一种铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器及电流测量方法技术

本发明专利技术公开了一种铁心

A core ring array multi ring magnetic current sensor and its current measurement method

【技术实现步骤摘要】
一种铁心
‑
环形阵列多环磁敏电流传感器及电流测量方法


[0001]本专利技术涉及电测量
，并且更具体地，涉及一种芯
‑
环形阵列多环磁敏电流传感器及电流测量方法。

技术介绍

[0002]针对电力系统普遍存在的电流测量需求，传统的铁心电流传感器有了不少的应用，但是其不佳的线性度和温度稳定性会影响测量结果，而且不适用于保护等宽量程需求。磁传感阵列是代替磁传感器加磁芯的有效方式，是解决空间干扰、磁芯饱和等问题的有效解决办法。随着隧道磁电阻(Tunnel Magnetoresi stance，TMR)等磁传感器的发展与成本降低，使得多个磁电阻传感器组成阵列进行非接触式电流测量变为可能，其基本原理是基于安培电流环路定律，利用围绕在载流导体周围的多个TMR传感器测量磁场，磁传感器的加和近似于闭合环路。使用环形磁传感器阵列方式测量电流有以下优势：环形磁传感器阵列使用无铁心结构，不存在饱和问题，大大提高了瞬态性能，可以广泛应用于各类保护故障测量。但是由于串扰噪声等因素的影响，环形阵列电流传感器的精度仍有待提高。
[0003]现有技术一基于离散傅里叶变换(DFT)的磁传感器阵列为了减少串扰误差的影响，在环形阵列传感器的输出部分增加了数字信号处理单元，结合传感器输出信号设计了基于DFT的信号处理算法。所提出的算法原理为被测导体周围磁场的傅立叶展开。傅里叶系数的解析表达式在磁场是有通过垂直于阵列平面的电流产生的情况下在均匀场的存在中得出，环形磁传感器阵列将被测导体周围的磁场映射，实现传感器数据的空间离散傅里叶变换。测量的电流值则由非线性系统求逆给出。缺点在于：基于离散傅里叶变换(DFT)的磁传感器阵列模型只考虑了圆形截面导体的情况，但是由在矩形截面导体中流动的直流电流产生的磁场不具有径向对称性，导致以母线为中心的圆形阵列的传感器无法测量相同的磁场值。如果通过DFT算法处理传感器数据，则会出现数量级大于零的磁场空间谐波。非零谐波也会归因于串扰场，难以将阵列内部电流的贡献与外部电流的贡献区分开。环形阵列传感器失去铁心聚磁作用，准确度有所不足，而通过DFT算法改进的环形阵列传感器对电流测量准确度的提升程度有限。
[0004]现有技术二的双霍尔元件磁敏电流传感器。被测电流导体在传感器环状磁路中的位置改变时，传感器的输出信号有较大的变化，即位置误差较大，针对这一问题，在磁敏电流传感器磁路上开双气隙，气隙中各安装一只霍尔元件并加上了适当的信号处理部件，制成了双霍尔元件磁敏电流传感器。因被测电流导线位置不同而引起两只霍尔元件处磁场不同时所产生的不相等的霍尔电压经电路并联连接按并联电容的等效电路合成后，传感器的输出值为两只霍尔元件输出值的算术平均值。这实现了对位置误差的完全补偿。缺点在于：1.铁心结构存在饱和情况，其非线性误差会影响电流测量的范围和准确性，另外其温度稳定性也会影响传感器的长期使用；2.霍尔传感器具有固有的缺陷，即灵敏度低、功耗高和线性度差。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种芯
‑
环形阵列多环磁敏电流传感器及电流测量方法，以解决如何测量电流，减小测量误差的问题。
[0006]为了解决上述问题，根据本专利技术的一个方面，提供了一种铁心
‑
环形阵列多环磁敏电流传感器，所述传感器包括：第一环结构、第二环结构和数字处理单元，其中，
[0007]所述第一环结构，套设于导线上，且与所述数字处理单元相连接，用于获取根据一次侧电流生成的第一磁场信号产生的反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述数字处理单元；
[0008]所述第二环结构，套设于导线上，且与所述数字处理单元相连接，用于测量线圈内由导线的电流生成的第二磁场信号，并将所述第二磁场信号输出至所述数字处理单元；
[0009]所述数字处理单元，用于根据所述反馈电流信号和第二磁场信号计算表征导线电流的特征量，以根据所述表征导线电流的特征量确定导线上的电流。
[0010]优选地，其中所述第一环结构包括：铁心、反馈电流获取电路和补偿绕组；其中，
[0011]所述铁心为对称开了双气隙的开口铁心，每个气隙处均设置有第一隧道磁电阻TMR传感芯片，所述第一TMR传感芯片用于测量所述第一磁场信号；
[0012]所述反馈电流获取电路，用于通过对两个第一TMR传感芯片测量的第一磁场信号进行平均，以获取第一磁场平均信号，基于所述第一磁场平均信号通过放大器生成反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述补偿绕组和数字处理单元；
[0013]所述补偿绕组均匀缠绕在所述铁心上，用于根据所述反馈电流信号生成补偿磁场，以使得补偿磁场与所述第一磁场信号进行叠加，控制传感器维持在零磁通状态。
[0014]优选地，其中所述第二环结构包括：四个第二TMR传感芯片，四个第二TMR传感芯片并联且等距对称设置在环形空心外壳内，所述第二TMR传感芯片用于获取所述第二磁场信号。
[0015]优选地，其中所述环形空心外壳外部设置有双层金属屏蔽层。
[0016]优选地，其中所述数字处理单元，包括：模数转换模块、数字处理模块和数模转换模块；
[0017]所述模数转换模块，与所述数字处理模块相连接，用于对所述反馈电流信号和第二磁场信号由模拟量转换为数字量；
[0018]所述数字处理模块，与所述数模转换模块相连接，用于根据转换为数字量的反馈电流信号和第二磁场信号计算所述表征导线电流的特征量；
[0019]所述数模转换模块，用于将所述表征导线电流的特征量由数字量转换为模拟量，以根据转换为模拟量的表征导线电流的特征量确定导线上的电流。
[0020]优选地，其中所述传感器还包括：
[0021]电源单元，用于为第一TMR传感芯片和第二TMR传感芯片供电。
[0022]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种基于如上所述的铁心
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环形阵列多环磁敏电流传感器的电流测量方法，所述方法包括：
[0023]利用第一环结构获取根据一次侧电流生成的第一磁场信号产生的反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述数字处理单元；
[0024]利用第二环结构测量线圈内由导线的电流生成的第二磁场信号，并将所述第二磁
场信号输出至所述数字处理单元；
[0025]利用数字处理单元根据所述反馈电流信号和第二磁场信号计算表征导线电流的特征量，以根据所述表征导线电流的特征量确定导线上的电流。
[0026]优选地，其中所述利用第一环结构获取根据一次侧电流生成的第一磁场信号产生的反馈电流信号，包括：
[0027]利用设置在对称开了双气隙的开口铁心的气隙处的第一TMR传感芯片测量所述第一磁场信号；
[0028]利用反馈电流获取电路对两个第一TMR传感芯片测量的第一磁场信号进行平均，以获取第一磁场平均信号，基于所述第一磁场平均信号通过放大器生成反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述补偿绕组和数字处理单元；
[0029]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁心
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环形阵列多环磁敏电流传感器，其特征在于，所述传感器包括：第一环结构、第二环结构和数字处理单元，其中，所述第一环结构，套设于导线上，且与所述数字处理单元相连接，用于获取根据一次侧电流生成的第一磁场信号产生的反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述数字处理单元；所述第二环结构，套设于导线上，且与所述数字处理单元相连接，用于测量线圈内由导线的电流生成的第二磁场信号，并将所述第二磁场信号输出至所述数字处理单元；所述数字处理单元，用于根据所述反馈电流信号和第二磁场信号计算表征导线电流的特征量，以根据所述表征导线电流的特征量确定导线上的电流。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一环结构包括：铁心、反馈电流获取电路和补偿绕组；其中，所述铁心为对称开了双气隙的开口铁心，每个气隙处均设置有第一隧道磁电阻TMR传感芯片，所述第一TMR传感芯片用于测量所述第一磁场信号；所述反馈电流获取电路，用于通过对两个第一TMR传感芯片测量的第一磁场信号进行平均，以获取第一磁场平均信号，基于所述第一磁场平均信号通过放大器生成反馈电流信号，并将所述反馈电流信号输出至所述补偿绕组和数字处理单元；所述补偿绕组均匀缠绕在所述铁心上，用于根据所述反馈电流信号生成补偿磁场，以使得补偿磁场与所述第一磁场信号进行叠加，控制传感器维持在零磁通状态。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二环结构包括：四个第二TMR传感芯片，四个第二TMR传感芯片并联且等距对称设置在环形空心外壳内，所述第二TMR传感芯片用于获取所述第二磁场信号。4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述环形空心外壳外部设置有双层金属屏蔽层。5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述数字处理单元，包括：模数转换模块、数字处理模块和数模转换模块；所述模数转换模块，与所述数字处理模块相连接，用于对所述反馈电流信号和第二磁场信号由模拟量转换为数字量；所述数字处理模块，与所述数模转换模块相连接，用于根据转换为数字量的反馈电流信号和第二磁场信号计算所述表征导线电流的特征量；所述数模转换模块，用于将所述表征导线电流的特征量由数字量转换为模拟量，以根据转换为模拟量的表征导线电流的特征量确定导线上的电流。6.根据权利要求2或3所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：电源单元，用于为第一TMR传感芯片和第二TMR传感芯片供电。7.一种基于如权利要求1
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6中任一项所述的铁心
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环形阵列多环磁敏电流传感器的电流测量方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周峰，余佶成，岳长喜，李熊，梁思远，姚力，李登云，胡浩亮，刁赢龙，李鹤，刘炜，余也凤，李小飞，朱凯，王唯，熊魁，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司营销服务中心中国电力科学研究院有限公司武汉分院国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：