CN114121460B - 采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电流互感器技术领域，具体地说，涉及采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器。其包括电流线圈，所述电流线圈采用低磁导率磁粉芯作为磁芯，所述电流线圈连接低程通道电路和高程通道电路，所述低程通道电路和高程通道电路与电流线圈的二次绕组并联，所述低程通道电路用于采集小电流量程，所述高程通道电路用于采集大电流量程。本发明采用低磁导率磁粉芯有着高频特性好、抗直流分量饱和特性好、具有软饱和特性等优点，生产成本也较低，且扩展了电流线圈的电流变换的范围以获得更大的量程，可以将测量范围加倍，提高了测量精度。

Description

采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器
技术领域
本发明涉及电流互感器技术领域，具体地说，涉及采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器。
背景技术
在电力行业使用了大量的电能计量、谐波监测治理、无功补偿以及线路保护的设备，这些设备共同的需求是需要对电流进行测量，但是由于应用领域的不同对电流测量的需求也存在细节上的差异。如：电能计量设备对工频信号的测量的准确度有比较高要求，谐波监测治理设备需要对高频谐波信号进行测量，线路保护设备则需要对暂态波形进行测量以支持其内置算法，大部分情况下，上述设备采用了铁镍基或硅铁材料制作的电流互感器，少量的也有采用罗氏线圈的，但是此类电流互感器在性能和成本上存在问题：带宽窄，对高频谐波信号衰减大，无法满足谐波监测治理设备的要求；瞬态波形响应差，特别是电流包含直流分量时容易磁化饱和；电流量程小，需要测量互感器和保护互感器两个并用才能满足保护设备对量程的要求，价格高，并且连接互感器的电缆线凌乱的摆放，易打结损坏，不利于后续使用，鉴于此，我们提出采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器。
发明内容
本发明的目的在于提供采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器，包括电流线圈，所述电流线圈采用低磁导率磁粉芯作为磁芯，所述电流线圈连接低程通道电路和高程通道电路，所述低程通道电路和高程通道电路与电流线圈的二次绕组并联；
所述低程通道电路用于采集小电流量程，所述高程通道电路用于采集大电流量程，其中，小电流量程为电流在0-100A配置的量程，大电流量程为电流在100-2000A配置的量程。
作为本技术方案的进一步改进，所述低程通道电路包括低程增益调节电路、低程运算放大器和低程数模转换器；
所述低程增益调节电路用于设置大增益把信号放大，其中，大增益表示为低程数模转换器的转换位数大于电流测量范围；
所述低程运算放大器用于匹配信号源与低程数模转换器的阻抗；
所述低程数模转换器用于将低程通道的模拟信号转换成数字信号；
其中，低程增益调节电路增益的设置原则为测量范围不超出并能够充分低程数模转换器的转换位数，可以得到最高的分辨率。
作为本技术方案的进一步改进，所述高程通道电路包括高程增益调节电路、高程运算放大器和高程数模转换器；
所述高程增益调节电路用于设置小增益和负增益，其中，小增益表示为高程数模转换器的转换位数大于电流测量范围；
所述高程运算放大器用于匹配信号源高程数模转换器的阻抗；
所述高程数模转换器用于将高程通道的模拟信号转换成数字信号；
其中，高程增益调节电路增益的设置原则为测量范围不超出并能够充分高程数模转换器的转换位数，可以得到最高的分辨率。
作为本技术方案的进一步改进，所述低程增益调节电路和高程增益调节电路的引脚均与所述电流线圈公共连接点连接，从而使低程通道电路和高程通道电路设置了交叠区作为阈值判断的回差，确保电流变换的范围以获得更大的量程。
作为本技术方案的进一步改进，所述低程数模转换器和高程数模转换器之间连接有时钟源，且所述低程数模转换器和高程数模转换器工作在同步采样状态，所述时钟源用于通过低程数模转换器和高程数模转换器将低程通道和高程通道的模拟信号转换为数字信号通过数字总线传送给处理器。
作为本技术方案的进一步改进，所述处理器用于接收数字信号，根据数字信号的大小决定使用低程数模转换器的转换结果或使用高程数模转换器的转换结果；
其中，数字信号已经超出低程数模转换器的量程时会使用高程数模转换器的转换结果，反之，将未被采用的转换结果抛弃，也就是不能使用低程数模转换器的转换结果和使用高程数模转换器的转换结果任意个转换结果时，将未被采用的转换结构抛弃，低程数模转换器和高程数模转换器是同步采样的，因此选择任何一个转换结果都代表在该时刻的实际电流值，然后处理器根据预先存储的校准值和算法对每个转换值进行幅值的补偿，并记录相位差，实现数字式的电流互感。
作为本技术方案的进一步改进，所述处理器处理的数据通过通讯接口发送给外接设备使用。
作为本技术方案的进一步改进，所述通讯接口采用数字通讯接口，包括RS232接口、RS485接口、CAN接口、网口。
作为本技术方案的进一步改进，所述电流线圈外侧设有外壳，所述外壳表面转动有整理辊。
作为本技术方案的进一步改进，所述整理辊表面外壁开设有滑槽，所述滑槽内部滑动有两个对称的夹持板，所述夹持板靠近端部的表面与所述滑槽内腔端部之间固定连接有限位弹簧。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器中，通过电流线圈采用低磁导率磁粉芯作为磁芯磁化测量精度更高，低磁导率磁粉芯有着高频特性好、抗直流分量饱和特性好、具有软饱和特性等优点，非常符合电力行业设备对电流测量的需求，而且用于制造低磁导率磁粉芯的材料成本远远低于铁镍基或硅铁材料，同时可以采用模压法制造，生产成本也较低。
2、该采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器中，通过采用了低程通道电路和高程通道电路作为两路模拟采集通道，配合数字校准算法扩展了电流线圈的电流变换的范围以获得更大的量程，可以将测量范围加倍，提高了测量精度。
3、该采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器中，通过将电流线圈端子处连接的电缆线缠绕在整理辊外壁，限位弹簧压缩，在限位弹簧恢复原状的弹力下带动夹持板夹持电缆线，避免电缆线凌乱的摆放，不利于后续使用。
附图说明
图1为本发明实施例1的整体原理电路图；
图2为本发明实施例1的铁镍基或硅铁材料铁芯的磁化曲线图；
图3为本发明实施例1的低磁导率磁粉芯的磁化曲线图；
图4为本发明实施例1的低程通道电路原理图；
图5为本发明实施例1的高程通道电路原理图；
图6为本发明实施例1的外壳结构局部示意图；
图7为本发明实施例1的整理辊结构局部刨切图。
图中各个标号意义为：
1、电流线圈；10、外壳；11、整理辊；12、滑槽；13、夹持板；14、限位弹簧；
2、低程通道电路；21、低程增益调节电路；22、低程运算放大器；23、低程数模转换器；
3、高程通道电路；31、高程增益调节电路；32、高程运算放大器；33、高程数模转换器；
4、时钟源；5、处理器；6、通讯接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1
请参阅图1-图5所示，本实施例提供采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器，包括电流线圈1，电流线圈1采用低磁导率磁粉芯作为磁芯，低磁导率磁粉芯具有高频特性好、抗直流分量饱和特性好、具有软饱和特性的优点，利用低磁导率磁粉芯具有软饱和的特点，配合数字校准算法扩展了电流变换的范围获得更大的量程，电流线圈1连接低程通道电路2和高程通道电路3，低程通道电路2和高程通道电路3与电流线圈1的二次绕组并联；
其中，在磁芯上均匀绕制漆包线成为电流变换线圈，电性连接低程通道电路2和高程通道电路3，实现两路模拟采集通道的原理。
低程通道电路2用于采集小电流量程，其中，小电流量程优选为电流在0-100A配置的量程（包括100A），实现采集经过电流线圈1的小电流量程。
本实施例中的，低程通道电路2包括低程增益调节电路21、低程运算放大器22和低程数模转换器23；
低程增益调节电路21用于设置大增益把信号放大，其中，大增益表示为低程数模转换器23的转换位数大于电流测量范围；
低程运算放大器22用于匹配信号源与低程数模转换器23的阻抗；
低程数模转换器23用于将低程通道的模拟信号转换成数字信号；
其中，低程增益调节电路21增益的设置原则为测量范围不超出并能够充分低程数模转换器23的转换位数，可以得到最高的分辨率。
高程通道电路3用于采集大电流量程，其中，大电流量程优选为电流在100-2000A配置的量程，实现采集经过电流线圈1的大电流量程，通过采用了两路模拟采集通道，配合数字校准算法扩展了电流线圈1的电流变换的范围以获得更大的量程，可以将测量范围加倍，提高了测量精度；
具体的，高程通道电路3包括高程增益调节电路31、高程运算放大器32和高程数模转换器33；
高程增益调节电路31用于设置小增益和负增益，其中，小增益表示为高程数模转换器33的转换位数大于电流测量范围；
高程运算放大器32用于匹配信号源高程数模转换器33的阻抗；
高程数模转换器33用于将高程通道的模拟信号转换成数字信号；
其中，高程增益调节电路31增益的设置原则为测量范围不超出并能够充分高程数模转换器33的转换位数，可以得到最高的分辨率。
为了保证电路完整性，低程增益调节电路21和高程增益调节电路31的引脚均与所述电流线圈1公共连接点连接，从而使低程通道电路2和高程通道电路3设置了交叠区作为阈值判断的回差，确保电流变换的范围以获得更大的量程。
其中，低程数模转换器23和高程数模转换器33之间连接有时钟源4，且低程数模转换器23和高程数模转换器33工作在同步采样状态，时钟源4用于通过低程数模转换器23和高程数模转换器33将低程通道和高程通道的模拟信号转换为数字信号通过数字总线传送给处理器5。
为了实现数字式的电流互感，起到电流变换的作用，处理器5用于接收数字信号，根据数字信号的大小决定使用低程数模转换器23的转换结果或使用高程数模转换器33的转换结果；
如：数字信号比较大已经超出低程数模转换器23的量程时会使用高程数模转换器33的转换结果，否则反之，将未被采用的转换结果抛弃也就是不能使用低程数模转换器23的转换结果和使用高程数模转换器33的转换结果任意个转换结果时，将未被采用的转换结构抛弃，由于低程数模转换器23和高程数模转换器33是同步采样的，因此选择任何一个转换结果都代表在该时刻的实际电流值，然后处理器5根据预先存储的校准值和算法对每个转换值进行幅值的补偿，并记录相位差，实现数字式的电流互感，起到电流变换的作用。
为了保证数据发送的完整性，处理器5处理的数据通过通讯接口6发送给外接设备使用，从而实现保护或测量外接设备的功能，保证完整性。
具体的，通讯接口6采用数字通讯接口，包括RS232接口、RS485接口、CAN接口、网口，使数据发送方式更全面；
RS232接口为串行数据通信的接口，RS485接口可以实现点对点的通信方式。
具体的，如图2所示，根据铁镍基或硅铁材料铁芯的磁化曲线图，随着磁场强度H的增大，磁场感应强度B增大，增大曲线包括线性区和饱和区，体现铁镍基或硅铁材料铁芯的磁化由线性区变化至饱和区，导致瞬态波形响应差，特别是电流包含直流分量时容易磁化饱和，因此本发明正是发现并利用这一点配合数字校准算法扩展了电流线圈1的电流变换的范围以获得更大的量程；
具体体现如图3所示，低磁导率磁粉芯磁化曲线是缓变的，没有明显的饱和点，区别于铁镍基或硅铁材料铁芯有着明显的饱和点，曲线存在拐点，由于其磁化曲线没有线性区间，作为互感器使用时无法满足测量精度的要求，因此电流线圈1采用低磁导率磁粉芯作为磁芯磁化测量精度更高，另一方面，低磁导率磁粉芯有着高频特性好、抗直流分量饱和特性好、具有软饱和特性等优点，非常符合电力行业设备对电流测量的需求，而且用于制造低磁导率磁粉芯的材料成本远远低于铁镍基或硅铁材料，同时可以采用模压法制造，生产成本也较低。
实施例2
考虑到电流线圈1端子处连接的电缆凌乱的摆放，易打结损坏，且占用较多空间，因此，为了避免电流线圈1端子处连接的电缆线凌乱摆放，本实施例与实施例1不同的是，请参阅图6-图7所示，其中：
电流线圈1外侧设有外壳10，外壳10表面转动有整理辊11，可以将电流线圈1端子处连接的电缆线缠绕在整理辊11外壁，避免电缆线凌乱的摆放，不利于后续使用。
为了提高整理效果，整理辊11表面外壁开设有滑槽12，滑槽12内部滑动有两个对称的夹持板13，夹持板13靠近端部的表面与滑槽12内腔端部之间固定连接有限位弹簧14，使电缆线可以从两个夹持板13之间缠绕整理，限位弹簧14压缩，在限位弹簧14恢复原状的弹力下带动夹持板13夹持电缆线，避免电缆线松散，提高整理效果，节省占用空间。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.采用低磁导率磁粉芯的数字式电流互感器，包括电流线圈（1），其特征在于：所述电流线圈（1）采用低磁导率磁粉芯作为磁芯，所述电流线圈（1）连接低程通道电路（2）和高程通道电路（3），所述低程通道电路（2）和高程通道电路（3）与电流线圈（1）的二次绕组并联；
所述低程通道电路（2）用于采集小电流量程，所述高程通道电路（3）用于采集大电流量程，其中，小电流量程为电流在0-100A配置的量程，大电流量程为电流在100-2000A配置的量程；
所述低程通道电路（2）包括低程增益调节电路（21）、低程运算放大器（22）和低程数模转换器（23）；
所述低程增益调节电路（21）用于设置大增益把信号放大，其中，大增益表示为低程数模转换器（23）的转换位数大于电流测量范围；
所述低程运算放大器（22）用于匹配信号源与低程数模转换器（23）的阻抗；
所述低程数模转换器（23）用于将低程通道的模拟信号转换成数字信号；
所述高程通道电路（3）包括高程增益调节电路（31）、高程运算放大器（32）和高程数模转换器（33）；
所述高程增益调节电路（31）用于设置小增益和负增益，其中，小增益表示为高程数模转换器（33）的转换位数大于电流测量范围；
所述高程运算放大器（32）用于匹配信号源高程数模转换器（33）的阻抗；
所述高程数模转换器（33）用于将高程通道的模拟信号转换成数字信号；
所述低程增益调节电路（21）和高程增益调节电路（31）的引脚均与所述电流线圈（1）公共连接点连接；
所述低程数模转换器（23）和高程数模转换器（33）之间连接有时钟源（4），且所述低程数模转换器（23）和高程数模转换器（33）工作在同步采样状态，所述时钟源（4）用于通过低程数模转换器（23）和高程数模转换器（33）将低程通道和高程通道的模拟信号转换为数字信号通过数字总线传送给处理器（5）；
所述处理器（5）用于接收数字信号，根据数字信号的大小决定使用低程数模转换器（23）的转换结果或使用高程数模转换器（33）的转换结果；具体为：其中，对于数字信号未超出低程数模转换器（23）的量程时，使用低程数模转换器（23 ）的转换结果；对于数字信号已超出低程数模转换器（23）的量程时，使用高程数模转换器（33）的转换结果，舍弃已超出高程数模转换器（33）量程数字信号；
低程数模转换器（23）和高程数模转换器（33）是同步采样的，处理器（5）根据预先存储的校准值和算法对每个转换值进行幅值的补偿，并记录相位差，实现数字式的电流互感；
所述处理器（5）处理的数据通过通讯接口（6）发送给外接设备使用；
所述通讯接口（6）采用数字通讯接口，包括RS232接口、RS485接口、CAN接口或网口；
所述电流线圈（1）外侧设有外壳（10），所述外壳（10）表面转动有整理辊（11）；所述整理辊（11）表面外壁开设有滑槽（12），所述滑槽（12）内部滑动有两个对称的夹持板（13），所述夹持板（13）靠近端部的表面与所述滑槽（12）内腔端部之间固定连接有限位弹簧（14）。
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