一种面向三相四线制对称负载的电流测量装置及方法与流程

本发明属于测量领域，涉及一种面向三相四线制对称负载的无源、非接触的电流有效值测量装置及方法。

背景技术：

随着信息、通信技术(ict)装置和家用电器的使用越来越频繁，对用电量的检测也变得越来越重要，电流是电力系统的主要参数之一，对电流的测量是基本而且非常重要的任务，随着例如三相电动机，三相电炉，三相变压器等具有对称负载性质的用电器的广泛使用，设计一种针对三相四线制对称负载的电流传感器也变得越来越重要，我国三相交流电频率基本固定为50hz，交流电的有效值是表征交流电的最重要的物理量，也成为了越来越多交流电测量装置及方法的主要测量对象。根据测量的结果可以为电力系统提供用于计量、控制和继电器保护等所必须的信息，因此对测量工具有很高的要求。现在对电流的测量主要采用是以电磁感应原理为基础的电流互感器，它主要依据变压器原理，通过铁芯和绕组串联进测量电路中实现对电流的测量，但该类传感器因其磁通饱和容易使测量发生畸变导致测量不准，同时磁通饱和易使铁心损耗增高，产生高热量损坏绝缘层导致安全问题，同时它的成本随着被测量电流等级的增大成指数增加，这些电磁式电流互感器的缺点是由其结构造成的，是无法改变的。

技术实现要素：

本发明提供一种面向三相四线制对称负载的电流测量装置及方法，以满足目前针对三相电动机，三相电炉，三相变压器等具有对称负载性质的用电器的电流测量的需求，并且比目前铁芯式电流传感器更安全、更准确、成本更低。

本发明采取的技术方案是：左侧螺纹导杆一端与左侧矩形挡块固定连接、另一端套有左侧手动转柄，右侧螺纹导杆一端与右侧矩形挡块固定连接、另一端套有右侧手动转柄，u型架与左侧螺纹导杆、右侧螺纹导杆均为螺纹连接，u型架内有一对直线键槽，直线电机通过电机支撑座与u型架固定连接，传感器模块与传感器调整台内部粘接，传感器调整台与可滑动键固定连接，螺纹丝杠上套有螺母，螺母与传感器调整台通过螺钉连接，可滑动键与u型架内的直线键槽滑动连接。

本发明所述传感器模块包括支撑基底、左侧压电悬臂梁、右侧压电悬臂梁，其中左侧压电悬臂梁包括左侧磁感应单元、左侧悬臂梁、左侧压电薄膜、左侧上电极、左侧下电极；右侧压电悬臂梁包括右侧磁感应单元、右侧悬臂梁、右侧压电薄膜、右侧上电极、右侧下电极，左侧压电悬臂梁和右侧压电悬臂梁完全相同且对向排布，左侧悬臂梁一端和右侧悬臂梁一端均和支撑基底固定连接，左侧悬臂梁另一端和右侧悬臂梁另一端分别粘结左侧磁感应单元和右侧磁感应单元，在左侧悬臂梁表面固定端一侧从下到上分别沉积左侧下电极、左侧压电薄膜和左侧上电极；在右侧悬臂梁表面固定端一侧从下到上分别沉积右侧下电极、右侧压电薄膜和右侧上电极；

本发明所述传感器调整台包括支撑结构，支撑结构与玻璃薄板粘接。

一种面向三相四线制对称负载的电流测量方法，包括下列步骤：

步骤1、转动左侧手动转柄和右侧手动转柄，分别使左侧矩形挡块和右侧矩形挡块向外侧移动，留出放置导线的夹持距离，夹持距离要大于导线直径；

步骤2、将导线放在预留位置中，且零线中心和其对侧左侧火线中心的连线l1垂直于左侧矩形挡块或右侧矩形挡块与导线接触面，另外上侧火线和下侧火线中心连线l2平行于左侧矩形挡块或右侧矩形挡块与导线接触面；转动左侧手动转柄和右侧手动转柄，使左侧矩形挡块和右侧矩形挡块向导线位置移动，最终夹紧导线；

步骤3、将连接对称负载的导线接入标准三相交流电；

步骤4、通过直线电机带动螺纹丝杠转动，其上的螺母可直线往复移动，螺母可使传感器调整台通过可滑动键在u型架内的直线键槽中进行直线往复运动，由导线周围磁场分布可知，当传感器模块缓慢的由导线一侧经过另一侧时，使传感器模块输出电压大小相等方向相反的点即为定位点并固定传感器模块；

步骤5、向导线通入被测实际交流电流进行测量，当传感器模块输出电压信号大小相等方向相反时，记此时刻为t0时刻，此时被测交流电流特征为公式如下：

i1t0＝i4t0＝0

i2t0＝-i3t0

可以得到三相交流电流的有效值，公式如下：

其中i1t0、i2t0、i3t0和i4t0分别为t0时刻左侧火线、上侧火线、下侧火线和零线电流，i有效值为三相交流电流的有效值大小，2a为竖直方向上侧火线和下侧火线中心之间的距离，(x1,y1)为传感器模块在定位点处左侧磁感应单元的坐标，(x2,y2)为传感器模块在定位点处右侧磁感应单元的坐标，elt0为传感器模块中左侧压电薄膜在t0时刻输出电压，erto为传感器模块中右侧压电薄膜在t0时刻输出电压，br为左侧磁感应单元或右侧磁感应单元剩余磁通量，v为左侧磁感应单元或右侧磁感应单元的体积，t为左侧压电薄膜或右侧压电薄膜的2倍厚度，w为左侧悬臂梁或右侧悬臂梁的宽度，l为左侧悬臂梁或右侧悬臂梁的长度，d31为压电系数，ε31为介电常数。

本发明的优点是：

(1)无需和导线相接触，通过磁感应单元感应导线周围磁场变化，进而实现非接触式测量，减少装置拆卸次数，使装置安装更加方便；

(2)霍尔型等传感器由于原理限制，只能测量单根电芯的导线，因此需要剪开导线外保护层，破坏了导线结构，增加了传感器的测量复杂程度，本结构在不破坏导线外保护层的前提下，通过定位夹紧装置将传感器模块固定在外保护层表面，实现三相四线制连接对称负载导线电流有效值的测量；

(3)传感器模块不需要内部电源，可以大大提高使用寿命，实现了低能耗的需求；

(4)可以实现复杂的三相四线制连接对称负载交流电流有效值的准确测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的仰视图；

图3是本发明的后视图；

图4是本发明传感器调整台剖视图；

图5是本发明传感器模块的轴测图；

图6是本发明传感器模块中左侧压电悬臂梁示意图；

图7是本发明传感器模块中右侧压电悬臂梁示意图；

图8是本发明传感器模块中压电悬臂梁正视图；

图9是本发明传感器模块在定位点处的示意图；

图10是本发明传感器调整台轴测图；

图11是t0时刻导线磁场梯度分布图；

图12是本发明传感器模块在定位点处t0时刻悬臂梁响应图；

其中：左侧矩形挡块1、右侧矩形挡块8、左侧螺纹导杆2、右侧螺纹导杆11、左侧手动转柄3、右侧手动转柄13、直线电机4、螺纹丝杠5、u型架6、导线7、螺母9、可滑动键10、传感器模块12、传感器调整台14、电机支撑座15、支撑基底1203、左侧压电悬臂梁1201、右侧压电悬臂梁1202、左侧磁感应单元120101、左侧悬臂梁120102、左侧压电薄膜120104、左侧上电极120105、左侧下电极120103、右侧磁感应单元120201、右侧悬臂梁120202、右侧压电薄膜120204、右侧上电极120205、右侧下电极120203、左侧火线701、上侧火线702、下侧火线703、零线704、支撑结构1401、玻璃薄板1402。

具体实施方式

左侧螺纹导杆2一端与左侧矩形挡块1固定连接、另一端套有左侧手动转柄3，右侧螺纹导杆11一端与右侧矩形挡块8固定连接、另一端套有右侧手动转柄13，u型架6与左侧螺纹导杆2、右侧螺纹导杆11均为螺纹连接，u型架6内有一对直线键槽，转动左侧手动转柄3和右侧手动转柄13，可使左侧螺纹导杆2和右侧螺纹导杆11分别推动左侧矩形挡块1和右侧矩形挡块8直线往复运动，左侧矩形挡块1和右侧矩形挡块8可以使导线7被夹紧，直线电机4通过电机支撑座15与u型架6固定连接，传感器模块12与传感器调整台14内部粘接(见图10)，传感器调整台14与可滑动键10固定连接，螺纹丝杠5上套有螺母9，螺母9与传感器调整台14通过螺钉连接，可滑动键10与u型架6内的直线键槽滑动连接，螺母9可以使传感器调整台14通过可滑动键10在u型架6内的直线键槽中直线往复运动，从而实现传感器模块12的定位。

本发明所述传感器模块12包括支撑基底1203、左侧压电悬臂梁1201、右侧压电悬臂梁1202，其中左侧压电悬臂梁1201包括左侧磁感应单元120101、左侧悬臂梁120102、左侧压电薄膜120104、左侧上电极120105、左侧下电极120103；右侧压电悬臂梁1202包括右侧磁感应单元120201、右侧悬臂梁120202、右侧压电薄膜120204、右侧上电极120205、右侧下电极120203，左侧压电悬臂梁1201和右侧压电悬臂梁1202完全相同且对向排布，左侧悬臂梁120102一端和右侧悬臂梁120202一端均和支撑基底1203固定连接，左侧悬臂梁120102另一端和右侧悬臂梁120202另一端分别粘结左侧磁感应单元120101和右侧磁感应单元120201，在左侧悬臂梁120102表面固定端一侧从下到上分别沉积左侧下电极120103、左侧压电薄膜120104和左侧上电极120105；在右侧悬臂梁120202表面固定端一侧从下到上分别沉积右侧下电极120203、右侧压电薄膜120204和右侧上电极120205，支撑基底1203与支撑结构1401粘接；

传感器调整台14包括支撑结构1401，支撑结构1401与玻璃薄板1402粘接，防止内部测量元件受到外界环境影响。

一种面向三相四线制对称负载的电流测量方法，包括下列步骤：

步骤1、转动左侧手动转柄3和右侧手动转柄13，分别使左侧矩形挡块1和右侧矩形挡块8向外侧移动，留出放置导线7的夹持距离，夹持距离要大于导线7直径；

步骤2、将导线7放在预留位置中，且零线704中心和其对侧左侧火线701中心的连线l1垂直于左侧矩形挡块1或右侧矩形挡块8与导线7接触面，另外上侧火线702和下侧火线703中心连线l2平行于左侧矩形挡块1或右侧矩形挡块8与导线7接触面；转动左侧手动转柄3和右侧手动转柄13，使左侧矩形挡块1和右侧矩形挡块8向导线7位置移动，最终夹紧导线7；

步骤3、将连接对称负载的导线7接入标准三相交流电；

步骤4、通过直线电机4带动螺纹丝杠5转动，其上的螺母9可直线往复移动，螺母9可使传感器调整台14通过可滑动键10在u型架6内的直线键槽中进行直线往复运动，由导线7周围磁场分布可知，当传感器模块12缓慢的由导线7一侧经过另一侧时，使传感器模块12输出电压大小相等方向相反的点即为定位点并固定传感器模块12；

步骤5、向导线7通入被测实际交流电流进行测量，当传感器模块12输出电压信号大小相等方向相反时，记此时刻为t0时刻，此时被测交流电流特征为公式如下：

i1t0＝i4t0＝0

i2t0＝-i3t0

可以得到三相交流电流的有效值，公式如下：

或

其中i1t0、i2t0、i3t0和i4t0分别为t0时刻左侧火线701、上侧火线702、下侧火线703和零线704电流，i有效值为三相交流电流的有效值大小，2a为竖直方向上侧火线702和下侧火线703中心之间的距离，(x1,y1)为传感器模块12在定位点处左侧磁感应单元120101的坐标，(x2,y2)为传感器模块12在定位点处右侧磁感应单元120201的坐标，elt0为传感器模块12中左侧压电薄膜120104在t0时刻输出电压，erto为传感器模块12中右侧压电薄膜120204在t0时刻输出电压，br为左侧磁感应单元120101或右侧磁感应单元120201剩余磁通量，v为左侧磁感应单元120101或右侧磁感应单元120201的体积，t为左侧压电薄膜120104或右侧压电薄膜120204的2倍厚度，w为左侧悬臂梁120102或右侧悬臂梁120202的宽度，l为左侧悬臂梁120102或右侧悬臂梁120202的长度，d31为压电系数，ε31为介电常数。

以上本发明测量电压与电流关系如下：

被测三相四线制对称负载交流电流有效值可通过以下方法求得：

测量过程中左侧导线、上侧导线和下侧导线为火线，右侧导线为零线。导线中通入国家标准的三相交流电，频率为50hz，相位差为120度，其中左侧火线电流值为i1，零线电流值为i4，上侧火线电流值为i2，下侧火线电流值为i3，由于所连接的是对称负载，即各相负载的大小相等，性质相同，所以零线电流值i4始终为0，将所述传感器模块固定在定位点处时即传感器模块关于直线l2对称点，当左侧火线电流值i2变为0时，两个磁感应单元获得大小相等方向相反的磁场力，分别驱动悬臂梁产生大小相等方向相反的变形，使悬臂梁上压电薄膜输出大小相等方向相反的电压，从而可以计算出三相四线制交流电流有效值。

根据以下公式可得到导线周围任意位置的磁场梯度，磁感应单元所受磁场力大小。四根导线周围磁场分布及磁场梯度计算如下：

单根导线周围的磁场强度:

左侧火线周围的磁场强度：

上侧火线周围的磁场强度：

下侧火线周围的磁场强度：

左侧火线磁场强度在x方向上的分量：

上侧火线磁场强度在x方向上的分量：

下侧火线磁场强度在x方向上的分量：

空间中一点x方向合成磁场强度：

其中i为任意大小电流值，r为空间中任意一点到单根导线中心的径向距离，(x,y)为以4根导线中心建立的坐标系内任意一点坐标，2b为水平方向两根火线中心之间的距离，2a为竖直方向两根火线中心之间的距离，i1、i2和i3分别为左侧火线、上侧火线和下侧火线中电流，规定电流由上到下为正，反之为负；

对左侧火线、上侧火线和下侧火线在x方向磁场强度以及合成磁场强度求导可得相应磁场梯度，并进一步得磁场力公式如下：

左侧火线在x方向上的磁场梯度：

上侧火线在x方向上的磁场梯度：

下侧火线在x方向上的磁场梯度：

空间中一点x方向合成磁场梯度：

磁感应单元在磁场中受力：

磁感应单元在空间中一点受x方向上的力为:

其中br为磁感应单元剩余磁通量、v为磁感应单元体积、fx为四根导线周围任意位置磁感应单元所受x方向磁场力。

传感器模块上压电薄膜输出电压与磁感应单元所受x方向磁场力关系：

导线电流与压电薄膜输出电压关系：

其中br为磁感应单元剩余磁通量，v为磁感应单元的体积，2b为水平方向两根火线中心之间的距离，2a为竖直方向两根火线中心之间的距离，t为压电薄膜厚度的2倍，w为悬臂梁宽度，l为悬臂梁长度，d31为压电系数，(x,y)为以4根导线中心建立的坐标系内任意一点坐标，ε31为介电常数，e为压电薄膜输出电压，i1、i2和i3分别为左侧火线、上侧火线和下侧火线中电流。

当传感器模块固定在定位点处，且传感器模块输出电压大小相等方向相反时，记此时刻为t0，此时电流特征为：

i1t0＝i4t0＝0

i2t0＝-i3t0

t0时刻磁感应单元在传感器模块定位点处受x方向上的力为：

flxt0＝-frxt0

t0时刻导线电流与传感器模块中压电薄膜输出电压关系：

i1t0＝i4t0＝0

i2t0＝-i3t0

elt0＝-ert0

三相四线制交流电流有效值可求得为：

或

其中i1t0、i2t0、i3t0和i4t0分别为t0时刻左侧火线、上侧火线、下侧火线和零线电流，i有效值为三相交流电流的有效值大小，2a为竖直方向上侧火线和下侧火线中心之间的距离，(x1,y1)为传感器模块在定位点处左侧磁感应单元的坐标，(x2,y2)为传感器模块在定位点处右侧磁感应单元的坐标，flxt0为左侧磁感应单元在t0时刻受到x方向的磁场力，frxt0为右侧磁感应单元在t0时刻受到x方向的磁场力，elt0为传感器模块中左侧压电薄膜在t0时刻输出电压，erto为传感器模块中右侧压电薄膜在t0时刻输出电压。br为左侧磁感应单元、右侧磁感应单元剩余磁通量，v为左侧磁感应单元、右侧磁感应单元的体积，t为左侧压电薄膜、右侧压电薄膜厚度的2倍，w为左侧悬臂梁、右侧悬臂梁的宽度，l为左侧悬臂梁、右侧悬臂梁的长度，d31为压电系数，ε31为介电常数。