專利名稱：電子式保護用供電電流互感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種為電子式控制器供電用電流互感器，特別是給低壓斷路器的電子 脫扣器(ETU)供電用的電流互感器。
背景技術(shù)：
低壓斷路器的電子式控制裝置如電子脫扣器需要電力供應，一般是利用斷路器自 身所帶的電流互感器從一次主回路汲取能量，電能來自于流過一次穿芯導體的電流，電流 互感器二次線圈中的感應電流供應給電子脫扣器工作。當前，低壓斷路器用電子式控制器功能越來越強大，致使電子式控制器自身消耗 功率也越來越大。而與此同時，隨著保護功能的完善，卻要求電子式控制器的保護啟動點越 來越低。根據(jù)2009年10月1日實施的我國國家標準GB/T22710-2008《低壓斷路器用電 子式控制器》的要求，在無輔助電源的情況下，主電路所有相電流不小于0.4Inan為額定 電流)時，控制器應能可靠工作，且必須能實現(xiàn)基本保護功能。而美國國家標準《ANSI Std C37. 17-1997》則要求，控制器必須能在無外接輔助電源的情況下完成過載和接地故障保護 功能。就接地保護功能而言，保護電流整定值為0. 21η lln，即要求一次主電路三相電流 最小整定到0. 21η或單相0. 41η時，控制器供電用互感器的二次輸出足夠大到能使得控制 器可靠工作，且必須能實現(xiàn)接地保護功能。因此，電子式控制器用供電電流互感器的設(shè)計必 須滿足控制器的上述操作條件。也就是說，一方面，一次電流越小控制器所能保護的范圍越 寬，另一方面，當一次電流如上所述足夠小的情況下，又要求互感器能輸出足夠大的二次電 流。同時，我們知道，供電用電流互感器一般為帶鐵芯的電流互感器。在一定范圍內(nèi)， 鐵芯互感器的輸入和輸出基本是成線性的，其二次電流是隨一次電流的變化而變化的。當 一次電流達到其正常啟動電流后，電流互感器此時所感生的能量足以維持控制器的可靠工 作，即控制器的功耗是一定的，而當一次電流再增大時，給電子式控制器供電的電流互感器 所感應產(chǎn)生的能量將遠遠超過電子式控制器正常工作所需的能量，需要將多余的能量通過 其他方式予以消耗掉，這勢必需增加額外的耗能裝置。因此，在電流互感器的二次輸出滿足 控制器工作所需后，如何在一個從常態(tài)到非常態(tài)的非常寬的一次電流范圍內(nèi)獲得一個盡可 能穩(wěn)定而非不斷增長的二次電流輸出，是這類電流互感器(通常稱之為自生電源)面臨的 另一大矛盾。長期以來，人們尚未找到一個理想的方案來同時滿意地解決以上兩方面的矛 盾。其難處不僅涉及到結(jié)構(gòu)方案問題，而且還涉及到結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化匹配問題。人們應用電磁學原理已經(jīng)設(shè)計出了一些電流互感器磁分路結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，這些主 磁路+分磁路+氣隙方案歸納起來大概有以下兩種。一種方案如美國專利US57^846A和中 國專利CN200110176191，其中主磁路和分磁路不是兩個獨立的磁路，氣隙設(shè)置在分磁路中， 中國專利CN20010176191與美國專利US57^846A之間的區(qū)別是，前者的氣隙厚度可變，而 后者的氣隙厚度固定。另一種方案如中國專利CN1637968. B，其中第一磁路和第二磁路是兩 個獨立的各自成封閉環(huán)形的獨立磁路，第一磁路與第二磁路操作連接，使得第二磁路在第一磁路主磁通量通過次級線圈的所述的芯之前吸收一定比例的主磁通量。上述現(xiàn)有技術(shù)存 在的共同缺陷是不能同時滿足兩個使用要求一是一次電流在0. 21η的足夠小的情況下必 需滿足控制器正常啟動工作的要求；二是一次電流在大于IIn的足夠大(特別是在一次電 流為過載電流或短路電流)的情況下，二次電流仍能保持穩(wěn)定輸出，且能保證控制器的正 常工作。在上述現(xiàn)有技術(shù)中，可變氣隙的方案雖然從原理上看似乎對解決上述問題有益，但 由于參數(shù)匹配和可變氣隙的變化精度、響應速度等多種因素，使該設(shè)計尚停留在理想化但 不能達到理想效果的不實用狀態(tài)，而且反而導致結(jié)構(gòu)復雜、裝配調(diào)試困難等新的問題發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)顧此失彼的缺陷，提供一種電子式控制器用 的供電電流互感器，它既能在主電路一次電流增大超過額定電流1. OIn時保持二次電流穩(wěn) 定輸出，又能在一次電流出現(xiàn)過載、短路電流時，鐵芯的溫升低，從而提高了產(chǎn)品的使用壽 命和安全可靠性。本發(fā)明的另一個目的是提供一種電子式控制器用的供電電流互感器，它在主電路 一次電流不小于0. 21η時，所輸出的二次電流能滿足電子式控制器正常工作的要求。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案。一種電子式控制器用供電電流互感器，包括相互獨立的第一鐵芯磁路11和第二 鐵芯磁路41，第一鐵芯磁路11是由U字形鐵芯12和一字形鐵芯13相互連接在一起構(gòu)成的 一個封閉環(huán)路，并且一次穿芯導體21從第一鐵芯磁路11的封閉環(huán)內(nèi)穿過，供電二次線圈31 套裝在第一鐵芯磁路11的一字形鐵芯13上，第二鐵芯磁路41為開口形，第二鐵芯磁路41 與第一鐵芯磁路11的一字形鐵芯13平行設(shè)置，并且第二鐵芯磁路41的開口端與第一鐵芯 磁路11之間通過空氣隙71，72耦合。所述的一字形鐵芯13的橫截面的面積小于所述的U 字形鐵芯12的橫截面的面積，以使一字形鐵芯13能比U字形鐵芯12提前進入磁飽和。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案，所述的U字形鐵芯12的橫截面的面積是一字形鐵 芯13的橫截面的面積的1. 2倍至3倍。所述的U字形鐵芯12的中心長度是一字形鐵芯13 的中心線長度的1. 5倍至4倍，最好所述的第一鐵芯磁路11的U字形鐵芯12和一字形鐵 芯I3與其環(huán)繞的一次穿芯導體21之間的間隔為2 3mm，以使第一鐵芯磁路11與其環(huán)繞 的一次導體21之間具有良好的電氣隔離，同時使得環(huán)繞一次導體21的第一鐵芯磁路11的 磁路長度最短。所述的一字形鐵芯13剛進入磁飽和時對應的一次電流Il是一次主電路額 定電流h的0. 8倍至1. 2倍。所述的第二鐵芯磁路41與第一鐵芯磁路11共面設(shè)置，以使 第一鐵芯磁路11與第二鐵芯磁路41之間流動的磁通保持原來的方向。并且，第二鐵芯磁 路41的鐵芯的橫截面的面積等于第一鐵芯磁路11的U字形鐵芯12的橫截面的面積。所述的第二鐵芯磁路41的開口端與第一鐵芯磁路11之間的兩個空氣隙71，72是 固定的空氣隙，它們分別位于一字形鐵芯13與U字形鐵芯12的兩個相交處，且位于所述的 供電二次線圈31的兩側(cè)。所述的兩個固定空氣隙71，72的厚度為0. Imm至2mm。所述的2 個固定空氣隙71，72厚度相等，其中分別填有固體的非鐵磁物質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明提供的又一種電子式控制器用供電電流互感器，包括第一鐵芯磁路11 和第二鐵芯磁路41，第一鐵芯磁路11是由U字形鐵芯12和一字形鐵芯13相互連接在一起 構(gòu)成的一個封閉環(huán)路，一次穿芯導體21從該封閉環(huán)內(nèi)穿過，供電二次線圈31套裝在所述一字形鐵芯13上，第二鐵芯磁路41為開口形，它與所述一字形鐵芯13平行設(shè)置，并且第二鐵 芯磁路41的開口端與第一鐵芯磁路11之間通過空氣隙71耦合。所述的一字形鐵芯13的 橫截面的面積小于所述的U字形鐵芯12的橫截面的面積，以使一字形鐵芯13能比U字形 鐵芯12提前進入磁飽和。所述的U字形鐵芯12的中心長度是一字形鐵芯13的中心線長 度的1. 5倍至4倍，以使第一鐵芯磁路11與其環(huán)繞的一次導體21之間具有良好的電氣隔 離，同時使得環(huán)繞一次導體21的第一鐵芯磁路11的磁路長度最短。所述的第二鐵芯磁路 41的開口端并聯(lián)連接在位于供電二次線圈31 —側(cè)的一字形鐵芯13與U字形鐵芯12的相 交處，第二鐵芯磁路41的另一端通過一個固定空氣隙71耦合在位于供電二次線圈31另一 側(cè)的一字形鐵芯13與U字形鐵芯12的相交處。本發(fā)明的供電用電流互感器根據(jù)一次電流大小設(shè)計，當穿過互感器的一次電流增 大后，通過第二磁路分流部分主磁通，從而達到平緩供電二次線圈電流輸出曲線的目的。而 且，由于本發(fā)明的主磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計使主磁路長度遠遠短于現(xiàn)有技術(shù)，磁路越短，磁阻越小， 在初級電流不大的情況下，本發(fā)明能在一次電流較小時，獲得較大的供電二次線圈電流輸 出，滿足電子式控制器的正常工作。本發(fā)明按所建1600A互感器模型已通過電磁場仿真驗 證其原理，仿真結(jié)果表明在一次電流足夠小的情況下，本發(fā)明模型輸出的二次電流可以使 電子脫扣器獲得比現(xiàn)有技術(shù)寬得多的保護范圍，在無輔助電源的情況下，一次主電路所有 相電流不小于0. 41η時或三相電流不小于0. 21η即320A時，二次供電線圈輸出100mA，已遠 達到電子式控制器的啟動工作點。而且，當一次電流達到51η即8000A左右時，二次供電線 圈輸出500mA，限制二次供電線圈輸出效果明顯。證明了本發(fā)明裝置具有更佳的供電輸出能 力，提高了電流互感器供電輸出的整體性能，保證電子式控制器正常工作而無須額外增加 耗能裝置。


圖1是本發(fā)明的電子式控制器供電用電流互感器的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2至圖4是本發(fā)明的電子式控制器供電用電流互感器的第一實施例工作原理示 意圖。圖5是本發(fā)明的電子式控制器供電用電流互感器的第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明的電流互感器采用不等截面與等截面對比實驗效果曲線圖，位于上 面的曲線代表具有等截面第一鐵芯磁路的電流互感器的效果。下面的曲線是在一字形鐵芯 13的橫截面的面積略小于U字形鐵芯12的橫截面的面積的條件下作出的，代表本發(fā)明不等 截面第一鐵芯磁路的效果。
具體實施例方式圖1是本發(fā)明的電子式控制器供電用電流互感器的第一實施例。如圖1所示，本 發(fā)明的電子式控制器供電用電流互感器包括一個封閉環(huán)形的獨立的第一鐵芯磁路11、一個 U形的獨立的第二鐵芯磁路41、一個繞在第一鐵芯磁路11上的供電二次線圈31。在圖1所 示的實施例中，標號12為沖制好的“U”形鐵芯，13為“一”字鐵芯，第一鐵芯磁路11由U字 形鐵芯12和一字形鐵芯13連接組成，通過連接使得U字形鐵芯12和一字形鐵芯13成為 一體。本發(fā)明的供電電流互感器由塑料外殼固定、封裝，外殼上開有用于一次穿芯導體21穿過的通槽，并且該通槽與所穿過的一次穿芯導體21緊密配合，第一鐵芯磁路11套在一次 穿芯導體21外，允許一次穿芯導體21從環(huán)繞它的第一鐵芯磁路11的封閉環(huán)內(nèi)穿過，一次 穿芯導體21構(gòu)成第一鐵芯磁路11的一次線圈。供電二次線圈31由繞于線圈骨架32上的 漆泡線包33構(gòu)成，它套裝在第一鐵芯磁路11的一字形鐵芯13部分上，這種套裝是在一字 形鐵芯13與U字形鐵芯12連接前完成的。先分別將“U”字形、“一”字沖片疊片鉚緊或焊 接牢固后，裝配好線圈31，再將兩者拼裝成圍繞一次穿芯導體21的閉合形狀，接縫處焊接 牢固，形成獨立的第一鐵芯磁路11，用塑料外殼定位和封裝互感器。如圖1-4所示，第二鐵芯磁路41為一沖制好的短“U”形鐵芯，具有與第一鐵芯磁 路不同的磁導率，所述的第二鐵芯磁路41位于第一鐵芯磁路11的“一”字硅鋼一側(cè)，它靠近 第一鐵芯磁路11上裝有供電二次線圈31的一側(cè)，其開口的兩端位于所述供電二次線圈31 的兩側(cè)，并且呈U字形的第二鐵芯磁路41與第一鐵芯磁路11之間保持有兩個間隙，這兩個 固定空氣隙71，72分別位于所述的供電二次線圈31的兩側(cè)，更確切地說，兩個固定空氣隙 71，72分別位于所述的第一鐵芯磁路11的一字形鐵芯13與U字形鐵芯12的兩個相交處， 第二鐵芯磁路41的兩端通過兩個固定空氣隙71，72與第一鐵芯磁路11這樣耦合，使得由 一次穿芯導體21內(nèi)流過的一次電流導致U字形鐵芯12內(nèi)的主磁通按照圖2至圖4所示的 原理流動。當流過一次導體21的電流為低數(shù)值時，磁通主要經(jīng)過繞有二次供電繞組的第一 鐵芯磁路。在高電流時，磁感應增強，磁通的大部分經(jīng)過所述的兩個氣隙通過由第二鐵芯磁 路構(gòu)成的分磁路。本發(fā)明的電流互感器通過非線性電流特性曲線限制了剩余功率提供到控 制器電子電路和消耗在互感器上。上面所說的耦合，是指第一鐵芯磁路11與第二鐵芯磁路41之間互不接觸，或者說 它們之間通過固定空氣隙71，72隔著，為了按需限制二次供電線圈31的輸出，它們之間存 在有條件的氣隙磁路的變化關(guān)系。具體說，在主磁通較小的情況下，從第一鐵芯磁路11流 到第二鐵芯磁路41中的磁通極小，小到完全可以忽略不計的程度，只有在主磁通較大時， 才會有部分主磁通明顯地從第一鐵芯磁路11流入第二鐵芯磁路41所形成的磁并聯(lián)路徑。 本發(fā)明的第一鐵芯磁路11的一字形鐵芯13的橫截面的面積小于U字形鐵芯12的橫截面 的面積，以使一字形鐵芯13內(nèi)的磁通密度高于U字形鐵芯12內(nèi)的磁通密度，從而使得在主 磁通達到一定值時，一字形鐵芯13比U字形鐵芯12提前進入磁飽和。由電磁學理論可得 U字形鐵芯12內(nèi)流動的主磁通與一次穿芯導體21內(nèi)流過的一次電流有關(guān)，而供電二次線圈 31輸出的二次電流與一字形鐵芯13內(nèi)流過的磁通有關(guān)。在一字形鐵芯13和U字形鐵芯12 都處于非磁飽和階段時，一次電流與二次電流之比值是定值；而在一字形鐵芯13處于磁飽 和狀態(tài)且U字形鐵芯未處于磁飽和狀態(tài)的階段，則一次電流與二次電流之比值不是定值， 具體說，一次電流的增大不會導致已處于磁飽和的一字形鐵芯13的磁通增加，從而不會使 供電二次線圈31內(nèi)感應到的二次電流隨之加大。因此，一字形鐵芯13橫截面的面積小于 U字形鐵芯12的橫截面的面積的設(shè)計，導致了一字形鐵芯13比U字形鐵芯12先進入磁飽 和，而一字形鐵芯13進入磁飽和后的磁通不再受一次電流的增大而增大，亦即使得二次電 流不再受一次電流的增大而增大，從而使得二次電流保持穩(wěn)定。由于固定空氣隙71，72的 磁導率很小，而第一鐵芯磁路11和第二鐵芯磁路41的磁導率很大，所以在主磁通不超過設(shè) 定值時，第一鐵芯磁路11內(nèi)的主磁通不會大量地越過固定空隙71，72而進入第二鐵芯磁路 41，而這個設(shè)定值取決于固定空氣隙71，72的厚度。根據(jù)產(chǎn)品的不同要求，調(diào)整固定空氣隙(71,72)的厚度，便可獲得理想的設(shè)定值。本發(fā)明的固定空氣隙71，72的技術(shù)特征和一字形 鐵芯13的橫截面的截面積小于U字形鐵芯12的橫截面的面積的技術(shù)特點的組合，使得本 發(fā)明的電流互感器具有以下三級穩(wěn)定二次電流的效果第二鐵芯磁路41分流磁通、一字形 鐵芯13磁飽和平抑二次電流、U字形鐵芯12磁飽和平抑主磁通。而現(xiàn)有技術(shù)的電流互感器 最多只有以下兩級穩(wěn)定二次電流的效果第二磁路(或分磁路)分流主磁通、第一磁路(或 主磁路)飽和平抑主磁通。由于本發(fā)明的具有三級穩(wěn)定二次電流的功能，所以可產(chǎn)生以下 顯著效果降低啟動電流值，即在較小的一次電流(如0.21η)的情況下，二次電流的輸出就 能滿足控制器可靠工作的要求；在較寬的正常的一次電流范圍(如0.21η h)內(nèi)都能獲 得二次電流的理想穩(wěn)定輸出；在一次電流超過額定電流的情況下，能維持控制器正常工作， 并保證互感器、控制器不被損壞。將本發(fā)明的上述技術(shù)特征所產(chǎn)生的三級穩(wěn)定二次電流的 功能，與現(xiàn)有技術(shù)的二級穩(wěn)定二次電流的功能相比，其主要區(qū)別在于以下兩點本發(fā)明的互 感器第一鐵芯磁路的設(shè)計，保證了當一次回路電流較小(如0.21η)時獲得能滿足控制器可 靠工作要求的較大的二次供電線圈輸出，而現(xiàn)有技術(shù)不能；本發(fā)明的互感器能在較寬的正 常的一次電流范圍(如0.2 IIn)內(nèi)都能獲得二次電流的理想的穩(wěn)定輸出，而現(xiàn)有技術(shù) 不能，只能在較窄的正常的一次電流范圍(如0.4 IIn)內(nèi)才能保證二次電流的理想的 穩(wěn)定輸出O從上描述可見，圖1所述的實施例一的2個固定空氣隙71，72分別位于一字鐵芯 13與U字形鐵芯12的相交處，這是一個優(yōu)選的方案，其優(yōu)點是，U字形鐵芯12的主磁通可 直接分流到第二鐵芯磁路41，這個分流不經(jīng)過一字形鐵芯13，所以它所分流的磁通量不會 受一字形鐵芯13的磁飽和限制，相反，在一字形鐵芯13越趨于磁飽和狀態(tài)，則第二鐵芯磁 路41所分流的磁通越多。當然，如果固定空氣隙71，72設(shè)置在遠離所述的相交處，不管它 們設(shè)置在一字形鐵芯13 —側(cè)或U字形鐵芯12 —側(cè)，都會影響第二鐵芯磁路41分流磁通的 效果。圖5是本發(fā)明的電子式控制器供電用電流互感器第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，展示 了一種第一實施方式的主磁路和分磁路的變換方式。如圖5和圖1所示，第二實施例與第 一實施例之間的區(qū)別在于，本實施例取消了一個固定空氣隙，只包括一個固定空氣隙71，而 且主磁路和分磁路的一端是連續(xù)的，鐵芯硅鋼沖片方式也因此不同。如圖5所示，本發(fā)明的 一種電子控制器用供電流互感器包括一個由U字形鐵芯12和一個一字形鐵芯13連接組成 的封閉環(huán)形的第一鐵芯磁路11、一個U形的第二鐵芯磁路41、一個供電二次線圈31，一次 穿芯導體21從第一鐵芯磁路11的封閉環(huán)內(nèi)穿過，供電二次線圈31套裝在一字形鐵芯13 上。所述的一字形鐵芯13的橫截面的面積小于U字形鐵芯12的橫截面的面積，以使一字 形鐵芯13能比U字形鐵芯12提前進入磁飽和。第二鐵芯磁路41的一端并聯(lián)連接在供電 二次線圈31 —側(cè)的一字形鐵芯13與U字形鐵芯12的相交處，第二鐵芯磁路41的另一端 是開口端，它通過1個固定空氣隙71耦合在供電二次線圈31的另一側(cè)的一字形鐵芯13與 U字形鐵芯12的相交處。這里所述的并聯(lián)連接，是指將第二鐵芯磁路41的一端、一字形鐵 芯13的一端、U字形鐵芯12的一端均固定連接在一起，而且這種連接使得磁通在第二鐵芯 磁路41、一字形鐵芯13、U字形鐵芯12之間能正常流動。有關(guān)上述第二實施例的相關(guān)術(shù)語 與上述第一實施例的相關(guān)術(shù)語通用，所以在此對第二實施例的與第一實施例相同的相關(guān)術(shù) 語不再作重復的進一步描述。第一實施例的固定空氣隙71，72是在第一鐵芯磁路11和第二鐵芯磁路41的裝配過程中形成的，而第二實施例的固定空氣隙71是在第一鐵芯磁11和 第二鐵芯磁路41的固定連接過程中形成的，這種區(qū)別會導致本發(fā)明的第二實施例與第一 實施例在生產(chǎn)工藝有所區(qū)別。第一實施例在兩個磁路之間為2個固定空氣隙，而第二實施 例只有一個固定空隙，這種區(qū)別會導致二次電流輸出曲線有所差異，這種不同可選配不同 型號的產(chǎn)品，本實施例的氣隙大小更方便保證，加工、裝配工藝上更好控制。。下面結(jié)合圖2至圖4進一步描述本發(fā)明電流互感器的工作原理。為了便于描述， 將啟動電流(能滿足控制器可靠工作的最小一次電流)定義為Itl，一字形鐵芯13剛進入磁 飽和時所對應的一次電流定義為I1,U字形鐵芯12剛進入磁飽和時所對應的一次電流定義 為I2，一次額定電流為In，實際狀態(tài)下的一次電流定義為I。圖2所示的是互感器一次電流 I處于小電流區(qū)的磁通分配情況，在此狀態(tài)下的第二鐵芯磁路41基本不分流磁通，主磁通 基本都從一字形鐵芯13內(nèi)流過，處于小電流區(qū)的一次電流I至少大于Itl,以確保二次電流 能盡快到達滿足控制器可靠工作的程度，并且處于小電流區(qū)的一次電流I不能超過I1,因為 I越接近I1，則第二鐵芯磁路41分流磁通的趨勢越強烈。通過設(shè)定理想的固定空氣隙71， 72的厚度，可設(shè)定第二鐵芯磁路41明顯分流磁通的起點，該起點對應的一次電流Ia應滿足 以下條件山< Ia彡‘由此可見，在設(shè)定Ia < I1的條件下，便實現(xiàn)了由第二鐵芯磁路41 分流磁通所產(chǎn)生的第一級穩(wěn)定二次電流的功能。據(jù)實驗所得，當兩個固定空氣隙71，72分 別設(shè)定在0. Imm至2mm范圍內(nèi)，便可獲得理想的IA。圖3所示是處于常態(tài)負載電流區(qū)的一 次電流I情況下的磁通分配情況；在此狀態(tài)下的第二鐵芯磁路41分流磁通，U字形鐵芯12 中的主磁通不僅從一字形鐵芯13流過，而且還從第二鐵芯磁路4流過。通過合理設(shè)定一字 形鐵芯13與U字形鐵芯12的橫截面的面積比，便可設(shè)定一字形鐵芯13剛進入磁飽和的起 點I1,理想的I1的設(shè)定應滿足以下兩個條件=I1 > Ia，且0.8 彡I1 ( 1.21η。當I1過于 小于額定電流^時，會導致在正常負荷下第二鐵芯磁路41分流磁通過多、使互感器耗能過 大；反之，當I1大于額定電流h過多時，由一字形鐵芯13磁飽和所提供的第二級平抑穩(wěn)定 二次電流的功能滯后并變?nèi)酢Ｉ暾埲烁鶕?jù)實驗所得當I1設(shè)定為控制器電流的額定電流^ 的0. 8倍至1. 2倍時，也就是I1設(shè)在額定電流h的附近時，可獲得理想的效果。另外根據(jù) 實驗所得，U字形鐵芯12的橫截面的面積是一字形鐵芯13的橫截面的面積的1. 2倍至3倍 時，可獲得理想的Ii。通過上述參數(shù)設(shè)定匹配，可在一次電流較大的情況下(甚至在超過額 定電流的情況下)能獲得理想的二次電流的穩(wěn)定輸出。如圖4所示，在一次電流過大(出 現(xiàn)過載電流或短路電流)的情況下，U字形鐵芯12進入磁飽和，第二鐵芯磁路41分流大部 分磁通，從而不管一次電流如何大，該磁飽和導致主磁通不再增加，一字形鐵芯13內(nèi)的磁 通和第二鐵芯磁路41內(nèi)的磁通都趨于穩(wěn)定，該穩(wěn)定不僅保證了二次電流輸出的穩(wěn)定，而且 還保護電流互感器及控制器不被損壞，互感器起到了平抑主磁通的第三級穩(wěn)定二次電流的 功能。如圖1所示，第一實施例的2個固定空氣隙71，72的厚度相等，這是一種優(yōu)選的方 案，其優(yōu)點是便于參數(shù)匹配設(shè)計。但本發(fā)明的電流互感器的2個固定空氣隙的厚度也可以 不等厚，不等厚的情況屬第一實施例可替代的方案。如果在固定空氣隙71和/或72中填 充固體的非鐵磁物質(zhì)(如塑料片)，可獲得與不填固體的非鐵磁物質(zhì)相同的效果，但填有固 體的非鐵磁物質(zhì)的優(yōu)點是可使固定空氣隙71，72的厚度獲得較高的裝配精度，同時在裝配 后可保持良好的穩(wěn)定性。
如圖1所示，所述的第二鐵芯磁路41與第一鐵芯磁路11共面設(shè)置，這里共面設(shè)置 是指第一鐵芯磁路11與第二鐵芯磁路41處在同一平面內(nèi)，第一鐵芯磁路11內(nèi)流動的磁通 與第二鐵芯磁路41內(nèi)流動的磁通在同一平面內(nèi)，這樣設(shè)置才有可能使得第一鐵芯磁路11 與第二鐵芯磁路41之間流動的磁通的方向保持原來的方向不變，即第一鐵芯磁路11的磁 通通過固定空氣隙流入到第二鐵芯磁路41的過程中不改變方向，第二鐵芯磁路41的磁通 通過固定空氣隙流入第一鐵芯磁路11的過程中不改變方向。當然如在互感器整體設(shè)計中 有需要改變上述優(yōu)選的共面設(shè)置的結(jié)構(gòu)方案也是可以的。為了確保在過大電流情況下第二鐵芯磁路41能理想地分流磁通，所以第二鐵芯 磁路41的橫截面的面積不宜過小，為使第二鐵芯磁路41始終不會先于U字形鐵芯12進入 磁飽和，理想的匹配是第二鐵芯磁路41的鐵芯的橫截面的面積等于U字形鐵芯12的橫截 面的面積。因此，如圖1所示的實施例，第二鐵芯磁路41的橫截面的面積，至少應大于等于 一字形鐵芯磁路13的橫截面的截面積。根據(jù)電磁學磁路定理可知，U字形鐵芯12的長度越長，該磁阻越大，越不利于降低 啟動電流Ιο。本發(fā)明為得到更小的第一鐵芯磁路磁阻，以保證當一次回路電流較小時獲得 較大的二次供電線圈輸出，第一鐵芯磁路11與一次穿芯母排21之間的間隔采用緊湊化設(shè) 計，以第一鐵芯磁路長度L最短為原則。第一鐵芯磁路設(shè)計上理想的匹配是U字形鐵芯12 的中心線長度為一字形鐵芯13的中心線長度的1. 5倍至4倍，使得第一鐵芯磁路與其環(huán)繞 的一次導體之間具有良好的電氣隔離，同時使得環(huán)繞一次導體21的第一鐵芯磁路11的磁 路長度最短。優(yōu)選將一次穿芯導體21與封裝在外殼內(nèi)的第一鐵芯磁路11之間的固定間隔 設(shè)置為2 3mm。一字形鐵芯13的長度越短越好，便于產(chǎn)品的小形化設(shè)計，但它因受供電二 次線圈31的限制不能做得太小。U字形鐵芯12的長度也是越短越好，但受一字形鐵芯13 的長度制約不可能做得太小。當U字形鐵芯12的中心線長度是一字形鐵芯13的中心線長 度的1. 5倍至4倍時，能在兼顧各方面制約的條件下使得第一鐵芯磁路的長度滿足較短的 優(yōu)化要求。同時，本發(fā)明優(yōu)選鐵芯截面尺寸，磁路為獨立封閉無氣隙磁路，鐵芯材料采用初 始磁導率高的材料，從而只需更小的勵磁電流Lii就能建立一定的工作磁通Φ，從而得到相 對較大的二次電流輸出。圖6是本發(fā)明的電子式控制器供電用電流互感器采用不等截面與等截面對比效 果曲線圖。圖中橫坐標為互感器一次穿芯母排一次電流輸入量，縱坐標為帶控制器做為負 載的互感器二次電流輸出量。曲線1是在一字形鐵芯13的橫截面的面積等于U字形鐵芯 12的橫截面的面積的條件下作出的，代表具有等截面第一鐵芯磁路的電流互感器的效果。 曲線2是在一字形鐵芯13的橫截面的面積小于U字形鐵芯12的橫截面的面積的條件下作 出的，代表本發(fā)明不等截面第一鐵芯磁路的效果。由圖6及所附數(shù)據(jù)可以看出，在一次電流 較小的情況下，曲線1與曲線2基本一致，而當一次電流增大時，工作磁通Φ也隨之增大， 穿越二次供電線圈的鐵芯13因截面較其余三邊鐵芯12要小，因此其磁通密度B更高，更容 易飽和。當其飽和后，因?qū)Т盘匦宰儾睿嗟拇磐▽⑦x擇從與之并聯(lián)的第二磁路41通過。 參見圖6，在一次電流變大后，不等截面的輸出明顯低于等截面輸出，且曲線2比曲線1平滑 很多，說明一字形鐵芯13的橫截面的面積小于U字形鐵芯12的橫截面的面積的技術(shù)特征 對抑制二次電流輸出較快增長的作用明顯，三級穩(wěn)定二次電流的功能強大，能在較寬的一 次電流范圍內(nèi)都能獲得二次電流的理想穩(wěn)定輸出。而且這種穩(wěn)定輸出為一次小電流的參數(shù)選擇和調(diào)整提供了便利條件。 應該理解到的是，上述實施例只是對本發(fā)明的說明，而不是對本發(fā)明的限制，任何 不超出本發(fā)明實質(zhì)精神范圍內(nèi)的發(fā)明創(chuàng)造，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電子式控制器用供電電流互感器，包括相互獨立的第一鐵芯磁路(11)和第二 鐵芯磁路(41)，第一鐵芯磁路(11)是由U字形鐵芯(12)和一字形鐵芯(13)相互連接在一 起構(gòu)成的一個封閉環(huán)路，并且一次穿芯導體從第一鐵芯磁路(11)的封閉環(huán)內(nèi)穿過，供 電二次線圈(31)套裝在第一鐵芯磁路(11)的一字形鐵芯(13)上，第二鐵芯磁路Gl)為 開口形，第二鐵芯磁路Gl)與第一鐵芯磁路(11)的一字形鐵芯(13)平行設(shè)置，并且第二 鐵芯磁路Gl)的開口端與第一鐵芯磁路(11)之間通過空氣隙(71，72)耦合，其特征在于所述的一字形鐵芯(13)的橫截面的面積小于所述的U字形鐵芯(12)的橫截面的面 積，以使一字形鐵芯(13)能比U字形鐵芯(12)提前進入磁飽和。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子控制器用供電電流互感器，其特征在于所述的U字形 鐵芯(1 的橫截面的面積是一字形鐵芯(1 的橫截面的面積的1.2倍至3倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子控制器用供電電流互感器，其特征在于所述的U字形鐵芯(12)的中心長度是一字形鐵芯(13)的中心線長度的1. 5倍至4倍；所述的第一鐵芯磁路(11)的U字形鐵芯(12)和一字形鐵芯(13)與其環(huán)繞的一次穿 芯導體之間的間隔為2 3mm ；使得第一鐵芯磁路(11)與其環(huán)繞的一次導體Ql)之 間具有良好的電氣隔離，同時使得環(huán)繞一次導體的第一鐵芯磁路(11)的磁路長度最 短。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子式控制器用供電電流互感器，其特征在于所述的一字 形鐵芯(1 剛進入磁飽和時對應的一次電流Il是一次主電路額定電流^！的0.8倍至1.2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子式控制器用供電電流互感器，其特征在于所述的第二 鐵芯磁路與第一鐵芯磁路(11)共面設(shè)置，以使第一鐵芯磁路(11)與第二鐵芯磁路 (41)之間流動的磁通保持原來的方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子式控制器用供電電流互感器，其特征在于所述的第二 鐵芯磁路Gl)的開口端與第一鐵芯磁路(11)之間的兩個空氣隙(71，72)是固定的空氣 隙，它們分別位于一字形鐵芯(13)與U字形鐵芯(12)的兩個相交處，且位于所述的供電二 次線圈(31)的兩側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子式控制器用供電電流互感器，其特征在于所述的兩個 固定空氣隙(71，72)的厚度為0. Imm至2mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、6或7所述的任意一種電子式控制器用供電電流互感器，其特征在 于所述的2個固定空氣隙(71，72)厚度相等，其中分別填有固體的非鐵磁物質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子式控制器用供電電流互感器，其特征在于第二鐵芯磁 路Gl)的鐵芯的橫截面的面積等于第一鐵芯磁路(11)的U字形鐵芯(12)的橫截面的面 積。
10.一種電子式控制器用供電電流互感器，包括第一鐵芯磁路(11)和第二鐵芯磁路 (41)，第一鐵芯磁路(11)是由U字形鐵芯(12)和一字形鐵芯(13)相互連接在一起構(gòu)成的 一個封閉環(huán)路，一次穿芯導體從該封閉環(huán)內(nèi)穿過，供電二次線圈(31)套裝在所述一字 形鐵芯(13)上，第二鐵芯磁路Gl)為開口形，它與所述一字形鐵芯(13)平行設(shè)置，并且第 二鐵芯磁路Gl)的開口端與第一鐵芯磁路(11)之間通過空氣隙(71)耦合，其特征在于所述的一字形鐵芯(13)的橫截面的面積小于所述的U字形鐵芯(12)的橫截面的面2積，以使一字形鐵芯(13)能比U字形鐵芯(12)提前進入磁飽和；所述的U字形鐵芯(12)的中心長度是一字形鐵芯(13)的中心線長度的1. 5倍至4倍； 所述的第二鐵芯磁路Gl)的開口端并聯(lián)連接在位于供電二次線圈(31) —側(cè)的一字形 鐵芯(13)與U字形鐵芯(12)的相交處，第二鐵芯磁路Gl)的另一端通過一個固定空氣隙 (71)耦合在位于供電二次線圈(31)另一側(cè)的一字形鐵芯(13)與U字形鐵芯(12)的相交 處。
全文摘要
電子式控制器用供電電流互感器，包括相互獨立的兩個鐵芯磁路，第一鐵芯磁路是由U字形鐵芯和一字形鐵芯相互連接構(gòu)成的封閉環(huán)路，一次導體從該封閉環(huán)內(nèi)穿過，供電二次線圈套裝在一字形鐵芯上，開口形的第二鐵芯磁路與第一鐵芯磁路的一字形鐵芯平行設(shè)置，并且第二鐵芯磁路的開口端與第一鐵芯磁路之間通過空氣隙耦合。一字形鐵芯的橫截面的面積小于U字形鐵芯的橫截面的面積，以使一字形鐵芯能比U字形鐵芯提前進入磁飽和。U字形鐵芯的中心長度是一字形鐵芯的中心線長度的1.5倍至4倍。本發(fā)明的電流互感器不僅在一次電流遠低于額定電流In的情況下即能正常啟動工作，并且在一次電流超過額定電流In時也能達到抑制平緩二次線圈輸出電流較快增長的目的。
文檔編號H01F38/28GK102136358SQ201110006789
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者徐澤亮, 胡應龍 申請人:上海諾雅克電氣有限公司