CN201173945Y - 电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电流传感器，它包括有电流采样处理无线发射系统（10），和无线接收显示通信系统（20），电流采样处理无线发射系统（10）与无线接受显示通信系统（20）之间通过无线方式连接；电流采样处理无线发射系统（10）包括依次连接的输入单元（11）、单片计算机系统一（15）、数据无线发射单元（16），输入单元（11）采用纳米级磁隧道结磁传感器（12）进行信号采样。本实用新型测量精确，安全可靠，适用范围广、适应性强，尤其适用于高电压、大电流的环境中；并且，结构紧凑、重量轻、价格便宜，便于安装和维护，适于网络化测量；能有效满足现代电力系统智能化、模块化、数据化、少维护和电器设备小型化、多功能的需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电流传感器，尤其是涉及一种采用纳米级磁隧道结技术的电流传感器。
背景技术
电磁式互感器在相当长的时期内得到了比较充分的发展，但其固有的一些弱点，却难以满足现代电力系统自动化、数字化的发展需要。这已成为电力产业快速发展的瓶颈。
传统电磁式互感器主要存在以下几个缺点：
1.体积大、重量重、价格高。
2.电流互感器有铁芯，输出电流具有非线性。
3.高幅值电流容易产生磁饱和，使得二次电流严重畸变，造成继电保护装置的误动和拒动。
4.测量范围小，使用频带窄，品种规格多。
5.测量误差大，相位偏差是传统互感器的固有缺陷。
6.绝缘成本高，原有的空气绝缘、油纸绝缘、气体绝缘和串级绝缘已不能满足超高压绝缘要求。
7.电磁谐振，易燃易爆等。
实用新型内容
本实用新型的目的是：提供一种电流传感器，它测量精确，安全可靠，适用范围广、适应性强，尤其适用于高电压、大电流的环境中；并且，结构紧凑、重量轻、价格便宜，便于安装和维护，适于网络化测量。
本实用新型的技术方案是：一种电流传感器，其特征在于：它包括有电流采样处理无线发射系统，和无线接收显示通信系统，所述电流采样处理无线发射系统与无线接受显示通信系统之间通过无线方式连接；电流采样处理无线发射系统包括依次连接的输入单元、单片计算机系统一、数据无线发射单元，所述输入单元采用纳米级磁隧道结磁传感器进行信号采样。
下面对上述技术方案进行进一步解释：
1.所述输入单元包括依次连接的纳米级磁隧道结磁传感器、微弱信号锁相放大和带通滤波器、A/D转换单元。
2.所述电流采样处理无线发射系统还包括有信号调制单元，所述信号调制单元连接到数据无线发射单元。
3.所述无线接收显示通信系统包括有依次连接的数据无线接收单元、单片计算机系统二、输出单元。
4.解释3中的所述输出单元包括有通讯单元、显示单元、控制单元；所述单片计算机系统二分别连接通讯单元、显示单元、控制单元。
5.解释4中的所述控制单元包括有驱动单元、保护系统、操作系统；所述单片计算机系统二连接驱动单元，驱动单元分别连接保护系统、操作系统，所述保护系统和操作系统连接单片计算机系统二。
6.解释3中的所述无线接收显示通信系统还包括有信号解调单元，所述信号解调单元连接到单片计算机系统二。
本实用新型将磁隧道结理论研究成果与计算机、数字信息处理等技术进行有机的结合，通过采集通电导线周围磁场的大小，经计算处理得到电流的大小。
本实用新型电流传感器的输入单元采用了纳米级磁隧道结磁传感器，它能够快速、非接触地检测电流表面产生的磁场，通过探测磁场，可以有效的检测出电流的存在和大小。
由于现场存在高电场、高磁场，且相互交叉影响，这往往会反映在电流密度分布的改变，而干扰电流又会在导线表面产生微小的磁场。因此通过探测磁场分布得到电流分布来检测大电流，这种技术可以有效的进行电力电流检测，是一种全新的手段。
这种测量技术的核心是磁传感器，理想的磁传感器应具有高分辨率、高灵敏度和高温度特性。磁感应技术中，传统的霍尔器件灵敏度低(0.5～10mv/kG)且磁噪音大(0.1mT)，无法满足一定精度要求的宽范围测量(1A～1000A)，最重要的是霍尔器件空间分辨率极差，强电场、大电流三相高压线的相互干扰，对采样系统的空间分辨率要求极高，霍尔器件的工作频率是MHZ级，电力系统故障状态时，如突然短路，雷电等，要求采样系统的频率响应达到GHZ。所以，采用传统磁感应技术研发电流传感器无法完全替代电磁式互感器。
本实用新型使用了磁隧道结磁传感器，它具有高磁电阻(35％)、高灵敏度(5％/Oe)、低噪音(磁噪音～1nT/Hz1/2在1Hz)的特点。磁隧道结从根本上是一种“三明治”结构：两层铁磁薄膜(FM)中间夹杂一层很薄的绝缘体。当绝缘体足够薄(～1-2纳米)时，电子会通过量子隧道效应穿越绝缘层。系统电阻是隧穿几率的函数，它依赖于两层铁磁薄膜中自旋磁矩(M)的相对取向。所以通过施加外场改变铁磁材料中磁矩方向，磁隧道结可以表现出很大的磁电阻值：当磁矩相对取向在两层铁磁薄膜中从反平行态连续变化到平行态，电子隧穿几率增大，从而导致结电阻下降。除了很高的磁电阻值，与传统的建立在铁磁金属多层膜巨磁电阻效应基础上的自旋阀(spin-valve)结构相比，磁隧道结传感器还具有电阻变化范围大、低能耗和尺寸易于纳米化的优点。
本实用新型的优点是：
1.在高电压，大电流的测量环境中，它可以满足高压工作环境下的绝缘要求。没有传统电流互感器二次开路产生高压的危险、以及传统充油电压、电流互感器漏油、爆炸等危险。不会产生磁饱和及铁磁共振现象，它尤其适用于高电压、大电流环境下的故障诊断。
2.频带宽，可以从直流到1MHZ，适用于继电保护和谐波检测。动态范围大，能在大的动态范围内产生高线性度的响应。
3.适应了现在电力系统的数字化信号处理要求，它还可用于以保护、监控和测量为目的高速遥感、遥测系统。
4.整套测量装置结构紧凑、重量轻、价格便宜。便于安装和维护，适于网络化测量。
5.因为它不串接在主导线中，只要靠近主导线就可以测量电流，所以无过电流现象，且不容易烧坏。安全可靠，能一批多用化，因为它不串接在主导线中运行，所以二次线不会产生很大的电流，不存在高电压的危险，是最安全可靠的测量设备。
6.本实用新型具有精度高、动态范围宽、反应速度快、过载能力强、线性度好、工作温度范围宽广、可靠性高等特点。由于采用无线传输、非接触式安装及“休眠”方式，使得使用更安全方便和节能。
7.本实用新型适用于电源、变频器、工控检测系统、铁路信号、电力等行业以及冶金、化工、矿山等行业大电流的测量、控制与保护。还可用于工矿企业、高层建筑配变电站等场所，能有效满足现代电力系统智能化、模块化、数据化、少维护和电器设备小型化、多功能的需求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述：
图1为本实用新型的原理框图；
图2为本实用新型电流采样处理无线发射系统的原理框图；
图3为本实用新型无线接收显示通信系统的原理框图。
其中：10电流采样处理无线发射系统；11输入单元；12纳米级磁隧道结磁传感器；13微弱信号锁相放大和带通滤波器；14A/D转换单元；15单片计算机系统一；16数据无线发射单元；17信号调制单元；20无线接收显示通信系统；21数据无线接收单元；22单片计算机系统二；23输出单元；24通讯单元；25显示单元；26控制单元；27驱动单元；28保护系统；29操作系统；30信号解调单元。
具体实施方式
实施例：如图1所示，一种电流传感器，它包括有电流采样处理无线发射系统10，和无线接收显示通信系统20，电流采样处理无线发射系统10与无线接受显示通信系统20之间通过无线方式连接。
如图2所示，电流采样处理无线发射系统10包括依次连接的输入单元11、单片计算机系统一15、数据无线发射单元16；输入单元11包括依次连接的纳米级磁隧道结磁传感器12、微弱信号锁相放大和带通滤波器13、A/D转换单元14。A/D转换单元14连接单片计算机系统一15。并且，有一信号调制单元17连接到数据无线发射单元16。
如图3所示，无线接收显示通信系统20包括有依次连接的数据无线接收单元21、单片计算机系统二22、输出单元23。并且，有一信号解调单元30连接到单片计算机系统二22。
输出单元包括有通讯单元24、显示单元25、控制单元26；控制单元26包括有驱动单元27、保护系统28、操作系统29。
单片计算机系统二22分别连接通讯单元24、显示单元25、驱动单元27；驱动单元27分别连接保护系统28、操作系统29，保护系统28连接单片计算机系统二22，操作系统29连接单片计算机系统二22。
本实用新型的电流传感器采用了纳米级磁隧道结磁传感器元件，结合单片计算机系统、微弱信号锁相处理以及无线电传输等技术，经过科学合理的设计和先进的工艺技术，使其能同时实现计量、测量、保护和数据传输等多种功能，可方便地与电力系统中的综合测量、保护自动化控制系统相配套；能在高电场、强磁场下可靠工作。克服了传统电磁式互感器测量和保护不能兼容、绝缘结构复杂、安装检修不方便等缺点，并取而代之。在100A～1000A内，测量准确度高达0.2级。
本实施例的电流传感器与传统电流互感器性能对比的情况如下表所示：
| 性能 | 传统电流互感器 | 本项目 |
| 信号 | 5A/100V | 1mA/3V |
| 次级负载 | 1-50VA | 无限制 |
| 准确度 | 计量：1％-3％保护：5％-10％ | 多用途1％ |
| 线性 | 非线性 | 完全线性 |
| 饱和 | 输出信号畸变 | 不存在 |
| 铁磁畸变 | 破坏性 | 不存在 |
| 温度系数 | 无影响 | 受补偿 |
| 电磁兼容性 | 无影响 | 屏蔽 |
| 短路的次级 | 破坏性 | 无伤害 |
| 开路的次级 | 破坏性 | 无伤害 |
| 重量 | 31Kg(10KV为例) | 100克 |
| 寿命期成本 | 高 | 低 |
| 覆盖所有应用的不同型式 | 种类繁多 | 1种 |
本实用新型传感器信号采集电路，采用惠斯通电桥进行连接以降低电路噪音对信号的影响，附加以滤波放大后，选用高精度、高速模数转换器(A/D)，通过高性能单片计算机，完成信号的采样、处理、传输、显示、存储及系统控制。通过232(或485)通信结合蓝牙技术，实现安全可靠的远距离遥测遥控，二次电子数字表就能够显示出电流数字来，与上位计算机通讯，可实现检测、控制、分析、自动记录并保存重要数据、显示及报警显示。计算机系统还可进行信息数据查询、分析统计，通过打印机输出检测结果报表等。
由于本实用新型体积很小，且是无线传输，因此电流采样处理无线发射系统10可以方便地固定在高空、高电压、大电流或其他特定环境中，不间断地发送检测到的数据及其变化情况。而无线接收显示通信系统20对接收到的数据信号经处理后可以以通信渠道提供显示计量、驱动保护或电网控制等用途。
应当指出，对于经充分说明的本实用新型来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本实用新型的说明，而不是对本实用新型的限制。总之，本实用新型的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
Claims (7)
1.一种电流传感器，其特征在于：它包括有电流采样处理无线发射系统(10)，和无线接收显示通信系统(20)，所述电流采样处理无线发射系统(10)与无线接受显示通信系统(20)之间通过无线方式连接；电流采样处理无线发射系统(10)包括依次连接的输入单元(11)、单片计算机系统一(15)、数据无线发射单元(16)，所述输入单元(11)采用纳米级磁隧道结磁传感器(12)进行信号采样。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：所述输入单元(11)包括依次连接的纳米级磁隧道结磁传感器(12)、微弱信号锁相放大和带通滤波器(13)、A/D转换单元(14)。
3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：所述电流采样处理无线发射系统(10)还包括有信号调制单元(17)，所述信号调制单元(17)连接到数据无线发射单元(16)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电流传感器，其特征在于：所述无线接收显示通信系统(20)包括有依次连接的数据无线接收单元(21)、单片计算机系统二(22)、输出单元(23)。
5.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于：所述输出单元(23)包括有通讯单元(24)、显示单元(25)、控制单元(26)；所述单片计算机系统二(22)分别连接通讯单元(24)、显示单元(25)、控制单元(26)。
6.根据权利要求5所述的电流传感器，其特征在于：所述控制单元(26)包括有驱动单元(27)、保护系统(28)、操作系统(29)；所述单片计算机系统二(22)连接驱动单元(26)，驱动单元(26)分别连接保护系统(28)、操作系统(29)，所述保护系统(28)连接单片计算机系统二(22)，操作系统(29)连接单片计算机系统二(22)。
7.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于：所述无线接收显示通信系统(20)还包括有信号解调单元(30)，所述信号解调单元(30)连接到单片计算机系统二(22)。
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