CN114284047B - 开合母线式高精度零磁通电流互感器及误差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开合母线式高精度零磁通电流互感器的误差补偿方法，包括：当一次绕组获取被测电流后，同时检测绕组中获取电流信号；将获取的电流信号经补偿放大模块多级放大后再通过扩流模块输出补偿电流至辅助绕组中；当产生的补偿电流满足
时，开合母线式电流互感器将在主铁芯中达到零磁通。本发明采用零磁通电流互感器的工作原理，在开合母线式电流互感器由于磁路开口导磁率下降严重，误差非常不好的情况下，通过补偿放大模块的补偿，有效改善了磁性能对电流互感器误差的影响，实现了动态有效补偿，使其达到理想准确级次要求。此外，本发明还提供了一种开合母线式高精度零磁通电流互感器。
Description
技术领域
本发明涉及电流互感器技术领域，具体涉及一种开合母线式高精度零磁通电流互感器及误差补偿方法，尤其涉及一种采用磁势动态补偿自平衡方式达到零磁通条件下的高精度电流互感器。
背景技术
在电力电路中，低压电流互感器作为计量器具，其准确度将直接影响到电能收费的公正。国家计量规程规定，需要对计量器具进行周期检定。周期检定常用的方法包括：将使用的低压电流互感器拆回，在试验室中校验检定；或者在现场对正在使用的低压电流互感器进行校验检定。
由于现场校验，要求在不拆被测引线的状态下实现在线检测，就必须让铁芯和绕组开口，到达被测线路时再合为一体组成高精度的标准电流互感器，对在线运行的电流互感器进行比较校验。针对此种情况，主要存在两个问题：一是用于检验的标准电流互感器要求比被检的低压电流互感器高两个等级，变流比相同，且误差稳定性要好，但目前市场上还未出现用于现场校验的标准电流互感器；二是现有开合式电流互感器大都存在以下缺陷：开合后铁心损耗大，电流互感器误差很大；机械紧固结构不同，误差稳定性差；每次开合误差都会变化；电流互感器变差也大；测量准确级低。基于上述两个急需解决的问题，如何研究并开发出一套具有高精度测量准确度的开合式电流互感器已然成为一个技术难题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种开合母线式高精度零磁通电流互感器，旨在克服现有开合式电流互感器因圆环铁芯开口后，铁芯磁性能急剧下降导致其电流互感器误差极大的缺陷。
本发明的另一目的在于提供一种开合母线式高精度零磁通电流互感器的误差补偿方法，旨在解决基于现场检验时，现有开合式电流互感器中磁性能对电流互感器误差影响的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
开合母线式高精度零磁通电流互感器的误差补偿方法，应用于开合母线式电流互感器，所述开合母线式电流互感器包括：有源的补偿放大模块、扩流模块和分别切成两半的主铁芯与辅铁芯，所述主铁芯、辅铁芯上对应绕有检测绕组、辅助绕组，本发明的误差补偿方法包括以下步骤：
获取所述检测绕组中的电流信号；
将获取的电流信号经补偿放大模块多级放大后再通过扩流模块，将放大后的电流信号进行扩展输出后形成补偿电流，并将其补偿电流输入至所述辅助绕组中；
当产生的补偿电流满足以下公式（1）时，所述开合母线式电流互感器将在主铁芯中达到零磁通，此时检测绕组上的电流为零，则开合母线式电流互感器将没有误差；
式中，
为补偿电流，
为辅助绕组的匝数，
为励磁电流， 
为一次绕组的匝数。
进一步的，获取所述检测绕组中的电流信号具体包括：当一次绕组被测电流发生变化后，将在所述检测绕组中产生检测电势Ed，进而能够获取到检测绕组中的电流信号。
进一步的，所述扩流模块采用对管三极管，针对放大后的电流进行扩展输出。
基于上述误差补偿方法，本发明还提供了一种开合母线式高精度零磁通电流互感器，该零磁通电流互感器整体呈钳形结构，包括两个结构相同且对应设置后相铰接以实现开合的钳形单元，所述钳形单元的上部为半圆环形钳形壳体，在每个所述钳形壳体内依次安装有半圆环形主铁芯和半圆环形辅铁芯，并在其所述半圆环形主铁芯、半圆环形辅铁芯上对应缠绕有检测绕组、辅助绕组，然后将绕有所述检测绕组、辅助绕组的半圆环形主铁芯、半圆环形辅铁芯合在一起后缠绕二次绕组；当两个钳形单元的上部闭合后，形成的空心区域用于穿过一次绕组，上述的检测绕组、辅助绕组以及二次绕组通过钳形壳体上的连接端子实现串接，同时，有源的补偿放大模块通过其引线与所述检测绕组、辅助绕组以及扩流模块相连接，并将其二次绕组的引线伸出至所述钳形单元的下部，用于连接测试仪器。其中，有源的补偿放大模块具体为补偿放大模块具有独立的电源对其进行供电工作。
优选地，所述半圆环形主铁芯、辅铁芯均由高导磁材料制成的圆环形铁芯沿中心线将铁芯等分切成两半获得，其中，主铁芯切开后导磁率同比不切开时下降80-90%；辅铁芯切开后导磁率同比不切开时下降40-60%。
优选地，所述主铁芯采用超微晶圆环铁芯，辅铁芯采用硅钢片材料圆环铁芯。
优选地，所述检测绕组、辅助绕组、二次绕组均包含有两组，且分别均匀缠绕在对应的半圆环形主铁芯、半圆环形辅铁芯、合并在一起的主、辅铁芯上。
优选地，所述二次绕组可设置成多抽头式，以实现电流互感器的多变比。
优选地，所述两个对应设置的钳形单元的下部之间设置有开合增力弹簧，并在其中一个钳形单元的上部设置定位销，另外一个钳形单元的上部设置定位孔。
本发明的有益效果：
本发明采用零磁通电流互感器的工作原理，在开合母线式电流互感器误差非常不好的情况下，通过补偿放大模块以及扩流模块相互作用下产生的磁势补偿或电势补偿，有效的改善了磁性能对电流互感器误差的影响，实现了动态对开合母线式电流互感器的有效补偿，使其达到理想准确级次要求，其优点具体表现为：测量准确度高；误差性能稳定、变差小；每次使用开合后性能稳定；便于携带、现场校验使用和运行范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明开合母线式高精度零磁通电流互感器的结构示意图；
图2为图1所示结构的左视图；
图3为图1中A处的局部放大图；
图4为图2中B处的局部放大图；
图5为本发明开合母线式高精度零磁通电流互感器的原理图。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
由于需要对现场使用的低压电流互感器进行周期检定。但是，目前还不具备现场校验的标准电流互感器。在此情况下，实现现场校验的电流互感器就必须让铁芯和绕组开口。
众所周知，当圆环铁芯开口后，铁芯磁性能将急剧下降，直接导致其电流互感器的误差非常大而无法使用，再者是，现场检验结构上只能是母线式结构，此种情况下，电流互感器的误差就更大。
可见，开合母线式电流互感器不适于针对现场的校验，同时，很多文献中以及实际过程中，本申请的发明人看到或了解到，针对校验的电流互感器常采用的是闭合的铁芯。
本申请的发明人为了解决对现场使用的低压电流互感器进行周期检定的问题，在采用开合母线式电流互感器的前提下，进行了大量的研究，最后发现采用零磁通电流互感器的原理，再配合有源补偿放大模块和扩流模块的作用，可使得开合母线式电流互感器达到零磁通，使其具有较高的测量准确度，从而克服了技术偏见。
在具体阐述本发明开合母线式高精度零磁通电流互感器之前，需要先对本发明涉及的开合母线式高精度零磁通电流互感器的原理作出详细的说明，如图5所示。
主铁芯1上绕有检测绕组3，匝数为ND，辅铁芯2上绕有辅助绕组4，匝数为Np，一次绕组5匝数N1（且一次绕组为母线式结构时N1为1匝）和二次绕组6匝数N2绕在主铁芯1和辅铁芯2上，二次绕组的内阻抗Z2，二次总阻抗Z0=Z2+Z，Z为连接二次阻抗7。
参见图5，根据电流互感器的磁势平衡方程式：
式中，
为一次电流 
为一次匝数，
为二次电流，
为二次匝数，
为励磁电流。
由于电流互感器的误差来源主要是由于励磁电流的存在，因此，当电流互感器没有补偿时，电流互感器的误差
为：
要使补偿后电流互感器没有误差，则选择一个与原始误差大小相等方向相反的补偿量，则补偿量 
应为：
由图5可知，磁势补偿的补偿量应为：
式中，
为辅助绕组4提供的补偿电流，辅助绕组4的匝数为Np。
在上述公式中， 
为铁芯中的励磁安匝（也称之为励磁磁动势），它是电流互感器产生误差的主要原因。若能使
为零，使主铁芯1中的磁通为零，也就是说达到了零磁通状态。此时，检测绕组3上的电流为零，则电流互感器没有误差。
因此，磁势补偿零磁通电流互感器的条件是：
那么，基于上述的工作原理，本发明开合母线式高精度零磁通电流互感器的误差补偿方法主要是采用如下的技术方案：
在一次绕组5上获取被测电流后；获取主铁芯1上检测绕组3中的电流信号；
将获取的电流信号经补偿放大模块9多级放大后再通过扩流模块8，将放大后的电流信号进行扩展输出后形成补偿电流，并将其补偿电流输入至所述辅助绕组4中；
当产生的补偿电流满足以下公式（1）时，所述开合母线式电流互感器将在主铁芯中达到零磁通，此时检测绕组3上的电流为零，则开合母线式电流互感器将没有误差；
式中，
为补偿电流，
为辅助绕组的匝数，
为励磁电流， 
为一次绕组的匝数。
其中，在上述中出现的“开合母线式电流互感器将在主铁芯中达到零磁通，此时检测绕组3上的电流为零”均指代的是理想情况，实际上主铁芯中仍然存在可以忽略不计的磁通，检测绕组3上也存在忽略不计的电流。这些忽略不计的磁通和电流可以认定为无限接近于理想情况，可近似的看成为零。
也就是：在理想情况下，主铁芯1里的励磁安匝应该为零，但实际上还是总有些残留磁通Φ0，在Φ0的作用下，将在检测绕组3上产生极小的检测电势Ed，Ed虽小，但仍然可以获取到检测绕组3中极小的电流信号，通过补偿放大模块9多级放大再通过扩流模块8补偿后，输出补偿电流
后连接辅助绕组4，仍然能满足公式（1）的误差补偿条件。
在本发明的误差补偿方法中，补偿放大模块用于对电流信号的多级放大并放大至所需的倍数，然后再通过扩流模块进行电流的扩展，最后再输出补偿电流。
在本发明的误差补偿过程中，在一次绕组获取被测电流后，主铁芯上检测绕组将存在电流信号，通过获取检测绕组上的电流信号并将该电流信号经过放大补偿模块和扩流模块放大补偿后，输出的补偿电流输入至辅铁芯上的辅助绕组上，进而消除铁芯中的励磁安匝，从而改变铁芯中的磁通，然后再次获取检测绕组上的电流信号，当再次检测到检测绕组上的电流信号几乎接近于零时，放大补偿模块和扩流模块放大补偿后输出的补偿电流和补偿磁势将完全消除铁芯中的励磁安匝，此时，开合母线式电流互感器中的铁芯将达到零磁通，将具有较高的测量精度。因此说明，本发明的误差补偿过程是一个动态反馈补偿的过程，同时也说明，采用有源零磁通补偿的方法可以有效地减少励磁安匝，提高电流互感器的准确等级。
需要注意的是：在本发明中，主铁芯1和辅铁芯2均采用的是两半圆环形铁芯。其中，主铁芯切开后导磁率下降80-90%；辅铁芯切开后导磁率下降40-60%。在这种铁芯开口后导磁率下降较大，互感器误差非常不好的条件下，采用双铁芯零磁通磁势补偿，克服因圆环铁芯开口后，铁芯磁性能急剧下降导致其电流互感器误差极大的缺陷下，使得开合式电流互感器有较高的测量准确度，可以用于现场校验检定，应属于行业首创，并克服了行业中的技术偏见。
本发明还提供了一种基于上述误差补偿方法的开合母线式高精度零磁通电流互感器，如图1-4所示。
该零磁通电流互感器整体呈钳形结构，包括两个结构相同且对应设置后相铰接以实现开合的钳形单元11，所述钳形单元11的上部为半圆环形钳形壳体12，在每个所述钳形壳体12内依次安装有半圆环形主铁芯1和半圆环形辅铁芯2，并在其每个所述半圆环形主铁芯1、半圆环形辅铁芯2上对应缠绕有检测绕组3、辅助绕组4，然后将绕有所述检测绕组3、辅助绕组4的半圆环形主铁芯1、半圆环形辅铁芯2合在一起后缠绕二次绕组6。当两个钳形单元11的上部闭合后，形成的空心区域用于穿过一次绕组5，测量时穿心一匝；同时在所述两个对应设置的钳形单元11的下部之间设置有开合增力弹簧13，并在其中一个钳形单元11的上部设置定位销，另外一个钳形单元11的上部设置定位孔。
其中，在本实施例中，半圆环形主铁芯1、辅铁芯2均由高导磁材料制成的圆环形铁芯沿中心线将铁芯等分切成两半获得，其中，主铁芯切开后导磁率同比不切开时下降80-90%；辅铁芯切开后导磁率同比不切开时下降40-60%。其中，所述主铁芯采用超微晶圆环铁芯，辅铁芯采用硅钢片材料圆环铁芯。
具体到本例中，检测绕组3、辅助绕组4均包含有两组且分别均匀缠绕在对应的半圆环形主铁芯1、半圆环形辅铁芯2上。在本实施例中，二次绕组6也是分两组分别绕在合在一起的半圆环形主铁芯1和半圆环形辅铁芯2上。
在本发明的零磁通电流互感器中，检测绕组、辅助绕组以及二次绕组通过钳形壳体上的连接端子实现串接，同时，有源的补偿放大模块通过其引线与所述检测绕组、辅助绕组以及扩流模块相连接，并将其二次绕组的引线伸出至所述钳形单元的下部，用于连接测试仪器。其中，有源的补偿放大模块具体为具有独立的电源对其进行供电工作，持续完成动态的误差补偿过程，同时二次绕组可设置成多抽头式，以实现电流互感器的多变比。
在本实施过程中，补偿放大模块9中内置了定值电阻、运算放大器和补偿电容以及补偿电阻和模块电源10。检测绕组3的输出端与定值电阻相连，定值电阻的输出端与运算放大器的负极相连，运算放大器的正极接地，运算放大器的输出端与补偿电容相连，补偿电容的输出端与补偿电阻R1相连，补偿电阻的输出端与辅助绕组的输入端相连，模块电源10对其补偿放大模块的各部分进行供电。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.开合母线式高精度零磁通电流互感器的误差补偿方法，应用于整体呈钳形结构的开合母线式电流互感器，所述开合母线式电流互感器包括：两个结构相同且对应设置后相铰接以实现开合的钳形单元、有源的补偿放大模块、扩流模块和分别切成两半的主铁芯与辅铁芯，所述主铁芯、辅铁芯上对应绕有检测绕组、辅助绕组，然后将绕有检测绕组、辅助绕组的主铁芯、辅铁芯合在一起后缠绕二次绕组，与此同时，所述钳形单元的上部为半圆环形钳形壳体，当两个钳形单元的上部闭合后，形成的空心区域用于穿过一次绕组，其特征在于：包括以下步骤：
当一次绕组被测电流发生变化后，将在所述检测绕组中产生检测电势Ed，进而能够获取到检测绕组中的电流信号；
将获取的电流信号经补偿放大模块多级放大后再通过扩流模块，将放大后的电流信号进行扩展输出后形成补偿电流，并将其补偿电流输入至所述辅助绕组中；
当产生的补偿电流满足以下公式（1）时，所述开合母线式电流互感器将在主铁芯中达到零磁通，此时检测绕组上的电流为零，则开合母线式电流互感器将没有误差；
式中，
为补偿电流，
为辅助绕组的匝数，
为励磁电流，
为一次绕组的匝数。
2.根据权利要求1所述的开合母线式高精度零磁通电流互感器的误差补偿方法，其特征在于，所述扩流模块采用对管三极管，针对放大后的电流进行扩展输出。
3.开合母线式高精度零磁通电流互感器，采用了权利要求1-2任意一项所述的误差补偿方法，其特征在于：该零磁通电流互感器整体呈钳形结构，包括两个结构相同且对应设置后相铰接以实现开合的钳形单元，所述钳形单元的上部为半圆环形钳形壳体，在每个所述钳形壳体内依次安装有半圆环形主铁芯和半圆环形辅铁芯，并在其每个所述半圆环形主铁芯、半圆环形辅铁芯上对应缠绕有检测绕组、辅助绕组，然后将绕有所述检测绕组、辅助绕组的半圆环形主铁芯、半圆环形辅铁芯合在一起后缠绕二次绕组；当两个钳形单元的上部闭合后，形成的空心区域用于穿过一次绕组，上述的检测绕组、辅助绕组以及二次绕组通过钳形壳体上的连接端子实现串接，同时，有源的补偿放大模块通过其引线与所述检测绕组、辅助绕组以及扩流模块相连接，并将其二次绕组的引线伸出至所述钳形单元的下部，用于连接测试仪器。
4.根据权利要求3所述开合母线式高精度零磁通电流互感器，其特征在于，所述半圆环形主铁芯、辅铁芯均由高导磁材料制成的圆环形铁芯沿中心线将铁芯等分切成两半获得，其中，主铁芯切开后导磁率同比不切开时下降80-90%；辅铁芯切开后导磁率同比不切开时下降40-60%。
5.根据权利要求4所述的开合母线式高精度零磁通电流互感器，其特征在于，所述主铁芯采用超微晶圆环铁芯，辅铁芯采用硅钢片材料圆环铁芯。
6.根据权利要求5所述开合母线式高精度零磁通电流互感器，其特征在于，所述检测绕组、辅助绕组、二次绕组均包含有两组，且分别均匀缠绕在对应的半圆环形主铁芯、半圆环形辅铁芯、合并在一起的主、辅铁芯上。
7.根据权利要求6所述开合母线式高精度零磁通电流互感器，其特征在于，所述二次绕组可设置成多抽头式，以实现电流互感器的多变比。
8.根据权利要求3所述的开合母线式高精度零磁通电流互感器，其特征在于，所述两个对应设置的钳形单元的下部之间设置有开合增力弹簧，并在其中一个钳形单元的上部设置定位销，另外一个钳形单元的上部设置定位孔。
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