CN112881943A - 一种基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，包括卡扣式电流采集环和电流传感器；卡扣式电流采集环包括卡环本体，卡环本体上表面设置有汇流导线，下表面设置有聚流金属环，汇流导线通过若干引流线与聚流金属环导通；电流传感器包括卡扣式传感部分和电流传感芯片部分，汇流导线穿过卡扣传感部分，电流传感芯片部分通过若干个电气连接端口与外界相连。本发明提出一种基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，通过使用开口式聚磁环结构，形成穿心式电流传感器结构，可直接测量绝缘子中泄漏电流大小，为传感器现场安装提供极大的使得性。同时使用隧道磁阻芯片提升测量灵敏度，降低噪声，减小传感器体积，实现工程安装便捷性与泄漏电流准确性测量的解决方案。

Description

一种基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种电流测量与评估方法，尤其是一种基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置。

背景技术

绝缘子是电力系统中重要的耐压装置与连接部件，通常由玻璃或陶瓷制成，在架空输电线路中起着支撑导线与防止电流回地的重要作用。当现场产生环境湿度变化、绝缘子表面污秽过多、覆冰现象时，绝缘子表面附着的污秽物质会增加导电能力，使其绝缘性能下降，当绝缘子遭遇过电压时会发生闪络现象，长期闪络将会造成事故性停电。当前用电量大幅增长，电压等级一再提升，增大了闪络事故发生的范围及次数。

为减少污闪现象的发生，电力部分以定期检查、维修的方式来对电力装置进行监督与维护，同时，应用在线监测技术对绝缘子运行状态进行实时监测，通过分析从绝缘子上获得的信息监测绝缘子性能，提升检测效率。

目前针对绝缘子污闪监测的技术手段有五种，分别为：污层电导率法、等值盐密法、绝缘子污闪梯度法、脉冲计数和最大泄漏电流法。

其中，最大泄漏电流法是监测绝缘子表面污闪时所产生的泄漏电流(一般为μA-mA级)，绝缘子表面产生的污秽会极大降低绝缘子的绝缘性能，当绝缘子性能下降后，绝缘子泄漏电流幅值会出现增加的现象，通过监测绝缘子表面泄漏电流的最大值，可以反映绝缘子当前接近闪络的程度；同时，当绝缘子将发生污闪时，其表层电流幅值将会突增，可以根据绝缘子泄漏电流幅值以及谐波信号来分析绝缘子的运行状态，判断是否积污严重。因此，泄漏电流监测是保障绝缘子运行可靠性的重要技术手段。

目前，泄漏电流监测的方法有多种，根据其在绝缘子上的安装方式可分为两类，一种是在绝缘子上使用引流环结构，汇集并导出绝缘子上的泄漏电流，测量方法可以使用互感器，也可以使用带铁芯式的传感器测量；另一种是直接在绝缘子中使用穿心结构测量泄漏电流，穿心结构可以为开口式，也可以为闭口式。如，基于移动通信系统的穿心式电流传感器、基于工频微电流监测的电流传感器、通过引流设备获得泄漏电流特征量的在线监测系统等。

综上所述，现有绝缘子泄漏电流的测量方法多采用互感器形式，泄漏电流特征量的设定较为单一，无法进行电流的宽带测量。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，本发明为灵敏度高、功耗低、易于安装、宽频带、宽动态范围的新型磁场/电流传感装置，可满足泄漏电流监测中传感器的高精度、小型化、高可能性设计需求，优于当前针对泄漏电流这一微弱电流监测的其它装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，包括：

卡扣式电流采集环，所述卡扣式电流采集环包括卡环本体，所述卡环本体上表面设置有汇流导线，下表面设置有聚流金属环，汇流导线通过若干引流线与聚流金属环导通；

电流传感器，所述电流传感器包括卡扣式传感部分和电流传感芯片部分，所述汇流导线穿过卡扣传感部分，电流传感芯片部分通过若干个电气连接端口与外界相连。

本发明进一步的改进在于：

所述卡环本体上开设有卡槽，汇流导线设置于卡槽内。

所述汇流导线通过若干导线紧固件固定在卡槽内。

所述导线紧固件为跨接垫片，所述跨接垫片通过螺丝与卡环本体固定连接，进而将汇流导线压紧在卡槽内。

所述聚流金属环为裸露金属环，固定于卡环本体的底部。

所述聚流金属环通过焊接、粘接或螺栓固定的方式固定在卡环本体的底部。

所述引流线为螺栓，所述螺栓向上贯穿汇流导线的绝缘外层，并于汇流导线的金属线芯相接触，螺栓下部与聚流金属环相接触，进而将汇流导线与聚流金属环导通。

所述卡环本体、聚流金属环、汇流导线均为开环设计，卡环本体通过紧固螺丝将开环部分的两端固定，电流传感器位于卡环本体的开环连接处。

所述电流传感器为隧穿磁阻电流传感器，包括卡扣式聚磁结构和隧穿磁阻电流传感芯片，卡扣式聚磁结构包括两个半圆环结构，扣合时中部为能够使汇流导线通过的通孔；隧穿磁阻电流传感芯片设置于其中两个半圆环结构开口连接处的腔体中，若干个电气连线端口设置于该半圆环结构的侧面，所述若干个电气连接端口分别为正电源接线端口、负电源接线端口、信号输出端口、地端口。

其中一个半圆环结构的底部设置开合铰链，所述开合铰链的两端与半圆环结构底部伸出的安装耳通过紧固螺钉固定连接，用于将电流传感器套装于卡环本体的紧固螺丝上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出一种基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，通过使用开口式聚磁环结构，形成穿心式电流传感器结构，可直接测量绝缘子中泄漏电流大小，为传感器现场安装提供极大的使得性。同时使用隧道磁阻芯片提升测量灵敏度，降低噪声，减小传感器体积，实现工程安装便捷性与泄漏电流准确性测量的解决方案。本发明针对绝缘子泄漏电流监测需求，实时感知设备运行状态，利用TMR芯片高灵敏度的特性，实现一种利用单TMR芯片测量电流的方法。同时本发明可适配不同线径的导线，大大提高该方法的通用性，拓展本发明的应用空间及场景。

进一步的，本发明卡环本体、聚流金属环、汇流导线都为开环设计，可以方便安装，并适配不同直径的绝缘子支柱。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明传感器部分的结构示意图；

图3为本发明绝缘子安装位置的结构示意图；

图4为本发明隧道磁阻芯片的磁场敏感方向的示意图。

其中：1-卡环本体；2-汇流导线；3-引流线；4-电流传感器；5-导线紧固件；6-电气连接端口；7-紧固螺丝；8-卡扣式聚磁结构；9-开合铰链；10-紧固螺钉。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明实施例公开了一种基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，包括卡扣式电流采集环和电流传感器4。

如图1所示，卡扣式电流采集环包括卡环本体1，卡环本体1上表面设置有汇流导线2，下表面设置有聚流金属环，汇流导线2通过若干引流线3与聚流金属环导通；卡环本体1上开设有卡槽，汇流导线2设置于卡槽内。汇流导线2通过若干导线紧固件5固定在卡槽内。导线紧固件5为跨接垫片，跨接垫片通过螺丝与卡环本体1固定连接，进而将汇流导线2压紧在卡槽内。聚流金属环为裸露金属环，固定于卡环本体1的底部。聚流金属环通过焊接、粘接或螺栓固定的方式固定在卡环本体1的底部。引流线3为螺栓，螺栓向上贯穿汇流导线2的绝缘外层，并于汇流导线2的金属线芯相接触，螺栓下部与聚流金属环相接触，进而将汇流导线2与聚流金属环导通。卡环本体1通过紧固螺丝7将圆环状的卡环本体1固定，电流传感器4位于卡环本体1两端的连接处。

如图2所示，电流传感器4包括卡扣式传感部分和电流传感芯片部分，汇流导线2穿过卡扣传感部分，电流传感芯片部分通过四个电气连接端口6与外界相连。电流传感器4为隧穿磁阻电流传感器，包括卡扣式聚磁结构8和隧穿磁阻电流传感芯片，卡扣式聚磁结构8包括两个半圆环结构，扣合时中部为能够使汇流导线2通过的通孔；隧穿磁阻电流传感芯片设置于两个半圆环结构开口连接处的腔体中，四个电气连线端口设置于该半圆环结构的侧面，四个电气连接端口6分别为正电源接线端口、负电源接线端口、信号输出端口、地端口，四个电气连接端口仅为举例示意，也可增加或减少端口。其中一个半圆环结构的底部设置开合铰链9，开合铰链9的两端与半圆环结构底部伸出的安装耳通过紧固螺钉10固定连接，用于将电流传感器4套装于卡环本体1的紧固螺丝7上。

本发明的结构原理：

本发明拟在高电压架空输电线路绝缘子(耐张绝缘子、悬垂绝缘子、支柱绝缘子)端部进行泄漏电流测量。主体分为两部分，卡扣式电流采集环和隧穿磁阻电流传感器。

(1)卡扣式电流采集环包括卡环本体1、聚流金属环和引流线3。

卡环本体1为开环设计，起承载底部的聚流金属环、引流线3及隧穿磁阻电流传感器的作用，并起在绝缘子上的固定作用。

底部的聚流金属环为裸露金属设计，焊接在卡环本体1底部，卡环本体1不导电(即可使用柔性绝缘材料、也可使用涂有绝缘层的柔性金属材料)。

上部的汇流导线2放置在卡环本体1的卡槽上，并用导线紧固件5固定，导线紧固件5为“螺丝+跨接垫片”的结构，汇流导线2外有绝缘层，引流线3采用引流螺丝，通过引流螺丝连接至下部聚流金属环，引流螺丝对聚流金属环汇聚的泄露电流进行引流，并集中至汇流导线2中。

卡环本体1、聚流金属环、汇流导线2都为开环设计，可以方便安装，并适配不同直径的绝缘子支柱。

(2)隧穿磁阻电流传感器包括卡扣式聚磁结构8和隧穿磁阻电流传感芯片。

卡扣式聚磁结构8采用开合式设计，拆装方便，内置单个隧穿磁阻芯片，精度高、测量频带宽、测量范围宽、线性度好、功耗低、质量轻。如图2所示，四个电气连接端口6，分别为正电源接线端口、负电源接线端口、信号输出端口、地端口。

如图3所示，图3为本发明泄露电流测量装置与绝缘子的安装位置示意图。

以往基于泄漏电流采集环的泄漏电流采集装置，是通过采集环将泄漏电流转化为电压进行测量，兼具转换作用。本发明的采集环仅作电流收集用，可通过隧穿磁阻敏感装置直接对电流进行测量。在测量原理上有本质区别。

所选用的隧道磁阻芯片对磁场的有效方向是TMR器件的表面X轴方向，如图4所示。当该芯片供电工作后，置于磁场中，即可在V+及V-管脚输出模拟差分信号，且输出信号与磁场大小成线形关系。

将利用该种方法所制成的电流测量装置安装在机床等大功率用电器的电源端，实现电流数据的采集、存储、管理、分析，可以完成对能效监测中关键指标的发展趋势预测，可以根据用电量的趋势来判定企业效益状况，并预测行业的技术工艺水平。

本发明还具有以下优点：

1、本发明依据隧道磁阻芯片的高灵敏度特点，采用单个TMR芯片测量方案，通过对泄漏电流的高灵敏监测实现磁场及电流的监测，进一步提升针对不同绝缘子的适用性，有助于实现该方法的大规模推广；

2、本发明采用可调节直径的设计，通过可调节夹具的开环设计实现紧固，适配各种线径的导线，大大提高其通用性，有助于标准化生产。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，其特征在于，包括：

卡扣式电流采集环，所述卡扣式电流采集环包括卡环本体(1)，所述卡环本体(1)上表面设置有汇流导线(2)，下表面设置有聚流金属环，汇流导线(2)通过若干引流线(3)与聚流金属环导通；

电流传感器(4)，所述电流传感器(4)包括卡扣式传感部分和电流传感芯片部分，所述汇流导线(2)穿过卡扣传感部分，电流传感芯片部分通过若干个电气连接端口(6)与外界相连。

2.根据权利要求1所述的基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，其特征在于，所述卡环本体(1)上开设有卡槽，汇流导线(2)设置于卡槽内。

3.根据权利要求2所述的基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，其特征在于，所述汇流导线(2)通过若干导线紧固件(5)固定在卡槽内。

4.根据权利要求3所述的基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，其特征在于，所述导线紧固件(5)为跨接垫片，所述跨接垫片通过螺丝与卡环本体(1)固定连接，进而将汇流导线(2)压紧在卡槽内。

5.根据权利要求1所述的基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，其特征在于，所述聚流金属环为裸露金属环，固定于卡环本体(1)的底部。

6.根据权利要求1或5所述的基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，其特征在于，所述聚流金属环通过焊接、粘接或螺栓固定的方式固定在卡环本体(1)的底部。

7.根据权利要求1所述的基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，其特征在于，所述引流线(3)为螺栓，所述螺栓向上贯穿汇流导线(2)的绝缘外层，并于汇流导线(2)的金属线芯相接触，螺栓下部与聚流金属环相接触，进而将汇流导线(2)与聚流金属环导通。

8.根据权利要求1所述的基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，其特征在于，所述卡环本体(1)、聚流金属环、汇流导线(2)均为开环设计，卡环本体(1)通过紧固螺丝(7)将开环部分的两端固定，电流传感器(4)位于卡环本体(1)的开环连接处。

9.根据权利要求1所述的基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，其特征在于，所述电流传感器(4)为隧穿磁阻电流传感器，包括卡扣式聚磁结构(8)和隧穿磁阻电流传感芯片，卡扣式聚磁结构(8)包括两个半圆环结构，扣合时中部为能够使汇流导线(2)通过的通孔；隧穿磁阻电流传感芯片设置于其中两个半圆环结构开口连接处的腔体中，若干个电气连线端口设置于该半圆环结构的侧面，所述若干个电气连接端口(6)分别为正电源接线端口、负电源接线端口、信号输出端口、地端口。

10.根据权利要求9所述的基于隧道磁阻芯片绝缘子泄漏电流测量装置，其特征在于，其中一个半圆环结构的底部设置开合铰链(9)，所述开合铰链(9)的两端与半圆环结构底部伸出的安装耳通过紧固螺钉(10)固定连接，用于将电流传感器(4)套装于卡环本体(1)的紧固螺丝(7)上。

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