CN201689125U

CN201689125U - 零磁通电流传感器

Info

Publication number: CN201689125U
Application number: CN2010201716980U
Authority: CN
Inventors: 韩连生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2020-04-26

Abstract

本实用新型提出一种零磁通电流传感器，包括外壳和盖板。外壳内设置有相互叠合的第一磁环和第二磁环。第一磁环和第二磁环上绕制有二次线圈，且第二磁环上绕制的二次线圈的匝数是第一磁环上绕制的二次线圈的匝数的一半。二次线圈两端之间连接有负载电阻。第一磁环上还绕制有第一补偿线圈，其两端之间连接有补偿电容。第二磁环上还绕制有第二补偿线圈，其两端之间连接有补偿电阻。本实用新型电路简单，容易实现，同时也节约了成本，抗干扰能力强。该传感器无需外部电源，而且减少了很多电子元件，即减少了干扰源，从而使得输出精度高。

Description

零磁通电流传感器

技术领域

本实用新型有关于一种电流传感器，且特别是有关于一种零磁通电流传感器。

背景技术

普通单匝电流传感器的二次匝数一般在2000匝以上时精度才能达到测量用要求，但是电气设备的接电线电流和泄漏电流只有几微安到几百毫安，普通互感器难以测量。再加上外界强电磁干扰的环境，感应出的二次信号太小会使得信号淹没在噪声中。为了测得毫安级微电流，希望电流互感器的二次匝数越小越好。但匝数太少互感器的误差就会增大，因此设计出二次匝数少同时又保证电流传感器精度是设计测量泄漏电流传感器的关键。

电流传感器的误差很大程度上来自激磁电流I₀，当I₀＝0即所谓“零磁通”状态下，无角差、比差。然而它是理想化的，如果没有I₀则铁芯中无磁通，一、二次能量无法传递，电流传感器不能工作。正确的补偿方法可将铁芯中磁通降到极低的近似“零磁通”状态，这就是零磁通电流传感器。零磁通电流传感器因为几乎没有激磁电流这个误差源，因此可以使电流传感器达到非常高的精度。

为了得到动态线性的补偿电动势，实现零磁通电流传感器，人们尝试了有源零磁通的电流传感器设计，主要使利用外部电路从主铁芯或二次线圈上提取误差信号，然后通过放大、移相、等处理，得到随误差动态变化的反电动势加在互感器上，使主铁芯达到零磁通状态。这种传感器需要复杂的电路才能获得精确的同相位电动势，而且电子器件长时间处在恶劣的强电磁干扰的室外环境中，一旦性能发生漂移，信号动态跟随的关系也会发生变化，电流传感器就不再处于零磁通状态了。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供一种电路简单、易于实现、抗干扰能力强的零磁通电流传感器，该传感器采用较少的电子元件，减少了干扰源，进而提高了输出精度。

本实用新型提出一种零磁通电流传感器，包括外壳和盖板。外壳内设置有相互叠合的第一磁环和第二磁环。第一磁环和第二磁环上绕制有二次线圈，且第二磁环上绕制的二次线圈的匝数是第一磁环上绕制的二次线圈的匝数的一半。二次线圈两端之间连接有负载电阻。第一磁环上还绕制有第一补偿线圈，其两端之间连接有补偿电容。第二磁环上还绕制有第二补偿线圈，其两端之间连接有补偿电阻。

本实用新型中，所述第二补偿线圈的匝数和第二磁环上二次线圈的匝数相等，所述第一补偿线圈的匝数大于第一磁环上的二次线圈的匝数。进一步的，第一补偿线圈的匝数比第一磁环上的二次线圈的匝数多50匝。第一补偿线圈是通过电容进行补偿的，要求圈数比二次线圈多是为了给二次线圈提供小点的补偿电流。

本实用新型中，所述二次线圈的绕制方向与第一补偿线圈和第二补偿线圈的绕制方向相反，以进行逆向补偿。

本实用新型中，所述外壳为四层，由里到外为坡莫合金、硅钢、聚四氟乙烯和铜，其中坡莫合金、硅钢和铜为三层屏蔽层，聚四氟乙烯为一层绝缘层。

本实用新型中，所述补偿电容为无极性电容，用以提供交流电信号。

本实用新型中，所述第一磁环和第二磁环大小相等，均采用超微晶合金材料制成。

本实用新型的有益效果是，本实用新型电路简单，容易实现，同时也节约了成本，抗干扰能力强。该传感器无需外部电源，而且减少了很多电子元件，即减少了干扰源，从而使得输出精度高，输出角差和比差均能达到电力行业测量避雷器漏电流的要求，即能实现测量微电流又具有很强的抗干扰能力。克服了传统传感器二次线圈匝数多，信号就会弱，抗干扰能力差；匝数少输出误差就会增大的缺点。

附图说明

图1所示为本实用新型的剖面结构示意图。

图2所示为图1中的第一磁环和第二磁环的结构示意图。

图3所示为本实用新型的原理图。

图4所示为本实用新型的向量图。

图5所示为本实用新型的实验原理图。

具体实施方式

为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

结合图1和图2，本实用新型提出一种零磁通电流传感器1，包括外壳10、盖板11、第一磁环12以及第二磁环13。其中，第一磁环12与第二磁环13相互叠合放置于外壳10内，盖板11将磁环封闭在外壳10内。

如图1所示，盖板11上具有中心孔110和通孔111，其中，中心孔110用以穿过并固定待测电线2，通孔111是用来引出二次线圈N₂的两端并作为输出信号端。本实用新型中，外壳10和盖板11包括四层结构(图未示)，其中最外层是微电屏蔽层，采用2mm厚的高电导率的铜材料；而磁屏蔽层分为内外两层，分别采用1mm厚高导磁率坡莫合金材料和1mm厚高饱和磁感应密度的硅钢。在微电屏蔽层与磁屏蔽层之间采用聚四氟乙烯材料作为绝缘层。

结合图2，第一磁环12和第二磁环13均采用超微晶合金材料制成。如图所示，两磁环大小相等。第一磁环12和第二磁环13上均绕制有二次线圈N₂，而且第二磁环13比第一磁环12上少绕制有二次线圈N_b，且N_b的匝数是N₂的一半。二次线圈N₂的两端连接有负载电阻Z，阻值一般采用7欧姆左右，阻值太大或太小会导致输出的信号失真。

如图2所示，第一磁环12还绕制有第一补偿线圈N_c，其两端之间连接有补偿电容C。第二磁环13上还绕制有第二补偿线圈N_b2，其两端之间连接有补偿电阻Z_b。其中，绕制时应保证第二补偿线圈N_b2的匝数和第二磁环上二次线圈的匝数相等，第一补偿线圈N_c的匝数大于第一磁环12上的二次线圈的匝数。

第一补偿线圈N_c是用来实现对输出电流的角差补偿。电容值对角差的补偿为正向补偿，即容值越大补偿的效果越好，但是补偿角差的同时又拉大的比差，所以补偿电容C一般采用2u电容，然后进行调试。第二补偿线圈N_b2是用来增大比差减小角差，其上所接的补偿电阻Z_b可以选用1.16Ω，阻值大的话补偿效果会差。

装配时，线圈采用内阻小(线径大的)的漆包线，先分别在第一磁环12上绕制第一补偿线圈N_c，第二磁环13上绕制第二补偿线圈N_b2。N_c和N_b2绕制结束后，再绕制二次线圈N₂。先将第一磁环12拿在手里以正向绕制N_b匝后，将第一磁环12平放在第二磁环13上，为了使两磁环很好的堆放在一起，可以先用绝缘胶带将两磁环缠绕好后，再进行绕制二次线圈N₂的剩余线圈，这个剩余线圈是以第一磁环12和第二磁环13为一个磁环进行绕制的。例如，第一磁环12上的二次线圈N₂可以为100匝，N_b为50匝，第一补偿线圈N_c取140匝，第二补偿线圈N_b2取50匝。

绕线时，假定二次线圈N₂为正向绕制的话，N_b为正向绕制，N_c和N_b2为反向绕制，以实现逆向补偿。要求绕制时做到均匀，绕制前要保证磁环的绝缘，可以采用生胶带先将磁环缠绕起来，保证好绝缘后再进行绕制漆包线。最后，将调试好的传感器放入外壳10中，并用盖板11封闭，用导线将二次线圈N₂的两端从通孔111中引出。

本实用新型是由一个叠加在主互感器上的辅助互感器提供反电动势来补偿铁心损耗、激磁损耗和阻抗损耗，从而不需要主互感器的磁通提供电动势就可实现零磁通。结合图3，具体如下：

在主互感器，即第一磁环12中有：

HL = {\overset{\cdot}{I}}_{0} N_{1}

当电流为交流正弦信号时，设主互感器激磁电流为：

{\overset{\cdot}{I}}_{0} = {\overset{\cdot}{I}}_{0 m} \sin ωt

主互感器中磁通在第一补偿线圈N_c上产生的感应电动势为：

{\overset{\cdot}{e}}_{C} = - N_{C} \frac{{dΦ}_{u}}{dt}

推导出N_c的感应电动势如下：

{\overset{\cdot}{e}}_{C} = - j 2 πf \frac{μ N_{C} S}{L} \cdot {\overset{\cdot}{I}}_{0} N_{1}

忽略第一补偿线圈N_c的内阻，则N_c中二次电流为：

{\overset{\cdot}{I}}_{C} = {\overset{\cdot}{e}}_{C} \times j \cdot 2 πfC

忽略误差，第一补偿线圈N_c补偿到二次线圈的磁动势应该落后于

一个180°，即：

Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} N_{2} = - {\overset{\cdot}{I}}_{C} N_{C}

整理得到：

Δ {\overset{\cdot}{I}}_{C} N_{2} = - {(2 πf N_{C})}^{2} \frac{μSC}{L} {\overset{\cdot}{I}}_{0} N_{1}

由以上公式可以看出，只要铁心损耗角很小，第一补偿线圈N_c对二次线圈的补偿电动势与主铁心激磁电动势相位差180°，大小成正比。

由图4的向量图可以看出，不论零磁通电流互感器的剩余磁通在哪个象限，只要损耗角很小，附加线圈电容补偿所产生的补偿磁动势与零磁通补偿后激磁动势都几乎相差180°，再选择合适的参数，让他们的大小也接近相等，即：

那么零磁通补偿后的误差大部分又被并联电容线圈所补偿，使互感器的误差更小。

如图5所示，采用HES-1W微型电流互感器校验仪对本实用新型的比差和角差进行测量。图中T1为调压器，T2为升流器，用来产生互感器的工作电流。CT0为标准互感器，CTX为被测传感器。

一次额定电流为20mA的实验结果如下：

初级电流(％I_N)	5	10	20	100	120
						比差(％)	0.1	0.09	0.08	0.01	0.01
角差(`)	5	5	6	10	10

从上表中可以看出：一次额定电流为20mA时，按照一次额定电流的5％、10％、20％、100％、120％分别进行角差比差测试，测试结果为比差不超过0.1％，角差小于10分，都达到了0.2级的精度。

本实用新型中所述具体实施案例仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本实用新型的技术范畴。

Claims

1.一种零磁通电流传感器，包括外壳和盖板，其特征在于，外壳内设置有相互叠合的第一磁环和第二磁环，所述第一磁环和第二磁环上绕制有二次线圈，且第二磁环上绕制的二次线圈的匝数是第一磁环上绕制的二次线圈的匝数的一半，二次线圈两端之间连接有负载电阻，第一磁环上还绕制有第一补偿线圈，其两端之间连接有补偿电容，第二磁环上还绕制有第二补偿线圈，其两端之间连接有补偿电阻。

2.根据权利要求1所述的零磁通电流传感器，其特征在于，所述第二补偿线圈的匝数和第二磁环上二次线圈的匝数相等，所述第一补偿线圈的匝数大于第一磁环上的二次线圈的匝数。

3.根据权利要求2所述的零磁通电流传感器，其特征在于，所述第一补偿线圈的匝数比第一磁环上的二次线圈的匝数多50匝。

4.根据权利要求1所述的零磁通电流传感器，其特征在于，所述二次线圈的绕制方向与第一补偿线圈和第二补偿线圈的绕制方向相反。

5.根据权利要求1所述的零磁通电流传感器，其特征在于，所述外壳和盖板均为四层，由里到外为坡莫合金、硅钢、聚四氟乙烯和铜。

6.根据权利要求1所述的零磁通电流传感器，其特征在于，所述补偿电容为无极性电容。

7.根据权利要求1所述的零磁通电流传感器，其特征在于，所述第一磁环和第二磁环大小相等，均采用超微晶合金材料制成。