CN113253071B - 一种基于磁阻效应的电流传感器及电缆状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁阻效应的电流传感器及电缆状态监测装置，电流传感器包括：感应模块为环状体，待测电缆穿过其中心，感应模块用于当待测电缆出现接地错误故障时，感应待测电缆中的工频电流在空间中产生的强磁场，并输出工频信号，从而实现电缆护层接地工频电流感知；和/或，当待测电缆出现局部绝缘故障时，将待测电流中的高频信号在空间中产生的变化微弱的高频磁场聚合为变化强的高频磁场，并输出高频信号，从而实现电缆局部放电高频电流；信号调理模块用于放大所述工频信号及高频信号；控制模块将工频信号、高频信号分别转换为工频数字信号、高频数字信号之后，发送至上位机，以便上位机对工频数字信号、高频数字信号进一步处理。

Description

一种基于磁阻效应的电流传感器及电缆状态监测装置

技术领域

本发明涉及电力设备传感领域，具体涉及一种基于磁阻效应的电流传感器及电缆状态监测装置。

背景技术

电缆逐渐成为城市地区输电系统的主要通道，其具有占地少，美观的特点。电缆运行过程中存在绝缘缺陷扩大、接地故障等问题，会引发绝缘局部放电、护层接地电流异常等现象。目前，220kV一级电缆隧道及330kV以上高压电缆需配备局部放电监测系统，110kV及以上电压等级电缆配备护层接地电流监测，用于评估电缆运行状态。

护层接地电流与局部放电高频电流传感器目前需安装在交叉互联接地箱中。由于交叉互联箱空间较小，直接安装高频电流传感器与护层接地电流传感器常存在空间不够的问题。由于护层接地电流传感器设计时二次侧需短路，高频电流传感器二次侧不能短路，理论上无法一体化集成实现微型化，造成现场安装困难，难以实现护层接地工频电流与局部放电高频电流的同时监测。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的电流传感器无法实现护层接地工频电流与局部放电高频电流的同时监测的缺陷，从而提供一种基于磁阻效应的电流传感器及电缆状态监测装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种基于磁阻效应的电流传感器，包括：感应模块、信号调理模块、控制模块，其中，感应模块为环状体，待测电缆穿过其中心，感应模块用于当待测电缆出现接地错误故障时，感应待测电缆中的工频电流在空间中产生的强磁场，并输出工频信号；和/或，当待测电缆出现局部绝缘故障时，将待测电流中的高频电流在空间中产生的变化微弱的高频磁场聚合为变化强的高频磁场，并输出高频信号；信号调理模块的输入端与感应模块连接，信号调理模块用于放大工频信号及高频信号；控制模块的输入端与信号调理模块的输出端连接，控制模块用于将工频信号、高频信号分别转换为工频数字信号、高频数字信号之后，发送至上位机，以便上位机对工频数字信号、高频数字信号进一步处理。

在一实施例中，感应模块包括：高频软磁铁氧体磁芯及磁阻传感芯片，其中，待测电缆外套设有环状的高频软磁铁氧体磁芯，高频软磁铁氧体磁芯开设有缺口，磁阻传感芯片置于缺口内；高频软磁铁氧体磁芯用于将变化微弱的高频磁场聚合为变化强的高频磁场；磁阻传感芯片用于当感应到高频软磁铁氧体磁芯气隙中聚合的变化强的高频磁场后，输出高频信号至信号调理模块，和/或当感应工频电流在空间中产生强磁场后，输出工频信号至信号调理模块。

在一实施例中，信号调理模块包括：工频信号调理单元及高频信号调理单元，其中，工频信号调理单元的输入端与感应模块连接，工频信号调理单元的输出端与控制模块连接，工频信号调理单元用于对工频信号进行放大；高频信号调理单元的输入端与感应模块连接，高频信号调理单元的输出端与控制模块连接，高频信号调理单元用于对高频信号进行放大。

在一实施例中，工频信号调理单元包括：工频放大器芯片，工频放大器芯片的输入端与感应模块连接，工频放大器芯片的输出端与控制模块连接；当感应模块仅输出工频信号时，工频放大器芯片对工频信号进行放大；当感应模块输出由工频信号及高频信号构成的混合信号时，工频放大器芯片对混合信号中的工频分量进行放大。

在一实施例中，高频信号调理单元包括：高频放大器芯片，高频放大器芯片的输入端与感应模块连接，高频放大器芯片的输出端与控制模块连接；当感应模块仅输出高频信号时，高频放大器芯片对高频信号进行放大；当感应模块输出由工频信号及高频信号构成的混合信号时，高频放大器芯片对混合信号中的高频分量进行放大。

在一实施例中，基于磁阻效应的电流传感器还包括：无线通讯模块，无线通讯模块与控制模块连接，控制模块通过无线通讯模块实现与上位机之间的通讯。

在一实施例中，通讯模块包括：无线通讯芯片，无线通讯芯片与控制模块连接。

在一实施例中，基于磁阻效应的电流传感器还包括：电源模块，电源模块的输入端与外接电源连接，电源模块的输出端分别与磁阻传感芯片、工频信号调理单元、高频信号调理单元、控制模块和无线通讯模块连接，电源模块用于将外接电源的电压转换为磁阻传感芯片、工频信号调理单元、高频信号调理单元、控制模块和无线通讯模块的供电电压。

在一实施例中，电源模块包括：至少一个降压芯片，降压芯片与外接电源连接，降压芯片用于将外接电源的电压进行降压、稳压、滤波后为磁阻传感芯片、工频信号调理单元、高频信号调理单元、控制模块和无线通讯模块供电。

在一实施例中，信号调理模块、控制模块、通讯模块、电源模块及磁阻传感芯片封装于不具有磁屏蔽效应材料的外罩中，外罩置于高频软磁铁氧体磁芯的缺口的气隙中，且填满整个气隙。

第二方面，本发明实施例提供一种电缆状态监测装置，包括：第一方面的电流传感器、判断模块，其中，判断模块与电流传感器之间电气连接或无线连接；当判断模块检测到电流传感器发送的工频数字信号时，判定待测电缆出现接地错误故障；当判断模块检测到电流传感器发送的高频数字信号时，判定待测电缆出现局部绝缘故障。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的基于磁阻效应的电流传感器及电缆状态监测装置，待测电缆穿过感应模块的中心，当待测电缆出现接地错误故障时，感应模块感应待测电缆中的工频电流在空间中产生的强磁场，并输出工频信号，从而实现电缆护层接地工频电流感知；和/或，当待测电缆出现局部绝缘故障时，感应模块将待测电流中的高频信号在空间中产生的变化微弱的高频磁场聚合为变化强的高频磁场，并输出高频信号，从而实现电缆局部放电高频电流；信号调理模块放大工频信号及高频信号，控制模块将工频信号、高频信号分别转换为工频数字信号、高频数字信号之后，发送至上位机。

2.本发明提供的基于磁阻效应的电流传感器及电缆状态监测装置，利用磁阻传感芯片在变化的磁场中会产生与磁场变化同频率的输出电压信号的特点，实现电缆护层接地工频电流感知；利用高频软磁铁氧体磁芯聚合局部放电高频电流产生的微弱高频磁场，并通过磁阻传感芯片感应该高频磁场，实现电缆护层接地电流与局部放电高频电流的同时监测，解决了由于工频电流传感器二次侧需短路、高频电流传感器二次侧需开路无法集成的问题，缩小了传感器的整体体积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例提供的电流传感器的一个具体示例的组成图；

图2为本发明实施例提供的电流传感器的另一个具体示例的组成图；

图3为本发明实施例提供的电流传感器的另一个具体示例的组成图；

图4为本发明实施例提供的信号调理模块的一个具体示例的组成图；

图5为本发明实施例提供的电流传感器的另一个具体示例的组成图；

图6为本发明实施例提供的电流传感器的另一个具体示例的组成图；

图7为本发明实施例提供的电源模块的一个具体示例的组成图；

图8为本发明实施例提供的电流传感器的一个具体示例的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种基于磁阻效应的电流传感器，应用于对电缆状态进行监测的场合，如图1所示，包括：感应模块1、信号调理模块2、控制模块3。

如图1所示，本发明实施例的感应模块1为环状体，待测电缆4穿过其中心，感应模块1用于当待测电缆出现接地错误故障时，感应待测电缆中的工频电流在空间中产生的强磁场，并输出工频信号；和/或，当待测电缆出现局部绝缘故障时，将待测电流中的高频电流在空间中产生的变化微弱的高频磁场聚合为变化强的高频磁场，并输出高频信号。

具体地，由于待测电缆出现接地错误故障时，待测电缆中会出现安培级工频电流，感应模块1感应到安培级工频电流在空间中产生强磁场后，输出工频信号，从而实现待测电缆护层接地工频电流感知；由于待测电流出现局部绝缘故障时，待测电缆中会出现微安培至毫安培级别高频电流，而高频电流在空间中产生微弱变化的磁场，感应模块1首先将微弱变化的磁场聚合为变化强的高频磁场后，感应变化强的高频磁场，输出高频信号，从而实现待测电缆局部高频电流感知；当待测电缆出现接地错误故障及局部绝缘故障时，待测电缆中同时出现工频电流及高频电流，此时，感应模块1同时感应到工频电流在空间中产生强磁场及变化强的高频磁场，感应模块1同时输出由工频信号及高频信号构成的混合信号，从而实现待测电缆护层接地工频电流、局部高频电流感知，解决了由于工频电流传感器二次侧需短路、高频电流传感器二次侧需开路而造成无法集成的问题，缩小了传感器的整体体积。

如图1所示，本发明实施例的信号调理模块2的输入端与感应模块1连接，信号调理模块2用于放大工频信号及高频信号。

具体地，当感应模块1仅输出工频信号时，信号调理模块2仅对工频信号进行放大，当感应模块1仅输出高频信号时，信号调理模块2仅对高频信号进行放大，当感应模块1仅输出由工频信号及高频信号构成的混合信号时，信号调理模块2对混合信号中的工频分量、高频分量分别进行放大。

需要说明的是，本发明实施例的信号调理模块2不仅具有放大功能，还可以同时具有滤波、去噪、阻抗匹配的功能，在此不作限制。此外，信号调理模块2中的放大功能可以基于硬件设备实现或软件设备实现。

如图1所示，本发明实施例的控制模块3的输入端与信号调理模块2的输出端连接，控制模块3用于将工频信号、高频信号分别转换为工频数字信号、高频数字信号之后，发送至上位机，以便上位机对工频数字信号、高频数字信号进一步处理。

本发明实施例的控制模块3可以为带有模数转换通道的微处理器微处理器对工频信号及高频信号进行模数转换后发送至上位机，控制模块3中所涉及的模数转换方法为现有技术成熟的模数转换方法，在此不再赘述。

在一具体实施例中，如图2所示，感应模块1包括：高频软磁铁氧体磁芯11及磁阻传感芯片12。

如图2所示，本发明实施例的待测电缆外套设有环状的高频软磁铁氧体磁芯11，高频软磁铁氧体磁芯11开设有缺口，磁阻传感芯片12置于缺口的气隙中。

本发明实施例的高频软磁铁氧体磁芯11用于将变化微弱的高频磁场聚合为变化强的高频磁场；磁阻传感芯片12用于当感应到高频软磁铁氧体磁芯11气隙中聚合的变化强的高频磁场后，输出高频信号至信号调理模块2，和/或当感应工频电流在空间中产生强磁场后，输出工频信号至信号调理模块2。

具体地，当待测电缆出现接地错误故障时，待测电缆中出现安培级工频电流，磁阻传感芯片12感应到安培级工频电流在空间中产生强磁场后，输出工频信号；当待测电流出现局部绝缘故障时，待测电缆中出现微安培至毫安培级别高频电流，而高频电流在空间中产生微弱变化的磁场，高频软磁铁氧体磁芯11首先将微弱变化的磁场聚合为变化强的高频磁场后，磁阻传感芯片12感应变化强的高频磁场，输出高频信号；当待测电缆出现接地错误故障及局部绝缘故障时，待测电缆中同时出现工频电流及高频电流，此时，高频软磁铁氧体磁芯11首先将微弱变化的磁场聚合为变化强的高频磁场，磁阻传感芯片12同时感应到工频电流在空间中产生强磁场及变化强的高频磁场，磁阻传感芯片12同时输出由工频信号及高频信号构成的混合信号。

在一具体实施例中，如图3所示，信号调理模块2包括：工频信号调理单元21及高频信号调理单元22。

如图3所示，本发明实施例的工频信号调理单元21的输入端与感应模块1连接，工频信号调理单元21的输出端与控制模块3连接，工频信号调理单元21用于对工频信号进行放大。

具体地，如图4所示，本发明实施例的工频信号调理单元21包括：工频放大器芯片U1，工频放大器芯片的输入端与感应模块1连接，工频放大器芯片的输出端与控制模块3连接；当感应模块1仅输出工频信号时，工频放大器芯片对工频信号进行放大；当感应模块1输出由工频信号及高频信号构成的混合信号时，工频放大器芯片对混合信号中的工频分量进行放大。

如图3所示，本发明实施例的高频信号调理单元22的输入端与感应模块1连接，高频信号调理单元22的输出端与控制模块3连接，高频信号调理单元22用于对高频信号进行放大。

具体地，如图4所示，本发明实施例的高频信号调理单元22包括：高频放大器芯片，高频放大器芯片的输入端与感应模块1连接，高频放大器芯片的输出端与控制模块3连接；当感应模块1仅输出高频信号时，高频放大器芯片对高频信号进行放大；当感应模块1输出由工频信号及高频信号构成的混合信号时，高频放大器芯片对混合信号中的高频分量进行放大。

图4中的U3为磁阻传感芯片12，其置于高频软磁铁氧体磁芯11缺口的气隙内。

在一具体实施例中，如图5所示，基于磁阻效应的电流传感器还包括：无线通讯模块5，无线通讯模块5与控制模块3连接，控制模块3通过无线通讯模块5实现与上位机之间的通讯。

本发明实施例的无线通讯模块5可以包括4G无线通讯芯片，其内部所使用的通讯方法为现有技术成熟的通讯方法，控制模块3与无线通讯模块5通过串口协议进行数据传输，在此不作限制。

在一具体实施例中，如图6所示，基于磁阻效应的电流传感器还包括：电源模块6，电源模块6的输入端与外接电源连接，电源模块6的输出端分别与磁阻传感芯片12、工频信号调理单元21、高频信号调理单元22、控制模块3和无线通讯模块5连接，电源模块6用于将外接电源的电压转换为磁阻传感芯片12、工频信号调理单元21、高频信号调理单元22、控制模块3和无线通讯模块5的供电电压。

具体地，电源模块6包括：至少一个降压芯片，降压芯片与外接电源连接，降压芯片用于将外接电源的电压进行降压、稳压、滤波后为磁阻传感芯片12、工频信号调理单元21、高频信号调理单元22、控制模块3和无线通讯模块5供电。

具体地，如图7所示，本发明实施例的电源模块6包括两个降压芯片IC1及IC2，两个降压芯片将外接电源电压VCC5V转换为不同的供电电压，其中，两个降压芯片中所涉及的电压转换方法为现有技术成熟的方法，在此不再赘述。

在一具体实施例中，如图8所示，信号调理模块2、控制模块3、通讯模块、电源模块6及磁阻传感芯片12封装于不具有磁屏蔽效应材料的外罩7中，外罩置于高频软磁铁氧体磁芯11的缺口的气隙中，且填满整个气隙。

实施例2

本发明实施例提供一种电缆状态监测装置，包括：权利要求1-9任一项的电流传感器、判断模块，其中，判断模块与电流传感器之间电气连接或无线连接；当判断模块检测到电流传感器发送的工频数字信号时，判定待测电缆出现接地错误故障；当判断模块检测到电流传感器发送的高频数字信号时，判定待测电缆出现局部绝缘故障。

本发明实施例的判断模块可以通过检测接收信号的频率，以判断接收信号是否为工频数字信号和/或高频数字信号，此外，判断模块中所涉及的判断方法为现有技术成熟的方法，在此不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于磁阻效应的电流传感器，其特征在于，包括：感应模块、信号调理模块、控制模块，其中，

所述感应模块为环状体，待测电缆穿过其中心，所述感应模块用于当所述待测电缆出现接地错误故障时，感应待测电缆中的工频电流在空间中产生的强磁场，并输出工频信号；和/或，当所述待测电缆出现局部绝缘故障时，将待测电流中的高频信号在空间中产生的变化微弱的高频磁场聚合为变化强的高频磁场，并输出高频信号；

所述信号调理模块的输入端与所述感应模块连接，所述信号调理模块用于放大所述工频信号及高频信号；

所述控制模块的输入端与所述信号调理模块的输出端连接，所述控制模块用于将所述工频信号、高频信号分别转换为工频数字信号、高频数字信号之后，发送至上位机，以便上位机对工频数字信号、高频数字信号进一步处理；

所述感应模块包括：高频软磁铁氧体磁芯及磁阻传感芯片，其中，所述待测电缆外套设有环状的高频软磁铁氧体磁芯，所述高频软磁铁氧体磁芯开设有缺口，所述磁阻传感芯片置于所述缺口的气隙中；所述高频软磁铁氧体磁芯用于将变化微弱的高频磁场聚合为变化强的高频磁场；所述磁阻传感芯片用于当感应到高频软磁铁氧体磁芯气隙中聚合的变化强的高频磁场后，输出高频信号至所述信号调理模块，和/或当感应工频电流在空间中产生强磁场后，输出工频信号至所述信号调理模块。

2.根据权利要求1所述的基于磁阻效应的电流传感器，其特征在于，所述信号调理模块包括：工频信号调理单元及高频信号调理单元，其中，

所述工频信号调理单元的输入端与所述感应模块连接，所述工频信号调理单元的输出端与所述控制模块连接，所述工频信号调理单元用于对所述工频信号进行放大；

所述高频信号调理单元的输入端与所述感应模块连接，所述高频信号调理单元的输出端与所述控制模块连接，所述高频信号调理单元用于对所述高频信号进行放大。

3.根据权利要求2所述的基于磁阻效应的电流传感器，其特征在于，所述工频信号调理单元包括：

工频放大器芯片，所述工频放大器芯片的输入端与所述感应模块连接，所述工频放大器芯片的输出端与所述控制模块连接；

当所述感应模块仅输出工频信号时，所述工频放大器芯片对所述工频信号进行放大；

当所述感应模块输出由工频信号及高频信号构成的混合信号时，所述工频放大器芯片对所述混合信号中的工频分量进行放大。

4.根据权利要求2所述的基于磁阻效应的电流传感器，其特征在于，所述高频信号调理单元包括：

高频放大器芯片，所述高频放大器芯片的输入端与所述感应模块连接，所述高频放大器芯片的输出端与所述控制模块连接；

当所述感应模块仅输出高频信号时，所述高频放大器芯片对所述高频信号进行放大；

当所述感应模块输出由工频信号及高频信号构成的混合信号时，所述高频放大器芯片对所述混合信号中的高频分量进行放大。

5.根据权利要求1所述的基于磁阻效应的电流传感器，其特征在于，还包括：

无线通讯模块，所述无线通讯模块与所述控制模块连接，所述控制模块通过所述无线通讯模块实现与上位机之间的通讯。

6.根据权利要求5所述的基于磁阻效应的电流传感器，其特征在于，所述通讯模块包括：

无线通讯芯片，所述无线通讯芯片与所述控制模块连接。

7.根据权利要求6所述的基于磁阻效应的电流传感器，其特征在于，还包括：

电源模块，所述电源模块的输入端与外接电源连接，所述电源模块的输出端分别与所述磁阻传感芯片、工频信号调理单元、高频信号调理单元、控制模块和无线通讯模块连接，所述电源模块用于将所述外接电源的电压转换为所述磁阻传感芯片、工频信号调理单元、高频信号调理单元、控制模块和无线通讯模块的供电电压。

8.根据权利要求7所述的基于磁阻效应的电流传感器，其特征在于，所述电源模块包括：

至少一个降压芯片，所述降压芯片与所述外接电源连接，所述降压芯片用于将所述外接电源的电压进行降压、稳压、滤波后为所述磁阻传感芯片、工频信号调理单元、高频信号调理单元、控制模块和无线通讯模块供电。

9.根据权利要求8所述的基于磁阻效应的电流传感器，其特征在于，

所述信号调理模块、控制模块、通讯模块、电源模块及磁阻传感芯片封装于不具有磁屏蔽效应材料的外罩中，外罩置于所述高频软磁铁氧体磁芯的缺口的气隙中，且填满整个气隙。

10.一种电缆状态监测装置，其特征在于，包括：权利要求1-9任一项所述的电流传感器、判断模块，其中，

所述判断模块与所述电流传感器之间电气连接或无线连接；

当所述判断模块检测到所述电流传感器发送的工频数字信号时，判定待测电缆出现接地错误故障；当所述判断模块检测到所述电流传感器发送的高频数字信号时，判定所述待测电缆出现局部绝缘故障。