CN112415249A - 一种零磁通电流互感器和误差调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种零磁通电流互感器和误差调制方法，包括环形磁芯、原边线圈N1、采样线圈N3、副边线圈N2、采样单元、可控电流源和主控单元；本发明基于误差调制原理，通过补偿励磁电流消除电流累计误差，使磁芯处于零磁通状态，实现了电流互感器的磁性误差为零，使测量结果具有较高的精度。本发明只需要一个磁芯，对磁芯的材质和横截面要求较低，减小了互感器的重量和体积。

Description

一种零磁通电流互感器和误差调制方法
技术领域
本发明属于电流互感器技术领域，具体涉及一种零磁通电流互感器和误差调制方法。
背景技术
电流传感器作为第一级采样单元广泛应用于电气设备绝缘在线监测装置中。电流传感器依据测量原理不同，主要可分为：分流器、电磁式电流互感器、光电式电流互感器等。分流器需要直接串接在电气设备接地线中，对电气设备、电力系统和工作人员都有安全隐患；光电式电流互感器在强电磁干扰的电力系统中测量微弱的泄漏电流线性度差、精度低，技术不成熟。因此目前电力系统中主要使用的还是电磁式电流互感器。
电磁式电流互感器基于电磁感应原理，初级线圈内交变电流在其周围空气或其他磁导体内产生变化的磁场，该磁场在与其交链的次级线圈中感应出电动势，当次级线圈闭合时便形成电流，该电流与初级线圈的电流呈现一定的比例关系，通过检测次级线圈的电流就能得到初级线圈电流的信息。这种电流互感器的误差主要来源于励磁电流，因此，为了提高电流互感器的精度性能，根本上要降低电流互感器的励磁电流。降低电流互感器的励磁电流可以从优化电流互感器的结构参数入手，如增大磁芯截面积和减小磁路长度、选用高导磁率的磁芯和增大二次绕组匝数等。但励磁电流仍然存在，电流互感器的误差无法从理论上消除，因此学者们围绕消除电流互感器的励磁电流带来的误差，提出了对电流互感器进行补偿的各种方法，目的是使电流互感器中的励磁电流为零，磁心处于“零磁通”状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种零磁通电流互感器和误差调制方法，用于实现磁芯的完全零磁通。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种零磁通电流互感器，包括环形磁芯、原边线圈N1、采样线圈N3、副边线圈N2、采样单元、可控电流源和主控单元；原边线圈N1、采样线圈N3和副边线圈N2环绕在磁芯上；原边线圈N1串联在待测电路中，采样线圈N3与采样单元串联，副边线圈N2与可控电流源串联；采样单元的信号输出端连接主控单元的信号输入端；主控单元的信号输出端连接可控电流源的信号输入端；原边线圈N1用于流过待测电流I1；采样线圈N3用于产生感应电流IX；副边线圈N2用于流过补偿电流I2；采样单元用于检测感应电流IX；主控单元用于接收和处理采样单元的信号、计算电流累计误差，并向可控电流源发送误差信号和控制信号；可控电流源用于根据控制信号向副边线圈N2提供补偿电流I2。
按上述方案，环形磁芯为闭合的圆环，截面为矩形，采用高导磁率材料。
按上述方案，还包括恒定电阻；恒定电阻串联在采样线圈N3中，采样单元的信号输入端并联在恒定电阻的两端，用于采集恒定电阻两端的电压，并通过恒定电阻的阻值换算感应电流IX。
按上述方案，采样单元采用受主控单元控制且与主控单元同步的时钟；采样单元采用高位数的数模转换电路。
按上述方案，可控电流源采用由低压直流供电的数控逆变器。
按上述方案，主控单元采用32位单片机或数字信号处理器。
按上述方案，还包括显示单元，显示单元的信号输入出端连接主控单元的信号输出端；显示单元用于显示感应电流IX的值。
进一步的，显示单元采用数码管或液晶显示屏。
一种零磁通电流互感器的误差调制方法，包括以下步骤：
S1：上电后，原边线圈N1的待测电流I1产生变化的磁通，在采样线圈N3产生感应电势及感应电流IX；
S2：采样单元通过恒定电阻采样、计算感应电动势或感应电流IX，并发送给主控单元；
S3：主控单元根据收到的感应电动势或感应电流IX计算电流累计误差，并将误差信号发送给可控电流源；
S4：可控电流源根据收到误差信号输出补偿电流I2，从步骤S2循环直至电流累计误差为亿分之一量级使磁芯处于零磁通状态。
10.一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求9中所述的一种零磁通电流互感器的误差调制方法。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种零磁通电流互感器和误差调制方法，通过补偿励磁电流消除电流累计误差，实现了磁芯的完全零磁通。
2.本发明实现了磁性误差为零，大大提高了电流互感器测量精度。
3.本发明只需一个磁芯，对磁芯的材质和横截面要求较低，减小了互感器的重量和体积。
附图说明
图1是本发明实施例的功能框图。
图2是本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明的实施例包括一个环形磁芯、环绕在磁芯上的两个线圈、采样单元及可控电流源、主控单元和显示单元。
环形磁芯的截面为矩形的圆环状磁芯，可制作成开环形式或闭环形式，但建议选择闭环形式，用于消除磁芯气隙的影响，提高传感器测量精度。环形磁芯材质选择为高导磁率材料，如铁氧体。环形磁芯在考虑装置重量的情况下截面应尽量大，以提高互感器装置的电磁转换灵敏度和准确度。
环绕在磁芯上的两个线圈包括一个电流采样线圈和一个副边线圈。原边线圈为待测电流所在导线，电流采样线圈上感生的磁动势在该线圈回路中产生的电流与磁芯中磁通大小有关，且磁芯中磁通越大，该线圈回路中产生的电流越大，但两者并不服从线性关系。副边线圈电流源于可控电流源，即副边线圈与可控电流源单元通过电气连接。电流采样线圈和副边线圈匝数由主控单元换算系数和恒定电阻阻值等因素确定，但匝数不宜过少。
采样单元的作用是采集电流采样线圈的电流信息，具体实现为在电流采样线圈回路中串联一个恒定电阻，采样单元的输入端口与该恒定电阻并联，即采集恒定电阻上电压，通过恒定电阻阻值可换算出回路电流。采样单元时钟与主控单元相同，且启停受主控单元控制。采样单元测得电流值之后，将该电流信息传输给主控单元，即采样单元与主控单元之间为信号连接。采样单元根据所选择的主控芯片的不同，当主控芯片具有模拟量采集功能时，采样单元可以合并在主控单元部分。采样单元应尽量选择高位数数模转换芯片，以提高采样结果精度。
可控电流源为采用电力电子元件的数控逆变器，受主控单元控制，采用低压直流供电。
主控单元为32位单片机或DSP，输入I/O口与采样单元的输出相连，输出I/O口与可控电流源相连。主控单元承担采样控制、误差累计计算，可控电流源逆变控制和数字显示或信号传输等任务。
显示单元为数码管或液晶显示屏，由主控单元控制显示所测电流示数。
参见图2，本发明基于误差调制原理，通过补偿励磁电流使磁芯处于零磁通状态，测量结果具有较高的精度。初级线圈N1的待测电流I1产生变化的磁通在检测绕组N3产生感应电势及感应电流IX，通过对感应电动势或感应电流IX的采样和计算得到感应电动势或感应电流IX的信息，可控电流源的电流I2在互感器开始工作前为零，第一份误差信号输入时可控电流源动作，使输出电流I2改变。随着采样的进行，互感器误差将以指数规律下降。当该互感器工作三个采样周期之后，互感器误差可以下降到亿分之一量级，此时磁芯将处于零磁通状态。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种零磁通电流互感器，其特征在于：包括环形磁芯、原边线圈N1、采样线圈N3、副边线圈N2、采样单元、可控电流源和主控单元；
原边线圈N1、采样线圈N3和副边线圈N2环绕在磁芯上；原边线圈N1串联在待测电路中，采样线圈N3与采样单元串联，副边线圈N2与可控电流源串联；采样单元的信号输出端连接主控单元的信号输入端；主控单元的信号输出端连接可控电流源的信号输入端；
原边线圈N1用于流过待测电流I1；
采样线圈N3用于产生感应电流IX；
副边线圈N2用于流过补偿电流I2；
采样单元用于检测感应电流IX；
主控单元用于接收和处理采样单元的信号、计算电流累计误差，并向可控电流源发送误差信号和控制信号；
可控电流源用于根据控制信号向副边线圈N2提供补偿电流I2。
2.根据权利要求1所述的一种零磁通电流互感器，其特征在于：环形磁芯为闭合的圆环，截面为矩形，采用高导磁率材料。
3.根据权利要求1所述的一种零磁通电流互感器，其特征在于：还包括恒定电阻；恒定电阻串联在采样线圈N3中，采样单元的信号输入端并联在恒定电阻的两端，用于采集恒定电阻两端的电压，并通过恒定电阻的阻值换算感应电流IX。
4.根据权利要求1所述的一种零磁通电流互感器，其特征在于：采样单元采用受主控单元控制且与主控单元同步的时钟；采样单元采用高位数的数模转换电路。
5.根据权利要求1所述的一种零磁通电流互感器，其特征在于：可控电流源采用由低压直流供电的数控逆变器。
6.根据权利要求1所述的一种零磁通电流互感器，其特征在于：主控单元采用32位单片机或数字信号处理器。
7.根据权利要求1所述的一种零磁通电流互感器，其特征在于：还包括显示单元，显示单元的信号输入出端连接主控单元的信号输出端；显示单元用于显示感应电流IX的值。
8.根据权利要求7所述的一种零磁通电流互感器，其特征在于：显示单元采用数码管或液晶显示屏。
9.基于权利要求1至8中任意一项所述的一种零磁通电流互感器的误差调制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：上电后，原边线圈N1的待测电流I1产生变化的磁通，在采样线圈N3产生感应电势及感应电流IX；
S2：采样单元通过恒定电阻采样、计算感应电动势或感应电流IX，并发送给主控单元；
S3：主控单元根据收到的感应电动势或感应电流IX计算电流累计误差，并将误差信号发送给可控电流源；
S4：可控电流源根据收到误差信号输出补偿电流I2，从步骤S2循环直至电流累计误差为亿分之一量级使磁芯处于零磁通状态。
10.一种计算机存储介质，其特征在于：其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求9中所述的一种误差调制方法。
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