一种基于磁强传感器的电气线路电流检测方法与流程

本发明涉及有源元件电路、无源元件电路、调制、解调、放大器、放大控制、脉冲、编码等技术领域，特别涉及一种基于磁强传感器的电气线路电流检测方法。

背景技术：

电能是最重要的二次能源，在生产生活中发挥着重要的基础性作用。随着用电量的大幅度增加，电气火灾和人身触电等电气安全事故也频频发生，严重危害生命和财产安全。在这些事故中，电气线路漏电以及局部电流过大是最主要的诱因，因此对电流的实时在线监测至关重要。如图8，目前，市场上用于在线检测线路电流的方法主要基于剩余电流互感器，以及与之配套的温度传感器探头、监控探测器、物联网通信模块，并由外部取电装置供电。在使用时需要将被测电缆(通常是单相电路的火线零线，或三相电路的3条相线和1条零线)一同穿入剩余电流互感器的线圈内，测量电缆的剩余电流(即各相线以及中性线电流矢量和不为零的电流)，同时将温度传感器探头放置在被测电气线路附近，测量线缆局部或周围空气温度，再将上述的剩余电流互感器、温度传感器通过导线连接到监控探测器，监控探测器通过某种有线的串行总线连接到物联网通信模块，物联网通信模块基于电信运营商的某种通信方式(例如gprs)连接到监控中心，传回监测数据。四个设备通常是独立的，外部取电装置可能独立，也可能分别嵌入监控探测器和物联网通信模块中，组成的整套系统一般被安装在配电柜中,但是，这种监测方法存在如下缺陷：一是在安装监测设备时需要断开线路、将被测电缆穿入剩余电流互感器的线圈，造成对原有电路的破坏或临时性改动，不利于老旧建筑改造。二是这种方法通常只能用于检测剩余电流，即漏电大小，而难以检测到用电电流大小，不利于发现因局部过流导致的事故和隐患。三是，这种方法通常无法精确固定线圈和电缆之间的相对位置，导致测量精度低。四是，这种方法导致检测线圈不可能做的很小，且组件多，集成度低，难以整体屏蔽，整套设备占用空间大，在狭小空间安装不便，且需要集中取电，这些限制了监测的精细程度和投放密度，不利于实现对电气线路的精准诊断，更难以用于临时搭建的用电场所。

因此，发明一种基于磁强传感器的电气线路电流检测方法来解决上述问题很有必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于磁强传感器的电气线路电流检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于磁强传感器的电气线路电流检测方法，包括磁强传感器、微控制器、射频收发器、系统级封装、固定装置、供电单元，其特征在于：所述系统级封装内部设置有磁强传感器，所述磁强传感器一侧设置有微控制器，所述微控制器一侧设置有射频收发器，所述系统级封装外部设置有固定装置；

磁强传感器作为敏感元件；

微控制器对电流做智能解算；

射频收发器实现电流监测数据的传输；

系统级封装对磁强传感器、微控制器、射频收发器进行一体化的封装；

固定装置是一组能够附着在单根或多根被测电缆外部的固定装置。

优选的，所述磁强传感器、微控制器、射频收发器电性连接供电单元。

优选的，所述固定装置包括上侧固定装置，左下侧固定装置，右下侧固定装置。

优选的，所述上侧固定装置、左下侧固定装置、右下侧固定装置是一组外形完全相同的约束结构，包括但不限于圆弧形或其他几何形状，用于非接入式的附着在单根或者多根电缆外部。

优选的，所述上侧固定装置、左下侧固定装置、右下侧固定装置在与电缆方向垂直的竖直截面上，几何中心构成等腰三角形，其对称轴通过上侧固定装置的圆心和磁强传感器的中心。当检测三相电流时，要求所述上侧固定装置、左下侧固定装置、右下侧固定装置的几何中心构成正三角形，几何中心位于磁强传感器上。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于磁强传感器的电气线路电流检测方法，具有如下有益效果：

一是，非接入式的监测，无需改变被测线路，只需采用外部附着的固定方式即可工作；二是，方法利用磁测量方法间接测量电流，不仅可以监测漏电，还可以分析用电电流大小；三是，方法所述结构紧凑，使得所需设备体积小，重量轻，组件少，结构简单，不造成额外的空间和重量负担，也省去了调试组件互连的安装步骤；四是安装精度高，确保测量准确性；五是，同时使设备功耗极大降低，供电灵活，可长期稳定工作，非常适用于临时用电或移动用电场合；六是，整个产品采用系统级封装技术，更利于批量化生产和降低成本。

附图说明

图1为本发明的结构原理框图。

图2为本发明的外观示意图。

图3为本发明用于检测单根电缆电流的实施例示意图。

图4为本发明用于检测单相交流市电电缆电流的实施例示意图。

图5为本发明检测单相交流市电电流实施例的磁感应强度矢量分解与合成示意图。

图6为本发明检测三相交流线路漏电电流的实施例示意图。

图7为本发明用于检测三相交流电缆漏电的实施例中磁场矢量分解与合成示意图。

图8为本发明的背景技术方案示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

使用本专利所述方法对单根电缆电路进行电流检测的实例如图3所示。方法所述设备通过上侧固定装置161附着在被测电缆211上，而无需断开被测电缆211。左下侧固定装置162和右下侧固定装置163不需连接，可以空置。被测电缆211中的电流i311方向流向纸面内，根据安培定则，电流i311将在电缆211周围中形成圆周分布的感应磁场，包括落在磁强传感器11上的磁场b311强度。磁强传感器至少应有一个以上敏感轴向，且有一个敏感轴与磁场b311磁感应强度平行。这样，磁场b311可以被磁强传感器11测量到，形成与磁场b311磁感应强度成比例关系的电压值。在图1中，这个电压值可以被微处理器12采集、计算和报警，还可被射频收发器13发送给监控中心，实现对单根电缆电路电流的实时监测。

实施例2

使用本专利所述方法对单相交流市电的火线零线电缆电流监测的实施例如图4所示。方法所述设备通过左下侧固定装置162和右下侧固定装置163附着在一对被测的火线222和零线223电缆上，典型的，通过左下侧固定装置162附着在火线222电缆，通过右下侧固定装置163附着在零线223电缆，上侧固定装置161不需要安装，可以空置。火线222电缆中的电流和零线223电缆中的电流的方向分别流向纸面内和流出纸面外，它们是同频同相交流电流，幅值可以表达为：

其中w是交流电的频率，t是时间。

根据安培定则，火线222电流和零线223电流分别在火线222电缆和零线223电缆周围形成圆周的磁场分布，包括在磁强传感器11上形成火线222磁感应强度，和零线223感应磁场强度。根据本发明的方案，左下侧固定装置162和右下侧固定装置163是几何参数相同且空间对称的固定装置；此外，火线222电缆和零线223电缆材质和几何参数通常是相同的。由毕奥-萨伐尔公式有：

其中k是常数。

在图5中，对火线222磁感应强度和零线223磁感应强度在水平方向和竖直方向上做矢量分解，水平分量用后缀a表示，竖直分量用后缀b表示，则：

其中，φ是和在竖直截面内关于对称轴的夹角。

则和在磁强传感器11上合成磁感应强度的水平分量和竖直分量的幅值分别为:

磁强传感器11至少有一个敏感轴向，且敏感轴向中有一个为水平方向，即与同向，这个水平轴向用于测量代表了即漏电大小。这个测量值可经过微控制器12的解算，得到漏电流幅值现场实施报警，还可通过射频收发器13以无线的方式传递给电气安全监控中心，实现单相交流市电的漏电监测。

优选的，磁强传感器11有两个敏感轴向，其中水平轴向用于测量代表了即漏电大小；竖直轴向用于测量代表了即用电电流大小。这两个轴向的测量值可经过微控制器12的解算，得到漏电流幅值以及火线222和零线223各自的电流幅值和既可以实现漏电监测，还可以实时监测用电电流大小。

特别的，当电缆不发生漏电时，如图6所示，此时有

此时磁强传感器11的水平轴向测得漏电为零。

实施例3

使用本专利所述方法检测三相交流线路电流的实施例如图6所示。智能微系统通过上侧固定装置161、左下侧固定装置162以及右下侧固定装置163附着在一组三相线路的三条相线上。根据本专利的方案，上侧固定装置161、左下侧固定装置162以及右下侧固定装置163在竖直截面上的圆心呈正三角形，几何中心位于磁强传感器11中心，磁强传感器11在截面上具有两个敏感轴向，对轴向的方向不做限制要求。典型的，上侧固定装置附着在a相电缆231上，162固定装置附着在b相电缆232上，163固定装置附着在c相电缆233上。a相电缆231、b相电缆232以及c相电缆233中的电流和的方向都流向纸面内，根据三相交流电的基本原理，a相、b相、c相的电流幅值可以表达为：

其中w是三相交流电的频率，t是时间。

根据安培定则，和将各自在电缆a相电缆231、b相电缆232以及c相电缆周围感应出圆周分布的磁场，包括在磁强传感器11中心点感应出的a相磁感应强度b相磁感应强度和c相磁感应强度考虑到同一个三相电路中的三条相线材质相同，且在本专利方案中，三条相线线缆的中心到磁强传感器11中心的距离相等，因此由毕奥-萨伐尔公式，有：

其中k是常数。

在图7中，对a、b、c三相的磁感应强度和在水平方向和垂直方向上进行矢量分解。水平分量用后缀a表示，竖直分量用后缀b表示，则和可以矢量分解为：

又由于上侧固定装置161、左下侧固定装置162以及右下侧固定装置163圆心呈正三角形分布的特点，有：

在图7中，对和在水平方向和竖直方向分别求矢量和，得到三相磁感应强度合成后的水平分量和竖直分量

当不发生漏电时，有

a331＝a332＝a333

则有

对水平分量和竖直分量求矢量和也即得到和的矢量和，的幅值为：

的方向角(与水平轴向的夹角主值)为

φ＝arccos(cosωt)＝ωt

因此，磁强传感器11测得的两个轴向的磁感应强度值可以由微控制器12解算，并根据如下判据判断漏电：如果幅值为常量，且方向角φ以ω为角速度变化，不发生三相交流漏电；否则发生三相漏电，并可利用微控制器12进一步解算用电电流。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。