CN110456142A - 磁调制式直流漏电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁调制式直流漏电流传感器，包括电流检测环A和漏电路检测电路；所述电流检测环A上缠绕有检测绕组W1和反馈绕组W2；所述漏电流检测电路包括顺次相连的方波电压源激励电路、方波有效值差电路、调零电路、积分电路和滤波电路；所述检测绕组W1的两端与所述方波电压源激励电路电连接，所述反馈绕组W2的两端与所述滤波电路电连接。本发明基于磁调制原理，与霍尔电流传感器相比，本发明提供的磁调制式直流漏电流传感器具有抗干扰能力强、稳定性高的优点。

Description

磁调制式直流漏电流传感器

技术领域

本发明涉及直流系统的接地故障监测技术领域，具体地，涉及磁调制式直流漏电流传感器。

背景技术

发电厂、变电站直流系统是控制和信号系统、继电保护及自动装置的工作电源，直流系统能否稳定运行直接影响变电站的安全运行。支路接地是直流系统常见的故障之一，若不能及时找到并修复，就可能引起信号装置、继电保护、断路器的误操作，甚至造成严重的变电站电力事故。直流漏电流测量法就是直流系统接地故障检测方法的其中一种。

直流漏电流测量的传感器主要基于霍尔原理和磁调制原理。而霍尔电流传感器由于磁芯中存在气隙，极易受到外界大电流磁场的干扰而使检测误差增大。相对而言，磁调制电流传感器磁芯中无气隙，其抗干扰能力强，不易受外界磁场的干扰，更适合于直流漏电流的检测。

现有的磁调制式电流传感器大都以倍频磁调制器为核心构成，通常具有双磁芯结构，通过检测磁芯二次绕组输出信号中的二次谐波分量来测量电流大小，其信号处理电路复杂，测量过程繁琐，导致检测误差增大；传统的磁调制式电流传感器磁芯多采用铁氧体、硅钢片以及坡莫合金材料，而硅钢材料、铁氧体材料初始磁导率比较低，坡莫合金虽然有很高的初始磁导率，但是价格昂贵，性价比不高，所以并非磁芯材料的最佳选择。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种磁调制式直流漏电流传感器。

根据本发明提供的磁调制式直流漏电流传感器，包括电流检测环A和漏电路检测电路；

所述电流检测环A上缠绕有检测绕组W1和反馈绕组W2；

所述漏电流检测电路包括顺次相连的方波电压源激励电路、方波有效值差电路、调零电路、积分电路和滤波电路；

所述检测绕组W1的两端与所述方波电压源激励电路电连接，所述反馈绕组W2的两端与所述滤波电路电连接。

优选地，所述电流检测环A采用单磁芯结构。

优选地，所述电流检测环A的磁芯采用铁基纳米晶制成。

优选地，所述方波有效值差电路采用二阶Sallen-Key低通滤波器。

优选地，所述漏电流检测电路的输出信号经过滤波电路加载到反馈绕组W2两端，通过反馈绕组W2产生的与被测直流所产生的磁动势相反方向的直流电动势，以平衡被测直流所产生的偏磁磁势，形成了零磁通状态。

优选地，所述方波电压源激磁电路包括运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、稳压管D1以及稳压管D2；

所述电阻R2的一端连接所述检测绕组W1的一端，另一端连接所述运算放大器U1的反相输入端，所述电阻R1一端接地，另一端连接所述运算放大器U1的反相输入端；

所述电阻R4的一端连接所述检测绕组W1的另一端，另一端连接所述运算放大器U1的正相输入端，所述电阻R3一端接地，另一端连接所述运算放大器U1的正相输入端；

所述运算放大器U1的输出端连接所述电阻R5的一端，所述电阻R5的另一端一方面连接所述稳压管D1的负极，另一方面连接所述电阻R4的一端，所述稳压管D1的正极连接所述稳压管D2的正极，所述稳压管D2的负极接地；

所述电阻R5的另一端为所述方波电压源激磁电路的输出端。

优选地，所述方波有效值差电路包括运算放大器U2、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1以及电容C2；

所述电阻R6的一端连接所述方波电压源激磁电路的输出端，另一端连接所述电阻R7的一端、所述电容C1的一端；所述电阻R7的另一端连接所述运算放大器U2的反相输入端；所述电容C1的另一端连接所述运算放大器U2的输出端；所述电容C2的一端连接所述电阻R7的另一端，另一端接地；

所述电阻R9的一端接地，另一端连接所述运算放大器U2的正相输入端，所述电阻R8的一端连接所述电阻R9的另一端，另一端连接所述运算放大器U2的输出端；

所述运算放大器U2的输出端为所述方波有效值差电路的一端。

优选地，所述调零电路包括运算放大器U3、电阻R10、电阻R11、电阻R12和电容C3；

所述电阻R10的一端连接所述波有效值差电路的输出端，另一端连接所述运算放大器U3的正相输入端；所述电容C3的一端连接所述运算放大器U3的反相输入端，另一端连接所述运算放大器U3的输出端；

所述电阻R11一端连接所述电阻R12的滑动端，另一端连接所述运算放大器U3的输出端；所述电阻R12的一端接地，另一端连接电压端；

所述运算放大器U3的输出端为所述调零电路的输出端。

优选地，所述积分电路包括运算放大器U4、电阻R13和电容C4；

所述电阻R13的一端连接所述调零电路的输出端，另一端连接所述运算放大器U4的反相输入端；所述电容C4的一端连接所述电阻R13的另一端，另一端连接所述运算放大器U4的输出端；

所述运算放大器U4的正相输入端接地，所述运算放大器U4的输出端为所述积分电路的输出端。

优选地，所述滤波电路包括电阻R14和电容C5；

所述电阻R14的一端连接所述积分电路的输出端，另一端连接所述反馈绕组W2的一端；所述电容C5的一端接地，另一端连接所述反馈绕组W2的一端。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明基于磁调制原理，与霍尔电流传感器相比，本发明提供的磁调制式直流漏电流传感器具有抗干扰能力强、稳定性高的优点；

2、本发明中电流检测环采用单磁芯结构，而现有的磁调制式电流传感器大都以倍频磁调制器为核心构成，通常具有双磁芯结构，通过检测磁芯二次绕组输出信号中的二次谐波分量来测量电流大小，其信号处理电路复杂，测量过程繁琐，导致检测误差增大；因此，本发明中的电流检测环通过采用单磁芯结构，简化了信号处理电路，提高了传感器的灵敏度；

3、本发明中磁芯材料采用铁基纳米晶软磁材料制成。铁基纳米晶具有较高的初始磁导率和饱和磁导率，而且价格便宜，是制作电流传感器磁芯的理想材料。因此，本发明中采用铁基纳米晶作为磁芯材料，降低了传感器成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中磁调制式直流漏电流传感器的结构示意图。

图2是本发明实施例中磁调制式直流漏电流传感器的漏电流检测电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例中磁调制式直流漏电流传感器的结构示意图，如图1所示，本发明提供的磁调制式直流漏电流传感器，包括电流检测环A和漏电路检测电路；

所述电流检测环A上缠绕有检测绕组W1和反馈绕组W2；

所述漏电流检测电路包括顺次相连的方波电压源激励电路、方波有效值差电路、调零电路、积分电路和滤波电路；

所述检测绕组W1的两端与所述方波电压源激励电路电连接，所述反馈绕组W2的两端与所述滤波电路电连接。

在本发明一实施例中，所述电流检测环A采用单磁芯结构。所述电流检测环A的磁芯采用铁基纳米晶制成。所述方波有效值差电路采用二阶Sallen-Key低通滤波器。

在本发明一实施例中，所述漏电流检测电路的输出信号经过RC滤波电路加载到反馈绕组W2两端，通过反馈绕组W2产生的与被测直流所产生的磁动势相反方向的直流电动势，来平衡被测直流所产生的偏磁磁势，形成了零磁通状态。

当使用本发明提供的磁调制式直流漏电流传感器时，将待测直流系统中的正负导线穿过电流检测环A，所述漏电流检测电路即可对直流系统进行非接触式的在线漏电流检测。如图1所示，所述直流漏电流指正负母线中的差值电流，而差值电流的大小和方向可直接通过方波的相位变化量来反应。

图2为本发明实施例中磁调制式直流漏电流传感器的漏电流检测电路原理图，工作过程具体为：

当磁芯中出现直流漏电流时，所述检测绕组W1会获得一感应电动势，经过所述方波电压源激励电路就会得到一个正负半波不对称的畸变波形，通过方波有效值差电路，将所述畸变波形处理后得到正负半波有效值之差，送入所述调零电路，经过调零电路的电压通过积分电路放大成输出信号，输出信号经过RC滤波电路形成一个反向电动势加载到所述反馈绕组W2两端。通过反馈绕组W2产生的与被测直流所产生的磁动势相反方向的直流电动势，来平衡被测直流所产生的偏磁磁势，形成了零磁通状态。此外还可以通过调节放大器的放大倍数，来调节最终输出电压和输入电流的比例。

所述方波电压源激磁电路包括运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、稳压管D1以及稳压管D2。所述电阻R2的一端连接所述检测绕组W1的一端，另一端连接所述运算放大器U1的反相输入端，所述电阻R1一端接地，另一端连接所述运算放大器U1的反相输入端；所述电阻R4的一端连接所述检测绕组W1的另一端，另一端连接所述运算放大器U1的正相输入端，所述电阻R3一端接地，另一端连接所述运算放大器U1的正相输入端；所述运算放大器U1的输出端连接所述电阻R5的一端，所述电阻R5的另一端一方面连接所述稳压管D1的负极，另一方面连接所述电阻R4的一端，所述稳压管D1的正极连接所述稳压管D2的正极，所述稳压管D2的负极接地；所述电阻R5的另一端为所述方波电压源激磁电路的输出端从检测绕组W1出来的信号U1#经过电阻R1、电阻R2的分压接到运算放大器U1的反相输入端，当运算放大器U1中的反向输入电压大于正向输入电压时，运算放大器U1输出低电平，反之，则运算放大器U1输出高电平。如此反复，形成一个正负方波。

当直流系统出现直流漏电流时，所述方波的正负比例会发生变化，方波电压源激磁电路将产生一个正负半波不对称的畸变波形。畸变波形通过所述方波有效值差电路的处理得到正负半波有效值之差。所述方波有效值差电路包括运算放大器U2、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1以及电容C2。所述电阻R6的一端连接所述方波电压源激磁电路的输出端，另一端连接所述电阻R7的一端、所述电容C1的一端；所述电阻R7的另一端连接所述运算放大器U2的反相输入端；所述电容C1的另一端连接所述运算放大器U2的输出端；所述电容C2的一端连接所述电阻R7的另一端，另一端接地；所述电阻R9的一端接地，另一端连接所述运算放大器U2的正相输入端，所述电阻R8的一端连接所述电阻R9的另一端，另一端连接所述运算放大器U2的输出端；所述运算放大器U2的输出端为所述方波有效值差电路的一端。

由于所述方波有效值差电路采用了二阶Sallen-Key低通滤波器，所述方波信号是由直流信号和若干谐波信号组成，若将谐波信号用RC滤波电路清除，就可以得到有效的直流电压信号。由于直流漏电流传感器的精密程度较高，若没有所述调零电路则直流漏电流传感器的精密程度大大降低，转换成的电压信号偏差值将超出可接受范围之外，因此设置所述调零电路。所述调零电路包括运算放大器U3、电阻R10、电阻R11、电阻R12和电容C3。所述电阻R10的一端连接所述波有效值差电路的输出端，另一端连接所述运算放大器U3的正相输入端；所述电容C3的一端连接所述运算放大器U3的反相输入端，另一端连接所述运算放大器U3的输出端；所述电阻R11一端连接所述电阻R12的滑动端，另一端连接所述运算放大器U3的输出端；所述电阻R12的一端接地，另一端连接电压端，即连接电源的正极；所述运算放大器U3的输出端为所述调零电路的输出端。在没有直流偏磁的情况下，通过调节电阻R12，将输出电压调节为0V。所述调零电路还可通过R10和R11调节电压的传输比例。

经过调零电路后的电压经过所述积分电路放大成输出信号，即反馈信号Uo，此反馈信号Uo接在3#线和4#线之间形成一个反向直流磁势以平衡被测直流磁势。所述积分电路包括运算放大器U4、电阻R13和电容C4。所述电阻R13的一端连接所述调零电路的输出端，另一端连接所述运算放大器U4的反相输入端；所述电容C4的一端连接所述电阻R13的另一端，另一端连接所述运算放大器U4的输出端；所述运算放大器U4的正相输入端接地，所述运算放大器U4的输出端为所述积分电路的输出端。所述滤波电路包括电阻R14和电容C5，所述电阻R14的一端连接所述积分电路的输出端，另一端连接所述反馈绕组W2的一端；所述电容C5的一端接地，另一端连接所述反馈绕组W2的一端。能有效地滤波电路中的谐波信号，可使Uo快速反应。反馈绕组W2的一端通过电阻R15接地，因此还可以通过改变电阻R15，调节输出信号的传输比例。

在本实施例中，本发明基于磁调制原理，与霍尔电流传感器相比，本发明提供的磁调制式直流漏电流传感器具有抗干扰能力强、稳定性高的优点。本发明中电流检测环采用单磁芯结构，而现有的磁调制式电流传感器大都以倍频磁调制器为核心构成，通常具有双磁芯结构，通过检测磁芯二次绕组输出信号中的二次谐波分量来测量电流大小，其信号处理电路复杂，测量过程繁琐，导致检测误差增大。因此，本发明中的电流检测环通过采用单磁芯结构，简化了信号处理电路，提高了传感器的灵敏度。本发明中磁芯材料采用铁基纳米晶软磁材料制成。铁基纳米晶具有较高的初始磁导率和饱和磁导率，而且价格便宜，是制作电流传感器磁芯的理想材料。因此，本发明中采用铁基纳米晶作为磁芯材料，降低了传感器成本。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种磁调制式直流漏电流传感器，其特征在于，包括电流检测环A和漏电路检测电路；

所述电流检测环A上缠绕有检测绕组W1和反馈绕组W2；

所述漏电流检测电路包括顺次相连的方波电压源激励电路、方波有效值差电路、调零电路、积分电路和滤波电路；

所述检测绕组W1的两端与所述方波电压源激励电路电连接，所述反馈绕组W2的两端与所述滤波电路电连接。

2.根据权利要求1所述的磁调制式直流漏电流传感器，其特征在于，所述电流检测环A采用单磁芯结构。

3.根据权利要求1所述的磁调制式直流漏电流传感器，其特征在于，所述电流检测环A的磁芯采用铁基纳米晶制成。

4.根据权利要求1所述的磁调制式直流漏电流传感器，其特征在于，所述方波有效值差电路采用二阶Sallen-Key低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的磁调制式直流漏电流传感器，其特征在于，所述漏电流检测电路的输出信号经过滤波电路加载到反馈绕组W2两端，通过反馈绕组W2产生的与被测直流所产生的磁动势相反方向的直流电动势，以平衡被测直流所产生的偏磁磁势，形成了零磁通状态。

6.根据权利要求1所述的磁调制式直流漏电流传感器，其特征在于，所述方波电压源激磁电路包括运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、稳压管D1以及稳压管D2；

所述电阻R2的一端连接所述检测绕组W1的一端，另一端连接所述运算放大器U1的反相输入端，所述电阻R1一端接地，另一端连接所述运算放大器U1的反相输入端；

所述电阻R4的一端连接所述检测绕组W1的另一端，另一端连接所述运算放大器U1的正相输入端，所述电阻R3一端接地，另一端连接所述运算放大器U1的正相输入端；

所述运算放大器U1的输出端连接所述电阻R5的一端，所述电阻R5的另一端一方面连接所述稳压管D1的负极，另一方面连接所述电阻R4的一端，所述稳压管D1的正极连接所述稳压管D2的正极，所述稳压管D2的负极接地；

所述电阻R5的另一端为所述方波电压源激磁电路的输出端。

7.根据权利要求1所述的磁调制式直流漏电流传感器，其特征在于，所述方波有效值差电路包括运算放大器U2、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1以及电容C2；

所述电阻R6的一端连接所述方波电压源激磁电路的输出端，另一端连接所述电阻R7的一端、所述电容C1的一端；所述电阻R7的另一端连接所述运算放大器U2的反相输入端；所述电容C1的另一端连接所述运算放大器U2的输出端；所述电容C2的一端连接所述电阻R7的另一端，另一端接地；

所述电阻R9的一端接地，另一端连接所述运算放大器U2的正相输入端，所述电阻R8的一端连接所述电阻R9的另一端，另一端连接所述运算放大器U2的输出端；

所述运算放大器U2的输出端为所述方波有效值差电路的一端。

8.根据权利要求1所述的磁调制式直流漏电流传感器，其特征在于，所述调零电路包括运算放大器U3、电阻R10、电阻R11、电阻R12和电容C3；

所述电阻R10的一端连接所述波有效值差电路的输出端，另一端连接所述运算放大器U3的正相输入端；所述电容C3的一端连接所述运算放大器U3的反相输入端，另一端连接所述运算放大器U3的输出端；

所述电阻R11一端连接所述电阻R12的滑动端，另一端连接所述运算放大器U3的输出端；所述电阻R12的一端接地，另一端连接电压端；

所述运算放大器U3的输出端为所述调零电路的输出端。

9.根据权利要求1所述的磁调制式直流漏电流传感器，其特征在于，所述积分电路包括运算放大器U4、电阻R13和电容C4；

所述电阻R13的一端连接所述调零电路的输出端，另一端连接所述运算放大器U4的反相输入端；所述电容C4的一端连接所述电阻R13的另一端，另一端连接所述运算放大器U4的输出端；

所述运算放大器U4的正相输入端接地，所述运算放大器U4的输出端为所述积分电路的输出端。

10.根据权利要求1所述的磁调制式直流漏电流传感器，其特征在于，所述滤波电路包括电阻R14和电容C5；

所述电阻R14的一端连接所述积分电路的输出端，另一端连接所述反馈绕组W2的一端；所述电容C5的一端接地，另一端连接所述反馈绕组W2的一端。