CN1847861A - 带磁芯的空心线圈电流传感器 - Google Patents

Abstract

带磁芯的空心线圈电流传感器，属于电流测量设备，用于交流及暂态电流测量，克服磁饱和及剩磁问题，以准确传感交流及暂态电流。本发明(1)传感头结构为：在环形磁芯上，均匀双线并绕有结构和参数相同的第一检测线圈和第二检测线圈，在检测线圈外设置铜或铝屏蔽层；环形磁芯由磁性粒子投入液态可固化绝缘材料中，再加入添加剂固化成型构成；(2)第一检测线圈和第二检测线圈并联连接，构成一个检测线圈，双同名端与RC积分电路电阻一端相连，电阻另一端与电容一端相连，第一检测线圈和第二检测线圈双异名端与电容另一端相连。本发明波形不失真、测量频带宽、属无源传感器、高可靠性运行的结构，可广泛用于电力系统、电工技术领域中。

Description

带磁芯的空心线圈电流传感器

技术领域

本发明属于电工技术中电流测量设备，用于交流及暂态电流测量。

背景技术

专利申请号200410038299.6的发明专利申请“电磁式电流互感器铁心在线祛磁方法”，是将祛磁装置接在电磁式电流互感器的副边并和负荷串联，其祛磁装置是由电力电子开关器件双向可控硅及其控制电路和电流传感器组成，定时(如每年一次)或运行人员根据电路电流情况操动；但在电磁式电流互感器的副边串联或并联有源电力电子开关器件或无源器件，一旦器件失效或损坏，特别是串联式祛磁方法，电流互感器副边有可能开路，则会产生高电压，造成危险后果；因此它们存在不可忽视的可靠性问题。专利申请号200410042701.8的发明专利申请“量计型电磁式电流互感器剩磁在线抑制方法”，是在电磁式电流互感器的副边和负荷之间并接剩磁抑制装置。电流互感器副边的输出电压被限制到预设水平，铁心中的磁通将受到限制不会大幅增大，在电流中止后铁心中剩磁将被限制；但在该申请中，并联器件使用反向串联的稳压或整流二极管、瞬变电压抑制二极管或金属氧化物变阻器，它们与负载并联，这些器件在长期使用中由于温度变化，时间变化，有可能性能渐变，如漏电流增大，则增大了负载的测量误差，对于量计型互感器这是特别值得关注的问题。

专利号ZL 03224089.9的实用新型专利“空心线圈电流互感器”，包括电流信号传感头和电流感应信号处理电路。电流信号传感头包括环形的非磁性支撑骨架和电磁导线绕成的信号感应线圈，该线圈绕在非磁性支撑骨架上，并与该骨架构成感应体。这种装置属于传统的空心线圈电流互感器，它不存在铁磁饱和及剩磁问题，测量频带宽，重量轻；但由于空心互感器没有铁心，互感不可能很大，空心线圈感应信号也不可能很大，信噪比不高，不可能长距离传输电压弱信号，往往需要有源积分器就近联接对信号积分放大，属有源传感器，使用中受到很多限制。

发明内容

本发明提供一种带磁芯的空心线圈电流传感器，克服磁饱和及剩磁问题，以准确传感交流及暂态电流，其波形不失真、测量频带宽、属无源传感器、高可靠性运行的结构，可广泛用于电力系统、电工技术领域中。

本发明带磁芯的空心线圈电流传感器，由传感头和电阻、电容组成的积分电路组成，其特征在于：

(1)所述传感头结构为：在环形磁芯上，均匀双线并绕有结构和参数相同的第一检测线圈和第二检测线圈，在检测线圈外设置铜或铝屏蔽层；所述环形磁芯由磁性粒子投入液态可固化绝缘材料中，再加入添加剂，搅拌均匀后倒入环形模具中，固化成型构成；

(2)所述电阻、电容组成RC积分电路；所述第一检测线圈的同名端、非同名端和第二检测线圈的同名端、非同名端并联连接，构成一个检测线圈，双同名端与RC积分电路电阻一端相连，电阻另一端与电容一端相连，第一检测线圈和第二检测线圈双异名端与电容另一端相连；

(3)自校时第一检测线圈和第二检测线圈的同名端和非同名端断开，构成两个结构和参数相同的线圈，以便自校。

所述的带磁芯的空心线圈电流传感器，其进一步特征在于：环形磁芯中按重量百分比，磁性粒子为(0.1～99)％，其他为液态可固化绝缘材料和添加剂。

所述的带磁芯的空心线圈电流传感器，所述环形磁芯中磁性粒子可以为Fe、Co、Ni、FeCo、NiFe、Fe₃O₄、Fe₂O₃，添加剂可以为胺类固化剂、乙二胺、二丁脂，液态可固化绝缘材料为树脂、改性树脂。

本发明既具有专利申请号200410042701.8“量计型电磁式电流互感器剩磁在线抑制方法”的铁心电流互感器的优点，属于无源电流传感器，不需向传感器提供电源、可靠性高、抗干扰能力强、使用方便；同时也具有专利号ZL 03224089.9“空心线圈电流互感器”的空心电流互感器的优点，不存在磁饱和及剩磁问题、测量频带宽、结构简单、体积小、重量轻。可广泛用于电力系统、电工技术领域中。

附图说明

图1本发明的传感头外型图；

图2本发明的传感头截面图；

图3本发明的电路连接图。

具体实施方式

现结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的传感头外型为圆环状，其截面如图2所示：环形磁芯C₁是将磁性粒子，如Fe、CO、Ni、FeCo、NiFe、Fe₃O₄、Fe₂O₃等，投入到液态可固化绝缘材料如树脂或改性树脂中，加入一定量的添加剂，如胺类固化剂、乙二胺、二丁脂等，搅拌均匀后倒入环形模具中，固化成形的磁芯。在环形磁芯C₁外，双线并联绕上第一检测线圈W₂₁和第二检测线圈W₂₂，在检测线圈外设置铜屏蔽层E。

例如，选用重量百分比为0.1％的Fe粉粒，投入到改性树脂中，加入胺类固化剂，搅拌均匀后倒入环形模具中，固化成形为磁芯。也可选用重量百分比为99％的Fe₃O₄粉粒，投入到树脂中，加入乙二胺、二丁脂添加剂，搅拌均匀后倒入环形模具中，固化成形为磁芯。

图3所示的一次绕组W₁即传输被测交流及暂态电流i的母线，通常W₁＝1即母线为1匝，从如图1所示的传感头中心圆孔穿过。

图3给出了带特殊磁芯空心线圈电流传感器的电路图。传感头T中，双线并绕的第一检测线圈W₂₁和第二检测线圈W₂₂的同名端1用导线相连，并连接到无源RC积分器的电阻R的一端，电阻R的另一端与电容C的一端相连，形成传感器输出电压信号U₂的一个端钮。第一检测线圈W₂₁和第二检测线圈W₂₂的异名端2用导线相连，并连接到无源RC积分器的电容C的另一端，形成传感器输出电压信号U₂的另一个端钮。

本传感器投入测量运行后，母线W₁(W₁＝1)通过被测交流或暂态电流i，该电流i产生的磁场通过特殊环形磁芯C₁的耦合，在并联第一检测线圈W₂₁和第二检测线圈W₂₂的两端1和2之间，产生互感电压U₁，且U₁＝M·di/dt，式中M为互感系数。由于环形磁芯是将磁性粒子，如Fe、Co、Ni、FeCo、NiFe、Fe₃O₄，Fe₂O₃等，投入到液态可固化的绝缘材料如树脂中，加入一定量的添加剂，如胺类固化剂、乙二胺、二丁脂等，然后固化成型的磁芯。①它具有低磁导率、低磁感应强度、宽频带、宽磁场强度线性范围的特性。第一检测线圈W₂₁及第二检测线圈W₂₂和传统的空心线圈电流互感器类似，为电压输出的开路运行方式，故称之为带磁芯的空心线圈电流传感器。由空心线圈互感公式M＝μ₀NS/L可知，磁芯将空心线圈磁导率μ₀提高到适度的μ_r，则互感M可相应提高，从而空心线圈感应电压增大到几伏到几十伏的安全电压，该电压比噪声干扰电压大得多，信噪比高，信号可以在现场至控制室数百米距离内直接传送；同时磁芯起到了更加有效约束被测电流磁场的作用。②由互感M的公式可知，若保持互感M、空心线圈长度L、截面积S一定，由于μ₀提高到μ_r，空心线圈匝数N可减少，从而减小了空心线圈寄生参数电感L₀、电容C₀、电阻R₀，由空心线圈上限频率公式f＝1/〔2π(L₀C₀)^1/2〕可知，实现了宽频带的效果。③由于这种带磁芯的空心线圈输出电压信号大幅度提高，线圈后面可直接连接无源RC积分器，当RC的值选择较大，且R＞＞1/(ωC)时，与有源积分器一样，无源积分器同样可获得比较理想的输出效果，即U₂＝-Mi/(RC)。因为互感M、电容C、电阻R都是常数，输出电压U₂则正比于被测电流i，即可准确测出被测电流。

本发明将磁芯这一铁心互感器具有的铁心结构，与二次线圈开路运行的空心互感器原理相结合，构成带磁芯的空心线圈电流传感器，它具有空心互感器无磁路饱和及剩磁、失真度小、频带宽、结构简单的特点，也具有铁心互感器不需辅助电源、抗干扰能力强、使用灵活方便、无源传感器的特征；因这种磁芯的磁性源是磁性微粒，在高频段也可高效使用；由于磁芯磁场强度在很大的范围内磁化曲线保持线性，从而保证了这种传感器在测量交流及暂态电流时具有失真度小的特征。

Claims (3)

1.一种带磁芯的空心线圈电流传感器，由传感头和电阻、电容组成的积分电路组成，其特征在于：

(1)所述传感头结构为：在环形磁芯上，均匀双线并绕有结构和参数相同的第一检测线圈和第二检测线圈，在检测线圈外设置铜或铝屏蔽层；所述环形磁芯由磁性粒子投入液态可固化绝缘材料中，再加入添加剂固化成型构成；

(2)所述电阻、电容组成RC积分电路；所述第一检测线圈的同名端、非同名端和第二检测线圈的同名端、非同名端并联连接，构成一个检测线圈，双同名端与RC积分电路电阻一端相连，电阻另一端与电容一端相连，第一检测线圈和第二检测线圈双异名端与电容另一端相连；

(3)自校时第一检测线圈和第二检测线圈的同名端和非同名端断开，构成两个结构和参数相同的线圈，以便自校。

2.如权利要求1所述的带磁芯的空心线圈电流传感器，其特征在于：环形磁芯中按重量百分比，磁性粒子为(0.1～99)％，其他为液态可固化绝缘材料和添加剂。

3.如权利要求1或2所述的带磁芯的空心线圈电流传感器，其特征在于：所述环形磁芯中磁性粒子为Fe、Co、Ni、FeCo、NiFe、Fe₃O₄、Fe₂O₃，添加剂为胺类固化剂、乙二胺、二丁脂，液态可固化绝缘材料为树脂、改性树脂。

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