一种基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器及应用的制作方法

1.本发明属于电流测量装置技术领域，尤其涉及一种基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器及应用。


背景技术：

2.电流互感器是电力系统中最基本的测量元件之一，广泛应用于电能计量、状态监测与继电保护等方面。电流互感器测量失真时，可能会导致保护的错误动作与电能计量的缺失，从而影响电网的稳定性。此外，电能计量还直接关系电力系统发电量、线损与煤耗等各项技术指标的计算，直接影响到发、供用电三方的经济利益与交易的公平性。
3.目前，电流互感器按照测量原理可分为含有铁心的电磁型电流互感器、罗氏线圈、基于霍尔或磁阻效应的电流传感器与光纤电流互感器等。
4.含有铁心的电磁型电流互感器，它通过闭合铁芯的电磁感应作用，将一次侧的大电流按比例转变为二次侧的小电流。电流互感器一次绕组串联在回路中，二次绕组经二次负荷闭合。此类电流互感器在一次电流含有直流含量时可能会进入饱和，从而导致二次电流发生畸变，测量误差急剧增加。为了解决工程实践中电磁型电流互感器饱和的问题，可以采用气隙式电流互感器。此类互感器能够在一次电流含有直流含量时降低测量误差并较好地限制剩磁，但其在测量正弦电流时误差较大，仅用于继电保护。
5.罗氏线圈是一个均匀缠绕在由非铁磁性材料如陶瓷或者塑料做的骨架上的环形线圈，其输出信号是电流对时间的微分，然后通过一个积分电路，对输出的电压信号进行积分运算以真实还原被测电流。罗氏线圈对于小电流的测量不能达到较好的精度。而且罗氏线圈在测量含有衰减直流分量的暂态电流时误差较高，更无法测量恒定的直流电流。
6.基于霍尔或磁阻效应的电流互感器的核心测量元件是霍尔传感器或磁阻传感器。但此类电流互感器的精度完全依赖于磁场传感器精度，无法做到很高的精度。
7.光纤电流传感器的工作原理是利用法拉第磁光效应。光纤电流传感器具有非常好的绝缘性能，不存在磁滞效应和磁饱和现象，还具有良好的测量精度和灵敏度。光纤电流互感器由于技术水平、工艺水平要求较高，生产成本较大，安装调试困难，在对成本敏感的场合中使用较少，因此未在实际中得到大规模应用。
8.综上所述，有必要研制一种低成本、高精度和具有抗饱和能力的电流互感器以解决上述技术问题。
9.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
10.(1)现有的含有铁心的电磁型电流互感器在测量正弦电流时误差较大，仅用于继电保护。
11.(2)现有的罗氏线圈对于小电流的测量不能达到较好的精度，而且罗氏线圈在测量含有衰减直流分量的暂态电流时误差较高，更无法测量恒定的直流电流。
12.(3)基于霍尔或磁阻效应的电流互感器的精度完全依赖于磁场传感器精度，无法做到很高的精度。
13.(4)光纤电流互感器由于技术水平、工艺水平要求较高，生产成本较大，安装调试困难，在对成本敏感的场合中使用较少，限制了大规模应用。


技术实现要素：

14.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器及应用。
15.本发明是这样实现的，一种基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器包括：
16.双环磁路模块，包括内铁心、含气隙的外铁心、缠绕在内外铁心上的二次绕组与二次电阻，用于在保证电流测量精度的前提下提高抗直流偏磁能力；
17.畸变补偿模块，包括放置在外铁心气隙内的磁场传感器，用于利用磁场传感器的输出信号补偿因内铁心饱和而导致的二次畸变电流；
18.信号处理模块，用于利用信号处理电路对二次电阻电压与传感器输出电压信号进行处理并输出。
19.进一步，所述内铁心和外铁心为同轴设置，且外铁心位于内铁心的外围。
20.进一步，所述内铁心中间穿设有一次绕组，所述内铁心和外铁心外侧均匀缠绕有二次绕组，所述二次绕组的输出端连接有二次电阻，二次电阻与所述信号处理电路连接。
21.进一步，所述外铁心外侧等距开设有多个气隙，磁场传感器放置在其中一个气隙中，所述磁场传感器与所述信号处理电路连接。
22.进一步，所述信号处理电路包括第一放大器、第二放大器、消除失调电压电路和加法电路；
23.所述二次电阻与所述第一放大器的输入端连接，所述第二放大器的输出端与加法电路的一个输入端连接；
24.所述磁场传感器与第一放大器的输入端连接，第一放大器输出端与所述消除失调电压电路的输入端连接，所述消除失调电压电路的输出端与加法电路的另一个输入端连接。
25.进一步，所述磁场传感器连接有稳压电路。
26.进一步，电流互感器还包括供电电源，所述供电电源分别为所述稳压电路、第一放大器、第二放大器、消除失调电压电路和加法电路供电。
27.本发明的另一目的在于提供一种安装有基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器的电能计量装置。
28.本发明的另一目的在于提供一种安装有基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器的电力系统状态监测装置。
29.本发明的另一目的在于提供一种安装有基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器的电力系统继电保护装置。
30.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
31.本发明采用内铁心与含气隙的外铁心组成的双铁心结构，既在铁心未饱和时保留了传统电流互感器的测量精度，又保留了气隙式电流互感器具有的抗直流偏磁电流的能力。
32.本发明采用放置在气隙中的磁场传感器的输出信号，能够补偿因较大电流幅值、直流偏磁电流或间、次谐波造成的电流互感器饱和，从而可减少因电流互感器饱和造成的经济损失，避免保护装置错误动作。
33.本发明既可以进行交流电流测量，也可以进行直流电流测量。
34.本发明结构简单，元器件易获取，不需要复杂的识别、控制算法与相应的微处理器和电子电路；在被测电流较小时保留了传统电流互感器较高的测量精度；当被测电流幅值较高、包含直流偏磁电流或间、次谐波从而造成铁心饱和时，具有补偿饱和的能力；在未明显增加设备体积，特别是铁心体积的情况下拓宽了互感器的测量范围；在具有测量交流电流能力的同时也具有测量直流电流的能力。
35.本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：电流互感器主要分为测量用电流互感器与保护用电流互感器。前者向测量、计量等装置提供电流信息，后者在电网故障状态下向继电保护等装置提供故障电流信息。当本发明用于测/计量用途(例如三相电表)时，具有抗直流效果：当线路电流包含较高的直流分量时，互感器铁心会进入饱和，二次电流发生畸变，从而会影响电能计量的精度，使电网公司遭受经济损失，而本发明能够补偿因直流分量造成的铁心饱和，从而提高了在线路电流包含较高直流分量时的测/计量精度，减少电网公司可能的经济损失。当本发明用于保护用途时，可以降低保护设备错误动作的概率：当故障电流幅值较高时，也会使互感器铁心进入饱和，从而可能导致保护设备发生错误动作，危害电网的安全，本发明能够补偿因被测电流幅值过高造成的铁心饱和，从而降低了保护设备错误动作的概率，保障电网安全、可靠地运行。
36.本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：针对饱和补偿，国内外现有技术大多需要闭环补偿或者复杂的识别、控制算法与相应的微处理器。本发明仅仅通过两个铁心、常用的磁场传感器与简单的模拟电路即可完成对因铁心饱和造成的二次畸变电流进行实时补偿，既不需要闭环补偿，也不需要识别、控制算法与相应的微处理器。
附图说明
37.图1是本发明实施例提供的基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器的结构示意图；
38.图2是本发明实施例提供的基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器的信号传输原理图；
39.图3为本发明补偿因被测电流幅值过大引起的铁心饱和的仿真结果图；
40.图4为本发明补偿因被测电流含有直流偏磁电流引起的铁心饱和的仿真结果图；
41.图5为本发明补偿因被测电流幅值过大引起的铁心饱和的实验结果图；
42.图6为本发明补偿因被测电流含有直流偏磁电流引起的铁心饱和的实验结果图。
43.图中：1、内铁心；2、外铁心；3、磁场传感器；4、二次绕组；5、一次绕组；6、气隙；7、二次电阻；8.1、第一放大器，8.2、第二放大器；9、消除失调电压电路；10、加法电路；11、供电电源；12、稳压电路；13、信号处理电路。
具体实施方式
44.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明
进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
45.为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
46.如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器包括内铁心1、含有气隙6的外铁心2、一次绕组5、二次绕组4、二次负载7、磁场传感器3、信号处理电路13；内铁心1与含有气隙6的外铁心2同轴放置，一次绕组5穿心布置，二次绕组4同时均匀地缠绕在内、外铁心上；二次电阻7连接至二次绕组4两端，磁场传感器3放置在外铁心2的气隙6中，用于测量气隙6中的磁场强度，二次负载7与磁场传感器3输出端分别与信号处理电路13连接。
47.本发明实施例中的信号处理电路13包括但不限于第一放大器8-1、第二放大器8-2、加法电路10、消除失调电压电路9和稳压电路12。二次电阻7与第二放大器8-2的输入端连接，第二放大器8-2的输出端与加法电路10的一个输入端连接；磁场传感器3与第一放大器8-1的输入端连接，第一放大器8-1输出端与消除失调电压电路9的输入端连接，消除失调电压电路9的输出端与加法电路10的另一个输入端连接。即磁场传感器3输出的电压信号依次经过第一放大器8-1与消除失调电压电路9后，与二次电阻7电压信号共同输入至加法电路10。加法电路10的输出即为本发明的最终输出。
48.本发明实施例中的基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器还包括供电电源11，供电电源11同时为第一放大器8-1、第二放大器8-2、消除失调电压电路9、加法电路10与稳压电路12供能，稳压电路12的输出则为磁场传感器3供能。
49.本发明提供的基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器的工作原理是：使用由内铁心1与含气隙6的外铁心2组成的双铁芯结构在保证测量精度的前提下提高抗直流偏磁能力。使用放置在气隙6中磁场传感器3的输出信号补偿因内铁心饱和而导致的二次畸变电流。调整好信号处理电路13的各项参数，信号处理电路13的输出即为本发明的总输出。
50.本发明在测量正弦电流时的精度高于气隙式电流互感器，与普通电流互感器精度基本保持一致；在测量具有直流偏磁的正弦电流时，精度又明显高于普通电流互感器；当互感器铁心饱和从而导致二次负载电压发生畸变时，磁场传感器3输出的信号可以进一步地补偿畸变的二次负载电压；既可以进行交流电流测量，也可以进行直流电流测量。
51.根据安培环路定律可以推导出：将外铁心气隙磁场与二次电阻电压进行比例相加后即可获得完整的一次电流波形信息。放置在外铁心气隙中的磁场传感器输出即反映了外铁心气隙磁场。
52.当被测电流较小时，内铁心不会进入饱和，磁场传感器输出基本为零，本发明与传统电流互感器一致，其二次电流(二次电阻电压)即可准确反映一次电流波形。
53.当被测电流较大或存在直流偏磁电流时，内铁心会进入饱和，此时二次电流迅速下降(发生畸变)，磁场传感器输出迅速上升用于补偿二次电流的畸变部分。将磁场传感器输出电压与二次电阻电压进行比例相加后即可用于恢复较为完整的一次电流波形信息。
54.信号处理电路用来进行比例相加。为了提高精度，加了消除失调电压电路与稳压电路。
55.本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确
具备很大的优势，下面内容结合有限元与试验过程的图表等进行描述。
56.为了验证本发明具有的补偿铁心饱和的能力，有限元仿真与实验结果如下图2-6所示。其中，图3为本发明补偿因被测电流幅值过大引起的铁心饱和的仿真结果图，图4为本发明补偿因被测电流含有直流偏磁电流引起的铁心饱和的仿真结果图，图5为本发明补偿因被测电流幅值过大引起的铁心饱和的实验结果图，图6为本发明补偿因被测电流含有直流偏磁电流引起的铁心饱和的实验结果图。仿真与实验结果均表明，本发明具有补偿铁心饱和的能力。
57.为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
58.本发明实施例提供的基于双环磁路结构与磁场传感器的电流互感器可用于电能计量装置、电力系统状态监测装置和电力系统继电保护装置使用。
59.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
60.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。