CN205562653U - 一种电流互感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电流互感器，包括：采集雷电流信号，并输出雷电流的微分信号的罗氏线圈传感器；与罗氏线圈传感器的输出端连接，对微分信号进行积分，还原为雷电流的有源积分器。本实用新型采用低成本高性能的罗氏线圈作为传感器，在降低成本的同时，扩展了采样频率的带宽，在测量大电流时不存在磁饱和现象，提高了采集的可靠性；采用有源积分器对罗氏线圈传感器输出的微分信号进行积分，能够有效还原被测雷电流信号，有源积分器相对传统无源RC积分器有着积分精度高、频率带宽范围大等优点，甚至可使积分带宽达到几MHz，通常雷电信号频率为几百KHz，有源积分器完全能够覆盖此频率范围。因此，能够实现对雷电流的精确测量和采集。

Description

一种电流互感器

技术领域

本实用新型涉及电力监测领域，特别是涉及一种电流互感器。

背景技术

近年来，基于罗氏线圈的电子式电流互感器得到了广泛的应用。它具有动态响应范围大，频率响应宽；抗电磁干扰性能强等优点，自身独特的结构避免了纯光学传感头中存在的温度和振动问题，是未来电流互感器发展的方向，能够适应电力计量和继电保护数字化、自动化的发展潮流。基于罗氏线圈的电子式电流互感器具有传统电磁感应式电流互感器无法比拟的诸多优点，具有极其广阔的应用前景。

罗氏线圈是测量强脉冲电流的有效工具，具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强、动态范围宽、体积小等一系列优点，经常被应用于电流互感器。但是罗氏线圈输出的是电流对时间的微分信号，想要电流互感器得到真实的电流，就需要通过一个对输出的微分信号进行积分的电路，才能够还原真实的输入电流。然而常用的RC无源积分器对罗氏线圈雷电流的积分线性度不高，波形还原较差，低频特性差，尤其是当信号频率较低时，会造成积分波形失真严重，影响雷电流积分精度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电流互感器，实现对故障暂态雷电流的精确测量，消除传统的电流互感器带宽的限制和磁饱和问题。

实用新型提供了如下技术方案：

一种电流互感器，包括：

采集雷电流信号，并输出所述雷电流的微分信号的罗氏线圈传感器；

与所述罗氏线圈传感器的输出端连接，对所述微分信号进行积分，还原为所述雷电流的有源积分器。

优选地，所述罗氏线圈传感器包括：

采集所述雷电流信号的柔性罗氏线圈；

与所述柔性罗氏线圈连接，将所述柔性罗氏线圈输出的电流微分信号转换为电压微分信号的采样电阻；

与所述采样电阻连接，将所述电压微分信号转化为对应的电流微分信号的可变限流电阻。

优选地，所述有源积分器包括：

第一运算放大器，所述第一运算放大器的反相输入端与所述可变限流电阻连接，所述第一运算放大器的同相输入端接地；

积分电容，所述积分电容的第一端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述积分电容的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接。

优选地，所述有源积分器还包括：

与所述积分电容并联，防止失调电压导致所述第一运算放大器输出饱和的泄露电阻；

与所述第一运算放大器的反相输入端连接的第一滤波电容，所述第一滤波电容背离所述第一运算放大器的一端接地；

与所述第一运算放大器的反相输入端连接的瞬变电压抑制二极管，所述瞬变电压抑制二极管背离所述第一运算放大器的一端接地。

优选地，所述有源积分器还包括：

与所述第一运算放大器的同相输入端连接的平衡电阻，所述平衡电阻背离所述第一运算放大器的同相输入端的一端接地。

优选地，所述有源积分器还包括：

与所述第一运算放大器连接，对所述第一运算放大器的输出信号进行缓冲隔离的电压跟随器。

优选地，所述电压跟随器包括：

第一电阻，所述第一电阻的第一端和所述第一运算放大器的输出端连接；

第二运算放大器，所述第二运算放大器的正相输入端和所述第一电阻的第二端连接；

第二滤波电容，所述第二滤波电容的第一端和所述第二运算放大器的正相输入端连接，所述第二滤波电容的第二端接地；

第二电阻，所述第二电阻的第一端和所述第二运算放大器的反相输入端连接，所述第二电阻的第二端和所述第二运算放大器的输出端连接。

优选地，所述有源积分器还包括：

与所述电压跟随器的输出端连接的下拉电阻，所述下拉电阻背离所述电压跟随器的输出端的一端接地。

优选地，所述有源积分器还包括：

与所述电压跟随器的输出端连接的正负限幅器。

优选地，所述有源积分器还包括：

与所述正负限幅器连接，用于滤除电路中的高频噪声的低通滤波电路。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本实用新型实施例所提供的一种电流互感器，包括：采集雷电流信号，并输出雷电流的微分信号的罗氏线圈传感器；与罗氏线圈传感器的输出端连接，对微分信号进行积分，还原为雷电流的有源积分器。本实用新型采用低成本高性能的罗氏线圈作为传感器，在降低了成本的同时，扩展了采样频率的带宽，在测量大电流时不存在磁饱和现象，提高了采集的可靠性；采用有源积分器对罗氏线圈传感器输出的微分信号进行积分，能够有效还原被测雷电流信号，有源积分器相对传统无源RC积分器有着积分精度高、频率带宽范围大等优点，若选择合适的电路参数，可使积分带宽达到几MHz，通常雷电信号频率为几百KHz，有源积分器完全能够覆盖此频率范围。因此，采用有源积分器能够实现对雷电流的精确测量和采集。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种具体实施方式所提供的电流互感器结构示意图；

图2为本实用新型一种具体实施方式所提供的柔性罗氏线圈的等效电路图；

图3为本实用新型一种具体实施方式所提供的有源积分电路基本原理电路图；

图4为本实用新型一种实施方式所提供的电流互感器的电路结构示意图；

图5为本实用新型另一种实施方式所提供的电流互感器的电路结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种电流互感器，实现对故障暂态雷电流的精确测量，消除传统的电流互感器带宽的限制和磁饱和问题。

为了使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广。因此本实用新型不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1、图2和图3，图1为本实用新型一种具体实施方式所提供的电流互感器结构示意图；图2为本实用新型一种具体实施方式所提供的柔性罗氏线圈的等效电路图；图3为本实用新型一种具体实施方式所提供的有源积分电路基本原理电路图。

在本实用新型的一种具体实施方式中，一种电流互感器包括：采集雷电流信号，并输出雷电流的微分信号的罗氏线圈传感器1；与罗氏线圈传感器1的输出端连接，对微分信号进行积分，还原为雷电流的有源积分器2。

在本实施方式中，优选罗氏线圈传感器采用柔性罗氏线圈对输电线路的暂态雷电流进行采集，其中，柔性罗氏线圈采集到的是电流的微分信号，经过有源积分器后，被还原为电流信号，其中，有源积分器需要配合特定的柔性罗氏线圈参数使用，系统测量幅值的上限值亦和有源积分器中的积分参数有关，调整积分参数可改变测量幅值的上限值。在实际电路工作情况下，系统测量幅值范围的上限值和下限值是一对矛盾体，在提高采集上限值的同时，下限值也会跟着有所提高，这是由于实际电路存在噪声，若系统输出信号太小，输出信号被噪声淹没。若系统要求测量的下限很低、上限很高，在这种情况下可利用多个罗氏线圈传感器和有源积分器组合进行分段测量，提高测量幅值的上限、下限范围。

其中，柔性罗氏线圈感应输出的是暂态电流的微分信号，该暂态电流通常为雷电流，忽略柔性罗氏线圈分布电容的作用，柔性罗氏线圈的等效电路如图2所示，图2中L、M、R分别表示柔性罗氏线圈的自感、互感和内阻，I为被测电流，i为柔性罗氏线圈的电流，R_s、u_s分别为采样电阻和采样电压。此外，u_i为感应电势，根据罗氏线圈等效电路，可知：

$u_i=-M\frac{dI}{dt}$

且， $u_i=L\frac{di}{dt}+(R+R_s)i$

当 $L\frac{di}{dt}<<(R+R_s)i$ 时，简化为：

$I=-(R+R_S)/M\&Integral;\frac{u_i}{R_s}dt$

由上式可知：被测电流I与采样电压u_i之间是微分的关系，即罗氏线圈及其外接采样电阻R_s实质上相当于一个微分环节，需要后接一个积分电路将电压u_i积分，才能使输出信号还原为被测雷电流形状。罗氏线圈工作在外积分的前提条件是：

$L\frac{di}{dt}<<(R+R_s)i$

即满足端接采样电阻R_s>>R，且R_s＞＞ω×L，其中ω为被测输入信号频率。

通过积分电路即可还原出原始暂态电流信号。有源积分电路基本原理电路组成如图3所示，由电阻R'、电容C、OPA运放元件组成，积分原理为：由运放负反馈电路的虚短、虚断原理可知：

i＝u_i/R′，且u_o＝u_c＝1/C∫icdt，

即外加电压流过电阻R'的电流在电容C上的积分。有源积分器的积分高精度正是源自工作在负反馈状态下的运放“虚短”、“虚断”特性保证，根据“虚短”、“虚断”特性可知，图3运放反向输入端具有“虚地”特性，i＝u_i/R′，准确地保证了电容的充电电流与输入信号的比列关系，这就是有源积分比无源积分精度高的重要原因；而RC无源积分器积分电容和电阻构成分压电路结构，在输入电压一定的条件下，电容充电电压的上升会引起充电电流的减小，无法准确地保证电容的充电电流与输入信号的比例比列关系，从而引起积分精度降低。

本实用新型采用低成本高性能的罗氏线圈作为传感器，在降低了成本的同时，扩展了采样频率的带宽，在测量大电流时不存在磁饱和现象，提高了采集的可靠性；采用有源积分器对罗氏线圈传感器输出的微分信号进行积分，能够有效还原被测雷电流信号，有源积分器相对传统无源RC积分器有着积分精度高、频率带宽范围大等优点，若选择合适的电路参数，可使积分带宽达到几MHz，通常雷电信号频率为几百KHz，有源积分器完全能够覆盖此频率范围。因此，采用有源积分器能够实现对雷电流的精确测量和采集。

请参考图4，图4为本实用新型一种实施方式所提供的电流互感器的电路结构示意图。

在上述实施方式的基础上，本实用新型一种实施方式所提供的电流互感器，罗氏线圈传感器包括：采集雷电流信号的柔性罗氏线圈；与柔性罗氏线圈连接，将柔性罗氏线圈输出的电流微分信号转换为电压微分信号的采样电阻R1；与采样电阻R1连接，将电压微分信号转化为对应的电流微分信号的可变限流电阻R2。

在本实施方式中，采样电阻R1即上述实施方式中的采样电阻R_s，如图3所示，将电流互感器接入插座P1，即柔性罗氏线圈的两输出端分别连接采样电阻R1的两端，采样电阻R1的一端接地，采样电阻R1的另一端连接可变限流电阻R2的第一端，可变限流电阻R2的第二端连接有源积分器的输入端。其中，通过控制可变限流电阻R2的大小，可以控制有源积分器的积分信号输出大小，达到调节测量上限值范围的目的。

进一步地，有源积分器2包括：第一运算放大器21，第一运算放大器21的反相输入端与可变限流电阻R2连接，第一运算放大器21的同相输入端接地；积分电容C2，积分电容C2的第一端与第一运算放大器21的反相输入端连接，积分电容C2的第二端与第一运算放大器21的输出端连接。可变限流电阻R2将电压微分信号转换为电流微分信号导入到积分电容C2中，积分电容C2将微分的电流信号进行积分输出，控制积分电容C2的大小，亦可控制积分信号输出大小，达到调节测量上限值范围的目的。

更进一步地，有源积分器还包括：与积分电容C2并联，防止失调电压导致第一运算放大器21输出饱和的泄露电阻R3；与第一运算放大器21的反相输入端连接的第一滤波电容C1，第一滤波电容C1背离第一运算放大器21的一端接地，用于滤除输入信号中的高频噪声；与第一运算放大器21的反相输入端连接的瞬变电压抑制二极管D1，瞬变电压抑制二极管D1背离第一运算放大器21的一端接地，用于保护第一运算放大器的输入端。有源积分器还包括：与第一运算放大器21的同相输入端连接的平衡电阻R4，平衡电阻R4背离第一运算放大器21的同相输入端的一端接地，用于减小第一运算放大器的失调电压。

请参考图5，图5为本实用新型另一种实施方式所提供的电流互感器的电路结构示意图。

在本实用新型的一种实施方式中，有源积分器还包括：与第一运算放大器21连接，对第一运算放大器21的输出信号进行缓冲隔离的电压跟随器22。其中，电压跟随器22包括：第一电阻R5，第一电阻R5的第一端和第一运算放大器21的输出端连接；第二运算放大器221，第二运算放大器221的正相输入端和第一电阻R5的第二端连接；第二滤波电容C3，第二滤波电容C3的第一端和第二运算放大器221的正相输入端连接，第二滤波电容C3的第二端接地；第二电阻R6，第二电阻R6的第一端和第二运算放大器221的反相输入端连接，第二电阻R6的第二端和第二运算放大器221输出端连接。有源积分器还包括：与电压跟随器22的输出端连接的下拉电阻R7，下拉电阻背离电压跟随器的输出端的一端接地，用于在有源积分器没有输入时，使输出电平固定为零；与电压跟随器的输出端连接的正负限幅器，用于限制积分信号的输出幅值范围，该正负限幅器包括第一二极管D2和第二二极管D3，第一二极管D2的正极连接+VCC的工作电压，第一二极管D2的负极连接第二运算放大器221的输出端，而第二二极管的正极连接第一二极管的负极，第二二极管的负极连接-VCC工作电压；与正负限幅器连接的低通滤波电路，用于滤除电路中的高频噪声，优选低通滤波电路包括第三电阻R8和第三滤波电容C4，其中，第三电阻R8的第一端连接第二运算放大器的输出端，第三电阻R8的第二端为有源积分器的输出端，第三电阻R8的第二端连接第三滤波电容C4的第一端，第三滤波电容C4的第二端接地。

其工作原理为：插座P1连接上柔性罗氏线圈，端接采样电阻R1后，当满足条件：R1＞＞R_t，R1＞＞ωL时(R_t为线圈内阻，ω为工作频率上限)，线圈工作于外积分状态。线圈感应被测电流，输出与被测电流成比例的微分电压信号，微分电压信号经过由R2、C2、U1构成积分器电路后，通过积分还原为与被测电流成比例的电压信号，由P2接口输出。

综上所述，本实用新型所提供的一种电流互感器，本实用新型采用低成本高性能的罗氏线圈作为传感器，在降低了成本的同时，扩展了采样频率的带宽，在测量大电流时不存在磁饱和现象，提高了采集的可靠性；采用有源积分器对罗氏线圈传感器输出的微分信号进行积分，能够有效还原被测雷电流信号，有源积分器相对传统无源RC积分器有着积分精度高、频率带宽范围大等优点，若选择合适的电路参数，可使积分带宽达到几MHz，通常雷电信号频率为几百KHz，有源积分器完全能够覆盖此频率范围。因此，采用有源积分器能够实现对雷电流的精确测量和采集。

以上对本实用新型所提供一种电流互感器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电流互感器，其特征在于，包括：

采集雷电流信号，并输出所述雷电流的微分信号的罗氏线圈传感器；

与所述罗氏线圈传感器的输出端连接，对所述微分信号进行积分，还原为所述雷电流的有源积分器。

2.根据权利要求1所述的电流互感器，其特征在于，所述罗氏线圈传感器包括：

采集所述雷电流信号的柔性罗氏线圈；

与所述柔性罗氏线圈连接，将所述柔性罗氏线圈输出的电流微分信号转换为电压微分信号的采样电阻；

与所述采样电阻连接，将所述电压微分信号转化为对应的电流微分信号的可变限流电阻。

3.根据权利要求2所述的电流互感器，其特征在于，所述有源积分器包括：

第一运算放大器，所述第一运算放大器的反相输入端与所述可变限流电阻连接，所述第一运算放大器的同相输入端接地；

积分电容，所述积分电容的第一端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述积分电容的第二端与所述第一运算放大器的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的电流互感器，其特征在于，所述有源积分器还包括：

与所述积分电容并联，防止失调电压导致所述第一运算放大器输出饱和的泄露电阻；

与所述第一运算放大器的反相输入端连接的第一滤波电容，所述第一滤波电容背离所述第一运算放大器的一端接地；

与所述第一运算放大器的反相输入端连接的瞬变电压抑制二极管，所述瞬变电压抑制二极管背离所述第一运算放大器的一端接地。

5.根据权利要求4所述的电流互感器，其特征在于，所述有源积分器还包括：

与所述第一运算放大器的同相输入端连接的平衡电阻，所述平衡电阻背离所述第一运算放大器的同相输入端的一端接地。

6.根据权利要求5所述的电流互感器，其特征在于，所述有源积分器还包括：

与所述第一运算放大器连接，对所述第一运算放大器的输出信号进行缓冲隔离的电压跟随器。

7.根据权利要求6所述的电流互感器，其特征在于，所述电压跟随器包括：

第一电阻，所述第一电阻的第一端和所述第一运算放大器的输出端连接；

第二运算放大器，所述第二运算放大器的正相输入端和所述第一电阻的第二端连接；

第二滤波电容，所述第二滤波电容的第一端和所述第二运算放大器的正相输入端连接，所述第二滤波电容的第二端接地；

第二电阻，所述第二电阻的第一端和所述第二运算放大器的反相输入端连接，所述第二电阻的第二端和所述第二运算放大器的输出端连接。

8.根据权利要求7所述的电流互感器，其特征在于，所述有源积分器还包括：

与所述电压跟随器的输出端连接的下拉电阻，所述下拉电阻背离所述电压跟随器的输出端的一端接地。

9.根据权利要求8所述的电流互感器，其特征在于，所述有源积分器还包括：

与所述电压跟随器的输出端连接的正负限幅器。

10.根据权利要求9所述的电流互感器，其特征在于，所述有源积分器还包括：

与所述正负限幅器连接，用于滤除电路中的高频噪声的低通滤波电路。