CN113049867A - 用于测量电流的dc分量的测量设备及关联测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及测量设备(2)，包括：至少一个电流检测器(8)，其包括：第一导体(10)，其在第一端子(18)与第二端子(20)之间延伸，以用于连接到对应电源(4)；管状屏蔽件(12)，其通过导电材料制成，并且配置成提供用于涡流流动的封闭电通路，以便生成补偿磁场，以用于补偿通过第一导体(10)中的对应电流的流动所生成的响应磁场的时间相关分量；以及磁传感器(14)，其布置在屏蔽件(12)的内部体积(26)中，并且配置成输出表示所检测的所产生磁场的检测信号，第一导体被布置在屏蔽件的内部体积的外部，‑计算机(6)，其配置成基于对应检测信号来确定每个电流的DC分量。
Description
技术领域
本发明涉及用于测量至少一个电流的DC分量的测量设备，每个电流从对应电源输出。本发明还涉及用于测量所述DC分量的方法。
本发明适用于电功率传输的领域，以及更特别涉及变压器的监测。
背景技术
已知施加到变压器的电流中的偏移(也就是说DC分量)的存在可使时间无关磁通量(以下称作“DC通量”)出现在所述变压器的磁芯中，这可引起变压器的发热和/或变压器可听噪声的增加。
这种偏移可通过被布置在变压器上游的电子装置(例如HVDC(高压直流)阀和静态VAR(无功伏安)补偿器)引起。
此外，变压器中的DC通量也能够是地磁感应的。
为了降低这样的DC通量，已知测量被施加到变压器的电流的DC分量，并且基于这个测量来控制上述电子装置以抵消所述DC分量。
作为备选方案，还已知测量所述DC分量，并且控制被注入到变压器中的(一个或多个)单独绕组中的直流的幅度和方向，以便对抗（oppose）和抵消所述变压器的磁芯中的DC通量。
但是这类方法不是令人满意的。
实际上，存在检测阈值(大约2A)，低于该检测阈值，大的有噪声的输入电流的DC分量不能简单和经济地被检测和测量。因此，残余DC电流(也就是说低于检测阈值的DC分量的部分)没有被检测并且不能被去除。这个残余DC电流对变压器的正确操作仍然是有害的。
本发明的目的是要提供一种测量设备，该测量设备能够经济地测量电流中具有低幅值的DC分量。
发明内容
为此，本发明是上述类型的测量设备，所述测量设备包括计算机和至少一个电流检测器，每个电流检测器被关联到对应电源，并且包括：
-第一导体，其在第一端子与第二端子之间延伸，以连接到电源；
-管状屏蔽件（screen），其通过导电材料制成并且限定内部体积，该屏蔽件配置成提供用于涡流流动的封闭电通路，以便生成补偿磁场，以用于补偿通过第一导体中的对应电流的流动所生成的响应磁场的时间相关分量；以及
-磁传感器，其布置在屏蔽件的内部体积中，磁传感器配置成检测内部体积中的所产生磁场，并且输出表示所检测的所产生磁场的检测信号，
第一导体被布置在屏蔽件的内部体积的外部，
计算机被连接到每个电流检测器的磁传感器，以接收对应检测信号，
计算机进一步配置成对于每个电源基于从关联电流检测器的磁传感器所输出的检测信号来确定对应电流的DC分量。
实际上，在这种测量设备中，当从电源所输出的电流流经所述第一导体时，第一导体生成响应磁场。
如果电流具有DC分量和AC分量两者，则响应磁场也包括时间无关分量和时间相关分量，它们分别与所述DC和AC分量直接相关。
响应磁场的时间相关分量使涡流在屏蔽件中流动，这又生成补偿磁场。这些涡流起作用以抵消响应磁场的所施加时间相关分量，而其时间无关分量经过屏蔽件。因此，内部体积中的所产生磁场对应于响应磁场的单独的时间无关分量。
由于响应磁场的幅值与从电源所输出的电流的DC分量成正比，所以检测信号表示所述DC分量，并且因此易于实现DC分量的测量。
以上所述的结果是，通过使用按照本发明的设备，由磁传感器来生成其中已经去除AC分量的影响的信号。这允许从电源所输出的电流的DC分量的简单且有效测量，甚至对于小DC分量幅值，并且尽管大且有噪声的AC分量的存在也是如此。
按照本发明的其他有利方面，测量设备包括单独地或者按照任何可能组合采取的下列特征的一个或多个：
-计算机进一步配置成基于每个所确定的DC分量来输出控制信号，以控制对应电源以用于对应DC分量的减小或抵消；
-每个电流检测器进一步包括磁芯，该磁芯具有被布置在屏蔽件的内部体积中的第一段；
-磁芯的第一段包括间隙，磁传感器被布置在间隙中；
-对于每个电流检测器，对应第一导体是缠绕磁芯的第二段的线圈；
-第一段和第二段是相同的，第一导体和屏蔽件是同心的；
-对于每个电流检测器，磁芯为箍状（hoop-shaped），屏蔽件沿磁芯的环形方向延伸，第一导体通过箍状磁芯的中心开口延伸或者缠绕屏蔽件；
-对于每个电流检测器，屏蔽件包括第一端和第二端，第一端和第二端相互邻接，并且相互电接触；
-屏蔽件是短路线圈；
-测量设备包括至少两个电流检测器，计算机配置成将从每个磁传感器所输出的检测信号相互比较，并且确定：
•如果所检测的所产生磁场具有相同取向，则从每个电源所输出的电流中的DC分量沿电源的公共中性连接向上流动；以及
•如果所检测的所产生磁场没有相同取向，并且具有等于零或者低于预定值的总和，则从每个电源所输出的电流中的DC分量产生于至少一个电源。
本发明还涉及用于测量至少一个电流的DC分量的测量方法，每个电流从对应电源输出，该测量方法包括：
-从至少一个电流检测器接收检测信号，每个电流检测器被关联到对应电源，并且包括：
•第一导体，其在第一端子与第二端子之间延伸，第一端子和第二端子被连接到电源；
•管状屏蔽件，其通过导电材料制成并且限定内部体积，该屏蔽件配置成提供用于涡流流动的封闭电通路，以便生成补偿磁场，以用于补偿通过第一导体中的对应电流的流动所生成的响应磁场的时间相关分量；以及
•磁传感器，其布置在屏蔽件的内部体积中，磁传感器配置成检测内部体积中的所产生磁场，并且输出检测信号，检测信号表示所检测的所产生磁场，
第一导体被布置在屏蔽件的内部体积的外部，
-对于每个电源，基于从关联电流检测器的磁传感器所输出的检测信号来确定对应电流的DC分量。
按照本发明的另一有利方面，测量方法包括下列特征：至少两个电流检测器的每个被连接到对应电源，测量方法进一步包括：
-将从每个磁传感器所输出的检测信号相互比较；以及
- 确定：
•如果所检测的所产生磁场具有相同取向，则从每个电源所输出的电流中的DC分量沿电源的公共中性连接向上流动；以及
•如果所检测的所产生磁场没有相同取向，并且具有等于零或者低于预定值的总和，则从每个电源所输出的电流中的DC分量产生于至少一个电源。
本发明提供一组技术方案，如下。
技术方案1. 一种用于测量至少一个电流的DC分量的测量设备(2)，每个电流从对应电源(4)输出，所述测量设备(2)包括计算机(6)和至少一个电流检测器(8)，每个电流检测器(8)被关联到对应电源(4)，并且包括：
-第一导体(10)，其在第一端子(18)与第二端子(20)之间延伸，以用于连接到所述电源(4)；
-管状屏蔽件(12)，其通过导电材料制成，并且限定内部体积(26)，所述屏蔽件(12)配置成提供用于涡流流动的封闭电通路，以便生成补偿磁场，以用于补偿通过所述第一导体(10)中的对应电流的流动所生成的响应磁场的时间相关分量；以及
-磁传感器(14)，其布置在所述屏蔽件(12)的所述内部体积(26)中，所述磁传感器(14)配置成检测所述内部体积(26)中的所产生磁场，并且输出表示所检测的所产生磁场的检测信号，
所述第一导体(10)被布置在所述屏蔽件(12)的所述内部体积(26)的外部，
所述计算机(6)被连接到每个电流检测器(8)的所述磁传感器(14)，以接收对应检测信号，
所述计算机(6)进一步配置成对于每个电源(4)基于从关联的电流检测器(8)的所述磁传感器(14)所输出的所述检测信号来确定所述对应电流的所述DC分量。
技术方案2. 如技术方案1所述的测量设备，其中，所述计算机(6)进一步配置成基于每个所确定的DC分量来输出控制信号，以控制所述对应电源以用于所述对应DC分量的减小或抵消。
技术方案3. 如技术方案1或2所述的测量设备，其中，每个电流检测器(8)进一步包括磁芯(16)，所述磁芯(16)具有被布置在所述屏蔽件的所述内部体积中的第一段。
技术方案4. 如技术方案3所述的测量设备，其中，所述磁芯的所述第一段包括间隙，所述磁传感器被布置在所述间隙中。
技术方案5. 如技术方案3所述的测量设备，其中，对于每个电流检测器，对应第一导体是缠绕所述磁芯的第二段的线圈。
技术方案6. 如技术方案5所述的测量设备，其中，所述第一段和所述第二段是相同的，所述第一导体和所述屏蔽件是同心的。
技术方案7. 如技术方案3所述的测量设备，其中，对于每个电流检测器，所述磁芯为箍状，所述屏蔽件沿所述磁芯的环形方向延伸，所述第一导体通过所述箍状磁芯的中心开口延伸或者缠绕所述屏蔽件。
技术方案8. 如技术方案7所述的测量设备，其中，对于每个电流检测器，所述屏蔽件包括第一端和第二端，所述第一端和所述第二端相互邻接，并且相互电接触。
技术方案9. 如技术方案1所述的测量设备，其中，所述屏蔽件是短路线圈。
技术方案10. 如技术方案1所述的测量设备，包括至少两个电流检测器，所述计算机配置成将从每个磁传感器所输出的所述检测信号相互比较，并且确定：
-如果所检测的所产生磁场具有相同取向，则从每个电源所输出的所述电流中的所述DC分量沿所述电源的公共中性连接向上流动；以及
-如果所检测的所产生磁场没有相同取向，并且具有等于零或者低于预定值的总和，则从每个电源所输出的所述电流中的所述DC分量产生于至少一个电源。
技术方案11. 一种用于测量至少一个电流的DC分量的测量方法，每个电流从对应电源(4)输出，所述测量方法包括：
-从至少一个电流检测器(8)接收检测信号，每个电流检测器(8)被关联到对应电源(4)，并且包括：
•第一导体(10)，其在第一端子(18)与第二端子(20)之间延伸，所述第一端子(18)和所述第二端子(20)被连接到所述电源(4)；
•管状屏蔽件(12)，其通过导电材料制成并且限定内部体积(26)，所述屏蔽件(12)配置成提供用于涡流流动的封闭电通路，以便生成补偿磁场，以用于补偿通过所述第一导体(10)中的对应电流的流动所生成的响应磁场的时间相关分量；以及
•磁传感器(14)，其布置在所述屏蔽件(12)的所述内部体积(26)中，所述磁传感器(14)配置成检测所述内部体积(26)中的所产生磁场，并且输出所述检测信号，所述检测信号表示所述所检测的所产生磁场，
所述第一导体(10)被布置在所述屏蔽件(12)的所述内部体积(26)的外部，
-对于每个电源(4)基于从关联电流检测器(8)的所述磁传感器(14)所输出的所述检测信号来确定所述对应电流的所述DC分量。
技术方案12. 如技术方案11所述的测量方法，其中，至少两个电流检测器的每个被连接到对应电源，所述测量方法进一步包括：
-将从每个磁传感器所输出的所述检测信号相互比较；以及
- 确定：
•如果所检测的所产生磁场具有相同取向，则从每个电源所输出的电流中的DC分量沿电源的公共中性连接向上流动；以及
•如果所检测的所产生磁场没有相同取向，并且具有等于零或者低于预定值的总和，则从每个电源所输出的电流中的DC分量产生于至少一个电源。
附图说明
利用附图将更好地理解本发明，其中：
-图1是按照本发明的第一测量设备的示意图；
-图2是示出流经图1的测量设备的第一导体的电流以及由测量设备的对应屏蔽件所生成的涡流随时间的演变的图表；
-图3是示出图1的测量设备的屏蔽件的内部体积中的磁通量随时间的演变的图表；
-图4是按照本发明的第二测量设备的磁芯的示意图，其中磁耦合器中的磁场产生于地磁感应DC电流；
-图5与图4类似，磁耦合器中的磁场产生于为测量设备馈电的每个电源中的偏移；以及
-图6是按照本发明的第三测量设备的电流检测器的透视图。
具体实施方式
按照本发明的测量设备2在图1上示出。测量设备2配置成测量至少一个电流的DC分量，每个电流从对应电源4输出。
电流通常包括时间无关分量(以下称作“DC电流”)和时间相关分量(以下称作“AC电流”)。DC电流对应于将要被测量和抵消的电流，并且具有例如数毫安的幅值。
通常，AC电流比DC分量要大若干数量级，并且具有例如数十安培与数千安培之间的幅值。
电源4在图1中示意示为DC电源4A(该DC电源4A提供DC电流)和AC电源4B(该AC电源4B输出AC电流)的串联连接。
测量设备2包括计算机6，以及对于每个电源4，测量设备2包括对应电流检测器8。例如，如下面将示出，对于三相应用，测量设备2包括三个电流检测器8，各自对应于相应相。
电流检测器8配置成输出检测信号，该检测信号表示从电源4所输出的电流的DC分量。此外，计算机6配置成基于检测信号来确定所述电流的DC分量。
电流检测器8包括第一导体10、屏蔽件12和磁传感器14。优选地，电流检测器8还包括磁芯16。
第一导体10在第一端子18与第二端子20之间延伸，以连接到对应电源4。
更特别地，第一导体10配置成当从电源4所输出的电流经过所述第一导体10在第一端子18与第二端子20之间流动时生成响应磁场。
这种响应磁场包括时间无关分量和时间相关分量：时间无关分量取决于来自DC电源4A的DC电流，而时间相关分量取决于来自AC电源4B的AC电流。
例如，第一导体10是线圈，例如变压器的二次绕组。
第一导体10相对于屏蔽件12来布置成，以便处于屏蔽件12的内部体积26的外部。
屏蔽件12具有管状形状，并且在第一端22与第二端24之间延伸。屏蔽件12在第一端22与第二端24之间限定上述内部体积26。
屏蔽件12通过导电材料来制成，并且配置成提供用于涡流流动的封闭电通路，以便生成补偿磁场，以用于补偿响应磁场的时间相关分量。
例如，屏蔽件12是短路线圈，例如变压器的短路一次绕组。备选地，屏蔽件12是通过导电材料所制成的圆柱。
如在图1上所示，第一导体10和屏蔽件12优选地是同心的，第一导体10缠绕屏蔽件12。
磁传感器14被布置在内部体积26中，并且配置成检测所述内部体积26中的所产生磁场。所产生磁场对应于响应磁场和补偿磁场的空间叠加（spatial superposition）。
磁传感器14还配置成输出表示所检测的所产生磁场的检测信号。
例如，磁传感器14是霍尔效应传感器。
如上所述，电流检测器8优选地包括磁芯16，磁芯16的第一段28被布置在屏蔽件12的内部体积26中。
相对于在没有磁芯16的情况下的磁场的强度，磁芯16的存在增加内部体积26中的磁场的强度。因此，增强从磁传感器14所输出的检测信号的信噪比，并且降低用来保护电流检测器8免受外部磁场的必要性。
有利地，磁芯16包括至少一个间隙30。优选地，间隙30位于屏蔽件12的内部体积26中；换言之，磁芯16的第一段28包括间隙30。在这种情况下，磁传感器14优选地被布置在间隙30中。
间隙30的存在降低磁芯16的磁饱和，并且因此防止例如电流与响应磁场之间的不合需要的非线性关系。
例如，第一导体10缠绕磁芯16的第二段。优选地，第一段28和第二段是相同的，使得第一导体10和屏蔽件12是同心的。
备选地，第二段不同于第一段28。
计算机6被连接到每个电流检测器8的磁传感器14，以接收对应检测信号。
计算机6进一步配置成对于每个电源4基于从关联电流检测器8的磁传感器14所输出的检测信号来确定对应电流的DC分量。这种确定例如基于采用被施加到第一导体10的已知电流所执行的校准。
有利地，计算机6进一步配置成对于每个电源4基于对应所确定的DC分量来输出控制信号。所述控制信号优选地意味着用于（meant for）对于电源4的控制，以便减少或者甚至抵消对应DC分量。例如，所述控制信号意味着用于对于电源4的电子装置的控制。备选地，当电源4向变压器馈送电功率时，所述控制信号例如意味着用于对于被注入到变压器的(一个或多个)单独绕组中的直流的幅度和方向的控制，以便对抗和抵消所述变压器的磁芯中的DC通量(该DC通量通过从电源所输出的电流的DC分量引起)。这类单独绕组不同于变压器的一次绕组和二次绕组。
有利地，如果测量设备2包括多个电流检测器8，则计算机6进一步配置成比较从每个电流检测器8所输出的检测信号，以便确定关于每个电源4的信息。
下面将提供与三相电源相关的示例。
现在将公开测量设备2的操作。
每个电流检测器8的第一导体10被连接到对应电源4，以及电流流经导体10。
所述电流随时间的演变对应于图2上的曲线30。
因此，第一导体10生成响应磁场，所述响应磁场包括时间无关分量和时间相关分量。
由于屏蔽件12的几何结构，响应磁场的时间相关分量使涡流在屏蔽件12中流动；这又生成补偿磁场。这些涡流起作用以抵消响应磁场的所施加时间相关分量。因此，如在图2上所示，涡流(曲线32)等于电流30的AC分量的相反数（opposite），而它们随时间的平均数等于零。
另一方面，响应磁场的时间无关分量经过屏蔽件12，从而形成所产生磁场，后者也是时间无关的。这对应于图3上的恒定曲线34。
磁传感器14检测所产生磁场，并且输出对应检测信号。
计算机6接收从每个磁传感器14所输出的检测信号，并且对于每个电源4基于对应检测信号来确定对应电流的DC分量。
有利地，计算机6对于每个电源4输出意味着用于对于电源4的控制的控制信号，以便减少或者甚至抵消对应DC分量。
备选地，电流检测器8进一步包括附加屏蔽件(未示出)(所述附加屏蔽件与屏蔽件12类似)，以便增加AC屏蔽效率。在这种情况下，每个附加屏蔽件对应于磁芯16的一段(该段不同于第一段28)，磁芯16的所述段被布置在对应附加屏蔽件的内部体积中。
图4和图5对应于三相应用中使用的测量设备。例如，每个第一导体10被连接到三相电源(未示出)的对应相。
如在这些附图上所示，每个磁芯16形成分支，该分支在第一分支端38与第二分支端40之间延伸，第一轭42连接第一分支端38，而第二轭44连接第二分支端40。因此，形成磁耦合器36。
此外，每个第一导体10缠绕对应磁芯16。为了清楚的目的，仅示出了第一连接器10和磁芯16；但是每个磁芯16被提供有对应屏蔽件和磁传感器。
在这种情况下，计算机6配置成比较从每个磁传感器所输出的检测信号。
如果三个所检测的所产生磁场具有相同取向(如图4中通过箭头46所示)，则计算机6配置成确定每相中的DC分量沿中性连接向上流入到全部相中(例如地磁感应电流)。
如图5中通过箭头48所示，如果三个所检测的所产生磁场没有相同取向，并且其值的总和等于零或者接近零(也就是说低于预定值)，则计算机6配置成确定每相中的DC分量归因于供应电压波形(即，归因于三相电源本身)。
理解的是，对于大于或等于2的任何数量的电源，设想类似操作。
在图6中所示的按照本发明的测量设备的另一个实施例中，屏蔽件12具有邻接的第一端和第二端22、24，第一端和第二端彼此相向，并且相互电接触，使得屏蔽件12限定环形（toroid）。在这个图中，为了清楚，已经去除屏蔽件16的部分。
在这种情况下，屏蔽件12优选地围绕箍状磁芯16的整个长度(例如环状)来布置。换言之，屏蔽件12沿磁芯16的环形方向延伸。
例如，如图6中所示，第一导体10通过所述环形的中心开口50延伸。
备选地，屏蔽件12仅围绕磁芯16的对应第一段来布置。优选地，第一段包括间隙，磁传感器位于所述间隙中。
在这种情况下，电流检测器优选地包括附加屏蔽件(未示出)(所述附加屏蔽件与屏蔽件12类似)，每个附加屏蔽件围绕磁芯16的对应段(所述段不同于第一段28)来布置。
备选地，第一导体10缠绕屏蔽件12。这种布置是有利的，因为它改进电流检测器对外部场源的抗扰性。
按照本发明的测量设备2具有若干其他优点：
-它不需要被放置在变压器容器内部，使得它能够易于改造现有变压器；
- 它能够从电流或电压变压器来得出其激励，使得它能够是低电压装置：实际上，在连接到变压器的线路中监测的电流通常工作在数万伏特的对地电压；使用电流或电压变压器作为将要由测量设备2所监测的电源允许测量设备2工作在低许多的对地电压；
- 它是简单健壮的，并且不要求外部功率源；
- 它使用低费用电子组件。
Claims (10)
1.一种用于测量至少一个电流的DC分量的测量设备(2)，每个电流从对应电源(4)输出，所述测量设备(2)包括计算机(6)和至少一个电流检测器(8)，每个电流检测器(8)被关联到对应电源(4)，并且包括：
-第一导体(10)，其在第一端子(18)与第二端子(20)之间延伸，以用于连接到所述电源(4)；
-管状屏蔽件(12)，其通过导电材料制成，并且限定内部体积(26)，所述屏蔽件(12)配置成提供用于涡流流动的封闭电通路，以便生成补偿磁场，以用于补偿通过所述第一导体(10)中的对应电流的流动所生成的响应磁场的时间相关分量；以及
-磁传感器(14)，其布置在所述屏蔽件(12)的所述内部体积(26)中，所述磁传感器(14)配置成检测所述内部体积(26)中的所产生磁场，并且输出表示所检测的所产生磁场的检测信号，
所述第一导体(10)被布置在所述屏蔽件(12)的所述内部体积(26)的外部，
所述计算机(6)被连接到每个电流检测器(8)的所述磁传感器(14)，以接收对应检测信号，
所述计算机(6)进一步配置成对于每个电源(4)基于从关联的电流检测器(8)的所述磁传感器(14)所输出的所述检测信号来确定所述对应电流的所述DC分量。
2.如权利要求1所述的测量设备，其中，所述计算机(6)进一步配置成基于每个所确定的DC分量来输出控制信号，以控制所述对应电源以用于所述对应DC分量的减小或抵消。
3.如权利要求1或2所述的测量设备，其中，每个电流检测器(8)进一步包括磁芯(16)，所述磁芯(16)具有被布置在所述屏蔽件的所述内部体积中的第一段。
4.如权利要求3所述的测量设备，其中，所述磁芯的所述第一段包括间隙，所述磁传感器被布置在所述间隙中。
5.如权利要求3所述的测量设备，其中，对于每个电流检测器，对应第一导体是缠绕所述磁芯的第二段的线圈。
6.如权利要求5所述的测量设备，其中，所述第一段和所述第二段是相同的，所述第一导体和所述屏蔽件是同心的。
7.如权利要求3所述的测量设备，其中，对于每个电流检测器，所述磁芯为箍状，所述屏蔽件沿所述磁芯的环形方向延伸，所述第一导体通过所述箍状磁芯的中心开口延伸或者缠绕所述屏蔽件。
8.如权利要求7所述的测量设备，其中，对于每个电流检测器，所述屏蔽件包括第一端和第二端，所述第一端和所述第二端相互邻接，并且相互电接触。
9.如权利要求1所述的测量设备，其中，所述屏蔽件是短路线圈。
10.如权利要求1所述的测量设备，包括至少两个电流检测器，所述计算机配置成将从每个磁传感器所输出的所述检测信号相互比较，并且确定：
- 如果所检测的所产生磁场具有相同取向，则从每个电源所输出的所述电流中的所述DC分量沿所述电源的公共中性连接向上流动；以及
- 如果所检测的所产生磁场没有相同取向，并且具有等于零或者低于预定值的总和，则从每个电源所输出的所述电流中的所述DC分量产生于至少一个电源。
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