CN113848364A - 一种抗电磁干扰的零磁通互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抗电磁干扰的零磁通互感器，待测电流流经绕设在电流测量铁心的原边线圈产生杂散磁场，电流测量绕组和电流励磁补偿绕组绕制于电流测量铁心的副边，噪声测量绕组和噪声励磁补偿绕组绕制于噪声检测铁心上，测量励磁电流动态平衡电路检测待测电流激磁磁通在电流测量绕组产生的电流，并产生平衡励磁补偿电流输出至电流励磁补偿绕组；噪声检测励磁电流动态平衡电路检测杂散磁场产生的激磁磁通在噪声测量绕组产生的电流，并产生平衡励磁补偿电流至噪声励磁补偿绕组，电流信号放大电路和噪声信号放大电路分别将两组测量信号进行放大，差分信号处理单元分别连接电流信号放大电路和噪声信号放大电路输出端，并差分处理得到体现待测电流大小的电压信号。本发明克服了传统零磁通互感器在电磁干扰环境下噪声信号严重影响测量精度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电流互感器技术领域，尤其涉及一种抗电磁干扰的零磁通互感器。
背景技术
电流互感器能够将大电流按比例变换成小电流，主要用于测量仪器、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。电流互感器能够隔离高电压系统，确保人身和设备安全，因此被广泛应用于电气绝缘在线监测装置中。其中零磁通电流互感器由于使用了励磁平衡原理，具有较高的测量精度，常用在需要监测小电流的电气绝缘在线监测装置上。
电气绝缘在线监测装置一般是安装在变电站等电磁环境相对复杂的场所，因此零磁通电流互感器所处环境中其它通电导体在互感器铁芯中产生的磁场（即杂散磁场）与穿过线圈的导线上电流产生的磁场叠加，将同时反馈在电流互感器的输出信号上。环境中电磁场影响在大电流测量时因占比较小可以忽略，但如果是用于避雷器泄漏电流在线监测装置等小电流监测时，环境中电磁场的干扰会对输出结果的准确性产生极大的影响。
发明内容
本发明的目的在于针对零磁通互感器在电磁场干扰环境下，微小电流测量时不能同时解决去噪与保留原始信号之间的矛盾，提供一种抗电磁干扰的零磁通互感器，克服了传统零磁通互感器在电磁干扰环境下噪声信号严重影响测量精度的问题。
本发明采用的技术方案是：
一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其包括互感器铁心和互感器绕组，互感器铁心包括电流测量铁心和噪声检测绕组铁心，互感器绕组分为电流测量绕组、电流励磁补偿绕组、噪声测量绕组和噪声励磁补偿绕组，原边线圈绕设在电流测量铁心的原边，电流测量绕组和电流励磁补偿绕组绕制于电流测量铁心的副边， 噪声测量绕组和噪声励磁补偿绕组绕制于噪声检测铁心上，
待测电流与环境中杂散磁场产生的激磁磁通在电流测量绕组产生电流，电流测量绕组接入测量励磁电流动态平衡电路，测量励磁电流动态平衡电路根据电流测量绕组输入的电流信号产生动态励磁补偿电流输出至电流励磁补偿绕组，电流励磁补偿绕组的输出信号连接电流信号放大电路；
环境中杂散磁场产生的激磁磁通在噪声测量绕组两端产生噪声电流，噪声测量绕组接入噪声检测励磁电流动态平衡电路，噪声检测励磁电流动态平衡电路根据噪声测量绕组输入的信号产生动态励磁补偿电流至噪声励磁补偿绕组，噪声励磁补偿绕组的输出信号连接噪声信号放大电路；
差分信号处理单元的两个输入端分别对应连接电流信号放大电路和噪声信号放大电路，用于将两组输入的电电压信号进行差分处理，得到体现待测电流大小的电压信号。
进一步地，作为一种较优实施方式，电流测量铁心和噪声检测绕组铁心均为空心圆柱体且尺寸完全相同。
进一步地，作为一种较优实施方式，电流测量绕组和电流励磁补偿绕组均匀绕制于电流测量铁心上。
进一步地，作为一种较优实施方式，电流测量绕组的匝数和电流励磁补偿绕组的匝数相同。
进一步地，作为一种较优实施方式，噪声测量绕组和噪声励磁补偿绕组均匀绕制于噪声检测铁心上。
进一步地，作为一种较优实施方式，噪声测量绕组的匝数和噪声励磁补偿绕组的匝数相同。
进一步地，作为一种较优实施方式，差分信号处理单元的输出端连接负载至噪声励磁补偿绕组。
进一步地，作为一种较优实施方式，电流信号放大电路是一个由OP2227搭建的双极性反相放大电路，输入1uA电流，对应输出10mV电压信号。
进一步地，作为一种较优实施方式，噪声信号放大电路是一个由OP2227搭建的双极性反相放大电路，输入1uA电流，对应输出10mV电压信号。
本发明采用以上技术方案，采用了两个铁芯分别采集原始电流信号及环境噪声信号。将噪声信号作为一组有效信号进行高精度采集，并通过后端处理电路在原始电流信号中进行差分处理，从而得到消除噪声的电流采样信号。本发明使用差分处理电路将传感器采集的电流信号Ix与环境噪声信号IN分离，从而得到一次电流信号。本发明零磁通互感器克服了传统零磁通互感器在电磁干扰环境下噪声信号严重影响测量精度的问题。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明一种抗电磁干扰的零磁通互感器的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明公开了一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其包括互感器铁心和互感器绕组，互感器铁心包括电流测量铁心和噪声检测绕组铁心，互感器绕组分为电流测量绕组、电流励磁补偿绕组、噪声测量绕组和噪声励磁补偿绕组，原边线圈绕设在电流测量铁心的原边，电流测量绕组和电流励磁补偿绕组均匀绕制于电流测量铁心上， 噪声测量绕组和噪声励磁补偿绕组均匀绕制于噪声检测铁心上，
待测电流与环境中杂散磁场产生的激磁磁通在电流测量绕组产生电流。电流测量绕组接入测量励磁电流动态平衡电路，测量励磁电流动态平衡电路根据电流测量绕组输入的电流信号产生动态励磁补偿电流输出至电流励磁补偿绕组；
环境中杂散磁场产生的激磁磁通在噪声测量绕组两端产生噪声电流。噪声测量绕组接入噪声检测励磁电流动态平衡电路，噪声检测励磁电流动态平衡电路根据噪声测量绕组输入的信号产生动态励磁补偿电流至噪声励磁补偿绕组；
电流信号放大电路连接电流励磁补偿绕组的输出信号。它是一个由OP2227搭建的双极性反相放大电路，输入1uA电流，对应输出10mV电压信号。
噪声信号放大电路连接噪声励磁补偿绕组的输出信号。它是一个由OP2227搭建的双极性反相放大电路，输入1uA电流，对应输出10mV电压信号。
差分信号处理单元依次连接电流信号放大电路和噪声信号放大电路，它用于将两组输入的电压信号进行差分处理，得到体现待测电流大小的电压信号。
进一步地，作为一种较优实施方式，互感器铁心为空心圆柱体。
下面就本发明的具体原理做详细说明：
原边线圈N0用于流过待测电流I0，作用在互感器铁芯中的杂散磁场HN；测量励磁补偿电流Ix；杂散磁场在绕组中产生的噪声电流IN；待测电流在绕组中产生的感应电流I2；
待测电流I0与环境中杂散磁场HN同时作用于互感器的测量铁芯，当流经电流励磁补偿绕组的电流Ix使铁芯达到磁势平衡时，Ix可认为是待测电流在绕组中产生的感应电流I2与杂散磁场在绕组中产生的噪声电流IN的叠加电流即Ix= I2+IN。
环境中杂散磁场HN作用于互感器的噪声检测绕组铁心，当流经噪声励磁补偿绕组的电流IN使噪声检测绕组铁心达到磁势平衡时，IN可认为是环境中杂散磁场HN在噪声检测绕组中产生的噪声电流。
电流信号放大电路连接电流励磁补偿绕组的输出信号。它是一个由OP2227搭建的双极性反相放大电路，输入1uA电流，对应输出10mV电压信号。
噪声信号放大电路连接噪声励磁补偿绕组的输出信号。它是一个由OP2227搭建的双极性反相放大电路，输入1uA电流，对应输出10mV电压信号。
差分信号处理单元分别连接电流信号放大电路输出端和噪声信号放大电路输出端，Ix和IN两组电流经过放大后通过差分运算方式进行处理，处理方式为电流信号放大电路输出端信号UIx减去噪声信号放大电路输出端信号UIN，所得到信号即为待测电流在绕组中产生的感应电流I2所对应的放大后的电压信号Uout。
测量励磁电流动态平衡电路产生的电流Ix流过电流励磁补偿绕组，当铁芯达到磁势平衡时，Ix产生的磁通与测量铁芯中一次电流I0产生的磁通和环境杂散磁场HN完全抵消，铁心接近零磁通的状态。因此Ix包含待测电流在绕组中产生的感应电流I2和环境杂散磁场在绕组中产生的感应噪声电流信号IN。
电流测量绕组受到一次电流I0和环境中杂散磁场信号产生的激磁磁通在测量绕组产生电势差。
测量励磁电流动态平衡电路是一个由OP2227搭建的双极性同相放大电路，它根据电流测量绕组输入的信号产生动态平衡励磁补偿电流I2。
电流测量绕组受到一次电流I0产生的激磁磁通在测量绕组产生电势差输入测量励磁电流动态平衡电路。
环境中杂散磁场信号产生的激磁磁通在噪声测量绕组两端输出电流。
噪声检测励磁电流动态平衡电路是一个由OP2227搭建的双极性同相放大电路，它根据噪声测量绕组输入的信号产生动态平衡励磁补偿电流IN。动态平衡励磁补偿电流IN通过噪声励磁补偿绕组产生感应磁势。当铁芯达到磁势平衡时，IN与环境中杂散磁场作用在互感器上产生的感应电流大小相同。
电流信号放大电路连接电流励磁补偿绕组的输出信号。它是一个由OP2227搭建的双极性反相放大电路，输入1uA电流，对应输出10mV电压信号。
噪声信号放大电路连接噪声励磁补偿绕组的输出信号。它是一个由OP2227搭建的双极性反相放大电路，输入1uA电流，对应输出10mV电压信号。
差分信号处理单元依次连接电流信号放大电路输出端和噪声信号放大电路输出端，它用于将两组输入的电流信号转换为电压信号，并进行差分处理，输出的电压信号能够即能体现一次电流I0的大小，又消除了环境噪声所带来的影响。
本发明采用以上技术方案，采用了两个铁芯分别采集原始电流信号及环境噪声信号。将噪声信号作为一组有效信号进行高精度采集，并通过后端处理电路在原始电流信号中进行差分处理，从而得到消除噪声的电流采样信号。本发明使用差分处理电路将传感器采集的电流信号Ix与环境噪声信号IN分离，从而得到一次电流信号。本发明零磁通互感器克服了传统零磁通互感器在电磁干扰环境下噪声信号严重影响测量精度的问题。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
Claims (9)
1.一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其特征在于：其包括互感器铁心和互感器绕组，互感器铁心包括电流测量铁心和噪声检测绕组铁心，互感器绕组分为电流测量绕组、电流励磁补偿绕组、噪声测量绕组和噪声励磁补偿绕组，原边线圈绕设在电流测量铁心的原边，电流测量绕组和电流励磁补偿绕组绕制于电流测量铁心的副边， 噪声测量绕组和噪声励磁补偿绕组绕制于噪声检测铁心上，
待测电流与环境中杂散磁场产生的激磁磁通在电流测量绕组产生电流，电流测量绕组接入测量励磁电流动态平衡电路，测量励磁电流动态平衡电路根据电流测量绕组输入的电流信号产生动态励磁补偿电流输出至电流励磁补偿绕组，电流励磁补偿绕组的输出信号连接电流信号放大电路；
环境中杂散磁场产生的激磁磁通在噪声测量绕组两端产生噪声电流，噪声测量绕组接入噪声检测励磁电流动态平衡电路，噪声检测励磁电流动态平衡电路根据噪声测量绕组输入的信号产生动态励磁补偿电流至噪声励磁补偿绕组，噪声励磁补偿绕组的输出信号连接噪声信号放大电路；
差分信号处理单元的两个输入端分别对应连接电流信号放大电路和噪声信号放大电路，用于将两组输入的电压信号进行差分处理，得到体现待测电流大小的电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其特征在于：电流测量铁心和噪声检测绕组铁心均为空心圆柱体且尺寸完全相同。
3.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其特征在于：电流测量绕组和电流励磁补偿绕组均匀绕制于电流测量铁心上。
4.根据权利要求1或3所述的一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其特征在于：电流测量绕组的匝数和电流励磁补偿绕组的匝数相同。
5.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其特征在于：噪声测量绕组和噪声励磁补偿绕组均匀绕制于噪声检测铁心上。
6.根据权利要求1或5所述的一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其特征在于：噪声测量绕组的匝数和噪声励磁补偿绕组的匝数相同。
7.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其特征在于：差分信号处理单元的输出端连接负载。
8.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其特征在于：电流信号放大电路是一个由OP2227搭建的双极性反相放大电路，输入1uA电流，对应输出10mV电压信号。
9.根据权利要求1所述的一种抗电磁干扰的零磁通互感器，其特征在于：噪声信号放大电路是一个由OP2227搭建的双极性反相放大电路，输入1uA电流，对应输出10mV电压信号。
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