專利名稱：交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)在線電流或用電設(shè)備的工作電流監(jiān)測(cè)裝置的傳感器，具體地說(shuō)是一種交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器。
背景技術(shù)：
目前對(duì)電力系統(tǒng)或用電設(shè)備的工作電流的監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)電流互感器來(lái)進(jìn)行的，常用的電流互感器的結(jié)構(gòu)由一次主回路導(dǎo)電板、二次電感線圈及環(huán)形鐵芯構(gòu)成，通過(guò)電磁感應(yīng)，將主回路的大電流轉(zhuǎn)化為二次線圈上的小電流進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是在二次線圈上直接串聯(lián)電流表，但隨著科技的發(fā)展，逐漸采用數(shù)字化運(yùn)算處理。而數(shù)字運(yùn)算的采樣信號(hào)為電壓信號(hào)，因此首先要對(duì)二次線圈上的模擬電壓信號(hào)作A/D轉(zhuǎn)換，由于電流互感器二次輸出的電壓信號(hào)較低，經(jīng)放大后干擾信號(hào)也會(huì)同時(shí)放大，又會(huì)出現(xiàn)較大誤差，影響測(cè)量精度，特別是放大過(guò)程中抗干擾能力差，同時(shí)上述結(jié)構(gòu)的電流互感器對(duì)大電流測(cè)量也較困難，又無(wú)法實(shí)現(xiàn)與主回路隔離進(jìn)行測(cè)量。
根據(jù)傳統(tǒng)的電磁理論，電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度函數(shù)是多解的，這一點(diǎn)從磁滯回線中可見(jiàn)，因而二次電感線圈所得到的感應(yīng)電壓也是不多解的，無(wú)法用來(lái)作為測(cè)量信號(hào)。而采用二次電感線圈的感生電壓作為采樣信號(hào)，則上述問(wèn)題又是不可避免的。
但是，傳統(tǒng)的電磁理論在分析二次電磁線圈電壓時(shí)忽略了磁介質(zhì)中渦流的作用，它所得出的磁滯回線也是通過(guò)靜態(tài)測(cè)量的，因此不能真實(shí)反應(yīng)互相之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。事實(shí)上，二次電磁線圈上的感應(yīng)電壓除了實(shí)際測(cè)量得到的電流所對(duì)應(yīng)的那部分感應(yīng)電勢(shì)外，還包括磁介質(zhì)中的渦流在二次電感線圈中的感應(yīng)電勢(shì)，反應(yīng)到磁滯回線上來(lái)，橫座標(biāo)對(duì)應(yīng)的電流值應(yīng)為磁介質(zhì)中的渦流與一次主回路導(dǎo)電體中電流的疊加，從以下更詳細(xì)的分析中可知，上述疊加電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系是呈線性的，并且，這一論點(diǎn)通過(guò)現(xiàn)代科技手段所提供的在線動(dòng)態(tài)測(cè)量得到證實(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的是現(xiàn)有電流互感器由于自身結(jié)構(gòu)及取樣信號(hào)的限制，在利用電流互感器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)時(shí)存在一系列技術(shù)難題而限制了測(cè)量準(zhǔn)確性的問(wèn)題，提供一種交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器，它是基于上述分析結(jié)果，將交流電流直接轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，直接經(jīng)電阻分壓就可作A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供數(shù)字運(yùn)算使用，由于傳感器直接能轉(zhuǎn)換成足夠大的電壓信號(hào)，所以不會(huì)受到幅射式傳導(dǎo)干擾，抗干擾能力極強(qiáng)，測(cè)量范圍也是夠?qū)?，又能與主回路隔離測(cè)量，而且傳感器可隨意脫離或靠近主回路，這給隨時(shí)測(cè)量電流提供了方便條件。解決上述問(wèn)題采用的技術(shù)方案是交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器，包括一次主回路導(dǎo)電體、二次線圈和鐵芯，三者通過(guò)絕緣緊固件定位，所述主回路電流方向與所述鐵芯截面相垂直，所述鐵芯為開(kāi)放式，二次電感線圈輸出電壓經(jīng)橋式整流及電容濾波后輸出直流電壓供測(cè)試用。
空心線圈作為二次線圈，主回路為一次回路，當(dāng)二者位置固定后，一次主回路電流產(chǎn)生的磁通與二次線圈交鏈的磁鏈ψ21正比于I1，比例系數(shù)為M21稱為互感系數(shù)，有下式成立ψ21＝M21I1………………………………………(1)一次主回路電流為交流時(shí)，在二次線圈中產(chǎn)生的感生電勢(shì)U2，滿足下式U2=-dψ21dt=-M21di1dt---(2)]]>由于是空心線圈，空氣的磁導(dǎo)率可視為常數(shù)等于真空磁導(dǎo)率，故M21為常數(shù)，這就是用空心線圈測(cè)量一次回路的電流的原理。但是由于是空心線圈，與一次主回路交鏈的磁鏈非常弱，所以U2值非常小，直接測(cè)量U2產(chǎn)生很大困難。
一次主回路與二次線圈之間采用硅鋼片疊壓而成的閉合磁路交鏈時(shí)，由于鐵芯的磁導(dǎo)率是變量必須克服鐵芯需要的激磁電流的影響，才能不考慮變化的磁導(dǎo)率的影響，所以要求二次回路阻抗非常小，這時(shí)二次電流I2與二次線圈匝數(shù)N2乘積為N2I2，當(dāng)N2I2遠(yuǎn)大于鐵芯激磁電流時(shí)，那么鐵芯激磁電流就可忽略，因此有下式成立N1I1＝N2I2………………………………………(3)N1是一次主回路匝數(shù)，I1是忽略鐵芯激磁電流后的一次主回路電流。公式(3)就是電流互感器的工作原理。同樣由于二次線圈給出的是電流信號(hào)，又要求二次回路阻抗必須非常小，因此能取出的電壓信號(hào)也是非常小的，很難滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換要求的技術(shù)條件。
如果將二次線圈繞在用硅鋼片疊壓而成的一段鐵芯上，鐵芯長(zhǎng)度應(yīng)稍大于二次線圈長(zhǎng)度，也可采用等截面的槽型鐵芯，將二次線圈繞在槽底的鐵芯上，將二次線圈包好絕緣，測(cè)量時(shí)使一次主回路導(dǎo)體貼緊二次線圈并使位置保持不變，由于有鐵芯存在使一次主回路與二次線圈之間交鏈磁鏈增大幾百倍，這樣一次主回路交流電流在二次線圈中產(chǎn)生的感生電勢(shì)就比空心線圈增大幾百倍。只要鐵芯磁導(dǎo)率是常數(shù)，又能保證一次主回路與二次線圈的位置不變，那么一次主回路與二次線圈的互感系數(shù)M21就會(huì)是常數(shù)，公式(1)及公式(2)仍成立。
本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)性技術(shù)進(jìn)步在于找到了保證鐵芯磁導(dǎo)率在激磁電流變化非常大的范圍內(nèi)仍能保持為常數(shù)的方法。一次主回路電流作為產(chǎn)生磁勢(shì)的激磁電流又是被測(cè)電流，I1＝ImSinωt，代入公式(2)得U2=-M21di1dt=-M21ωImCosωt]]>＝M21ωIm Sin(ωt-π/2)……………(4)公式(4)就是本實(shí)用新型電流電壓傳感器的測(cè)試原理，從公式(4)知道，U2與一次主回路電流的相角差為90度(π/2)。本實(shí)用新型找到了一種測(cè)量交流電流的新方法，這種測(cè)量方法具有明顯優(yōu)點(diǎn)，一是測(cè)量裝置可與被測(cè)電流回路相隔離，并可在被測(cè)回路工作狀態(tài)下將測(cè)量裝置進(jìn)入測(cè)量位置進(jìn)行測(cè)量，不用斷開(kāi)回路又可移動(dòng)測(cè)量裝置。二是將被測(cè)電流直接轉(zhuǎn)換為高電壓信號(hào)經(jīng)電阻分壓后可用A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字直接進(jìn)行顯示、計(jì)算，程序控制或通訊。而且無(wú)須考慮干擾及溫度影響產(chǎn)生的誤差。三是測(cè)量范圍寬，并可直接測(cè)量主回路短路電流值。
當(dāng)被測(cè)回路出現(xiàn)幾萬(wàn)安培的特大短路電流時(shí)，將U2經(jīng)橋式整流后給存儲(chǔ)電容允電將峰值電壓轉(zhuǎn)換成存儲(chǔ)電容的允電電壓可保存一段時(shí)間，這樣就有充分時(shí)間經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)了。被測(cè)電流超過(guò)幾千安后，非閉合回路的鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度仍會(huì)出現(xiàn)飽和，但由于U2超前于I190度(π/2)，因此U2在I1電流過(guò)零處達(dá)到峰值Um，故此Um值不會(huì)因鐵芯飽和而改變線性關(guān)系，將t＝0代入公式(4)，由于sin(ωt+π/2)＝1得Um＝M21ωIm(5) ………………………………………(5)公式(5)說(shuō)明一次回路被測(cè)電流峰值與二次經(jīng)圈感生電壓峰值成正比，因此二次線圈峰值電壓值始終與一次主回路被測(cè)電流峰值成線性關(guān)系，與鐵芯是否出現(xiàn)飽和無(wú)關(guān)。公式(5)就是測(cè)量特大短路電流的原理，所以本實(shí)用新型提供一種測(cè)量特大電流的新方法。那就是將被測(cè)電流作為二次線圈的非閉合磁路的鐵芯的激磁電流，使二次線圈產(chǎn)生感生電勢(shì)，二次線圈感生電勢(shì)的峰值正比于被測(cè)電流的峰值，比例系數(shù)為被測(cè)電流的角頻率與被測(cè)電流對(duì)二次線圈的互感系數(shù)的乘積。這樣就將被測(cè)電流信號(hào)成功的轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，而且是線性關(guān)系。
為了驗(yàn)證公式(5)中的被測(cè)電流峰值變化范圍多大能保證互感系數(shù)M21是常數(shù)，可用試驗(yàn)直接測(cè)量。為試驗(yàn)方便起見(jiàn)，在二次線圈外層繞N匝導(dǎo)線形成一次線圈，一次線圈電流I1n作為激磁電流代替被測(cè)主回路電流，I1＝NI1n與一次線圈串聯(lián)一個(gè)小電阻R，電阻上的電壓Ur，則I1n＝Ur/R，用雙蹤示被器分別將I1n及U2顯示在熒光屏上或經(jīng)接口送給打印機(jī)打印出來(lái)，當(dāng)U2波形為正弦波形而且無(wú)畸變發(fā)生時(shí)，說(shuō)明M21為常數(shù)。逐漸增大I1n，U2波形開(kāi)始出現(xiàn)畸變，開(kāi)始出現(xiàn)畸變點(diǎn)以前的電流峰值Im對(duì)應(yīng)的M21都是常數(shù)。從U2畸變點(diǎn)開(kāi)始鐵芯接近飽和磁導(dǎo)M值下降，但是從波形圖上仍可看作Um與Im仍是線性關(guān)系，甚至于Um還稍有上升。說(shuō)明公式(5)在幾十安培到幾千安培或幾萬(wàn)安培都成立。由實(shí)驗(yàn)證明這種新實(shí)用新型的電流電壓傳感器的測(cè)量原理是成立的，測(cè)量范圍是非常大的，并且準(zhǔn)確性較好。由于鐵芯起始磁導(dǎo)率較小，維持M21的線性關(guān)系的被測(cè)電流值的下限范圍隨減小而下降。如果被測(cè)電流值下限仍不夠，還可以增加一次線圈的匝數(shù)使下限進(jìn)一步擴(kuò)大范圍。
上面實(shí)驗(yàn)說(shuō)明硅鋼片軟磁材料的磁導(dǎo)率在激磁電流的起始磁導(dǎo)率以上和達(dá)到飽和前的范圍內(nèi)是不變的常數(shù)，上述實(shí)驗(yàn)是可信的，本實(shí)用新型電流電壓傳感器也是實(shí)用的。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是本實(shí)用新型測(cè)量較大電流時(shí)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型測(cè)量較小電流時(shí)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型測(cè)量很小電流時(shí)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實(shí)用新型槽型鐵芯的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
附圖所示，1-二次線圈，2-二次線圈框，3-鐵芯，4-一次主回路導(dǎo)電板，5-絕緣緊固件，6-橋式整流件，7-濾波儲(chǔ)能電容，8-一次主回路導(dǎo)線。
當(dāng)一次主回路被測(cè)電流較大時(shí)采用圖1的電流電壓傳感器，用絕緣緊固件將一次主回、鐵芯、二次電感固定，保證位置和角度不變，使主回路電流方向與鐵芯截面相垂直，一次主回路導(dǎo)電體采用導(dǎo)電板，鐵芯采用直型鐵芯，二次電感線圈輸出電壓經(jīng)橋整流為直流，用電容C濾波儲(chǔ)能輸出為直流電壓，為保證輸出的直流電容等于二次電感線圈輸出的峰值電壓，負(fù)載電阻比二次電感線圈內(nèi)阻大2000倍以上。
當(dāng)一次主回路被測(cè)電流較小時(shí)采用附圖2型式的電流電壓傳感器，與圖1實(shí)施例不同之處在于所述鐵芯采用槽型等截面鐵芯。參照?qǐng)D4，槽型鐵芯在底槽上是對(duì)接的，這樣就能插入線圈框內(nèi)了。每片正反對(duì)調(diào)接縫不在一個(gè)位置上，又能壓緊鐵芯。
參照?qǐng)D3，當(dāng)一次主回路被測(cè)電流很小，主回路采用圓導(dǎo)線8，可以將一次主回路繞在包好絕緣的二次線圈外面，包好絕緣也就將繞二匝的一次主回路固定在二次線圈上了。
權(quán)利要求1.交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器，包括一次主回路導(dǎo)電體、二次線圈和鐵芯，三者通過(guò)絕緣緊固件定位，所述主回路電流方向與所述鐵芯截面相垂直，其特征在于所述鐵芯為開(kāi)放式，二次電感線圈輸出電壓經(jīng)橋式整流及電容濾波后輸出直流電壓供測(cè)試用。
2.如權(quán)利要求1所述的交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器，其特征在于所述的鐵芯為直型。
3.如權(quán)利要求1所述的交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器，其特征在于所述的鐵芯為槽型。
4.如權(quán)利要求1所述的交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器，其特征在于所述的一次回路導(dǎo)電體為導(dǎo)電板。
5.如權(quán)利要求1所述的交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器，其特征在于所述的一次回路導(dǎo)電體為導(dǎo)線，直接繞制在包好絕緣的二次線圈外面。
6.如權(quán)利要求1-5任何一項(xiàng)所述的交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器，其特征在于負(fù)載電阻比二次電感線圈內(nèi)阻大20倍以上。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種交流電流監(jiān)測(cè)用電壓傳感器，包括一次主回路導(dǎo)電體、二次線圈和鐵芯，三者通過(guò)絕緣緊固件定位，所述主回路電流方向與所述鐵芯截面相垂直，所述鐵芯為開(kāi)放式，二次電感線圈輸出電壓經(jīng)橋式整流及電容濾波后輸出直流電壓供測(cè)試用。本實(shí)用新型直接將電壓作為采樣信號(hào)，測(cè)量精度高，抗干擾能力極強(qiáng)，測(cè)量范圍寬，又能與主回路隔離測(cè)量，而且傳感器可隨意脫離或靠近主回路，這給隨時(shí)測(cè)量電流提供了方便條件。
文檔編號(hào)G01R15/18GK2563582SQ02265648
公開(kāi)日2003年7月30日 申請(qǐng)日期2002年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月19日
發(fā)明者王有元 申請(qǐng)人:正泰集團(tuán)公司