CN113655261B - 一种嵌套式微电流互感器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌套式微电流互感器，自内到外依次设置罗氏线圈及铁磁式电流互感器，所述罗氏线圈内嵌于铁磁式电流互感器内部，所述铁磁式电流互感器包含两根同向绕组Ⅰ，所述罗氏线圈的绕组Ⅱ两端通过连接信号发生器将绕组Ⅱ两端的端子电压Ⅱ反向接入至铁磁式电流互感器的一根绕组Ⅰ两端，所述铁磁式电流互感器的另一根绕组Ⅰ两端接有信号检测模块，所述信号检测模块用于检测微小电流。本发明的嵌套式微电流互感器通过铁磁式电流互感器和罗氏线圈的嵌套实现了微小电流信号的测量，本发明的种嵌套式微电流互感器及其使用方法实现了千安级负荷电流背景下、微安级泄漏电流精确测量，且结构及操作简单。

Description

一种嵌套式微电流互感器及其使用方法

技术领域

本发明属于微电流信号检测技术领域，更具体地，涉及一种嵌套式微电流互感器及其使用方法。

背景技术

电力电缆是城市电网的重要组成部分，大容量中心变电站进入市区，其进线几乎全部采用中高压电缆。电缆发生故障后不仅会造成经济损失和不良的社会影响，同时也会影响城市电网的安全、稳定运行，这对电力电缆的可靠性提出了更高的要求。近年来，随着地区经济的迅猛发展及用电量的快速增长，电力电缆线路的数量和长度迅速增加，经常在无预警的情况下突然发生故障，引发停电事故。局部放电(简称“局放”)信号常用作电缆的状态参量，主要针对绝缘微小缺陷的放电作用，在线局放检测主要是在工频电压下通过在线电缆路中接上检测传感元件(主要是高频电流互感器)，测量到这一局部放电量。由于普通高频电流互感器只能在监测点位置进行测量，不可避免的会产生噪声干扰问题，因此在线测量时涉及到在大背景信号(固有的工频电流信号+背景噪声)中分离微小电流信号的问题，所述微小电流信号包含局放电流及绝缘劣化有关的微电流。

发明内容

为了解决大背景噪声下微小电流信号的分离问题，本发明提供一种嵌套式微电流互感器及其使用方法，该嵌套式微电流互感器通过铁磁式电流互感器和罗氏线圈的嵌套实现了微小电流信号的测量，本发明的嵌套式微电流互感器及其使用方法实现了千安级负荷电流背景下、微安级泄漏电流精确测量，且结构及操作简单。

为了实现以上目的，本发明采用的一种技术方案如下：

一种嵌套式微电流互感器，自内到外依次设置罗氏线圈及铁磁式电流互感器，所述罗氏线圈内嵌于铁磁式电流互感器内部，所述铁磁式电流互感器包含两根同向绕组Ⅰ，所述罗氏线圈的绕组Ⅱ两端通过连接信号发生器将绕组Ⅱ两端的端子电压Ⅱ反向接入至铁磁式电流互感器的一根绕组Ⅰ两端，所述铁磁式电流互感器的另一根绕组Ⅰ两端接有信号检测模块，所述信号检测模块用于检测微小电流；

进一步地，所述铁磁式电流互感器及罗氏线圈满足如下关系：

公式(1)中，R₀为铁磁式电流互感器二次侧等效回路的电阻，N₁、N₂分别为铁磁式电流互感器及罗氏线圈对应的绕组Ⅰ及绕组Ⅱ的线圈匝数；A＝πr²、l＝2πR，r、R为罗氏线圈对应圆环内半径及外半径，μ₀为真空磁导率。

进一步地，所述铁磁式电流互感器的另一根绕组Ⅰ两端的端子电压Ⅰ为：

E(t)＝U₂(t)-V(t)； (2)

公式(2)中，U₂(t)＝I₁(t)·N₁·R₀表示铁磁式电流互感器的初始电压、表示罗氏线圈的端子电压Ⅱ，I₁(t)表示电流输入信号；

本发明还提供一种嵌套式微电流互感器的使用方法，包含以下步骤：

S01.将被测电流载体穿过嵌套式微电流互感器的圆心位置；

所述自内到外依次设置罗氏线圈及铁磁式电流互感器，所述罗氏线圈内嵌于铁磁式电流互感器内部，所述铁磁式电流互感器包含两根同向绕组Ⅰ，所述罗氏线圈的绕组Ⅱ两端通过连接信号发生器将绕组Ⅱ两端的端子电压Ⅱ反向接入至铁磁式电流互感器的一根绕组Ⅰ两端，所述铁磁式电流互感器的另一根绕组Ⅰ两端接有信号检测模块；

S02.利用信号检测模块检测微小电流。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明提供一种嵌套式微电流互感器及其使用方法，该嵌套式微电流互感器通过铁磁式电流互感器和罗氏线圈的嵌套，利用罗氏线圈对应的端子电压Ⅱ来抵消铁磁式电流互感器的初始端子电压，从而避免铁磁式电流互感器出现磁芯饱和的情况；利用铁磁式电流互感器具有高精度的特点，一方面利用铁磁式电流互感器实现了对电流输入信号的准确测量，另一方面利用罗氏线圈实现电流输入信号中大电流测量，通过两者测量的电压相互抵消实现了对微小电流信号的测量，本发明的嵌套式微电流互感器及其使用方法实现了千安级负荷电流背景下、微安级泄漏电流精确测量。

附图说明

图1为本发明一实施例中铁磁式电流互感器工作原理图；

图2为本发明一实施例中罗氏线圈工作原理图；

图3为本发明一实施例中嵌套式微电流互感器的结构图。

具体实施例

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

铁磁式电流互感器的工作原理主要是利用电磁感应原理将线圈内流过的电流信号转化为线圈两端的电压信号。其电路结构可以等效为一个变压器，其原理图如图1所示，它由闭合的铁心和绕组组成。待测电流I₁(t)可等效为变压器一次侧绕组的输入，并在变压器二次侧产生输出电压U₂(t)，通过测量U₂(t)的大小，并根据线圈匝数的比值(即变压器一次侧和二次侧绕组的比值n₁/n₂)得出待测电流I₁(t)的大小。现阶段这种方法比较成熟，测量结果的精度较高，但在测试较大电流时容易出现磁芯饱和的情况，难以在保证电流精度的前提下测量较大的电流。

罗氏线圈是另一种电流互感器，它在结构式是一个空心的环形线圈，其工作原理如图2所示。当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时,在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场。根据安培环路定理和法拉第电磁感应定律，可以推导出罗氏线圈输出电压V(t)与被测电流的微分成正比，只要将其输出经过的积分器，即可得到与一次电流成正比的输出电压。罗氏线圈适合测量大电流，但精度往往不如铁磁式电流互感器。

本发明将罗氏线圈嵌入铁磁式电流互感器之中，使之形成一个嵌套式微电流互感器，如图3所示，自内到外依次设置罗氏线圈及铁磁式电流互感器，所述罗氏线圈内嵌于铁磁式电流互感器内部，所述铁磁式电流互感器包含两根同向绕组Ⅰ，所述罗氏线圈的绕组Ⅱ两端通过连接信号发生器将绕组Ⅱ两端的端子电压Ⅱ反向接入至铁磁式电流互感器的一根绕组Ⅰ两端，所述铁磁式电流互感器的另一根绕组Ⅰ两端接有信号检测模块，所述信号检测模块用于检测微小电流；所述信号检测模块可以为电流表或者采集卡、示波器这类设备。

两个电流互感器的端子输出电压分别为U₂(t)和V(t)，由于电流输入信号都是I₁(t)，U₂(t)和V(t)是由大小相等的电流感应生成。对于铁磁式电流互感器而言，输出电流I₂(t)＝I₁(t)·n₂/n₁，此时N₁＝n₂/n₁，n₁＝1，因此铁磁式电流互感器的初始电压U₂(t)＝I₁(t)·N₁·R₀，其中，R₀为电流表的内阻，N₁＝n₂为铁磁式电流互感器绕组Ⅰ的线圈匝数。罗氏线圈部分，端子电压e(t)与I₁(t)的关系如式(1)所示。

公式(3)中，A＝πr²、l＝2πR，r、R为罗氏线圈对应圆环内半径及外半径，μ₀＝4π×10^-7为真空磁导率。罗氏线圈的端子电压Ⅱ为e(t)的积分，如式(4)所示。

在实际中，往往会进行0偏置调节使常数C＝0。令K＝-AN₂μ₀/l，则有V(t)＝I₁(t)·K。在实际参数设计的时候，令铁磁式电流互感器的初始电压U₂(t)＝I₁(t)·N₁·R₀和罗氏线圈的端子电压ⅡV(t)相等，从而得到如式(5)

K＝R₀·N₁ (5)

将公式(5)展开得到公式(1)

公式(1)中，R₀为铁磁式电流互感器二次侧等效回路的电阻，N₁、N₂分别为铁磁式电流互感器及罗氏线圈对应的绕组Ⅰ及绕组Ⅱ的线圈匝数；A＝πr²、l＝2πR，r、R为罗氏线圈对应圆环内半径及外半径，μ₀为真空磁导率。

在理想情况下有U₂(t)＝V(t)，而实际情况下，U₂(t)和V(t)之间的差值为铁磁式电流互感器与罗氏线圈的精度偏差E(t)如公式(2)所示：

E(t)＝U₂(t)-V(t)； (2)

公式(2)中，U₂(t)＝I₁(t)·N₁·R₀表示铁磁式电流互感器的初始电压、表示罗氏线圈的端子电压Ⅱ，I₁(t)表示电流输入信号；

现设计一个外施电路，该外施电路包含一个任意信号发生器，确保该外施电路的输出电压为V(t)，并将这个信号反向注入铁磁式电流互感器的端子，则整体上嵌套式微电流互感器的输出为E(t)，这个值就是目标微电流信号对应的电压信号。对应微电流信号i(t)＝E(t)/R₀。上述一种嵌套式微电流互感器的使用方法，包含以下步骤：

S01.将被测电流载体穿过嵌套式微电流互感器的圆心位置；在实际中主要测试位置在金属护层接地引下线的位置；

S02.利用信号检测模块检测微小电流。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种嵌套式微电流互感器，其特征在于，自内到外依次设置罗氏线圈及铁磁式电流互感器，所述罗氏线圈内嵌于铁磁式电流互感器内部，所述铁磁式电流互感器包含两根同向绕组Ⅰ，所述罗氏线圈的绕组Ⅱ两端通过连接信号发生器将绕组Ⅱ两端的端子电压Ⅱ反向接入至铁磁式电流互感器的一根绕组Ⅰ两端，所述铁磁式电流互感器的另一根绕组Ⅰ两端接有信号检测模块，所述信号检测模块用于检测微小电流；

所述铁磁式电流互感器及罗氏线圈满足如下关系：

公式(1)中，R₀为铁磁式电流互感器二次侧等效回路的电阻，N₁、N₂分别为铁磁式电流互感器及罗氏线圈对应的绕组Ⅰ及绕组Ⅱ的线圈匝数；A＝πr²、l＝2πR，r、R为罗氏线圈对应圆环内半径及外半径，μ₀为真空磁导率；

所述铁磁式电流互感器的另一根绕组Ⅰ两端的端子电压Ⅰ为：

E(t)＝U₂(t)-V(t)； (2)

公式(2)中，U₂(t)＝I₁(t)·N₁·R₀表示铁磁式电流互感器的初始电压、表示罗氏线圈的端子电压Ⅱ，I₁(t)表示电流输入信号。

2.根据权利要求1所述的一种嵌套式微电流互感器的使用方法，其特征在于，包含以下步骤：

S01.将被测电流载体穿过嵌套式微电流互感器的圆心位置；

所述自内到外依次设置罗氏线圈及铁磁式电流互感器，所述罗氏线圈内嵌于铁磁式电流互感器内部，所述铁磁式电流互感器包含两根同向绕组Ⅰ，所述罗氏线圈的绕组Ⅱ两端通过连接信号发生器将绕组Ⅱ两端的端子电压Ⅱ反向接入至铁磁式电流互感器的一根绕组Ⅰ两端，所述铁磁式电流互感器的另一根绕组Ⅰ两端接有信号检测模块；

S02.利用信号检测模块检测微小电流。