CN113075442A - 电流互感电路和电流互感器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种电流互感电路和电流互感器。所述电流互感电路包括：磁感应电路、至少一个第一电阻、至少一个第二电阻和第一电感；磁感应电路的输出端与第一电阻的一端连接；第一电阻的另一端与第二电阻的一端连接；第二电阻的另一端与磁感应电路的输出端连接；第一电感与第二电阻并联；第一电阻和第二电阻的公共端接地；磁感应电路用于感应待测载流导体的电磁信号并根据电磁信号生成感应电流；感应电流频率小于预设频率阈值时第一电感的阻抗趋近于0；第一电阻用于测量感应电流中的工频电流；第二电阻用于测量感应电流中的高频电流。采用本方法能够在同一电路中测量待测载流导体的工频电流和高频电流。

Description

电流互感电路和电流互感器
技术领域
本申请涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种电流互感电路和电流互感器。
背景技术
随着我国电力系统的高速发展，电流互感器作为电力系统电量测量设备，承担着监测一次设备运行状态、为二次设备提供真实可靠的电气量等任务，是继电保护系统中的重要组件。
传统的电流互感器对载流导体进行电流测量时，需要在电流互感器的线圈电路中串接一个积分电阻构成积分电路，用来测量载流导体的电流，但是该电流中包括工频电流和高频电流，为了得到高频电流，需要在积分电路后连接滤波器，将电流中的工频信号滤除后，得到高频电流。
现有技术存在无法在同一积分电路中同时测量载流导体上的工频电流和高频电流的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在同一积分电路中测量待测载流导体的工频电流和高频电流的电流互感电路和电流互感器。
第一方面，本申请提供一种电流互感电路，该电流互感电路包括：磁感应电路、至少一个第一电阻、至少一个第二电阻和第一电感；其中，磁感应电路的输出端与第一电阻的一端连接；第一电阻的另一端与第二电阻的一端连接；第二电阻的另一端与磁感应电路的输出端连接；第一电感与第二电阻并联；第一电阻和第二电阻的公共端接地；
磁感应电路，用于感应待测载流导体的电磁信号，并根据电磁信号生成感应电流；其中，感应电流频率小于预设频率阈值时，第一电感的阻抗趋近于0；
第一电阻，用于测量感应电流中的工频电流；
第二电阻，用于测量感应电流中的高频电流。
在其中一个实施例中，第二电阻的阻抗大于第一电感的低频阻抗，且，第一电感的低频阻抗趋近于0。
在其中一个实施例中，第一电感的高频阻抗大于第二电阻的阻抗，且，第一电感的高频阻抗与第二电阻的阻抗的差值大于预设差值阈值。
在其中一个实施例中，电流互感电路还包括积分电路；积分电路的输入端与第一电阻的一端连接。
在其中一个实施例中，积分电路，用于将第一电阻两端的电压进行积分，使积分后的电压与待测载流导体的电流正相关。
在其中一个实施例中，积分电路包括：第三电阻和积分电容；其中，第三电阻的一端与第一电阻的一端连接，第三电阻的另一端与积分电容的一端连接，积分电容的另一端接地。
在其中一个实施例中，电流互感电路还包括：电压跟随器；电压跟随器的正向输入端第一电阻的一端连接，电压跟随器的负向输入端与电压跟随器的输出端连接，电压跟随器的输出端还与积分电路的输入端连接。
在其中一个实施例中，磁感应电路包括磁感线圈；磁感线圈的两端分别第一电阻的一端和第二电阻的另一端连接。
在其中一个实施例中，磁感线圈，用于感应待测载流导体的电流。
第二方面，本申请提供一种电流互感器，电流互感器包括：如第一方面任一项实施例中的电流互感电路。
上述电流互感电路和电流互感器，电流互感电路包括：磁感应电路、至少一个第一电阻、至少一个第二电阻和第一电感；由于感应电流频率小于预设频率阈值时，第一电感的阻抗趋近于0；也即，感应电流为工频电流时，第一电感的阻抗接近于0，将第二电阻短路，工频电流流经第一电感，不流经第二电阻，因此仅需根据第一电阻两端的电压即可计算待测载流导体中的工频电流的电流值，；由于第一电感接收到感应电流中的高频电流时，第一电感的阻抗远大于第二电阻的阻抗，可以视为感应电流仅通过第二电阻而不通过第一电感，由此，仅需测量第二电阻两端的电压，即可计算待测载流导体中的高频电流值。电流互感电路能够通过与第二电阻并联的第一电感实现对不同频率的感应电流进行区分，实现在同一个电路中同时测量载流导体中的工频电流和高频电流。
附图说明
图1为一个实施例中电流互感电路的电路图；
图2为另一个实施例中电流互感电路的电路图；
图3为另一个实施例中电流互感电路的电路图；
图4为另一个实施例中电流互感电路的电路图；
图5为另一个实施例中电流互感电路的电路图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在一个实施例中，图1为电流互感电路的电路图，如图1所示，提供了一种电流互感电路，该电流互感电路包括：磁感应电路101、至少一个第一电阻102、至少一个第二电阻103和第一电感104；其中，磁感应电路101的输出端与第一电阻的一端连接；第一电阻102的另一端与第二电阻103的一端连接；第二电阻103的另一端与磁感应电路101的输出端连接；第一电感104与第二电阻103并联；第一电阻102和第二电阻103的公共端接地；
磁感应电路101，用于感应待测载流导体的电磁信号，并根据电磁信号生成感应电流；其中，感应电流频率小于预设频率阈值时，第一电感的阻抗趋近于0；
第一电阻102，用于测量感应电流中的工频电流；
第二电阻103，用于测量感应电流中的高频电流。
其中，磁感应电路可以包括罗氏线圈或者磁感线圈等，可以感应待测载流导体的电磁信号，并根据电磁信号生成感应电流。其中，感应电流可以包括工频电流或者高频电流或者工频电流与高频电流的叠加电流，在此不加以限制。其中，工频电流可以包括频率在50Hz-60Hz的电流；高频电流可以包括频率在100-500KHz的电流。
具体地，当感应电流传输至第一电感时，第一电感可以根据感应电流的频率得到不同的阻抗，即公式Z＝2πfL；其中，Z为第一电感的阻抗，f为感应电流的频率，L为第一电感的电感值。若感应电流的频率低于预设阈值时，即可视为第一电感接收的为感应电流为工频电流的情况下，此时第一电感的阻抗远小于第二电阻的阻抗时，第一电感的阻抗趋近于0，即第一电感将第二电阻短路，也即工频电流通过第一电阻后直接通过第一电感，而不通过第二电阻，只需测量第一电阻两端的电压就可以根据欧姆定律，得到工频电流的电流值。虽然对于第一电阻而言，其上虽然也会有高频电流感应出的电压，但流经第一电阻的高频电流感应出的电压相对于工频电流感应出的电压而言较小，几乎可以忽略不计。若第一电感接收到感应电流中的高频电流时，第一电感的阻抗远大于第二电阻的阻抗时，可以视为感应电流仅通过第二电阻而不通过第一电感，由此，仅需测量第二电阻两端的电压，就可以根据欧姆定律，得到高频电流的电流值。
在本实施例中，电流互感电路包括：磁感应电路、至少一个第一电阻、至少一个第二电阻和第一电感；由于感应电流频率小于预设频率阈值时，第一电感的阻抗趋近于0；也即，感应电流为工频电流时，第一电感的阻抗接近于0，将第二电阻短路，工频电流流经第一电感，不流经第二电阻，因此仅需根据第一电阻两端的电压即可计算工频电流的电流值，进而第一电阻测量感应电流中的工频电流；由于第一电感接收到感应电流中的高频电流时，第一电感的阻抗远大于第二电阻的阻抗，可以视为感应电流仅通过第二电阻而不通过第一电感，由此，仅需测量第二电阻两端的电压，即可根据第二电阻两端的电压至与第二电阻的阻值计算高频电流的电流值，进而第二电阻测量感应电流中的高频电流。电流互感电路能够通过与第二电阻并联的第一电感实现对不同频率的感应电流进行区分，实现在同一个电路中测量工频电流和高频电流，且在测量高频电流时，无需引入滤波处理电路等将高频信号滤出，测量高频电流，进而不会导致由于信号处理电路本身存在着噪声，且信噪比很低，较小的高频信号很容易淹没在噪声中无法分离的情况。
上述实施例对电流互感电路进行了说明，现以一个实施例对如何设定第二电阻和第一电感的阻抗以实现同时检测待测载流导体的工频电流和高频电流进行说明，在一个实施例中，第二电阻的阻抗大于第一电感的低频阻抗，且，第一电感的低频阻抗趋近于0。
其中，低频阻抗是指当低频电流流经第一电感时，第一电感的产生的阻抗，例入，当感应电流为工频电流流经第一电感时产生的阻抗为低频阻抗。
具体地，在如图1所示的电流互感电路中，第二电阻的阻抗需要远远大于第一电感的低频阻抗，并且，第一电感接收到工频电流时产生的低频阻抗与第二电阻的阻抗相比较来说，第一电感的低频阻抗趋近于0，可以视为此时第一电感将第二电阻短路，也就意味着工频电流仅通过第一电感而不通过第二电阻。
在本实施例中，由于第二电阻的阻抗大于第一电感的低频阻抗，且，第一电感的低频阻抗趋近于0，因此，可以实现利用电感区分电路中感应电流的工频电流，进而仅需测量第一电阻两端的电压就可以得出工频电流的电流值。
上述实施例对电流互感电路进行了说明，现以一个实施例对如何设定第二电阻和第一电感的阻抗以实现同时检测待测载流导体的工频电流和高频电流进行说明，在一个实施例中，第一电感的高频阻抗大于第二电阻的阻抗，且，第一电感的高频阻抗与第二电阻的阻抗的差值大于预设差值阈值。
其中，高频阻抗是指当高频电流流经第一电感时，第一电感产生的阻抗，例如，当感应电流为高频电流流经第一电感时产生的阻抗为高频阻抗。
具体地，在如图1所示的电流互感电路中，第二电阻的阻抗需要小于第一电感的高频阻抗，并且，第一电感接收到高频电流时产生的高频阻抗与第二电阻的阻抗的差值大于预设差值阈值，即可以包括第一电感接收到高频电流时产生的高频阻抗远大于第二电阻的阻抗，此时，可以视为高频电流无法通过第一阻抗，也就意味着高频电流仅通过第二电阻。
在本实施例中，由于第一电感的高频阻抗大于第二电阻的阻抗，且，第一电感的高频阻抗与第二电阻的阻抗的差值大于预设差值阈值，因此，可以实现利用电感区分电路中感应电流的高频电流，进而仅需测量第二电阻两端的电压就可以得出高频电流的电流值。
上述实施例对电流互感电路进行了说明，第一电阻两端的电压与待测载流导体中工频电流的微分量成正比，需要积分电路进行还原，现以一个实施例对积分电路进行说明，在一个实施例中，如图2所示，电流互感电路还包括积分电路105；积分电路105的输入端与第一电阻102的一端连接；
积分电路105，用于将第一电阻102两端的电压进行积分，使积分后的电压与待测载流导体的电流正相关。
具体地，由于工频电流激励出的线圈电压全部施加在第一电阻上，此时第一电阻上的电压与待测载流导体中工频电流的微分量成正比，需要积分电路进行积分还原，使得第一电阻上的电压与待测载流导体中工频电流成正比。其中，积分电路的输入端与第一电阻的一端连接。其中，积分电路可以包括：有源积分电路、无源积分电路，在此不加以限制。
可选地，如图3所示，积分电路105包括：第三电阻1051和积分电容1052；其中，第三电阻1051的一端与第一电阻102的一端连接，第三电阻1051的另一端与积分电容1052的一端连接，积分电容1052的另一端接地。积分电路可以使第一电阻上的电压与待测载流导体中工频电流成正比，此时，仅需测量积分电容两端的电压，通过积分电容两端的电压与第三电阻的阻值，即可求得待测载流导体中工频电流的电流值。
在本实施例中，电流互感电路还包括积分电路；积分电路的输入端与第一电阻的一端连接；积分电路将第一电阻两端的电压进行积分，使积分后的电压与待测载流导体的电流正相关。能够得出较为准确的待测载流导体中的工频电流的电流值以及波形和相位。
上述实施例对积分电路进行了说明，为了避免积分电路对电流互感电路产生影响，可以在第一电阻的一端与积分电路之间连接电压跟随器，现以一个实施例对电压跟随器进行说明，在一个实施例中，如图4所示，电流互感电路还包括：电压跟随器106；电压跟随器106的正向输入端第一电阻的一端连接，电压跟随器106的负向输入端与电压跟随器106的输出端连接，电压跟随器106的输出端还与积分电路105的输入端连接。
具体地，电压跟随器接在第一电阻的一端与积分电路的输入端之间，将第一电阻两端的电压传输至积分电路的同时，由于电压跟随器本身的输入阻抗高输出阻抗低的特性，可以看做电压跟随器的输入阻抗无穷大，输出阻抗为0，避免积分电路本身的阻抗对电流互感电路中的其他电路造成影响。
在本实施例中，由于电流互感电路还包括：电压跟随器。由于电压跟随器自身的输入阻抗高输出阻抗低的特性，可以看做电压跟随器的输入阻抗无穷大，输出阻抗为0，在将第一电阻两端电压传输至积分电路进行积分的同时，避免积分电路本身的阻抗对电流互感电路中的其他电路造成影响。
上述实施例对电流互感电路进行了说明，电流互感电路中需要磁感应电路感应待测载流导体的电流，现以一个实施例对磁感应电路进行说明，在一个实施例中，如图5所示，磁感应电路101包括：磁感线圈1011；磁感线圈1011的两端分别第一电阻102的一端和第二电阻103的另一端连接。
磁感线圈1011，用于感应待测载流导体的电流。
具体地，当待测载流导体穿过磁感线圈，磁感线圈即可产生相应的感应电动势，以及感应电流。其中，磁感线圈可以包括铁芯和缠绕在铁芯上的线圈，也可以包括线圈。可选地，磁感应电路的磁感线圈还具备电感的特性；可选地，磁感应电路的磁感线圈还具备电阻的特性，即磁感线圈存在内阻。
在本实施例中，由于磁感应电路包括：磁感线圈；磁感线圈的两端分别第一电阻的一端和第二电阻的另一端连接；磁感线圈感应待测载流导体的电流。能够感应待测载流导体的电流，为后续通过电流互感电路测量第一电阻和第二电阻的电压计算待测载流导体的电流，提供基础。
为了便于本领域技术人员的理解，现以一个实施例对电流互感电路进一步说明，在一个实施例中，电流互感电路包括：磁感应电路、第一电阻、第二电阻、第一电感、积分电路和电压跟随器；其中，磁感应电路包括磁感线圈；磁感线圈与第一电阻的一端连接；第一电阻的另一端与第二电阻的一端连接；第二电阻的另一端与磁感应电路的输出端连接；第一电感与第二电阻并联；第一电阻和第二电阻的公共端接地；积分电路的输入端与第一电阻的一端连接；其中，积分电路包括：第三电阻和积分电容；其中，第三电阻的一端与第一电阻的一端连接，第三电阻的另一端与积分电容的一端连接，积分电容的另一端接地；电压跟随器的正向输入端第一电阻的一端连接，电压跟随器的负向输入端与电压跟随器的输出端连接，电压跟随器的输出端还与积分电路的输入端连接；
磁感应电路，用于感应待测载流导体的电磁信号，并根据电磁信号生成感应电流；其中，感应电流频率小于预设频率阈值时，第一电感的阻抗趋近于0；第二电阻的阻抗大于第一电感的低频阻抗，且，第一电感的低频阻抗趋近于0。第一电感的高频阻抗大于第二电阻的阻抗，且，第一电感的高频阻抗与第二电阻的阻抗的差值大于预设差值阈值；
第一电阻，用于测量感应电流中的工频电流；
第二电阻，用于测量感应电流中的高频电流；
积分电路，用于将第一电阻两端的电压进行积分，使积分后的电压与待测载流导体的电流正相关。
具体地，若对于第二电感的电感为L＝60.56mH，磁感线圈的互感为M＝151.4μH的磁感应线圈而言，第四电阻相当于线圈内阻，其阻值忽略不计。此时，第一电阻Ra1取200Ω，第二电阻Ra2取50Ω，第一电感La2的电感取1mH，对于频率为50Hz工频电流而言，磁感应线圈的感抗约为19Ω。第一电感La2的感抗约为0.314Ω，远小于第二电阻Ra2的阻值50Ω，因此可认为第二电阻Ra2被短路，此时积分电阻只有第一电阻Ra1，而第一电阻Ra1远大于磁感线圈的感抗19Ω，此时电流互感电路处于微分模式。积分电路需满足
Figure BDA0002998643660000091
的条件，其中，f为感应电流的频率，取积分电容Ci＝100nF，第四电阻Ri＝1MΩ。则感应电动势uL(t)与待测载流导体中工频电流的比值及灵敏度约为1.33mV/A。对于高频电流而言，在高频电流的频率为100kHz的下进行计算，此时第二电感La2的感抗约为628Ω，远大于第二电阻Ra2的阻值为50Ω，所以此时电流互感电路相当于一个50Ω电阻与200Ω电阻串联，则感应电动势uH(t)与待测载流导体中工频电流的比值及灵敏度为125mV/A，虽然第一电阻Ra1两端也会有高频电压，但待测载流导体中的工频电流一般在100A以上，而高频电流一般为10mA以内，100A的工频电流会在第一电阻Ra1两端感应出4.32V的电压，而10mA的高频电流只会在第一电阻Ra1两端感应出5mV的电压，高频电流对于第一电阻Ra1两端电压的影响可以忽略。
在本实施例中，电流互感电路包括：磁感应电路、第一电阻、第二电阻、第一电感、积分电路和电压跟随器；磁感应电路感应待测载流导体的电磁信号，并根据电磁信号生成感应电流；其中，感应电流频率小于预设频率阈值时，第一电感的阻抗趋近于0；第二电阻的阻抗大于第一电感的低频阻抗，且，第一电感的低频阻抗趋近于0；第一电感的高频阻抗大于第二电阻的阻抗，且，第一电感的高频阻抗与第二电阻的阻抗的差值大于预设差值阈值；第一电阻测量感应电流中的工频电流；第二电阻测量感应电流中的高频电流；积分电路，用于将第一电阻两端的电压进行积分，使积分后的电压与待测载流导体的电流正相关。能够通过与第二电阻并联的第一电感实现对不同频率的感应电流进行区分，进而仅需测量第一电阻两端的电压即可得到工频电流的电流值，测量第二电阻两端的电压即可得到高频电流的电流值，实现在同一个电路中测量工频电流和高频电流，且在测量高频电流时，无需引入滤波器，进而不会引入滤波器的噪声。
在一个实施例中，电流互感器包括上述任一项实施例中的电流互感电路。
在本实施例中，由于电流互感器包括上述任一项实施例中的电流互感电路，能够通过电流互感电路中的与第二电阻并联的第一电感实现对不同频率的感应电流进行区分，进而仅需测量第一电阻两端的电压即可得到工频电流的电流值，测量第二电阻两端的电压即可得到高频电流的电流值，实现在同一个电路中测量工频电流和高频电流，且在测量高频电流时，无需引入滤波器，进而不会引入滤波器的噪声。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电流互感电路，其特征在于，所述电流互感电路包括：磁感应电路、至少一个第一电阻、至少一个第二电阻和第一电感；其中，所述磁感应电路的输出端与所述第一电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端连接；所述第二电阻的另一端与所述磁感应电路的输出端连接；所述第一电感与所述第二电阻并联；所述第一电阻和所述第二电阻的公共端接地；
所述磁感应电路，用于感应所述待测载流导体的电磁信号，并根据所述电磁信号生成感应电流；其中，所述感应电流频率小于预设频率阈值时，所述第一电感的阻抗趋近于0；
所述第一电阻，用于测量所述感应电流中的工频电流；
所述第二电阻，用于测量所述感应电流中的高频电流。
2.根据权利要求1所述的电流互感电路，其特征在于，所述第二电阻的阻抗大于所述第一电感的低频阻抗，且，所述第一电感的低频阻抗趋近于0。
3.根据权利要求1或2所述的电流互感电路，其特征在于，所述第一电感的高频阻抗大于所述第二电阻的阻抗，且，所述第一电感的高频阻抗与所述第二电阻的阻抗的差值大于预设差值阈值。
4.根据权利要求1或2所述的电流互感电路，其特征在于，所述电流互感电路还包括积分电路；所述积分电路的输入端与所述第一电阻的一端连接。
5.根据权利要求4所述的电流互感电路，其特征在于，所述积分电路，用于将所述第一电阻两端的电压进行积分，使积分后的电压与所述待测载流导体的电流正相关。
6.根据权利要求4所述的电流互感电路，其特征在于，所述积分电路包括：第三电阻和积分电容；其中，所述第三电阻的一端与所述第一电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述积分电容的一端连接，所述积分电容的另一端接地。
7.根据权利要求4所述的电流互感电路，其特征在于，所述电流互感电路还包括：电压跟随器；所述电压跟随器的正向输入端所述第一电阻的一端连接，所述电压跟随器的负向输入端与所述电压跟随器的输出端连接，所述电压跟随器的输出端还与所述积分电路的输入端连接。
8.根据权利要求1或2所述的电流互感电路，其特征在于，所述磁感应电路包括磁感线圈；所述磁感线圈的两端分别所述第一电阻的一端和所述第二电阻的另一端连接。
9.根据权利要求8所述的电流互感电路，其特征在于，所述磁感线圈，用于感应所述待测载流导体的电流。
10.一种电流互感器，其特征在于，所述电流互感器包括：如权利要求1-9任一项所述的电流互感电路。
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