。

第三步，根据工作条件，选择平衡绕组数m值，m≥8。

第四步，结合对输出电压幅值的要求，确定灵敏度K。

进一步，确定灵敏度K中，K＝Us(t)/ip(t)。

其中

本发明另一目的在于提供一种改善铁芯线圈测量性能的系统，设置有：

金属屏蔽盒；

所述金属屏蔽盒内部套设有铁芯线圈，金属屏蔽盒与铁芯线圈之间填充有绝缘层；

所述铁芯线圈设置有铁芯，铁芯外侧沿相同方向均匀分布有m个平衡绕组。

进一步，相邻平衡绕组中的前一个平衡绕组尾端与后一个平衡绕组的首端相连，第一个平衡绕组的首端和最后一个平衡绕组的尾端分别作为信号输出端和参考端。

进一步，所述金属屏蔽盒和铁芯为圆环形、椭圆环形或中间有孔的方形、矩形。

进一步，所述金属屏蔽盒和铁芯为开合式的圆环形、椭圆环形、方形、矩形。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明可实现幅值100A-500KA多种波形的冲击大电流测量，消除目前常规冲击大电流传感器在该类电流测量方面的不足，保证一、二次电流的电隔离，与常规大电流传感器相比，测量范围拓宽，避免了饱和畸变，测量装置内不含有源器件，不需外部提供工作电源；抗干扰能力强，对安装要求不高，特别适合工程现场应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的改善铁芯线圈测量性能的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的改善铁芯线圈测量性能的系统结构示意图。

图中：1、金属屏蔽盒；2、绝缘层；3、铁芯线圈。

图3是本发明实施例提供的匝数为n的平衡绕组等效电路图。

图4是本发明实施例提供的理想条件下磁场强度Hp与铁芯线圈内径D的相对关系示意图。

图5是本发明实施例提供的非理想条件下磁场强度Hp与铁芯线圈内径D的相对关系示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

现有技术在对冲击大电流的检测中，常规铁芯线圈电流传感器易发生磁饱和，导致畸变，测量性能差。

为解决上述问题，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的改善铁芯线圈测量性能的方法，包括：

如图1所示，冲击电流ip(t)由一次绕组单匝穿心通过铁芯线圈及金属盒的内孔，传感线圈输出电压Us(t)由信号端输出，Us(t)的幅值正比于一次冲击电流ip(t),且波形与一次冲击电流相同。

本发明实施例提供的改善铁芯线圈测量性能的方法具体包括以下步骤：

S101，根据被测冲击电流波形，确定上下限截止频率，进而选择合适类型的铁芯材料。

S102，根据冲击电流的最大峰值ipm和铁芯的饱和磁感应强度，确定铁芯的最小内径和截面积。

S103，根据工作条件，选择平衡绕组数m值，m≥8。

S104，结合对输出电压幅值的要求，确定灵敏度K。

步骤第S101中，根据被测冲击电流波形，确定上下限截止频率中，下限截止频率为fl，上限截止频率为fh：

步骤第S104中，进一步，第四确定灵敏度K中，K＝Us(t)/ip(t)。

其中

如图2所示，本发明实施例提供的改善铁芯线圈测量性能的系统包括：金属屏蔽盒1、绝缘层2、铁芯线圈3。

金属屏蔽盒1内部套设有铁芯线圈3，金属屏蔽盒内外壁1与铁芯线圈2之间填充有绝缘层2。铁芯线圈3设置有铁芯，m个平衡绕组沿相同方向均匀分布于铁芯上。

作为优选，相邻平衡绕组中的前一个平衡绕组尾端与后一个平衡绕组的首端相连，第一个平衡绕组的首端和最后一个平衡绕组的尾端分别作为信号输出端和参考端。

作为优选，金属屏蔽盒1和铁芯为圆环形、椭圆环形或中间有孔的方形、矩形。

作为优选，金属屏蔽盒1和铁芯为开合式的圆环形、椭圆环形、方形、矩形。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本发明实施例提供的改善铁芯线圈测量性能的方法包括：

冲击电流ip(t)由一次绕组单匝穿心通过铁芯线圈及金属盒的内孔，传感线圈输出电压Us(t)由信号端输出，Us(t)的幅值正比于一次冲击电流ip(t),且波形与一次冲击电流相同。

铁芯线圈共有m个n匝的二次平衡绕组，其中单个平衡绕组的等效电路如图3所示。一次冲击电流为ip(t)，平衡绕组内感应电动势为e(t)，感应电流为is(t)，输出电压为Usi(t)，M为互感系数，L和R分别为该平衡绕组的自感和自阻抗，C为分布电容，Rs为负载电阻。

该等效电路对应3dB的下限截止频率为fl，上限截止频率为fh：

定义传感器输出灵敏度为K。

K＝Us(t)/ip(t)。

其中

设计步骤：

首先，根据被测冲击电流波形，确定上下限截止频率，进而选择合适类型的铁芯材料。

其次，根据冲击电流的最大峰值ipm和铁芯饱和磁感应强度，确定铁芯的最小内径和截面积。一般随冲击电流增大，铁芯的内径和截面积也会随之增大。

第三，根据工作条件，选择m值，一般m≥8。干扰越强，定位条件越差，。m取值越大。

第四，结合对输出电压幅值的要求，确定灵敏度K。

上述参数确定后，按前述的发明方法可制作改善后的磁势自平衡冲击电流传感器。

实施例2

对冲击电流ip1(t)，信号频率要求fl＝10Hz，fh＝1MHz，可选择超微晶铁芯材料。最大峰值电流30千安，对应铁芯内径为50mm。应用于工程现场，取m＝32。要求最大输出电压不大于300V，则K＝0.01V/A。

实施例3

对冲击电流ip2(t)，信号频率要求fl＝1Hz，fh＝4MHz，可选择坡莫合金为铁芯。最大峰值电流5千安，对应铁芯内径为35mm。应用于实验室条件，取m＝8。要求最大输出电压不大于100V，则K＝0.02V/A。

下面进一步说明，本发明对改善铁芯线圈测量性能的作用机理。

理想条件下，按轴对称结构设计和分析铁芯线圈的测量性能。若设计的铁芯线圈内径为D,对应一次冲击电流的磁场强度为Hp，二次绕组电流产生的磁场强度为Hs。Hp与D的相对关系如图4所示，有：

Hp(+D/2)＝Hp(-D/2)。

Hs(+D/2)＝Hs(-D/2)。

且有Hp(+D/2)＝Hs(+D/2)。

此时一、二次安匝磁平衡，励磁电流i0趋近于零。因励磁电流越小，测量性能越好，故该条件下测量性能良好。

在工程现场，很难保证轴对称理想条件，多为磁场中心与结构中心不重合的非对称状态，如图5。铁芯结构中心点为0，冲击电流对应的磁场Hp由于偏心或邻近干扰，中心点移至0’点，则有Hp(+D/2)>Hp(-D/2)。

如m＝1，即常规单绕组反馈，Hs(+D/2)＝Hs(-D/2)。

则Hp(+D/2)—Hs(+D/2)>0。

Hp(-D/2)—Hs(-D/2)<0。

此时一、二次安匝磁势不平衡，励磁电流i0增大，测量误差变大。ip(t)越大上述差值越大，即Hp(+D/2)＞＞Hs(+D/2)。Hp(-D/2)＜＜Hs(-D/2)，则出现磁饱和现象，励磁电流i0急剧增大，铁芯线圈测量性能显著变差。

本发明设计多个分布式平衡绕组进行磁反馈，设(+D/2)处为第m个绕组，(-D/2)处为第m/2个绕组，非理想条件下Hp(+D/2)>Hp(-D/2)。但对应处第m个平衡绕组反馈的Hs(+D/2)最大且Hp(+D/2)＝Hs(+D/2)。(-D/2)处第m/2个平衡绕组反馈的Hs(-D/2)最小且Hp(-D/2)＝Hs(-D/2)。其余各平衡绕组，由第m至第m/2处，Hp逐段减小，由第m/2至第1段处Hp逐段增大，各段内磁场对应平衡即Hp＝Hs。这样在非理想条件下，通过磁势自平衡保证了各平衡绕组对应段内，励磁电流i0都趋近于零，有效改善了铁芯线圈的冲击大电流测量性能。

依据本发明制作的50KA冲击大电流传感器,通过第三方权威部门检测，获得试验电流波形，幅值参数测量不确定度为1.5×10^-2(k＝2)；时间参数测量不确定度为2.1×10^-2(k＝2)，现有行业规定的标准与本发明的被测试验电流波形重合。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种改善铁芯线圈测量性能的方法，其特征在于，所述改善铁芯线圈测量性能的方法具体包括以下步骤：

第一步，根据被测冲击电流波形，确定上下限截止频率，选择出合适类型的铁芯材料；

第二步，根据冲击电流最大峰值ipm和铁芯饱和磁感应强度，确定铁芯的最小内径和截面积；

第三步，选择平衡绕组数m值，m≥8；

第四步，结合输出电压幅值，确定灵敏度K。

2.如权利要求1所述的改善铁芯线圈测量性能的方法，其特征在于，第四步确定灵敏度K中，K＝Us(t)/ip(t)；

其中

3.一种实施权利要求1所述改善铁芯线圈测量性能的方法的改善铁芯线圈测量性能的系统，其特征在于，所述改善铁芯线圈测量性能的系统设置有：

金属屏蔽盒；

所述金属屏蔽盒内部套设有铁芯线圈，金属屏蔽盒与铁芯线圈之间填充有绝缘层；

所述铁芯线圈设置有铁芯，铁芯外侧沿相同方向均匀分布有m个平衡绕组。相邻平衡绕组中的前一个平衡绕组尾端与后一个平衡绕组的首端相连，第一个平衡绕组的首端和最后一个平衡绕组的尾端分别作为信号输出端和参考端。

4.如权利要求3所述的改善铁芯线圈测量性能的系统，其特征在于，所述金属屏蔽盒和铁芯为圆环形、椭圆环形或中间有孔的方形、矩形。

5.如权利要求3所述的改善铁芯线圈测量性能的系统，其特征在于，所述金属屏蔽盒和铁芯为开合式的圆环形、椭圆环形、方形、矩形。