专利名称：给电子装置供电用电流互感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种给电子装置供电用的电流互感器，更具体地说，涉及为低压 断路器的电子脱扣器(ETU)供电用的电流互感器。
背景技术：
带电子脱扣装置的低压断路器，由电流检测装置监测一次主回路电流，产生与主 回路电流大小相对应的信号，输出给电子脱扣装置进行采样，电子脱扣装置根据信号大小 进行计算处理，当超出保护门限值时，发出指令驱动脱扣机构，使断路器断开一次主电路。电子脱扣器需要电力供应，如果直接从一次电网接入，则一是电气隔离无法做到 很好，另外，当电网发生短路故障时，电源电压将大幅跌落，导致电子脱扣器无法正常工作 和执行脱扣动作。因此，通常的做法是采用电流互感器从一次主回路汲取能量，电能来自 于流过导体的电流，电流互感器二次线圈中的感应电流供应给电子脱扣器工作，这种给断 路器的电子脱扣器供电用电流互感器也称为自生电源。根据2009年10月1日实施的GB/ T22710-2008低压断路器用电子式控制器的标准要求，控制器具有过载长延时、短路短延时 和短路瞬时三种基本保护功能和若干附加保护功能。该标准规定了的控制器包括信号采集 单元(包含电流传感器)、处理和执行单元(包含脱扣元件)，并至少应具有一个由被保护 线路能量产生的自生电源。在无辅助电源情况下，低压断路器用电子式控制器一般通过电 流互感器感生一次侧电流能量而工作。就控制器的过载长延时基本保护功能而言，它的过 载保护电流值可调，最小可设置为0. 41η，而接地故障保护作为附加保护功能，某些情况最 小要求设置到0. 21η，控制器必须能够可靠保护，因此，目前很多控制器设计的工作条件要 求当一次电流达到0. 21η时，控制器必须可靠地工作，而供电用电流互感器的设计必须满 足控制器实现其基本保护功能和所需附加保护功能的工作条件。然而，作为自生电源的电 流互感器一般为带铁芯的电流互感器。在一定范围内，铁芯互感器的输入和输出基本是成 线性的，其二次电流是随一次电流的变化而变化的，正常情况下，当一次电流达到其启动电 流后，电流互感器此时所感生的能量足以维持控制器的可靠工作，即控制器的功耗是一定 的，当一次电流再增大，给电子脱扣器供电的电流互感器所感应过来的能量将远远超过电 子脱扣器正常工作所需的能量，需要将多余的能量通过其他方式予以消耗掉，尤其是在主 电路出现短路情况下，一次电流在瞬间的波动很大，而要保证电子控制器的可靠工作，却要 求二次电流相对于大的一次电流范围能相对稳定。因此，当电流互感器的二次输出满足控 制器工作所需后，如何在一个从常态到非常态的宽的一次电流范围内获得一个尽可能低的 二次电流输出，是这种电流互感器设计面临的一个顾此失彼的难以解决的问题。当前，最常用的供电用电流互感器方案有两种一种是将冲制好的铁芯硅钢片叠 厚成一个封闭的铁芯磁环路，磁阻很小，其中铁芯截面相对要小的底边穿过供电二次线圈。 其一次穿芯导体通过电流时，在铁芯中所建立的磁通绝大部分会通过供电二次线圈所环绕 的铁芯。一次电流较大时，需要额外增加耗能装置，从而导致产品体积大，生产成本增加。另一种是在供电二次线圈所环绕的那段铁芯一侧再并联一铁芯支磁路，通过并联支路将主磁路分成两个平行的分磁路，则必有部分磁通会流过支磁路，从而减少了流过供 电二次线圈所环绕铁芯的磁通量，即降低了供电二次线圈的输出。一种采用了这样的支磁 路设计的自生电源例如由美国专利US5726846和US714M21所公开，因此不必再额外增加 耗能装置。上述两种已有形式的第二铁芯磁路虽然在电流变大时能分流走部分第一铁芯磁 路中的磁通，但由于支磁路具有恒定宽度的固定间隙，供电二次线圈输出仍会随一次穿芯 导体中流过的电流增大而有较大增长，无法对第一铁芯磁路的磁通量继续增大做出动态响 应，二次电流随一次电流增大的波动仍然很大。为了在短路的情况下使具有次级线圈的支磁路达到磁饱和，同时减少从次级线 圈流出的二次电流随一次电流变化的波动，中国专利申请CN101685725A公开了一种通过 间隙随初级电流大于额定电流的变化其磁路发生变化，以使并联支磁路里出现的磁阻自动 变小而限制次级线圈输出的方案。但由于所述的间隙平行于磁路，导致驱动间隙变小所需 的磁力很大，故而只能在一次电流大于所述的断路器的额定电流的情况下，特别是在发生 短路的情况下，所述附加的磁阻(间隙)均在初级电流大于所述断路器额定电流的情况下 才变化，而在一次电流小于或等于额度电流的情况下，该间隙不能变小，并联支路不产生任 何作用，因而采用CN101685725A的电流互感器，其输出的二次电流进入相对稳定状态所 对应的一次电流至少大于额定电流11η，这种方案只能用在一次电流大于断路器的额定电 流的情况下，不但不能起到保证所述控制器可靠工作所需的输出尽可能低的二次电流的作 用，而且不符合生产实际和市场的需要。并且，由于该自生电源的并联支路由舌状连片的自 由端部相互搭接组成，将间隙设置在构成磁路的相邻两个上、下层叠的磁性舌状薄片式连 片之间，这样间隙两侧的每一侧的舌状连片横截面的截面积最多不能超过主磁路横截面的 截面积的一半，这使得该并联支路最多只能分走主磁路中不到一半的磁通量，使该已有技 术想通过间隙变小而减小并联支路里的磁阻来解决大电流情况下耗能问题的技术效果受 到限制。况且，该已有技术将间隙变小所需的一次电流的设定条件相同于次级线圈的支路 达到磁饱和所需一次电流的设定条件，二者的设定条件都是大于额定电流，可见，间隙变小 的动作过程是发生在次级线圈的支路已处于磁饱和的状态下，这样的磁分路结构的实际效 果不令人满意。此外，由于其间隙磁路位于中间，与环绕通电导体用于检测电流的空芯线圈 有重叠，所以间隙磁路的漏磁将会对空芯线圈信号产生干扰，影响电流检测精度。因此，目前为了保证低压断路器的电子脱扣器能够可靠操作，人们迫切需要一种 新式自生电源，使电子脱扣器不仅在一次电流远低于额定电流h的情况下即能正常启动 工作，并且在一次电流超过额定电流h时也能正常工作。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的上述诸多缺陷，提供一种给电子装置供 电用电流互感器，当穿过互感器的一次电流大于断路器的电子控制器要求的启动工作点 时，第二铁芯磁路能对第一铁芯磁路磁场增大做出动态响应，从而在一次电流远低于额定 电流化和超过额定电流h的情况下，都能得到更优于上述各已有技术的二次输出曲线，保 证低压断路器的电子脱扣器能够可靠操作，达到平缓供电二次线圈电流输出曲线的目的， 且无需再外加耗能装置。本实用新型的给电子装置供电用电流互感器包括
4[0010]一个围绕一次穿芯导体21的具有封闭环形的独立的第一铁芯磁路11和至少一个 装配在第一铁芯磁路11 一侧上的供电二次线圈31，所述的供电用电流互感器还包括一个 与所述的第一铁芯磁路11分离的独立的开口的第二铁芯磁路41，所述的第二铁芯磁路41 靠近第一铁芯磁路11上装有供电二次线圈31的一侧，且与第一铁芯磁路11之间设有间 隙，所述的保持在两个分离磁路11，14之间的间隙为厚度可变小的间隙。当流过供电二次 线圈31的电流超过所述电子装置正常工作所需电流值时，所述的保持在两个分离磁路11， 14之间的间隙的厚度变小，使第二铁芯磁路41的开口的两端朝向第一铁芯磁路11动态移 动。所述的第二铁芯磁路41的开口的两端位于第一铁芯磁路11外，且位于所述供电 二次线圈31的两侧，所述的开口的两端与第一铁芯磁路11之间分别具有第一间隙1和第 二间隙2。所述第一间隙1和第二间隙2分别垂直于第一铁芯磁路11和/或第二铁芯磁路 41。所述的第一间隙1和第二间隙2的厚度相同，分别为l-10mm。所述的第二铁芯磁路41上带有弹性元件51，改变所述间隙的厚度的驱动力由该 弹性元件51和第一铁芯磁路11内的磁力提供。第二铁芯磁路41的横截面的截面积大于或等于第一铁芯磁路11的横截面的截面 积。所述的互感器用塑料外壳定位和封装。一个电流传感器81围绕一次穿芯导体21设置在第一铁芯磁路11上，用于检测从 一次穿芯导体21中流过的电流大小。第二铁芯磁路41的铁芯内框高度高于供电二次线圈31外露的高度1 2mm。本实用新型的供电用电流互感器可以使电子脱扣器获得较低的启动工作点，在无 辅助电源的情况下，主电路所有相电流不小于0. 41η时，控制器能够可靠工作，且能实现基 本保护功能。而且，在一次电流超过额定电流^时也能正常工作。与现有技术的间隙磁路 均位于主磁路中间不同，本实用新型的间隙磁路位于主磁路一侧，主磁路长度远远短于现 有技术，磁路越短，磁阻越小，在初级电流不大的情况下，本实用新型具有更佳的供电输出 能力。且由于本实用新型的间隙磁路位于供电二次线圈一侧，不会对空芯线圈的精度产生 不良影响，提高了电流互感器供电输出的整体性能。本实用新型的给电子装置供电用电流 互感器按所建模型已通过电磁场仿真验证其原理，仿真结果表明当第一、第二铁芯磁路间 间隙约5mm时，对供电二次线圈输出无影响；当第一、第二铁芯磁路间间隙变为0. 5mm时，供 电二次线圈输出功率降低约三分之一。
图1 本实用新型的给电子装置供电用电流互感器的简化磁路结构示意图。图2A、图2B、图2C 图2所示的电流互感器在不同间隙下的磁场分布示意图。图 2A所示为当一次穿芯导体中流过电流很小时，图2B所示为当一次穿芯导体中流过电流增 大时，图2C所示为当一次穿芯导体中流过电流很大时。图3 本实用新型的给电子装置供电用电流互感器主磁路和分磁路的第一实施方 式。图4 本实用新型的给电子装置供电用电流互感器主磁路和分磁路的另一可替换的实施例方式。图5 本实用新型的给电子装置供电用电流互感器的二次电流随一次电流变化的 曲线图。
具体实施方式
根据以下对仅作为非限制性例子给出的并结合附图中示出的本实用新型的具体 实施方式的描述，本实用新型相对于现有技术独有的特性和优点将变得更加清楚和更易于理解。图1为本实用新型的给电子装置供电用电流互感器简化内部磁路结构示意图。本 实用新型提供了一种能对一次侧电流大小做出动态响应，保证供电二次线圈稳定输出的铁 芯磁路，它由图1所示的两个独立的分离铁芯磁路组成。第一铁芯磁路11的铁芯设计成围 绕一次穿芯导体21封闭的闭合形状，先分别将“U”形和“一”字形硅钢片叠厚，然后通过铆 接或焊接将叠厚硅钢片紧固成一整体的铁芯，其中“一”字形硅钢穿过绕好的供电二次线圈 31之后，与“U”形硅钢装配并焊接成封闭的铁芯磁路，构成第一铁芯磁路11，即主磁路。供 电二次线圈31固定于第一铁芯磁路11的一侧。第二铁芯磁路41靠近主磁路装有供电二 次线圈31的一侧，并且与第一铁芯磁路11间保持一定的间隙。第二铁芯磁路41的铁芯截 面大于第一铁芯磁路11的铁芯截面，以减小磁阻。两个分离磁路，第一铁芯磁路11与第二 铁芯磁路41之间的间隙是动态变化的，即主磁路与分支磁路的磁阻是动态变化的。互感器铁芯及线圈用塑料外壳进行封装和定位。当一次穿芯导体21中流过交流电流，将在第一铁芯磁路11中产生闭合磁场，装配 于第一铁芯磁路11 一端上的供电二次线圈31切割交变磁场，感生能量输出。在磁场未建 立前，第二铁芯磁路41与第一铁芯磁路11间隙固定，当第一铁芯磁路磁场变化时，第二铁 芯磁路与第一铁芯磁路间的间隙动态变化。图2是电流互感器在不同间隙下的磁场分布示意图。图2A所示为当一次穿芯导 体中流过电流很小时，磁通主要在第一磁场内流动。图2B所示为当一次穿芯导体中流过电 流增大时，第一铁芯磁路磁场相应增大，对第二铁芯磁路产生一定吸力，使两磁路之间的间 隙减小，两磁路趋向接近，部分磁通流过第二铁芯磁路。图2C所示为当一次穿芯导体中流 过电流很大时，第一铁芯磁路与第二铁芯磁路间间隙更小，更多磁通流过第二铁芯磁路。图3为本实用新型的给电子装置供电用电流互感器内部磁路的第一实施方式。一 个围绕一次穿芯导体21的具有封闭环形的独立的第一铁芯磁路11和至少一个装配在第一 铁芯磁路11上的供电二次线圈31，供电二次线圈31固定于第一铁芯磁路11的一侧。在 图3所示的实施例中，标号12为冲制好的“U”形铁芯，13为“一”字铁芯，供电二次线圈31 装配于“一”字铁芯13上，32为线圈骨架，33为绕于骨架32上的漆泡线包。分别将“U”形、 “一”字冲片叠片铆紧或焊接牢固后，装配好线圈31，再将两者拼装成围绕一次穿芯导体的 闭合形状，接缝处焊接牢固，形成独立的第一铁芯磁路11。如图3所示，本实用新型的给电子装置供电用电流互感器还包括一个与第一铁芯 磁路11分离的独立的开口的第二铁芯磁路41，第二铁芯磁路41为一冲制好的短“U”形铁 芯，位于第一铁芯磁路11的“一”字硅钢一侧，它靠近第一铁芯磁路11上装有供电二次线 圈31的一侧，其开口的两端位于所述供电二次线圈31的两侧，并且与第一铁芯磁路11之间保持有间隙。第二铁芯磁路41的横截面的截面积大于第一铁芯磁路11的横截面的截面 积。所述的第二铁芯磁路41这样设置，第二铁芯磁路41通过弹性元件51与第一铁芯磁路 11联结，并且与第一铁芯磁路11的“一”字硅钢间留有一定距离的间隙，所述的开口的两端 与第一铁芯磁路11之间所具有的间隙分别是第一间隙1和第二间隙2。它们分别垂直于第 一铁芯磁路11和/或第二铁芯磁路41，而且第一间隙1和第二间隙2的厚度相同。随着第 一铁芯磁路磁场变化，与第一铁芯磁路间的间隙会动态变化。两磁路之间保持1 IOmm的 间隙，可根据具体设计调整。在图3所示的第一实施例中，弹性元件为拉簧，第二铁芯磁路 41的中心冲片可预冲一小挂勾，用于固定弹性元件51的一端，拉簧的另一端固定于第二铁 芯磁路中心顶部挂钩上。具体地说，拉簧的一端固定于互感器外壳61顶部的中心内壁挂钩 上，它依靠塑料外壳61进行装配定位，弹性元件51的另一端固定于第二铁芯磁路中间，第 二铁芯磁路运动轨迹依赖外壳开槽限位。所述的互感器用塑料外壳定位和封装。第二铁芯磁路41的铁芯内框高度以高于线圈31高度为宜，所述高度要高于供电 二次线圈31外露的高度1 2mm，这是为了防止当一次电流增大，第一铁芯磁路11将第二 铁芯磁路41吸下来时，第二铁芯磁路41朝第一铁芯磁路11的移动不至于被供电二次线圈 31挡住。本实用新型的给电子装置供电用电流互感器还包括一个电流传感器81围绕一 次穿芯导体21设置在第一铁芯磁路11的铁芯上方，用于检测从一次穿芯导体21中流过的 电流大小。所述电流传感器81是个空芯线圈，固定在第一铁芯磁路11的“U”形铁芯上表 面上，并且围绕第一穿芯导体21构成闭合形状，且不与供电二次线圈31重叠，避免了电流 传感器81和供电二次线圈31两者之间发生相互干扰。电流传感器81的空芯线圈与供电 二次线圈31的信号输出导线采用屏蔽双绞线，分别沿塑料外壳内壁相对侧出线槽引出至 接线座上。下面说明本实用新型的给电子装置供电用电流互感器的工作原理。当流过供电二 次线圈31的电流超过所述电子装置正常工作所需电流Iol时，随着一次侧电流增大，第一 铁芯磁场也越来越强，将对第二铁芯磁路产生一定的吸力，吸力克服弹性元件51的阻力， 使第二铁芯磁路41与第一铁芯磁路11间间隙的距离减小，随着保持在两个分离磁路11， 41之间的间隙的厚度变小，使第二铁芯磁路41的开口的两端可朝向第一铁芯磁路11动态 移动。第二铁芯磁路41上带有弹性元件51，改变所述间隙的厚度的驱动力由该弹性元件 51和第一铁芯磁路11内的磁力提供。此时有一部分磁力线将通过第二铁芯磁路，形成分磁 路。两者间隙越小，磁阻减小，流过第二铁芯磁路的磁通量越多，使得供电二次线圈31中流 过的磁通量基本保持不变，保证了其输出的稳定。图4为本实用新型的给电子装置供电用电流互感器内部磁路的另一实施方式。图 4所示的实施例中，弹性元件51分别设置于第一铁芯磁路11与第二铁芯磁路41的间隔中 间。弹性元件为弹簧或橡胶垫片，封装于橡胶套内，再将橡胶套套装入第二铁芯磁路的“U” 形臂上。铁芯的安装定位与图3所示实施方式相同，也借助于互感器外壳实现。第二铁芯 磁路41的横截面的截面积大于或等于第一铁芯磁路11的横截面的截面积。与图3的实施 例不同的是，第一间隙1和第二间隙2的厚度可以有差别。随着第一铁芯磁路磁场变化，与 第一铁芯磁路间的间隙会动态变化。两磁路之间保持1 IOmm的间隙，可根据具体设计调整ο图5是本实用新型的给电子装置供电用电流互感器的二次电流随一次电流变化 的曲线图。图中Il代表一次电流，12代表二次线圈输出电流，Iol代表电子脱扣器工作电 流。如图5所示，当一次电流在额定电流以内，意味着此时主磁路对第二铁芯磁路的吸力相 对一次大电流时要弱很多，根据断路器控制器的工作特性及工作条件，一般控制器工作点 为单相电流互感器供电0.31η，本实用新型的给电子装置供电用电流互感器通过削减拉簧 力(第一实施例)、或弹簧/弹性橡胶反力(第二实施例)使得主磁路对第二铁芯磁路只 需较小的吸力就能使在初级电流大于控制器要求的启动工作点的情况下间隙发生变化，这 样只需合理的调整主磁路对第二铁芯磁路的吸力与对第二铁芯磁路所施加的反力的关系， 通过间隙磁路的变化，来限制断路器常态工作条件下(即指额定负载或轻载)和较大电流 情况下的二次线圈输出，从而得到如图5所示的令人满意的二次输出曲线。可见，由于本实 用新型第二铁芯磁路41能够对一次侧电流大小做出动态响应，从而使得供电二次线圈31 的输出能够保持很好的稳定，保证了负载侧低压断路器的电子脱扣器的最佳工作条件，大 大提高了其工作的可靠性和稳定性。并且在两个分离的铁芯磁路中，间隙磁路位于主磁路 的供电二次线圈31 —侧，用于检测电流的空芯线圈81与间隙磁路无重叠，不会影响到该空 芯线圈的精度。如下是对按照本实用新型实施方案制作的简易模型进行的初步试验得到的数 据
权利要求1.一种给电子装置供电用电流互感器，包括一个围绕一次穿芯导体的具有封闭 环形的独立的第一铁芯磁路(11)和至少一个装配在第一铁芯磁路(11) 一侧上的供电二次 线圈(31)，其特征在于还包括一个与所述的第一铁芯磁路(11)分离的独立的开口的第二铁芯磁路(41)，所 述的第二铁芯磁路Gl)靠近第一铁芯磁路(11)上装有供电二次线圈(31)的一侧，且与第 一铁芯磁路(11)之间设有间隙，所述的保持在两个分离磁路(11，41)之间的间隙是厚度可 变小的间隙。
2.根据权利要求1所述的给电子装置供电用电流互感器，其特征在于，所述的第二铁 芯磁路Gl)的开口的两端位于第一铁芯磁路(11)外，且位于所述供电二次线圈(31)的两 侧，所述的开口的两端与第一铁芯磁路(11)之间分别具有第一间隙(1)和第二间隙O)。
3.根据权利要求1所述的给电子装置供电用电流互感器，其特征在于，所述的第二铁 芯磁路Gl)上带有弹性元件(51)，改变所述间隙的厚度的驱动力由该弹性元件(51)和第 一铁芯磁路(11)内的磁力提供。
4.根据权利要求2所述的给电子装置供电用电流互感器，其特征在于，所述第一间隙 ⑴和第二间隙(2)分别垂直于第一铁芯磁路(11)和/或第二铁芯磁路01)。
5.根据权利要求1所述的给电子装置供电用电流互感器，其特征在于，第二铁芯磁路 (41)的横截面的截面积大于或等于第一铁芯磁路(11)的横截面的截面积。
6.根据权利要求2所述的给电子装置供电用电流互感器，其特征在于，所述的第一间 隙(1)和第二间隙O)的厚度相同。
7.根据权利要求2所述的给电子装置供电用电流互感器，其特征在于，所述的第一间 隙⑴和第二间隙⑵的厚度分别为l-10mm。
8.根据权利要求1所述的给电子装置供电用电流互感器，其特征在于，所述的互感器 用塑料外壳定位和封装。
9.根据权利要求1所述的给电子装置供电用电流互感器，其特征在于，一个电流传感 器(81)围绕一次穿芯导体设置在第一铁芯磁路(11)上，用于检测从一次穿芯导体 (21)中流过的电流大小。
10.根据权利要求1所述的给电子装置供电用电流互感器，其特征在于，所述第二铁芯 磁路Gl)的铁芯内框高度高于供电二次线圈(31)外露的高度1 2mm。
专利摘要一种给低压断路器的电子装置供电用电流互感器，包含一次和二次线圈的闭合主磁路，第二铁芯磁路与主磁路相互独立，它靠近主磁路上装有供电二次线圈的一侧，并且与主磁路保持一定的间隙，当流过供电二次线圈的电流超过所述电子装置正常工作所需电流时，该间隙的厚度可变小，使第二铁芯磁路的开口的两端可朝向主磁路动态移动。本实用新型采用双磁路和可变垂直间隙的结构，通过合理的调整主磁路对第二铁芯磁路的吸力与对第二铁芯磁路所施加的反力的关系，能够在一个从常态到非常态的宽的一次电流范围内得到一个性能更优良的尽可能低的二次电流输出，特别是在一次电流大于等于0.3In时就能得到稳定输出的二次电流。
文档编号H01F27/24GK201845653SQ20102027311
公开日2011年5月25日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者向洪岗, 徐泽亮, 田晓康, 胡应龙 申请人:上海诺雅克电气有限公司