專利名稱：低功率電子式電流互感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于電力系統(tǒng)電流測量和繼電保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域的互感器，特別是一種低功率電子式電流互感器。
背景技術(shù)：
隨著以微機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和測量系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對輸入信號的功率需求大大降低。在實際應(yīng)用時，由于這些信號提供的能量水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了微電子元件所能承受的范圍，因此它們都必須通過電流/電壓變送器進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為小功率的模擬電壓信號后才能輸入到繼電器和測量系統(tǒng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中進(jìn)行數(shù)字信號采樣。目前的輸變電系統(tǒng)中，一次的高壓電流信號的獲取還是主要通過傳統(tǒng)的電磁式電流互感器技術(shù)來實現(xiàn)，它們的二次輸出是模擬的大功率電流信號。隨著電力需求量的增大和電壓等級的提高，使得傳統(tǒng)的電磁式電流互感器的體積越來越大，造價越來越高，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)營帶來很大困難。國際電工委員會于2002年對新型的電子式電流互感器的設(shè)計和應(yīng)用提供了明確的規(guī)范。因此，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已經(jīng)不能適應(yīng)輸變電系統(tǒng)智能化、數(shù)字化的發(fā)展需要。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮?2211227.8公開的一種“電子式電流傳感器”，該技術(shù)用絡(luò)氏線圈原理制作的電流傳感器，二次線圈輸出的電動勢與一次電流的微分成正比，即US(t)=Mdidt,]]>其中M為絡(luò)氏線圈的互感。這個二次輸出電動勢只有經(jīng)模擬或數(shù)字積分后才能反映一次電流的大小，因此它在應(yīng)用時需同時配上有源的運(yùn)算放大器或數(shù)字積分電路，對輸出的電壓信號進(jìn)行二次處理。但是由于絡(luò)氏線圈都繞制在非鐵磁材料芯上，而且實際的每匝繞組不可能做到完全一致，因此絡(luò)氏線圈很容易受到外界磁場的干擾，影響測量精度，該類型的電流互感器基本只能用于繼電保護(hù)，而無法用于計量。
檢索中又發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮?3224156.9公開的一種“有源光電電流互感器”。該技術(shù)是有源設(shè)備，利用絡(luò)氏線圈或電磁式電流互感器在一次高電位下進(jìn)行電流測量，而后通過信號處理將模擬輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號向控制室傳輸，然后在控制室里再進(jìn)行光電變換和信號處理，生成可用于微機(jī)保護(hù)和計量的電信號。該技術(shù)主要問題在于一次高壓側(cè)的電子電路的電源供應(yīng)和長期運(yùn)行時的使用壽命，目前主要的電源供應(yīng)方式有激光源供電和母線式線圈供電(即利用一個小型電流互感器線圈從一次高壓側(cè)獲取電能供電)。激光源供電主要問題是激光源的發(fā)射功率偏低，提供的電能有限，而且價格高，使用壽命短，使得混合型光電電流互感器的制造成本很高，而且運(yùn)行后現(xiàn)場維護(hù)難度大。而采用母線式電流互感器線圈供電，存在一次通過小電流時線圈向外供電不足，而通過大電流時線圈易飽和的電源“死區(qū)”問題，影響電子電路的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，這種混合型光電電流互感器雖然有一些產(chǎn)品掛網(wǎng)運(yùn)行，但仍難以實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種低功率電子式電流互感器。使其在符合國家和國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，能同時滿足測量和保護(hù)的多種要求，而且測量量程大、精度高、暫態(tài)響應(yīng)好、體積小、重量輕、電磁兼容性強(qiáng)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明是一個無源設(shè)備，包括一次繞組、二次繞組、磁鐵心、二次分流電阻、屏蔽外殼、雙屏蔽雙絞線與底座，一次繞組貫穿通過磁鐵心中心，二次銅導(dǎo)線均勻纏繞在磁鐵心上，屏蔽外殼與底座構(gòu)成一個整體，在二次銅導(dǎo)線的末端上連接一個二次分流電阻，而且二次分流電阻也均勻纏繞在環(huán)形磁鐵心上與二次銅導(dǎo)線一起構(gòu)成二次繞組，整個二次繞組放置在一個不會產(chǎn)生短路匝的屏蔽外殼內(nèi)，二次低功率電壓信號由雙屏蔽雙絞線輸出。
所述的磁鐵心由磁性的軟合金帶構(gòu)成，磁鐵心的形狀為環(huán)形狀，與采用絡(luò)氏線圈或空芯線圈原理制作的電流傳感器相比，帶有磁鐵心的低功率電流互感器，對干擾磁場和溫度的變化不敏感，設(shè)計更靈活；根據(jù)不同的使用需要，磁鐵心帶有一個或數(shù)個氣隙，或者零氣隙，以滿足暫態(tài)保護(hù)要求，而且由于互感器二次繞組已被二次分流電阻短接，運(yùn)行時的實際最大負(fù)載就是二次分流電阻本身，阻值一般只有幾個歐姆。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)一次通過短路電流時設(shè)計的磁鐵心也不會發(fā)生磁飽和，滿足暫態(tài)響應(yīng)的要求。而且該磁鐵心的尺寸遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)電磁式互感器產(chǎn)品所用的磁鐵心，材料成本更低。
所述的二次分流電阻是二次繞組的一部分，由數(shù)根電阻絲和一根銅導(dǎo)線構(gòu)成，電阻絲纏繞在銅線周圍，當(dāng)二次電流Is(t)通過這組電阻絲時，在電阻絲的兩端就形成了二次輸出電壓Us(t)，并由電阻絲中間的銅線輸出；二次分流電阻或者由一個中間帶有導(dǎo)電桿的金屬圓管組成，導(dǎo)電桿和金屬圓管具有中心對稱的絕緣結(jié)構(gòu)，當(dāng)二次電流Is(t)通過該圓管時，在圓管的兩管就形成了二次輸出電壓Us(t)，并由它中心的導(dǎo)電桿輸出；二次分流電阻或者由一根外部包有金屬屏蔽層的電纜組成，電纜和金屬屏蔽層具有中心對稱的絕緣結(jié)構(gòu)，當(dāng)二次電流Is(t)通過該電纜的金屬屏蔽層時，在屏蔽層的兩端就形成了二次輸出電壓Us(t)，并由電纜輸出；所述的二次分流電阻是二次繞組的一部分，均勻纏繞在磁鐵心上，避免了由外部干擾帶來的漏磁通所形成的環(huán)流，保證了互感器的測量精度，同時二次分流電阻在互感器的內(nèi)部將二次繞組短路，二次輸出端開路電壓即為輸出電壓，不再有互感器運(yùn)行時二次開路問題。二次分流電阻選用溫度系數(shù)非常小的材料，具體為溫度系數(shù)小于或等于±5×10-6Ω/K，并對材料進(jìn)行退火處理，使分流電阻的阻值基本不隨溫度和外加機(jī)械負(fù)荷的變化而變化，保證電流互感器在電站長時間連續(xù)運(yùn)行時的輸出精確、穩(wěn)定；另外也因為二次繞組在內(nèi)部始終短路，電流互感器的層間不再有大的電壓差，所以在繞線時不需要再添加任何層間絕緣，使生產(chǎn)工藝大大簡化，并且節(jié)省原材料。
二次分流電阻的兩端分別與所述的雙屏蔽雙絞線的內(nèi)部兩根絞合導(dǎo)線連接，雙屏蔽雙絞線的長度6米以上，外部屏蔽層在互感器和用戶側(cè)均接地，而內(nèi)屏蔽層只在用戶側(cè)接地，雙屏蔽雙絞線的末端安裝一個接線端子。這種連接方式保證了信號傳輸過程中良好的電磁兼容性，且型式靈活，可滿足不同硬件連接的要求。
所述的屏蔽外殼，為金屬材質(zhì)，或者屏蔽外殼為樹脂澆注體，其外表面覆蓋導(dǎo)電膜。外殼與底座為一個整體，兩者間不需任何電纜連接，運(yùn)行時底座接地。屏蔽外殼不會形成短路匝。
本發(fā)明利用磁鐵心，將通過一次導(dǎo)電桿的一次電流Ip(t)先轉(zhuǎn)換成通過二次繞組的小電流Is(t)，同時二次繞組由二次分流電阻在互感器內(nèi)部短接。當(dāng)二次電流Is(t)通過二次分流電阻時在它的兩端形成電壓降Us(t)，即US(t)=K·N1N2·Ip(t)]]>其中K是包括二次分流電阻在內(nèi)的電壓輸出回路的總阻抗，二次輸出電壓Us(t)與一次電流Ip(t)成線性比例關(guān)系。無需經(jīng)過后續(xù)數(shù)字/模擬電路的積分就能正確反映出一次電流的實測值，測量精度高，能夠滿足計量要求，與采用絡(luò)氏線圈原理制作的電流傳感器相比，有助于簡化繼電器或計量儀表的設(shè)計，避免了因信號處理中的非線性失真而引入的附加誤差。
本發(fā)明運(yùn)行時，可同時連接一個或數(shù)個二次設(shè)備。所有二次設(shè)備的輸入回路都并聯(lián)在互感器的輸出端，即二次負(fù)載的輸入總阻抗Zb并聯(lián)在二次分流電阻上。二次分流電阻的值一般只有幾個歐姆，只要使輸入總阻抗Zb大于一個確定的最小值，這個最小值通常為20kΩ，則互感器的測量精度就不會受到外部負(fù)載變化的影響。而采用絡(luò)氏線圈或空芯線圈原理制作的電流傳感器，應(yīng)用前，每個線圈都必須進(jìn)行單獨(dú)的負(fù)載匹配，而且一般要求二次輸入阻抗在2MΩ以上，而回路中的輸入阻抗很大將降低信號傳輸過程中的抗干擾能力。
本發(fā)明在技術(shù)上具有顯著的進(jìn)步，本發(fā)明二次輸出與一次電流成線性比例關(guān)系的低功率電壓信號；二次分流電阻為二次繞組的一部分，并將互感器在內(nèi)部短接；互感器無二次回路問題，二次既可以開路又可以短路。
本發(fā)明能同時滿足測量和保護(hù)的多種要求；測量量程大，精度高，暫態(tài)響應(yīng)好；能夠測量從50至5000安培的一次電流，并且通過調(diào)整二次繞組的設(shè)計匝數(shù)就可以進(jìn)一步擴(kuò)展互感器的測量范圍；測量的精度更能夠達(dá)到0.2級或更高；而且對于同一個繞組，在滿足測量級精度的同時還能在一次電流小于或等于63kA(即在一次短時熱電流范圍內(nèi))時，滿足5P保護(hù)級的精度要求；若互感器采用帶有氣隙的環(huán)形磁鐵心，則互感器還能夠滿足各種暫態(tài)響應(yīng)，如TPY級的保護(hù)要求。
本發(fā)明體積小，重量輕，原材料成本低且電磁兼容性強(qiáng)。本發(fā)明所需的原材料的重量和體積均只有電磁式產(chǎn)品的1/3以下。本發(fā)明僅需一個繞組就實現(xiàn)多種測量和保護(hù)的功能，而電磁式產(chǎn)品一般至少需要用到3個以上的繞組才可能實現(xiàn)相同的功能；而且，本發(fā)明中的單個鐵心的截面積與同等級的電磁式產(chǎn)品相比，減小40％以上。


圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意2二次分流電阻的中心對稱的絕緣結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明是一個無源設(shè)備，包括一次繞組1、二次繞組2、磁鐵心3、二次分流電阻4、屏蔽外殼5、雙屏蔽雙絞線6與底座11，一次繞組1貫穿通過磁鐵心3中心，屏蔽外殼5與底座11構(gòu)成一個整體，二次銅導(dǎo)線均勻纏繞在環(huán)形磁鐵心上，在二次銅導(dǎo)線的末端上連接一個二次分流電阻4，而且二次分流電阻也均勻纏繞在環(huán)形磁鐵心上與二次銅導(dǎo)線一起構(gòu)成二次繞組2，整個二次繞組放置在一個不會產(chǎn)生短路匝的屏蔽外殼5內(nèi)，二次低功率電壓信號由雙屏蔽雙絞線6輸出。
所述的磁鐵心3由磁性的軟合金帶構(gòu)成，磁鐵心3的形狀為環(huán)形狀，磁鐵心3帶有一個或數(shù)個氣隙，或者零氣隙。
所述的二次分流電阻4是二次繞組2的一部分，由數(shù)根電阻絲和一根銅導(dǎo)線構(gòu)成，電阻絲纏繞在銅線周圍12；或者由一個中間帶有導(dǎo)電桿的金屬圓管組成，導(dǎo)電桿和金屬圓管具有中心對稱的絕緣結(jié)構(gòu)13；或者由一根外部包有金屬屏蔽層的電纜組成，電纜和金屬屏蔽層具有中心對稱結(jié)構(gòu)13。當(dāng)二次電流通過電阻絲或者金屬圓管或者金屬屏蔽層時，在電阻絲或者金屬圓管或者金屬屏蔽層的兩端形成二次電壓。
所述的二次分流電阻4是二次繞組2的一部分，均勻纏繞在磁鐵心3上，二次分流電阻4在互感器的內(nèi)部將二次繞組2短路。
二次分流電阻4選用溫度系數(shù)非常小的材料，具體為溫度系數(shù)小于或等于±5×10-6Ω/K。
二次分流電阻4的兩端分別與所述的雙屏蔽雙絞線6的內(nèi)部兩根絞合導(dǎo)線7和8連接，雙屏蔽雙絞線6的長度6米以上，外部屏蔽層9在互感器和用戶側(cè)均接地，而內(nèi)屏蔽層10只在用戶側(cè)接地，雙屏蔽雙絞線6的末端安裝一個接線端子。
所述的屏蔽外殼5為金屬材質(zhì)，或者屏蔽外殼5為樹脂澆注體，其外表面為導(dǎo)電膜。
本發(fā)明利用磁鐵心3，將通過一次導(dǎo)電桿的一次電流Ip(t)先轉(zhuǎn)換成通過二次繞組2的小電流Is(t)，同時二次繞組2由二次分流電阻4在互感器內(nèi)部短接。當(dāng)二次電流Is(t)通過二次分流電阻4時在它的兩端形成電壓降Us(t)，即US(t)=K·N1N2·Ip(t)]]>其中K是包括二次分流電阻4在內(nèi)的電壓輸出回路的總阻抗，二次輸出電壓Us(t)與一次電流Ip(t)成線性比例關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種低功率電子式電流互感器，包括一次繞組(1)、二次繞組(2)、磁鐵心(3)、屏蔽外殼(5)、雙屏蔽雙絞線(6)與底座(11)，其特征在于，還包括二次分流電阻(4)，所述的低功率電子式電流互感器是一個無源設(shè)備，一次繞組(1)貫穿通過磁鐵心(3)中心，屏蔽外殼(5)與底座(11)構(gòu)成一個整體，二次銅導(dǎo)線均勻纏繞在環(huán)形磁鐵心上，在二次銅導(dǎo)線的末端上連接一個二次分流電阻(4)，而且二次分流電阻也均勻纏繞在環(huán)形磁鐵心上與二次銅導(dǎo)線一起構(gòu)成二次繞組(2)，整個二次繞組放置在屏蔽外殼(5)內(nèi)，二次低功率電壓信號由雙屏蔽雙絞線(6)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功率電子式電流互感器，其特征是，通過一次導(dǎo)電桿的一次電流Ip(t)先轉(zhuǎn)換成通過二次繞組(2)的小電流Is(t)，同時二次繞組(2)由二次分流電阻(4)在互感器內(nèi)部短接，當(dāng)二次電流Is(t)通過二次分流電阻(4)時在它的兩端形成電壓降Us(t)，即US(t)=K·N1N2·Ip(t)]]>其中K是包括二次分流電阻(4)在內(nèi)的電壓輸出回路的總阻抗，二次輸出電壓Us(t)與一次電流Ip(t)成線性比例關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功率電子式電流互感器，其特征是，所述的二次分流電阻(4)是二次繞組(2)的一部分，由數(shù)根電阻絲和一根銅導(dǎo)線構(gòu)成，電阻絲纏繞在銅線周圍(12)；或者由一個中間帶有導(dǎo)電桿的金屬圓管組成，導(dǎo)電桿和金屬圓管具有中心對稱的絕緣結(jié)構(gòu)(13)；或者由一根外部包有金屬屏蔽層的電纜組成，電纜和金屬屏蔽層具有中心對稱結(jié)構(gòu)(13)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功率電子式電流互感器，其特征是，所述的磁鐵心(3)由磁性的軟合金帶構(gòu)成，磁鐵心(3)的形狀為環(huán)形狀，磁鐵心(3)帶有一個或數(shù)個氣隙，或者零氣隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的低功率電子式電流互感器，其特征是，所述的二次分流電阻(4)是二次繞組(2)的一部分，均勻纏繞在磁鐵心(3)上；二次分流電阻(4)選用溫度系數(shù)非常小的材料，具體為溫度系數(shù)小于或等于±5×10-6Ω/K。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的低功率電子式電流互感器，其特征是，二次分流電阻(4)的兩端分別與所述的雙屏蔽雙絞線(6)的內(nèi)部兩根絞合導(dǎo)線(7、8)連接，雙屏蔽雙絞線(6)的長度6米以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功率電子式電流互感器，其特征是，所述的屏蔽外殼(5)為金屬材質(zhì)，或者屏蔽外殼(5)為樹脂澆注體，其外表面為導(dǎo)電膜。
全文摘要
一種低功率電子式電流互感器，是一個無源設(shè)備，包括一次繞組、二次繞組、磁鐵心、二次分流電阻、屏蔽外殼、雙屏蔽雙絞線與底座，一次繞組貫穿通過磁鐵心中心，二次銅導(dǎo)線均勻纏繞在磁鐵心上，屏蔽外殼與底座構(gòu)成一個整體，在二次銅導(dǎo)線的末端上連接一個二次分流電阻，而且二次分流電阻也均勻纏繞在環(huán)形磁鐵心上與二次銅導(dǎo)線一起構(gòu)成二次繞組，整個二次繞組放置在屏蔽外殼內(nèi)，二次低功率電壓信號由雙屏蔽雙絞線輸出。本發(fā)明二次輸出是與一次電流成線性比例關(guān)系的低功率電壓信號；一個互感器繞組就能同時滿足測量和保護(hù)的多種要求；測量量程大，精度高；無二次回路問題，既可以開路又可以短路；體積小，重量輕，原材料成本低且電磁兼容性強(qiáng)。
文檔編號H01F38/28GK1658344SQ20051002429
公開日2005年8月24日 申請日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者魯特哈爾德·明克訥, 約阿希姆·施密特 申請人:上海Mwb互感器有限公司