CN117572060A - 一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置及测量方法，所述电流测量装置设置于待测量电缆外部；所述取能供能模块用于将感应的交流电转换为直流电供给电流测量装置用于测量和信号传输，所述测能模块用于测量感应的电缆电流并将测量结果输出；所述取能测量磁芯包括取能感应柱、测量感应柱和两块平行设置的集磁盖板，所述取能感应柱的外部套设有取能线圈；所述测量感应柱上设置有气隙，所述测量感应柱的外部套设有测量线圈；所述取能线圈与取能供能模块的取能端相连接，所述取能供能模块的电能输出端与测能模块的供电端相连接，所述测能模块的信号采集端与测量线圈相连接。本设计不仅提高安装和检修的效率，而且供能充足、测量准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置及测量方法，具体适用于优化装置结构、缩小装置体积，降低检修人力成本。
背景技术
随着西电东送等工程的进行，电网的互联、扩张势在必行，一方面，大电网大大提高供电的可靠性，且可更合理的调配用电，降低联合系统的最大负荷，减少联合系统中发电设备的总容量，更合理的利用系统中各类发电厂提高运行经济性；另一方面，电网的扩大使得分布式传感器的研究刻不容缓。现有分布式电流传感器还有许多不足，如：
1、电流互感器本身不需要供电，但是霍尔元件及检测器件需要供电，如果再加上通讯等额外的功能，则总体的传感器需要电池供电，其需要定时更换，对于大规模的分布式传感器并不划算，现有一些可实现空间磁场能量采集的结构，其中也不乏能够非侵入式取能的（即不需要与电缆产生接触或者套装的），但是大多数是单独设计后替代电池位置，结构复杂。
2、传统的电缆电流传感器采用罗氏线圈法，互感器需套装在电缆之上。首先，在电缆加工出厂之前套上是最方便的，然而实际情况却是传感器往往要在工作场合加装，受工作环境温湿度、位置限制和电缆自身大小、形状、材质的影响很大，不好套装，需要定制；其次，即使套装上，罗氏线圈十分笨重，电缆将长期受到机械应力，不利于健康；最后，装置套装再电缆上一旦出现故障，拆装苦难，不利于电缆的安全维护。因此，非接触式的电流传感是十分有必要的。
3、对于现如今电网，最常见的监控方案仍是在每个监测点单独设立自己的控制器，其工作参数的测量和计算结果往往储存在各监测点中，在实际工程中需要工作人员定期上山抽检，既不时效又不方便。而使用通信电缆将电流数据实时传输到总机的技术方案因为布线结构复杂、布线环境恶劣而难以稳定可靠地长期实现，无法普及使用。
对于一组输变电网，组内各线路在空间上相互接近，电路上相互连接，工作中相互影响。因此，作为提高经济效益、节约绿色能源、监控电网健康的重要参数，如何实现长期、稳定、简洁地测量线缆电流成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的结构笨重，供能、安装、检修不便的问题，提供了一种非接触式安装的无源分布式电缆电流测量装置及测量方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：
一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置，所述电流测量装置以非接触的方式设置于待测量电缆外部；所述电流测量装置包括：取能测量磁芯、取能供能模块和测量模块，所述取能供能模块用于将感应的交流电转换为直流电供给电流测量装置用于测量和信号传输，所述测量模块用于测量感应的电缆电流并将测量结果输出；
所述取能测量磁芯包括取能感应柱、测量感应柱和两块平行设置的集磁盖板，所述取能感应柱和测量感应柱的两端分别与一块集磁盖板垂直连接，所述取能感应柱的外部套设有取能线圈；所述测量感应柱上设置有气隙，所述测量感应柱的外部套设有测量线圈；所述取能线圈与取能供能模块的取能端相连接，所述取能供能模块的电能输出端与测量模块的供电端相连接，所述测量模块的信号采集端与测量线圈相连接。
所述测量模块用于测量感应的电缆电流并将测量结果以无线传输方式输出，所述测量模块内设置有无线通讯模块。
所述取能感应柱、测量感应柱和两块平行设置的集磁盖板的横截面均为正方形，所述集磁盖板的边长为h1，两块集磁盖板之间的最大距离为L，取能感应柱的边长为h3，取能感应柱的长度为l，测量感应柱的边长为h2，测量感应柱上气隙的间隙距离为a；
所述取能感应柱和测量感应柱均垂直于待测量电缆设置，取能测量磁芯的中心线与待测量电缆之间的最小距离为C,测量距离C需要满足如下条件：
测量距离C的供能约束条件：
；
不等式右侧的三个分式依次主要代表了磁芯的电磁约束、几何约束和负载约束；式中，μ0代表真空磁导率，μr代表取能测量磁芯所用材料的相对磁导率，空气的相对磁导率为1，Rload为取能供能模块的负载电阻，ri为取能供能模块的内阻，f为待测量电缆的磁场频率，N1为取能线圈的匝数，I为电缆电流有效值，t1为电流测量装置每次测量的间隔时间，w0为测量模块每次被唤醒时消耗的能量，P'为测量模块正常工作时的功率，t2为测量模块每次正常工作的时间，ζ为电流测量装置留有的供能冗量，ζ＞1；
测量距离C的测量约束条件：
；
式中，I0为电缆电流有效值的参考值，Emin为电压传感器的测量精度阈值，Emax为电压传感器的最大测量值，ξ1和ξ2均为保证测量精度而留有的精度裕度，其中ξ1＞1，ξ2＜1；N2为测量线圈的匝数，λ为漏磁通φ与总磁通Φall之比。
所述取能供能模块和测量模块封装于同一印刷电路板上；
封装了取能供能模块和测量模块的印刷电路板形状与取能测量磁芯内侧形状匹配，并内嵌固定于取能测量磁芯上。
所述测量模块包括电压传感器、电流计算单元、存储单元和信号输出单元，所述电压传感器用于检测测量线圈两端的电压并传输给电流计算单元；所述存储单元用于存储电流计算的算法程序以及电流计算的输入和输出信息；所述电流计算单元用于采集电压传感器发出的电压信号后，执行电流计算的算法程序计算待测量电缆的电流，并输出给存储单元和信号输出单元；所述信号输出单元用于通过有线或无线方式输出电流计算单元计算的电缆电流值信号。
一种非接触式无源分布式电缆电流测量方法，所述电流测量方法前述非接触式无源分布式电缆电流测量装置；所述电流测量装置按照设计的方式垂直于待测量电缆安装，取能测量磁芯的中心线与待测量电缆之间的最小距离为C，电流测量装置的安装距离C满足供能和测量的约束条件；
待测量电缆通电后，电流测量装置进入工作模式，每次测量电流时测量模块5通过电压传感器采集感应电动势，具体计算过程如下；
测量感应柱空载时测量线圈内感应出空载电动势：
；
式中，ei为测量线圈内的空载电动势，Φ1为测量感应柱中通过的磁通，Φ为忽略掉测量感应柱漏磁通φ后装置内的近似总磁通，为待测量电缆周围磁场的角频率，f为待测量电缆周围磁场的频率，即待测量电缆内通过电流的频率，N2为测量线圈匝数，所述集磁盖板的边长为h1，取能感应柱的长度为l，测量感应柱上气隙的间隙距离为a；
电压传感器可测得测量线圈的输出电压幅值E，装置内近似总磁通Φ：
；
在测量电流时为提高装置的电流测量精度，必须考虑漏磁通的影响；漏磁通难以使用磁路算法表现计算，所述漏磁通使用有限元仿真软件模拟求得；
在不同磁场强度下，其漏磁通φ与总磁通Φall之比λ保持定值，使用限元仿真软件，模拟仿真磁芯在恒定环境磁场下工作，测量其盖板表面测试磁通φ0、测量感应柱12截面测试磁通φ1、取能感应柱11截面测试磁通φ2，可计算出漏磁通比λ：
；
通过漏磁通比λ计算真正的总磁通Φall为：
；
根据磁芯结构得出其磁路拓扑，进而根据磁路各部分磁阻及总磁通计算测量感应柱12所在磁路的磁动势：
；
式中F为磁路磁动势，Rδ为磁力线所穿过的绝大部分空气的磁阻，Rl为取能感应柱的铁氧体路径磁阻，Rl/2为测量感应柱的两段铁氧体分别的磁阻，Ra为测量感应柱中气隙的磁阻，忽略掉除目标电缆处的其他磁动势来源，忽略掉除目标电缆处的其他磁动势来源，则F=I，其中I代表电缆电流强度；可得电流I为：
；
式中L为两块集磁盖板之间的最大距离，μ0代表真空磁导率，μr代表取能测量磁芯所用材料的相对磁导率，空气的相对磁导率为1，h2为测量感应柱的边长。
所述测量方法中：待测量电缆通电后，电流测量装置进入工作模式，取能线圈上的产生感应电流，此时取能供能模块开始计时，取能供能模块将取能线圈产生的感应交流点转换为直流电存储到储能装置中，当取能供能模块的计时到达t1时，唤醒测量模块，同时计时清零重新计时，进入时间测量周期为t1的测量循环；
测量模块被唤醒后，开始测量感应电动势，并通过前述计算方法进行计算，然后输出分布式电缆的电流测量值，测量模块每次测量电流耗时t2，测量完成后测量模块进入休眠状态，待取能供能模块的计时到达t1时，再次唤醒测量模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置其以非接触的方式安装于待测量电缆外部，取能和测量整体采用一体化结构，在安装时无需逐一向分布式电缆上套装，减少电缆的负重延长电缆寿命；在检修维护时，无需在电缆上带电操作，有效提高安装和检修的效率，提高了施工和检修的人员工作安全性。
2、本发明一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置中的取能测量磁芯结构将取能和测能到结构巧妙的结合为一体，同时其内部还能进一步布置设备工作所需的其它模块，在确保取能和测能基本功能的情况下利用磁芯结构优化集磁通路，确保了取能的能量转换效率和测量的准确性。
3、本发明一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置，通过磁路的分析推导得出了测量距离C的供能约束条件，进一步的通过仿真分析得出了测量距离C的测量约束条件，两者进行比较结合，即可得出本设计的最佳安装位置，既可以保证供能的充足，又可以保证测量的准确。
4、本发明一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置中测量模块的信号输出方式可以为无线信号输出，利用现有无线通讯网络强大的信号覆盖能力，赋能分布式电缆的通讯，对于人口稀少地区的输电缆线有着较强的监督作用。
5、本发明一种非接触式无源分布式电缆电流测量方法中采用仿真来修正漏磁通对电磁法测电缆电流影响的方法，弥补了传统磁路法估算不精确的问题，又比传统磁场有限元解法简便易算，测量方法精简又准确。
附图说明
图1是本发明取能测量磁芯的结构示意图。
图2是本发明的安装示意图。
图3是本发明取能测量磁芯的磁场模型的简化磁路模型图。
图4是本发明实施例4的连接结构图。
图5是本发明实施例3的连接结构图。
图6是本发明实施例5中磁通状态的有限元仿真图。
图7是本发明实施例5中电缆电流测量值与实际值对比曲线图。
图中：取能测量磁芯1、取能感应柱11、测量感应柱12、集磁盖板13、取能线圈2、测量线圈3、取能供能模块4、测量模块5、电压传感器51、电流计算单元52、存储单元53、信号输出单元54。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的原理说明如下：
本发明的关键在于分布式。大规模电网的监控需要大规模的分布式传感器网络，成百上千个传感器组成的静态物联网时刻监控电网的健康。由于数量巨大，就要求传感器：尽量小巧简洁集成化以便批量生产运输；同时，没有苛刻的安装条件和安装环境要求，有尽可能简单的使用条件，最好不需要后期维护，本设计就做到了放置就可以工作，并且由于是自供能也不需要后期更换电池。
实施例1：
参见图1至图6，一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置，所述电流测量装置以非接触的方式设置于待测量电缆外部；所述电流测量装置包括：取能测量磁芯1、取能供能模块4和测量模块5，所述取能供能模块4用于将感应的交流电转换为直流电供给电流测量装置用于测量和信号传输，所述测量模块5用于测量感应的电缆电流并将测量结果输出；
所述取能测量磁芯1包括取能感应柱11、测量感应柱12和两块平行设置的集磁盖板13，所述取能感应柱11和测量感应柱12的两端分别与一块集磁盖板13垂直连接，所述取能感应柱11的外部套设有取能线圈2；所述测量感应柱12上设置有气隙13，所述测量感应柱12的外部套设有测量线圈3；所述取能线圈2与取能供能模块4的取能端相连接，所述取能供能模块4的电能输出端与测量模块5的供电端相连接，所述测量模块5的信号采集端与测量线圈3相连接。
所述取能感应柱11、测量感应柱12和两块平行设置的集磁盖板13的横截面均为正方形，所述集磁盖板13的边长为h1，两块集磁盖板13之间的最大距离为L，取能感应柱11的边长为h3，取能感应柱11的长度为l，测量感应柱12的边长为h2，测量感应柱12上气隙的间隙距离为a；
所述取能感应柱11和测量感应柱12均垂直于待测量电缆设置，取能测量磁芯1的中心线与待测量电缆之间的最小距离为C,测量距离C需要满足如下条件；
测量距离C的供能约束条件：
；
不等式右侧的三个分式依次主要代表了取能测量磁芯1的电磁约束、几何约束和负载约束；式中，μ0代表真空磁导率，μr代表取能测量磁芯1所用材料的相对磁导率，空气的相对磁导率为1，Rload为取能供能模块4的负载电阻，ri为取能供能模块4的内阻，f为待测量电缆的磁场频率，N1为取能线圈2的匝数，I为电缆电流有效值，t1为电流测量装置每次测量的间隔时间，w0为测量模块5每次被唤醒时消耗的能量，P'为测量模块5正常工作时的功率，t2为测量模块5每次正常工作的时间，ζ为电流测量装置留有的供能冗量，ζ＞1；
测量距离C的测量约束条件：
；
式中，I0为电缆电流有效值的参考值，Emin为电压传感器的测量精度阈值，Emax为电压传感器的最大测量值，ξ1和ξ2均为保证测量精度而留有的精度裕度，其中ξ1＞1，ξ2＜1；N2为测量线圈3的匝数，λ为漏磁通φ与总磁通Φall之比。
一种非接触式无源分布式电缆电流测量方法，所述电流测量方法所述的非接触式无源分布式电缆电流测量装置；所述电流测量装置按照设计的方式垂直于待测量电缆安装，取能测量磁芯1的中心线与待测量电缆之间的最小距离为C，电流测量装置的安装距离C满足供能和测量的约束条件；
待测量电缆通电后，电流测量装置进入工作模式，每次测量电流时测量模块5通过电压传感器51采集感应电动势，具体电流计算的算法过程如下；
测量感应柱12空载时测量线圈3内感应出空载电动势：
；
式中，ei为测量线圈3内的空载电动势，Φ1为测量感应柱12中通过的磁通，Φ为忽略掉测量感应柱12漏磁通φ后装置内的近似总磁通，为待测量电缆周围磁场的角频率，f为待测量电缆周围磁场的频率，即待测量电缆内通过电流的频率，N2为测量线圈3匝数；
电压传感器可测得测量线圈3的输出电压幅值E，装置内近似总磁通Φ：
；
在测量电流时为提高装置的电流测量精度，必须考虑漏磁通的影响；漏磁通难以使用磁路算法表现计算，所述漏磁通使用有限元仿真软件模拟求得；
在不同磁场强度下，其漏磁通φ与总磁通Φall之比λ保持定值，使用限元仿真软件，模拟仿真磁芯在恒定环境磁场下工作，测量其盖板表面测试磁通φ0、测量感应柱12截面测试磁通φ1、取能感应柱11截面测试磁通φ2，可计算出漏磁通比λ：
；
通过漏磁通比λ计算真正的总磁通Φall为：
；
根据磁芯结构得出其磁路拓扑，进而根据磁路各部分磁阻及总磁通计算测量感应柱12所在磁路的磁动势：
；
式中F为磁路磁动势，Rδ为磁力线所穿过的绝大部分空气的磁阻，Rl为取能感应柱11的铁氧体路径磁阻，Rl/2为测量感应柱12的两段铁氧体分别的磁阻，Ra为测量感应柱12中气隙的磁阻，忽略掉除目标电缆处的其他磁动势来源，忽略掉除目标电缆处的其他磁动势来源，则F=I，其中I代表电缆电流强度；可得电流为：
。
实施例2：
实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：
所述取能感应柱11、测量感应柱12的固定点位位于集磁盖板13的斜对角上。
所述取能供能模块4和测量模块5封装于同一印刷电路板上；
封装了取能供能模块4和测量模块5的印刷电路板形状与取能测量磁芯1内侧形状匹配，并内嵌固定于取能测量磁芯1上。
一种非接触式无源分布式电缆电流测量方法，待测量电缆通电后，电流测量装置进入工作模式，取能线圈2上的产生感应电流，此时取能供能模块4开始计时，取能供能模块4将取能线圈2产生的感应交流电转换为直流电存储到储能装置中，当取能供能模块4的计时到达t1时，唤醒测量模块5，同时计时清零重新计时，进入时间测量周期为t1的测量循环；
测量模块5被唤醒后，开始测量感应电动势，并通过实施例1所述的方法进行计算，然后输出分布式电缆的电流测量值，测量模块5每次测量电流耗时t2，测量完成后测量模块5进入休眠状态，待取能供能模块4的计时t1时，再次唤醒测量模块5。
测量模块5被唤醒后可以有两种工作模式：一种是实施例1的电流计算过程在测量模块5内完成，如图4，直接输出计算的电流值；另一种是实施例1的电流计算过程在远程的监控中心完成，如图5，直接输出测量的感应电动势。
实施例3：
实施例3与实施例2基本相同，其不同之处在于：
所述测量模块5用于测量感应的电缆电流并将测量结果以无线传输方式输出，所述测量模块5内设置有信号输出单元54。
实施例4：
实施例4与实施例2基本相同，其不同之处在于：
参见图4，所述测量模块5包括电压传感器51、电流计算单元52、存储单元53和信号输出单元54，所述电压传感器51用于检测测量线圈3两端的电压并传输给电流计算单元52；所述存储单元53用于存储电流计算的算法程序以及电流计算的输入和输出信息；所述电流计算单元52用于采集电压传感器51发出的电压信号后，执行电流计算的算法程序计算待测量电缆的电流，并输出给存储单元53和信号输出单元54；所述信号输出单元54用于通过有线或无线方式输出电流计算单元52计算的电缆电流值信号。
实施例5：
取能测量磁芯1如图1所示。为了集成化传统电流测量装置中供能和测量两模块的功能，特异性设计出了取能测量磁芯1的结构拓扑。取能测量磁芯1由两集磁盖板和其中的两感应柱组成，其中，无气隙感应柱为取能感应柱11，有气隙感应柱为测量感应柱12。集磁盖板13能对感应柱有机械保护作用，并且能尽可能多地拦截空间中的交变磁场，提供给两个感应柱。二者通过盖板实现磁路并联，共用电缆附近的交变磁场工作，集成度高。
取能供能模块4包含AD5090、LDO芯片和常规电气元件在内的受能、储能、输能一体化，并将取得的紊乱电流整流、滤波、并储存在一颗超级电容里。取能供能模块4可以根据电容容量智能化地开启、停止储能，且当电容电压达到一定阈值时，可以输出稳压的电能给后续测量模块5使用；
基于3G/4G/5G技术的无线传输模块，包含多个位于电缆测的终端节点和位于监控中心的协调器，使用星形网络拓扑连接。无线传输模块可以实现对数千个分布式传感器网络的远距离信息交互，定时将传感器原始数据通过终端节点上传给位于监控中心的协调器，协调器将信息发送给计算单元；
负责运算的计算单元，集中处理传感器通过无线传输模块发送的原始信息，将这些信息整合处理为各节点电流并将以上信息发送给上位显示器；
位于监测中心的上位显示器，与计算单元电性连接，随时接收计算单元传来的电缆电流，展示给工作人员看。
取能测量磁芯1由两集磁盖板和两感应柱组成，其中一个感应柱有气隙，另一个感应柱没有。该模块可分段由铁氧体切削，运输到电缆附近粘接安装，因此有便于制造、运输的优点。
取能测量磁芯1与电缆的相对位置及安装关系如图2所示，取能测量磁芯1中心轴线与电缆轴线正交，因此集磁盖板13与电缆附近的交变空间磁场正好垂直。由于取能测量磁芯1无需侵入电缆就可以测量电流，因此有利于提高电缆寿命，对工作环境依赖性低。并且该模块只需要在电缆附近就可以长期自供能工作。
当图2中输电电缆中经过交变电流时，由电磁感应定律，电缆周围空间会感应出交变磁场。磁场中蕴藏的磁场能量可以收集利用为传感器和通讯设备供电，而取能测量磁芯1所在位置的磁场强度只与电缆中电流强度和取能测量磁芯1与电缆的相对距离有关，因此当取能测量磁芯1与电缆位置固定时，其磁场强度可直接反映出输电电缆中经过的电流大小。在两感应柱上分别绕制线圈，则两感应柱都将感应出电动势。由于测量感应柱12有气隙存在，其磁通远远小于取能感应柱11，因此多数能量都将通过取能感应柱11上的线圈转化为电能用于自供能，少数能量将被测量感应柱12采样用于测量电缆电流。取能测量磁芯1的两感应柱磁路并联，巧妙复合了测量与供能的功能，集成度高，操作简便。
假设图2中的电缆为无限长均匀长直导线，则根据比奥萨尔定律可得，电缆周围任意一点的磁场大小为：
（1）；
聚磁盖板上各点磁场强度对面积积分得到集磁盖板中通过的磁通Φ为：
（2）；
式中的C为磁芯中心线到电缆的最短距离，电缆轴线、磁芯中心轴线、距离C所在轴线刚好两两正交。磁芯的各项几何参数定义如图2所示。
式（2）的表达式含对数，是不方便的，注意到C>>h1，可将对数按照麦克劳林级数形式展开以简化表达形式：
（3）；
理论模型中只有集磁盖板与空间磁场相交。但实际上，磁芯与空间磁场接近平行的磁芯感应柱也会吸引磁力线进入磁芯，这部分磁通称为φ。感应柱越长，该漏磁通φ越大，但与集磁盖板中通过的磁通Φ比仍然很小。设Φall、Φ1、Φ2分别代表装置内部、测量感应柱、取能感应柱中通过的磁通，则：
（4）；
为简化分析过程，如图2所示磁场模型变成磁路模型，其磁路简化模型如图3所示。其中，忽略掉空间中的其他磁源，F代表输电电缆中电流产生的磁动势，Rδ代表图2中磁力线所穿过的绝大部分空气的磁阻，Rl代表取能感应柱的铁氧体路径磁阻，Rl/2代表测量感应柱的两段铁氧体分别的磁阻，Ra代表测量感应柱中气隙的磁阻。根据图3中将磁路中分段成若干段磁阻。对于每一段磁阻Rm都有：
（5）；
式中，μ0代表真空磁导率，μr代表材料的相对磁导率，空气为1，S和l分别代表该段磁路的截面积和长度。
根据图4的参数定义，分别代入式（5）得到各磁阻表达式：
（6）；
值得注意的是，式（6）中的Rl和Rl/2的分子均含有一个h1，这主要是因为磁力线想要穿过感应柱，实际上还要在两个集磁盖板上多走一段路径而产生的折算值。为方便感应柱的批量制造，可设定两感应柱截面积相同，若忽略掉感应柱侧面吸收的漏磁通Φ0，则总磁通Φall就等于集磁盖板上吸收的磁通Φ。由式（4）、式（6），图3所示三磁通有比例关系：
（7）；
根据式（7），当测量感应柱12的气隙a过长时，绝大多数磁通都将流入取能感应柱11，测量感应柱12磁通过少，感应电动势小，测量精度差；当气隙过短时，取能感应柱11中磁通减小，取能不足，不支持装置日常工作，且装配难度加大。因此，需通过仿真或计算的方式选择合适的磁芯材料，并设计合适的大小。可通过选择不同相对磁导率的铁氧体材料和设计合适的测量感应柱12的气隙长度实现集磁盖板13中磁通对于不同感应柱的合理分配。
各参数对装置能否取得足够能量和测量的精度有若干约束关系，见下文：
取能测量磁芯1放置于输电电缆附近，其相对位置如图2所示。该模块对空间中多余的部分进行取能，主要能量来源于：传输电能的输电电缆周围的空间磁场。该复合模块的优点是：取能结构小巧精简，便于制造运输；取能过程非侵入式，安装位置受限小，不影响电缆正常工作；取能过程稳定连续，谐波少，效率高。
为尽可能减少退磁场，提高取能效果的情况下，本发明的取能测量磁芯1的集磁盖板13应该尽可能大，感应柱应尽可能长。下面计算该模块中取能感应柱的取能功率：
假设输电电缆中通入正弦电流，则电缆周围磁场也为正弦，两感应柱中都会出现交变磁通，取能感应柱上绕制线圈N1匝，则线圈内可感应出空载电动势。
（8）；
式中，e为取能线圈内的空载电动势，B为输电电缆在取能端磁感应强度，为输电电缆周围磁场的角频率， f为输电电缆周围磁场的频率，也就是输电电缆内通过电流的频率，N1为取能线圈匝数。
取能感应柱空载时取能线圈的输出电压幅值为：
（9）；
Rload为取能供能模块4的负载电阻，ri为取能供能模块4的内阻，当输电电缆磁场频率为f，幅值为B时，空载时感应电动势的幅值为E1，此时输出功率最大为：
（10）；
最大输出功率的后一项主要表征了磁芯的各项几何参数对其最大输出功率的影响。假设装置每隔t1 min测量一次电缆电流并将结果上传到监控中心，每次工作都需要消耗w0将测量模块5从休眠模式唤醒并以P' 功率持续工作t2 min，则装置的取能感应柱取得功率应至少满足：
（11）；
式中ζ代表装置留有的供能冗量，ζ＞1。当磁芯的形状大小固定时，式（10）、式（11）共同约束了磁芯到电缆的安装距离，即：
（12）；
不等式右侧的三个分式依次主要代表了磁芯的电磁约束、几何约束和负载约束。
电流计算步骤如下：低功耗的测量模块5的供电口与取能供能模块4通过LDO稳压电路相连，由取能供能模块4持续或间歇性供电。其测量输入口与取能测量磁芯1的测量感应柱12上的绕组相连，根据测量感应柱12上感应出的电动势，反算出电缆电流。其输出口与信号输出单元的终端节点电性连接，将测量的结果传给信号输出单元54。
与式（8）类似的，测量感应柱空载时线圈内感应出空载电动势：
（13）；
式中，ei为测量线圈内的空载电动势，Φ为忽略掉感应柱漏磁通φ后装置内的近似总磁通，为输电电缆周围磁场的角频率，f为输电电缆周围磁场的频率，也就是输电电缆内通过电流的频率，N2为测量线圈匝数。
电压传感器51可测得测量线圈3的输出电压幅值E，由式（13）可反推出装置内近似总磁通Φ：
（14）；
在计算能量采集为提高裕度，忽略掉感应柱吸收的漏磁通φ。但在测量电流时为提高装置的电流测量精度，必须考虑漏磁通的影响。这部分磁通难以使用磁路法表现计算，可使用有限元仿真软件模拟求得。
对于确切形状的磁芯，在不同磁场强度下，其漏磁通φ与总磁通Φall之比λ保持定值。使用COMSOL软件，模拟仿真磁芯在1Gs恒定环境磁场下工作，测量其盖板表面测试磁通φ0和两感应柱截面测试磁通φ1、φ2，根据式（4）可计算出漏磁通比λ：
（15）；
将漏磁通比λ代入式（14）可计算真正的总磁通Φall为：
（16）；
对于图3所示磁路，有关系
（17）；
式中F为磁路磁动势。若忽略掉除目标电缆的其他磁动势来源，则F=I，其中I代表电缆电流强度。
因此可反算出电流：
（18）；
为了提高测量结果的精确性，测量感应柱的气隙不宜太长，安装距离也不宜过远，否则绕组感应电动势过小，低于电压传感器的测量精度。为满足测量精度，应保证装置的几何参数和安装距离满足下式：
（19）；
式中的I0为电缆电流参考值，Emin为电压传感器的测量精度阈值，Emax为电压传感器的最大测量值，ξ1和ξ2都是装置为保证测量精度而留有的精度裕度，其中ξ1＞1，ξ2＜1。
反算出距离C的约束条件：
（20）；
式（12）和式（20）共同构成了对特定形状大小的磁芯安装位置的约束条件。
基于3G/4G/5G技术的无线传输单元将传感器得到的原始信息从电缆侧传输到监控中心。无线传输模块的终端节点由能量转换模块供电，定时工作，其余时间处于休眠模式；无线传输模块的协调器由监控中心供电，工作时常开，随时接收终端节点的信号。协调器与计算单元电性连接，将电缆电流数据发送给计算单元。
计算单元与上位显示器电性连接，汇总各节点发送的电流数据并上传给上位显示器。上位显示器接收计算单元汇总后的数据后，通过电子显示屏或者语音播报实时报告给工作人员。
在某案例中，我们针对现有某主网电缆的电流测量进行磁芯设计。该电力隧道中铺设了500kV的单芯XLPE电缆，其截面积为1*2500 mm2，路径长约为120km。由于主网电缆载流量较为稳定，取运行电流参考值为600A，根据仿真，据电缆中心导体250mm处磁通密度有效值约为2Gs。
处于对裕度和安装便利程度的考虑，我们设计一个磁芯使得装置可以在50mm（电缆外护套处）到250mm间的距离放置工作，其各参数如下所示。
根据环路安培定律，距电缆的距离越远的位置磁通密度越小，因此最严苛的情况就是当磁芯放置在250mm处，即磁芯工作在有效值为2Gs的工频交变磁场的情况。由于当满足这一情况时，其他离电缆更近的情况自然满足。以下都按照此条件进行仿真验证。
仿真时，对取能感应柱11和测量感应柱12均缠绕2500匝线圈。当空间中出现竖直交变磁场时，取能感应柱11中磁通密度要远高于测量感应柱。
在2Gs工频磁场下，仿真得取能感应柱上线圈的开路电压幅值为1.2V，根据式（10），当匹配线圈内感和内阻后，取能功率最大为600mW，为保证供能充足，取冗度ζ=10。
若采用基于ZigBee的低功耗传感网络节点和低功耗电压测量传感器，则测量模块休眠时功率约为20μW，工作时功率约为220 mW。则可令t1=0.8min，t2=0.2min，此时磁芯完全足够装置每隔1min间歇性工作，且工作周期完全符合电缆交变电流测量的采样要求。
已知正常运行时电缆电流有限值为600±150A，根据磁阻计算，电缆电流的有效值为600±150A时测量感应柱上线圈的开路电压有效值约为42±10.5mV，选取的低功耗电压传感器各参数为Emin=2mV，Emax=1V。为了保证测量精度，取ξ1=10，ξ2=0.1。此时磁芯完全足够装置工作时电缆交变电流测量的精度要求。
根据仿真计算出漏磁通比λ为0.84，可以反算出电缆电流测量值与实际值对比，如图7所示，测量值略小于实际值，这主要因为取能线圈2中的电流与取能感应柱11上的感应电动势形成的取能功率，这部分很难被完全修正，好在其相对误差最大也不超过6.7%，并随着电缆电流的增大和与电缆距离的接近会逐渐减小。
Claims (8)
1.一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置，其特征在于：
所述电流测量装置以非接触的方式设置于待测量电缆外部；所述电流测量装置包括：取能测量磁芯（1）、取能供能模块（4）和测量模块（5），所述取能供能模块（4）用于将感应的交流电转换为直流电供给电流测量装置用于测量和信号传输，所述测量模块（5）用于测量感应的电缆电流并将测量结果输出；
所述取能测量磁芯（1）包括取能感应柱（11）、测量感应柱（12）和两块平行设置的集磁盖板（13），所述取能感应柱（11）和测量感应柱（12）的两端分别与一块集磁盖板（13）垂直连接，所述取能感应柱（11）的外部套设有取能线圈（2）；所述测量感应柱（12）上设置有气隙（13），所述测量感应柱（12）的外部套设有测量线圈（3）；所述取能线圈（2）与取能供能模块（4）的取能端相连接，所述取能供能模块（4）的电能输出端与测量模块（5）的供电端相连接，所述测量模块（5）的信号采集端与测量线圈（3）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置，其特征在于：
所述取能感应柱（11）、测量感应柱（12）的固定点位位于集磁盖板（13）的斜对角上。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置，其特征在于：
所述测量模块（5）用于测量感应的电缆电流并将测量结果以无线传输方式输出，所述测量模块（5）内设置有信号输出单元（54）。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置，其特征在于：
所述取能感应柱（11）、测量感应柱（12）和两块平行设置的集磁盖板（13）的横截面均为正方形，所述集磁盖板（13）的边长为h1，两块集磁盖板（13）之间的最大距离为L，取能感应柱（11）的边长为h3，取能感应柱（11）的长度为l，测量感应柱（12）的边长为h2，测量感应柱（12）上气隙的间隙距离为a；
所述取能感应柱（11）和测量感应柱（12）均垂直于待测量电缆设置，取能测量磁芯（1）的中心线与待测量电缆之间的最小距离为C,测量距离C需要满足如下条件；
测量距离C的供能约束条件：
；
不等式右侧的三个分式依次主要代表了取能测量磁芯（1）的电磁约束、几何约束和负载约束；式中，μ0代表真空磁导率，μr代表取能测量磁芯（1）所用材料的相对磁导率，空气的相对磁导率为1，Rload为取能供能模块（4）的负载电阻，ri为取能供能模块（4）的内阻，f为待测量电缆的磁场频率，N1为取能线圈（2）的匝数，I为电缆电流有效值，t1为电流测量装置每次测量的间隔时间，w0为测量模块（5）每次被唤醒时消耗的能量，P'为测量模块（5）正常工作时的功率，t2为测量模块（5）每次正常工作的时间，ζ为电流测量装置留有的供能冗量，ζ＞1；
测量距离C的测量约束条件：
；
式中，I0为电缆电流有效值的参考值，Emin为电压传感器的测量精度阈值，Emax为电压传感器的最大测量值，ξ1和ξ2均为保证测量精度而留有的精度裕度，其中ξ1＞1，ξ2＜1；N2为测量线圈（3）的匝数，λ为漏磁通φ与总磁通Φall之比。
5.根据权利要求4所述的一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置，其特征在于：
所述取能供能模块（4）和测量模块（5）封装于同一印刷电路板上；
封装了取能供能模块（4）和测量模块（5）的印刷电路板形状与取能测量磁芯（1）内侧形状匹配，并内嵌固定于取能测量磁芯（1）上。
6.根据权利要求5所述的一种非接触式无源分布式电缆电流测量装置，其特征在于：
所述测量模块（5）包括电压传感器（51）、电流计算单元（52）、存储单元（53）和信号输出单元（54），所述电压传感器（51）用于检测测量线圈（3）两端的电压并传输给电流计算单元（52）；所述存储单元（53）用于存储电流计算的算法程序以及电流计算的输入和输出信息；所述电流计算单元（52）用于采集电压传感器（51）发出的电压信号后，执行电流计算的算法程序计算待测量电缆的电流，并输出给存储单元（53）和信号输出单元（54）；所述信号输出单元（54）用于通过有线或无线方式输出电流计算单元（52）计算的电缆电流值信号。
7.一种非接触式无源分布式电缆电流测量方法，其特征在于：
所述电流测量方法基于权利要求1-6中任意一项所述的非接触式无源分布式电缆电流测量装置；所述电流测量装置按照设计的方式垂直于待测量电缆安装，取能测量磁芯（1）的中心线与待测量电缆之间的最小距离为C，电流测量装置的安装距离C满足供能和测量的约束条件；
待测量电缆通电后，电流测量装置进入工作模式，每次测量电流时测量模块（5）通过电压传感器（51）采集感应电动势，具体电流计算的算法过程如下；
测量感应柱（12）空载时测量线圈（3）内感应出空载电动势：
；
式中，ei为测量线圈（3）内的空载电动势，Φ1为测量感应柱（12）中通过的磁通，Φ为忽略掉测量感应柱（12）漏磁通φ后装置内的近似总磁通，为待测量电缆周围磁场的角频率，f为待测量电缆周围磁场的频率，即待测量电缆内通过电流的频率，N2为测量线圈（3）匝数，集磁盖板（13）的边长为h1，取能感应柱（11）的长度为l，测量感应柱（12）上气隙的间隙距离为a；
电压传感器可测得测量线圈（3）的输出电压幅值E，装置内近似总磁通Φ：
；
在测量电流时为提高装置的电流测量精度，必须考虑漏磁通的影响；漏磁通难以使用磁路算法表现计算，所述漏磁通使用有限元仿真软件模拟求得；
在不同磁场强度下，其漏磁通φ与总磁通Φall之比λ保持定值，使用限元仿真软件，模拟仿真磁芯在恒定环境磁场下工作，测量其盖板表面测试磁通φ0、测量感应柱（12）截面测试磁通φ1、取能感应柱（11）截面测试磁通φ2，可计算出漏磁通比λ：
；
通过漏磁通比λ计算真正的总磁通Φall为：
；
根据磁芯结构得出其磁路拓扑，进而根据磁路各部分磁阻及总磁通计算测量感应柱（12）所在磁路的磁动势：
；
式中F为磁路磁动势，Rδ为磁力线所穿过的绝大部分空气的磁阻，Rl为取能感应柱（11）的铁氧体路径磁阻，Rl/2为测量感应柱（12）的两段铁氧体分别的磁阻，Ra为测量感应柱（12）中气隙的磁阻，忽略掉除目标电缆处的其他磁动势来源，则F=I，其中I代表电缆电流强度；可得电流I为：
；
式中L为两块集磁盖板（13）之间的最大距离，μ0代表真空磁导率，μr代表取能测量磁芯（1）所用材料的相对磁导率，空气的相对磁导率为1，h2为测量感应柱（12）的边长。
8.根据权利要求7所述的一种非接触式无源分布式电缆电流测量方法，其特征在于：
待测量电缆通电后，电流测量装置进入工作模式，取能线圈（2）上的产生感应电流，此时取能供能模块（4）开始计时，取能供能模块（4）将取能线圈（2）产生的感应交流点转换为直流电存储到储能装置中，当取能供能模块（4）的计时到达t1时，唤醒测量模块（5），同时计时清零重新计时，进入时间测量周期为t1的测量循环；
测量模块（5）被唤醒后，开始测量感应电动势，并通过权利要求7所述的方法进行计算，然后输出分布式电缆的电流测量值，测量模块（5）每次测量电流耗时t2，测量完成后测量模块（5）进入休眠状态，待取能供能模块（4）的计时到达t1时，再次唤醒测量模块（5）。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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