CN114236453A - 一种基于宽量程电流互感器的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽量程电流互感器的测量系统及测量方法，属于电力测量技术领域。本发明系统，包括：电流互感器，所述电流互感器，包括：活动磁芯、一次绕组、二次绕组及检测绕组；分压电阻，所述分压电阻接收感应电压信号及感应电流信号，并进行分压后传输至信号调理电路；信号调理电路，将分压后的感应电压信号传输至数字检测模块，将分压后的感应电流转换为电压信号传输至数字检测模块；数字检测模块，根据电压信号确定电流互感器的高次谐波含量，并根据高次谐波含量确定活动磁芯的气隙调节长度，根据接收的感应电压信号确定电流互感器补偿后的二次电流。本发明实现了电流互感器测量的宽量程，又确保了电流互感器的测量精度。

Description

一种基于宽量程电流互感器的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及电力测量技术领域，并且更具体地，涉及一种基于宽量程电流互感器的测量系统及测量方法。

背景技术

电流互感器是电力系统中关键设备之一，可以将一次系统中大电流信号按比例转变为二次侧小电流信号，起到信号传变、安全隔离的作用。计量用电流互感器是电能计量器具的重要组成部分，在配用电网中具有大量的应用，其准确与否直接关系电能贸易结算的公平公正。

传统的电磁式电流互感器采用的是闭合磁芯，闭合磁路的设计方法可以确保电流互感器的磁阻抗较小，获得更好的导磁性能，使得电流互感器的一、二次电流具有较好的传变特性。

然而，当一次电流较大时会导致磁芯饱和，或者当一次侧电流有直流分量出现时，因为磁阻非常小，在闭磁路中直流磁通量会很高，磁芯也会达到饱和状态，此时二次侧电流产生严重的畸变现象，会导致电流互感器出现很大的测量误差，进而造成重大的经济损失。

根据实测数据，当一次电流超过150％额定电流后，电流互感器会进入保护状态，200％额定电流时的比值误差甚至超过5％。由此可见，现有的计量用电流互感器在一次电流过大时，测量准确度会急剧变差，为了满足电能准确计量的需求，计量部门一般选用量程尽可能覆盖用户用电负荷范围的电流互感器，但由于现有计量用电流互感器仅在20％～120％额定电流范围内保持较好的准确度，难以应对用户负荷变化的情况，在一定程度上造成了互感器选型困难。部分用户会选用低于其实际负荷的变压器来减少基本电费的缴纳，然后通过强制冷却等手段提高变压器的实际运行容量，最高甚至可达到标称额定容量的200％。此时，电流互感器的实际一次电流远远大于其额定电流，使铁芯迅速饱和，导致互感器测得的电流远小于实际电流，该类窃电事件时有发生。传统计量用电流互感器并不能完全适用全部的电能计量需求，在一些特定场景下还会造成大量电能的少计，使电能贸易结算失去公平公正，导致国家财产的损失。因此，针对电力营销管理工作需求，解决传统计量用电流互感器量程限制带来的电能计量损失问题，亟需引入计量用电流互感器宽量程技术研究，实现更大量程范围内更高准确度的电能计量，为电力营销工作提供有力的技术支撑。

为了解决闭合磁路带来的问题，有的电流互感器在磁路上留有气隙，但气隙是固定的，传统的固定气隙的电流互感器，由于气隙的存在，磁化曲线的线性度变好，而且气隙越大，磁化曲线的线性度就越好，另一方面，磁芯的剩磁会显著降低，气隙越大，电流互感器的剩磁就降低的越多。所以，剩磁对带气隙的电流互感器的影响比对常规的电流互感器的影响要小。电流互感器磁芯由于存在气隙，饱和磁感应强度会增大，气隙越大，饱和磁感应增大的越多，所以，气隙磁芯的抗饱和能力比闭合磁芯的要强。然而，由于气隙的存在，电流互感器磁芯的磁导率会显著的减小，气隙越大，磁导率减小的越多，电流互感器的误差会随之增大，这就降低了电流互感器的测量准确度，甚至会使电流互感器很难达到设计精度。由于电流互感器磁芯气隙的长度固定不变，而且传统的固定气隙电流互感器只采取了改变二次绕组匝数的补偿措施，当一次电流正常或者一次电流偏小时，固定气隙的电流互感器相对于闭合磁芯的电流互感器误差会大很多，另一方面，如果出现短路情况，一次电流持续变大，固定气隙的磁芯还是会达到饱和状态，导致二次电流出现畸变。

传统的气隙可调节电流互感器结构是通过在磁芯中设置不同长度的活动磁芯，用以调节空气隙的长度，控制大电流时磁芯内的磁通密度，使电流互感器始终位于线性测量区域内。新型电流互感器的一、二次绕组与传统结构相同，不同的是其磁芯由固定磁芯和活动磁芯两部分组成，磁芯气隙长度可通过活动磁芯单元进行调节。当一次绕组中电流变化较大时，可通过调节气隙长度保证一次电流最大时磁芯磁通密度仍不超过饱和值，磁芯特性始终位于线性区域内，以拓宽电流互感器的测量量程。然而，新型的气隙可调节电流互感器却存在精度不够高、调节速度过慢的问题，这种电流互感器的活动铁芯是单元式的结构，所以当磁芯的活动单元移动时，磁芯的磁化曲线会发生突变，电流互感器的测量误差也会发生突变，没有采取合理的电流补偿措施，会使电流互感器的精度大大的降低。另一方面，由于没有监测系统，气隙长度的改变没有标准，不能构成闭合系统，会令气隙的调节不够及时且不够准确。

电流互感器的误差主要是由励磁电流的大小决定的，而为了提高电流互感器的精度，根本上是降低电流互感器的励磁电流，或者是提取出电流互感器的励磁电流，并根据电流互感器的励磁电流进行补偿。然而提取励磁电流的方法用于传统闭合式电流互感器会受到激磁阻抗的影响，传统闭合式电流互感器的激磁阻抗并不是一个定值，因为闭合磁芯磁化特性是非线性的，当磁芯趋于饱和时，激磁阻抗就会发生变化，在这种情况下不能有效电流互感器的励磁电流，并对其误差进行补偿。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于宽量程电流互感器的测量系统，包括：

电流互感器，所述电流互感器，包括：活动磁芯、一次绕组、二次绕组及检测绕组；

所述活动磁芯根据数字检测模板确定的气隙长度，调节电流互感器的气隙比；

所述一次绕组和检测绕组采用穿心式结构活动磁芯内部穿过，二次绕组在活动磁芯上均匀绕制；所述检测绕组输出感应电压信号，所述二次绕组输出感应电流信号；

分压电阻，所述分压电阻接收感应电压信号及感应电流信号，并进行分压后传输至信号调理电路；

信号调理电路，所述信号调理电路将分压后的感应电压信号传输至数字检测模块，将分压后的感应电流转换为电压信号传输至数字检测模块；

数字检测模块，所述数字检测模块根据电压信号确定电流互感器的高次谐波含量，并根据高次谐波含量确定活动磁芯的气隙调节长度，根据接收的感应电压信号确定电流互感器补偿后的二次电流。

可选的，活动磁芯为UI型磁芯，包括U型磁芯和I型磁芯，所述U 型磁芯作为活动磁芯的固定部分，I型磁芯作为活动磁性的活动部分。

可选的，活动磁芯的制作材料为坡莫合金1J85材料。

可选的，活动磁芯的调节长度设定有最大调节长度，且每次调节不超过最大调节长度。

可选的，信号调理电路包括两个，一个将感应电流信号转换为电压信号并分压后的传输至数字检测模块，另一个将感应电压信号传输至数字检测模块。

可选的，将感应电流信号转换为电压信号并分压的信号调理电路，包括：低通滤波器和电压跟随器；

将感应电压信号传输至数字检测模块的信号调理电路，包括：积分电路、低通滤波器和电压跟随器。

可选的，数字检测模块，包括：信号采集电路和数字微处理单元；

所述信号采样电路分辨率不低于8位；所述数字微处理单元确定气隙调节长度及电流互感器补偿后的二次电流。

可选的，数字检测模块设有高次谐波含量阈值，确定的高次谐波含量若在阈值内，则气隙长度保持不变，若大于阈值则增加气隙长度，若小于阈值，则减少气隙长度。

本发明还提供了一种使用如上述系统进行测量的方法，包括：

在二次绕组输出感应电流信号后，通过分压电阻接收感应电流并对感应电流信号进行分压处理后传输至信号调理电路；

通过信号调理电路，将分压后的感应电流信号转换为电压信号并传输至数字检测模块；

控制数字检测模块根据电压信号确定电流互感器的高次谐波含量，并根据高次谐波含量确定活动磁芯的气隙调节长度，并控制活动磁芯根据数字检测模板确定的气隙长度，调节电流互感器的气隙比；

调节后，在检测绕组输出感应电压信号后，通过分压电阻接收感应电压信号，并将感应电压信号分压处理后输出至信号调理电路；

通过信号调理电路将分压后的感应电压信号传输至数字检测模块；

控制数字检测模块根据接收感应电压信号，确定电流互感器补偿后的二次电流。

本发明实现了电流互感器测量的宽量程，又确保了电流互感器的测量精度，气隙长度自适应可调的宽量程电流互感器整体上，结构简单，组装方便，有利于组装和生产，且有效的提高了电流互感器的测量范围，并确保了电流互感器的测量精度。

附图说明

图1为本发明系统的结构图；

图2为磁芯为不同气隙比时的磁化曲线图；

图3为补偿电流比例系数与气隙磁芯气隙比的关系图。

图4为本发明方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明：

本发明提出了一种基于宽量程电流互感器的测量系统，如图1所示，包括：

电流互感器，所述电流互感器，包括：活动磁芯、一次绕组、二次绕组及检测绕组；

所述活动磁芯根据数字检测模板确定的气隙长度，调节电流互感器的气隙比；

所述一次绕组和检测绕组采用穿心式结构活动磁芯内部穿过，二次绕组在活动磁芯上均匀绕制；所述检测绕组输出感应电压信号，所述二次绕组输出感应电流信号；

分压电阻，所述分压电阻接收感应电压信号及感应电流信号，并进行分压后传输至信号调理电路；

信号调理电路，所述信号调理电路将分压后的感应电压信号传输至数字检测模块，将分压后的感应电流转换为电压信号传输至数字检测模块；

数字检测模块，所述数字检测模块根据电压信号确定电流互感器的高次谐波含量，并根据高次谐波含量确定活动磁芯的气隙调节长度，根据接收的感应电压信号确定电流互感器补偿后的二次电流。

活动磁芯材料选择为高磁导率、低矫顽力的坡莫合金1J85材料；磁芯采用UI型磁芯，其中U型磁芯部分固定，I型磁芯部分可通过磁芯所连接的机械部分在极小的范围内进行上下移动，改变电流互感器的气隙比，一次绕组和检测绕组采用穿心式结构从磁芯内部穿过，二次绕组部分在互感器U型固定磁芯部分均匀绕制。

其中，二次绕组输出电流信号经分压电阻再经信号调理电路转化为电压信号并传入数字检测模块，数字检测模块计算出高次谐波含量，并根据计算结果输出信号自动调节气隙长度，检测绕组输出电流信号经分压电阻后再经信号调理电路转化为电压信号，电压信号传入数字检测模块，该信号在数字检测模块中进行比例运算得到励磁电流的大小，并与二次绕组输出基波大小相叠加，可以得出经补偿后的二次电流大小。

活动磁芯可通过左右移动来调节气隙长度，活动磁芯的移动距离有限，气隙长度不能超过所设定的最大长度，当磁芯未处于饱和状态且一次电流中不含有直流分量时，气隙长度约等于零。

信号调理电路包括积分电路、低通滤波电路和电压跟随器；其中，与二次绕组相连的信号调理电路包括低通滤波器和电压跟随器，与检测绕组相连的信号调理电路包括积分电路、低通滤波器和电压跟随器。

积分电路实现输出信号积分功能，所述低通滤波电路将信号中高频噪声滤除，所述电压跟随器用于降低输出阻抗。

数字检测模块实现快速采集信号、储存信号、数字滤波及数字运算功能，由信号采集电路和数字微处理单元构成。

信号采样单元具有高频采样的功能，具有双通道采样的功能，且分辨率不低于8位；所述数字微处理系统接收到采样系统所采集到的数据，将二次绕组中的信号进行数字滤波处理，计算出高次谐波含量以及二次电流基波峰值，将检测绕组中的信号进行比例运算并用于二次电流的数字补偿，最终得到经补偿后的二次电流数值。

其中，活动磁芯气隙比的确定，具体如下：

通过数字微处理系统所计算出的高次谐波含量确定气隙的长度，在数字微处理系统中为高次谐波含量设置两个阈值，当高次谐波含量数值位于两个阈值之间时，气隙的长度保持不变；当高次谐波含量数值大于阈值范围时，活动磁芯移动使气隙长度增加，随着气隙长度的增加，高次谐波含量数值会逐渐减小，最终处于阈值范围内；当高次谐波含量数值小于阈值范围时，活动磁芯移动使气隙长度减小，高次谐波含量数值会逐渐增大，最终处于阈值范围内。

本发明中气隙磁芯等效磁导率的确定，具体如下：

设励磁电流为i₀，磁感应强度B，磁芯中的磁场强度为H₀，气隙中的磁场强度为H₁，气隙磁芯的等效磁场强度为H，磁芯中的平均磁路为l₀，气隙中的磁路长度为l₁，气隙比为λ，

磁芯的相对磁导率为μ_r，真空中的磁导率为μ₀，气隙磁芯的等效磁导率为μ，则：

i₀＝H₀l₀+H₁l₁ (1)

设闭合磁芯的磁化曲线为：

H₀＝f(B) (2)

则气隙磁芯的等效磁场强度可表示为：

H＝i₀/(l₀+l₁) (3)

即得到：

H(l₀+l₁)＝H₀l₀+H₁l₁ (4)

所以得：

H＝f(B)+λB/μ₀ (5)

所以气隙磁芯的等效磁导率为：

μ＝B/H＝B/(f(B)+λB/μ₀) (6)

由于气隙的存在，磁芯的磁导率变小，

同时磁芯的剩磁显著降低，激磁阻抗基本上不变，

磁芯的抗饱和能力增强，并且高次谐波含量数值位于两个阈值之间，使得磁芯的磁化曲线始终位于线性区内，

在只考虑B-H曲线的线性区的情况下，

磁场强度和磁感应强度之间的关系可以近似为正比例函数，

假设闭合磁芯在线性区的比例系数为K，则闭合磁芯磁场强度和磁感应强度之间的关系可以近似为：

H＝f(B)＝K B (7)

则：

μ＝B/H＝B/(f(B)+λB/μ₀)＝B/(K B+λB/μ₀)＝μ₀/(μ₀K+λ) (8)

由上述计算可以得到不同气隙比时磁场强度与磁感应强度的对称关系，进一步可以得到不同气隙比时气隙磁芯的等效磁导率。

磁芯为不同气隙比时的磁化曲线图如图2所示。

励磁电流(补偿电流)的提取，

具体如下：

励磁电流是电流互感器工作的根本原因，但励磁电流又是电流互感器误差的主要来源，将电流互感器的励磁电流提取出来，并用于二次电流的补偿，那么二次电流在理论上可以实现零误差；另一方面，由于磁芯的磁化曲线始终位于线性区内，气隙磁芯电流互感器的非线性误差可以忽略，可以有效的提取励磁电流。

当一次绕组中通过电流时，由于励磁电流的存在，在检测绕组中会感应电压，其感应电压与励磁电流满足如下关系：

其中，u为检测绕组中的感应电压，n为检测绕组匝数，s为磁芯的截面积，l为磁芯的平均磁路长度。

所以，该信号通过信号调理电路后得到与励磁电流成比例的信号，经信号采集电路采集并传输至数字微处理系统经过数值计算得到励磁电流(补偿电流)的数值大小，并用于二次电流的补偿，补偿电流比例系数与气隙磁芯气隙比的关系图如图3所示。

本发明还提出了一种使用上述系统进行测量的方法，如图4所示，包括：

在二次绕组输出感应电流信号后，通过分压电阻接收感应电流并对感应电流信号进行分压处理后传输至信号调理电路；

通过信号调理电路，将分压后的感应电流信号转换为电压信号并传输至数字检测模块；

控制数字检测模块根据电压信号确定电流互感器的高次谐波含量，并根据高次谐波含量确定活动磁芯的气隙调节长度，并控制活动磁芯根据数字检测模板确定的气隙长度，调节电流互感器的气隙比；

调节后，在检测绕组输出感应电压信号后，通过分压电阻接收感应电压信号，并将感应电压信号分压处理后输出至信号调理电路；

通过信号调理电路将分压后的感应电压信号传输至数字检测模块；

控制数字检测模块根据接收感应电压信号，确定电流互感器补偿后的二次电流。

本发明实现了电流互感器测量的宽量程，又确保了电流互感器的测量精度，气隙长度自适应可调的宽量程电流互感器整体上，结构简单，组装方便，有利于组装和生产，且有效的提高了电流互感器的测量范围，并确保了电流互感器的测量精度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于宽量程电流互感器的测量系统，所述系统，包括：

电流互感器，所述电流互感器，包括：活动磁芯、一次绕组、二次绕组及检测绕组；

所述活动磁芯根据数字检测模板确定的气隙长度，调节电流互感器的气隙比；

所述一次绕组和检测绕组采用穿心式结构活动磁芯内部穿过，二次绕组在活动磁芯上均匀绕制；所述检测绕组输出感应电压信号，所述二次绕组输出感应电流信号；

分压电阻，所述分压电阻接收感应电压信号及感应电流信号，并进行分压后传输至信号调理电路；

信号调理电路，所述信号调理电路将分压后的感应电压信号传输至数字检测模块，将分压后的感应电流转换为电压信号传输至数字检测模块；

数字检测模块，所述数字检测模块根据电压信号确定电流互感器的高次谐波含量，并根据高次谐波含量确定活动磁芯的气隙调节长度，根据接收的感应电压信号确定电流互感器补偿后的二次电流。

2.根据权利要求1所述的系统，所述活动磁芯为UI型磁芯，包括U型磁芯和I型磁芯，所述U型磁芯作为活动磁芯的固定部分，I型磁芯作为活动磁性的活动部分。

3.根据权利要求1所述的系统，所述活动磁芯的制作材料为坡莫合金1J85材料。

4.根据权利要求1所述的系统，所述活动磁芯的调节长度设定有最大调节长度，且每次调节不超过最大调节长度。

5.根据权利要求1所述的系统，所述信号调理电路包括两个，一个将感应电流信号转换为电压信号并分压后的传输至数字检测模块，另一个将感应电压信号传输至数字检测模块。

6.根据权利要求5所述的系统，所述将感应电流信号转换为电压信号并分压的信号调理电路，包括：低通滤波器和电压跟随器；

将感应电压信号传输至数字检测模块的信号调理电路，包括：积分电路、低通滤波器和电压跟随器。

7.根据权利要求5所述的系统，所述数字检测模块，包括：信号采集电路和数字微处理单元；

所述信号采样电路分辨率不低于8位；所述数字微处理单元确定气隙调节长度及电流互感器补偿后的二次电流。

8.根据权利要求1所述的系统，所述数字检测模块设有高次谐波含量阈值，确定的高次谐波含量若在阈值内，则气隙长度保持不变，若大于阈值则增加气隙长度，若小于阈值，则减少气隙长度。

9.一种使用如权利要求1-8所述任意一种系统进行测量的方法，所述方法包括：

在二次绕组输出感应电流信号后，通过分压电阻接收感应电流并对感应电流信号进行分压处理后传输至信号调理电路；

通过信号调理电路，将分压后的感应电流信号转换为电压信号并传输至数字检测模块；

控制数字检测模块根据电压信号确定电流互感器的高次谐波含量，并根据高次谐波含量确定活动磁芯的气隙调节长度，并控制活动磁芯根据数字检测模板确定的气隙长度，调节电流互感器的气隙比；

调节后，在检测绕组输出感应电压信号后，通过分压电阻接收感应电压信号，并将感应电压信号分压处理后输出至信号调理电路；

通过信号调理电路将分压后的感应电压信号传输至数字检测模块；

控制数字检测模块根据接收感应电压信号，确定电流互感器补偿后的二次电流。

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