CN106526287A - 一种用于泄漏电流检测的零磁通微电流传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于泄漏电流检测的零磁通微电流传感器，包括主磁芯、辅助磁芯、二次绕组、检测绕组、补偿绕组、信号处理电路、有源补偿电路和无源补偿电路；其特点是在主磁芯和辅助磁芯的一端均匀绕制有二次绕组，二次绕组的输出端与信号处理电路连接；在主磁芯和辅助磁芯的另一端均匀绕制有检测绕组和补偿绕组；检测绕组与补偿绕组之间通过有源补偿电路连接，并将无源补偿电路并联于检测绕组上。本发明补偿电路采用有源与无源两种方式相结合，提高了电流传感器测量精度，且补偿速度快、准确度高，经补偿后，该电流传感器在测量工频微安到毫安级电流时准确度可达到0.2级。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电流传感器，特别是一种用于测量工频μA~mA级交流电流的零磁通微电流传感器。
背景技术
如今电力系统普遍采用单匝穿心式结构的电流互感器作为微电流传感器，这样不改变电力设备原有的接地方式，保证被检测设备的运行安全，同时对于监测系统也能起到高压隔离作用。
电流传感器由一次侧电流和二次侧电流通过磁感应耦合原理实现能量传递，影响输出结果的误差主要由建立铁芯中磁通所需的激磁电流造成。若使磁电流为零，则激磁磁势为0，误差即为零，此时电流传感器就工作在“零磁通”状态，工作于磁化曲线的线性段。实际上，无激磁电流，磁芯中不会存在磁通，一次侧和二次侧的能量无法传递。“零磁通”状态可以靠外界条件进行补偿或者调整。
目前已研制出的电流传感器虽然精度及灵敏度都有了很大的提高，但是仍旧无法准确测量微安级的泄漏电流。而基于零磁通原理的电流传感器可以通过各种补偿手段有效减小测量误差，适合用于测量微安级工频电流。通常零磁通技术实现方法在结构上分为双级零磁通结构和单铁芯结构，单铁芯结构的“零磁通”电流传感器虽然结构简单，但是补偿精度低于双级零磁通结构的电流传感器。而双级零磁通结构电流传感器的实现方式通常使用单片机来控制电位器自动跟踪并补偿激磁电流，由于软件的参与和A/D转换误差，需要利用算法程序实现信号转换会使得响应速度减慢，实现方式复杂，因此在测量微安级工频交流时补偿精度不高。
在现有技术中，申请号为CN201510347095.9公开了“一种零磁通电流互感器试验快速接线装置及使用方法”，包括电源转换模块、直流电流发生模块、接线方式转换模块、试验线，电源转换模块与直流电流发生模块相连接，电源转换模块上连接有直流电源输出插头、交流电源插头，直流电流发生模块连接有直流电流引线；虽然克服了以往零磁通CT试验接线复杂、耗时长、受试验地点限制的缺点，但是缺乏微弱信号处理单元，并且未提及基于零磁通的具体补偿方案及产生的积极效果。
为了提高微电流传感器的测量精度以及补偿速度，迫切需要提供一种用于精确测量工频微安级泄漏电流的电流传感器。
发明内容
基于对现有技术的改进，本发明提供一种用于泄漏电流检测的零磁通微电流传感器。
本发明的目的是通过以下措施来实现的。
一种用于泄漏电流检测的零磁通微电流传感器，包括主磁芯、辅助磁芯、二次绕组、检测绕组、补偿绕组、信号处理电路、有源补偿电路和无源补偿电路；其特征在于：在所述主磁芯和所述辅助磁芯的一端均匀绕制有所述二次绕组，所述二次绕组的输出端与所述信号处理电路连接；在所述主磁芯和所述辅助磁芯的另一端均匀绕制有所述检测绕组和所述补偿绕组；所述检测绕组与所述补偿绕组之间是通过所述有源补偿电路连接，并将所述无源补偿电路并联于检测绕组上。
在上述技术方案中，所述信号处理电路是对微弱电压输出信号进行放大滤波处理的电路，包括差分放大电路和低通巴特沃斯滤波电路以及后级放大电路；所述有源补偿电路是基于零磁通原理的用于实现对二次电流进行相位以及幅值补偿的电路，包括高精度放大电路、低通巴特沃斯滤波电路、移相电路以及改进型Howland电流源型V/I转换电路；所述无源补偿部分是采用固容抗值的电容器并联于检测绕组两端用以改善负载特性，进一步对相位误差进行补偿。
实现上述技术方案所提供的一种用于泄漏电流检测的零磁通微电流传感器，与现有技术相比，本发明利用电磁感应原理测量微安级泄漏电流，采用有源补偿与无源补偿结合的方法对电流传感器的相位以及幅值进行动态补偿，有源补偿电子电路采用高精度放大电路，低通巴特沃斯滤波电路，移相电路以及改进型Howland电流源型V/I转换电路，实现了对励磁电流产生的感应电动势进行处理变换，得到相似电流进行补偿；无源补偿利用固定容抗值的电容器对输出电流的相位进一步补偿，改善负载特性，经实验得出在测量微安级到毫安级的工频电流时准确度可达到0.2级，有效的提高了测量精度，进一步地满足了测量要求。
本发明突出的特点主要在于：一是信号感应单元中的主磁芯以及辅助磁芯均采用环形穿心式结构，保证了与被测电流的电气隔离，具有良好的抗电磁干扰能力，稳定性高；二是针对二次绕组输出信号微弱易受外界影响的特点，加入信号处理电路，保证了输出信号的稳定性；三是基于零磁通原理加入信号补偿电路，采用有源补偿电路以及无源补偿电路，准确地测量微安到毫安级工频电流，该方法简单易行、补偿速度快、测量准确度高。
附图说明
图1是本发明提供的零磁通微电流传感器的原理结构图。
图2 是本发明提供的零磁通微电流传感器低通滤波电路结构图。
图3是本发明提供的零磁通微电流传感器电压电流转换电路结构图。
图4是本发明提供的零磁通补偿向量结构图。
图5是本发明提供的零磁通微电流传感器工作原理结构图。
图中：1：主磁芯；2：辅助磁芯；3：二次绕组；4：检测绕组；5：补偿绕组；6：信号处理电路；7：有源补偿电路；8：无源补偿电路。
具体实施方式
为了便于理解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。
实施一种用于泄漏电流检测的零磁通微电流传感器，该传感器是一种用于测量工频微安级到毫安级电流的零磁通电流传感器，包括信号感应单元、信号处理电路、信号补偿电路以及屏蔽单元。其构成在于信号感应单元由两个完全相同的环形的主磁芯1、辅助磁芯2和二次绕组3，检测绕组4，补偿绕组5构成；信号处理电路6包括差分放大电路，低通巴特沃斯型滤波电路以及后级放大电路；信号补偿电路分为有源补偿电路7及无源补偿电路8；有源补偿电路主要包括高精度放大电路，低通巴特沃斯滤波电路，移相电路以及改进型Howland电流源型V/I转换电路。无源补偿电路8采用固定容抗值的电容器并联于检测绕组4以进一步改善输出信号的相位误差。
有源补偿电路的补偿原理如下：由绕制在主磁芯1上的检测绕组4检测出通过主磁芯1的一次侧电流的磁通密度，并根据磁路定理可得：
通过推导得到检测绕组4两端感应电压为：
从上式中发现检测绕组4的感应电压中带有激磁电流的信息，通过检测绕组4对激磁电流的准确提取，直接利用有源补偿电路7对励磁电流产生的感应电动势进行处理变换，得到相似电流并注入补偿绕组5，在二次绕组3形成感应电流实现了对输出电流相位以及幅值的补偿。这种方法的优点是补偿速度快，简单易行。
无源补偿电路8采用固定容抗值的电容器来对剩余的磁通进行补偿，并进一步减小比差和角差，改善误差特性。补偿方式是在补偿绕组5上并联电容器。并联电容线圈补偿的磁势与主磁芯1的激磁磁势相差180°，从而达到无源补偿的效果。
上述本发明所提供的一种用于精确测量工频微安级泄漏电流的电流传感器的实施方案，是基于零磁通原理采用有源补偿与无源补偿相结合的方式对输出电流进行相位和幅值补偿，使工作磁芯达到“零磁通”工作状态；有源补偿电路主要是对励磁电流产生的感应电动势进行处理变换，得到相似电流注入补偿绕组；无源补偿电路是在检测绕组并入固定容抗值的电容器，进行进一步的相位补偿；有源与无源结合补偿方式不仅可以有效的减小误差，并且该方法简单易行，补偿速度快。
下面结合附图进一步对本发明的具体实施方式作出说明。
参照附图1，一种用于测量工频泄漏电流的零磁通微电流传感器结构，包括信号感应单元、信号处理电路、信号补偿电路、以及屏蔽单元。所述感应单元包括主磁芯1、辅助磁芯2、二次绕组3、检测绕组4以及补偿绕组5。其中两个环形几何尺寸相同，外径为40mm，内径为15mm，高度为15mm，均由超微晶合金薄带卷绕制成，磁性相同。二次绕组3由直径0.38mm漆包线绕制于两个磁芯上，匝数为200匝；在辅助磁芯2上绕制检测绕组4，匝数为50匝；在主磁芯1上绕制补偿绕组5，匝数与检测绕组5相同，均匀绕制。二次侧绕组接所述信号处理电路6，检测绕组4与补偿绕组5之间通过所述有源补偿电路8连接，无源补偿电路8并联于检测绕组4上。
二次绕组3通过并联精密电阻将输出电流信号转换为电压信号。由于输出的是微伏级电压信号，信号幅值很小，容易受到外界干扰级噪声的影响，需要对输出信号进行处理。结构上，负载两端与信号处理电路连接。所述信号处理电路6包括前置放大电路，低通巴特沃斯滤波电路以及后级放大电路。其中前置放大电路采用高精度仪表放大器A 1组成差分放大电路，有效抑制共模干扰，并精确放大微伏级电压信号。仪表放大器A 11引脚和8引脚之间连接电阻的阻值可以控制前置放大电路的倍数。
由于被测信号是工频电流，需要利用滤波电路滤除高频干扰，提高输出结果的稳定性。仪表放大器A 1的输出与滤波电路相连。滤波电路采用截止频率表为100Hz的巴特沃兹低通滤波电路，由高精度运算放大器A 2构成，其中电阻与可以控制截止频率的值，而电阻用来控制放大倍数。滤除噪声干扰后再对信号进行中间级以及末级放大。滤波电路以及后级放大电路由高精度运算放大器OP07CP组成。
为了提高测量精度，减小激磁电流对测量结果的影响，加入所述有源补偿电路7以及所述无源补偿电路8。在原边通入电流时，检测绕组两端会产生感应电压，由于感应电压与激磁电流存在等式对应关系，因此有源补偿电路7的作用是将感应电压通过放大以及移相，V/I转换等操作后转换为电流送入补偿绕组5，在二次侧产生磁动势，该磁势作为去磁磁动势，与原来二次绕组产生的磁势叠加后可使主磁芯工作在“零磁通”状态。有源补偿电路包括高精度放大电路，低通巴特沃斯滤波电路，移相电路以及改进型Howland电流源型V/I转换电路。其中，Howland V/I转换电路由斩波稳零运算放大器组成，如附附图3所示。当时：
则输出的电流。从上式得出输出电流只与输入电压以及取样电阻有关，不受负荷大小影响。流经取样电阻的电流接补偿绕组（4）。补偿绕组4与检测绕组5的一端共地。整个补偿过程形成闭环，可以稳定运行。
无源补偿电路8是在有源补偿模块搭建后进行误差测量过程中加入的，通过加入固定容抗值的电容器进一步减小误差，改善负载特性。电容器并联在检测绕组5两端。
本发明的工作原理如附图5所示，利用信号发生器发出电压信号，加在取样电阻两端。串联取样电阻的导线从电流传感器中心垂直穿过，在二次绕组3上形成感应电流，同时，检测绕组4在原边通入电流后产生感应电压，该感应电压中携带激磁电流的信息，通过计算得到该感应电压滞后激磁电流90°，且幅值不同。通过对该电压信号进行放大，滤波后得到合适的电压信号送入移相电路进行超前90°移相，再进入V/I转换电路转换成电流信号与补偿绕组5连接。在补偿绕组5中形成补偿电流，同样的，会在二次侧形成感应电流,此时感应电流与感应电流相叠加形成电流，达到补偿“零磁通”补偿。该电流通过一个精密电阻转换为电压信号。输出的微弱电压信号通过信号处理电路6进行输出。“零磁通”补偿相量图如附图4所示。将二次侧输出的电压信号经过采集卡送入上位机与原边产生的电流进行对比，可计算得到该电流传感器的测量误差，包括比差以及角差。
由于绕制在线圈中的安匝数较低，并测量精度要求高，为减小测量误差，选用初始磁导率较高的磁芯，并考虑到磁芯材料的温度性能，本发明采用超微晶合金材料作为磁芯保证感应头性能的稳定性。因为测量信号幅值较小，会受到外界环境因素的影响，存在大量的干扰因素。因此为了保证整个系统在测量过程中的稳定性以及准确性，需要采取一定的抗干扰措施。针对电场干扰和磁场干扰综合考虑，本专利采用多层屏蔽措施提高系统的抗干扰性。最外层为2mm厚的电屏蔽层，采用高电导率的铜材料，磁屏蔽分为两层；分别采用1mm厚的高导磁率坡塻合金材料以及1mm厚高饱和磁感应密度的铁皮。
综上所述技术方案的实施，其特点在于所述的电流传感器的结构保证了与被测电流的电气隔离，具有良好的抗电磁干扰能力，稳定性高；基于零磁通原理加入所述信号补偿电路，可以准确测量微安到毫安级工频电流，该方法简单易行、补偿速度快、测量准确度可达0.2级。
Claims (4)
1.一种用于泄漏电流检测的零磁通微电流传感器，包括主磁芯、辅助磁芯、二次绕组、检测绕组、补偿绕组、信号处理电路、有源补偿电路和无源补偿电路；其特征在于：在所述主磁芯（1）和所述辅助磁芯（2）的一端均匀绕制有所述二次绕组（3），所述二次绕组（3）的输出端与所述信号处理电路（6）连接；在所述主磁芯（1）和所述辅助磁芯（2）的另一端均匀绕制有所述检测绕组（4）和所述补偿绕组（5）；所述检测绕组（4）与所述补偿绕组（5）之间是通过所述有源补偿电路（7）连接，并将所述无源补偿电路（8）并联于检测绕组（4）上。
2.如权利要求1所述的用于泄漏电流检测的零磁通微电流传感器，其特征在于：所述信号处理电路（6）是对微弱电压输出信号进行放大滤波处理的电路，包括差分放大电路和低通巴特沃斯滤波电路以及后级放大电路。
3.如权利要求1所述的用于泄漏电流检测的零磁通微电流传感器，其特征在于：所述有源补偿电路（7）是基于零磁通原理的用于实现对二次电流进行相位以及幅值补偿的电路，包括高精度放大电路、低通巴特沃斯滤波电路、移相电路以及改进型Howland电流源型V/I转换电路。
4.如权利要求1所述的用于泄漏电流检测的零磁通微电流传感器，其特征在于：所述无源补偿部分（8）是采用固容抗值的电容器并联于检测绕组（4）两端用以改善负载特性，进一步对相位误差进行补偿。
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