CN1455260A - 交流电流监测用电压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电流监测用电压传感器，包括一次主回路导电体、二次线圈和铁芯，三者通过绝缘紧固件定位，所述主回路电流方向与所述铁芯截面相垂直，所述铁芯为开放式，二次电感线圈输出电压经桥式整流及电容滤波后输出直流电压供测试用。本发明直接将电压作为采样信号，测量精度高，抗干扰能力极强，测量范围宽，又能与主回路隔离测量，而且传感器可随意脱离或靠近主回路，这给随时测量电流提供了方便条件。

Description

交流电流监测用电压传感器

                           技术领域

本发明涉及电力系统在线电流或用电设备的工作电流监测装置的传感器，具体地说是一种交流电流监测用电压传感器。

                           背景技术

目前对电力系统或用电设备的工作电流的监测主要是通过电流互感器来进行的，常用的电流互感器的结构由一次主回路导电板、二次电感线圈及环形铁芯构成，通过电磁感应，将主回路的大电流转化为二次线圈上的小电流进行测量。传统的测量方法是在二次线圈上直接串联电流表，但随着科技的发展，逐渐采用数字化运算处理。而数字运算的采样信号为电压信号，因此首先要对二次线圈上的模拟电压信号作A/D转换，由于电流互感器二次输出的电压信号较低，经放大后干扰信号也会同时放大，又会出现较大误差，影响测量精度，特别是放大过程中抗干扰能力差，同时上述结构的电流互感器对大电流测量也较困难，又无法实现与主回路隔离进行测量。

根据传统的电磁理论，电流和磁感应强度函数是多解的，这一点从磁滞回线中可见，因而二次电感线圈所得到的感应电压也是不多解的，无法用来作为测量信号。而采用二次电感线圈的感生电压作为采样信号，则上述问题又是不可避免的。

但是，传统的电磁理论在分析二次电磁线圈电压时忽略了磁介质中涡流的作用，它所得出的磁滞回线也是通过静态测量的，因此不能真实反应互相之间的动态关系。事实上，二次电磁线圈上的感应电压除了实际测量得到的电流所对应的那部分感应电势外，还包括磁介质中的涡流在二次电感线圈中的感应电势，反应到磁滞回线上来，横座标对应的电流值应为磁介质中的涡流与一次主回路导电体中电流的叠加，从以下更详细的分析中可知，上述叠加电流与磁感应强度之间的关系是呈线性的，并且，这一论点通过现代科技手段所提供的在线动态测量得到证实。

                           发明内容

本实用新型要解决的是现有电流互感器由于自身结构及取样信号的限制，在利用电流互感器实现模数转换(A/D)时存在一系列技术难题而限制了测量准确性的问题，提供一种交流电流监测用电压传感器，它是基于上述分析结果，将交流电流直接转换成电压信号，直接经电阻分压就可作A/D转换成数字信号供数字运算使用，由于传感器直接能转换成足够大的电压信号，所以不会受到幅射式传导干扰，抗干扰能力极强，测量范围也是够宽，又能与主回路隔离测量，而且传感器可随意脱离或靠近主回路，这给随时测量电流提供了方便条件。解决上述问题采用的技术方案是：交流电流监测用电压传感器，包括一次主回路导电体、二次线圈和铁芯，三者通过绝缘紧固件定位，所述主回路电流方向与所述铁芯截面相垂直，所述铁芯为开放式，二次电感线圈输出电压经桥式整流及电容滤波后输出直流电压供测试用。

空心线圈作为二次线圈，主回路为一次回路，当二者位置固定后，一次主回路电流产生的磁通与二次线圈交链的磁链Ψ₂₁正比于I₁，比例系数为M₂₁称为互感系数，有下式成立：

Ψ₂₁＝M₂₁ I₁………………………………………(1)

一次主回路电流为交流时，在二次线圈中产生的感生电势U₂，满足下式： $U_2=\frac{{\mathrm{d\Ψ}}_{21}}{\mathrm{dt}}=-M_{21}\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

由于是空心线圈，空气的磁导率可视为常数等于真空磁导率，故M₂₁为常数，这就是用空心线圈测量一次回路的电流的原理。但是由于是空心线圈，与一次主回路交链的磁链非常弱，所以U₂值非常小，直接测量U₂产生很大困难。

一次主回路与二次线圈之间采用硅钢片叠压而成的闭合磁路交链时，由于铁芯的磁导率是变量必须克服铁芯需要的激磁电流的影响，才能不考虑变化的磁导率的影响，所以要求二次回路阻抗非常小，这时二次电流I₂与二次线圈匝数N₂乘积为N₂I₂，当N₂I₂远大于铁芯激磁电流时，那么铁芯激磁电流就可忽略，因此有下式成立：

N₁I₁＝N₂I₂………………………………………(3)N₁是一次主回路匝数，I₁是忽略铁芯激磁电流后的一次主回路电流。公式(3)就是电流互感器的工作原理。同样由于二次线圈给出的是电流信号，又要求二次回路阻抗必须非常小，因此能取出的电压信号也是非常小的，很难满足模数转换要求的技术条件。

如果将二次线圈绕在用硅钢片叠压而成的一段铁芯上，铁芯长度应稍大于二次线圈长度，也可采用等截面的槽型铁芯，将二次线圈绕在槽底的铁芯上，将二次线圈包好绝缘，测量时使一次主回路导体贴紧二次线圈并使位置保持不变，由于有铁芯存在使一次主回路与二次线圈之间交链磁链增大几百倍，这样一次主回路交流电流在二次线圈中产生的感生电势就比空心线圈增大几百倍。只要铁芯磁导率是常数，又能保证一次主回路与二次线圈的位置不变，那么一次主回路与二次线圈的互感系数M₂₁就会是常数，公式(1)及公式(2)仍成立。

本发明的实质性技术进步在于找到了保证铁芯磁导率在激磁电流变化非常大的范围内仍能保持为常数的方法。一次主回路电流作为产生磁势的激磁电流又是被测电流，I₁＝ImSinωt，代入公式(2)得 $U_2=-M_{21}\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=-M_{21}\mathrm{\ωImCos\ωt}$ $=M_{21}\mathrm{\ωImSin}(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/2)\·\·\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

公式(4)就是本发明电流电压传感器的测试原理，从公式(4)知道，U₂与一次主回路电流的相角差为90度(π/2)。本发明找到了一种测量交流电流的新方法，这种测量方法具有明显优点，一是测量装置可与被测电流回路相隔离，并可在被测回路工作状态下将测量装置进入测量位置进行测量，不用断开回路又可移动测量装置。二是将被测电流直接转换为高电压信号经电阻分压后可用A/D模块转换成数字直接进行显示、计算，程序控制或通讯。而且无须考虑干扰及温度影响产生的误差。三是测量范围宽，并可直接测量主回路短路电流值。

当被测回路出现几万安培的特大短路电流时，将U₂经桥式整流后给存储电容允电将峰值电压转换成存储电容的允电电压可保存一段时间，这样就有充分时间经A/D转换成数字信号了。被测电流超过几千安后，非闭合回路的铁芯的磁感应强度仍会出现饱和，但由于U₂超前于I₁90度(π/2)，因此U₂在I₁电流过零处达到峰值Um，故此Um值不会因铁芯饱和而改变线性关系，将t＝0代入公式(4)，由于sin(ωt+π/2)＝1得：

            Um＝M₂₁ωIm(5)  ………………………………………(5)

公式(5)说明一次回路被测电流峰值与二次经圈感生电压峰值成正比，因此二次线圈峰值电压值始终与一次主回路被测电流峰值成线性关系，与铁芯是否出现饱和无关。公式(5)就是测量特大短路电流的原理，所以本发明提供一种测量特大电流的新方法。那就是将被测电流作为二次线圈的非闭合磁路的铁芯的激磁电流，使二次线圈产生感生电势，二次线圈感生电势的峰值正比于被测电流的峰值，比例系数为被测电流的角频率与被测电流对二次线圈的互感系数的乘积。这样就将被测电流信号成功的转换为电压信号，而且是线性关系。

为了验证公式(5)中的被测电流峰值变化范围多大能保证互感系数M₂₁是常数，可用试验直接测量。为试验方便起见，在二次线圈外层绕N匝导线形成一次线圈，一次线圈电流I₁n作为激磁电流代替被测主回路电流，I₁＝NI₁n与一次线圈串联一个小电阻R，电阻上的电压Ur，则I₁n＝Ur/R，用双踪示被器分别将I₁n及U₂显示在荧光屏上或经接口送给打印机打印出来，当U₂波形为正弦波形而且无畸变发生时，说明M₂₁为常数。逐渐增大I₁n，U₂波形开始出现畸变，开始出现畸变点以前的电流峰值Im对应的M₂₁都是常数。从U₂畸变点开始铁芯接近饱和磁导M值下降，但是从波形图上仍可看作Um与Im仍是线性关系，甚至于Um还稍有上升。说明公式(5)在几十安培到几千安培或几万安培都成立。由实验证明这种新发明的电流电压传感器的测量原理是成立的，测量范围是非常大的，并且准确性较好。由于铁芯起始磁导率较小，维持M₂₁的线性关系的被测电流值的下限范围随减小而下降。如果被测电流值下限仍不够，还可以增加一次线圈的匝数使下限进一步扩大范围。

上面实验说明硅钢片软磁材料的磁导率在激磁电流的起始磁导率以上和达到饱和前的范围内是不变的常数，上述实验是可信的，本发明电流电压传感器也是实用的。

                           附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明测量较大电流时实施例的结构示意图。

图2是本发明测量较小电流时实施例的结构示意图。

图3是本发明测量很小电流时实施例的结构示意图。

图4是本发明槽型铁芯的结构示意图。

                     具体实施方式

附图所示，1—二次线圈，2—二次线圈框，3—铁芯，4—一次主回路导电板，5—绝缘紧固件，6—桥式整流件，7—滤波储能电容，8—一次主回路导线。

当一次主回路被测电流较大时采用图1的电流电压传感器，用绝缘紧固件将一次主回、铁芯、二次电感固定，保证位置和角度不变，使主回路电流方向与铁芯截面相垂直，一次主回路导电体采用导电板，铁芯采用直型铁芯，二次电感线圈输出电压经桥整流为直流，用电容C滤波储能输出为直流电压，为保证输出的直流电容等于二次电感线圈输出的峰值电压，负载电阻比二次电感线圈内阻大2000倍以上。

当一次主回路被测电流较小时采用附图2型式的电流电压传感器，与图1实施例不同之处在于所述铁芯采用槽型等截面铁芯。参照图4，槽型铁芯在底槽上是对接的，这样就能插入线圈框内了。每片正反对调接缝不在一个位置上，又能压紧铁芯。

参照图3，当一次主回路被测电流很小，主回路采用圆导线8，可以将一次主回路绕在包好绝缘的二次线圈外面，包好绝缘也就将绕二匝的一次主回路固定在二次线圈上了。

Claims (6)

1、交流电流监测用电压传感器，包括一次主回路导电体、二次线圈和铁芯，三者通过绝缘紧固件定位，所述主回路电流方向与所述铁芯截面相垂直，其特征在于所述铁芯为开放式，二次电感线圈输出电压经桥式整流及电容滤波后输出直流电压供测试用。

2、如权利要求1所述的交流电流监测用电压传感器，其特征在于所述的铁芯为直型。

3、如权利要求1所述的交流电流监测用电压传感器，其特征在于所述的铁芯为槽型。

4、如权利要求1所述的交流电流监测用电压传感器，其特征在于所述的一次回路导电体为导电板。

5、如权利要求1所述的交流电流监测用电压传感器，其特征在于所述的一次回路导电体为导线，直接绕制在包好绝缘的二次线圈外面。

6、如权利要求1-5任何一项所述的交流电流监测用电压传感器，其特征在于负载电阻比二次电感线圈内阻大20倍以上。

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