CN111630615A - 包括柔性磁芯的开合式电流互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环形开合式电流互感器(10)，用于围绕至少一个电导体，待测量的电流流动通过所述电导体。电流互感器(10)包括磁路(11)和缠绕在磁路(11)上、与所述磁路(11)电绝缘的导电线圈(13)，所述线圈(13)包括单个绕组或串联联接的多个不同绕组。磁路(11)包括由磁性材料制成并且组合以形成股线的一组电线(110)，以使磁路(11)的柔性在所有方向上是一致的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量电流的装置，更具体地说，涉及一种包括配备有柔性环形磁路的电流互感器的测量装置，所述柔性环形磁路可以在电缆上打开和闭合，待测量的电流在所述电缆中循环。
背景技术
罗氏(Rogowski)环形线圈是一种能够测量交流电或高速电流脉冲的空芯电气装置。如图1所示，罗氏绕组1通常由电线2组成，所述电线2包括螺旋缠绕在护套4上的第一部分3和固定至第一部分3的第一端部6的第二部分5，穿过螺旋绕组3的电线2的第二部分5沿着其绕组轴线穿过螺旋绕组的整个轴向长度，并且因此穿过护套4，直到电线2的第一部分3的第二端部7，以使电线2的两个电气端子8和9处于罗氏绕组1的同一端部。
罗氏线圈1位于导体C的周围，希望知道导体C中的电流。绕组中感应的电压与导体中的电流的变化率(导数)成比例。
与其它类型的电流感应器相比，罗氏环形线圈的优势在于其良好的柔性，这主要是因为没有刚性金属芯，而其它电流感应器几乎没有这种特性。这种柔性使得它能够缠绕在一个或多个相导体(conducteurs de phase)上而不受限制。
然而，虽然罗氏类型的柔性开合式环形线圈具有所需的机械特性，但其并不具有适用于所有应用领域的性能，尤其是在GT类型的中性环境(阻抗中性，neutre impédant)使用该感应器时，差分电流的测量通常处于低水平并且具有低频率。
已知的装置具有铁磁芯而非空气芯，这使得该缺点得以减轻。这些已知类型的环形线圈通常包括具有两个刚性部分的磁路，其性能符合应用需要，但不仅有与其体积和刚性有关的缺点，而且还有与两个气隙的存在有关的缺点。为了限制装置中的气隙的影响，已知的是，有必要一方面增加体积，即增加磁路的横截面，并且另一方面抛光气隙的表面。
这种解决方案具有适用于应用领域的性能，但是所有已知装置的刚性和体积妨碍了测量的某些可达性。
专利EP 0 999 565中提出了已知的解决方案。该方案由包括线圈的电流互感器组成，所述线圈缠绕在磁路上，所述磁路由一堆相互自由的扁平条组成，轻轻地保持并固定在每一端部。磁路与线圈电绝缘；互感器配置为：当电流互感器在将要进行电流测量的电导体周围闭合时，将磁路的两个端部连接在一起。
然而，在这种类型的解决方案中，磁路并非在所有主方向上都具有相同的柔性。然而，在所有主方向上缺乏相同的柔性使得测量装置的安装并不容易。
此外，磁条的位移会导致磁芯的表观截面的变化，从而影响性能。然而，控制磁芯截面的恒定性使得在感应器的任何几何构型中实现测量的重复性。
此外，这种类型的装置的精度很低，尤其是对于低强度电流的测量，以至于甚至像检测小于几毫安的电流这样的测量都是不可能的。
基于尼尔(Néel)效应的另一已知的解决方案通过使用由填充有超顺磁性粒子的聚合物制成的磁芯来解决上述问题。
然而，这种解决方案的制造成本很高。
根据文件US5235488还已知一种电流互感器，其包括磁路和缠绕在所述磁路上的线圈，磁路包括卷绕成管状的单根磁线，以形成旨在使电导体穿过其的管子，待测量的电流在该管子中循环。
发明内容
本发明的目的在于通过提出一种配备有磁路的电流互感器来减轻上述不足，所述磁路在所有主方向上同样地柔软，同时保持极低的振幅、低频电流测量性能和低制造成本。
在本发明的一个目的中，提出了一种开合式电流互感器，用于在一个电导体(待测量的电流在所述电导体中循环)上闭合或者在多个电导体(期望测量矢量和的电流在这些电导体中循环)上闭合，所述电流互感器包括磁路和缠绕在磁路上并与磁路电绝缘的导电线圈，所述线圈包括单个绕组或串联联接的多个不同绕组。
根据本发明的一般特征，磁路包括一组磁性材料的电线，这些电线以股线的形式组合在一起。
带有柔性磁芯的装置允许在特别受限或狭窄的位置处的测量点的可达性。以股线形式组合的电线为磁路并且相关地为互感器提供了所有方向上的一致柔性，因此柔性与金属电缆相同。
与具有单个磁线(其缠绕为形成管子，旨在使被测量的导体穿过它)的电流互感器不同的是，本发明包括扭绞在一起以形成磁性电缆的多条不同的电线，导电线圈缠绕在磁性电缆上，所述电缆具有可以连接在一起的两个端部以形成闭合的环形形状，旨在使被测量的电导体穿过它。
根据电流互感器的第一方面，电线的磁性材料可以是具有高磁导率的铁-镍合金，具有至少70％的镍，并且优选78％至81％之间的镍。
在电线间的绝缘、磁场退火和气隙控制方面，适当地实施使用高磁导率磁性材料，使得能够获得高灵敏度和高精度。
高磁导率材料的使用以及精细制造方法的实施还使得能够在精度和灵敏度方面保证提高的电气特性。
根据电流互感器的第二方面，在组装过程中通过甲醇镁或者通过氧化铝(Al2O3)或氧化镁(MgO)粉末来使电线彼此机械隔离，以避免电线之间的粘连。
电线相对于彼此是自由的。因此，所述装置易于变形而不丧失其特性。
根据电流互感器的第三方面，每一电线包括以股线形式扭绞在一起的多个磁性材料的绞合线。
因此，每一电线形成一股磁性材料的绞合线，然后将这些电线扭绞在一起，以一股电线的形式形成磁路电缆。
在电流互感器的第三方面的一个实施方案中，在组装过程中通过甲醇镁或者通过氧化铝(Al2O3)或氧化镁(MgO)粉末来使每一电线的绞合线彼此机械隔离，以避免电线的绞合线之间的粘连。
因此，在每一电线内部，绞合线相对于彼此是自由的，这提高了电缆的柔性特性。
在电流互感器的第三方面的另一实施方案中，每股电线可以具有0.1mm至0.5mm之间的直径，优选为0.20mm的直径。
根据电流互感器的第四方面，所述互感器还可以包括电绝缘的柔性管状内部护套，所述线圈缠绕在所述内部护套上并且磁路压装在所述内部护套中。
根据电流互感器的第五方面，所述互感器还可以包括围绕所述线圈的电绝缘的管状外部护套，以保护线圈免受外部环境以及任何外部电接触和可能的冲击的影响。
根据电流互感器的第六方面，线圈可以包括串联联接的多个不同绕组，至少两个绕组包括漆包导线(即覆盖有电绝缘涂层)并且径向叠加以在相对于线圈的绕组轴线的径向方向形成堆叠。
根据电流互感器的第七方面，所述线圈的至少一个绕组可以包括铜电线，其具有0.2mm至0.8mm之间的直径，并且优选为0.4mm。
线圈的铜线的直径越大，线圈的电感和电阻之间的比值越大，从而越好，这个比值直接影响电流互感器的精度。
根据电流互感器的第八方面，所述互感器可以包括通过棘轮锁定或拧紧的闭合装置。
在本发明的另一目的中，提出了一种电流测量装置，其包括如上所述的开合式电流互感器以及电联接到电流互感器的线圈的处理装置。
附图说明
通过参照附图来阅读以示例方式而非限制的以下内容，将更好地理解本发明，附图中：
-图1(已经描述过)示意性地示出了根据现有技术的罗氏(Rogowski)绕组；
-图2示意性地示出了根据本发明一个实施方案的电流互感器10的局部剥离的局部立体图；
-图3示意性地示出了根据本发明一个实施方案的电流互感器的闭合装置的示意图；
-图4示意性地示出了包括根据本发明一个实施方案的电流互感器的电流测量装置。
具体实施方式
图2示意性地示出了根据本发明一个实施方案的电流互感器10的局部剥离的局部立体图。
电流互感器10具有开合式环形线圈的形状，旨在在一个电导体(待测量的交流或直流电流在所述电导体中循环)上闭合或者在多个电导体(将要测量矢量和的电流在这些电导体中循环)上闭合。
电流互感器10包括插入电绝缘且柔性的管状内部护套12中的磁路11。
磁路11由磁性材料的多条电线110形成，例如，包含15％铁、80％镍和5％钼的合金的电线。在图2所示的实施方案中，磁路11包括七条电线110。七条电线110以股线的形式组合在一起以形成电缆。在其它实施方案中，形成磁路的电缆可以包括两条电线或甚至几十条电线。
每一电线110可以由扭绞在一起的多条磁性材料的绞合线形成。因此，每一电线110形成一股磁性材料的绞合线，并且由电线110形成的每一股与磁路的其它电线110组合以形成一股电线110，从而形成电缆11。
在电线是多股电线的情况下，形成电线110的绞合线由具有80％镍的高磁导率的铁-镍-钼合金制成。电线110可以具有不同尺寸的横截面，例如4.6mm2的截面。
在一个示例性实施方案中，磁路11的电缆可以包括多条电线110，每一电线由多条绞合线形成(每一绞合线具有大约0.2mm的直径)，以形成具有大约0.3cm2的铁截面的电缆。
每一电线110中的绞合线数量和形成磁性电缆11的股线的结构，特别是组成磁路11的电缆的电线110的数量，可以根据磁路11的电缆的所需灵敏度和预期尺寸进行调整。由于其股线结构，电缆11在所有方向都是柔性的。
在机械形成电线110的股线之后，电缆11在还原气体(例如，氢气)中进行高温热处理，以恢复并优化材料的磁性能。在图2所示的本发明的实施方案中获得的本征磁导率高于105。
在对电缆11的热处理阶段进行退火之前，每一电线110在几何上和电气上隔离，以避免热处理期间电线之间的粘连。使用甲醇镁或氧化铝(Al2O3)或氧化镁(MgO)粉末或者其它技术来完成这一隔离操作，其它技术或者通过在形成电缆11的电线110的股线的形成之前直接应用于电线上，或者通过在电线110的股线的形成之后应用于电缆11上。
在电线110是多股电线的情况下，换句话说，当每一电线110由扭绞在一起的多条绞合线形成时，在形成电缆11之前或甚至在形成电缆11之后，在形成电线之前或形成电线110之后，在绞合线上完成隔离操作，该处理是这样一种化学处理：即使在电缆已经形成之后，也可以通过毛细管作用到达股线的整个表面。因此，每股的隔离允许绞合线之间的滑动，从而改善电缆11的柔性特性。
在热处理之后，电缆11被切割至期望的长度，然后具有两个端部111和112。电缆11的两个端部111和112被压接，以将电线110保持在一起。当电流互感器10闭合时，端部111和112的两个截面将面向彼此并接触，特别地如图3和图4所示，以形成闭合的磁路。对电缆11的端部111和112的两个截面进行抛光以优化气隙，同时确保良好的粗糙度、良好的平行度以及从磁角度来看干扰最小的区域。
管状内部护套12形成套管，磁路11(即电缆)轴向(即沿着护套12的旋转轴线)穿过。内部护套12是绝缘材料的管，其强度足以支撑直径(特别地)在0.20mm至0.8mm之间的铜线圈，同时具有足够的柔性以保持电缆11的柔性。
在一个示例性实施方案中，内部护套12可以是PVC管、
管或其它材料的管，其内径在10mm到25mm之间并且壁厚在1mm到2mm之间。
电流互感器10还包括导电线圈13。内部护套12形成线圈13的线圈支撑件。线圈13由在磁路11的整个长度上来回缠绕在内部护套12上的铜线构成。换句话说，线圈13首先从电缆的第一端部111缠绕到电缆11的第二端部112，然后从电缆11的第二端部112缠绕到电缆11的第一端部111。铜线的包漆可以使电线绝缘并且避免任何短路，特别是避免在叠加的部分之间的短路。
在一种变化形式中，线圈13可以包括串联联接在一起的多个铜绕组。
线圈13具有第一端部131以及与第一端部131相对的第二端部132。线圈13来回缠绕在内部护套12上，线圈13的第一端部131和第二端部132位于电缆11的同一端部，这一端部在图4所示的示例中是电缆11的第一端部111。
在一个示例性实施方案中，线圈13可以包括在长度上有规律地来回缠绕在内部护套12上的1000匝，该长度可以根据初级导体的尺寸进行调整并且可以在200mm到2000mm之间，以在电流互感器10闭合之后构成直径在70mm到700mm之间的环。
线圈13的铜线的直径越大，线圈的电感和电阻之间的比值越大，从而越好，这一点对于电流互感器10的精度至关重要。
电流互感器10还包括电绝缘的管状外部护套14。外部护套14压装在包括电缆11、内部护套12和线圈13的组件上，以包围线圈13并使其与电流互感器10的外部电气环境绝缘。
图3示意性地示出了根据本发明一个实施方案的用于闭合电流互感器10的装置15的示意图。
如图3所示，在本实施方案中，电流互感器10还包括用于通过棘轮锁定来闭合的装置15，包括安装在电流互感器10的第一端部101上的凸出部150和与凸出部150互补并安装在与电流互感器10的第一端部101相对的电流互感器10的第二端部102上的凹入部155。电缆11的第一端部111和线圈13的第一端部131和第二端部132位于电流互感器10的第一端部101，而电缆11的第二端部112位于电流互感器10的第二端部102。凹入部155包括形成在凹入部155的管的径向内表面上的管状形状且环形的槽156。凸出部150包括配置为插入凹入部155的管状形状中的圆柱形形状。凸出部150还包括圆形锯齿，其配置为与凹入部155的槽156配合以闭合电流互感器10。
在另一个实施方案中(未示出)，电流互感器可以包括通过拧紧来闭合的装置。
通过测量磁导率来评估组件的质量：使用足够刚性的闭合装置，组装的开路的磁导率可以在15000到20000之间。闭合装置15使得感应器易于打开，无需特殊工具。
图4示意性地示出了一种用于测量电流的装置，该装置包括开合式环形电流互感器10和电联接到线圈13的两个端部131和132的处理装置16。处理装置16允许接收电流互感器10的线圈13中感应的电流，因此完成对通过电导体的电流的测量，电流互感器10围绕所述电导体而闭合。
因此，本发明提供了一种罗氏类型的电流互感器以及配备有这种类型的电流互感器的测量装置，该电流互感器配备有在所有主方向上同样地柔性的磁路，同时保持极低振幅、低频电流测量性能和低制造成本。
Claims (12)
1.一种开合式电流互感器(10)，用于在至少一个电导体上闭合，待测量的电流在所述电导体中循环，电流互感器(10)包括磁路(11)和缠绕在磁路(11)上并与磁路(11)电绝缘的导电线圈(13)，所述线圈(13)包括单个绕组或串联联接的多个不同绕组，
其特征在于，所述磁路(11)包括一组磁性材料的电线(110)，电线(110)以股线的形式扭绞在一起，以形成在磁路(11)的所有方向上具有一致柔性的电缆。
2.根据权利要求1所述的电流互感器(10)，其中，电线的磁性材料是具有高磁导率的铁-镍合金，具有至少70％的镍，并且优选78％至81％的镍。
3.根据权利要求1或2所述的电流互感器(10)，其中，电线(110)在组装过程中，通过甲醇镁或者通过氧化铝或氧化镁粉末在几何上和电气上彼此隔离，以避免电线(110)之间的粘连。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电流互感器(10)，其中，每一电线(110)包括以股线形式扭绞在一起的多条磁性材料的绞合线。
5.根据权利要求4所述的电流互感器(10)，其中，每一电线(110)的绞合线在组装过程中，通过甲醇镁或者通过氧化铝或氧化镁粉末在几何上和电气上彼此隔离，以避免电线(110)的绞合线之间的粘连。
6.根据权利要求4或5所述的电流互感器(10)，其中，电线(110)的每一绞合线具有0.1mm至0.5mm之间的直径，并且优选为0.20mm。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的电流互感器(10)，其还包括电绝缘的柔性管状内部护套(12)，所述线圈(13)缠绕在所述内部护套(12)上并且磁路(11)压装在所述内部护套(12)中。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的电流互感器(10)，其还包括围绕所述线圈(13)的电绝缘的管状外部护套(14)。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的电流互感器(10)，其中，线圈(13)包括串联联接的多个不同绕组，至少两个绕组包括电绝缘导线并且径向叠加，以在相对于线圈(13)的绕组轴线的径向方向形成堆叠。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的电流互感器(10)，其中，所述线圈(13)的至少一个绕组包括铜电线，其具有0.1mm至0.8mm之间的直径，并且优选为0.4mm。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的电流互感器(10)，其包括通过棘轮锁定或拧紧的闭合装置。
12.一种用于电流的测量装置，其包括根据权利要求1至11中的任一项所述的开合式电流互感器(10)以及电联接到电流互感器(10)的线圈(13)的处理装置(16)。
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