CN1658344A - 低功率电子式电流互感器 - Google Patents

Abstract

一种低功率电子式电流互感器，是一个无源设备，包括：一次绕组、二次绕组、磁铁心、二次分流电阻、屏蔽外壳、双屏蔽双绞线与底座，一次绕组贯穿通过磁铁心中心，二次铜导线均匀缠绕在磁铁心上，屏蔽外壳与底座构成一个整体，在二次铜导线的末端上连接一个二次分流电阻，而且二次分流电阻也均匀缠绕在环形磁铁心上与二次铜导线一起构成二次绕组，整个二次绕组放置在屏蔽外壳内，二次低功率电压信号由双屏蔽双绞线输出。本发明二次输出是与一次电流成线性比例关系的低功率电压信号；一个互感器绕组就能同时满足测量和保护的多种要求；测量量程大，精度高；无二次回路问题，既可以开路又可以短路；体积小，重量轻，原材料成本低且电磁兼容性强。

Description

低功率电子式电流互感器

技术领域

本发明涉及的是一种用于电力系统电流测量和继电保护技术领域的互感器，特别是一种低功率电子式电流互感器。

背景技术

随着以微机技术为基础的继电保护和测量系统的广泛应用，对输入信号的功率需求大大降低。在实际应用时，由于这些信号提供的能量水平远远超出了微电子元件所能承受的范围，因此它们都必须通过电流/电压变送器进一步转化为小功率的模拟电压信号后才能输入到继电器和测量系统的模/数转换模块中进行数字信号采样。目前的输变电系统中，一次的高压电流信号的获取还是主要通过传统的电磁式电流互感器技术来实现，它们的二次输出是模拟的大功率电流信号。随着电力需求量的增大和电压等级的提高，使得传统的电磁式电流互感器的体积越来越大，造价越来越高，对电力系统的安全运营带来很大困难。国际电工委员会于2002年对新型的电子式电流互感器的设计和应用提供了明确的规范。因此，传统的电磁式电流互感器已经不能适应输变电系统智能化、数字化的发展需要。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号为：02211227.8公开的一种“电子式电流传感器”，该技术用络氏线圈原理制作的电流传感器，二次线圈输出的电动势与一次电流的微分成正比，即 $U_S\left(t\right)=M\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}},$ 其中M为络氏线圈的互感。这个二次输出电动势只有经模拟或数字积分后才能反映一次电流的大小，因此它在应用时需同时配上有源的运算放大器或数字积分电路，对输出的电压信号进行二次处理。但是由于络氏线圈都绕制在非铁磁材料芯上，而且实际的每匝绕组不可能做到完全一致，因此络氏线圈很容易受到外界磁场的干扰，影响测量精度，该类型的电流互感器基本只能用于继电保护，而无法用于计量。

检索中又发现，中国专利申请号为：03224156.9公开的一种“有源光电电流互感器”。该技术是有源设备，利用络氏线圈或电磁式电流互感器在一次高电位下进行电流测量，而后通过信号处理将模拟输出信号转换为数字信号，再由发光二极管转换为数字光信号向控制室传输，然后在控制室里再进行光电变换和信号处理，生成可用于微机保护和计量的电信号。该技术主要问题在于一次高压侧的电子电路的电源供应和长期运行时的使用寿命，目前主要的电源供应方式有激光源供电和母线式线圈供电(即利用一个小型电流互感器线圈从一次高压侧获取电能供电)。激光源供电主要问题是激光源的发射功率偏低，提供的电能有限，而且价格高，使用寿命短，使得混合型光电电流互感器的制造成本很高，而且运行后现场维护难度大。而采用母线式电流互感器线圈供电，存在一次通过小电流时线圈向外供电不足，而通过大电流时线圈易饱和的电源“死区”问题，影响电子电路的稳定运行。因此，这种混合型光电电流互感器虽然有一些产品挂网运行，但仍难以实现大规模的生产和应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低功率电子式电流互感器。使其在符合国家和国际标准的基础上，能同时满足测量和保护的多种要求，而且测量量程大、精度高、暂态响应好、体积小、重量轻、电磁兼容性强。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明是一个无源设备，包括：一次绕组、二次绕组、磁铁心、二次分流电阻、屏蔽外壳、双屏蔽双绞线与底座，一次绕组贯穿通过磁铁心中心，二次铜导线均匀缠绕在磁铁心上，屏蔽外壳与底座构成一个整体，在二次铜导线的末端上连接一个二次分流电阻，而且二次分流电阻也均匀缠绕在环形磁铁心上与二次铜导线一起构成二次绕组，整个二次绕组放置在一个不会产生短路匝的屏蔽外壳内，二次低功率电压信号由双屏蔽双绞线输出。

所述的磁铁心由磁性的软合金带构成，磁铁心的形状为环形状，与采用络氏线圈或空芯线圈原理制作的电流传感器相比，带有磁铁心的低功率电流互感器，对干扰磁场和温度的变化不敏感，设计更灵活；根据不同的使用需要，磁铁心带有一个或数个气隙，或者零气隙，以满足暂态保护要求，而且由于互感器二次绕组已被二次分流电阻短接，运行时的实际最大负载就是二次分流电阻本身，阻值一般只有几个欧姆。因此，能够实现一次通过短路电流时设计的磁铁心也不会发生磁饱和，满足暂态响应的要求。而且该磁铁心的尺寸远小于传统电磁式互感器产品所用的磁铁心，材料成本更低。

所述的二次分流电阻是二次绕组的一部分，由数根电阻丝和一根铜导线构成，电阻丝缠绕在铜线周围，当二次电流Is(t)通过这组电阻丝时，在电阻丝的两端就形成了二次输出电压Us(t)，并由电阻丝中间的铜线输出；

二次分流电阻或者由一个中间带有导电杆的金属圆管组成，导电杆和金属圆管具有中心对称的绝缘结构，当二次电流Is(t)通过该圆管时，在圆管的两管就形成了二次输出电压Us(t)，并由它中心的导电杆输出；

二次分流电阻或者由一根外部包有金属屏蔽层的电缆组成，电缆和金属屏蔽层具有中心对称的绝缘结构，当二次电流Is(t)通过该电缆的金属屏蔽层时，在屏蔽层的两端就形成了二次输出电压Us(t)，并由电缆输出；

所述的二次分流电阻是二次绕组的一部分，均匀缠绕在磁铁心上，避免了由外部干扰带来的漏磁通所形成的环流，保证了互感器的测量精度，同时二次分流电阻在互感器的内部将二次绕组短路，二次输出端开路电压即为输出电压，不再有互感器运行时二次开路问题。二次分流电阻选用温度系数非常小的材料，具体为：温度系数小于或等于±5×10^-6Ω/K，并对材料进行退火处理，使分流电阻的阻值基本不随温度和外加机械负荷的变化而变化，保证电流互感器在电站长时间连续运行时的输出精确、稳定；另外也因为二次绕组在内部始终短路，电流互感器的层间不再有大的电压差，所以在绕线时不需要再添加任何层间绝缘，使生产工艺大大简化，并且节省原材料。

二次分流电阻的两端分别与所述的双屏蔽双绞线的内部两根绞合导线连接，双屏蔽双绞线的长度6米以上，外部屏蔽层在互感器和用户侧均接地，而内屏蔽层只在用户侧接地，双屏蔽双绞线的末端安装一个接线端子。这种连接方式保证了信号传输过程中良好的电磁兼容性，且型式灵活，可满足不同硬件连接的要求。

所述的屏蔽外壳，为金属材质，或者屏蔽外壳为树脂浇注体，其外表面覆盖导电膜。外壳与底座为一个整体，两者间不需任何电缆连接，运行时底座接地。屏蔽外壳不会形成短路匝。

本发明利用磁铁心，将通过一次导电杆的一次电流Ip(t)先转换成通过二次绕组的小电流Is(t)，同时二次绕组由二次分流电阻在互感器内部短接。当二次电流Is(t)通过二次分流电阻时在它的两端形成电压降Us(t)，即：

$U_S\left(t\right)=K\·\frac{N_1}{N_2}\·I_p\left(t\right)$

其中：K是包括二次分流电阻在内的电压输出回路的总阻抗，二次输出电压Us(t)与一次电流Ip(t)成线性比例关系。无需经过后续数字/模拟电路的积分就能正确反映出一次电流的实测值，测量精度高，能够满足计量要求，与采用络氏线圈原理制作的电流传感器相比，有助于简化继电器或计量仪表的设计，避免了因信号处理中的非线性失真而引入的附加误差。

本发明运行时，可同时连接一个或数个二次设备。所有二次设备的输入回路都并联在互感器的输出端，即二次负载的输入总阻抗Zb并联在二次分流电阻上。二次分流电阻的值一般只有几个欧姆，只要使输入总阻抗Zb大于一个确定的最小值，这个最小值通常为20kΩ，则互感器的测量精度就不会受到外部负载变化的影响。而采用络氏线圈或空芯线圈原理制作的电流传感器，应用前，每个线圈都必须进行单独的负载匹配，而且一般要求二次输入阻抗在2MΩ以上，而回路中的输入阻抗很大将降低信号传输过程中的抗干扰能力。

本发明在技术上具有显著的进步，本发明二次输出与一次电流成线性比例关系的低功率电压信号；二次分流电阻为二次绕组的一部分，并将互感器在内部短接；互感器无二次回路问题，二次既可以开路又可以短路。

本发明能同时满足测量和保护的多种要求；测量量程大，精度高，暂态响应好；能够测量从50至5000安培的一次电流，并且通过调整二次绕组的设计匝数就可以进一步扩展互感器的测量范围；测量的精度更能够达到0.2级或更高；而且对于同一个绕组，在满足测量级精度的同时还能在一次电流小于或等于63kA(即在一次短时热电流范围内)时，满足5P保护级的精度要求；若互感器采用带有气隙的环形磁铁心，则互感器还能够满足各种暂态响应，如TPY级的保护要求。

本发明体积小，重量轻，原材料成本低且电磁兼容性强。本发明所需的原材料的重量和体积均只有电磁式产品的1/3以下。本发明仅需一个绕组就实现多种测量和保护的功能，而电磁式产品一般至少需要用到3个以上的绕组才可能实现相同的功能；而且，本发明中的单个铁心的截面积与同等级的电磁式产品相比，减小40％以上。

附图说明

图1本发明结构示意图

图2二次分流电阻的中心对称的绝缘结构示意图

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明是一个无源设备，包括：一次绕组1、二次绕组2、磁铁心3、二次分流电阻4、屏蔽外壳5、双屏蔽双绞线6与底座11，一次绕组1贯穿通过磁铁心3中心，屏蔽外壳5与底座11构成一个整体，二次铜导线均匀缠绕在环形磁铁心上，在二次铜导线的末端上连接一个二次分流电阻4，而且二次分流电阻也均匀缠绕在环形磁铁心上与二次铜导线一起构成二次绕组2，整个二次绕组放置在一个不会产生短路匝的屏蔽外壳5内，二次低功率电压信号由双屏蔽双绞线6输出。

所述的磁铁心3由磁性的软合金带构成，磁铁心3的形状为环形状，磁铁心3带有一个或数个气隙，或者零气隙。

所述的二次分流电阻4是二次绕组2的一部分，由数根电阻丝和一根铜导线构成，电阻丝缠绕在铜线周围12；或者由一个中间带有导电杆的金属圆管组成，导电杆和金属圆管具有中心对称的绝缘结构13；或者由一根外部包有金属屏蔽层的电缆组成，电缆和金属屏蔽层具有中心对称结构13。当二次电流通过电阻丝或者金属圆管或者金属屏蔽层时，在电阻丝或者金属圆管或者金属屏蔽层的两端形成二次电压。

所述的二次分流电阻4是二次绕组2的一部分，均匀缠绕在磁铁心3上，二次分流电阻4在互感器的内部将二次绕组2短路。

二次分流电阻4选用温度系数非常小的材料，具体为：温度系数小于或等于±5×10^-6Ω/K。

二次分流电阻4的两端分别与所述的双屏蔽双绞线6的内部两根绞合导线7和8连接，双屏蔽双绞线6的长度6米以上，外部屏蔽层9在互感器和用户侧均接地，而内屏蔽层10只在用户侧接地，双屏蔽双绞线6的末端安装一个接线端子。

所述的屏蔽外壳5为金属材质，或者屏蔽外壳5为树脂浇注体，其外表面为导电膜。

本发明利用磁铁心3，将通过一次导电杆的一次电流Ip(t)先转换成通过二次绕组2的小电流Is(t)，同时二次绕组2由二次分流电阻4在互感器内部短接。当二次电流Is(t)通过二次分流电阻4时在它的两端形成电压降Us(t)，即：

$U_S\left(t\right)=K\·\frac{N_1}{N_2}\·I_p\left(t\right)$

其中：K是包括二次分流电阻4在内的电压输出回路的总阻抗，二次输出电压Us(t)与一次电流Ip(t)成线性比例关系。

Claims (7)

1、一种低功率电子式电流互感器，包括：一次绕组(1)、二次绕组(2)、磁铁心(3)、屏蔽外壳(5)、双屏蔽双绞线(6)与底座(11)，其特征在于，还包括：二次分流电阻(4)，所述的低功率电子式电流互感器是一个无源设备，一次绕组(1)贯穿通过磁铁心(3)中心，屏蔽外壳(5)与底座(11)构成一个整体，二次铜导线均匀缠绕在环形磁铁心上，在二次铜导线的末端上连接一个二次分流电阻(4)，而且二次分流电阻也均匀缠绕在环形磁铁心上与二次铜导线一起构成二次绕组(2)，整个二次绕组放置在屏蔽外壳(5)内，二次低功率电压信号由双屏蔽双绞线(6)输出。

2、根据权利要求1所述的低功率电子式电流互感器，其特征是，通过一次导电杆的一次电流Ip(t)先转换成通过二次绕组(2)的小电流Is(t)，同时二次绕组(2)由二次分流电阻(4)在互感器内部短接，当二次电流Is(t)通过二次分流电阻(4)时在它的两端形成电压降Us(t)，即：

$U_S\left(t\right)=K\·\frac{N_1}{N_2}\·I_p\left(t\right)$

其中：K是包括二次分流电阻(4)在内的电压输出回路的总阻抗，二次输出电压Us(t)与一次电流Ip(t)成线性比例关系。

3、根据权利要求1所述的低功率电子式电流互感器，其特征是，所述的二次分流电阻(4)是二次绕组(2)的一部分，由数根电阻丝和一根铜导线构成，电阻丝缠绕在铜线周围(12)；或者由一个中间带有导电杆的金属圆管组成，导电杆和金属圆管具有中心对称的绝缘结构(13)；或者由一根外部包有金属屏蔽层的电缆组成，电缆和金属屏蔽层具有中心对称结构(13)。

4、根据权利要求1所述的低功率电子式电流互感器，其特征是，所述的磁铁心(3)由磁性的软合金带构成，磁铁心(3)的形状为环形状，磁铁心(3)带有一个或数个气隙，或者零气隙。

5、根据权利要求1或者3所述的低功率电子式电流互感器，其特征是，所述的二次分流电阻(4)是二次绕组(2)的一部分，均匀缠绕在磁铁心(3)上；二次分流电阻(4)选用温度系数非常小的材料，具体为：温度系数小于或等于±5×10^-6Ω/K。

6、根据权利要求1或者3所述的低功率电子式电流互感器，其特征是，二次分流电阻(4)的两端分别与所述的双屏蔽双绞线(6)的内部两根绞合导线(7、8)连接，双屏蔽双绞线(6)的长度6米以上。

7、根据权利要求1所述的低功率电子式电流互感器，其特征是，所述的屏蔽外壳(5)为金属材质，或者屏蔽外壳(5)为树脂浇注体，其外表面为导电膜。

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