磁场聚集组件、非接触式泄漏电流测量装置及测量方法与流程
本发明涉及电力设备对地泄漏电流测量领域，具体涉及磁场聚集组件、非接触式泄漏电流测量装置及测量方法。
背景技术：
电力设备智能化与自动化运维一直是电网技术的发展方向，目前，大数据、物联网技术得到了长足发展，极大地扩大了电力设备在线监测技术的应用范围和领域。绝缘性能关系着电力设备的安全可靠运行，一直是在线监测技术关注的重点。特别地，绝缘电阻、相对介损值等多项绝缘性能相关指标参数的监测都需要对电力设备对地泄漏电流进行测量。
电力设备对地泄漏电流由于有效值只有数毫安至百毫安级别，且处于强磁场环境下，其测量一直是制约电力设备绝缘性能监测的难点。以往在线测量电力设备泄漏电流最普遍的方式是在电力设备接地回路中串入零磁通电流互感器，通过零磁通互感器对接地泄漏电流进行测量。然而，这种方式在实际应用中已经暴露出了诸多问题，因此，现阶段逐步将基于电流-磁场原理的非接触式测量系统和测量方式应用到测量安装于支撑钢柱上电力设备的对地泄漏电流，使得装置安装时无需电力设备停电，并且运行时不用改变电力设备本身结构和原有接地回路电气连续性，有效地提高电力设备对地泄漏电流测量过程的安全性和可靠性。
但是，传统的非接触式测量系统主要针对较强的测量信号，当应用于有效值只有数毫安至百毫安级别的电力设备对地泄漏电流的测量时，往往由于测量信号微弱而导致测量准确度差，并且，为提高测量准确度，通常在信号处理电路板中加入多个高精度信号处理电路，信号处理步骤繁杂，生产成本高。为此，有必要重新设计非接触式测量系统，以满足电力设备对地泄漏电流测量的精度要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供磁场聚集组件、非接触式泄漏电流测量装置及测量方法，通过重新设计磁场聚集组件的结构，能够显著地提高极微弱电流下磁场传感器所测得的信号强度，并且通过优化信号处理电路板的模块和数据处理方式，能够准确、高效地测量有效值只有数毫安至百毫安的电力设备对地泄漏电流。
现有技术中，专利cn106093548a公开了一种非接触式的高精度轴电流测量装置，该测量装置用于测量船舶轴电流的大小，可以有效地了解船舶的防腐情况。该测量装置包括半圆形的第一磁聚环和第二磁聚环，两个磁聚环在被测轴的外周形成有两个不同位置的气隙，两个气隙中分别设置有第一磁传感器和第二磁传感器，对称设置的磁传感器利用电流-磁场原理测量气隙中的磁场，输出表征该磁场的电压信号至信号处理电路板，所述信号处理电路板通过对电压信号的处理后，计算得出被测轴的电流大小。
专利cn106093548a所应用的是目前普遍采用磁聚环结构，该结构也被称作单气隙结构。在单气隙结构中，一个气隙中放入一个磁传感器，即两个磁传感器分别设置于两个气隙中间以用于测量气隙内的磁场，磁场方向一般为从一块磁体指向另一块磁体。为了增大被测磁场，最有效和直接的手段是尽量缩小气隙宽度，从而增大被测磁场，提高信噪比。但是，由于气隙内需要放入磁传感器，因此气隙的宽度最小值将受限于磁传感器的尺寸大小，磁传感器的尺寸也就成为传统的磁场聚集器中提高信噪比的桎梏。对于专利cn106093548a中普通的电流测量，因为电流足够强，磁场也就足够强，不需要去进一步提高磁场聚集器的性能。但对于有效值只有数毫安至百毫安的电力设备对地泄漏电流，则必须进一步增大被测磁场的强度。
为此，发明人设计了一种四气隙结构，其将现有技术中放置在单个纵向气隙内的磁传感器放置于四个气隙的交汇处，利用上下或内外两个纵向气隙边沿的磁场叠加以显著提高被测磁场强度，同时，由于纵向磁场内无需放入磁传感器，纵向气隙的宽度不再受磁传感器尺寸限制，能够远小于磁传感器尺寸，进而大幅提高被测磁场强度。
具体地，本发明通过下述技术方案实现：
磁场聚集组件，包括至少两个同心设置的磁场聚集器，所述磁场聚集器上设置有纵向气隙，相邻的两个磁场聚集器之间形成有横向气隙，所述横向气隙中用于放置磁传感器。
本技术方案中的磁场聚集组件包括至少两个磁场聚集器，每个磁场聚集器均为现有的圆环形结构，且磁场聚集器上开设有纵向气隙，也即现有技术中单个磁聚环上的气隙。由于纵向气隙内的磁场强度更大、更均匀，传统的磁场传感器都放置于纵向气隙中测量电流所产生的磁场。为了测量更加微弱的电流则需要进一步增大磁场强度，而缩小纵向气隙之间的宽度是提升磁场强度最有效也是最直接的方式。但是，纵向气隙宽度的最小值受限于其内部放置的磁场传感器的尺寸，因此，若要进一步缩小纵向气隙宽度，则需要使用成本高昂的、更薄的磁场传感器，无疑增加了测量装置的生产成本，且该方法并没有从根本上解决纵向气隙宽度受限于磁场传感器尺寸的问题。
为了解决上述问题，发明人经过大量实验和仿真模拟，发现随着纵向气隙宽度缩小，不仅纵向气隙中间的磁场得到了增强，纵向气隙边沿的磁场也明显增强。基于此特点，本发明采用至少两个磁场聚集器同心设置的方式放置，也就是说，各磁场聚集器穿过圆心的中轴线共线。两个磁场聚集器的同心设置方式包括两种，第一种为一个磁场聚集器位于另一个磁场聚集器上方，另一种为一个磁场聚集器套设在另一个磁场聚集器外部。无论以上述何种方式设置，两个相邻的磁场聚集器之间形成了沿磁场聚集器周向开设的圆环状的横向气隙，所述横向气隙内用于放置磁传感器。
相比于现有技术中将磁传感器放置于纵向气隙中测量磁场，横向气隙内部的磁场主要为两个纵向气隙边沿泄漏的磁场的叠加。将磁场传感器设置在横向气隙中，使纵向气隙的宽度不再受磁传感器的尺寸限制，可以做得尽量小，例如小于1mm，纵向气隙的磁场强度对其宽度的变化非常敏感，因此宽度缩小后得以显著地增强纵向气隙中的磁场以及纵向气隙边沿的磁场，通过泄漏磁场的叠加，位于横向气隙中的磁传感器所测量的磁感应强度将远大于传统单气隙结构的磁感应强度。
作为本发明的一种优选结构，设置有磁传感器的横向气隙的相邻的两个磁传感器的纵向气隙对齐。如图1所示，此时磁场传感器位于两个磁场聚集器的纵向气隙之间，磁场传感器将又将横向气隙分隔为两部分，因此构成了四气隙结构，而磁场传感器正好位于横向气隙和纵向气隙的交汇处，交汇处两个纵向气隙边沿的磁场强度最大化，通过两个边沿磁场的叠加能够显著提高待测磁场强度。
优选地，磁场传感器的测量方向与被测磁场方向平行摆放以进一步提高磁场强度。
优选地，磁场聚集器的磁芯材料采用纳米晶。
通过上述设置，使得磁场聚集器的纵向气隙宽度不再受磁场传感器的尺寸限制，最小化的纵向气隙宽度显著地提高了纵向气隙边沿的磁场强度，位于横向间隙内的磁场传感器同时测量两个叠加的边沿磁场，被测磁场强度远大于传统单气隙结构的磁场强度，提高信噪比，进而能够测量有效值只有数毫安至百毫安的泄漏电流，满足电力设备对地泄漏电流测量的精度要求。
根据实际使用需求，磁场聚集组件中的磁场聚集器的数量可以仅为两个，也可以为两个以上，且各磁场聚集器上的纵向气隙的个数可以为一个也可以为多个。
优选地，为了降低生产成本，本发明的磁场聚集组件优选采用两个同心设置的磁场聚集器。
作为本发明磁场聚集组件的一个优选实施方式，所述磁场聚集器包括第一磁场聚集器，以及位于第一磁场聚集器上方的第二磁场聚集器，所述第一磁场聚集器、第二磁场聚集器上各设置有两个纵向气隙，所述两个纵向气隙关于磁场聚集器的中轴线对称设置，第一磁场聚集器和第二磁场聚集器之间设置有横向气隙。第一磁场聚集器和第二磁场聚集器之间形成横向气隙，第一磁场聚集器上设置有两个关于第一磁场聚集器中轴线对称设置的纵向气隙，第二磁场聚集器上设置有两个关于第二磁场聚集器中轴线对称设置的纵向气隙。优选地，第一磁场聚集器上的纵向气隙与第二磁场聚集器上的纵向气隙一一对齐，形成两个关于磁场聚集器中心轴对称设置的四气隙结构，所述四气隙结构用于放置磁场传感器。
作为本发明磁场聚集组件的另一个优选实施方式，所述磁场聚集器包括第一磁场聚集器，以及位于第一磁场聚集器外部的第二磁场聚集器，所述第一磁场聚集器、第二磁场聚集器上各设置有两个纵向气隙，所述两个纵向气隙关于磁场聚集器的中轴线对称设置，第一磁场聚集器和第二磁场聚集器之间设置有横向气隙。所述第二磁场聚集器的内径大于第一磁场聚集器的外径。与上、下放置方式类似，第一磁场聚集器和第二磁场聚集器之间形成横向气隙，第一磁场聚集器上设置有两个关于第一磁场聚集器中轴线对称设置的纵向气隙，第二磁场聚集器上设置有两个关于第二磁场聚集器中轴线对称设置的纵向气隙。优选地，第一磁场聚集器上的纵向气隙与第二磁场聚集器上的纵向气隙一一对齐，形成两个关于磁场聚集器中心轴对称设置的四气隙结构，所述四气隙结构用于放置磁场传感器。
进一步地，所述横向气隙的宽度不大于5mm，所述纵向气隙的宽度不大于1mm。优选地，所述横向气隙的宽度可控制在2～3mm，足够放入信号处理电路板、传感器芯片的厚度即可；纵向气隙的宽度按照当前的加工工艺可缩小至0.5～1.0mm。
本发明还提供了一种基于上述磁场聚集组件的非接触式泄漏电流测量装置。与现有技术相同的是，该测量装置包括外壳，外壳内设置有第一磁场聚集器、第一磁传感器、第二磁传感器和信号处理电路。
与现有技术不同的是，所述测量装置的磁场聚集组件采用两个磁场聚集器组成，形成两个对称设置的四气隙结构以放置第一磁传感器和第二磁传感器。
具体地，外壳内还设置有第二磁场聚集器和隔板，所述隔板用于分隔第一磁场聚集器和第二磁场聚集器，所述第一磁场聚集器和第二磁场聚集器同心设置，第一磁场聚集器和第二磁场聚集器上各设置有两个纵向气隙，第一磁场聚集器和第二磁场聚集器之间设置有横向气隙，所述第一磁传感器、第二磁传感器和信号处理电路位于横向气隙内，第一磁传感器和第二磁传感器位于第一磁场聚集器的纵向气隙和第二磁场聚集器的纵向气隙之间，且第一磁传感器和第二磁传感器关于磁场聚集器的中轴线对称设置；所述第一磁传感器和第二磁传感器用于测量横向气隙中的磁场，并输出表征所述磁场的电压信号，所述信号处理电路用于接收所述电压信号，对电压信号进行处理并输出测量结果。
第一磁场聚集器和第二磁场聚集器的设置方式同样包括上下设置和内外设置两种。
外壳用于固定第一磁场聚集器和第二磁场聚集器，保证各自相对位置固定不变，此外还为其内部的磁场传感器、磁场聚集器、信号处理电路等部件提供防护，保证各自长期稳定运行。外壳的内部设置有隔板，所述隔板用于分隔第一磁场聚集器和第二磁场聚集器。对于第一磁场聚集器和第二磁场聚集器的上下设置的方式，所述隔板水平设置于外壳内部，将外壳分隔为上、下两部分以分别容纳第二磁场聚集器和第一磁场聚集器；对于第一磁场聚集器和第二磁场聚集器的内外设置的方式，所述隔板竖直设置于外壳内部，将外壳分为内、外两部分以分别容纳第一磁场聚集器和第二磁场聚集器。在横向气隙与纵向气隙的交汇处，也即四气隙结构处，隔板设置有安装槽以用于固定安装第一磁传感器和第二磁传感器，同样地，隔板上还设置有用于安装信号处理电路板及其他电器元件的安装槽。外壳采用分体式结构，优选地，外壳由两块对称的半圆环壳体构成，各个半圆环壳体内均装有一半第一磁场聚集器和一半第二磁场聚集器，当两块壳体卡接于钢柱上时，外壳外表面封闭，第一磁场聚集器、第二磁场聚集器上各自形成两个纵向气隙。两块壳体的连接方式为可拆卸连接，优选地，两块壳体采用螺纹连接的方式进行连接。具体地，两块壳体上均设置有安装架，通过紧固螺栓穿过两块壳体的安装架上的螺孔以实现紧固。
第一磁传感器和第二磁传感器分别位于两个中心对称的四气隙结构中，通过测量上、下或者内、外两个纵向气隙的叠加边沿磁场，以在微弱电流下获得更强的磁感应强度，并向信号处理电路发送更强的电压信号，信号处理电路接收所述电压信号，对电压信号进行处理并输出测量结果。
在部分实施例中，外壳内还设置有电源供电模块，该电源供电模块用于对非接触式泄漏电流测量装置的各元器件进行供电。在部分实施例中，所述电源供电模块也可以是位于外壳外部的外置式组件。
通过试验和仿真模拟发现，由于该非接触式泄漏电流测量装置应用了四气隙结构，对于流过300mm直径的钢柱内200ma的泄漏电流，四气隙结构的横向气隙与纵向气隙的交汇处，也即放置磁传感器的位置的磁感应强度可以从现有技术的100-200mgs增大至1000-1200mgs，磁场传感器的信噪比和灵敏度得到显著提升。不仅如此，显著提升的磁感应强度使得本发明所提供的非接触式泄漏电流测量装置不再需要像专利cn106093548a的信号电路处理板中一样设计置位/复位电路以重置传感器内部磁畴、进而提高灵敏度，有效地简化了信号处理电路设计和处理步骤，降低了生产成本同时提高了信号处理效率，具有广泛的应用价值。
现有技术中，信号处理电路在接收到两个磁传感器发送的电压信号后，对电压信号进行差分放大后再进行信号叠加运算，其信号计算方式如图7所示。第一磁传感器的两个输出端口各自输出差分电压信号v1+和v1-，第二磁传感器的两个输出端口各自输出差分电压信号v2+和v2-。其中：
v1+＝vb/2+v1i/2+vd/2
v1-＝vb/2-v1i/2-vd/2
v2+＝vb/2+v2i/2+(-vd/2)
v2-＝vb/2-v2i/2-(-vd/2)
上述公式中，vb为第一/第二磁传感器的电桥电压，vd为地磁场及干扰磁场对应测量输出电压信号，第一磁传感器的输出v1+、v1-电位为vb电位上下对称的一对差分信号，v1i为被测电流对应第一磁传感器测量输出电压信号，第二磁传感器的输出v2+、v2-电位为vb电位上下对称的一对差分信号，v2i为被测电流对应第二磁传感器测量输出电压信号。
第一磁传感器和第二磁传感器各自输入接入差分电路以将差模信号转为共模信号输出，即将两输入电位v1+、v1-(v2+、v2-)相减，即可得到：
v1＝v1i+vd
v2＝v2i-vd
之后再将差分电路输入各自接入加法电路相加，即可去除磁场引起的测量分量：
v＝v1+v2＝v1i+v2i
现有的信号计算方式在应用到微弱电流测量时存在问题。当采用本发明的非接触式泄漏电流测量装置进行测量时，四气隙的结构显著地增强了感应磁场强度，微弱电流信号被放大的同时，地磁场信号也相应地被放大，但微弱电流对应磁场极小，甚至小于地磁场数倍，若将微弱磁场放大到目标水平，则地磁场亦将达到目标水平的数倍，这就有可能超过放大电路的电源范围，使放大电路输出饱和，对放大电路的电源提出了很高的要求。例如，微弱信号为25mv，地磁场信号为500mv，为达到后级电路处理要求，将微弱电流信号放大40倍至1v，此时地磁场信号理论上将同样被放大40倍至20v，这就要求在理论上放大器电源要设置为
为了解决上述问题，使得信号处理电路适应微弱电流信号的测量。本发明将信号处理电路中的信号叠加运算步骤置于差分放大步骤之前。具体地，所述信号处理电路接收第一磁传感器和第二磁传感器输出的电压信号后，所述电压信号依次经过信号跟随、信号叠加运算、差分放大、滤波处理后输出测量结果。其中，电压信号首先进入信号跟随电路，实现信号隔离，保证后级信号处理电路不影响磁场传感器中电桥电路的正常运行性能；信号叠加运算将电压信号相加，去除地磁场及外部干扰磁场影响，再通过信号差分放大电路得到被测电流对应传感器输出信号；带通滤波电路，进一步去除信号中直流及高频分量。
在部分实施例中，还包括信号校准电路，滤波后的被测电流对应传感器输出信号输入校准电路，通过校准试验后，补偿灵敏度系数与磁感应强度系数，输出传感器模拟量。所述传感器模拟量除直接输出外，还通过ad采样转化为对应数字量，输入数字信号处理单元。数字信号处理单元由arm+fpga构架搭建，在接入时钟同步信号后，输出经过时钟同步采样值信号，并通过通信模块输入采样值报文。
进一步地，本发明重新设计了信号叠加运算步骤，所述信号叠加运算步骤具体包括：对于第一磁传感器输出的差分电压信号v1+和v1-，第二磁传感器输出差分电压信号和v2+和v2-，将v1+与v2+相加得到高端电位v+，v1-与v2-相加得到低端电位v-，再将高端电位v+和低端电位v-相加以得到电压信号v。如图8所示，将第一磁传感器和第二磁传感器的高端同时输入差分电路高端，同时将第一磁传感器和第二磁传感器的低端同时输入差分电路低端，此时差分电路的高端输入端电位为两个磁传感器高端电位相加，差分电路的低端输入端电位为两个磁传感器低端电位相加，即
v+＝v1++v2+＝vb+v1i/2+v2i/2
v-＝v1-+v2-＝vb-v1i/2-v2i/2
在输入差分电路前，通过磁传感器高端与低端对接输入，已经将地磁场及干扰信号的高端电位与低端电位分别进行了抵消，输入差分电路时，已经没有地磁场信号的任何分量，只是叠加了大小为vb的电桥电压直流分量，而该分量又属于共模信号，在经过差分放大电路处理后，自动抵消，亦不会对被测信号及差分电路造成影响。
之后，通过差分电路将对接后的高低端分别相加，可以得到输出结果为：
v＝v+-v-＝v1i+v2i
由此可见，由于输入信号v+和v-不含有地磁场及干扰磁场分量，从根源上解决了在电路电源设计时有可能会产生的地磁场及干扰磁场分量过大所导致的放大电路饱和的问题。不仅如此，由于通过高端、低端各自对接，自动消除地磁场及干扰分量，整个电路只需要一个差分放大器即可实现传感器信号的差分采集，相较于传统方式中需要采用两个差分放大器和一个加法放大器的电路设计，节约了成本，简化了电路结构，减少了可能引入误差的环节。
进一步地，所述外壳内还设置有温度传感器，所述温度传感器用于检测第一磁传感器和/或第二磁传感器的运行温度，并将温度数据发送至信号处理电路，所述信号处理电路对第一磁传感器和第二磁传感器输出的电压信号进行温度补偿。温度传感器安装在磁传感器附近，用于检测磁传感器的运行温度，同时，温度传感器与信号处理电路电连接，将温度数据信号发送至信号处理电路，通过补偿算法补偿磁传感器的温度漂移。优选地，温度补偿模块位于信号跟随模块和信号叠加运算模块之间。温度校正曲线按照二次系数补偿，补偿公式为：
ux25＝ux+a(t-25)2+b(t-25)
其中，ux25为校准温度下第一/第二磁传感器的输出信号，ux为第一/第二磁传感器原始输出信号值(v1+,v1-,v2+,v2-)，t为温度传感器输出信号对应温度，a、b为第一/第二磁传感器的温度补偿系数，由其自身性质决定。
通过上述设置，能够根据磁传感器的电压信号对磁传感器的输出信号进行灵敏度补偿，保证该输出信号对应灵敏度，始终为25摄氏度校准温度下的灵敏度，进一步提高测量结果的准确度。
本发明还提供一种基于上述任一种非接触式泄漏电流测量装置的测量方法，该测量方法包括以下步骤：
步骤一：将所述非接触式泄漏电流测量装置固定安装于待测量钢柱的外部；
步骤二：第一磁传感器向信号处理电路输出差分电压信号v1+和v1-，第二磁传感器向信号处理电路输出差分电压信号v2+和v2-；
步骤三：信号处理电路将v1+与v2+相加得到高端电位v+，将v1-与v2-相加得到低端电位v-，并将高端电位v+和低端电位v-相加得到电压信号v；
步骤四：对电压信号v进行差分放大、滤波处理后输出。
上述测量方法利用非接触式泄漏电流测量装置独特的四气隙结构设计，使得被测磁场强度远大于传统单气隙结构的磁场强度，提高信噪比，进而能够测量有效值只有数毫安至百毫安的泄漏电流，满足电力设备对地泄漏电流测量的精度要求，同时有效地简化了信号处理电路设计和处理步骤，降低了生产成本同时提高了信号处理效率。此外，通过将信号叠加运算步骤移至差分放大步骤之前，且更改信号计算方式，实现了信号处理电路的进一步简化，有效地降低了制造成本，减少了可能引入误差的环节，并且从根源上解决了在电路电源设计时有可能会产生的地磁场及干扰磁场分量过大所导致的放大电路饱和的问题。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的磁场聚集组件采用四气隙结构，使得磁场聚集器的纵向气隙宽度不再受磁场传感器的尺寸限制，最小化的纵向气隙宽度显著地提高了纵向气隙边沿的磁场强度，位于横向间隙内的磁场传感器同时测量两个叠加的边沿磁场，被测磁场强度远大于传统单气隙结构的磁场强度，提高信噪比，进而能够测量有效值只有数毫安至百毫安的泄漏电流，满足电力设备对地泄漏电流测量的精度要求；
2、本发明的非接触式泄漏电流测量装置采用两个同心设置的磁场聚集器，并将磁传感器至于对称设置的两个四气隙结构中，使得放置磁传感器的位置的磁感应强度可以从现有技术的100-200mgs增大至1000-1200mgs，磁场传感器的信噪比和灵敏度得到显著提升；
3、本发明的非接触式泄漏电流测量装置由于显著提升了磁感应强度，因此不必像现有技术一样需要设计置位/复位电路以重置传感器内部磁畴、进而提高灵敏度，从而有效地简化了信号处理电路设计和处理步骤，降低了生产成本同时提高了信号处理效率，具有广泛的应用价值；
4、本发明的信号处理电路优化了信号计算方式，一方面进一步简化电路结构，节约了成本，简化了电路结构，减少了可能引入误差的环节，另一方面由于输入信号v+和v-不含有地磁场及干扰磁场分量，从根源上解决了在电路电源设计时有可能会产生的地磁场及干扰磁场分量过大所导致的放大电路饱和的问题；
5、本发明通过设置温度传感器，能够根据磁传感器的电压信号对磁传感器的输出信号进行灵敏度补偿，保证该输出信号对应灵敏度，始终为25摄氏度校准温度下的灵敏度，进一步提高测量结果的准确度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明中四气隙结构的原理示意图；
图2为本发明具体实施例中一种磁场聚集组件的结构示意图；
图3为本发明具体实施例中另一种磁场聚集组件的结构示意图；
图4为本发明具体实施例中非接触式电流测量装置安装于钢柱上进行测量的示意图；
图5为本发明具体实施例中非接触式电流测量装置的剖视图；
图6为本发明具体实施例中非接触式电流测量装置的组成示意图；
图7为现有技术的测量方式中信号计算方式的流程框图；
图8为本发明具体实施例中信号处理电路的信号计算方式的流程框图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-第一磁场聚集器，2-第二磁场聚集器，3-纵向气隙，4-横向气隙，5-第一磁传感器，6-第二磁传感器，7-温度传感器，8-外壳，9-隔板，10-钢柱，11-安装架，12-紧固螺栓。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1：
如图2所示的磁场聚集组件，其磁场聚集器包括第一磁场聚集器1，以及位于第一磁场聚集器1上方的第二磁场聚集器2，第一磁场聚集器1、第二磁场聚集器2上各设置有两个纵向气隙3，两个纵向气隙3关于磁场聚集器的中轴线对称设置，第一磁场聚集器1和第二磁场聚集器2之间设置有横向气隙4；第一磁场聚集器1的纵向气隙3与第二磁场聚集器2的纵向气隙3对齐。
如图1和图2所示，此时第一磁场传感器5、第二磁场传感器6分别位于两个磁场聚集器的纵向气隙之间，磁场传感器将又将横向气隙分隔为两部分，因此构成了两个关于中心轴对称的四气隙结构，而磁场传感器正好位于横向气隙和纵向气隙的交汇处，交汇处两个纵向气隙边沿的磁场强度最大化，通过两个边沿磁场的叠加能够显著提高待测磁场强度。
通过试验和仿真模拟发现，对于流过300mm直径的钢柱内200ma的泄漏电流进行测量，若磁场传感器按照其尺寸需要5mm的气隙，磁芯材料使用纳米晶，采用传统的聚磁器单气隙结构，则气隙也至少为5mm，以磁场聚集器截面30mm×15mm计算，此时气隙中间的磁感应强度可以达到100～200mgs的范围。
若是应用四气隙结构，同样是5mm气隙的情况下，2组15mm×15mm截面(2组15mm×15mm与传统30mm×15mm的截面体积相同)的磁场聚集器构成四气隙结构，由于上、下两组磁场聚集器的磁场叠加，横向气隙与纵向气隙的交汇处，即放置传感器的位置的磁感应强度可以达到180～350mgs的范围，说明边沿磁场的叠加本身即可获得强于单气隙结构纵向气隙中的磁感应强度。
由于纵向气隙中无需放入磁传感器，因此，进一步地，将四气隙结构的纵向气隙宽度缩短至1mm，由于气隙磁感应强度增大受纵向气隙宽度缩小影响很大，此时横向气隙与纵向气隙的交汇处的磁感应强度可以达到1000～1200mgs的范围。
由此可见，四气隙结构使得磁场聚集器的纵向气隙宽度不再受磁场传感器的尺寸限制，最小化的纵向气隙宽度显著地提高了纵向气隙边沿的磁场强度，位于横向间隙内的磁场传感器同时测量两个叠加的边沿磁场，被测磁场强度远大于传统单气隙结构的磁场强度，提高信噪比，进而能够测量有效值只有数毫安至百毫安的泄漏电流，满足电力设备对地泄漏电流测量的精度要求。
在部分实施例中，所述横向气隙4的宽度不大于5mm，所述纵向气隙3的宽度不大于1mm。
在部分实施例中，磁场传感器的测量方向与被测磁场方向平行摆放以进一步提高磁场强度。
在部分实施例中，磁场聚集组件中的磁场聚集器的数量可以仅为两个，也可以为两个以上，且各磁场聚集器上的纵向气隙的个数可以为一个也可以为多个。
实施例2：
如图3所示，本发明的另一种磁场聚集组件包括第一磁场聚集器1，以及位于第一磁场聚集器1外部的第二磁场聚集器2，所述第一磁场聚集器1、第二磁场聚集器2上各设置有两个纵向气隙3，所述两个纵向气隙3关于磁场聚集器的中轴线对称设置，第一磁场聚集器1和第二磁场聚集器2之间设置有横向气隙4。
在部分实施例中，所述横向气隙4的宽度不大于5mm，所述纵向气隙3的宽度不大于1mm。
在部分实施例中，磁场传感器的测量方向与被测磁场方向平行摆放以进一步提高磁场强度。
在部分实施例中，磁场聚集组件中的磁场聚集器的数量可以仅为两个，也可以为两个以上，且各磁场聚集器上的纵向气隙的个数可以为一个也可以为多个。
实施例3：
一种非接触式泄漏电流测量装置，包括外壳8，所述外壳8内设置有第一磁场聚集器1、第一磁传感器5、第二磁传感器6和信号处理电路，所述外壳8内还设置有第二磁场聚集器2和隔板9，所述隔板9用于分隔第一磁场聚集器1和第二磁场聚集器2，所述第一磁场聚集器1和第二磁场聚集器2同心设置，第一磁场聚集器1和第二磁场聚集器2上各设置有两个纵向气隙3，第一磁场聚集器1和第二磁场聚集器2之间设置有横向气隙4，所述第一磁传感器5、第二磁传感器6和信号处理电路位于横向气隙4内，第一磁传感器5和第二磁传感器6位于第一磁场聚集器1的纵向气隙3和第二磁场聚集器2的纵向气隙(3)之间，且第一磁传感器5和第二磁传感器6关于磁场聚集器的中轴线对称设置；所述第一磁传感器5和第二磁传感器6用于测量横向气隙4中的磁场，并输出表征所述磁场的电压信号，所述信号处理电路用于接收所述电压信号，对电压信号进行处理并输出测量结果。
当第一磁场聚集器和第二磁场聚集器采用图2所示的上、下放置方式时，如图4所示，隔板9水平设置于外壳8内部，将外壳分隔为上、下两部分以分别容纳第二磁场聚集器和第一磁场聚集器。当第一磁场聚集器和第二磁场聚集器采用图3所示的内、外放置方式时，如图5所示，隔板9竖直设置于外壳内部，将外壳分为内、外两部分以分别容纳第一磁场聚集器和第二磁场聚集器。无论采用何种方式，在横向气隙与纵向气隙的交汇处，也即四气隙结构处，隔板设置有安装槽以用于固定安装第一磁传感器和第二磁传感器，同样地，隔板上还设置有用于安装信号处理电路板及其他电器元件的安装槽。
外壳采用分体式结构，如图5所示，外壳由两块对称的半圆环壳体构成，各个半圆环壳体内均装有一半第一磁场聚集器和一半第二磁场聚集器，当两块壳体卡接于钢柱上时，外壳外表面封闭，第一磁场聚集器、第二磁场聚集器上各自形成两个纵向气隙。两块壳体的连接方式优选采用螺纹连接的方式进行连接。两块壳体上均设置有安装架11，安装架上均设置有螺孔，通过紧固螺栓12穿过两块壳体的安装架上的螺孔以实现紧固连接。
在部分实施例中，外壳内还设置有电源供电模块，该电源供电模块用于对非接触式泄漏电流测量装置的各元器件进行供电。在部分实施例中，所述电源供电模块也可以是位于外壳外部的外置式组件。
本技术方案中，由于利用四气隙结构显著提升了磁感应强度，因此不必像现有技术一样需要设计置位/复位电路以重置传感器内部磁畴、进而提高灵敏度，从而有效地简化了信号处理电路设计和处理步骤，降低了生产成本同时提高了信号处理效率，具有广泛的应用价值。
实施例4：
在上述实施例的基础上，如图6所示，所述信号处理电路接收第一磁传感器5和第二磁传感器6输出的电压信号后，所述电压信号依次经过信号跟随、信号叠加运算、差分放大、滤波处理后输出测量结果。所述信号叠加运算步骤具体包括：对于第一磁传感器5输出的差分电压信号v1+和v1-，第二磁传感器6输出差分电压信号和v2+和v2-，将v1+与v2+相加得到高端电位v+，v1-与v2-相加得到低端电位v-，再将高端电位v+和低端电位v-相加以得到电压信号v。
如图7至图8所示，相较于现有技术，由于输入信号v+和v-不含有地磁场及干扰磁场分量，从根源上解决了在电路电源设计时有可能会产生的地磁场及干扰磁场分量过大所导致的放大电路饱和的问题。不仅如此，由于通过高端、低端各自对接，自动消除地磁场及干扰分量，整个电路只需要一个差分放大器即可实现传感器信号的差分采集，相较于传统方式中需要采用两个差分放大器和一个加法放大器的电路设计，节约了成本，简化了电路结构，减少了可能引入误差的环节。
信号处理电路中，电压信号首先进入信号跟随电路，实现信号隔离，保证后级信号处理电路不影响磁场传感器中电桥电路的正常运行性能；信号叠加运算将电压信号相加，去除地磁场及外部干扰磁场影响，再通过信号差分放大电路得到被测电流对应传感器输出信号；带通滤波电路，进一步去除信号中直流及高频分量。
在部分实施例中，还包括信号校准电路，滤波后的被测电流对应传感器输出信号输入校准电路，通过校准试验后，补偿灵敏度系数与磁感应强度系数，输出传感器模拟量。所述传感器模拟量除直接输出外，还通过ad采样转化为对应数字量，输入数字信号处理单元。数字信号处理单元由arm+fpga构架搭建，在接入时钟同步信号后，输出经过时钟同步采样值信号，并通过通信模块输入采样值报文。
实施例5：
如图2所示，在上述实施例的基础上，所述外壳8内还设置有温度传感器7，所述温度传感器7用于检测第一磁传感器5和/或第二磁传感器6的运行温度，并将温度数据发送至信号处理电路，所述信号处理电路对第一磁传感器5和第二磁传感器6输出的电压信号进行温度补偿。
温度校正曲线按照二次系数补偿，补偿公式为：
ux25＝ux+a(t-25)2+b(t-25)
其中，ux25为校准温度下第一/第二磁传感器的输出信号，ux为第一/第二磁传感器原始输出信号值(v1+,v1-,v2+,v2-)，t为温度传感器输出信号对应温度，a、b为第一/第二磁传感器的温度补偿系数，由其自身性质决定。
通过上述设置，能够根据磁传感器的电压信号对磁传感器的输出信号进行灵敏度补偿，保证该输出信号对应灵敏度，始终为25摄氏度校准温度下的灵敏度，进一步提高测量结果的准确度。
实施例6：
一种基于上述实施例中任一种非接触式泄漏电流测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤一：将所述非接触式泄漏电流测量装置固定安装于待测量钢柱10的外部；
步骤二：第一磁传感器5向信号处理电路输出差分电压信号v1+和v1-，第二磁传感器6向信号处理电路输出差分电压信号v2+和v2-；
步骤三：信号处理电路将v1+与v2+相加得到高端电位v+，将v1-与v2-相加得到低端电位v-，并将高端电位v+和低端电位v-相加得到电压信号v；
步骤四：对电压信号v进行差分放大、滤波处理后输出测量结果。
上述测量方法利用非接触式泄漏电流测量装置独特的四气隙结构设计，使得被测磁场强度远大于传统单气隙结构的磁场强度，提高信噪比，进而能够测量有效值只有数毫安至百毫安的泄漏电流，满足电力设备对地泄漏电流测量的精度要求，同时有效地简化了信号处理电路设计和处理步骤，降低了生产成本同时提高了信号处理效率。此外，通过将信号叠加运算步骤移至差分放大步骤之前，且更改信号计算方式，实现了信号处理电路的进一步简化，有效地降低了制造成本，减少了可能引入误差的环节，并且从根源上解决了在电路电源设计时有可能会产生的地磁场及干扰磁场分量过大所导致的放大电路饱和的问题。
本文中所使用的“第一”、“第二”等(例如第一磁场聚集器、第二磁场聚集器，第一磁传感器、第二磁传感器等)只是为了描述清楚起见而对相应部件进行区别，不旨在限制任何次序或者强调重要性等。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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