一種霍爾電流互感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種霍爾電流互感器，它包括鐵心、二次繞組、一次母線孔、霍爾元器件、正恒壓源板、負恒壓源板、霍爾電路模塊、整流濾波電路、二次端子和直流輸入端子。本實用新型具有以下優(yōu)點：測量回路與被測量回路間有良好的電隔離，保證了系統(tǒng)的控制電路的安全。由于零磁通模式，始終處于零磁通補償狀態(tài)，不受磁路和霍爾元器件線性度影響，霍爾元器件控制電壓采用正、負恒壓板，受溫度影響也小，保證了線性度優(yōu)于0.02%；測量準確度等級在2×10-4%以內(nèi)；過載能力強，具有飽和特性；響應(yīng)速度快，動態(tài)平衡建立時間≤1μs；頻帶很寬，大于等于35kHz，適用于安裝于變電站和電廠關(guān)口計量裝置計費點。
【專利說明】-種霍爾電流互感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及電流互感器，尤其涉及一種霍爾電流互感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 霍爾電流互感器有諸多優(yōu)點，在電力系統(tǒng)和電氣自動控制系統(tǒng)都獲得了廣泛應(yīng) 用，霍爾電流互感器根據(jù)原理不同可分為開環(huán)型和閉環(huán)型兩類。
[0003] 開環(huán)型的導(dǎo)磁體采用的是鐵磁材料，它是在導(dǎo)磁體氣隙中擱放霍爾元器件，其中 鐵磁磁阻要比氣隙磁阻小得多，從某種程度上，被測電流與氣隙中磁感應(yīng)強度呈正比例關(guān) 系，結(jié)合氣隙磁感應(yīng)強度多點采樣值和鐵芯傳感系數(shù)就能夠得到被測電流值，開環(huán)型的準 確度等級通常為ΚΓ 2級。
[0004] 閉環(huán)型霍爾電流互感器是在開環(huán)型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其原理和比較儀相近，采 用了零磁通原理，首先是將平衡繞組均勻布置在鐵磁材料上；其次利用霍爾元器件對磁通 剩余量進行探測，同時它可以讓一定電流流經(jīng)平衡繞組。通常狀況下，平衡繞組與母線電流 值呈正比例關(guān)系，因此被測電流的大小可通過檢測平衡繞組中的電流大小實現(xiàn)。閉環(huán)型的 性能穩(wěn)定，準確度等級達ΚΓ 3級，是一種比較理想的電流互感器。
[0005] 目前，霍爾電流互感器在電力系統(tǒng)和電氣自動控制系統(tǒng)中使用還是比較普遍的， 隨著新型鐵磁材料的出現(xiàn)，性能有所提高，然而一些缺陷還沒有解除，如適用電流測量范 圍比較窄，僅為數(shù)千安以內(nèi)的交流電流，最重要一點就是激磁電流，因其產(chǎn)生在較大的電流 中，如果過大將會對互感器產(chǎn)生不可低估的影響，使得鐵心僅在飽和區(qū)工作快速加大了測 量誤差；同時電流頻率高低也會對其產(chǎn)生影響，僅適于電網(wǎng)工作頻率附近頻段的電流測量。 而且一般霍爾電流互感器的準確度等級通常為ΚΓ 2級，如何提高霍爾電流互感器準確度等 級，使其能夠大量應(yīng)用于中國交直流電力系統(tǒng)的大電流計量，成為日漸突出的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實用新型的目的在于克服上述的缺陷，提供一種霍爾電流互感器，它不但結(jié)構(gòu) 簡單，而且準確度等級達2 X ΚΓ4級。
[0007] 本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。
[0008] -種霍爾電流互感器，本實用新型包括C型結(jié)構(gòu)的鐵心和底座，二次繞組纏繞在 鐵心絕緣的外側(cè)，鐵心的中心孔設(shè)為一次母線孔，在鐵心的接口處氣隙安裝有霍爾元器件， 霍爾元器件連接有霍爾電路模塊；該霍爾電路模塊分別與正恒壓源板、負恒壓源板相連接； 正恒壓源板、負恒壓源板分別連接到整流濾波電路；整流濾波電路與直流輸入端子的兩個 端子U+和U-連接；二次端子設(shè)在底座上。
[0009] 二次繞組表面涂有絕緣保護層，絕緣保護層為無溶劑不飽和聚酯材料；二次繞組 非極性端接有電阻R m，電阻^尾端接地，其范圍為35kΩ至45kΩ ;二次端子有兩個接線端 子lk和2k。
[0010] 霍爾電路模塊包括電阻&、R2、R3、R 4、R5、R6、R7，電容互補晶體管?\及T2、電容C和 放大器A ;正恒壓源板+Vcc經(jīng)電阻R3與所述霍爾元器件Η相連，負恒壓源板-Vcc經(jīng)電阻R4 與所述霍爾元器件Η相連；R5連接霍爾元器件Η和放大器A負極，&連接霍爾元器件Η和 放大器Α正極，R 2連接放大器Α輸出端和電容互補晶體管?\及Τ2的基極；1\的集電極接R7 后與+Vcc相連，T2的集電極接-Vcc，?\的射極和T2的射極相連；放大器A負極與&和C相 連后接到TJPT 2W射極；所述電阻馬、1?4、1?5、1?6為選用范圍為41^至1〇1^ ;電阻1?1選用 范圍為10kQ至40kQ ;電阻R2選用范圍為0. lkQ至lkQ ;電容C為無極固定介質(zhì)電容， 電容量范圍為1000 μ F至4700 μ F。
[0011] 所述霍爾元器件采用砷化稼的磁電轉(zhuǎn)換材料或銻化鋼的磁電轉(zhuǎn)換材料。
[0012] 所述直流輸入端子與變電站或開關(guān)場或工作現(xiàn)場的場站用±220V直流電源Us連 接；直流電源u s經(jīng)過整流濾波電路為正恒壓源板、負恒壓源板提供恒定電壓+VCC和-Vcc ; 恒定電壓+Vcc和-Vcc，范圍為± (1(T30)V。
[0013] 其工作原理如下：
[0014] 一次電流Ii流過一次繞組&產(chǎn)生的磁通作用于導(dǎo)磁體氣隙中的霍爾元器件，在一 定的控制電流I。下，其霍爾輸出電壓經(jīng)放大器A進行電壓放大及互補三極管?\、T 2功率放 大后，輸出的補償電流12經(jīng)二次補償繞組Ν2產(chǎn)生與一次電流相反的磁通，因而補償了一次 電流產(chǎn)生的磁通，使霍爾輸出電壓逐漸減小，直到一、二次側(cè)磁通相等時，二次電流不再增 力口。這時，霍爾元器件起到指示零磁通的作用，本實用新型霍爾電流互感器達到其它互感器 不能達到的狀態(tài)，即完全零磁通狀態(tài)，使一次繞組和二次繞組磁通交換損耗，則本實用新型 的工作狀態(tài)下滿足如下關(guān)系：
[0015] 1^=1^
[0016] 上述電流補償?shù)倪^程是一個動態(tài)平衡的過程。當L通過％，12尚未形成時，霍爾 元器件檢測出IiK所產(chǎn)生的磁場的霍爾電壓，經(jīng)電壓、功率放大。由于N2為補償繞組，經(jīng)過 它的電流不會突變，12只能逐漸上升，I2N2產(chǎn)生的磁通補償產(chǎn)生的磁通，霍爾輸出電壓 降低，1 2上升減慢。當Ι2Ν2=ΙΛ時，磁通為零，霍爾輸出電壓為零。由于二次繞組的緣故，1 2 還會再上升，這樣Ι2Ν2>ΙΛ，形成過補償，霍爾輸出電壓立即改變極性，互補晶體管?\、Τ 2組 成的功率放大輸出級使12減小，經(jīng)過在平衡點附近快速振蕩。此動態(tài)平衡建立時間< 1 μ S， 使霍爾電流互感器達到零磁通狀態(tài)。
[0017] 本實用新型具有以下有益效果：（1)能檢測任何波形的電流(直流、脈沖、交流)，快 速準確檢測規(guī)則或不規(guī)則的電流波形；（2)準確的反映被測電流的極性或相位；（3)測量回 路與被測量回路間有良好的電隔離，保證了系統(tǒng)的控制電路的安全。（4)由于零磁通模式， 始終處于零磁通補償狀態(tài)，不受磁路和霍爾元器件線性度影響，霍爾元器件控制電壓采用 正、負恒壓板（由恒壓源+Vcc、-Vcc與電阻R共同組成)，受溫度影響也小，保證了線性度優(yōu) 于0. 02%。（5)測量準確度等級在2X 10_4%以內(nèi)。（6)過載能力強，具有飽和特性。（7)響 應(yīng)速度快，動態(tài)平衡建立時間彡lus ;(8)頻帶很寬，大于等于35kHz。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2為本實用新型的電路原理圖；
[0020] 圖3為本實用新型所述整流濾波電路的原理圖。

【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖詳細說明本實用新型。
[0022] 如圖1、圖2所示，一種霍爾電流互感器，本實用新型包括C型結(jié)構(gòu)的鐵心1和底座 11，二次繞組2纏繞在鐵心1絕緣的外側(cè)，鐵心1的中心孔設(shè)為一次母線孔3,在鐵心1的接 口處氣隙安裝有霍爾元器件4,霍爾元器件4連接有霍爾電路模塊7 ;該霍爾電路模塊7分 別與正恒壓源板5、負恒壓源板6相連接；正恒壓源板5、負恒壓源板6分別連接到整流濾波 電路8 ;整流濾波電路8與直流輸入端子10的兩個端子U+和U-連接；二次端子9設(shè)在底 座11上。
[0023] 二次繞組2表面涂有絕緣保護層，絕緣保護層為無溶劑不飽和聚酯材料；二次繞 組2非極性端接有電阻R m，電阻Rm尾端接地，其范圍為35k Ω至45k Ω，優(yōu)選40k Ω ;所述二 次端子9有兩個接線端子lk和2k。
[0024] 霍爾電路模塊7包括電阻札、R2、R3、R4、R 5、R6、R7,電容互補晶體管?\及T2、電容C 和放大器A ;正恒壓源板+Vcc經(jīng)電阻R3與所述霍爾元器件Η相連，負恒壓源板-Vcc經(jīng)電阻 R4與所述霍爾元器件Η相連；R5連接霍爾元器件Η和放大器A負極，R6連接霍爾元器件Η和 放大器Α正極，R 2連接放大器Α輸出端和電容互補晶體管?\及Τ2的基極；1\的集電極接R7 后與+Vcc相連，T2的集電極接-Vcc，?\的射極和T2的射極相連；放大器A負極與&和C相 連后接到?\和T 2的射極；所述電阻R3、R4、R5、R6、R 7選用范圍為4kQ至lOkQ，優(yōu)選4kQ ; 電阻札選用范圍為l〇k Ω至40k Ω，優(yōu)選l〇k Ω。電阻R2選用范圍為0.1k Ω至lkQ，優(yōu)選 0. lkQ。電容C為無極固定介質(zhì)電容，電容量范圍為1000yF至4700yF，優(yōu)選2200yF。
[0025] 所述霍爾元器件4采用砷化稼的磁電轉(zhuǎn)換材料或銻化鋼的磁電轉(zhuǎn)換材料。
[0026] 所述直流輸入端子10與變電站或開關(guān)場或工作現(xiàn)場的場站用±220V直流電源隊 連接；直流電源U s經(jīng)過整流濾波電路8為正恒壓源板5、負恒壓源板6提供恒定電壓+Vcc 和-Vcc ;恒定電壓+Vcc和-Vcc，范圍為± (10?30) V。
[0027] 所述霍爾元器件4是一種磁電轉(zhuǎn)換的材料，廣泛應(yīng)用十精密測磁、自動化控制、通 信、航天航空等工業(yè)部門及國防領(lǐng)域。目前采用材料最多的是銻化鋼和砷化稼，砷化稼具有 耐高溫、靈敏度高、線性度好、溫漂小、穩(wěn)定性高、相應(yīng)速度快和體積小等優(yōu)點，優(yōu)選砷化稼。
[0028] 如圖2所示，本實用新型為一種霍爾電流互感器的電路原理圖，其工作原理如下： 一次電流Ii流過一次繞組K產(chǎn)生的磁通作用于導(dǎo)磁體氣隙中的霍爾元器件，在一定的控制 電流I。下，其霍爾輸出電壓經(jīng)放大器A進行電壓放大及互補三極管I\、T 2功率放大后，輸出 的補償電流12經(jīng)二次補償繞組隊產(chǎn)生與一次電流相反的磁通，因而補償了一次電流產(chǎn)生的 磁通，使霍爾輸出電壓逐漸減小，直到一、二次側(cè)磁通相等時，二次電流不再增加。這時，霍 爾元器件起到指示零磁通的作用，本實用新型霍爾電流互感器達到其它互感器不能達到的 狀態(tài)，即完全零磁通狀態(tài)，使一次繞組和二次繞組磁通交換損耗，則本實用新型的工作狀態(tài) 下滿足如下關(guān)系：
[0029] 1^=1^
[0030] 上述電流補償?shù)倪^程是一個動態(tài)平衡的過程。當L通過K，12尚未形成時，霍爾 元器件檢測出IiK所產(chǎn)生的磁場的霍爾電壓，經(jīng)電壓、功率放大。由于Ν2為補償繞組，經(jīng)過 它的電流不會突變，12只能逐漸上升，Ι2Ν2產(chǎn)生的磁通補償產(chǎn)生的磁通，霍爾輸出電壓 降低，12上升減慢。當Ι2Ν2=ΙΛ時，磁通為零，霍爾輸出電壓為零。由于二次繞組的緣故，I 2 還會再上升，這樣Ι2Ν2>ΙΛ，形成過補償，霍爾輸出電壓立即改變極性，互補晶體管1\、τ 2組 成的功率放大輸出級使ι2減小，經(jīng)過在平衡點附近快速振蕩。此動態(tài)平衡建立時間< 1 μ S， 使霍爾電流互感器達到零磁通狀態(tài)。
[0031] 如圖3所示，本實用新型為一種霍爾電流互感器所述整流濾波電路的原理圖，所 述直流輸入端子10可連接到變電站、開關(guān)場、工作現(xiàn)場的場站用±220V直流電源U s上， 所述直流電源Us經(jīng)過整流濾波電路8為正恒壓源板5、負恒壓源板6提供恒定電壓+Vcc 和-Vcc。所述恒定電壓為圖2中+Vcc和-Vcc，范圍為±(1(T30)V，優(yōu)選+Vcc為+20V、-Vcc 為-20V。
[0032] 本實用新型有以下優(yōu)點：（1)能檢測任何波形的電流(直流、脈沖、交流)，快速準確 檢測規(guī)則或不規(guī)則的電流波形；（2)準確的反映被測電流的極性或相位；（3)測量回路與被 測量回路間有良好的電隔離，保證了系統(tǒng)的控制電路的安全。（4)由于零磁通模式，始終處 于零磁通補償狀態(tài)，不受磁路和霍爾元器件線性度影響，霍爾元器件控制電壓采用正、負恒 壓板（由恒壓源+Vcc、-V CC與電阻R共同組成)，受溫度影響也小，保證了線性度優(yōu)于0. 02%。 (5)測量準確度等級在2ΧΚΓ4%以內(nèi)。（6)過載能力強，具有飽和特性。（7)響應(yīng)速度快， 動態(tài)平衡建立時間彡lus ;(8)頻帶很寬，大于等于35kHz。
【權(quán)利要求】
1. 一種霍爾電流互感器，其特征在于，包括C型結(jié)構(gòu)的鐵心（1)和底座（11 )，二次繞組 (2)纏繞在鐵心（1)絕緣的外側(cè)，鐵心（1)的中心孔設(shè)為一次母線孔（3)，在鐵心（1)的接口 處氣隙安裝有霍爾元器件（4)，霍爾元器件（4)連接有霍爾電路模塊（7);該霍爾電路模塊 (7)分別與正恒壓源板（5)、負恒壓源板（6)相連接；正恒壓源板（5)、負恒壓源板（6)分別 連接到整流濾波電路（8);整流濾波電路（8)與直流輸入端子（10)的兩個端子U+和U-連 接；二次端子（9 )設(shè)在底座（11)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種霍爾電流互感器，其特征在于，二次繞組（2)表面涂有絕 緣保護層，絕緣保護層為無溶劑不飽和聚酯材料；二次繞組（2)非極性端接有電阻R m，電阻 ^尾端接地，其范圍為35k Ω至45k Ω ;二次端子（9)有兩個接線端子lk和2k。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種霍爾電流互感器，其特征在于，霍爾電路模塊（7)包括電 阻&、R2、R 3、R4、R5、R6、R7，電容互補晶體管?\及T 2、電容C和放大器A ;正恒壓源板+Vcc經(jīng) 電阻R3與所述霍爾元器件Η相連，負恒壓源板-Vcc經(jīng)電阻R4與所述霍爾元器件Η相連；R 5 連接霍爾元器件Η和放大器A負極，R6連接霍爾元器件Η和放大器A正極，R2連接放大器 A輸出端和電容互補晶體管?\及T2的基極；1\的集電極接R7后與+Vcc相連，T2的集電極 接-Vcc，?\的射極和Τ 2的射極相連；放大器Α負極與&和C相連后接到?\和Τ2的射極。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種霍爾電流互感器，其特征在于，所述霍爾元器件（4)采用 砷化稼的磁電轉(zhuǎn)換材料或銻化鋼的磁電轉(zhuǎn)換材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種霍爾電流互感器，其特征在于，所述直流輸入端子（10) 與變電站或開關(guān)場或工作現(xiàn)場的場站用±220V直流電源U s連接；直流電源Us經(jīng)過整流濾 波電路（8)為正恒壓源板（5)、負恒壓源板（6)提供恒定電壓+Vcc和-Vcc ;恒定電壓+Vcc 和-Vcc，范圍為± (10?30) V。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種霍爾電流互感器，其特征在于，所述電阻R3、R4、R5、R 6、R7 選用范圍為4kQ至10kQ ;電阻札選用范圍為10kQ至40kQ ;電阻R2選用范圍為0. lkQ 至lkQ ;電容C為無極固定介質(zhì)電容，電容量范圍為1000yF至4700yF。
【文檔編號】G01R19/00GK203838223SQ201420146406
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】沈鑫, 丁心志, 鄭建云, 曹敏, 王昕
申請人:云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院, 云南電網(wǎng)公司技術(shù)分公司