一种采用消磁技术的高频电流传感采集单元的制作方法

1.本发明属于高频电流传感器技术领域，具体涉及一种采用消磁技术的高频电流传感采集单元。


背景技术：

2.变压器、输电电缆等设施长期使用，可能因为绝缘老化、磨损等原因造成局部放电，最初阶段放电特征通常为高频小电流，该阶段是排除隐患的重要阶段，可靠检测出该阶段的小电流放电信号具有重要意义。
3.传统的高频电流传感器，应用场合受到一定限制，一般只能用于零序线或变压器接地线上。其原因一是高频电流互感器检测的脉冲电流非常小，为ma级，如果将高频电流传感器套在变压器出线侧或输电线上，则会有几百上千安的工作电流流过互感器，高频脉冲电流与工作电流会同时采样到，工程实现中很难将高频脉冲电流信号分离出来。二是，高频电流传感器通常采用高频特性好的铁氧体磁芯，如果互感器通过几百上千的工作电流，会造成磁芯饱和，导致互感器无法正常工作。但放电通常发生在高压侧，放电电流有可能不流过零序或接地线上，用于零序或接地侧的常规高频电流传感器可能检测不到放电电流。
4.用于输电线电流检测的罗氏线圈，通常主要是用来测量大电流、过载电流、短路电流，由于是空心线圈，可在工频大电流条件下测量高频电流，但是灵敏度低，不满足毫安级高频电流测量要求。
5.用于接地侧的常规放电电流检测高频电流传感器，可满足毫安级高频电流测量灵敏度要求，但用于高压侧时工频工作电流会导致磁芯饱和，不能在工频大电流条件下正常传变。
6.采用辅助绕组消磁技术的高频电流传感器，能够实现低频大电流下对高频放电信号的检测。然而，由于使用环境等因素，传感器通常远离数据采集处理单元，采用消磁技术高频电流传感器采样的高频信号通常为几十毫伏数量级，在传输距离较远的应用场合，信号容易衰减，并且信号传输时容易受干扰。
7.因此需要一种高频电流传感器，能消除工频电流带来的影响，同时又要把ma级的高频的放电电流检测出来。


技术实现要素：

8.发明目的：为解决在存在工频大电流时，用于变压器或输电线高压侧的高频电流传感器有效提取放电电流信号存在困难，以及解决采样信号的远距离传输问题，本发明提出了一种采用消磁技术的高频电流传感采集单元，用于电力变压器或高压输电线路、电缆等一次输变电设备故障定位、故障诊断或继电保护，具备在工频或低频大电流背景下有效传变高频小电流分量的特性，以及远距离传输功能，同时解决了信号衰减和容易受干扰问题。
9.技术方案：一种采用消磁技术的高频电流传感采集单元，包括：消磁传感器主体和
数据处理部分；所述消磁传感器主体包括磁芯、消磁绕组和采样绕组；所述消磁绕组和采样绕组均绕制在磁芯上；所述数据处理部分包括依次连接的高通滤波回路、信号调理电路、模数转换芯片、低功耗处理器和光收发模块；该数据处理部分还包括供能模块，所述供能模块给信号调理电路、模数转换芯片和低功耗处理器供电；所述采样绕组的输出端与高通滤波回路的输入端连接。
10.进一步的，所述数据处理部分还包括采样电阻，所述采样绕组的输出端连接采样电阻，且该采样电阻的一端接地，其另一端与高通滤波回路的输入端连接。
11.进一步的，所述采样电阻为无感电阻。
12.进一步的，所述高通滤波回路包括隔离电容和第一电阻；所述隔离电容的输入端与采样绕组的输出端连接，该隔离电容的输出端通过第一电阻接地，且该隔离电容的输出端与信号调理电路的输入连接。
13.进一步的，所述信号调理电路包括第二电阻、第三电阻、第四电阻和运放；所述第二电阻的一端与高通滤波回路的输出连接，该第二电阻的另一端与运放的正输入端连接，运放的负输入端通过第三电阻接地，且该运放的负输入端通过第四电阻连接运放的输出端，该运放的输出端与模数转换芯片的输入连接。
14.进一步的，所述信号调理电路包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、运放和滤波电容；
15.所述第二电阻的一端与高通滤波回路的输出连接，该第二电阻的另一端与运放的正输入端连接，运放的负输入端通过第三电阻接地，且该运放的负输入端通过第四电阻连接运放的输出端，该运放的输出端通过滤波电容接地，且该运放的输出端与模数转换芯片的输入连接。
16.进一步的，所述信号调理电路包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、运放和滤波电容；
17.所述第二电阻的一端与高通滤波回路的输出连接，该第二电阻的另一端与运放的正输入端连接，运放的负输入端通过第三电阻接地，且该运放的负输入端通过第四电阻连接运放的输出端，所述滤波电容与第四电阻并联；该运放的输出端与模数转换芯片的输入连接。
18.进一步的，所述消磁传感器主体和数据处理部分均设置在同一外壳内。
19.进一步的，所述供能模块为光电池模块或ac/dc电源模块。
20.进一步的，所述隔离电容可替换为射频变压器。
21.有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
22.(1)本发明的高频电流传感采集单元，能够在数百、数千安培工频电流背景下传变毫安级高频电流信号，具体体现在：本发明的高频电流传感采集单元对一次侧工频电流有明显的抵消作用，能够达到1v/1000a量级，即1000a工频电流的感应电压小于1v；本发明的高频电流传感采集单元能够检测出数百k至数十m赫兹频带的放电电流信号，通过调整磁芯材质，可以调整传感器测量频率范围；本发明的高频电流传感采集单元的消磁绕组输出短路或外接电感、磁珠等元件，对低频电流短路效果明显，由于消磁绕组的漏感及外接电感、磁珠等元件阻抗，其对高频电流短路效果有限，采样线圈依然具有较高的高频电流灵敏度，通常高频电流的传输比(电压/电流)至少能够达到1v/a，即1ma的电流信号的感应电压可达
到1mv；
23.(2)本发明的高频电流传感采集单元采用光电池模块或电供能模块供电，就地采用有源电路完成模数转换，转换后的数字信号与光模块相连，通过光纤进行数据传输，具有抗干扰能力强，信号无衰减，可实现远距离传输；本发明的高频电流传感采集单元可应用于类似大型电力变压器套管等干扰严重的场合，效果尤其明显。
附图说明
24.图1为采用消磁技术的高频电流传感采集单元系统框图；
25.图2为采用消磁技术的高频电流传感采集单元典型实施电路示意图；
26.图3为信号调理电路的其他典型实施电路示意图。
具体实施方式
27.现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
28.实施例1：
29.如图1所示，本实施例提出了一种采用消磁技术的高频电流传感采集单元，其主要包括：消磁传感器主体和数据处理部分；消磁传感器主体包括磁芯、消磁绕组和采样绕组；消磁绕组和采样绕组均绕制在磁芯上；数据处理部分包括依次连接的高通滤波回路、信号调理电路、模数转换芯片、低功耗处理器和光收发模块；该数据处理部分还包括供能模块，供能模块给信号调理电路、模数转换芯片和低功耗处理器供电；采样绕组的输出端与高通滤波回路的输入端连接。
30.本实施例的高频电流传感采集单元可用于电力变压器或高压输电线路、电缆等一次输变电设备故障定位、故障诊断或继电保护，具备在工频或低频大电流背景下有效传变高频小电流分量的特性，以及远距离传输功能。
31.实施例2：
32.本实施例公开了一种采用消磁技术的高频电流传感采集单元，主要包括消磁传感器主体、数据处理部分和外壳；其中，消磁传感器主体包括磁芯、消磁绕组n1和采样绕组n2；本实施例的采样绕组n2与消磁绕组n1位于磁芯的不同部位，通常采样绕组n2占用的区域小些；采样绕组n2和消磁绕组n1的匝数根据应用场合确定。采样绕组n2和消磁绕组n1通常采用顺绕，不重叠，为了减小寄生电容，绕组也可以绕制在骨架上，与磁芯之间保持一定的距离。消磁绕组n1输出可直接短路，或外接电感、磁珠等元件以提高其高频阻抗。数据处理部分包括依次连接的采样电阻、高通滤波回路、信号调理电路、模数转换芯片、低功耗处理器、光收发模块和供能模块；在一些实施例中，供能模块可以为光电池模块或ac/dc电源模块。
33.图1示出了本实施例的高频电流传感采集单元的架构图，消磁传感器主体1、高通滤波回路2、信号调理电路3、模数转换芯片4、低功耗处理器5和光收发模块6按序连接，供能模块用于给信号调理电路3、模数转换芯片4和低功耗处理器5提供电源vcc。采样绕组n2、消磁绕组n1和数据处理部分都安装在同一个外壳内，该外壳可以采用金属(内层开口)材质，也可以采用非金属材质。本实施例将数据处理部分在金属外壳内，这样采样数据就近进行模数转换，模数转换后的数据通过光纤传送，能够最大限度避免信号衰减和干扰。根据应用场合，本实施例的磁芯可以采用整环，也可以两个半环，也可以采用其他形状或多块拼接出
的磁芯，磁芯尺寸大小根据应用场合确定。本实施例的磁芯通常采用高频特性好的磁芯，例如高频特性好的铁氧体，也可以采用其他材质的磁芯。本实施例的采样电阻通常采用无感电阻。本实施例的采样绕组n2的输出正常是接无感电阻，也可以不接电阻，直接送入高通滤波回路。本实施例的消磁绕组n1可以采用漆包线或绝缘导线，导线截面积根据一次侧工作电流以及匝数确定，也可以用其他形式的导线替代。本实施例的高频电流传感采集单元只有一个采样绕组和消磁绕组，但可根据应用场合增加采样绕组和消磁绕组。
34.图2示出了本实施例的高频电流传感采集单元的典型实施电路图；如图2所示，高通滤波回路2由隔离电容c1和第一电阻r2构成；信号调理电路3由第二电阻r3、第三电阻r4、第四电阻r5和运放u1构成；模数转换芯片4由adc芯片u2构成；低功耗处理器5由fpga u3构成；光收发模块6由opt u4构成。采样绕组n2的输出接采样电阻r1；采样电阻r1的一端接地，其另一端接隔离电容c1的输入端，隔离电容c1的输出端通过第一电阻r2接地，同时隔离电容c1的输出端与第二电阻r3的一端连接，第二电阻r3的另一端与运放u1的正输入端连接，运放u1的负输入端通过第三电阻r4接地，同时运放u1的负输入端通过第四电阻r5连接运放u1的输出端，运放u1的输出端同时与adc芯片u2的输入端连接，adc芯片u2的输出端与fpga u3的输入端连接，fpga u3的输出端与opt u4的输入端连接，光电池模块或ac/dc电源模块输出给u1、u2、u3提供工作电源。
35.本实施例的高通滤波回路2，除了采用典型实施电路中的隔离电容c1隔离外，也可以采用射频变压器实现高通滤波。对于本实施例的信号调理电路3而言，也可以在运放u1的输入端和输出端增加滤波电容cn，以及也可以与第三电阻r4和第四电阻r5进行并联来提高传送效果，如图3，信号调理主要作用是对采样信号进行放大。本实施例的低功耗处理器5，除了采用典型实施电路中的fpga，也可以采用其他类型的处理器。
36.现通过试验来进一步说明本实施例的高频电流传感采集单元的消磁效果和采样效果。进行试验的消磁传感器主体由尺寸为120/85/20(mm)的磁芯、3匝采样绕组和45匝消磁绕组构成，采样电阻采用100欧无感电阻。
37.表1示出了一次侧工频电流消磁效果，表2示出了高频下电压电流传输关系；试验表明，工频电流的传输比小于0.3v/1000a，200khz以上高频信号传输比大于1v/1a，本实施例的高频传输比大于现有的高频电流传感器，且不同频带的高频传输比更平稳。
38.表1一次侧工频电流消磁效果
[0039][0040]
表2高频下电压电流传输关系
[0041]
[0042][0043][0044]
由表1和表2可知，将传感采集单元就近放置在采用消磁技术的传感器外壳内，能
够很好的消除传输线路上的衰减，并且抗干扰能力强。
[0045]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0046]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。