CN113552405A - 一种高频电流传感器及放电电流检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频电流传感器，包括主线圈和辅助消磁线圈，所述主线圈和辅助消磁线圈同时匝链一次侧电流；所述主线圈包括主线圈磁芯、采样绕组NT和消磁绕组N1，所述辅助消磁线圈包括辅助消磁线圈磁芯和消磁绕组N2；消磁绕组N1的同铭端与消磁绕组N2的异铭端相连，消磁绕组N1的异铭端与消磁绕组N2的同铭端相连，所述采样绕组NT与外部信号处理电路相连；本发明还公开了一种放电电流检测方法，将变压器出线侧或输电线与高频电流传感器的主线圈和辅助消磁线圈同时匝链；通过信号处理电路对主线圈上采样绕组NT上的电流进行处理，实现放电电流检测。
Description
技术领域
本发明属于电流测量技术领域，具体涉及一种在工频或低频大电流背景下能有效传变高频小电流分量的电流传感器及电流检测方法。
背景技术
当电气设备长期运行时，会保持较高的温度，造成绝缘材料变脆老化，绝缘性能下降，导致电气设备绝缘材料内部或表面容易发生放电现象，存在于绝缘介质中的放电现象，是一个复杂的电气过程。虽然它放电能量较小，不会直接击穿绝缘物，但是能够造成介质的部分损坏。当它一直发生时，在特殊的环境下也会促使绝缘体发生质变，完全击穿，从而影响到电气设备的正常运行，造成安全事故。
目前，放电电流的检测有多种方法，其中脉冲电流检测法研究最早、应用最广泛。其测量原理是：当放电发生时会造成电荷的移动，该移动电荷可在外围测量回路中产生脉冲电流(mA级)，通过检测该脉冲电流便可实现对放电电流的测量。
现有的电流传感器，用于放电电流检测，使用上存在一定限制和不足。
1、用于高压侧或输电线电流检测的电流传感器--罗氏线圈，通常主要是用来测量大电流、过载电流、短路电流，由于是空心线圈，工频大电流时不会出现磁芯饱和，但是如果同时用来检测放电电流，则灵敏度低，不满足毫安级高频电流测量要求。
2、用于接地侧放电电流检测的高频电流传感器，可满足毫安级高频电流测量灵敏度要求，但如果用于高压侧或输电线时，工频工作电流会导致磁芯饱和，不能在工频大电流条件下正常传变。
因此需要一种高频电流传感器，能消除工频电流带来的影响，同时又要把mA级的高频的放电电流检测出来。目前还没有满足需求的相关技术。
发明内容
发明目的：为了解决高频电流传感器用于变压器或输电线高压侧时存在的难于从大电流工作电流中有效提取放电电流信号的问题，本发明提出一种采用辅助线圈消磁的高频电流传感器及电流检测方法，实现在工频或低频大电流背景下高频小电流分量的有效传变。
技术方案：一种采用辅助线圈消磁的高频电流传感器，包括主线圈和辅助消磁线圈，所述主线圈和辅助消磁线圈同时匝链一次侧电流；所述主线圈包括主线圈磁芯、采样绕组NT和消磁绕组N1，所述辅助消磁线圈包括辅助消磁线圈磁芯和消磁绕组N2；消磁绕组N1的同铭端与消磁绕组N2的异铭端相连，消磁绕组N1的异铭端与消磁绕组N2的同铭端相连，所述采样绕组NT与外部信号处理电路相连。
进一步的，在消磁绕组N1与消磁绕组N2之间直接相连或串接电感。
进一步的，所述采样绕组NT和消磁绕组N1绕制在磁芯上。
进一步的，所述采样绕组NT和消磁绕组N1绕制在骨架上，绕制有采样绕组NT和消磁绕组N1的骨架与主线圈磁芯之间保持距离。
进一步的，所述采样绕组NT通过采样电阻与外部信号处理电路相连。
进一步的，所述采样电阻为无感电阻。
本发明还公开了一种放电电流检测方法，具体包括：
将变压器出线侧或输电线与高频电流传感器的主线圈和辅助消磁线圈同时匝链；
当高频电流传感器一次侧流过工频电流时，主线圈的消磁绕组N1和辅助消磁线圈的消磁绕组N2上的电流各自相互最大程度抵消一次侧工频电流的励磁；
通过信号处理电路对主线圈上采样绕组NT上的电流进行处理，实现放电电流检测。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)工作时，主线圈和辅助线圈消磁绕组输出的电流相互抵消一次工频电流对传感器磁芯的励磁，并利用绕组阻抗频率特性降低对高频电流传变的影响，从而大幅提高放电电流信号传变信噪比，采用本发明的高频电流传感器，具备在工频或低频大电流背景下有效传变高频小电流分量的特性；
(2)采用辅助线圈消磁的高频电流传感器，能够在数百、数千安培工频电流背景下的传变毫安级高频电流信号；
(3)采用辅助线圈消磁的高频电流传感器，对一次侧工频电流有明显的抵消作用，能够达到1V/1000A量级，即1000A工频电流的感应电压小于1V；
(4)采用辅助线圈消磁的高频电流传感器，能够检测出数百K至数十M赫兹频带的放电电流信号，通过调整磁芯材质，可以调整传感器测量频率范围；
(5)采用辅助线圈消磁，对主线圈低频电流去磁效果明显。但在高频信号下，由于主线圈辅助绕组及消磁线圈的漏感存在，其对高频电流短路效果有限；采样线圈依然具有较高的高频电流灵敏度，通常高频电流的传输比(电压/电流)至少能够达到1V/A，即1mA的电流信号的感应电压可达到1mV。
附图说明
图1为传统高频电流传感器接线示意图；
图2为辅助线圈消磁的电流传感器接线示意；
图3为辅助线圈消磁的电流传感器原理示意。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
参见图1，传统的高频电流传感器用于高压侧或输电线时，一次侧的工作电流很容易造成传感器磁芯的饱和，导致无法测量。
如图2和图3所示的一种采用辅助线圈消磁的高频电流传感器，由主线圈和辅助消磁线圈组成，一次侧电流同时匝链两个线圈，即主线圈和辅助消磁线圈同时匝链变压器出线侧或输电线；主线圈上有两个绕组，分别是采样绕组NT和消磁绕组N1，主线圈上的采样绕组NT和消磁绕组N1采用但不限于顺绕，不重叠，为了减小寄生电容，绕组可以绕制在骨架上，与磁芯之间保持一定的距离，消磁绕组N1可以采用但不限于漆包线或绝缘导线，导线截面积根据一次侧工作电流以及匝数确定。辅助消磁线圈只有消磁绕组N2，采用普通顺绕即可。主线圈上的消磁绕组N1的同铭端与辅助消磁线圈上的消磁绕组N2的异铭端相连，主线圈上的消磁绕组N1的异铭端与辅助消磁线圈上的消磁绕组N2的同铭端相连，采样绕组NT的输出接采样电阻，采样电阻通常采用无感电阻，也可以不接采样电阻，采用屏蔽双绞线或同轴线缆等输出至信号处理电路。
在本发明的基础上增加绕组，实现类似的功能，也属于本发明要求保护的范围。
主线圈上的消磁绕组N1与辅助消磁线圈上的消磁绕组N2之间也可以串接电感，提高高频抑制效果。主线圈和辅助消磁线圈的匝数与线径由一次侧额定工作电流确定，消磁绕组N1的匝数与消磁绕组N2的匝数通常是相等的，记为N。
主线圈和辅助消磁线圈可以安装在同一个外壳内，也可以各自采用一个外壳，外壳可以采用金属(内层开口)材质，也可以采用非金属材质。
主线圈的磁芯通常采用高频特性比较好的磁芯，包括但不限于为铁氧体；辅助消磁线圈的磁芯通常采用低成本的硅钢，也可以采用其他材质的磁芯，包括但不限于铁氧体和硅钢；根据应用场合，电流传感器中主线圈和辅助消磁线圈的磁芯可以采用整环，也可以采用两个半环拼接得到，也可以采用其他形状或多块拼接出的磁芯，磁芯尺寸大小根据应用场合确定。
主线圈上的消磁绕组N1对高频电流信号有一定的影响，主要是消磁绕组N1对高频电流本身的感应分流，尤其高频下寄生电容降低了消磁绕组高频阻抗，为了尽可能减小对高频信号的影响，可以在消磁绕组N1输出接电感，提高高频阻抗。
工作时，主线圈的消磁绕组N1和辅助消磁线圈的消磁绕组N2输出的电流相互抵消一次工频电流对传感器磁芯的励磁，即，当高频电流传感器一次侧流过工频电流ip时，主线圈上的消磁绕组N1和辅助消磁线圈上的消磁绕组N2感应出对应大小的电流is，其电流大小近似为ip/N，主线圈和辅助线圈上的励磁电流ip-N×is近似为零，即消磁绕组N1和消磁绕组N2上的电流各自相互最大程度抵消一次侧工频电流的励磁。本发明利用绕组阻抗频率特性降低对高频电流传变的影响，从而大幅提高放电电流信号传变信噪比。
基于上述结构的传感器，本发明还公开了一种放电电流检测方法，具体包括：
将变压器出线侧或输电线与高频电流传感器的主线圈和辅助消磁线圈同时匝链；
传感器一次侧流过工频电流时，消磁绕组N1和消磁绕组N2上的电流各自相互最大程度抵消一次侧工频电流的励磁；
通过信号处理电路对主线圈上采样绕组NT上的电流进行处理，实现放电电流检测。
现对上述结构的辅助线圈消磁的高频电流传感器进行实际测试，具体结构参数为：磁芯尺寸为120/85/20(mm)，采样绕组16匝(负载50欧无感电阻)，消磁线圈采用同材质铁氧体磁芯，消磁绕组均为68匝。实际测试的消磁效果参见表1，高频传输特性参见表2。由表1和表2可知，上述结构的辅助线圈消磁的高频电流传感器具备在工频或低频大电流背景下有效传变高频小电流分量的特性。
表1一次侧工频电流消磁效果
表2高频下电压电流传输关系
Claims (7)
1.一种高频电流传感器，其特征在于：包括主线圈和辅助消磁线圈，所述主线圈和辅助消磁线圈同时匝链一次侧电流；所述主线圈包括主线圈磁芯、采样绕组NT和消磁绕组N1，所述辅助消磁线圈包括辅助消磁线圈磁芯和消磁绕组N2；消磁绕组N1的同铭端与消磁绕组N2的异铭端相连，消磁绕组N1的异铭端与消磁绕组N2的同铭端相连，所述采样绕组NT与外部信号处理电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种高频电流传感器，其特征在于：在消磁绕组N1与消磁绕组N2之间直径相连或串接电感。
3.根据权利要求1所述的一种高频电流传感器，其特征在于：所述采样绕组NT和消磁绕组N1绕制在磁芯上。
4.根据权利要求1所述的一种高频电流传感器，其特征在于：所述采样绕组NT和消磁绕组N1绕制在骨架上，绕制有采样绕组NT和消磁绕组N1的骨架与主线圈磁芯之间保持距离。
5.根据权利要求1所述的一种高频电流传感器，其特征在于：所述采样绕组NT通过采样电阻与外部信号处理电路相连。
6.根据权利要求4所述的一种高频电流传感器，其特征在于：所述采样电阻为无感电阻。
7.一种放电电流检测方法，其特征在于：具体包括：
将变压器出线侧或输电线与高频电流传感器的主线圈和辅助消磁线圈同时匝链；所述高频电流传感器为权利要求1至6任意一项所述的一种高频电流传感器；
当高频电流传感器一次侧流过工频电流时，主线圈的消磁绕组N1和辅助消磁线圈的消磁绕组N2上的电流各自相互抵消一次侧工频电流的励磁；
通过信号处理电路对主线圈上采样绕组NT上的电流进行处理，实现放电电流检测。
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