CN104377011A - 一种半开合式电子式电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半开合式电子式电流互感器，包括依次连接的空心线圈、信号防护电路和信号处理电路；空心线圈设置在PCB板上，由两个半圆形线圈连接组成，每个半圆形线圈的两端均设有一个过孔；空心线圈的输出端采用双层屏蔽双绞线与信号防护电路连接；信号防护电路，用于抑制高频的电磁干扰；信号处理电路包括积分器和放大器，积分器的输入端与信号防护电路连接，放大器的输出端为互感器的输出端。与现有技术相比，本发明提供的一种半开合式电子式电流互感器，抗电磁干扰能力强，采用半开合式结构，操作简单，便于无接线安装和拆卸。

Description

一种半开合式电子式电流互感器

技术领域

本发明涉及一种电子式电流互感器，具体涉及一种半开合式电子式电流互感器。

背景技术

电流互感器广泛应用于电力***的测量和保护，是电力***中的重要一次设备。电流互感器主要分为电磁式和电子式电流互感器，在电网变电站实际运行中，在可靠性、电磁兼容和在线校验等方面都存在着各自的不足。

电磁式电流互感器在结构上分为完整结构和开合式两种。完整结构的电流互感器在安装时需要将一次导体断开，从而将互感器自身串接在被测线路中或者被测一次导线上，这种电流互感器的校准和维护十分不便，尤其是在工程现场环境下，具有很大的施工难度和施工量。开合式(或开口式、开启式)电流互感器是将硅钢片或其他材料的铁心切割后再拼接成完整的电流互感器，虽然实现了可以不断线安装，但是通常以性能的下降为代价，普遍存在铁心对接处闭合不严导致测量精度较低尤其是相位差大的问题，且存在开路易造成危险，动态范围小、对两部分铁心对接面的平整程度要求高、加工难度大、体积和重量大、不适用于户外使用、长期使用稳定性和可靠性低等问题。

电子式电流互感器是电磁式电流互感器的替代产品，由于无电磁饱和、暂态特性好、绝缘简单等优势，已在较多数字化变电站中得到应用，但目前电子式电流互感器大部分都是采用全开合的结构，如专利号为201310390212.0的开合式电子式电流互感器，但其通常未考虑由跳线所引入的电磁干扰，从而没有很好地处理开合结构与线圈抗干扰性能的关系，导致跳线数量多，并极易围成一定的面积，易引入电磁干扰，且在工程现场中需拆开壳体，进行人工接线，可靠性低，尚无抗干扰能力强、操作简单、可靠性高的带开合结构的电子式电流互感器，从而难以满足数字化变电站对电流互感器的发展需求。因此，需要提供一种能够降低跳线干扰的开合式的电子式电流互感器。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种一种半开合式电子式电流互感器，所述互感器包括依次连接的空心线圈、信号防护电路和信号处理电路；所述空心线圈设置在PCB板上，由两个半圆形线圈连接组成，每个半圆形线圈的两端均设有一个过孔；

所述空心线圈的输出端采用双层屏蔽双绞线与信号防护电路连接；

所述信号防护电路，用于抑制频率大于工频的电磁干扰；

所述信号处理电路包括积分器和放大器，积分器的输入端与所述信号防护电路连接，放大器的输出端为所述互感器的输出端。

优选的，所述半圆形线圈一端的转折处设置为以过孔为圆心的圆弧形，两个过孔之间通过跳线连接，所述过孔为所述互感器的输出端；

当所述半圆形线圈另一端相互分开时，串入互感器一次导线，所述半圆形线圈一端的两个过孔之间的距离保持不变，保证所述跳线连接可靠；

优选的，所述跳线布置在所述空心线圈的PCB板面上；所述半圆形线圈另一端上的过孔内部焊接有导线；

优选的，所述半圆形线圈通过螺杆固定在金属壳体内，所述金属壳体随半圆形线圈旋转；

优选的，所述信号防护电路包括连接于压敏电阻和瞬态抑制二极管之间的电感；所述压敏电阻的另一端和瞬态抑制二极管的另一端均接地；

所述压敏电阻的两端为所述信号防护电路的输入端；所述电感与瞬态抑制二极管之间的连接点为所述信号防护电路的输出端；

优选的，所述信号处理电路包括依次连接的积分器、可编程增益放大器和处理器；所述积分器的输入端与所述信号防护电路连接；温度监测电路与所述处理器连接；

所述处理器依据可编程增益放大器的输出信号调整放大增益k₁，依据温度监测电路的输出信号V₂调整温度补偿系数k₂，以得到所述互感器的输出电压V_O＝V₁×k₁×k₂；

所述V₁为积分器的输出信号；

优选的，所述积分器包括运算放大器；所述运算放大器的反相输入端通过电阻R1接地，同向输入端依次与电阻R4和电阻R3连接；

所述电阻R1与反相输入端的连接点通过电阻R2与运算放大器的输出端连接；

所述电阻R4与同向输入端的连接点通过电容C2接地；

所述电阻R3和电阻R4的连接点通过电容C1与所述输出端连接；

电阻R3的另一端为所述积分器的输入端，运算放大器的输出端为所述积分器的输出端；

优选的，所述运算放大器的放大倍数k₃计算公式为：

$k_3=1+\frac{R2}{R1}---\left(1\right)$

所述电阻R1的阻值为10kΩ；

所述电阻R2的阻值依据放大倍数k₃和公式(1)确定；

所述电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=C_2\\ \sqrt{R_3{R}_4{C}_1{C}_2}=2\mathrm{\π}\×50\\ \frac{R_2}{R_1}\frac{R_3{C}_1+R_4{C}_2{+R}_3{C}_2}{2\mathrm{\π}\×50\×R_3{R}_4{C}_1{C}_2}\≤1\end{array}\right.---\left(2\right)$

积分器的输出信号V₁的计算公式为：

$V_1=(1+\frac{R_2}{R_1})\×\frac{R_1}{R_2}\frac{100\mathrm{\π}\×R_3{R}_4{C}_1{C}_2}{R_3{C}_1+R_4{C}_2+R_3{C}_2}\×0.15---\left(3\right);$

优选的，所述温度监测电路包括TMP36温度传感器，所述输出信号V₂的计算公式为：

V₂＝0.75+(T-25)×0.01   (4)

其中，所述T为工作环境温度；

优选的，所述处理器包括MSP430单片机；所述处理器控制所述互感器的输出电压V_O包括：

步骤1：采集所述可编程增益放大器的输出信号，计算互感器输出的电流值；若所述电流值I＜I_N×5％，则增大可编程增益放大器的放大增益k₁，直至所述电流值I≥I_N×5％；所述I_N为互感器一次侧的额定电流值；

步骤2：采集所述温度监测电路的输出信号V₂，获取工作环境温度T；若所述T＞50℃或者T＜0℃时，则调整温度监测电路的温度补偿系数k₂，以消除可编程增益放大器由于信号防护电路和信号处理电路中电子器件温度漂移产生的输出误差；

步骤3：计算互感器的输出电压V_O＝V₁×k₁×k₂，所述V₁为积分器的输出信号。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种半开合式电子式电流互感器，可靠性高，抗电磁干扰能力强，信号防护电路对高频干扰起到了泄放作用，信号处理电路的积分器对于低频干扰起到了抑制作用，互感器具有高可靠性；

2、本发明提供的一种半开合式电子式电流互感器，精度高，具有精度自校准功能，测量精度高，温度稳定性好，对于电子式电流互感器工程化应用具有实际意义；

3、本发明提供的一种半开合式电子式电流互感器，使用方便，采用半开合式结构，在现场易于安装使用，不用拆开互感器壳体，可以方便地进行无接线式的安装拆卸，操作简单，对于互感器的安装和维护具有实际意义；

4、本发明提供的一种半开合式电子式电流互感器，解决了空心电流互感器使用过程中准确度不高，温度性能不稳定的问题，可以直接在数字化变电站中作为测量用电流互感器使用。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种半开合式电子式电流互感器操作示意图A；

图2：本发明实施例中一种半开合式电子式电流互感器操作示意图B；

图3：本发明实施例中空心线圈俯视图；

图4：本发明实施例中空心线圈仰视图；

图5：本发明实施例中信号防护电路图；

图6：本发明实施例中信号处理电路图；

图7：图6中积分器电路图；

图8：图6所示信号处理电路的工作流程图；

其中，1-半圆形线圈；2-跳线；3-过孔；4-屏蔽双绞线；5-金属壳体；6-信号防护电路和信号处理电路。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种半开合式电子式电流互感器，如图1所示该互感器包括依次连接的空心线圈、信号防护电路和信号处理电路。

1、空心线圈；

(1)本实施例中空心线圈的骨架为非磁性材料，利用印制电路板技术进行设计，将空心线圈设置在PCB板上，保证导线均匀分布，线匝的截面积相等，接近理想的空心电流传感器，如图3和4所示的阴影部分为线圈布线区。

由于印制电路板制作工艺的限制，互感器的线径为24mil，线圈匝数N的计算公式为：

$N=\frac{2\mathrm{\πa}}{0.635{\×10}^{-3}}---\left(1\right)$

依据公式(1)计算互感器系数M为：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{hN}}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{b}{a}---\left(2\right)$

其中，μ₀为空气磁导率，h＝1.6mm为印制电路板的厚度，b＝40mm为空心线圈的外径，a＝20mm为空心线圈的内径。

依据公式(2)计算互感器的输出电压V_i为：

$V_i=-M\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

(2)空心线圈由两个半圆形线圈连接组成；每个半圆形线圈的两端均设有一个过孔；

空心线圈的输出端采用双层屏蔽双绞线与信号防护电路连接。

半圆形线圈的一端转折处设置为以过孔为圆心的圆弧形，如图1-4所示，该过孔为空心线圈上与双层屏蔽双绞线连接的过孔，两个过孔之间通过跳线连接，所述过孔为所述互感器的输出端。

当半圆形线圈另一端相互分开时，串入互感器一次导线，半圆形线圈一端的两个过孔之间的距离保持不变，保证跳线连接可靠。所述半圆形线圈另一端上的过孔内部焊接有导线。

如图3所示，空心线圈中半圆形线圈分别以过孔a和过孔h为圆心，呈圆弧形；

如图4所示，空心线圈中半圆形线圈分别以过孔d和过孔e为圆心，呈圆弧形；

在图1和图2中，半圆形线圈通过螺杆固定在金属壳体内，金属壳体随半圆形线圈旋转。可以保证在开启互感器时，d、e两过孔之间的距离不变，从而使d、e两过孔间的跳线连接可靠。空心线圈通过螺杆固定在壳体内部，壳体可跟随线圈旋转一定的角度。互感器下端闭合，上端可以开启一定的角度。操作时，整个互感器以空心线圈下端的转折处的两段圆弧接触点为圆心，铝制壳体跟随空心线圈旋转，互感器下端闭合，上端开启，串入一次导线，再合上上端开口，用螺杆进行加固。而不用拆开互感器壳体，即可进行任何接线操作。

其中，过孔a和过孔d分别为同一过孔的两侧面；

过孔b和过孔c分别为同一过孔的两侧面；

过孔g和过孔f分别为同一过孔的两侧面；

过孔h和过孔e分别为同一过孔的两侧面。

本实施例中采用铝制壳体，厚度为3mm，具有良好的电场屏蔽效果和磁场屏蔽效果，可提升线圈抗电磁干扰能力。为了减小电磁干扰，屏蔽双绞线的长度应尽量简短，本实施例中采用双层屏蔽双绞线，其比单层屏蔽双绞线的屏蔽性能增加30dB，提升空心线圈的抗电磁干扰能力。

(3)本实施例中过孔的具体连接关系为：

如图3所示，过孔a和过孔h分别与双层屏蔽双绞线连接；

过孔b和过孔c通过内部焊接的导线连接；

过孔g和过孔f通过内部焊接的导线连接；

过孔d和过孔e之间，为了防止跳线过长，在线圈本体外吸收磁力线，感应出干扰信号，可直接在板子的底层，贴着PCB板面，在过孔d和过孔e的两孔之间焊接等长度的导线作为跳线，这样可以将跳线干扰的影响减至最小。

由于空心线圈上仅有的一根跳线d-e已被固定，故在现场使用时，不需要连接跳线，从而不需要拆开互感器壳体，便可实现互感器的正常使用。

空心线圈的信号传输路径为过孔a-b-c-d-e-f-g-h，这样可以将两个半圆形空心线圈的跳线减少至一根，即过孔d和过孔e连接。

2、信号防护电路，用于抑制频率大于工频的电磁干扰。

信号防护电路设置在一块印制电路板上，既便于防护器件进行更换，同时延长信号走线对高频干扰也具有衰减作用；如图5所示，包括电感L、压敏电阻R和瞬态抑制二极管D；

压敏电阻R连接于瞬态抑制二极管D和电感L之间；压敏电阻R的另一端和瞬态抑制二极管D的另一端均接地；

压敏电阻R的两端为信号防护电路的输入端，该输入端通过光纤与空心线圈连接；电感L与瞬态抑制二极管D之间的连接点为信号防护电路的输出端，该输出端与积分器连接。

当信号防护电路受到高频干扰时，瞬态抑制二极管首先起作用，钳位电压不高于线路最高承受电压，瞬态抑制二极管选用P6KE12CA，钳位电压为16.7V，从而保护了电子电路不受损害，随后，压敏电阻开始动作，高频干扰能量部分通过压敏电阻泄放，压敏电阻能够承受的冲击电流可以达到2kA，压敏电阻选用820KD14，钳位电压为135V。

电感在电路正常工作时阻抗很小，不影响后续电子电路的工作，在遭受高频干扰时，需要承受820KD14和P6KE12CA两者之间的钳位电压压差118.3V，同时要耐受电磁干扰的高频能量，电感选用参数为100μH，3A电流的大电流电感，保证电感在强烈的电磁干扰作用下不会失效。

3、信号处理电路，用于接收信号防护电路的输出信号，以检测一次导线的电流值。

如图6所示，包括依次连接的积分器、可编程增益放大器和处理器，积分器的输入端与信号防护电路连接，温度监测电路与处理器连接。

(1)积分器；

本实施例中的积分器实质为一个二阶低通滤波器，当低通滤波器的中心频率与工频相等时，即可在工频时实现积分电路功能，在低频时输出幅值不会因为频率降低而增加，对于频率低于工频的干扰起到了抑制作用。如图7所示，积分器包括运算放大器；运算放大器的反相输入端通过电阻R1接地，同向输入端依次与电阻R4和电阻R3连接；

电阻R1与反相输入端的连接点通过电阻R2与运算放大器的输出端连接；

电阻R4与同向输入端的连接点通过电容C2接地；

电阻R3和电阻R4的连接点通过电容C1与所述输出端连接；

电阻R3的另一端为积分器的输入端，运算放大器的输出端为积分器的输出端。

本实施例中运算放大器采用高共模抑制比的运算放大器OP07，电阻采用0.1％精度、10ppm温漂的精密电阻，电容采用1％精度、30ppm温漂的NPO电容。电阻R1的值应当避免过大，否则运放输入电流过小，造成运放输出误差增大。

本实施例中电阻R1＝10kΩ。

A、算放大器的放大倍数k₃计算公式为：

$k_3=1+\frac{R2}{R1}---\left(4\right)$

电阻R2的阻值依据电阻R1和需要的放大倍数k₃的值确定。

B、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=C_2\\ \sqrt{R_3{R}_4{C}_1{C}_2}=2\mathrm{\π}\×50\\ \frac{R_2}{R_1}\frac{R_3{C}_1+R_4{C}_2{+R}_3{C}_2}{2\mathrm{\π}\×50\×R_3{R}_4{C}_1{C}_2}\≤1\end{array}\right.---\left(5\right)$

本实施例中电阻R3＝3.1kΩ，电阻R4＝320kΩ，电容C1＝C2＝100nF。

C、积分器输出信号V₁的计算公式为：

$V_1=(1+\frac{R_2}{R_1})\×\frac{R_1}{R_2}\frac{100\mathrm{\π}\×R_3{R}_4{C}_1{C}_2}{R_3{C}_1+R_4{C}_2+R_3{C}_2}\×0.15---\left(6\right)$

(2)温度监测电路包括TMP36温度传感器，输出信号V₂的计算公式为：

V₂＝0.75+(T-25)×0.01   (7)

其中，T为工作环境温度。

(3)可编程增益放大器；

可编程增益放大器具有高开环增益、低输入失调电压、低输入偏置电流、稳定放大倍数、低温漂的优点，本实施例采用PGA103放大器。

(4)处理器，包括MSP430单片机；依据可编程增益放大器的输出信号调整其放大增益k₁，依据温度监测电路的输出信号V₂调整温度补偿系数k₂，以得到互感器的输出电压V_O＝V₁×k₁×k₂，如图8所示，具体步骤包括：

步骤1：采集可编程增益放大器的输出信号，计算互感器输出的电流值；若电流值I＜I_N×5％，则增大可编程增益放大器的放大增益k₁，直至电流值I≥I_N×5％；

I_N为互感器一次侧的额定电流值。

步骤2：采集温度监测电路的输出信号V₂，获取工作环境温度T；

若T＞50℃或者T＜0℃时，则调整温度监测电路的温度补偿系数k₂，以消除可编程增益放大器由于信号防护电路和信号处理电路中电子器件温度漂移产生的输出误差，若不调整温度补偿系数则将对放大器的输出造成0.075％的误差影响。

步骤3：电流值I≥I_N×5％且消除由于温度漂移产生的输出误差后，计算互感器输出电压V_O＝V₁×k₁×k₂。

通过步骤1和2的调整，可以保证互感器在-40℃～-70℃的温度范围内准确度达到0.2级。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种半开合式电子式电流互感器，其特征在于，所述互感器包括依次连接的空心线圈、信号防护电路和信号处理电路；所述空心线圈设置在PCB板上，由两个半圆形线圈连接组成，每个半圆形线圈的两端均设有一个过孔；

所述空心线圈的输出端采用双层屏蔽双绞线与信号防护电路连接；

所述信号防护电路，用于抑制频率大于工频的电磁干扰；

所述信号处理电路包括积分器和放大器，积分器的输入端与所述信号防护电路连接，放大器的输出端为所述互感器的输出端。

2.如权利要求1所述的互感器，其特征在于，所述半圆形线圈一端的转折处设置为以过孔为圆心的圆弧形，两个过孔之间通过跳线连接，所述过孔为所述互感器的输出端；

当所述半圆形线圈另一端相互分开时，串入互感器一次导线，所述半圆形线圈一端的两个过孔之间的距离保持不变，保证所述跳线连接可靠。

3.如权利要求2所述的互感器，其特征在于，所述跳线布置在所述空心线圈的PCB板面上；所述半圆形线圈另一端上的过孔内部焊接有导线。

4.如权利要求1所述的互感器，其特征在于，所述半圆形线圈通过螺杆固定在金属壳体内，所述金属壳体随半圆形线圈旋转。

5.如权利要求1所述的互感器，其特征在于，所述信号防护电路包括连接于压敏电阻和瞬态抑制二极管之间的电感；所述压敏电阻的另一端和瞬态抑制二极管的另一端均接地；

所述压敏电阻的两端为所述信号防护电路的输入端；所述电感与瞬态抑制二极管之间的连接点为所述信号防护电路的输出端。

6.如权利要求1所述的互感器，其特征在于，所述信号处理电路包括依次连接的积分器、可编程增益放大器和处理器；所述积分器的输入端与所述信号防护电路连接；温度监测电路与所述处理器连接；

所述处理器依据可编程增益放大器的输出信号调整放大增益k₁，依据温度监测电路的输出信号V₂调整温度补偿系数k₂，以得到所述互感器的输出电压V_O＝V₁×k₁×k₂；

所述V₁为积分器的输出信号。

7.如权利要求6所述的互感器，其特征在于，所述积分器包括运算放大器；所述运算放大器的反相输入端通过电阻R1接地，同向输入端依次与电阻R4和电阻R3连接；

所述电阻R1与反相输入端的连接点通过电阻R2与运算放大器的输出端连接；

所述电阻R4与同向输入端的连接点通过电容C2接地；

所述电阻R3和电阻R4的连接点通过电容C1与所述输出端连接；

电阻R3的另一端为所述积分器的输入端，运算放大器的输出端为所述积分器的输出端。

8.如权利要求7所述的互感器，其特征在于，所述运算放大器的放大倍数k₃计算公式为：

$k_3=1+\frac{R2}{R1}---\left(1\right)$

所述电阻R1的阻值为10kΩ；

所述电阻R2的阻值依据放大倍数k₃和公式(1)确定；

所述电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\\ C_1=C_2\\ \sqrt{R_3{R}_4{C}_1{C}_2}=2\mathrm{\π}\×50\\ \frac{R_2}{R_1}\frac{R_3{C}_1+R_4{C}_2+R_3{C}_2}{2\mathrm{\π}\×50\×R_3{R}_4{C}_1{C}_2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

积分器的输出信号V₁的计算公式为：

$V_1=(1+\frac{R_2}{R_1})\×\frac{R_1}{R_2}\frac{100\mathrm{\π}\×R_3{R}_4{C}_1{C}_2}{R_3{C}_1+R_4{C}_2+R_3{C}_2}\×0.15---\left(3\right).$

9.如权利要求6所述的互感器，其特征在于，所述温度监测电路包括TMP36温度传感器，所述输出信号V₂的计算公式为：

V₂＝0.75+(T-25)×0.01   (4)

其中，所述T为工作环境温度。

10.如权利要求6所述的互感器，其特征在于，所述处理器包括MSP430单片机；所述处理器控制所述互感器的输出电压V_O包括：

步骤1：采集所述可编程增益放大器的输出信号，计算互感器输出的电流值；若所述电流值I＜I_N×5％，则增大可编程增益放大器的放大增益k₁，直至所述电流值I≥I_N×5％；所述I_N为互感器一次侧的额定电流值；

步骤2：采集所述温度监测电路的输出信号V₂，获取工作环境温度T；若所述T＞50℃或者T＜0℃时，则调整温度监测电路的温度补偿系数k₂，以消除可编程增益放大器由于信号防护电路和信号处理电路中电子器件温度漂移产生的输出误差；

步骤3：计算互感器的输出电压V_O＝V₁×k₁×k₂，所述V₁为积分器的输出信号。