CN110763902B - 一种高精度任意波形电磁式电流互感器及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度任意波形电磁式电流互感器及测量方法，属于电工领域的电流测量，该电磁式电流互感器包括：半开口闭合铁心、磁场传感器、一次绕组、二次绕组、信号处理模块和标准电阻；通过在铁心上开一个或数个气隙将铁心分为小截面段和大截面段，使大截面段铁心不容易饱和，扩大了一次电流测量范围，同时，通过对气隙中磁场强度信号的采集，配合二次电流信号，经过信号处理模块还原出与一次电流信号成比例的输出电压信号，解决了传统电流互感器易饱和及无法准确测量含有直流分量的电流等问题。

Description

一种高精度任意波形电磁式电流互感器及测量方法
技术领域
本发明涉及电工领域的电流测量，更具体地，涉及一种高精度任意波形电磁式电流互感器及测量方法。
背景技术
目前，电力系统中广泛使用P类电磁式电流互感器来测量电流。它的工作原理与变压器类似，通过将大电流经过电磁感应按比例传变为小电流从而进行测量。在铁心没有饱和的情况下，电磁式电流互感器具有较高的测量精度。
但是，当电力系统发生故障时，电流互感器的一次电流可能达到正常运行时的数倍甚至数十倍，且往往会含有暂态直流分量，这将会使铁心迅速饱和，励磁电流大大增加。此时，传统的P类电磁式电流互感器便无法正确传变一次电流，对继电保护设备的正确动作产生影响。
为了消除P类电磁式电流互感器铁心饱和对二次设备正常运行带来的影响，研制了多种新式电流互感器，如TP类电流互感器、基于罗氏线圈的电流互感器及基于法拉第磁光效应的电流互感器等。这些新式电流互感器，要么尺寸大造价高，要么稳定性低、结构复杂、难以安装和维护，其大规模推广使用仍然难以实现，只在一些超高压系统或大容量发电机组的重要环节得以应用。
除此之外，也有不少研究集中在消除铁心饱和给二次设备正常运行带来的影响方面。在铁心饱和无法避免的情况下，通过在保护或其他二次设备中加入抑制铁心饱和的软件算法，消除铁心饱和带来的影响。这类方法目前仍不成熟，其识别速度与准确度均未达到测量要求。
综上所述，现在电力系统中亟需一种高精度、抗饱和、成本低的电流互感器，不仅在故障电流幅值很大时能够完成测量，而且在故障电流中含有非周期直流分量时也能准确反映一次电流波形。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种高精度任意波形电磁式电流互感器及测量方法，由此解决传统电流互感器易饱和以及无法准确测量含有直流分量的电流等的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高精度任意波形电磁式电流互感器，包括：半开口闭合铁心、磁场传感器、一次绕组、二次绕组、信号处理模块和标准电阻；
其中，所述磁场传感器置于所述半开口闭合铁心的开口中，所述磁场传感器的输出端连接到所述信号处理模块；所述一次绕组及所述二次绕组分别缠绕在所述半开口闭合铁心上；所述二次绕组两端接所述标准电阻，所述标准电阻的两端连接到所述信号处理模块；所述一次绕组的两端作为信号输入端。
优选地，所述一次绕组的匝数为一匝或多匝。
优选地，所述半开口闭合铁心在铁心高度方向上的开口数量为一个或多个，开口深度为铁心高度的0％～100％，开口总长度为铁心长度的0％～100％。
优选地，所述磁场传感器置于所述半开口闭合铁心的开口中，所述磁场传感器的数量为一个或多个，其中，所述磁场传感器的放置方式为每一个开口中放置一个或多个磁场传感器，或者，多个开口中的部分开口中各放置一个磁场传感器。
优选地，所述磁场传感器包括霍尔传感器和磁阻传感器。
优选地，所述信号处理模块，用于对由所述磁场传感器输入的磁场传感器信号及由所述二次绕组得到的二次电流信号分别进行一定比例放大后，再将放大后的磁场传感器信号与放大后的二次电流信号进行总加输出。
按照本发明的另一个方面，提供了一种可应用于电力系统的电流测量方法，基于上述任意一项所述的高精度任意波形电磁式电流互感器实现，所述方法包括：
(1)在待测电流的作用下，所述一次绕组随所述待测电流产生磁场，使所述半开口闭合铁心励磁，同时，所述半开口闭合铁心开口的气隙中产生磁场；
(2)通过所述二次绕组的电磁感应，在二次回路中产生对应的二次电流信号；
(3)通过所述半开口闭合铁心的开口气隙中的磁场传感器的测量，将气隙中的磁场强度信号转化为相应的电压信号；
(4)通过所述信号处理模块分别将所述二次电流信号与所述磁场传感器的输出信号进行一定比例的放大后，再将放大后的磁场传感器信号与放大后的二次电流信号进行总加输出，通过所述信号处理模块的输出得出与所述待测电流成比例的电压输出。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)通过在铁心上开一个或数个气隙将铁心分为小截面段和大截面段，使得大截面段难以饱和，而本发明的电磁式电流互感器在大截面段铁心未饱和时均为有效测量范围，相较传统的P类电磁式电流互感器提高了交流电流测量范围；
(2)通过磁场传感器与二次电流信号的配合测量，使得本发明的电磁式电流互感器在测量非正弦电流，尤其是含直流分量的电流时仍能准确反映一次电流波形，这是目前TP类电流互感器无法做到的。
(3)本发明的电磁式电流互感器结构相对简单，易于安装和维护，且相关技术成熟度高，具有大规模应用的潜力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种半开口闭合铁心结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种电路结构示意图；
其中，1为半开口闭合铁心，2为一次绕组，3为二次绕组，4为标准电阻，5为磁场传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种高精度任意波形电磁式电流互感器，包括半开口闭合铁心1、磁场传感器5、一次绕组2、二次绕组3、信号处理模块和标准电阻4；
如图1所示，半开口闭合铁心1在铁心的高度方向上开一个或数个气隙，但不将铁心完全隔断，而是将铁心分隔为小截面段和大截面段，用于电磁信号的转换；
磁场传感器5置于铁心的开口中，用于测量气隙中的磁场强度；
磁场传感器5的输出端连接到信号处理模块，将传感器输出电压信号进行处理；
一次绕组2缠绕在半开口闭合铁心1上，将一次电流信号通过铁心转变为磁信号；
其中，一次绕组2也可以是一根穿心导线(一匝)或者多匝，具体地本发明实施例不做唯一性限定。
二次绕组3缠绕在半开口闭合铁心1上，将铁心中的磁信号转变为电信号，二次绕组3的两端接标准电阻4，用于采样二次电流信号，标准电阻4的两端连接到信号处理模块，对二次电流信号进行处理；
信号处理模块分别对磁场传感器输出电压信号与二次电流信号按一定比例进行放大后总加，并输出与一次电流成比例的电压信号。
在本发明实施例中，半开口闭合铁心1在铁心高度方向上的开口数量为一个或多个，开口深度为铁心高度的0％～100％，开口总长度为铁心长度的0％～100％。
在本发明实施例中，磁场传感器5置于铁心的开口中，磁场传感器5的数量为一个或多个，其中，磁场传感器5的放置方式为每一个开口中放置一个或多个磁场传感器，或者，多个开口中的部分开口中各放置一个磁场传感器。
在本发明实施例中，磁场传感器包括霍尔传感器和磁阻传感器等，具体地，本发明实施例不做唯一性限定。
在本发明的另一实施例中，还提供了一种可应用于电力系统的电流测量方法，基于高精度任意波形电磁式电流互感器实现，该方法包括：
(1)在待测电流的作用下，一次绕组2随待测电流产生磁场，使半开口闭合铁心1励磁，同时，半开口闭合铁心1开口的气隙中产生磁场；
(2)通过二次绕组3的电磁感应，在由二次绕组3和标准电阻4组成的二次回路中产生对应的二次电流信号；
(3)通过半开口闭合铁心1的开口气隙中的磁场传感器5的测量，将气隙中的磁场强度信号转化为相应的电压信号；
(4)通过信号处理模块分别将二次电流信号与磁场传感器的输出信号进行一定比例的放大后，再将放大后的磁场传感器信号与放大后的二次电流信号进行总加输出，通过信号处理模块的输出得出与待测电流成比例的电压输出。
具体实施时，如图2所示，闭合铁心上开有一定数量的气隙将铁心分为总长为L1小截面段和总长为L2大截面段，铁心上缠绕着绕向相同的N1匝一次绕组和N2匝二次绕组，一次绕组串联在一次回路中，作为电流互感器的输入。二次绕组两端连接到标准电阻R，而标准电阻R的两端连接到信号处理模块。磁场传感器置于铁心的开口中，磁场传感器的输出端连接到信号处理模块。信号处理模块分别对磁场传感器的输出信号与二次电流信号进行处理后输出与一次电流成比例的电压信号。
运用本发明进行测量的原理：半开口的铁心被分为小截面段和大截面段，大截面段的磁场为H2，气隙中的磁场为H1。根据安培环路定则，沿包含气隙的环状磁路进行积分，有：N1I1+N2I2＝H1L1+H2L2。其中，I1为一次电流，I2为二次电流。
当一次电流为幅值较小的交流电流时，其建立的磁场不能使小截面段的铁心饱和，此时大截面铁心与气隙中的磁场几乎可以忽略，有N1I1+N2I2＝0，有I1＝-N2I2/N1。此时应用本发明的电磁式电流互感器进行电流测量的原理与变压器类似，经过信号处理模块对两输入信号进行一定比例放大与总加后，从输出端得到与一次电流成比例的电压信号；当一次电流为幅值较大的交流电流或一次电流中含有直流成分时，小截面段的铁心饱和，而大截面段由于气隙的存在并未饱和，故大截面段的磁场可以忽略。此时，气隙中的磁场增大，满足N1I1+N2I2＝H1L1，有I1＝(H1L1-N2I2)/N1。通过磁场传感器将气隙中的磁场强度信号转变为电压信号，并通过信号处理模块对二次电流信号与磁场传感器输出的电压信号进行一定比例的放大与总加，从输出端得到与一次电流成比例的电压信号。
本实施例通过磁路分段，使大截面段铁心不容易饱和，扩大了一次电流测量范围，同时，通过对气隙中磁场强度信号的采集，配合二次电流信号，经过信号处理模块还原出与一次电流信号成比例的输出电压信号，解决了传统电流互感器易饱和以及无法准确测量含有直流分量的电流等问题。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度任意波形电磁式电流互感器，其特征在于，能够对含直流成分的电流进行测量，所述电磁式电流互感器包括：半开口闭合铁心、磁场传感器、一次绕组、二次绕组、信号处理模块和标准电阻；
其中，所述磁场传感器置于所述半开口闭合铁心的开口中，所述磁场传感器的输出端连接到所述信号处理模块；所述一次绕组及所述二次绕组分别缠绕在所述半开口闭合铁心上；所述二次绕组两端接所述标准电阻，所述标准电阻的两端连接到所述信号处理模块；所述一次绕组的两端作为信号输入端；
所述半开口闭合铁心在铁心高度方向上的开口数量为一个或多个，但不将铁心完全隔断，而是将铁心分隔为小截面段和大截面段；
所述信号处理模块，用于对由所述磁场传感器输入的磁场传感器信号及由所述二次绕组得到的二次电流信号分别进行一定比例放大后，再将放大后的磁场传感器信号与放大后的二次电流信号进行总加输出。
2.根据权利要求1所述的电磁式电流互感器，其特征在于，所述一次绕组的匝数为一匝或多匝。
3.根据权利要求1或2所述的电磁式电流互感器，其特征在于，开口深度为铁心高度的0％～100％，开口总长度为铁心长度的0％～100％。
4.根据权利要求3所述的电磁式电流互感器，其特征在于，所述磁场传感器置于所述半开口闭合铁心的开口中，所述磁场传感器的数量为一个或多个，其中，所述磁场传感器的放置方式为每一个开口中放置一个或多个磁场传感器，或者，多个开口中的部分开口中各放置一个磁场传感器。
5.根据权利要求1所述的电磁式电流互感器，其特征在于，所述磁场传感器包括霍尔传感器和磁阻传感器。
6.一种可应用于电力系统的电流测量方法，其特征在于，基于权利要求1至5任意一项所述的高精度任意波形电磁式电流互感器实现，能够对含直流成分的电流进行测量，所述方法包括：
(1)在待测电流的作用下，所述一次绕组随所述待测电流产生磁场，使所述半开口闭合铁心励磁，同时，所述半开口闭合铁心开口的气隙中产生磁场；
(2)通过所述二次绕组的电磁感应，在二次回路中产生对应的二次电流信号；
(3)通过所述半开口闭合铁心的开口气隙中的磁场传感器的测量，将气隙中的磁场强度信号转化为相应的电压信号；
(4)通过所述信号处理模块分别将所述二次电流信号与所述磁场传感器的输出信号进行一定比例的放大后，再将放大后的磁场传感器信号与放大后的二次电流信号进行总加输出，通过所述信号处理模块的输出得出与所述待测电流成比例的电压输出。
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