CN112881779A - 一种高灵敏度阵列式无源雷电流传感器 - Google Patents

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张紫嫣
王景琦
江雪玲
曹中清
华强
董龙飞
李林峰
徐航
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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其包括U形管，U形管上端与封盖可拆卸地连接，封盖与U形管构成对称的环形管，环形管呈倒圆角的正方形结构；U形管外侧壁和封盖相邻的侧面上设置有若干抵接块；环形管内部均布有若干磁电结构；磁电结构间的位置处设置有磁汇聚器，磁汇聚器间结构相同且相互对称；磁电结构包括两个相互重叠的磁致伸缩片，磁致伸缩片中间设置有压电片。本发明能够解决现有技术中测量室外雷电流的装置灵敏度不足的问题，无需外部电源即可完成测量；使用开合式可拆卸结构解决了现有安装后不可拆卸的难题；利用阵列式结构，并结合组合式磁汇聚器提高了传感器性能；结构简单、可靠性强、准确性好。

Description

一种高灵敏度阵列式无源雷电流传感器
技术领域
本发明涉及一种电流测量装置，具体涉及一种高灵敏度阵列式无源雷电流传感器。
背景技术
对于固定设置于室外的电气设施而言，雷电流是影响线路正常运行的主要因素，因此雷电流的测量，对于降低其影响尤为关键。雷电流属于微秒级的脉冲电流，因而对传感器的测量精度有较高的要求。
罗氏线圈是基于电磁感应原理的电流传感器，是目前应用最为广泛的暂态电流传感器。其结构主要为线圈和积分回路。
用罗氏线圈测量雷电流具有较高的精度，但是整个检测系统成本比较昂贵，感应信号的幅值偏低，且响应速度较差；为了保持良好的稳定性，积分器对电阻的精密度要求很高。罗氏线圈工作需要外部电源。
带磁芯的罗氏线圈灵敏度更高，但是容易达到磁饱和，为防止产生饱和磁芯通常都很大，因此造成传感器的结构大，重量重，安装和维护等方面不易。
不带磁芯的线圈体积小、重量轻，但是由于线圈本身自积分条件不足，易产生低频失真。且罗氏线圈在工作时，需要外部电源供电，不易于安装维护。
发明内容
本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中测量室外雷电流的装置灵敏度不足的问题的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器。
为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：
提供了一种高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其包括U形管，U形管上端与封盖可拆卸地连接，封盖与U形管构成对称的环形管，环形管呈倒圆角的正方形结构；
所述U形管外侧壁和封盖相邻的侧面上设置有若干抵接块；
所述环形管内部均布有若干磁电结构；磁电结构间的位置处设置有磁汇聚器，磁汇聚器间结构相同且相互对称；
所述磁电结构包括两个相互重叠的磁致伸缩片，磁致伸缩片中间设置有压电片，压电片的上下端面分别通过引线与外部连接。
本发明提供的上述高灵敏度阵列式无源雷电流传感器的主要有益效果在于：
本发明通过设置磁电结构，当导线上有雷电流通过时，会在导线周围形成环形磁场，磁电结构上的磁致伸缩片受磁场作用发生形变，且该形变随磁场增加而增大，并通过界面耦合将形变传递至压电片上，压电片由于形变而产生沿厚度方向的极化，进而在压电片上下端面上产生电势差，通过输出该电势差并经过信号处理，即可实现对雷电流或脉冲电流的测量，无需外部电源，节省能源，安装方便灵活；且由于直接测量到的电势差远小于导线上的瞬时电流峰值，因此，能有效保证测量设备不被电流击穿，从而保证测量的有效性和准确性。
通过在U形管和封盖内设置多个磁电结构，构成阵列式布局，并处于与导线同圆心的圆上，各磁电结构距离导线距离相等，因此所感应到的磁场强度相等，通过磁机电耦合所产生的电势在理论上为相等。
在实际测量中，对各磁电结构的输出电压进行处理后取平均，便可完成对脉冲电流的测量，且通过考虑不同位置的误差因素，如偏心误差等，从而提高了传感器的测量准确度。
由磁路定理，在电动势一定时，磁阻越小，磁通量越大，而磁导率与磁阻互为相反数；通过在磁电结构间设置磁汇聚器，利用磁汇聚器远高于空气的磁导率，极大减少磁电结构间的磁阻，从而显著增加磁电结构上通过的磁通量和磁感应强度，进而增强磁致伸缩片的形变量，增加了输出的电势差大小，从而显著提高了传感器的灵敏度。
且由于封盖管和U形管间为可拆卸的结构，从而可以方便地安装于任意待测量的导线位置，有效保证测量的最佳效果，避免因为安装位置限制导致准确性和可靠性不足的限制。同时，通过设置方便拆卸的结构，还便于后期维护。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的剖视图。
图3是有无磁汇聚器时磁电结构处的磁通密度对比图。
其中，1、环形管，11、U形管，12、封盖管，13、卡扣，14、凸缘，15、抵接块，16、支架，2、磁电结构，21、磁致伸缩片，22、压电片，23、磁汇聚器，3、导线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，其为高灵敏度阵列式无源雷电流传感器的结构示意图。
本发明的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器包括U形管11，U形管11上端与封盖12可拆卸地连接，封盖12与U形管11构成对称的环形管1。通过将传感器拆分为U形管11和封盖12的组合，从而将导线3放置于U形管11与封盖12之间的空腔内，减小导线3与测量结构之间的距离，提高测量精度。
环形管1为带倒圆角的正方形结构，以便于安装内部结构。
U形管11外侧壁和封盖12相邻的侧面上设置有若干抵接块15，通过抵接块15与导线3配合连接。
如图2所示，环形管1内部均布有若干磁电结构2。磁电结构2包括两个相互重叠的磁致伸缩片21，磁致伸缩片21中间设置有压电片22。磁致伸缩片21的材质为磁致伸缩材料，压电片22的材质为压电材料。
磁电结构2间的位置处设置有磁汇聚器23，磁汇聚器23间结构相同且相互对称。
优选的，磁致伸缩片21和压电片22的长度相同，以保证测量的准确性。
进一步地，磁电结构2的长度小于磁汇聚器23间空隙的长度，以提供磁致伸缩片21的结构变化空间。
具体的，磁电结构2呈条形。磁电结构2有四个，其中三个位于U形管11内，另外一个位于封盖12内；相邻的磁电结构2间相互垂直，以保证测量结构的准确性，减少因为位置和角度因素造成的误差。
压电片22的上下端面分别通过引线与外部连接，以输出电势差。
磁电结构2通过支架16固定设置于U形管11和封盖12内位于外侧的侧壁上，且各磁电结构2到环形管1的中心轴的距离相等。即各磁电结构2位于一个环形管1中心轴所在的同心圆上，由此，使各磁电结构2间产生的电势差在理论上为相同值。
磁致伸缩片21和压电片22间通过不导电胶体材料粘接，以避免影响压电片22变化与导线4瞬时电流的相关性，从而保证测量的准确性。
磁汇聚器23为设置于环形管1四角的L形结构。优选的，磁汇聚器23为硅钢块或其他高磁导率的材料，以利用硅钢的高磁导率。
抵接块15共有四个且与磁电结构2所在位置相对应。抵接块15为橡胶材质的环状结构，以适应不同尺寸的导线3，保证夹持的稳定性。
封盖12上设置有卡扣13，U形管11上设置有与卡扣13配合的凸缘14，从而实现封盖12与U形管11间的可拆卸连接。
U形管1的材质为铝制材料，从而屏蔽外部电场，使磁场可以正常分布，避免对测量造成影响。
下面是本发明的工作原理说明：
磁电结构2的磁电效应，可以表示为：
MEeffect＝(electric/mechanical)*(mechanical/magnetic)，
其中，ME为磁电材料，MEeffct为其对应的磁电效应，electric为电流作用，mechanical为机械形变作用，magnetic为磁性作用，由此，对于特定的磁电材料，在MEeffct固定的情况下，瞬时电流越大，产生的磁场越强。
当导线3上有雷电流或脉冲电流通过时，会在导线3周围形成环形磁场，磁电结构2上的磁致伸缩片21受磁场作用发生形变，且该形变随磁场增加而增大，并通过界面耦合将形变传递至压电片21上，压电片21由于上下两侧边的形变不同而发生形状变化，进而产生沿厚度方向的极化，从而在压电片21上下端面上产生电势差。
雷电流属于瞬态脉冲电流，整个波形分为上升区和下降区。当雷电流处于上升区，导线3周围磁场增大，传感器的输出电压随之增大；当雷电流到达峰值，传感器的输出电压也达到最大值；雷电流处于下降区，导线3周围磁场减小，传感器输出电压随之减小。磁电结构2的输出电势差会随电流大小变化，且跟随雷电流波形而变化，因此，通过输出该电势差并经过信号处理，即可实现对雷电流或脉冲电流的测量。
通过将四个磁电结构2呈阵列状排布在载流导线3周围，并处于与导线3同圆心的圆上，四个磁电结构2与导线3间的距离相等，因此所感应到的磁场强度相等，通过磁机电耦合所产生的电势在理论上为相等。
在实际测量中，对四个磁电结构2的输出电压进行处理后取平均，便可完成对脉冲电流的测量，且通过考虑不同位置的误差因素，如偏心误差等，显著提高了传感器的测量准确度。
其提高测量精度的原理为：
由磁路定理Φ＝F/Rm得，磁动势F一定时，磁阻Rm越小，磁通量Φ越大。由于在同一磁路中，磁电结构2的磁导率远远大于空气的磁导率，而磁阻与磁导率互为倒数，空气的磁阻远大于磁电结构2的磁阻。
已知空气磁导率可近似为1，本发明所采用的磁汇聚器23的材料为硅钢，其磁导率为10000。由Rm＝1/u，即磁阻和磁导率互为倒数，磁导率越大磁阻越小，材料处的磁通越大，相较不设置磁汇聚器且不采用阵列式结构而仅采用磁电结构2的脉冲电流传感器，本方案通过磁汇聚器23使磁路中磁阻减小约10000倍，从而有效提高了磁电结构2中的磁通密度，从而显著提高了传感器的测量灵敏度。如图3所示，通过试验可知，本装置相对于比无磁汇聚器23时的磁通密度模高出0.05T，相当于无磁汇聚器时的六倍，大大的增强了磁电结构2上的磁感应强度，从而提高传感器的灵敏度。
进一步地，由于直接测量到的电势差远小于导线3上的瞬时电流峰值，因此，能有效保证测量设备不被电流击穿，从而保证测量的有效性和准确性。
上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其特征在于，包括U形管，U形管上端与封盖可拆卸地连接，封盖与U形管构成对称的环形管，环形管呈倒圆角的正方形结构；
所述U形管外侧壁和封盖相邻的侧面上设置有若干抵接块；
所述环形管内部均布有若干磁电结构；磁电结构间的位置处设置有磁汇聚器，磁汇聚器间结构相同且相互对称；
所述磁电结构包括两个相互重叠的磁致伸缩片，磁致伸缩片中间设置有压电片，压电片的上下端面分别通过引线与外部连接。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其特征在于，所述磁电结构呈条形。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其特征在于，所述磁电结构有四个，其中三个位于U形管内，另外一个位于封盖内；相邻的磁电结构间相互垂直。
4.根据权利要求3所述的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其特征在于，所述磁电结构通过支架固定设置于U形管和封盖内位于外侧的侧壁上，且各磁电结构到环形管的中心轴的距离相等。
5.根据权利要求4所述的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其特征在于，所述磁致伸缩片和压电片间通过不导电胶体材料粘接。
6.根据权利要求3所述的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其特征在于，所述磁汇聚器为设置于环形管四角的L形结构。
7.根据权利要求6所述的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其特征在于，所述磁汇聚器为硅钢块。
8.根据权利要求7所述的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其特征在于，所述抵接块共有四个且与磁电结构所在位置相对应；抵接块为橡胶材质的环状结构。
9.根据权利要求1所述的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其特征在于，所述封盖上设置有卡扣，U形管上设置有与卡扣配合的凸缘。
10.根据权利要求1所述的高灵敏度阵列式无源雷电流传感器，其特征在于，所述U形管的材质为铝制材料。
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