一种环形电流互感器及其测量电流的方法与流程

[0001]
本发明涉及电力测量领域,并且更具体地，涉及一种环形电流互感器及其测量电流的方法。


背景技术：

[0002]
电流测量是电力系统最重要的基础支撑技术之一，直接关联电气设施的控制、保护、计量等系统。常用电流测量装置包括电磁式电流互感器、基于分流器的有源光电式电流互感器（oct）、全光纤电流互感器（foct）、零磁通电流互感器、基于磁传感原理的电流互感器。电磁式电流互感器难以测量直流电流；oct、foct和零磁通电流互感器体积大、成本高、运维复杂，且热稳定性不稳定。以上几类互感器难以适应直流配电网、电动汽车充电桩等新应用的测量需求。隧道磁电阻元件相较其他类型的磁传感元件，包括霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件等在分辨率、灵敏度、功耗、磁场工作范围、工作温度等方面有更优秀的性能表现，但是现有技术中缺乏基于隧道磁电阻元件而设计的电流测量装置。


技术实现要素：

[0003]
为了解决现有技术中的电流测量装置不能较好兼容测量范围，测量精度、灵敏度、热稳定性，产品体积，成本，运维方便程度等特性的技术问题，本发明提供一种环形电流互感器，所述电流互感器包括：环形外壳，其为中空结构，用于承载空心线包；空心线包，其包括偶数块并联输出的隧道磁电阻芯片和补偿绕组，用于当待测载流导体通过环形外壳中心并对补偿绕组施加补偿电流时，使所述隧道磁电阻芯片位置处于零磁通环境，其中，所述待测载流导体和补偿绕组分别为环形电流互感器的一次绕组和二次绕组；误差补偿单元，其与空心线包内的隧道磁电阻芯片和补偿绕组连接，用于对所述空心线包工作时的误差进行补偿后向补偿绕组施加补偿电流，并对补偿电流信号进行调理后输出反映待测载流导体中通过的电流大小的电压信号。
[0004]
进一步地，所述环形外壳包括外径部分和内径部分，以及嵌设在所述外径部分和内径部分之间的环形骨架，其中，环形骨架用于安装隧道磁电阻芯片，并绕设补偿绕组。
[0005]
进一步地，所述环形外壳外径部分内壁上含有金属屏蔽层，用于屏蔽所述待测电流邻相的电流磁场。
[0006]
进一步地，所述偶数块隧道磁电阻芯片距离环形外壳的圆心距离相同，且相邻芯片的间距相同，所述偶数块隧道磁电阻芯片的电源端与接地端分别级联而形成并联芯片组，用于输出所述待测载流导体产生的磁场的平均值，所述补偿绕组在相邻隧道磁电阻芯片间的绕线匝数相同且均匀，并跨过每个隧道磁电阻芯片绕设在环形骨架上。
[0007]
进一步地，所述误差补偿单元包括：放大电路，其与空心线包中的隧道磁电阻芯片和补偿绕组连接，生成第一补偿电流信
号以补偿所述空心线包工作时在隧道磁电阻芯片处产生的磁性误差，并将第一补偿电流信号对应的第一补偿电流施加于补偿绕组，用于自动补偿所述空心线包工作时在隧道磁电阻芯片处产生的磁性误差；信号调理电路，其用于对第一补偿电流信号进行采样，并对所述第一补偿电流信号进行处理后输出反映待测截流导体上通过的电流大小的电压信号；电源，其用于为误差补偿单元的其他部分提供电能。
[0008]
进一步地，所述误差补偿单元还包括温度补偿电路和老化修正电路中的至少一个，其中：温度补偿电路，其用于生成针对温漂的第二补偿电流信号，以抵消隧道磁电阻芯片的温漂误差，其中，所述第二补偿电流信号量对应的第二补偿电流施加于补偿绕组，所述第二补偿电流信号输出至信号调理电路；老化修正电路，其用于生成针对电路老化的第三补偿电流信号，以抵消电路老化状态下产生的电路工作误差，其中，所述第三补偿电流信号对应的第三补偿电流施加于补偿绕组，所述第三补偿电流信号输出至信号调理电路。
[0009]
进一步地，所述温度补偿电路是基于温敏电阻的温漂误差补偿器，利用温敏电阻在工作温度下的阻值变化，产生所述隧道磁电阻芯片工作时针对温漂的第二补偿电流信号。
[0010]
进一步地，所述老化修正电路是基于基准电阻的器件老化误差补偿器，利用基准电阻和老化电阻的分压差异，生成针对电路老化的第三补偿电流信号。
[0011]
进一步地，所述信号调理电路包括用于对补偿电流信号进行采样的32位采样adc和基于滑动滤波算法的软件滤波器去噪，其输出信号为0至4v的电压信号。
[0012]
根据本发明的另一方面，本发明提供一种基于本发明所述环形电流互感器测量电流的方法，所述方法包括：所述待测载流导体穿过环形外壳中心，待测电流产生方向为缠绕所述导体轴线的磁场；所述空心线包中的偶数块隧道磁电阻芯片测量所述待测电流产生磁场的平均值，并输出至误差补偿单元；误差补偿单元根据隧道磁电阻芯片输出的所述待测电流磁场平均值对补偿绕组施加补偿电流，使所述补偿电流在补偿绕组中产生与待测电流磁场方向相反的磁场；当所述补偿绕组中的电流产生的磁场与待测电流产生的磁场使隧道磁电阻芯片处于零磁通时，误差补偿单元对补偿电流进行采集并处理，输出反映待测载流导体电流大小的电压信号。
[0013]
进一步地，所述误差补偿单元根据隧道磁电阻芯片输出的所述待测电流磁场平均值对补偿绕组施加补偿电流包括误差补偿单元为了补偿所述空心线包工作时在隧道磁电阻芯片处产生的磁性误差而在补偿绕组上施加第一补偿电流。
[0014]
进一步地，所述误差补偿单元根据隧道磁电阻芯片输出的所述待测电流磁场平均值对补偿绕组施加补偿电流还包括在补偿绕组上施加第二补偿电流和第三补偿电流中的至少一个，其中，所述第二补偿电流是误差补偿单元为了抵消隧道磁电阻芯片的温漂误差，根据生成的针对温漂的第二补偿电流信号，在补偿绕组上施加的电流调节量，所述第三补
偿电流是误差补偿单元为了抵消电路老化状态下产生的电路工作误差，根据生成的针对电路老化的第三补偿电流信号，在补偿绕组上施加的电流调节量。
[0015]
本发明技术方案提供的环形电流互感器及其测量电流的方法以偶数块并联输出的隧道磁电阻芯片和补偿绕组为核心，通过在待测载流导体通过互感器中心时，通过测量载流导体产生的磁场的平均值，从而对补偿绕组施加补偿电流使隧道磁电阻芯片处保持磁场为0，实现对待测载流导体中通过的电流大小的测量。另外，所述电流互感器的误差补偿部分还考虑了基于电路老化而设计的老化修正电路，基于温漂误差而设计的温度补偿电路，从而进一步提高本发明的电流互感器的测量精度。所述环形电流互感器具有测量范围广、质量轻、体积小、线性范围广、过载能力强、无铁芯饱和、生产成本较低等诸多优点，可广泛应用于直流配电网、电动汽车直流充电桩等电力系统新应用场景中电流的测量，也适用于传统电流测量的场合。
附图说明
[0016]
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：图1为根据本发明优选实施方式的环形电流互感器的结构的示意图；图2为根据本发明优选实施方式的误差补偿单元的结构示意图；图3为根据本发明优选实施方式的环形电流互感器测量电流的原理图;图4为根据本发明优选实施方式的利用环形电流互感器测量电流的方法的流程图。
具体实施方式
[0017]
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
[0018]
除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0019]
图1为根据本发明优选实施方式的环形电流互感器的结构的示意图。如图1所示，本优选实施方式所述的环形电流互感器100包括：环形外壳101，其为中空结构，用于承载空心线包102。所述环形外壳由塑料制成，增强了产品的绝缘性能，能更有效地屏蔽外部磁场。
[0020]
空心线包102，其包括偶数块并联输出的隧道磁电阻芯片121和补偿绕组122，用于当待测载流导体110通过环形外壳中心101并对补偿绕组122施加补偿电流时，使所述隧道磁电阻芯片121位置处于零磁通环境，其中，所述待测载流导体110和补偿绕组122分别为环形电流互感器的一次绕组和二次绕组。在理想条件下，当所述隧道磁电阻芯片位置处于零磁通环境时，相当电流互感器二次绕组的补偿绕组中流过的补偿电流可以反映出相当于电流互感器一次绕组的待测载流导体中流过的电流。所述空心线包为无铁芯结构，有助于避免金属材料的磁饱和现象。而且所述空心线包确保了隧道磁电阻芯片位置处于零磁通环
境，并通过补偿绕组上通过的电流体现待测载流导体的电流。
[0021]
误差补偿单元103，其与空心线包内的隧道磁电阻芯片121和补偿绕组122连接，用于对所述空心线包工作时的误差进行补偿后向补偿绕组施加补偿电流，并对补偿电流信号进行调理后输出反映待测载流导体中通过的电流大小的电压信号。
[0022]
优选地，所述环形外壳101包括外径部分111和内径部分112，以及嵌设在所述外径部分111和内径部分112之间的环形骨架113，其中，环形骨架113用于安装隧道磁电阻芯片，并绕设补偿绕组。
[0023]
优选地，所述环形外壳外径部分111的内壁上含有金属屏蔽层114，用于屏蔽所述待测电流邻相的电流磁场。所述金属屏蔽层有助于大幅削弱被测电流邻相电流磁场对互感器误差的影响，提高电流互感器的测量精度。
[0024]
优选地，所述偶数块隧道磁电阻芯片121距离环形外壳101的圆心距离相同，且相邻芯片的间距相同，所述偶数块隧道磁电阻芯片的电源端与接地端分别级联而形成并联芯片组，用于输出所述待测载流导体产生的磁场的平均值，所述补偿绕组在相邻隧道磁电阻芯片间的绕线匝数相同且均匀，并跨过每个隧道磁电阻芯片绕设在环形骨架上。所述偶数块隧道磁电阻芯片均匀分布在环形外壳中，既能满足电流测量的高灵敏度和宽频域要求，而且多个位置并联取平均值也有助于减少待测载流导体在圆环圆心的位置误差。
[0025]
优选地，所述误差补偿单元103包括：放大电路131，其与空心线包中的隧道磁电阻芯片和补偿绕组连接，生成第一补偿电流信号以补偿所述空心线包工作时在隧道磁电阻芯片处产生的磁性误差，并将第一补偿电流信号对应的第一补偿电流施加于补偿绕组，用于自动补偿所述空心线包工作时在隧道磁电阻芯片处产生的磁性误差；信号调理电路132，其用于对第一补偿电流信号进行采样，并对所述第一补偿电流信号进行处理后输出反映待测截流导体上通过的电流大小的电压信号；电源135，其用于为误差补偿单元的其他部分提供电能。
[0026]
优选地，所述误差补偿单元103还包括温度补偿电路133和老化修正电路134中的至少一个，其中：温度补偿电路134，其用于生成针对温漂的第二补偿电流信号，以抵消隧道磁电阻芯片的温漂误差，其中，所述第二补偿电流信号量对应的第二补偿电流施加于补偿绕组，所述第二补偿电流信号输出至信号调理电路；老化修正电路135，其用于生成针对电路老化的第三补偿电流信号，以抵消电路老化状态下产生的电路工作误差，其中，所述第三补偿电流信号对应的第三补偿电流施加于补偿绕组，所述第三补偿电流信号输出至信号调理电路。
[0027]
图2为根据本发明优选实施方式的误差补偿单元的结构示意图。如图2所示，误差补偿单元103包括：放大电路131，其与空心线包中的隧道磁电阻芯片和补偿绕组连接，生成第一补偿电流信号以补偿所述空心线包工作时在隧道磁电阻芯片处产生的磁性误差，并将第一补偿电流信号对应的第一补偿电流施加于补偿绕组，用于自动补偿所述空心线包工作时在隧道磁电阻芯片处产生的磁性误差。
[0028]
信号调理电路132，其用于对补偿电流信号进行采样，并对所述补偿电流信号进行
处理后输出反映待测截流导体上通过的电流大小的电压信号，其中，所述补偿电流信号包括第一补偿电流信号，第二补偿电流信号和第三补偿电流信号。
[0029]
温度补偿电路133，其用于生成针对温漂的第二补偿电流信号，以抵消隧道磁电阻芯片的温漂误差，其中，所述第二补偿电流信号量对应的第二补偿电流施加于补偿绕组，所述第二补偿电流信号输出至信号调理电路；老化修正电路134，其用于生成针对电路老化的第三补偿电流信号，以抵消电路老化状态下产生的电路工作误差，其中，所述第三补偿电流信号对应的第三补偿电流施加于补偿绕组，所述第三补偿电流信号输出至信号调理电路。
[0030]
电源135，其用于为误差补偿单元的其他部分提供电能。
[0031]
在实际应用中，所述误差补偿单元还可以包括外部供电接口，用于通过为电池充电来实现对误差补偿电源的电能供给。
[0032]
本优选实施方式中的各类误差补偿措施充分考虑了电流互感器在温度、器件老化、外部噪声的环境下良好的工作性能，从而有助于研制出在电力系统、电动汽车、精密仪器、芯片制造等广泛领域需要的高精度电流传感器。
[0033]
优选地，所述温度补偿电路134是基于温敏电阻的温漂误差补偿器，利用温敏电阻在工作温度下的阻值变化，产生所述隧道磁电阻芯片工作时针对温漂的第二补偿电流信号。
[0034]
优选地，所述老化修正电路135是基于基准电阻的器件老化误差补偿器，利用基准电阻和老化电阻的分压差异，生成针对电路老化的第三补偿电流信号。
[0035]
优选地，所述信号调理电路132包括用于对补偿电流信号进行采样的32位采样adc和基于滑动滤波算法的软件滤波器去噪，其输出信号为0至4v的电压信号。
[0036]
图3为根据本发明优选实施方式的环形电流互感器测量电流的原理图。如图3所示，当待测载流导体通过环形外壳中心时，在隧道磁电阻芯片处产生磁场b
det
，隧道磁电阻芯片测量所述导体在其附近产生的磁场并输入加法器求取平均值后，传输至误差补偿单元的放大电路，生成第一补偿电流信号，同时，为了校正基于芯片温漂和芯片电路老化产生的误差，误差补偿单元又通过温度补偿电路和老化修正电路分别生成第二补偿电流信号和第三补偿电流信号，上述三个电流信号的和作为补偿电流i
com
输入互感器的补偿绕组，当输入的补偿电流使芯片处的磁场b
*
等于0时，所述隧道磁电阻芯片处于零磁通环境，此时的补偿电流通过信号调理单元处理后输出的电压信号即可反映流经待测载流导体的电流的大小。
[0037]
图4为根据本发明优选实施方式的利用环形电流互感器测量电流的方法的流程图。如图4所示，本优选实施方式所述的基于本发明所述环形电流互感器测量电流的方法400从步骤401开始。
[0038]
在步骤401，所述待测载流导体穿过环形外壳中心，待测电流产生方向为缠绕所述导体轴线的磁场。
[0039]
在步骤402，所述空心线包中的偶数块隧道磁电阻芯片测量所述待测电流产生磁场的平均值，并输出至误差补偿单元。
[0040]
在步骤403，误差补偿单元根据隧道磁电阻芯片输出的所述待测电流磁场平均值对补偿绕组施加补偿电流，使所述补偿电流在补偿绕组中产生与待测电流磁场方向相反的磁场。
[0041]
在步骤404，当所述补偿绕组中的电流产生的磁场与待测电流产生的磁场使隧道磁电阻芯片处于零磁通时，误差补偿单元对补偿电流进行采集并处理，输出反映待测载流导体电流大小的电压信号。
[0042]
优选地，所述误差补偿单元根据隧道磁电阻芯片输出的所述待测电流磁场平均值对补偿绕组施加补偿电流包括误差补偿单元为了补偿所述空心线包工作时在隧道磁电阻芯片处产生的磁性误差而在补偿绕组上施加第一补偿电流。
[0043]
优选地，所述误差补偿单元根据隧道磁电阻芯片输出的所述待测电流磁场平均值对补偿绕组施加补偿电流还包括在补偿绕组上施加第二补偿电流和第三补偿电流中的至少一个，其中，所述第二补偿电流是误差补偿单元为了抵消隧道磁电阻芯片的温漂误差，根据生成的针对温漂的第二补偿电流信号，在补偿绕组上施加的电流调节量，所述第三补偿电流是误差补偿单元为了抵消电路老化状态下产生的电路工作误差，根据生成的针对电路老化的第三补偿电流信号，在补偿绕组上施加的电流调节量。
[0044]
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
[0045]
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
[0046]
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0047]
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0048]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0049]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0050]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽
管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。