CN111289792A - 组合的低频和高频电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的示例性实施例包括一种粉末状芯珠体，其配置为对具有高频的电力线中的电流信号变成电感性阻抗。信号可由高频电压传感器检测，该传感器配置为向电弧故障跳闸电路输出电弧故障跳闸指示。珠体包括嵌入在珠体的空气腔中的磁通量密度感测装置，该装置具有基本垂直于珠体的周缘定向的磁场感测表面。珠体配置成为电力线中具有低频的电流提供通过磁通量密度感测装置的可测量的磁通量。可由低频磁通量密度感测装置检测可测量的磁通量，以输出用于功率计量装置的低频电流测量或确定受保护分支内的功率消耗。

Description

组合的低频和高频电流传感器
技术领域
本公开总体上涉及电路中的故障检测，更具体地涉及用于感测电力线中的高频电弧故障和低频过电流故障的装置。
背景技术
电弧故障通常被定义为通过在向负载供电的电线中或者在故障触点或连接器处的断裂导体的两端之间、在向负载供电的两个导体之间或者在导体与地面之间的离子化气体的电流。电弧故障在电弧负载的负载电流特征中具有高频频谱分量。电弧故障电路中断器装置包括比如微处理器、存储器、滤波器、模数转换器之类的部件以及用于分析电流和上升时间信号以做出跳闸决定的其他支持部件。
低成本且小型的装置对于准确地检测电弧故障以及计量分支电路上的功率消耗是非常有利的。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，粉末状芯珠体比如铁磁珠配置为针对流经穿过珠的电力线的具有在1MHz至40MHz之间的射频(RF)的电流信号变成电感性阻抗。可以测量穿过该电感性阻抗的RF信号作为电力线的两个端子之间的电压降。阻抗随着频率而增加并且与端子两端的电压降成比例。该电压可以通过电弧故障电路中断器(AFCI)装置的模拟前端进行过滤和放大。粉末状芯珠体包括嵌入到珠体中的腔中的磁通量密度感测装置，比如霍尔效应装置或磁场传感器装置，其具有基本垂直于珠体的周缘定向的磁场感测表面。珠体配置成给电力线中的频率在DC至20kHz范围内的电流提供穿过磁通量密度感测装置的可测量的磁通量。可测量的磁通量可由低频磁通量密度感测装置检测，该装置配置为以相同的频率输出与低频电流幅度成比例的电压。电弧故障检测算法可以使用此低频电流来确定跳闸时间，例如基于Underwriters Laboratories Inc.(UL)和国际电工委员会(IEC)标准。此外，该低频电流测量可用于功率计量装置或确定受保护分支内的功率消耗。
根据本发明的示例性替代实施例，感测线定位成一次穿过珠体的孔。感测线配置为感测电力线中的高频电流信号的出现，并且响应于电力线中的高频电流信号的出现而提供电弧故障跳闸指示。
所产生的发明提供了用于电弧故障检测和过电流保护的更小且更简单的装置。
附图说明
在附图中描述了本发明的示例性实施例，附图简要描述如下：
图1A至1I示出了根据本发明的组合的低频和高频电流传感器的不同示例。
图2A至2C和图3A至3C示出了根据本发明的组合传感器的高频部件，其配置为输出用于确定电弧故障和跳闸指示的高频电压。
图4A至4D示出了根据本发明的组合传感器的低频部件，其配置为输出与低频电流相对应的低频电压，以确定用于电弧故障检测和计量的跳闸时间。
图5A是示出根据本发明的来自高频初级电流感测的解调输出的峰值幅度的曲线图，图5B是示出来自霍尔效应传感器的低频感测的曲线图。
图6示出了根据本发明的组合的低频和高频电流传感器的示例性实施方式。
具体实施方式
图1A至1I示出了根据本发明的组合的低频和高频电流传感器104的示例。
图1A是根据本发明的组合的低频和高频电流传感器104的截面图。粉末状芯珠体100具有大致圆柱形状，其具有穿过珠体100的居中的圆形孔105。电力线102具有穿入孔105(图1D)的第一端并穿过珠体100的第一部分和穿出孔105的第二端的第二部分。粉末状芯珠体100具有低的相对磁导率μ＝20直至120，以最小化电力线中的高电流引起的饱和。适用于粉末状芯珠体100的典型磁性材料包括铁氧体和磁性氧化物。根据右手法则，图1A中所示的磁通线103沿逆时针方向被引导穿过铁磁珠100的圆柱体，磁通线由在电力线102中流动的电流产生并且被从面向读者的页面引出。
在珠体100中形成有空气腔，其可以沿径向方向部分地穿过圆柱体，如图1A和1F的部分空气腔112所示，或者沿径向方向完全地穿过圆柱体，如图1H的贯通空气腔113所示。在部分空气腔112或贯通空气腔113的情况下，腔的侧壁基本上垂直于环形线圈的周缘。腔112或113可以通过各种制造过程形成在珠100的主要部分107中，比如通过将粉末状芯材模制在具有腔的负形状的插入物周围，或者通过由钻孔、机械加工或放电加工来将腔切成珠100的主要部分107。
磁通量密度感测装置106嵌入珠体100的部分空气腔112或贯通空气腔113中，其具有基本垂直于珠体100的周缘的磁场感测表面。磁通量密度感测装置可以是霍尔效应装置、磁二极管、磁晶体管、磁光传感器、磁通门磁强计或搜索线圈磁场传感器。传感器104的灵敏度可以由铁磁珠100的材料及其长度/尺寸来控制。大多数霍尔效应传感器106具有在一个方向上的饱和磁通量-Bsat与在相反方向上的饱和磁通量+Bsat之间的线性范围。基于所需的磁通量测量范围，霍尔效应传感器106输出与对应于电力线102中的低频电流的磁通量成比例的电压。
图1B示出了铁磁珠100从左端、前部和右端的正投影，示出了部分穿过环形珠体100的部分腔112。图1C示出了孔105中的铁磁珠100和电力线102的关系的放大截面图。图1C所示的部分腔112仅部分地通过铁磁珠100的主要部分107形成，留下了铁磁珠100的剩余厚度，在此称为屏蔽桥部分109。磁通量密度感测装置106或霍尔效应装置嵌入在部分腔112内。由在电力线102中流动的电流产生的磁通线103穿入铁磁珠100并且是在屏蔽桥部分109中的集中磁通量111。珠100的主要部分107中的磁通量103的小部分作为边缘通量117穿过部分空气腔112，边缘能量是入射在磁通量密度感测装置106或霍尔效应装置上并由其测量的磁通量。由于屏蔽桥部分109中的集中磁通量111，屏蔽桥部分109用于保护霍尔效应装置106免受由于在屏蔽桥部分109处电力线102到圆柱体的内边缘的距离的变化而引起的铁磁珠100中的磁通量103大小的变化的影响。
图1D、1E和1F示出了具有部分空气腔112的组合的低频和高频电流传感器104的若干视图。图1G、1H和1I示出了具有贯通空气腔113的组合的低频和高频电流传感器104的若干视图。
图2A至2C和图3A至3C示出了根据本发明的组合传感器的高频部件，其配置为输出用于确定电弧故障和跳闸指示的高频电压。铁磁珠100响应于穿过珠100的电力线102中具有高频的电流信号而变成电感性阻抗。这可用于响应于电力线102中的高频电流信号的出现而提供电弧故障跳闸指示。
高频电压传感器110(图2B和2C)具有耦合到电力线102的第一部分的第一输入端子和耦合到电力线102的第二部分的第二输入端子。可以通过经由隔离电容器C1和C2、二极管电压钳和模拟前端(AFE)而直接连接到电力线来接收高频电流信号。模拟前端(AFE)包括带通滤波器(BPF)、对数放大器、低通滤波器(LPF)以及用于使用电弧故障检测算法对信号进行采样和分析的处理器。
如果来自高频电压传感器110的输出指示在电力线102中检测到电弧故障，则图6的微型断路器130中的电弧故障跳闸电路断路器(AFCI)可以配置为中断电力线102中的电流；电弧故障跳闸电路断路器(AFCI)的输入耦合到高频电压传感器110。
根据图3A至3C所示的本发明的示例性替代实施例，感测线116定位成一次穿过珠体100的孔105。感测线116有效地是用于感测来自电力线102的感应高频信号的次级线圈。感测线116配置为感测电力线102中的高频电流信号的出现，并且响应于电力线102中的高频电流信号的出现而提供电弧故障跳闸指示。高频电流信号可以由用作连接到模拟前端(AFE)的单匝次级回路的传感器线116接收。可以通过经由二极管电压钳和模拟前端(AFE)而直接连接到传感器线116来接收高频电流信号。模拟前端(AFE)包括带通滤波器(BPF)、对数放大器、低通滤波器(LPF)以及用于使用电弧故障检测算法对信号进行采样和分析的处理器。
图4A至4D示出了根据本发明的组合传感器的低频部件，其配置为输出与低频电流相对应的低频电压，以确定用于电弧故障检测和计量的跳闸时间。
粉末状芯珠体100包括嵌入到珠体100中的空气腔112或113中的磁通量密度感测装置106，比如霍尔效应装置或磁场传感器装置，其具有基本上垂直于珠体100的周缘定向的磁场感测表面。珠体配置成为电力线102中的频率在DC至20kHz范围内的电流提供通过磁通量密度感测装置106的可测量的磁通量。低频磁通量密度感测装置106或霍尔效应装置可检测可测量的磁通量，该装置配置为以相同的频率输出与低频电流幅度成比例的电压。霍尔效应装置106可以包括大规模集成电路中的调节器、放大器和控制模块。电弧故障检测算法可以使用此低频电流来确定跳闸时间，例如基于Underwriters Laboratories Inc.(UL)和国际电工委员会(IEC)标准。而且，该低频电流测量可以用于功率计量装置119或确定受保护分支内的功率消耗。
低频电压传感器114(图4D)具有耦合到磁通量密度感测装置106的输出连接的输入端子，其配置为感测由磁通量密度感测装置106感测的珠体100中的磁通量的低频变化并且输出电力线102中的过电流故障的指示。
电力线102可以传导例如来自光伏DC电源或DC电池的主电流，其可以是交流电(AC)或直流电(DC)。磁通量密度感测装置106可以检测高达20kHz范围的DC中的电流，并将其嵌入到粉末状芯珠体100中。传感器104不限于需要使用AC电流工作的常规电流互感器(比如Rogowski传感器或其他dI/dt型电流传感器)的限制。
图5A是示出从在1MHz至40MHz的频率范围内感测的高频初级电流的解调输出的曲线图。横坐标是从10-7到10-1安培的初级电流。纵坐标是基于特定的对数放大器和ADC分辨率的0到2000的RSSI ADC值。RSSI代表接收信号强度指示，ADC代表模数转换器。迹线比较了各种芯长度和传感器类型。在图5A中，B1L代表珠传感器全长度芯，BHL代表珠传感器1/2长度芯，LIND代表参考传感器，13T代表具有13匝次级绕组的传感器，B2L+Hall代表具有双长度芯和霍尔效应装置的珠传感器。注意：全长度芯是基于传感器为检测1MHz至40MHz频率所需的电感和对数放大器输入阻抗的特定输出电平的相对长度。该曲线图示出了仅改变芯的长度如何改变RF信号的灵敏度。
图5B是根据本发明的测量的霍尔输出相对于均方根(RMS)初级电流的曲线图，示出了来自霍尔效应传感器的低频感测。横坐标是从0到160安培的均方根(RMS)初级电流I。纵坐标是霍尔效应传感器的最大峰峰值电压(Vpp)，单位为毫伏，范围为200至1600mV。这些迹线比较了霍尔效应装置、具有200欧姆负载的霍尔效应装置以及趋势线。
图6示出了根据本发明的组合的低频和高频电流传感器的示例性实施方式。微型断路器130包括组合的低频和高频电流传感器104。可以测量穿过传感器104的电感性阻抗的RF信号作为电力线102的两个端子之间的电压降。阻抗随着频率而增加并且与端子两端的电压降成比例。该电压可以通过电弧故障电路中断器(AFCI)装置的模拟前端进行过滤和放大。粉末状芯珠传感器104包括嵌入到珠体100中的空气腔112中的磁通量密度感测装置106，比如霍尔效应装置或磁场传感器装置，其具有基本垂直于珠体的周缘定向的磁场感测表面。珠体配置成为电力线中的频率在DC至20kHz范围内的电流提供通过磁通量密度感测装置的可测量的磁通量。低频磁通量密度感测装置114可检测可测量的磁通量，该装置配置为以相同的频率输出与低频电流幅度成比例的电压。AFCI中的电弧故障检测算法可以使用此低频电流来确定跳闸时间，例如基于Underwriters Laboratories Inc.(UL)和国际电工委员会(IEC)标准。图6中示出了微型断路器130，包括组合的低频和高频电流传感器104、对数放大器、处理器、负载线、负载零线、电力线102、跳闸单元、面板零线端子、面板线端子和AFCI装置。
铁磁粉末状芯珠体100可以用作磁通量密度感测装置106的磁屏蔽，以保护其免受其他杂散磁场的影响。粉末状芯珠体100的形状为感测高频电弧故障、低频过电流故障以及低频电流测量提供了紧凑且低成本的解决方案。组合的低频和高频电流传感器104可以容易地适于在整体式固态设计中实施，该整体式固态设计可以用作紧固到汇流条的示例。
以下是本发明的优点：
用于低频和高频电流的传感器数量减少：
a)两个传感器的单个包装；占地面积更小。
低成本制造传感器：
a)坚固设计；
b)无绕组线；
c)相对低磁导率(μ＝20到120)的单珠；
d)不需要无源或有源积分器电路；以及
e)快速响应。
安装简单，降低了组装成本：
a)珠传感器可以模制成单个芯，以便于组装。
空间和灵敏度的优化能力。
测量低至DC的低频电流。
尽管已经公开了本发明的特定示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对针对特定示例性实施例所描述的细节进行改变。

Claims (22)

1.一种组合的低频和高频电流传感器，包括：
具有磁导率的粉末状芯珠体，其配置成响应于穿过珠的电力线中的具有高频的电流信号而变成电感性阻抗，并响应于电力线中的高频电流信号的出现而提供电弧故障跳闸指示；以及
磁通量密度感测装置，其嵌入珠体的腔中，具有基本垂直于珠体的周缘定向的磁场感测表面，珠体配置为响应于电力线中的具有低频的电流信号而提供通过磁通量密度感测装置的可测量的低频磁通量，磁通量密度感测装置配置为响应于低频可测量的磁通量的出现而提供过电流故障跳闸指示。
2.根据权利要求1所述的组合的低频和高频电流传感器，还包括：
感测线，其定位成一次穿过珠体的孔，感测线配置为感测电力线中的高频电流信号的出现并且响应于电力线中的高频电流信号的出现而提供电弧故障跳闸指示。
3.根据权利要求1所述的组合的低频和高频电流传感器，其中，所述电力线传导为交流电(AC)或直流电(DC)的主电流。
4.根据权利要求1所述的组合的低频和高频电流传感器，其中，所述粉末状芯珠体由铁磁材料构成。
5.根据权利要求1所述的组合的低频和高频电流传感器，其中，所述磁通量密度感测装置是霍尔效应装置。
6.根据权利要求1所述的组合的低频和高频电流传感器，其中，所述粉末状芯珠体具有大致圆柱形状，其具有穿过珠体的居中的孔，使电力线具有穿入孔的第一端并穿过珠体的第一部分以及穿出孔的第二端的第二部分，空气腔完全地穿过或部分地穿过珠体的周缘而嵌入，其中侧壁基本上垂直于周缘。
7.根据权利要求1所述的组合的低频和高频电流传感器，还包括：
高频电压传感器，其具有耦合到电力线的第一部分的第一输入端子和耦合到电力线的第二部分的第二输入端子，配置为响应于电力线中的高频电流信号的出现而提供电弧故障跳闸指示。
8.根据权利要求7所述的组合的低频和高频电流传感器，还包括：
电弧故障跳闸电路，其配置为如果来自高频电压传感器的输出指示检测到电弧故障则中断或跳闸电力线中的电流，该电弧故障跳闸电路具有耦合到高频电压传感器的输入。
9.根据权利要求1所述的组合的低频和高频电流传感器，还包括：
低频电压传感器，其具有耦合至磁通量密度感测装置的输出连接的输入端子，该低频电压传感器配置为感测由磁通量密度感测装置感测的珠体中的磁通量的低频变化，并且输出电力线中的过电流故障的指示。
10.根据权利要求9所述的组合的低频和高频电流传感器，还包括：
过电流故障跳闸电路，其配置为如果来自低频电压传感器的输出指示检测到过电流故障或接地故障则中断或跳闸电力线中的电流，该过电流故障跳闸电路具有耦合至低频电压传感器的输入。
11.根据权利要求1所述的组合的低频和高频电流传感器，其中，所述粉末状芯珠体配置为针对电力线中的具有在1MHz至40MHz范围内的频率的电流信号变成电感性阻抗。
12.根据权利要求1所述的组合的低频和高频电流传感器，其中，所述粉末状芯珠体配置成给电力线中的具有从DC到20kHz的频率的电流提供通过磁通量密度感测装置的可测量的磁通量，可测量的磁通量由配置为提供故障跳闸指示的低频磁通量密度感测装置检测。
13.根据权利要求2所述的组合的低频和高频电流传感器，还包括：
高频电压传感器，其具有耦合到传感器线的第一部分的第一输入端子和耦合到传感器线的第二部分的第二输入端子，配置为感测电力线中的高频电流信号的出现，并响应于电力线中的高频电流信号的出现而提供电弧故障跳闸指示。
14.根据权利要求1所述的组合的低频和高频电流传感器，其中，所述粉末状芯珠体具有大致圆柱形状，其具有穿过珠体的中心孔，并且具有在珠体中的空气腔，电力线穿过该中心孔，空气腔仅部分地穿过圆柱形珠形成，留下珠的剩余厚度，其用于保护磁通量密度感测装置免受由于电力线到环形线圈的内边缘的距离的变化而引起的珠中的磁通量大小的变化的影响。
15.一种低频电流测量功率计量装置，包括：
具有磁导率的粉末状芯珠体，其具有穿过珠的电力线；以及
磁通量密度感测装置，其嵌入在珠体中的空气腔中，具有基本垂直于珠体的周缘定向的磁场感测表面，珠体配置为响应于电力线中的具有低频的电流信号而提供穿过磁通量密度感测装置的可测量的低频磁通量，磁通量密度感测装置配置为响应于低频可测量的磁通量的出现而提供低频电流测量。
16.根据权利要求15所述的低频电流测量功率计量装置，其中，所述电力线传导是交流电(AC)或直流电(DC)的主电流。
17.根据权利要求15所述的低频电流测量功率计量装置，其中，所述粉末状芯珠体由铁磁材料构成。
18.根据权利要求15所述的低频电流测量功率计量装置，其中，所述磁通量密度感测装置是霍尔效应装置。
19.根据权利要求15所述的低频电流测量功率计量装置，其中，所述粉末状芯珠体具有大致圆柱形状，其具有穿过珠体的中心孔，使电力线具有穿入孔的第一端并穿过珠体的第一部分和穿出孔的第二端的第二部分，空气腔完全地穿过或部分地穿过珠体的外周缘而嵌入，其中侧壁基本上垂直于周缘。
20.根据权利要求15所述的低频电流测量功率计量装置，还包括：
低频电压传感器，其具有耦合至磁通量密度感测装置的输出连接的输入端子，该低频电压传感器配置为感测由磁通量密度感测装置感测的珠体中的磁通量的低频变化，并且响应于低频可测量的磁通量的出现而输出低频电流测量。
21.根据权利要求15所述的低频电流测量功率计量装置，其中，所述粉末状芯珠体配置成给电力线中的具有从DC至高达20kHz之间的频率的电流提供通过磁通量密度感测装置的可测量的磁通量，可测量的磁通量由配置为响应于低频可测量的磁通量的出现而提供低频电流测量的低频磁通量密度感测装置检测。
22.根据权利要求15所述的低频电流测量功率计量装置，其中，所述粉末状芯珠体具有大致圆柱形状，其具有穿过珠体的中心孔，并且具有在珠体中的空气腔，电力线穿过该中心孔，空气腔仅部分地穿过圆柱形珠形成，留下珠的剩余厚度，其用于保护磁通量密度感测装置免受由于电力线到圆柱体的内边缘的距离的变化而引起的珠中的磁通量大小的变化的影响。
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