一种基于零磁通原理的大口径交直流电流传感器的制作方法

一种基于零磁通原理的大口径交直流电流传感器
【技术领域】
1.本实用新型涉及一种高电压环境下的电流测量装置，具体地说，是一种基于零磁通原理的交直流电流传感器。


背景技术：

2.大电流测量广泛应用于电解厂、高铁、电动汽车等领域，电流传感器作为测量电流的专用仪器，在大电流的精密测量领域中得到广泛关注。
3.根据不同的测量原理，电流传感器可以分为：
4.(1)电磁式电流传感器，典型结构是由一个铁芯和绕在铁芯上的两个绕组组成(一次绕组和二次绕组)，根据电磁感应原理，在一次侧流入电流后，将在铁芯上建立磁场，并在二次绕组上产生感应电流，理想情况下，一次侧电流大小与一次绕组匝数的乘积将等于二次电流大小与二次绕组匝数的乘积，从而实现测量，由于测量稳定且具有电气隔离，应用最为广泛，但是易受铁芯磁饱和影响，且测量时需要引入电流回路中。
5.(2)分流器，主要基于欧姆定律，采用杂散电感、电容很小的分流器将电流转换为电压，但是受限于分流器的热效应，被测电流较大时难以保证准确度。
6.(3)罗氏线圈，结构与电磁式类似，通过将导线均匀绕于一非磁性材料上，制成感应线圈，感应线圈围绕通过被测电流的导线，从而可以感应到变化的电流。罗氏线圈具有频带宽，且不受铁芯磁饱和度的影响，但是受频率影响，只能测量频率下限截止频率以下的交流信号。
7.(4)磁光电流传感器，主要基于法拉第效应，具有法拉第效应的光敏原件，在受到电流磁场影响后，光的偏振面会产生角度旋转，基于旋转角度和电流大小的关系，可以用于测量被测电流。磁光电流传感器同样具有频带宽，没有磁饱和的特点，但是不利于小电流的测量场合。
8.(5)巨磁阻电流传感器，主要基于巨磁阻效应，在由几纳米厚的多层金属膜中，来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，将导致电阻值变化，即施加的磁场和传感器参考层之间的角度决定了金属膜的电阻变化，从而可用于测量电流。巨磁阻电流传感器具有较宽的测量频带，但是容易受磁饱和影响。
9.(6)光纤电流传感器，作为一种相位调制型光纤传感器，将电流的变化转换为光纤中光波相位的变化，通过相干检测和数字闭环反馈技术检测穿过传感环的电流。光纤电流传感器具有绝缘性能好、体积小、重量轻、测量范围大、动态特性好、全数字化、可同时测量交、直流信号等特点，但是测量装置复杂。
10.(7)磁通门电流传感器，利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场，并以此来测量电流。磁通门电流传感器具有准确度高、分辨率和灵敏度高等特点。
11.而零磁通电流传感器是磁通门传感器中的一种。零磁通电流传感器广泛应用于动力电池和新能源汽车行业、大型医疗设备、城市轨道交通行业、新能源发电等行业，国内外
主要生产厂家包括瑞士lem、丹麦danisense、德国gmc、日本yokogawa、银河电气、精恒科电、勋雷之云、北京森社、武汉天瑞、安科瑞、南京信瑞谱、南京奇霍、宁波中车等。但现有零磁通电流传感器，用于穿过被测电流导线的口径一般不大，如丹麦 danisense生产的额定电流1000a的传感器ds1000ubsa，传感器穿心口的直径仅为26.6mm；额定电流2000a的传感器ds2000idla，传感器穿心口的直径仅为68mm。这种穿心口径仅为了满足被测导线能够穿过即可，并不考虑安全的绝缘距离，因此无法满足在高电压线路上测量电流时对绝缘距离的需求。


技术实现要素：

12.鉴于此，本实用新型要解决的技术问题，在于提供一种基于零磁通原理的大口径交直流电流传感器，通过重新设计电流传感器的三个铁芯的内径，使穿心口径满足绝缘需求距离，结合绝缘屏蔽结构的设计，更好的满足在高电压线路上测量电流的应用场合。
13.为达到前述新型之目的，本实用新型实施例采取的技术方案是：一种基于零磁通原理的大口径交直流电流传感器，传感器的磁芯感应单元包括两直流铁芯绕组、一交流铁芯绕组以及一屏蔽结构；
14.所述屏蔽结构包括第一屏蔽层、第二屏蔽层和第三屏蔽层，所述第一屏蔽层悬空设置且无电气连接，所述第二屏蔽层和所述第三屏蔽层接地设置；
15.任一所述直流铁芯绕组包括直流铁芯、第一支架和直流线圈，所述直流铁芯设置在第一支架内，所述直流线圈绕设在第一支架上；且两直流铁芯绕组上下叠置，并通过所述第一屏蔽层进行屏蔽；
16.所述交流铁芯绕组包括交流铁芯、第二支架、补偿线圈、交流线圈和第三支架；所述交流铁芯设于第二支架内并叠置于两所述直流铁芯绕组的上方并通过所述第二屏蔽层进行屏蔽，形成叠加结构，所述叠加结构的外层依次绕设补偿线圈和所述交流线圈后通过所述第三屏蔽层屏蔽，再设置于所述第三支架内进行封装，形成形成完整的磁芯感应单元；
17.所述磁芯感应单元的穿芯口径满足绝缘需求距离。进一步的，当大口径交直流电流传感器的额定电流为1000a，且高压线路的电压为10kv时，所述磁芯感应单元的穿芯口径为70～88；当大口径交直流电流传感器的额定电流为1000a，且高压线路的电压为35kv时，所述磁芯感应单元的穿芯口径为120～150。
18.进一步的，所述直流铁芯为卷绕非晶材质的圆环铁芯；所述交流铁芯为坡莫合金材质的圆环铁芯；所述第一支架和所述第三支架均为硬质的聚四氟乙烯壳体；所述第二支架为硬壳塑料壳体。
19.本实用新型的优点在于：本实用新型通过采用定制的特殊口径的铁芯，配合较佳的绝缘屏蔽结构的设计，与现有同类额定电流等级的电流传感器相比，除了满足相同程度的准确度等级要求外，更好的满足了应用于高压线路电流测量时，对安全绝缘距离的要求。
【附图说明】
20.下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的说明。
21.图1是本实用新型零磁通电流传感器的铁芯和绕组示意图。
22.图2是本实用新型零磁通电流传感器的电路原理示意图。
23.图3是本实用新型零磁通电流传感器的磁芯感应单元截面结构示意图。
24.图4是本实用新型零磁通电流传感器的三个铁芯的结构示意图。
25.图5是本实用新型零磁通电流传感器的磁芯感应单元的结构示意图。
【具体实施方式】
26.本实用新型实施例通过提供一种基于零磁通原理的大口径交直流电流传感器，通过重新设计电流传感器的三个铁芯的内径，使穿心口径满足绝缘需求距离，结合绝缘屏蔽结构的设计，更好的满足在高电压线路上测量电流的应用场合。
27.本实用新型实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：本实用新型通过采用定制的特殊口径的铁芯，配合较佳的绝缘屏蔽结构的设计，更好的满足了应用于高压线路电流测量时，对安全绝缘距离的要求。
28.为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
29.本实用新型的零磁通电流传感器是磁通门传感器中的一种，零磁通电流传感器的基本结构是由双铁芯磁调制式电流比较仪和交流电流比较仪结合而成，利用反馈补偿技术保证主铁芯安匝自动平衡，从而实现交直流闭环稳定测量。
30.请参阅图1所示，为零磁通电流传感器的铁芯和绕组示意图，主要包括三个铁芯，四个绕组线圈，零磁通检测模块、放大电路模块、加法电路模块及输出电路组成。三个铁芯分别为t1、t2和t3，四个绕组线圈包含两个励磁绕组x1/1-x1/3和x1/2-x1/4、一个反馈绕组x2/1-x2/2、一个补偿绕组 x2/3-x2/4。
31.两个励磁绕组中铁芯为截面积和磁路长度相等的同一种磁性材料，被测电流i
p
通过初级绕组与所有铁芯相连。
32.激励绕组的两个同名端相连，即反串相接，保证其中一个铁芯上的直流信号绕组和交流激磁绕组产生的磁通方向一致，而另一个铁芯上产生的磁通方向恰好相反，如图2所示。当被测直流电流ip流经初级绕组时，在两个励磁铁芯上产生直流磁通，该直流磁通将使其中一个磁通量增加，另一个磁通量减小，利用磁芯的导磁率的非线性特性通过电路检测出两线圈的磁化电流在任意半周期内面积和，该值随ip的变化而单调变化，因此该值就是直流电流ip的检出信号值。此信号经放大后产生补偿电流ic，补偿电流反馈到补偿线圈，以抵消由ip在两个励磁铁芯上产生的磁通，使两个励磁铁芯上的磁通的直流分量趋于0，从而使检出信号值减小，结果使ip、ic在两个励磁铁芯上产生的磁通量达到平衡。通过输出电阻rl测量出ic，即可得到被测电流ip。
33.当被测交流电流ip流经初级绕组时，直接反馈绕组感应出感生电压信号输入到放大器的输入端，同样产生补偿电流ic，来抵消ip在两个励磁铁芯上产生的磁通，使两个励磁铁芯上的磁通量达到平衡，从而得到ip。
34.实施例一
35.如图3所示，本实用新型零磁通电流传感器的磁芯感应单元100主要包括铁芯绕组及屏蔽结构3，铁芯绕组包括两直流铁芯绕组1和一交流铁芯绕组2，屏蔽结构3则穿插设计于铁芯绕组内。
36.所述屏蔽结构3包括第一屏蔽层31、第二屏蔽层32和第三屏蔽层33，所述第一屏蔽
层31悬空设置且无电气连接，所述第二屏蔽层32和所述第三屏蔽层33接地设置。
37.任一所述直流铁芯绕组1包括直流铁芯11、第一支架12和直流线圈13，所述直流铁芯11设置在第一支架12内，所述直流线圈13绕设在第一支架 12上；且两直流铁芯绕组1上下叠置，并通过所述第一屏蔽层31进行屏蔽。
38.所述交流铁芯绕组2包括交流铁芯21、第二支架22、补偿线圈23、交流线圈24和第三支架25；所述交流铁芯21设于第二支架22内并叠置于两所述直流铁芯绕组1的上方并通过所述第二屏蔽层32进行屏蔽，形成叠加结构，所述叠加结构的外层依次绕设补偿线圈23和所述交流线圈24后通过所述第三屏蔽层33屏蔽，再设置于所述第三支架25内进行封装，形成形成完整的磁芯感应单元100。
39.其中，第一屏蔽层31用于屏蔽外界磁场对直流铁芯11的干扰，第二屏蔽层32用于防止静电场对三个铁芯的干扰；第一支架12、第二支架22以及第三支架25不仅能起到对铁芯的支撑固定作用，还可通过材质的选择进一步提高传感器的绝缘强度。
40.如图4和图5所示，所述磁芯感应单元100的穿芯口径102满足绝缘需求距离。本实施例中，大口径交直流电流传感器的额定电流为1000a，且高压线路的电压为10kv时，所述磁芯感应单元100的穿芯口径为70～88mm。这种尺寸的穿芯口径既能完全满足绝缘需求距离，又不会因口径太大而对生厂的工艺和选材造成太大的影响。在铁芯的选择时，在满足穿芯口径102 的需求的前提下，考虑到支架的大小、线圈绕制以及屏蔽结构的设置等，直流铁芯和交流铁芯的内径可采用120mm、外径为145mm、高度25mm时较佳。
41.当大口径交直流电流传感器的额定电流为1000a，二次电流为1a时，所述直流线圈和所述补偿线圈均为250匝，所述交流线圈为1000匝。
42.所述直流铁芯11为卷绕非晶材质的圆环铁芯，所述交流铁芯21为坡莫合金材质的圆环铁芯；这两种材料的配合可满足较佳的导磁率，从而使传感器测试更为准确，并提高灵敏度。
43.所述第一支架12和所述第三支架25均为硬质的聚四氟乙烯壳体；聚四氟乙烯材料硬度高，且绝缘强度好，通常可提供10
12～15
欧的绝缘强度，从而进一步提高传感器的绝缘效果。
44.所述第二支架为硬壳塑料壳体，从而为交流铁芯提供较好的支撑作用。
45.实施例二
46.本实施例二与实施例一的不同之处在于，实施例一是用以适应高压线路的电压为10kv时的测试，而实施例二是用以适应高压线路的电压为35kv 时的测试，因此体现在结构上的不同之处在于：
47.当大口径交直流电流传感器的额定电流为1000a，且高压线路的电压为 35kv时，所述磁芯感应单元的穿芯口径为120～150mm。同样的，这种尺寸的穿芯口径既能完全满足绝缘需求距离，又不会因口径太大而对生厂的工艺和选材造成太大的影响。在铁芯的选择时，在满足穿芯口径的需求的前提下，考虑到支架的大小、线圈绕制以及屏蔽结构的设置等，直流铁芯和交流铁芯的内径可采用180mm、外径为210mm、高度30mm时较佳。
48.本实用新型的优点在于：本实用新型通过采用定制的特殊口径的铁芯，配合较佳的绝缘屏蔽结构的设计，与现有同类额定电流等级的电流传感器相比，除了满足相同程度的准确度等级要求外，更好的满足了应用于高压线路电流测量时，对安全绝缘距离的要求。
49.虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本实用新型的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本实用新型的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本实用新型的权利要求所保护的范围内。