一种导线电流测量装置及方法与流程

本发明涉及电流测量技术领域，特别是涉及一种导线电流测量装置及方法。

背景技术：

电流传感器是电力系统计量、继电保护、控制与监视系统的基础，在电网运行中，需要通过监测电网中的电流等参数实时分析电力系统运行状态。目前电流测量分为侵入式测量和非侵入式测量。侵入式测量需要在测量电路中串接测量元件，且测量电流的范围较小，其使用受到很大限制，非侵入式测量已成为必不可少的检测手段。

现有技术中非侵入式测量装置主要包括电磁式电流互感器和霍尔传感器。但电磁式电流互感器存在绝缘结构复杂、铁心饱和、测量误差大等缺点，霍尔传感器在测量大电流时存在饱和现象，且具有较大的温漂。此外，由于输电线路、配电线路及母线上的安装空间极其有限，而电磁式电流互感器和霍尔传感器都需要铁芯进行聚磁，做成环状结构，体积相对较大，不便安装。且其制作需要消耗大量的金属资源，制作成本高。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种导线电流测量装置及方法，体积及制备成本低，便于安装，且温漂小、灵敏度高。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种导线电流测量装置，包括壳体，还包括设置于所述壳体内的、用于测量待测导线x轴方向的磁场矢量的x轴一维磁阻芯片、与所述x轴一维磁阻芯片在同一位置且垂直分布、用于测量待测导线y轴方向的磁场矢量的y轴一维磁阻芯片、adc模块及控制模块，其中：

所述adc模块的第一输入端与所述x轴一维磁阻芯片的输出端连接，第二输入端与所述y轴一维磁阻芯片的输出端连接；

所述控制模块的输入端分别与所述adc模块的第一输出端和第二输出端连接，用于根据毕奥-萨伐尔定律、所述x轴一维磁阻芯片与所述待测导线的圆心之间的距离、转换为数字量的x轴方向的磁场矢量和y轴方向的磁场矢量得到所述待测导线的电流值。

优选地，在所述待测导线与所述壳体的一个点相切时，所述主控模块还用于根据所述x轴一维磁阻芯片到所述壳体的预设点的预设距离、所述预设点到切点的距离、转换为数字量的x轴方向的磁场矢量和y轴方向的磁场矢量得到所述待测导线的截面积；

其中，所述预设点、所述切点及所述待测导线的圆心在一条直线上；所述x轴一维磁阻芯片与所述壳体的预设点的所在直线和所述壳体的预设点与所述待测导线的圆心的所在直线垂直。

优选地，还包括：

设置于所述x轴一维磁阻芯片的输出端与所述adc模块的第一输入端之间的第一放大器，用于对x轴方向的磁场矢量进行放大；

设置于所述y轴一维磁阻芯片的输出端与所述adc模块的第二输入端之间的第二放大器，用于对y轴方向的磁场矢量进行放大。

优选地，还包括：

设置于所述壳体上，用于将所述待测导线固定在所述壳体上的固定装置。

优选地，所述固定装置为u型卡扣。

优选地，所述u型卡扣的开口向下，所述u型卡扣的一个端口与所述壳体铰接，另一个端口与所述壳体可拆卸连接。

优选地，所述壳体设有与所述待测导线相互配合的内凹面。

优选地，所述u型卡扣为开口向上的弹性卡扣。

优选地，所述u型卡扣为塑料卡扣。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种导线电流测量方法，应用于如上述所述的导线电流测量装置中，该方法包括：

x轴一维磁阻芯片测量待测导线的x轴方向的磁场矢量，y轴一维磁阻芯片测量待测导线的y轴方向的磁场矢量；

adc模块将所述x轴方向的磁场矢量由模拟量转换为数字量，将所述y轴方向的磁场矢量由模拟量转换为数字量；

控制模块根据毕奥-萨伐尔定律、所述x轴一维磁阻芯片与所述待测导线的圆心之间的距离、转换为数字量的x轴方向的磁场矢量和y轴方向的磁场矢量得到所述待测导线的电流值。

本申请考虑到一维磁阻传感器有着高可集成度、高灵敏度、小体积、廉价、小温漂、测量范围宽的优点，因此，本申请通过垂直分布的两个一维磁阻芯片分别采集待测导线在磁阻芯片位置处的磁场矢量，再结合x轴一维磁阻芯片(或者也可以说是y轴一维磁阻芯片)与待测导线的圆心之间的距离及毕奥-萨伐尔定律便可以得到待测导线的电流值，从而使得导线电流测量装置的体积及制备成本低，便于安装，且温漂小、灵敏度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明提供的一种导线电流测量装置的结构示意图；

图2为本发明提供的一种利用毕奥-萨伐尔定律得到待测导线的电流值的原理图；

图3为本发明提供的一种设置有开口向下的u型卡扣的导线电流测量装置的结构示意图；

图4为本发明提供的一种导线电流测量方法的流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种导线电流测量装置及方法，体积及制备成本低，便于安装，且温漂小、灵敏度高。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

请参照图1，图1为本发明提供的一种导线电流测量装置的结构示意图，该装置包括壳体1，还包括设置于壳体1内的、用于测量待测导线x轴方向的磁场矢量的x轴一维磁阻芯片2、与x轴一维磁阻芯片2在同一位置且垂直分布、用于测量待测导线y轴方向的磁场矢量的y轴一维磁阻芯片3、adc模块4及控制模块5，其中：

adc模块4的第一输入端与x轴一维磁阻芯片2的输出端连接，第二输入端与y轴一维磁阻芯片3的输出端连接；

控制模块5的输入端分别与adc模块4的第一输出端和第二输出端连接，用于根据毕奥-萨伐尔定律、x轴一维磁阻芯片2与待测导线的圆心之间的距离、转换为数字量的x轴方向的磁场矢量和y轴方向的磁场矢量得到待测导线的电流值。

具体地，本申请提供的导线电流测量装置中，设置了两个一维磁阻芯片来测量待测导线的磁场矢量，这两个一维磁阻芯片分别为x轴一维磁阻芯片2和y轴一维磁阻芯片3，x轴一维磁阻芯片2和y轴一维磁阻芯片3设置在同一位置处且互相垂直，以测量该位置处的x轴方向的磁场矢量bx和y轴方向的磁场矢量by。本申请对于x轴一维磁阻芯片2和y轴一维磁阻芯片3的设置位置不作特别的限定，根据实际情况来定。

在测量到x轴一维磁阻芯片2(因为x轴一维磁阻芯片2和y轴一维磁阻芯片3设置在同一位置处，因此，这里也可以说是y轴一维磁阻芯片3)所在位置处的x轴方向的磁场矢量bx和y轴方向的磁场矢量by后，adc模块4将x轴方向的磁场矢量bx和y轴方向的磁场矢量by由模拟量转换为数字量，控制模块5在接收到数字量的x轴方向的磁场矢量bx和y轴方向的磁场矢量by后再结合x轴一维磁阻芯片2与待测导线的圆心之间的距离、毕奥-萨伐尔定律得到待测导线的电流值。

此外，需要说明的是，可以将导线与导线电流测量装置理解成点相切，在实际应用中，待测导线只有很短的一段与导线电流测量装置相切，为方便计算，可以将与导线电流测量装置相切的那一段待测导线(高很小的圆柱体)理解成一个面，这个面的圆心也即本申请提到的圆心。

根据毕奥-萨伐尔定律，可以得到x轴一维磁阻芯片2的磁场矢量为：

其中，μ0为真空磁导率，其值是4π×10-7tm/a，d为x轴一维磁阻芯片2与待测导线的圆心之间的距离，可以预先得到。

又

则

请参照图2，图2为本发明提供的一种利用毕奥-萨伐尔定律得到待测导线的电流值的原理图。

假设待测导线的电流为i，其半径未知，待测导线紧靠导线电流测量装置，o点为导线电流测量装置与待测导线的接触点(也即切点)，a点为导线电流测量装置的中心点(也即本申请中的预设点)，c点为x轴一维磁阻芯片2(或者y轴一维磁阻芯片3)的位置，aob三点在一条直线上，ac之间的距离l已知，设ao、bo、bc之间的距离分别是m、r、d，其中m的值已知。通过双轴磁阻芯片可直接测得该导线在c点的磁场强度，分别为bx和by，则：

通过上式可计算得到r值，为：

则

则

综上，本申请区别与现有技术中其他电流传感器，考虑到一维磁阻传感器有着高可集成度、高灵敏度、小体积、廉价、小温漂、测量范围宽的优点，因此，本申请通过垂直分布的两个一维磁阻芯片分别采集待测导线在磁阻芯片位置处的磁场矢量，再结合x轴一维磁阻芯片2(或者也可以说是y轴一维磁阻芯片3)与待测导线的圆心之间的距离及毕奥-萨伐尔定律便可以得到待测导线的电流值，从而使得导线电流测量装置的体积及制备成本低，便于安装，且温漂小、灵敏度高。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，在待测导线与壳体1的一个点相切时，主控模块还用于根据x轴一维磁阻芯片2到壳体1的预设点的预设距离、预设点到切点的距离、转换为数字量的x轴方向的磁场矢量和y轴方向的磁场矢量得到待测导线的截面积；

其中，预设点、切点及待测导线的圆心在一条直线上；x轴一维磁阻芯片2与壳体1的预设点的所在直线和壳体1的预设点与待测导线的圆心的所在直线垂直。

gb/t3485-1998《评价企业合理用电技术导则》中要求按照经济电流密度来选择导线的截面积，导线电流过大易引起导线过热，破坏导线的绝缘特性和电气特性。当电力系统进行动态增容、过载特性试验等时，需要确定导线的截面积。

本实施例提供的导线电流测量装置的控制模块5还能得到待测导线的截面积，为方面对本实施例的理解，下面结合一实例来对本实施例作介绍：

请参照图2，图2为本发明提供的一种利用毕奥-萨伐尔定律得到待测导线的电流值的原理图。

假设待测导线的电流为i，其半径未知，待测导线紧靠导线电流测量装置，o点为导线电流测量装置与待测导线的接触点(也即切点)，a点为导线电流测量装置的中心点(也即本申请中的预设点)，c点为x轴一维磁阻芯片2(或者y轴一维磁阻芯片3)的位置，aob三点在一条直线上，ac之间的距离l已知，设ao、bo、bc之间的距离分别是m、r、d，其中m的值已知。通过双轴磁阻芯片可直接测得该导线在c点的磁场强度，分别为bx和by，则：

通过上式可计算得到r值，为：

可计算得到导线截面积s为：

上述实例只是本实施例中的一种，也可以扩展到待测导线不与导线电流测量装置紧靠的情况，原理与上述实施例的原理相同。

可见，通过本实施例，工作人员能够获知各个待测导线的截面积，有利于后续按照经济电流密度来选择导线的截面积。

作为一种优选地实施例，adc模块4为双通道adc。

由于需要对x轴一维磁阻芯片2输出的x轴方向的磁场矢量bx进行模数转换，需要对y轴一维磁阻芯片3输出的y轴方向的磁场矢量by进行模数转换，因此，这里需要两个adc，本实施例中选择了双通道adc，与两个单通道adc相比，集成度高，体积小，进一步减小了导线电流测量装置的体积。

作为一种优选地实施例，还包括：

设置于x轴一维磁阻芯片2的输出端与adc模块4的第一输入端之间的第一放大器，用于对x轴方向的磁场矢量进行放大；

设置于y轴一维磁阻芯片3的输出端与adc模块4的第二输入端之间的第二放大器，用于对y轴方向的磁场矢量进行放大。

为了方便控制模块5进行信号处理，提高信号处理精度，本实施例中，还设置了第一放大器和第二放大器，用来分别对x轴方向的磁场矢量进行放大及对y轴方向的磁场矢量进行放大。本实施例中的第一放大器和第二放大器可以但不仅限是基于运算放大器的放大电路。

作为一种优选地实施例，还包括：

设置于壳体1上，用于将待测导线固定在壳体1上的固定装置6。

具体地，本实施例提供的导线电流测量装置还包括设置于壳体1上的固定装置6，用于将待测导线固定在壳体1上，从而保证待测导线不会乱动，保证了x轴方向的磁场矢量和y轴方向的磁场矢量的测量精确性，进而保证了待测导线的电流值的测量精确性。作为一种优选地实施例，固定装置6为u型卡扣。

具体地，固定装置6可以为u型卡扣，u型卡扣具有结构简单的优点。当然，这里的固定装置6也可以其他类型的固定装置6，本实施例在此不作特别的限定。

作为一种优选地实施例，u型卡扣的开口向下，u型卡扣的一个端口与壳体1铰接，另一个端口与壳体1可拆卸连接。

作为一种优选地实施例，壳体1设有与待测导线相互配合的内凹面。

具体地，请参照图3，图3为本发明提供的一种设置有开口向下的u型卡扣的导线电流测量装置的结构示意图。

在放置待测导线之前，u型卡扣的可拆卸端口不与壳体1连接，在放置完待测导线后，u型卡扣的可拆卸端口与壳体1连接，以将待测导线固定在壳体1上。此外，为了进一步将待测导线固定，壳体1上还设置有内凹面，该内凹面与待测导线相互配合。

作为一种优选地实施例，u型卡扣为开口向上的弹性卡扣。

作为一种优选地实施例，u型卡扣为塑料卡扣。

具体地，这里的u型卡扣还可以为开口向上的弹性卡扣，该开口的长度小于待测导线的直径，在放置待测导线时，由于弹性卡扣具有弹性，该开口会变大，待待测导线放置进去后，开口会恢复原样。比起开口向下的弹性卡扣，该u型卡扣的结构更加简单。

这里的u型卡扣可以但不仅限为塑料卡扣，一方面，塑料卡扣绝缘，减小对导线电流测量装置测量时的影响；另一方面，塑料卡扣的重量较轻，进一步减小了导线电流测量装置的重量。

请参照图4，图4为本发明提供的一种导线电流测量方法的流程图，应用于如上述实施例的导线电流测量装置中，该方法包括：

s11：x轴一维磁阻芯片测量待测导线的x轴方向的磁场矢量，y轴一维磁阻芯片测量待测导线的y轴方向的磁场矢量；

s12：adc模块将x轴方向的磁场矢量由模拟量转换为数字量，将y轴方向的磁场矢量由模拟量转换为数字量；

s13：控制模块根据毕奥-萨伐尔定律、x轴一维磁阻芯片与待测导线的圆心之间的距离、转换为数字量的x轴方向的磁场矢量和y轴方向的磁场矢量得到待测导线的电流值。

对于本发明提供的导线电流测量方法的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。