CN203838218U - 一种电子式电流互感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电子式电流互感器，包括高压侧和低压侧两部分，其中，高压侧由Rogowski线圈、传感电路、A/D模块、电光转换、取能装置和整流控制输出模块组成；低压侧由光电转换和合并单元组成。该互感器具有高导磁率、重量轻、成本低、稳定性优良，可在（-55～+130）摄氏度环境温度范围内长时间工作；并采用的传感电路可有效地克服了低频干扰，并进行了相位补偿。本实用新型主要构件为磁芯、线圈等电磁元件，所以预期寿命将由5-8年增长为15-20年，且免予维护。

Description

一种电子式电流互感器

技术领域

本实用新型属于电力测量领域，尤其涉及一种电子式电流互感器。

背景技术

随着电子技术的飞速发展，微机型继电保护和电子式电表逐步占据了主导地位，在继电保护和测量中，控制部分的能量流和信息流分离，因而监测设备不再需要高功率消耗的互感器。同时由于电力工业的快速发展、变电站综合自动化和配电自动化的应用，因此，开发一种具有高精度测量和保护的低能耗新型电流互感器迫在眉睫。电了式电流互感器被认为是一种具有广泛应用前景的新型电流测量设备，与传统电流互感器相比，它具有绝缘简单可靠、无磁饱和、无二次开路危险、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、安装运输方便等优点。但由于存在运行稳定性差、高压侧电路供电难于实现等问题，目前虽已研制出一些实用化的产品，仍不能大范围地普及应用。合理设计光电系统，进一步改善其性能已成为目前备受关注的研究课题。国家专利公开号CN101707129A提出了一种以光学元件作为传感器的设计方案，通过基于法拉第电磁感应原理的传感头完成信号采集，但传感头的光路复杂，受外界温度、振动的影响较大；国家专利公开号CN102024556A采用空心线圈作为电流传感器，对温度和外界磁场的影响有一定改进部分，但没有考虑低频干扰和相位误差问题；国家专利公开号CN102128966A提出了用数字积分器代替模拟积分器来实现相位补偿，但电路较为复杂，实现起来有一定的难度。目前，国内对电了式电流互感器高压侧电路的供能方法进行了分类论述，但没有提出具体的实现方案，有互感器生产厂家提出高压侧电路的悬浮互感器供电方式，这种供电方式结构简单、成本低廉，但存在死区，即母线负荷较小时不能正常供电。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种电子式电流互感器，安装使用简单方便，运行不需维护，具有重量轻、精度高、线性好、测量范围宽、动态响应速度快，克服了传统电磁式电流互感器的频带窄、响应慢等缺点；并且针对目前有源型电子式电流互感器，如果电子电路的电源供应不稳定，系统工作的可靠性和精度会受到影响。

本实用新型要解决的问题是通过如下技术方案来实现的。

一种电子式电流互感器，本实用新型的特征在于，该互感器包括高压侧和低压侧两部分，高压侧由Rogowski线圈、传感电路、A/D模块、电光转换、取能装置和整流控制输出模块组成；低压侧由光电转换和合并单元组成；其中，

Rogowski线圈、传感电路、A/D模块、电光转换依序相连，电光转换通过光纤和光电转换相连，光电转换和合并单元相连；取能装置和整流控制输出模块相连，整流控制输出模块和传感电路、A/D模块、电光转换相连。

电光转换采用AT89S51单片机，通过串行RXD端接收低压侧发送的握手信号和采样命令，高低压端模块之间需要两根光纤进行双向通信。

各种供能方式所能提供的能量有限，所以电子电路的功耗不能太大，本实用新型改进了取能装置，具有（1）满足高压端电路的功率需求；（2）能够无间断地长时间稳定工作；（3）保证高、低压系统之间的绝缘。取能装置由取能线圈和控制线圈组成，取能线圈和控制线圈的铁心均采用纳米晶材料，具有初始磁导率较高、饱和磁通密度较低，仅为1.25T，在母线电流过大或电力系统短路时，使铁心进入饱和状态，可限制低压侧感应电动势。

传感电路由电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2和放大器A组成；其中，传感电路输入端Ui通过R1和C1与传感电路输出端Uo相连，传感电路输入端Ui通过R1和R3与放大器A正输入端相连，C2接地后接放大器A正输入端；R2接地后接放大器A负输入端，传感电路输出端Uo通过R4与放大器A负输入端相连。

本实用新型为达到较好效果，优选R1为4.7kΩ、R2为80kΩ、R3为270kΩ、R4为90kΩ、C1为5500μF、C2为3300μF。

所述的合并单元是对一次电流互感器传输过来的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给间隔级设备使用的装置。

所述光电转换将高压侧向低压侧采样的电流数据进行转换，并传输至所述合并单元。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

（1）饱和磁感应强度介于硅钢片和坡莫合金之间；（2）具有高导磁率；（3）重量轻；（4）成本低，价格明显低于坡莫合金；（5）稳定性优良，可在（-55～+130）摄氏度环境温度范围内长时间工作；（6）传感电路有效地克服了低频干扰，并进行了相位补偿；（7）母线电流较小时，取能线圈仍能感应足够大的电动势供电源电路正常工作；（8）当母线电流较大时，取能线圈感应的电动势过大，需及时使控制线圈投入使用，以进行反向励磁，降低铁心中的磁通和进行分流，从而避免取能线圈感应的电动势过大而损害整流模块和稳压模块；（9）以光纤数字传输系统作为连接高低压部分的信号通道，简单有效的实现对高低压部分的绝缘，同时提高了信号传输过程中抗电磁干扰能力，提高了电流互感器的工作可靠性；（10）本实用新型主要构件为磁芯、线圈等电磁元件，所以预期寿命将由5-8年增长为15-20年，且免予维护。这些优点使得电子式互感器的可靠性大为提高。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型所述Rogowski线圈的结构示意图；

图3是本实用新型所述传感电路的原理图；

图4是本实用新型所述取能装置的结构示意图；

图5是本实用新型所述整流控制输出模块的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的内容作进一步详细说明。

一种电子式电流互感器，本实用新型互感器包括高压侧和低压侧两部分，高压侧由Rogowski线圈、传感电路、A/D模块、电光转换、取能装置和整流控制输出模块组成；低压侧由光电转换和合并单元组成；其中，

Rogowski线圈、传感电路、A/D模块、电光转换依序相连，电光转换通过光纤和光电转换相连，光电转换和合并单元相连；取能装置和整流控制输出模块相连，整流控制输出模块和传感电路、A/D模块、电光转换相连。

所述电光转换采用AT89S51单片机，通过串行RXD端接收低压侧发送的握手信号和采样命令，高低压端模块之间需要两根光纤进行双向通信。

所述取能装置由取能线圈和控制线圈组成，取能线圈和控制线圈的铁心均采用纳米晶材料，具有初始磁导率较高、饱和磁通密度较低，仅为1.25T，在母线电流过大或电力系统短路时，使铁心进入饱和状态，可限制低压侧感应电动势。

所述传感电路由电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2和放大器A组成；其中，传感电路输入端Ui通过R1和C1与传感电路输出端Uo相连，传感电路输入端Ui通过R1和R3与放大器A正输入端相连，C2接地后接放大器A正输入端；R2接地后接放大器A负输入端，传感电路输出端Uo通过R4与放大器A负输入端相连。

所述传感器电路的R1为4.7kΩ、R2为80kΩ、R3为270kΩ、R4为90kΩ、C1为5500μF、C2为3300μF。

本实用新型一种电子式电流互感器，原理如图1所示，包括高压侧和低压侧两部分；其中，高压侧由Rogowski线圈、传感电路、A/D模块、电光转换、取能装置和整流控制输出模块组成；低压侧由光电转换和合并单元组成。

所述Rogowski线圈和传感电路相连；所述传感电路和A/D模块相连；所述A/D模块和电光转换相连；所述电光转换通过光纤和光电转换相连；所述光电转换和合并单元相连；所述取能装置和整流控制输出模块相连；所述整流控制输出模块和传感电路、A/D模块、电光转换相连。

如图2所示，所述Rogowski线圈，全称罗柯夫斯基线圈，由于罗氏线圈不含铁芯，也称空心线圈。Rogowski线圈是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，输出信号是电流对时间的微分，通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点，故其可应用于继电保护，可控硅整流，变频调速，电阻焊等信号严重畸变以及电炉、短路测试、雷电信号采集等大电流的场合。一次母线从Rogowski线圈中心穿过，流通过时线圈两端的感应电势为e（t）=-Mdi（t）/dt，式中M为Rogowski线圈的互感。

传统的传感电路中，传感电路对低频信号的放大倍数有可能是工频信号的很多倍，低频信号给传感电路正常工作带来很大干扰；另外，在后续信号处理过程中也可能引入新的相移，因此积分后还要考虑移相。为使传感电路在整个低频段的增益都很小，且还能起到相位补偿的作用。本实用新型所述传感电路采用以下设计如图3所示，由电阻R₁、R₂、R₃、R₄，电容C₁、C₂和放大器A组成。其中，传感电路输入端U_i通过R₁和C₁与传感电路输出端U_o相连，传感电路输入端U_i通过R₁和R₃与放大器A正输入端相连，C₂接地后接放大器A正输入端；R₂接地后接放大器A负输入端，传感电路输出端U_o通过R₄与放大器A负输入端相连。本实用新型为达到较好效果，优选R₁为4.7kΩ、R₂为80kΩ、R₃为270kΩ、R₄为90kΩ、C₁为5500μF、C₂为3300μF。

所述A/D模块用于将数字信号转换为模拟信号。

所述电光转换是作为高低电压之间的绝缘介质，并实现高压侧电流采样数据向低压侧的高速传输。采样数据按照一定的间隔次序向低压侧传送，由低压侧数据处理系统对采样数据进行协调和同步处理，电光转换采用AT89S51单片机，通过串行RXD端接收低压侧发送的握手信号和采样命令，高低压端模块之间需要两根光纤进行双向通信。

所述光电转换将高压侧向低压侧采样的电流数据进行转换，并传输至所述合并单元。

所述合并单元是对一次电流互感器传输过来的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给间隔级设备使用的装置。

高压侧一次母线取电装置的难点有两个，一是当母线电流较小时，取能线圈仍能感应足够大的电动势供电源电路正常工作；二是当母线电流较大时，取能线圈感应的电动势过大，需及时使控制线圈投入使用，以进行反向励磁，降低铁心中的磁通和进行分流，从而避免取能线圈感应的电动势过大而损害整流模块和稳压模块。因此，如图4所示，本实用新型所述取能装置由取能线圈和控制线圈组成，取能线圈和控制线圈的铁心均采用纳米晶材料，具有初始磁导率较高、饱和磁通密度较低，为1.25T，在母线电流过大或电力系统短路时，使铁心进入饱和状态，可限制低压侧感应电动势。优选侧面宽度h=55mm，外半径R₂=96mm，内半径R₁=70mm。

所述整流控制输出模块原理如图5所示，高压侧一次母线单匝穿过所述取能装置，在该取能装置上绕制取能线圈和控制线圈。取能线圈，匝数为N₂，通过的电流为I₂，其低压侧感应电动势E₂供电源模块取电用；控制线圈，匝数为N_2k，通过的电流为I_2k。当取能线圈整流后的电压U_O大于某一设定值时，控制模块起作用，使控制线圈投入使用，以提供反向磁通和进行分流。根据变压器磁势平衡原理，高压侧磁势和低压侧磁势的相量和为励磁磁势I₀N₁，则有：I₁N₁+I₂N₂+I_2kN_2kK=I₀N₁；

当高压侧电流I₁变化时，通过调节控制的开关元件的导通、断开的时间，来调节控制线圈投入使用的占空比K（占空比K即一个周波时间内控制线圈导通投入使用的时间与一个周波时间的比例），即可调节控制线圈磁势I_2kN_2kK的大小，从而调节反向磁通的大小，使铁心中的主磁通少。保持不变，从而使取能线圈磁势I₂N₂保持不变，进而使低压侧感应电动势E2保持在一定的范围不变。这就是控制线圈提供反向磁通和进行分流控制的原理。最后通过电压输出向传感电路、A/D模块、电光转换提供有效电源。

本实用新型未述部分与现有技术相同。

本实用新型设计简单，方便制造，成本低廉，有广阔的生产和应用前景。

Claims (5)

1.一种电子式电流互感器，其特征在于，该互感器包括高压侧和低压侧两部分，高压侧由Rogowski线圈、传感电路、A/D模块、电光转换、取能装置和整流控制输出模块组成；低压侧由光电转换和合并单元组成；其中，

Rogowski线圈、传感电路、A/D模块、电光转换依序相连，电光转换通过光纤和光电转换相连，光电转换和合并单元相连；取能装置和整流控制输出模块相连，整流控制输出模块和传感电路、A/D模块、电光转换相连。

2.根据权利要求1所述的一种电子式电流互感器，其特征在于，所述电光转换采用AT89S51单片机，通过串行RXD端接收低压侧发送的握手信号和采样命令，高低压端模块之间需要两根光纤进行双向通信。

3.根据权利要求1所述的一种电子式电流互感器，其特征在于，所述取能装置由取能线圈和控制线圈组成，取能线圈和控制线圈的铁心均采用纳米晶材料，具有初始磁导率较高、饱和磁通密度较低，仅为1.25T，在母线电流过大或电力系统短路时，使铁心进入饱和状态，可限制低压侧感应电动势。

4.根据权利要求1所述的一种电子式电流互感器，其特征在于，所述传感电路由电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2和放大器A组成；其中，传感电路输入端Ui通过R1和C1与传感电路输出端Uo相连，传感电路输入端Ui通过R1和R3与放大器A正输入端相连，C2接地后接放大器A正输入端；R2接地后接放大器A负输入端，传感电路输出端Uo通过R4与放大器A负输入端相连。

5.根据权利要求4所述的一种电子式电流互感器，其特征在于，所述传感器电路的R1为4.7kΩ、R2为80kΩ、R3为270kΩ、R4为90kΩ、C1为5500μF、C2为3300μF。