CN203838223U - 一种霍尔电流互感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种霍尔电流互感器，它包括铁心、二次绕组、一次母线孔、霍尔元器件、正恒压源板、负恒压源板、霍尔电路模块、整流滤波电路、二次端子和直流输入端子。本实用新型具有以下优点：测量回路与被测量回路间有良好的电隔离，保证了系统的控制电路的安全。由于零磁通模式，始终处于零磁通补偿状态，不受磁路和霍尔元器件线性度影响，霍尔元器件控制电压采用正、负恒压板，受温度影响也小，保证了线性度优于0.02%；测量准确度等级在2×10^-4%以内；过载能力强，具有饱和特性；响应速度快，动态平衡建立时间≤1μs；频带很宽，大于等于35kHz，适用于安装于变电站和电厂关口计量装置计费点。

Description

一种霍尔电流互感器

技术领域

本实用新型涉及电流互感器，尤其涉及一种霍尔电流互感器。

背景技术

霍尔电流互感器有诸多优点，在电力系统和电气自动控制系统都获得了广泛应用，霍尔电流互感器根据原理不同可分为开环型和闭环型两类。

开环型的导磁体采用的是铁磁材料，它是在导磁体气隙中搁放霍尔元器件，其中铁磁磁阻要比气隙磁阻小得多，从某种程度上，被测电流与气隙中磁感应强度呈正比例关系，结合气隙磁感应强度多点采样值和铁芯传感系数就能够得到被测电流值，开环型的准确度等级通常为10^-2级。

闭环型霍尔电流互感器是在开环型基础上发展起来的，其原理和比较仪相近，采用了零磁通原理，首先是将平衡绕组均匀布置在铁磁材料上;其次利用霍尔元器件对磁通剩余量进行探测，同时它可以让一定电流流经平衡绕组。通常状况下，平衡绕组与母线电流值呈正比例关系，因此被测电流的大小可通过检测平衡绕组中的电流大小实现。闭环型的性能稳定，准确度等级达10^-3级，是一种比较理想的电流互感器。

目前，霍尔电流互感器在电力系统和电气自动控制系统中使用还是比较普遍的，随着新型铁磁材料的出现，性能有所提高，然而一些缺陷还没有解除，如适用电流测量范围比较窄，仅为数千安以内的交流电流，最重要一点就是激磁电流，因其产生在较大的电流中，如果过大将会对互感器产生不可低估的影响，使得铁心仅在饱和区工作快速加大了测量误差；同时电流频率高低也会对其产生影响，仅适于电网工作频率附近频段的电流测量。而且一般霍尔电流互感器的准确度等级通常为10^-2级，如何提高霍尔电流互感器准确度等级，使其能够大量应用于中国交直流电力系统的大电流计量，成为日渐突出的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述的缺陷，提供一种霍尔电流互感器，它不但结构简单，而且准确度等级达2×10^-4级。

本实用新型通过以下技术方案来实现。

一种霍尔电流互感器，本实用新型包括C型结构的铁心和底座，二次绕组缠绕在铁心绝缘的外侧，铁心的中心孔设为一次母线孔，在铁心的接口处气隙安装有霍尔元器件，霍尔元器件连接有霍尔电路模块；该霍尔电路模块分别与正恒压源板、负恒压源板相连接；正恒压源板、负恒压源板分别连接到整流滤波电路；整流滤波电路与直流输入端子的两个端子U+和U-连接；二次端子设在底座上。 

二次绕组表面涂有绝缘保护层，绝缘保护层为无溶剂不饱和聚酯材料；二次绕组非极性端接有电阻R_m，电阻R_m尾端接地，其范围为35kΩ至45kΩ；二次端子有两个接线端子1k和2k。

霍尔电路模块包括电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇，电容互补晶体管T₁及T₂、电容C和放大器A；正恒压源板+Vcc经电阻R₃与所述霍尔元器件H相连，负恒压源板-Vcc经电阻R₄与所述霍尔元器件H相连；R₅连接霍尔元器件H和放大器A负极，R₆连接霍尔元器件H和放大器A正极，R₂连接放大器A输出端和电容互补晶体管T₁及T₂的基极；T₁的集电极接R₇后与+Vcc相连，T₂的集电极接-Vcc，T₁的射极和T₂的射极相连；放大器A负极与R₁和C相连后接到T₁和T₂的射极；所述电阻R₃、R₄、R₅、R₆、R₇选用范围为4kΩ至10kΩ；电阻R₁选用范围为10kΩ至40kΩ；电阻R₂选用范围为0.1kΩ至1kΩ；电容C为无极固定介质电容，电容量范围为1000μF至4700μF。

所述霍尔元器件采用砷化稼的磁电转换材料或锑化钢的磁电转换材料。

所述直流输入端子与变电站或开关场或工作现场的场站用±220V直流电源U_S连接；直流电源U_S经过整流滤波电路为正恒压源板、负恒压源板提供恒定电压+Vcc和-Vcc；恒定电压+Vcc和-Vcc，范围为±（10~30）V。

其工作原理如下：

一次电流I₁流过一次绕组N₁产生的磁通作用于导磁体气隙中的霍尔元器件，在一定的控制电流I_c下，其霍尔输出电压经放大器A进行电压放大及互补三极管T₁、T₂功率放大后，输出的补偿电流I₂经二次补偿绕组N₂产生与一次电流相反的磁通，因而补偿了一次电流产生的磁通，使霍尔输出电压逐渐减小，直到一、二次侧磁通相等时，二次电流不再增加。这时，霍尔元器件起到指示零磁通的作用，本实用新型霍尔电流互感器达到其它互感器不能达到的状态，即完全零磁通状态，使一次绕组和二次绕组磁通交换损耗，则本实用新型的工作状态下满足如下关系：

I₁N₁=I₂N₂

上述电流补偿的过程是一个动态平衡的过程。当I₁通过N₁，I₂尚未形成时，霍尔元器件检测出I₁N₁所产生的磁场的霍尔电压，经电压、功率放大。由于N₂为补偿绕组，经过它的电流不会突变，I₂只能逐渐上升，I₂N₂产生的磁通补偿I₁N₁产生的磁通，霍尔输出电压降低，I₂上升减慢。当I₂N₂=I₁N₁时，磁通为零，霍尔输出电压为零。由于二次绕组的缘故，I₂还会再上升，这样I₂N₂>I₁N₁，形成过补偿，霍尔输出电压立即改变极性，互补晶体管T₁、T₂组成的功率放大输出级使I₂减小，经过在平衡点附近快速振荡。此动态平衡建立时间≤1μs，使霍尔电流互感器达到零磁通状态。

本实用新型具有以下有益效果：（1）能检测任何波形的电流（直流、脉冲、交流），快速准确检测规则或不规则的电流波形；（2）准确的反映被测电流的极性或相位；（3）测量回路与被测量回路间有良好的电隔离，保证了系统的控制电路的安全。（4）由于零磁通模式，始终处于零磁通补偿状态，不受磁路和霍尔元器件线性度影响，霍尔元器件控制电压采用正、负恒压板（由恒压源+Vcc、-Vcc与电阻R共同组成），受温度影响也小，保证了线性度优于0.02%。（5）测量准确度等级在2×10^-4%以内。（6）过载能力强，具有饱和特性。（7）响应速度快，动态平衡建立时间≤1μs；（8）频带很宽，大于等于35kHz。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的电路原理图；

图3为本实用新型所述整流滤波电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型。

如图1、图2所示，一种霍尔电流互感器，本实用新型包括C型结构的铁心1和底座11，二次绕组2缠绕在铁心1绝缘的外侧，铁心1的中心孔设为一次母线孔3，在铁心1的接口处气隙安装有霍尔元器件4，霍尔元器件4连接有霍尔电路模块7；该霍尔电路模块7分别与正恒压源板5、负恒压源板6相连接；正恒压源板5、负恒压源板6分别连接到整流滤波电路8；整流滤波电路8与直流输入端子10的两个端子U+和U-连接；二次端子9设在底座11上。 

二次绕组2表面涂有绝缘保护层，绝缘保护层为无溶剂不饱和聚酯材料；二次绕组2非极性端接有电阻R_m，电阻R_m尾端接地，其范围为35kΩ至45kΩ，优选40kΩ；所述二次端子9有两个接线端子1k和2k。

霍尔电路模块7包括电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇，电容互补晶体管T₁及T₂、电容C和放大器A；正恒压源板+Vcc经电阻R₃与所述霍尔元器件H相连，负恒压源板-Vcc经电阻R₄与所述霍尔元器件H相连；R₅连接霍尔元器件H和放大器A负极，R₆连接霍尔元器件H和放大器A正极，R₂连接放大器A输出端和电容互补晶体管T₁及T₂的基极；T₁的集电极接R₇后与+Vcc相连，T₂的集电极接-Vcc，T₁的射极和T₂的射极相连；放大器A负极与R₁和C相连后接到T₁和T₂的射极；所述电阻R₃、R₄、R₅、R₆、R₇选用范围为4kΩ至10kΩ，优选4kΩ；电阻R₁选用范围为10kΩ至40kΩ，优选10kΩ。电阻R₂选用范围为0.1kΩ至1kΩ，优选0.1kΩ。电容C为无极固定介质电容，电容量范围为1000μF至4700μF，优选2200μF。

所述霍尔元器件4采用砷化稼的磁电转换材料或锑化钢的磁电转换材料。

所述直流输入端子10与变电站或开关场或工作现场的场站用±220V直流电源U_S连接；直流电源U_S经过整流滤波电路8为正恒压源板5、负恒压源板6提供恒定电压+Vcc和-Vcc；恒定电压+Vcc和-Vcc，范围为±（10~30）V。

所述霍尔元器件4是一种磁电转换的材料，广泛应用十精密测磁、自动化控制、通信、航天航空等工业部门及国防领域。目前采用材料最多的是锑化钢和砷化稼，砷化稼具有耐高温、灵敏度高、线性度好、温漂小、稳定性高、相应速度快和体积小等优点，优选砷化稼。

如图2所示，本实用新型为一种霍尔电流互感器的电路原理图，其工作原理如下：一次电流I₁流过一次绕组N₁产生的磁通作用于导磁体气隙中的霍尔元器件，在一定的控制电流I_c下，其霍尔输出电压经放大器A进行电压放大及互补三极管T₁、T₂功率放大后，输出的补偿电流I₂经二次补偿绕组N₂产生与一次电流相反的磁通，因而补偿了一次电流产生的磁通，使霍尔输出电压逐渐减小，直到一、二次侧磁通相等时，二次电流不再增加。这时，霍尔元器件起到指示零磁通的作用，本实用新型霍尔电流互感器达到其它互感器不能达到的状态，即完全零磁通状态，使一次绕组和二次绕组磁通交换损耗，则本实用新型的工作状态下满足如下关系：

I₁N₁=I₂N₂

上述电流补偿的过程是一个动态平衡的过程。当I₁通过N₁，I₂尚未形成时，霍尔元器件检测出I₁N₁所产生的磁场的霍尔电压，经电压、功率放大。由于N₂为补偿绕组，经过它的电流不会突变，I₂只能逐渐上升，I₂N₂产生的磁通补偿I₁N₁产生的磁通，霍尔输出电压降低，I₂上升减慢。当I₂N₂=I₁N₁时，磁通为零，霍尔输出电压为零。由于二次绕组的缘故，I₂还会再上升，这样I₂N₂>I₁N₁，形成过补偿，霍尔输出电压立即改变极性，互补晶体管T₁、T₂组成的功率放大输出级使I₂减小，经过在平衡点附近快速振荡。此动态平衡建立时间≤1μs，使霍尔电流互感器达到零磁通状态。

如图3所示，本实用新型为一种霍尔电流互感器所述整流滤波电路的原理图，所述直流输入端子10可连接到变电站、开关场、工作现场的场站用±220V直流电源U_S上，所述直流电源U_S经过整流滤波电路8为正恒压源板5、负恒压源板6提供恒定电压+Vcc和-Vcc。所述恒定电压为图2中+Vcc和-Vcc，范围为±（10~30）V，优选+Vcc为+20V、-Vcc为-20V。

本实用新型有以下优点：（1）能检测任何波形的电流（直流、脉冲、交流），快速准确检测规则或不规则的电流波形；（2）准确的反映被测电流的极性或相位；（3）测量回路与被测量回路间有良好的电隔离，保证了系统的控制电路的安全。（4）由于零磁通模式，始终处于零磁通补偿状态，不受磁路和霍尔元器件线性度影响，霍尔元器件控制电压采用正、负恒压板（由恒压源+Vcc、-Vcc与电阻R共同组成），受温度影响也小，保证了线性度优于0.02%。（5）测量准确度等级在2×10^-4%以内。（6）过载能力强，具有饱和特性。（7）响应速度快，动态平衡建立时间≤1μs；（8）频带很宽，大于等于35kHz。

Claims (6)

1.一种霍尔电流互感器，其特征在于，包括C型结构的铁心（1）和底座（11），二次绕组（2）缠绕在铁心（1）绝缘的外侧，铁心（1）的中心孔设为一次母线孔（3），在铁心（1）的接口处气隙安装有霍尔元器件（4），霍尔元器件（4）连接有霍尔电路模块（7）；该霍尔电路模块（7）分别与正恒压源板（5）、负恒压源板（6）相连接；正恒压源板（5）、负恒压源板（6）分别连接到整流滤波电路（8）；整流滤波电路（8）与直流输入端子（10）的两个端子U+和U-连接；二次端子（9）设在底座（11）上。

2.根据权利要求1所述的一种霍尔电流互感器，其特征在于，二次绕组（2）表面涂有绝缘保护层，绝缘保护层为无溶剂不饱和聚酯材料；二次绕组（2）非极性端接有电阻R_m，电阻R_m尾端接地，其范围为35kΩ至45kΩ；二次端子（9）有两个接线端子1k和2k。

3.根据权利要求1所述的一种霍尔电流互感器，其特征在于，霍尔电路模块(7)包括电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇，电容互补晶体管T₁及T₂、电容C和放大器A；正恒压源板+Vcc经电阻R₃与所述霍尔元器件H相连，负恒压源板-Vcc经电阻R₄与所述霍尔元器件H相连；R₅连接霍尔元器件H和放大器A负极，R₆连接霍尔元器件H和放大器A正极，R₂连接放大器A输出端和电容互补晶体管T₁及T₂的基极；T₁的集电极接R₇后与+Vcc相连，T₂的集电极接-Vcc，T₁的射极和T₂的射极相连；放大器A负极与R₁和C相连后接到T₁和T₂的射极。

4.根据权利要求1所述的一种霍尔电流互感器，其特征在于，所述霍尔元器件（4）采用砷化稼的磁电转换材料或锑化钢的磁电转换材料。

5.根据权利要求1所述的一种霍尔电流互感器，其特征在于，所述直流输入端子（10)与变电站或开关场或工作现场的场站用±220V直流电源U_S连接；直流电源U_S经过整流滤波电路（8）为正恒压源板（5）、负恒压源板（6）提供恒定电压+Vcc和-Vcc；恒定电压+Vcc和-Vcc，范围为±（10~30）V。

6.根据权利要求3所述的一种霍尔电流互感器，其特征在于，所述电阻R₃、R₄、R₅、R₆、R₇选用范围为4kΩ至10kΩ；电阻R₁选用范围为10kΩ至40kΩ；电阻R₂选用范围为0.1kΩ至1kΩ；电容C为无极固定介质电容，电容量范围为1000μF至4700μF。