基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈互感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈互感器，包括带间隙的闭环铁芯、一次线圈、二次线圈、磁位计骨架、磁位计线圈、内环开槽的环形屏蔽盒、第一双向稳压管、第二双向稳压管、第一运算放大器、第二运算放大器、信号调理电路、第一电阻、第二电阻、第三电阻、积分电容、第三运算放大器、模数转换器、微处理器和通信接口；本发明专利技术的互感器利用磁位计对带间隙铁芯式罗氏线圈的传感误差进行补偿，能输出与含有谐波的一次电流成线性比例关系的电压模拟量和数字量。它克服了空心式罗氏线圈输出信号小以及准确度低的问题，并且解决了带间隙铁芯式罗氏线圈互感器由铁芯产生的非线性误差问题，实现了对一次电流基波和谐波分量的准确传感。

【技术实现步骤摘要】
基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈互感器
本专利技术属于电磁测量
，尤其涉及一种可同时准确测量电流基波和谐波的电子式电流互感器，具体地说是一种基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈互感器。
技术介绍
电子式电流互感器是一种电流传感器，主要用于电网电流的测量。国家标准GB/T20840.8-2007《互感器第8部分：电子式电流互感器》给出了电子式电流互感器基波及谐波准确度的技术规范，国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》给出了公用电网谐波电流的限值，国家标准GB/T19862-2005《电能质量监测设备通用要求》规定了用于监测电网谐波电流分量的设备的通用要求，这些标准对电子式电流互感器的基波和谐波传感准确度及量程范围提出了明确的要求。电子式电流互感器是传统的电磁式电流互感器更新换代的产品，传统的电磁式电流互感器测量频带较窄，因此主要用来测量电网电流的基波分量。电子式电流互感器通常利用低功耗铁芯线圈、罗氏线圈或光学装置来进行一次电流的传感，其中低功耗铁芯线圈和罗氏线圈由于结构简单且易于实现，因而被广泛采用。低功耗铁芯线圈的传感原理及结构与传统的电磁式电流互感器相同，同样存在测量频带较窄的问题。罗氏线圈由于采用非磁性骨架，不存在磁滞和饱和现象，因此具有很宽的测量频带。为了提高输出信号，罗氏线圈的线圈匝数通常很多，而罗氏线圈的线圈几何尺寸的变化对传感准确度的影响很大，因此罗氏线圈的准确度通常不高。带间隙铁芯式罗氏线圈采用带间隙的闭环铁芯作为骨架，该罗氏线圈的有效气隙磁路长度被大大缩短，此时可以用较少的线圈匝数来获得较大的输出信号，同时由于罗氏线圈绕制在高磁导率的铁芯上，该线圈几何尺寸的变化对传感准确度的影响大大降低，因此带间隙铁芯式罗氏线圈是一种较为理想的电流传感器，它可被视为有效气隙磁路长度很短的空心式罗氏线圈。但是，由于带间隙铁芯式罗氏线圈的磁路是由气隙磁路和铁芯磁路串联而成，铁芯的励磁特性将对带间隙铁芯式罗氏线圈的电流传感带来非线性的误差。采用高磁导率铁芯材料及合适的气隙磁路长度与铁芯磁路长度之比可以减小这种误差，但这对带间隙铁芯式罗氏线圈的设计及选材带来了限制，同时也不可能完全消除这种误差。因此考虑利用磁位计对铁芯的励磁状态进行检测，并对铁芯引起的传感误差进行在线补偿，从而使带间隙铁芯式罗氏线圈等效地成为一种理想的有效气隙磁路长度很短的空心式罗氏线圈，并且利用数字及模拟积分电路进行输出信号的积分还原，目前这样的基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电流互感器未见有专利和其它文献报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的是现有技术存在的上述问题旨在提供一种基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈，它能输出与含有谐波的一次电流成线性比例关系的电压模拟量和数字量，实现同时对一次电流基波和谐波分量的准确传感。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈互感器，它包括带间隙的闭环铁芯、一次线圈、二次线圈、磁位计骨架、磁位计线圈、内环开槽的环形屏蔽盒、第一双向稳压管、第二双向稳压管、第一运算放大器、第二运算放大器、信号调理电路、第一电阻、第二电阻、第三电阻、积分电容、第三运算放大器、模数转换器、微处理器和通信接口；磁位计骨架和磁位计线圈构成磁位计，带间隙的闭环铁芯、一次线圈和二次线圈构成带间隙铁芯式罗氏线圈，带间隙铁芯式罗氏线圈和磁位计构成一次传感器；磁位计骨架为一条由非磁性材料制成的能弯曲的薄带，磁位计线圈均匀地绕制在磁位计骨架上；闭环铁芯上的间隙采用非磁性材料填充，磁位计紧贴闭环铁芯外环表面并且远离铁芯上的间隙，一次线圈和二次线圈分别均匀地绕制在除间隙以外的带有磁位计的带间隙闭环铁芯的铁芯上，或者一次线圈为穿心母线，带间隙的闭环铁芯上不需要绕制一次线圈；一次传感器安装在内环开槽的环形屏蔽盒内，一次线圈、二次线圈和磁位计线圈的线圈端子引线由环形屏蔽盒上的过孔引出；第一运算放大器和第二运算放大器分别构成两个电压跟随器；信号调理电路具有二个相互独立的输入输出电压调理通道，信号调理电路的第一输出端和第二输出端分别与信号调理电路的第一输入端和第二输入端相对应；第一电阻、第二电阻、第三电阻、积分电容和第三运算放大器构成加法及有损积分电路；模数转换器、微处理器和通信接口构成数字输出电路；二次线圈的非同名端分别与第一双向稳压管的一端和第一运算放大器的同相输入端相连，二次线圈的同名端与地相连，第一双向稳压管的另一端与地相连，磁位计线圈的非同名端分别与第二双向稳压管的一端和第二运算放大器的同相输入端相连，磁位计线圈的同名端与地相连，第二双向稳压管的另一端与地相连，第一运算放大器的输出端与信号调理电路的第一输入端相连，第二运算放大器的输出端与信号调理电路的第二输入端相连，信号调理电路的第一输出端分别与第一电阻的一端和模数转换器的一个输入端相连，信号调理电路的第二输出端分别与第二电阻的一端和模数转换器的另一个输入端相连，第一电阻的另一端分别与第二电阻的另一端、第三电阻的一端、积分电容的一端和第三运算放大器的反相输入端相连，第三运算放大器的同相输入端与地相连，第三电阻的另一端分别与积分电容的另一端和第三运算放大器的输出端相连，微处理器分别与模数转换器和通信接口相连接；一次线圈的两个线圈端子为基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈互感器的一次端口，第三运算放大器的输出端和地构成了互感器模拟量输出的二次端口，通信接口输出端口为互感器数字量输出的二次端口。下面对本技术方案的原理做进一步说明。带间隙铁芯式罗氏线圈的二次线圈工作在开路状态，当一次线圈流过被测电流i1(t)时，对于带间隙的闭环铁芯有：N1i1(t)＝Hδ(t)δ+HFe(t)lFe(1)式中N1为一次线圈的匝数，当一次线圈为穿心母线时N1＝1，HFe(t)和Hδ(t)分别为带间隙闭环铁芯的铁芯磁场强度和间隙磁场强度，lFe和δ分别为铁芯等效磁路长度和间隙长度。对式(1)求导并考虑到间隙的填充物为非磁性材料且间隙长度δ小，可得：式中μ0为铁芯间隙磁导率，B(t)为间隙和铁芯的磁感应强度。二次线圈的输出电压u2(t)为：式中S和N2分别为带间隙闭环铁芯等效截面积和二次线圈匝数。将式(2)代入式(3)得：由于磁性材料界面处的磁场强度切线分量相等，紧贴在铁芯表面的磁位计的薄带骨架中的磁感应强度Bc(t)＝μ0HFe(t)，于是磁位计线圈的输出电压uc(t)为：式中Sc和Nc分别为磁位计等效截面积和磁位计线圈匝数。由式(5)和带间隙铁芯式罗氏线圈的数学表达式(4)可见，磁位计线圈输出电压uc(t)与式(4)右边第二项存在比例关系，因此可以利用磁位计线圈输出电压uc(t)补偿带间隙铁芯式罗氏线圈输出电压中由铁芯引起的非线性输出信号，从而使带间隙铁芯式罗氏线圈输出电压仅为式(4)右边的第一项。二次线圈输出电压u2(t)经过电压跟随器后输入信号调理电路，得到相应的输出电压K1为比例系数。磁位计线圈输出电压uc(t)经过电压跟随器后输入信号调理电路，得到相应的输出电压K2为比例系数。电压和分别输入加法及有损积分电路，当用作直流通道的第三电阻足够大时，有：式中R1和R2分别为第一电阻和第二电阻，C为积分电容，u0(t)为加法及有损积分本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈互感器，包括带间隙的闭环铁芯(1)、一次线圈(2)、二次线圈(3)、磁位计骨架(4)、磁位计线圈(5)、内环开槽的环形屏蔽盒(6)、第一双向稳压管(7)、第二双向稳压管(8)、第一运算放大器(9)、第二运算放大器(10)、信号调理电路(11)、第一电阻(12)、第二电阻(13)、第三电阻(14)、积分电容(15)、第三运算放大器(16)、模数转换器(17)、微处理器(18)和通信接口(19)，其特征在于磁位计骨架(4)和磁位计线圈(5)构成磁位计，带间隙的闭环铁芯(1)、一次线圈(2)和二次线圈(3)构成带间隙铁芯式罗氏线圈，带间隙铁芯式罗氏线圈和磁位计构成一次传感器；磁位计骨架(4)为一条由非磁性材料制成的能弯曲的薄带，磁位计线圈(5)均匀地绕制在磁位计骨架(4)上；闭环铁芯(1)上的间隙采用非磁性材料填充，磁位计紧贴带间隙的闭环铁芯(1)外环表面并且远离铁芯上的间隙，一次线圈(2)和二次线圈(3)分别均匀地绕制在除间隙以外的带有磁位计的带间隙闭环铁芯(1)的铁芯上，当一次线圈(2)为穿心母线时，带间隙的闭环铁芯(1)上不需要绕制一次线圈；一次传感器安装在内环开槽的环形屏蔽盒(6)内，一次线圈(2)、二次线圈(3)和磁位计线圈(5)的线圈端子引线由环形屏蔽盒(6)上的过孔引出；第一运算放大器(9)和第二运算放大器(10)分别构成两个电压跟随器；信号调理电路(11)具有二个相互独立的输入输出电压调理通道，信号调理电路(11)的第一输出端和第二输出端分别与该信号调理电路(11)的第一输入端和第二输入端相对应；第一电阻(12)、第二电阻(13)、第三电阻(14)、积分电容(15)和第三运算放大器(16)构成加法及有损积分电路；模数转换器(17)、微处理器(18)和通信接口(19)构成数字输出电路；二次线圈(3)的非同名端分别与第一双向稳压管(7)的一端和第一运算放大器(9)的同相输入端相连，二次线圈(3)的同名端与地相连，第一双向稳压管(7)的另一端与地相连，磁位计线圈(5)的非同名端分别与第二双向稳压管(8)的一端和第二运算放大器(10)的同相输入端相连，磁位计线圈(5)的同名端与地相连，第二双向稳压管(8)的另一端与地相连，第一运算放大器(9)的输出端与信号调理电路(11)的第一输入端相连，第二运算放大器(10)的输出端与信号调理电路(11)的第二输入端相连，信号调理电路(11)的第一输出端分别与第一电阻(12)的一端和模数转换器(17)的一个输入端相连，信号调理电路(11)的第二输出端分别与第二电阻(13)的一端和模数转换器(17)的另一个输入端相连，第一电阻(12)的另一端分别与第二电阻(13)的另一端、第三电阻(14)的一端、积分电容(15)的一端和第三运算放大器(16)的反相输入端相连，第三运算放大器(16)的同相输入端与地相连，第三电阻(14)的另一端与积分电容(15)的另一端和第三运算放大器(16)的输出端相连，微处理器(18)分别与模数转换器(17)和通信接口(19)相连接；一次线圈(2)的两个线圈端子为基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈互感器的一次端口，第三运算放大器(16)的输出端和地构成了互感器模拟量输出的二次端口，通信接口19的输出端口为互感器数字量输出的二次端口。...

【技术特征摘要】
2015.03.16 CN 20151011459581.基于磁位计补偿的带间隙铁芯式罗氏线圈互感器，包括带间隙的闭环铁芯(1)、一次线圈(2)、二次线圈(3)、磁位计骨架(4)、磁位计线圈(5)、内环开槽的环形屏蔽盒(6)、第一双向稳压管(7)、第二双向稳压管(8)、第一运算放大器(9)、第二运算放大器(10)、信号调理电路(11)、第一电阻(12)、第二电阻(13)、第三电阻(14)、积分电容(15)、第三运算放大器(16)、模数转换器(17)、微处理器(18)和通信接口(19)，其特征在于磁位计骨架(4)和磁位计线圈(5)构成磁位计，带间隙的闭环铁芯(1)、一次线圈(2)和二次线圈(3)构成带间隙铁芯式罗氏线圈，带间隙铁芯式罗氏线圈和磁位计构成一次传感器；磁位计骨架(4)为一条由非磁性材料制成的能弯曲的薄带，磁位计线圈(5)均匀地绕制在磁位计骨架(4)上；闭环铁芯(1)上的间隙采用非磁性材料填充，磁位计紧贴带间隙的闭环铁芯(1)外环表面并且远离铁芯上的间隙，一次线圈(2)和二次线圈(3)分别均匀地绕制在除间隙以外的带有磁位计的带间隙闭环铁芯(1)的铁芯上，或者所述的一次线圈(2)为穿心母线，带间隙的闭环铁芯(1)上不需要绕制一次线圈；一次传感器安装在内环开槽的环形屏蔽盒(6)内，一次线圈(2)、二次线圈(3)和磁位计线圈(5)的线圈端子引线由环形屏蔽盒(6)上的过孔引出；第一运算放大器(9)和第二运算放大器(10)分别构成两个电压跟随器；信号调理电路(11)具有二个相互独立的输入输出电压调理通道，信号调理电路(11)的第一输出端和第二输出端分别与该信号调理电路(11)的第一输入端和第二输入端相对应；第一电阻(12)、第二电阻(13)、第三电阻(14)、积分电容(15)和第三运算放大器(16)构成加法及有损积分电路；模数转换器(17)、微处理器(18)和通信接口(19)构成数字输出电路；二次线圈(3)的非同名端分别与第一双向稳压管(7)的一端和第一运算放大器(9)的同相输入端相连，二次线圈(3)的同名端与地相连，第一双向稳压管(7)的另一端与地相连，磁位...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢岳，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33