CN114200248A - 一种测量雷电流的无磁芯电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，包括圆环形印刷电路板和六个无磁芯的磁传感器，所述六个无磁芯的磁传感器均匀安装于所述圆环形印刷电路板上，搭建用于测量雷电流的圆形阵列；在圆形阵列中心穿设横截面为矩形的长直扁平被测导体；所述无磁芯电流传感器进行雷电流测量时采用基于对小部分磁场测量的数字处理方法，将流经圆形阵列内部导体的电流与回流电流分开，以降低外部串扰导致的串扰误差，提高电流传感器的测量准确度。该无磁芯电流传感器有利于实现雷电流的测量，测量准确，测量电流范围大，可靠性好。

Description

一种测量雷电流的无磁芯电流传感器

技术领域

本发明属于电力系统电流测量技术领域，具体涉及一种测量雷电流的无磁芯电流传感器。

背景技术

我国的南方地区为雷电多发地区，变电站常遭受雷电入侵导致相关电力设备损坏，甚至发生较大范围停电的情况，不仅给用户带来不便，同时电力设备的损坏以及工业生产的停工也导致了严重的经济损失。

当变电站或输电线路遭受雷击时，站内的传统电流互感器难以对雷电流进行精确的测量，这是因为对于传统的电磁式电流传感器来说，其主要存在如下几个问题：1)当测量频率过高的电流时，容易发生铁磁谐振现象，在电流器内部产生高压，导致电流互感被烧毁；2)当测量幅值较大的电流时，电流互感器内部硅钢片容易在工作过程中产生严重发热现象，且难以散热，导致电流互感器工作可靠性降低；3)电流互感器内硅钢片铁芯磁导率高，容易在测量过程中发生磁饱和现象，导致其得到的测量结果不准确；

4)电磁式电流互感器内部硅钢片铁芯体积较大，且制造成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，该无磁芯电流传感器有利于实现雷电流的测量，测量准确，测量电流范围大，可靠性好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，包括圆环形印刷电路板和六个无磁芯的磁传感器，所述六个无磁芯的磁传感器均匀安装于所述圆环形印刷电路板上，搭建用于测量雷电流的圆形阵列；在圆形阵列中心穿设横截面为矩形的长直扁平被测导体；

所述无磁芯电流传感器进行雷电流测量时采用基于对小部分磁场测量的数字处理方法，将流经圆形阵列内部导体的电流与回流电流分开，以降低外部串扰导致的串扰误差，提高电流传感器的测量准确度。

进一步地，所述圆环形印刷电路板上设有加法器和滤波器，所述加法器用于将各个磁传感器采集的电压进行叠加，所述滤波器用于降低噪声的干扰。

进一步地，所述基于对小部分磁场测量的数字处理方法包括以下步骤：

搭建磁传感器组成的圆形阵列的数学模型，得到待测电流与六个磁传感器输出的关系；

构建圆形阵列串扰误差的表达式；

进行串扰误差抑制。

进一步地，在圆环形印刷电路板上均匀安装所述六个无磁芯的磁传感器，组成圆形阵列；令S₁～S₆表示六个无磁芯的磁传感器，角度α表示导体中心到传感器中心与导体水平线之间的夹角，角度θ₁表示被测导体边缘中心到传感器中心与导体水平线之间的夹角，D表示导体边缘到中心的距离，r表示传感器中心到导体中心的距离，r>D，I₁表示导体的边缘电流，电流I₁不在圆形阵列的中心；其中r由标量势和α计算得到：

磁标势写成：

因此，磁场沿圆形印刷电路板的切向分量表示为：

在六个等分布的磁传感器组成的圆形阵列下，通过斯托克斯定律的离散逼近，得到方程：

上式中，

表示所测电流的平均值，

N为传感器总个数，θ_i表示导体边缘中心到第i个传感器中心与导体水平线之间的夹角，其由下式得到：

式中，α₁为S₁传感器中心到导体中心与导体水平线之间的夹角；

考虑到由于连续求和而产生的变化，计算得到电流关系如下：

上式中

式中，k为一常数；

通过化简得到电流的表达式为：

考虑到位移所导致的误差，其遵循数学表达式：

式中，ε表示位移所导致的误差；

由于扁平导体形状误差的理论高度为零，且高度远小于宽度，假设扁平导体宽度为b，中心电流密度为I₁/b的扁平导体形状引起的误差，通过沿x轴积分，得到以下方程：

对上式进行化简，得到：

当圆形阵列工作在无外部串扰场的环境中时，各传感器信号之和与流经扁平导体上电流大小呈现正比关系；以I表示流经扁平导体的电流实际值，V_n表示传感器的输出电压，V₀表示传感器输出电压的平均值，N为传感器数量，S为磁场灵敏度且所有传感器的灵敏度相同，K为取决于导体横截面几何结构的尺寸系数，d为圆形阵列半径；得到电流的表达式如下：

当存在外部的串扰场时，由圆形阵列外部电流产生的磁场效应引起的相对测量误差，即为串扰误差，假设外部干扰源为C，则C遵循下式：

在坐标

处串扰源引起的磁传感器信号为：

在上式中：

c₀＝0

由于基波分量不受环境空间均匀场影响，因此不考虑其影响；由于离散傅里叶变换的线性关系，假设V_m为传感器信号

通过离散傅立叶变换所得到，则为了计算I^bar，下述两非线性方程组进行倒置；

上式中未知数x＝I^bar，y＝I^c，z＝d/D，

为圆形阵列上传感器的输出电压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，并提供了降低外部串扰导致的串扰误差的方法，该无磁芯电流传感器可以实现雷电流的测量，测量准确度高，且具有频带宽、灵敏度高、线性度好、抗饱和能力强、测量电流范围宽等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的无磁芯电流传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例中圆形阵列与外部串扰源的相对位置示意图；

图3为本发明实施例中串扰误差与串扰源的角度关系图；

图4为本发明实施例的硬件电路图；

图5为本发明实施例的实验平台示意图；

图6为本发明实施例的传感器激励与响应关系图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，包括圆环形印刷电路板和六个无磁芯的磁传感器，所述六个无磁芯的磁传感器均匀安装于所述圆环形印刷电路板上，搭建用于测量雷电流的圆形阵列；在圆形阵列中心穿设横截面为矩形的长直扁平被测导体。

所述无磁芯电流传感器进行雷电流测量时采用基于对小部分磁场测量的数字处理方法，将流经圆形阵列内部导体的电流与回流电流分开，以降低外部串扰导致的串扰误差，提高电流传感器的测量准确度。所述基于对小部分磁场测量的数字处理方法包括以下步骤：

S1、搭建磁传感器组成的圆形阵列的数学模型，得到待测电流与六个磁传感器输出的关系。

S2、构建圆形阵列串扰误差的表达式。

S3、进行串扰误差抑制。

下面对上述方法做进一步详细描述。

在圆环形印刷电路板上均匀安装所述六个无磁芯的磁传感器，组成圆形阵列；令S₁～S₆表示六个无磁芯的磁传感器，角度α表示导体中心到传感器中心与导体水平线之间的夹角，角度θ₁表示被测导体边缘中心到传感器中心与导体水平线之间的夹角，D表示导体边缘到中心的距离，r表示传感器中心到导体中心的距离，r>D，I₁表示导体的边缘电流，电流I₁不在圆形阵列的中心；其中r由标量势和α计算得到：

磁标势写成：

因此，磁场沿圆形印刷电路板的切向分量表示为：

在六个等分布的磁传感器组成的圆形阵列下，通过斯托克斯定律的离散逼近，得到方程：

上式中，

表示所测电流的平均值，

N为传感器总个数，θ_i表示导体边缘中心到第i个传感器中心与导体水平线之间的夹角，其由下式得到：

式中，α₁为S₁传感器中心到导体中心与导体水平线之间的夹角。

考虑到由于连续求和而产生的变化，计算得到电流关系如下：

上式中

式中，k为一常数。

通过化简得到电流的表达式为：

考虑到位移所导致的误差，其遵循数学表达式：

式中，ε表示位移所导致的误差。

由于扁平导体形状误差的理论高度为零，且在现实中高度远小于宽度，假设扁平导体宽度为b，中心电流密度为I₁/b的扁平导体形状引起的误差，通过沿x轴积分，得到以下方程：

对上式进行化简，得到：

如图2所示，当圆形阵列工作在无外部串扰场的环境中时，各传感器信号之和与流经扁平导体上电流大小呈现正比关系；以I表示流经扁平导体的电流实际值，V_n表示传感器的输出电压，V₀表示传感器输出电压的平均值，N为传感器数量，S为磁场灵敏度(所有传感器的灵敏度相同)，K为取决于导体横截面几何结构的尺寸系数，d为圆形阵列半径；得到电流的表达式如下：

当存在外部的串扰场时，由圆形阵列外部电流产生的磁场效应引起的相对测量误差，即为串扰误差，假设外部干扰源为C，则C遵循下式：

由毕奥-萨伐定律可知，当外部电流不止一个时，总串扰误差是由于每个电流产生的串扰误差叠加的总和。图2中，传感器位置上的箭头指示为传感器感应方向。C点为与圆形阵列中心距离为D处的一外部串扰源。假设当被测电流为单向时，通过数值模拟软件可知，当圆形阵列上所装设的传感器数量增大时，其串扰误差会大大减少。然而，通过增加传感器的数量来降低串扰误差，会导致整个圆形阵列的系统功耗增加，即传感器数量越多，系统功耗越大。此外，若测量系统由多个传感器组成，则对传感器的校准以及缺陷处理难度将会大大增加，系统的故障概率也将大大增加。不仅如此，系统的成本也将随着传感器的增加而增加。

由于通过增加传感器数量将导致诸多问题的出现，因此寻找另外一种减少串扰误差的方法显得尤为关键。

如图2所示，在坐标

处串扰源引起的磁传感器信号为：

在上式中：

c₀＝0

由于基波分量不受环境空间均匀场影响，因此不考虑其影响；由于离散傅里叶变换的线性关系，假设V_m为传感器信号

通过离散傅立叶变换所得到，则为了计算I^bar，下述两非线性方程组进行倒置。

上式中未知数x＝I^bar，y＝I^c，z＝d/D，

为圆形阵列上传感器的输出电压。

通过MATLAB对上述结果进行仿真分析，假设当D/d＝2，N＝8，I^c＝-I^bar时，得到的图形如图3所示。图中，虚线部分表示当外部串扰源的角度不同时，产生的串扰误差大小；而实线部分为当使用了该串扰抑制算法后的仿真结果。由仿真结果可见，该串扰抑制算法可以有效的减少外部干扰源对圆形阵列的影响。

以TMR传感器为例做进一步说明。TMR传感器型号为多维科技的TMR2104，灵敏度为3.1mV/V/Oe，供电电压为5V。

因此，圆形阵列的输出电压与圆形阵列中心所流过的电流之间的关系如下，

图4为本发明实施例的硬件电路图。该电路主要包括S1～S6共计6个磁传感器，以及一个加法器和滤波器。电路中加法器主要用于将各个磁传感器所采集的电压进行叠加，而滤波器则是用于降低噪声的干扰。六个磁传感器被均匀的安装于圆形印刷电路板上，每个传感器之间相距为60°，各传感器轴心至圆形整列中心距离约为25mm，被测物体选用高度约为5mm，宽度为16mm的长直平板导体，用以模拟变电站内运行中的母线。

图5为本发明实例的实验平台示意图。红色线部分为电流回路，电流源采用高电流发生器，用于模拟产生雷电流，外部操作通过与数据采集系统相连接的PC软件实现。电流源输出高电流，六个传感器的输出电压由数据采集系统进行采集后，在PC上进行显示与处理。实验开始前，首先需要进行圆形阵列的校准，通过将一个截面积为10mm×10mm的长直扁平导体安装在圆形阵列的中心，之后在每个测量周期中计算一组合适的灵敏度和偏移值，并将其与标准参考电流的测量值相比，直至误差达到最小。并用所搜集到的校准数据重新计算平均灵敏度与偏移值，完成圆形阵列的校准。

图6为本发明实例的传感器的激励与响应关系。可见本发明所提出的圆形阵列无磁芯电流传感器具有频带宽、灵敏度高、线性度好、抗饱和能力强、测量电流范围宽等优点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，其特征在于，包括圆环形印刷电路板和六个无磁芯的磁传感器，所述六个无磁芯的磁传感器均匀安装于所述圆环形印刷电路板上，搭建用于测量雷电流的圆形阵列；在圆形阵列中心穿设横截面为矩形的长直扁平被测导体；

所述无磁芯电流传感器进行雷电流测量时采用基于对小部分磁场测量的数字处理方法，将流经圆形阵列内部导体的电流与回流电流分开，以降低外部串扰导致的串扰误差，提高电流传感器的测量准确度。

2.根据权利要求1所述的一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，其特征在于，所述圆环形印刷电路板上设有加法器和滤波器，所述加法器用于将各个磁传感器采集的电压进行叠加，所述滤波器用于降低噪声的干扰。

3.根据权利要求1所述的一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，其特征在于，所述基于对小部分磁场测量的数字处理方法包括以下步骤：

搭建磁传感器组成的圆形阵列的数学模型，得到待测电流与六个磁传感器输出的关系；

构建圆形阵列串扰误差的表达式；

进行串扰误差抑制。

4.根据权利要求3所述的一种测量雷电流的无磁芯电流传感器，其特征在于，在圆环形印刷电路板上均匀安装所述六个无磁芯的磁传感器，组成圆形阵列；令S₁～S₆表示六个无磁芯的磁传感器，角度α表示导体中心到传感器中心与导体水平线之间的夹角，角度θ₁表示被测导体边缘中心到传感器中心与导体水平线之间的夹角，D表示导体边缘到中心的距离，r表示传感器中心到导体中心的距离，r>D，I₁表示导体的边缘电流，电流I₁不在圆形阵列的中心；其中r由标量势和α计算得到：

磁标势写成：

因此，磁场沿圆形印刷电路板的切向分量表示为：

在六个等分布的磁传感器组成的圆形阵列下，通过斯托克斯定律的离散逼近，得到方程：

上式中，

表示所测电流的平均值，

N为传感器总个数，θ_i表示导体边缘中心到第i个传感器中心与导体水平线之间的夹角，其由下式得到：

式中，α₁为S₁传感器中心到导体中心与导体水平线之间的夹角；

考虑到由于连续求和而产生的变化，计算得到电流关系如下：

上式中

式中，k为一常数；

通过化简得到电流的表达式为：

考虑到位移所导致的误差，其遵循数学表达式：

式中，ε表示位移所导致的误差；

由于扁平导体形状误差的理论高度为零，且高度远小于宽度，假设扁平导体宽度为b，中心电流密度为I₁/b的扁平导体形状引起的误差，通过沿x轴积分，得到以下方程：

对上式进行化简，得到：

当圆形阵列工作在无外部串扰场的环境中时，各传感器信号之和与流经扁平导体上电流大小呈现正比关系；以I表示流经扁平导体的电流实际值，V_n表示传感器的输出电压，V₀表示传感器输出电压的平均值，N为传感器数量，S为磁场灵敏度且所有传感器的灵敏度相同，K为取决于导体横截面几何结构的尺寸系数，d为圆形阵列半径；得到电流的表达式如下：

当存在外部的串扰场时，由圆形阵列外部电流产生的磁场效应引起的相对测量误差，即为串扰误差，假设外部干扰源为C，则C遵循下式：

在坐标

处串扰源引起的磁传感器信号为：

在上式中：

c₀＝0

由于基波分量不受环境空间均匀场影响，因此不考虑其影响；由于离散傅里叶变换的线性关系，假设V_m为传感器信号

通过离散傅立叶变换所得到，则为了计算I^bar，下述两非线性方程组进行倒置；

上式中未知数x＝I^bar，y＝I^c，z＝d/D，

为圆形阵列上传感器的输出电压。

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