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一種電流傳感器的跟蹤精度測量方法與流程

文檔序號:12359542閱讀:517來源:國知局
一種電流傳感器的跟蹤精度測量方法與流程

本發(fā)明涉及傳感器的跟蹤精度測量方法,尤其涉及一種電流傳感器的跟蹤精度測量方法。



背景技術:

電流傳感器廣泛用在發(fā)電、變電、輸電、配電和用電的線路中。各種用電場合的電流大小十分懸殊,從幾安到幾萬安不等,既有直流電流測量需求,也有交流電流測量需求,還有高頻電流測量需求。將不同量級的電流按照比例轉換為比較統(tǒng)一的電流,既方便測量,又方便控制,還有利于采取保護。更重要的是利用電流傳感器的電氣隔離作用可以避免直接測量線路上的高電壓,降低實際操作的危險性。

同時,對于電流的測量不同類型的電流表有不同的量程和輸入要求。對于指針式的電流表,電流傳感器的二次電流大多數(shù)是安培級的(如5A等)。對于數(shù)字化儀表,采樣的信號一般為毫安級(0-5V、4-20mA等)。微型電流傳感器二次電流為毫安級,主要發(fā)揮電流感器與采樣之間的橋梁作用。

隨著環(huán)保意識的逐步加強,電能的精確測量提上日程。如何簡便地測量電流傳感器的跟蹤精度(即測量精度)成了工業(yè)用電、民用用電等行業(yè)迫切需要解決的課題。

傳統(tǒng)的電流傳感器跟蹤精度需要有初級輸入電流源、次級輸出測量設備,根據(jù)電流的輸入和輸出比值來確定電流傳感器的跟蹤精度。此類方法包括如下不足:(1)需要有高準確度大容量的電流源,否則不能滿量程計算;(2)忽略了電流傳感器的工作原理中能量變化的核心——磁感應強度/磁通在能量變化中的作用,用初級和次級的電參量考核互感器的跟蹤精度;(3)不能在線檢測,也就不能估計實際應用環(huán)境中電流傳感器的跟蹤精度;(4)完全用磁芯的磁通量來計算,磁芯截面量測引入誤差。

鑒于傳統(tǒng)方法測量電流傳感器跟蹤精度的以上諸多不足,期望獲得一種電流傳感器的跟蹤精度測量方法,使用該方法能測量磁平衡電流傳感器的跟蹤精度并克服上述缺點。



技術實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是提供一種電流傳感器的跟蹤精度測量方法,該方法可用于測量磁平衡電流傳感器的跟蹤精度,且不需要額外電流源,能夠在線測量,避免引入誤差,簡便易行。

根據(jù)上述發(fā)明目的,本發(fā)明提出了一種電流傳感器的跟蹤精度測量方法,其用于測量磁平衡電流傳感器的跟蹤精度,包括以下步驟:

(1)按式S=V/AT獲取所述磁平衡電流傳感器的開環(huán)狀態(tài)靈敏度S,其中V為開環(huán)狀態(tài)磁通檢測輸出電壓,AT為開環(huán)狀態(tài)安匝數(shù);

(2)按式ΔAT=ΔU/S獲取所述磁平衡電流傳感器的跟蹤誤差ΔAT,其中ΔU為工作狀態(tài)磁通檢測輸出電壓;

(3)用所述跟蹤誤差ΔAT除以所述工作狀態(tài)下的原邊安匝數(shù)或副邊安匝數(shù)即得到所述磁平衡電流傳感器的跟蹤精度。

本發(fā)明所述的電流傳感器的跟蹤精度測量方法,其用于測量磁平衡電流傳感器的跟蹤精度。

通常磁平衡電流傳感器包括磁芯(通常是閉合的鐵芯)、原邊繞組(被測電流側繞組)、副邊繞組(測量電流側繞組)、磁通檢測系統(tǒng)(通常包括低頻部分和高頻部分)、副邊電流產生系統(tǒng),依據(jù)磁平衡原理工作。正常工作時,原邊電流在磁芯內產生磁通,被磁通檢測系統(tǒng)拾取等比例的電壓信號,根據(jù)此電壓信號在副邊繞組產生與原邊等值但方向相反的AT數(shù)(安匝數(shù)),這樣,原邊AT和副邊AT同時作用于磁芯,磁芯內的磁通量幾乎為零。因此,此類電流傳感器也稱作磁通平衡式電流傳感器,簡稱磁平衡電流傳感器。按照上述原理,磁平衡電流傳感器的次級電流和初級電流完全可依照初級和次級的匝比來確定。

然而,在電流傳感器的實際制作和使用過程中,由于磁通檢測信號的增益不足、整個傳感器的分布參數(shù)影響、不同頻率成分的信號放大通道不同等原因,次級電流AT和被測電流AT存在很小的偏差,AT數(shù)偏差的那部分能量就保留在磁芯中,以磁通/磁感應強度形式存在,并且此能量相對于傳輸?shù)酱渭壍哪芰空急确浅P?,故不會影響電流傳感器的正常工作,也不會破壞電流傳感器的磁工作狀態(tài)。若磁通量為低頻分量,由于磁通檢測較為靈敏能把整個偏差約束在很小的范圍內而不影響電流傳感器的使用;若電流傳感器應用在交流電或高頻電流場合,正半周期的能量在負半周期時還給初級或次級,但是每半個周期內,鐵芯里面都會存在這樣的交變小幅磁場。

發(fā)明人考慮利用電流傳感器工作時磁芯內存在這樣一個小幅的磁通量,通過磁通檢測系統(tǒng)獲得磁芯內存在的磁場量值。以此量值作為初級線圈和次級線圈之間的跟蹤誤差ΔB,經過磁通檢測轉化為ΔU,ΔU/(V/AT)得到ΔAT,該ΔAT與初級線圈或次級線圈流過的AT相比即可得到傳感器的跟蹤精度(采用初級線圈還是次級線圈取決于對跟蹤精度的人為定義)。該方法理論核心為ΔB/B,實際計算ΔAT/AT,簡化了B的計算及B引入的計算偏差,用磁芯的磁特征磁通量測量電流傳感器的跟蹤精度,拋開了用初級電信號與次級電信號引入的負載效應等誤差,從原理上保證測量的準確性。

基于上述構思,本發(fā)明先用確定的電流AT數(shù)測定電流傳感器磁芯內的對應磁通/磁感應強度,并獲得檢測磁通的等比例電壓(即開環(huán)狀態(tài)磁通檢測輸出電壓V),就能確定磁芯的參數(shù)靈敏度V/AT。在電流傳感器正常工作時,磁芯原邊為被測電流AT數(shù)理論上等于副邊測量電流AT數(shù)。當原邊AT數(shù)和副邊AT數(shù)有偏差時,磁芯內的磁通/磁感應強度被磁通檢測系統(tǒng)獲得為等比例電壓(即工作狀態(tài)磁通檢測輸出電壓ΔU),此電壓除以靈敏度V/AT得到原邊和副邊的AT數(shù)值差(即跟蹤誤差ΔAT),也就獲得了在線工作狀態(tài)下的電流傳感器跟蹤精度。這樣該方法就直接利用了測量電流傳感器初級能量傳輸?shù)酱渭壍闹虚g參量——磁場的特征來完成電流傳感器的跟蹤精度測量,測試的量值更核心,準確度更高,避免了引入誤差。而且,該方法不改變電流傳感器的工作狀態(tài),能夠在線測量,方法簡便,要求的外圍設備較少,不需要額外電流源,操作靈活。

進一步地,本發(fā)明所述的電流傳感器的跟蹤精度測量方法中,所述開環(huán)狀態(tài)靈敏度S包括開環(huán)狀態(tài)直流靈敏度SDC和/或開環(huán)狀態(tài)交流靈敏度SAC。

更進一步地,上述電流傳感器的跟蹤精度測量方法中,所述開環(huán)狀態(tài)直流靈敏度SDC的計算方法為:SDC=VB/(Ip·Tp),其中,VB為開環(huán)狀態(tài)低頻磁通檢測輸出直流電壓,Ip為原邊直流電流,Tp為原邊繞線匝數(shù)。

更進一步地,上述電流傳感器的跟蹤精度測量方法中,所述開環(huán)狀態(tài)交流靈敏度SAC包括低頻靈敏度S(f)ACL和高頻靈敏度S(f)ACH,其計算方法為:

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其中,VB(f)為開環(huán)狀態(tài)低頻磁通檢測輸出交流電壓,VA(f)為開環(huán)狀態(tài)高頻磁通檢測輸出交流電壓,ip(f)為原邊交流電流,Tp為原邊繞線匝數(shù),f表示頻率。

上述方案中,和均為矢量。

更進一步地,上述電流傳感器的跟蹤精度測量方法中,所述工作狀態(tài)磁通檢測輸出電壓ΔU包括工作狀態(tài)低頻磁通檢測輸出直流電壓ΔUB,此時所述跟蹤誤差ΔAT=ΔUB/SDC。

更進一步地,上述電流傳感器的跟蹤精度測量方法中,所述工作狀態(tài)磁通檢測輸出電壓ΔU包括工作狀態(tài)低頻磁通檢測輸出交流電壓ΔUB(f)和工作狀態(tài)高頻磁通檢測輸出交流電壓ΔUA(f),此時所述跟蹤誤差

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上述方案中,和均為矢量。在求跟蹤精度時ΔAT可按模值公式c=(a2+b2)0.5轉換為標量,其中c對應ΔAT,a對應b對應

進一步地,本發(fā)明所述或上述任一電流傳感器的跟蹤精度測量方法中,所述磁平衡電流傳感器包括變壓器、激勵信號發(fā)生系統(tǒng)、磁通檢測系統(tǒng)以及副邊電流產生系統(tǒng)。

更進一步地,上述任一電流傳感器的跟蹤精度測量方法中,所述磁平衡電流傳感器相應地包括直流磁平衡電流傳感器和/或交流磁平衡電流傳感器。

進一步地,本發(fā)明所述或上述任一電流傳感器的跟蹤精度測量方法中,采用不低于6位半精度的數(shù)字萬用表檢測電壓和/或電流。

進一步地,本發(fā)明所述或上述任一電流傳感器的跟蹤精度測量方法中,采用示波器監(jiān)測電壓和/或電流的相位。

本發(fā)明所述的電流傳感器的跟蹤精度測量方法具有以下優(yōu)點和有益效果:

(1)操作簡單,概念性強,計算方便。按照電磁學知識獲得在工作狀態(tài)時電流傳感器磁芯內與磁感應強度ΔB成正比的磁通檢測信號ΔU以及相應的ΔAT。

(2)可以在線測試,不影響電流傳感器的正常工作,對檢修和校準在用的電流傳感器十分方便。

(3)在具體操作過程中,只需要測量電流傳感器磁芯的靈敏度V/AT,磁通檢測到的等比例電壓信號,這兩個量都十分容易測量,使用設備也較簡單。

(4)明顯降低了測量電流傳感器跟蹤精度的難度,實用方便,結果可靠,值得推廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的電流傳感器的跟蹤精度測量方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的電流傳感器的跟蹤精度測量方法在一種實施方式下所測量的一種磁平衡電流傳感器的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合說明書附圖和具體的實施例對本發(fā)明所述的電流傳感器的跟蹤精度測量方法做進一步的詳細說明。

圖1示意了本發(fā)明所述的電流傳感器的跟蹤精度測量方法的流程。

如圖1所示,本發(fā)明的電流傳感器的跟蹤精度測量方法用于測量磁平衡電流傳感器的跟蹤精度,包括以下步驟:

(1)按式S=V/AT獲取磁平衡電流傳感器的開環(huán)狀態(tài)靈敏度S,其中V為開環(huán)狀態(tài)磁通檢測輸出電壓,AT為開環(huán)狀態(tài)安匝數(shù)。

(2)按式ΔAT=ΔU/S獲取磁平衡電流傳感器的跟蹤誤差ΔAT,其中ΔU為工作狀態(tài)磁通檢測輸出電壓。

(3)用上述跟蹤誤差ΔAT除以上述工作狀態(tài)下的原邊安匝數(shù)或副邊安匝數(shù)即得到磁平衡電流傳感器的跟蹤精度。

在某些實施方式下,上述開環(huán)狀態(tài)靈敏度S包括開環(huán)狀態(tài)直流靈敏度SDC和/或開環(huán)狀態(tài)交流靈敏度SAC。該開環(huán)狀態(tài)直流靈敏度SDC的計算方法為:

SDC=VB/(Ip·Tp)

其中,VB為開環(huán)狀態(tài)低頻磁通檢測輸出直流電壓,Ip為原邊直流電流,Tp為原邊繞線匝數(shù)。該開環(huán)狀態(tài)交流靈敏度SAC包括低頻靈敏度S(f)ACL和高頻靈敏度S(f)ACH,其計算方法為:

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其中,VB(f)為開環(huán)狀態(tài)低頻磁通檢測輸出交流電壓,VA(f)為開環(huán)狀態(tài)高頻磁通檢測輸出交流電壓,ip(f)為原邊交流電流,Tp為原邊繞線匝數(shù),f表示頻率。上述工作狀態(tài)磁通檢測輸出電壓ΔU包括工作狀態(tài)低頻磁通檢測輸出直流電壓ΔUB,此時跟蹤誤差ΔAT=ΔUB/SDC。上述工作狀態(tài)磁通檢測輸出電壓ΔU還包括工作狀態(tài)低頻磁通檢測輸出交流電壓ΔUB(f)和工作狀態(tài)高頻磁通檢測輸出交流電壓ΔUA(f),此時跟蹤誤差

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在求跟蹤精度時ΔAT可按模值公式c=(a2+b2)0.5轉換為標量,其中c對應ΔAT,a對應b對應

在某些實施方式下,上述磁平衡電流傳感器包括變壓器、磁通檢測系統(tǒng)以及副邊電流產生系統(tǒng)。此外,上述磁平衡電流傳感器相應地包括直流磁平衡電流傳感器和/或交流磁平衡電流傳感器。

在某些實施方式下,采用不低于6位半精度的數(shù)字萬用表檢測電壓和/或電流。此外,采用示波器監(jiān)測電壓和/或電流的相位。

圖2示意了本發(fā)明所述的電流傳感器的跟蹤精度測量方法在一種實施方式下所測量的一種磁平衡電流傳感器的結構。

如圖2所示,本發(fā)明所述的電流傳感器的跟蹤精度測量方法在一種實施方式下所測量的一種磁平衡電流傳感器的結構包括:變壓器T、激勵信號發(fā)生系統(tǒng)、磁通檢測系統(tǒng)以及副邊電流產生系統(tǒng),其中:

變壓器T包括彼此獨立的第一磁芯和第二磁芯;分別繞制在第一磁芯和第二磁芯上的第一勵磁線圈L1和第二勵磁線圈L2,其中,第一勵磁線圈L1的和第二勵磁線圈L2的匝數(shù)均為Na,并且分別連接有接地電阻R1和R2;第三磁芯,其與第一磁芯和第二磁芯疊置在一起,以形成一整體磁芯,其中,第一、第二和第三磁芯均由高導磁材料制成;以及繞制在整體磁芯上的初級線圈L3(即原邊繞組)、次級線圈L4(即副邊繞組)和輔助線圈L5,其中,初級線圈L3的匝數(shù)為Np,且該初級線圈L3接收外圍輸入的被測直流電流(即原邊直流電流Ip)或被測交流電流(即原邊交流電流ip(f)),次級線圈L4的匝數(shù)為Ns,次級線圈L4輸出副邊直流電流或副邊交流電流,輔助線圈L5的匝數(shù)為N。

激勵信號發(fā)生系統(tǒng)包括激勵信號源1和與其連接的驅動單元2,輸出與第一勵磁線圈L1和第二勵磁線圈L2連接,以分別向第一勵磁線圈L1和第二勵磁線圈L2提供兩個相位差180°的激勵電流。

磁通檢測系統(tǒng)包括低頻磁通檢測單元3和高頻磁通檢測單元4,其中低頻磁通檢測單元3與第二勵磁線圈L2連接,以在初級線圈L3接收被測直流電流時,接收第二勵磁線圈L2輸出的相應的不對稱磁化信號,并將該不對稱磁化信號轉換為相應的磁通檢測輸出電壓并通過B點輸出;高頻磁通檢測單元4與輔助線圈L5連接,以在初級線圈L3接收被測交流電流時,接收輔助線圈L5輸出的相應的感應電流信號,并將其轉換為相應的磁通檢測輸出電壓并通過A點輸出。

副邊電流產生系統(tǒng)包括低頻信號處理單元5、高頻信號處理單元6以及功率放大單元7,其中:低頻信號處理單元5的輸入與B點連接,輸出與功率放大單元7的輸入連接;高頻信號處理單元6的輸入與A點連接,輸出與功率放大單元7的輸入連接;功率放大單元7的輸出與次級線圈L4的輸入連接。該副邊電流產生系統(tǒng)被設置為:在初級線圈L3接收被測直流電流時,向次級線圈L4輸出一直流補償電流;在初級線圈L3接收被測交流電流時,向次級線圈L4輸出一交流補償電流;其中,直流補償電流與被測直流電流的方向相反并且其電流大小是該被測直流電流的Np/Ns倍,交流補償電流與被測交流電流的方向相反并且其電流大小是該被測交流電流的Np/Ns倍。

上述磁平衡電流傳感器為直流和交流通用的磁平衡電流傳感器。其結構和原理的細節(jié)可參考公開號為CN204044224U,公開日為2014年12月24日,名稱為“一種交直流電流傳感器”的中國專利文獻。

結合參考圖2,本實施例中,利用本發(fā)明方法測量上述磁平衡電流傳感器的跟蹤精度的步驟包括:

步驟110:按式S=V/AT獲取磁平衡電流傳感器的開環(huán)狀態(tài)靈敏度S,其中V為開環(huán)狀態(tài)磁通檢測輸出電壓,AT為開環(huán)狀態(tài)安匝數(shù)。其中:開環(huán)狀態(tài)靈敏度S包括開環(huán)狀態(tài)直流靈敏度SDC和開環(huán)狀態(tài)交流靈敏度SAC,開環(huán)狀態(tài)磁通檢測輸出電壓V包括開環(huán)狀態(tài)低頻磁通檢測輸出直流電壓VB和開環(huán)狀態(tài)低頻磁通檢測輸出交流電壓VB(f)及開環(huán)狀態(tài)高頻磁通檢測輸出交流電壓VA(f),開環(huán)狀態(tài)安匝數(shù)AT包括開環(huán)狀態(tài)直流安匝數(shù)和開環(huán)狀態(tài)交流安匝數(shù)。具體方法為:首先,斷開副邊繞組,使電流傳感器的副邊電流的AT等于零。然后,在原邊繞組上用高精度微小電流形成原邊繞組(被測電流,包括原邊直流電流Ip和原邊交流電流ip(f))的AT數(shù)。之后,按照以下方法計算開環(huán)狀態(tài)直流靈敏度SDC和開環(huán)狀態(tài)交流靈敏度SAC:開環(huán)狀態(tài)直流靈敏度SDC=VB/(Ip·Tp),其中,Ip為原邊直流電流,Tp為原邊繞線匝數(shù)Np,(Ip·Tp)為開環(huán)狀態(tài)直流安匝數(shù);開環(huán)狀態(tài)交流靈敏度SAC包括低頻靈敏度S(f)ACL和高頻靈敏度S(f)ACH,其計算方法為:

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其中,ip(f)為原邊交流電流,Tp為原邊繞線匝數(shù)Np,f表示頻率,(ip(f)·Tp)為開環(huán)狀態(tài)交流安匝數(shù)。

步驟120:按式ΔAT=ΔU/S獲取磁平衡電流傳感器的跟蹤誤差ΔAT,其中ΔU為工作狀態(tài)磁通檢測輸出電壓。其中:在初級線圈L3接收被測直流電流時,工作狀態(tài)磁通檢測輸出電壓ΔU包括工作狀態(tài)低頻磁通檢測輸出直流電壓ΔUB,此時跟蹤誤差ΔAT=ΔUB/SDC;在初級線圈L3接收被測交流電流時,工作狀態(tài)磁通檢測輸出電壓ΔU包括工作狀態(tài)低頻磁通檢測輸出交流電壓ΔUB(f)和工作狀態(tài)高頻磁通檢測輸出交流電壓ΔUA(f),此時跟蹤誤差

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在求跟蹤精度時ΔAT按模值公式c=(a2+b2)0.5轉換為標量,其中c對應ΔAT,a對應b對應

步驟130:用上述跟蹤誤差ΔAT除以上述工作狀態(tài)下的原邊安匝數(shù)或副邊安匝數(shù)即得到磁平衡電流傳感器的跟蹤精度。

上述各步驟中,采用不低于6位半精度的數(shù)字萬用表檢測電壓和電流,包括在B點測量的VB、VB(f)、ΔUB、ΔUB(f)、在A點測量的VA(f)、ΔUA(f)、原邊電流Ip和ip(f)、工作狀態(tài)下的副邊電流等參數(shù)。此外,采用示波器監(jiān)測電壓和/或電流的相位。

需要說明的是,在電流傳感器的的原邊電流為0時,同樣可以用以上方法來評估電流傳感器的零點跟蹤精度或零點誤差,具體計算方法類似,此處不再贅述。

上述實施例中,以變壓器磁芯中的磁感應強度B(磁通Φ)作為測量的核心,而此物理量量值在各自頻段內和高頻磁通檢測的電壓、低頻磁通檢測的電壓有線性關系(參考楞茲定律),因此,以磁通檢測電壓作為磁通測量值。選擇磁通檢測電壓作為本發(fā)明方法的檢測量,比直接用磁通量或磁感應強度更方便直觀,同時能減少或避免直接測量磁通量(或磁感應強度)引入的誤差,尤其避開了變壓器磁芯截面的測量和鐵心單匝線圈的電感量測量。

由于此類電流傳感器在正常工作時,原邊AT數(shù)和副邊AT數(shù)幾乎完全相等,即在變壓器磁芯內部未抵消的磁通量很少,因此,在找尋磁芯靈敏度V/AT時,測試用AT數(shù)也很小。這樣就避免了用較大的高精度電流源,降低了整個測試方法的通用門檻。

綜上所述,上述方法用AT代替了B和Φ來計算電流傳感器的跟蹤精度,即利用磁芯內部的磁特性完成電流傳感器的跟蹤精度測量和計算。本發(fā)明的巧妙設計和合理使用,使得電流傳感器的跟蹤精度測量設備簡化;用到的高精度電流源功率極小,實現(xiàn)方便;要測的物理參量分別為原邊電流、磁通檢測電壓,都是常規(guī)的易測物理量;可以獲得在線的電流傳感器的誤差,使得利用磁通檢測電壓給電流傳感器提供補償成為可能;對提高電流傳感器的測量精度能起到很好的改善作用;相應地,能提高電能計量的精準度為節(jié)能環(huán)保貢獻力量。

要注意的是,以上列舉的僅為本發(fā)明的具體實施例,顯然本發(fā)明不限于以上實施例,隨之有著許多的類似變化。本領域的技術人員如果從本發(fā)明公開的內容直接導出或聯(lián)想到的所有變形,均應屬于本發(fā)明的保護范圍。

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