CN103630724A - 基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，能输出与含有谐波的一次电流成线性比例关系的数字量和电压模拟量，并实现测量和保护两种用途，它包括带间隙铁芯、一次线圈、测量用二次线圈、保护用二次线圈、校准线圈、监视用二次线圈、内环开槽的环形屏蔽盒、第一电阻、第二电阻、第三电阻、采样电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第一双向稳压管、第二双向稳压管、第三双向稳压管、第四双向稳压管、信号调理电路、模数转换器、微处理器、数模转换电路、校准电流驱动电路、通信接口、使用有损积分器的第一积分求和电路和第二积分求和电路等。

Description

基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器

技术领域

本发明涉及电磁测量装置，尤其涉及一种用于测量和保护两用的基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器。

背景技术

电流互感器是一种电流传感器，主要用于电网电能计量、电能质量分析及安全保护。国家标准GB 1208-2006《电流互感器》和GB/T20840.8-2007《互感器 第8部分电子式电流互感器》分别规定了电磁式电流互感器和电子式电流互感器的技术规范。国家标准GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》和国家标准GB/T19862-2005《电能质量监测设备通用要求》分别规定了公用电网谐波的允许值、检测方法以及电流谐波监测设备的通用要求，这对电流互感器的谐波传感准确度提出了明确的要求。

电流互感器主要分为测量用和保护用两大类，测量用电流互感器的电流测量范围通常为电流互感器额定电流的1%至120%，保护用电流互感器的电流检测范围一般为电流互感器额定电流的几倍到几十倍。电磁式电流互感器采用铁芯线圈进行一次电流的传感，其测量频带较窄，因此主要是在工频正弦波条件下设计、误差校准和使用。电子式电流互感器一般采用光学装置、空心线圈或低功耗铁芯线圈进行一次电流的传感。空心线圈和低功耗铁芯线圈结构简单且易于实现，因此被广泛采用。空心线圈不存在磁滞饱和的现象，因此测量频带很宽。但是空心线圈在工频条件下输出信号通常很小，并且很难保证线圈的几何尺寸在长期运行过程中不发生变化，而线圈几何尺寸的变化对空心线圈传感器件的互感系数影响较大，导致准确度不高，所以空心线圈一般被用作准确度要求不高的保护用电流互感器传感器件。低功耗铁芯线圈的结构及传感原理与传统电磁式电流互感器采用的铁芯线圈相同，不同之处在于要求的输出功率不同。低功耗铁芯线圈具有传感准确度高、输出信号大及性能稳定等特点，由于线圈绕制在高磁导率的软磁材料铁芯上，因此在同样的准确度条件下，低功耗铁芯线圈对线圈几何尺寸稳定性的要求比空心线圈的低得多。但低功耗铁芯线圈磁滞饱和及测量频带较窄的现象依然存在，因此通常在工频条件下它被用作准确度要求较高的测量用电流互感器传感器件。带间隙铁芯线圈是一种介乎于空心线圈和低功耗铁芯线圈之间的电流互感器传感器件，带间隙铁芯线圈的结构与低功耗铁芯线圈的结构相同，不同之处在于铁芯存在间隙，用非磁性材料填充的间隙可以视为气隙。由于线圈同样绕制在高磁导率的软磁材料铁芯上，因此带间隙铁芯线圈对线圈几何尺寸稳定性的要求同样比空心线圈的低得多。但是由于气隙很小，气隙长度的微小变化会对带间隙铁芯线圈的传感准确度产生较大的影响，不适合做准确度要求较高的测量用电流互感器传感器件。因此，一种能同时具有空心线圈测量频带宽且不易饱和、低功耗铁芯线圈输出信号大及其线圈几何尺寸稳定性要求较低的优点，并能克服带间隙铁芯线圈气隙长度变化的影响，且在同一传感器件上实现测量和保护两用的电流互感器是非常需要的。

公开日为2012年02月22日、公开号为CN102360892A的专利文献公开了名称为一种电流互感器的技术方案，它包含铁心、绝缘、二次绕组和屏蔽绕组，铁心上设置一个或数个气隙，在铁心上缠绕绝缘，外面缠绕二次绕组，在二次绕组上绕若干个成对屏蔽绕组，使主磁通在其中感应的电势互相抵消，利用变压器漏磁场在铁心各个部分产生的磁通的差异所产生的电势差形成环流，来减小互感器漏磁场的影响，使铁心不容易饱和。该技术方案的不足之处在于，利用气隙和屏蔽线圈仅仅能够降低漏磁场的影响使铁芯不宜饱和，但无法克服测量频带窄的问题，只能在工频下使用。公开日为2004年04月14日、公开号为CN 2612041Y的专利文献公开了名称为一种空心线圈电流互感器的技术方案，它包括电流信号传感头和电流感应信号处理电路，电流信号传感头包括环形的非磁性支撑骨架和电磁导线绕成的信号感应线圈，信号感应线圈和支撑骨架构成感应体等。该技术方案的不足之处是，空芯线圈虽然绕制在骨架上，但在长期运行过程中由于环境温度等因素影响其几何尺寸的变化还会存在，会严重影响电流检测准确性。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，它能输出与含有谐波的一次电流成线性比例关系的数字量和电压模拟量，并实现测量和保护两种用途。

本发明针对现有技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的，一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，包括带间隙铁芯、一次线圈、测量用二次线圈、保护用二次线圈、校准线圈、监视用二次线圈、内环开槽的环形屏蔽盒、第一电阻、第二电阻、第三电阻、采样电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第一双向稳压管、第二双向稳压管、第三双向稳压管、第四双向稳压管、信号调理电路、模数转换器、微处理器、数模转换电路、校准电流驱动电路、通信接口、使用有损积分器的第一积分求和电路和第二积分求和电路，第一积分求和电路与第二积分求和电路的电路结构相同，测量用二次线圈、保护用二次线圈、监视用二次线圈和校准线圈分别均匀绕制在带间隙铁芯上并一同安装在内环开槽的环形屏蔽盒内，一次线圈是穿过带间隙铁芯的穿心母线，第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器及第四运算放大器分别构成电压跟随器，第一电阻、第二电阻及第三电阻的一端分别与测量用二次线圈、保护用二次线圈及监视用二次线圈的同名端相连接，第一电阻、第二电阻及第三电阻的另一端分别与第一运算放大器、第二运算放大器及第三运算放大器的同相输入端相连接，测量用二次线圈、保护用二次线圈及监视用二次线圈的非同名端与地相连接，校准线圈的同名端与校准电流驱动电路的输出端相连接，采样电阻的一端与校准线圈的非同名端以及第四运算放大器的同相输入端相连接，采样电阻的另一端与地相连接，第一双向稳压管、第二双向稳压管、第三双向稳压管及第四双向稳压管的一端分别与第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器及第四运算放大器的同相输入端相连接，第一双向稳压管、第二双向稳压管、第三双向稳压管及第四双向稳压管的另一端分别与地相连接；第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器及第四运算放大器的输出端分别与信号调理电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端及第四输入端相连接，信号调理电路具有四个相互独立的输入输出电压调理通道并且第一输出端、第二输出端、第三输出端及第四输出端分别与第一输入端、第二输入端、第三输入端及第四输入端相对应，第一输出端、第二输出端、第三输出端及第四输出端分别与模数转换器的四个输入端相连接，第一积分求和电路的积分器输入端与信号调理电路的第一输出端相连接，第一积分求和电路的求和电路输入端与信号调理电路的第四输出端相连接，第二积分求和电路的积分器输入端和求和电路输入端分别与信号调理电路的第二输出端及第四输出端相连接，微处理器分别与模数转换器、数模转换电路、信号调理电路及通信接口相连接，数模转换电路的输出端与校准电流驱动电路的输入端相连接。

其中，带间隙铁芯、一次线圈、测量用二次线圈、保护用二次线圈、监视用二次线圈、校准线圈及内环开槽的环形屏蔽盒构成一次电流传感器；测量用二次线圈、保护用二次线圈、监视用二次线圈和校准线圈分别均匀绕制在带间隙铁芯上形成一个环形铁芯线圈。

下面对本技术方案的原理做进一步说明。

（1）传感原理

对于由单匝一次线圈、二次线圈、校准线圈及带间隙铁芯组成的带间隙铁芯线圈，当一次线圈流过角频率为                                                

的正弦波电流

，且校准线圈流过的校准电流为零时，根据安培环路定律可得：

                    （1）

式中

及分别为铁芯磁场强度和等效磁路长度，及

分别为带间隙铁芯间隙的气隙磁场强度和气隙长度。将关系式

和

代入（1），有：

                    （2）

式中为铁芯及气隙的磁感应强度，和

分别为铁芯磁导率和气隙磁导率。式（2）中的

可视为气隙长度

的修正系数，通过选择合适的铁芯材料以及

比值，可使铁芯在工作范围内有，于是式（2）可以表示为

。此时对于绕制在铁芯上的二次线圈，其开路输出电压为： 

                         （3）

式中互感系数

，

及分别为铁芯截面积及二次线圈匝数。从式（3）可见，带间隙铁芯线圈可等效为绕制在气隙磁路长度为

的非磁性骨架上的空心线圈。

对二次线圈开路输出电压

进行模拟或数字积分，假设模拟积分采用的RC有损模拟积分器或数字积分采用的RC有损模拟积分器原型中与电容

（为图1中的第一电容25）并联的电阻（图1中的第五电阻23）取值足够大，那么积分器输出

可表示为：

                        （4）

将式（4）代入式（3），得：

                            （5）

式中变比常数

。从式（5）可见，电流互感器输出

与一次电流

成固定的线性比例关系，变比常数

与一次电流角频率

无关。因此该互感器是一个线性系统，当一次电流为周期性非正弦波时，经互感器输出的各次谐波分量可以线性叠加，即电流互感器输出

，这就实现了对一次电流基波和各次谐波按同一比例的线性转换。

（2）在线校准原理

在一次线圈流过周期性非正弦波电流，校准绕组

注入角频率

的正弦波校准电流

时，等效一次电流为

加上

倍的校准电流

。这里为一次电流基波角频率，选择合适的

值使得

有别于一次电流所含的谐波角频率。由式（3）可得二次线圈开路电压输出中校准电流引起分量的相量表达式为：

                    （6）

于是得到互感系数计算式，其中

和分别为

和

的方均根值。当然，也可以利用该线性系统的表达式（5）得到互感器的输出

，对变比常数

进行计算和在线校准。

为了在很小的校准电流

下实现对带间隙铁芯线圈的校准，可选择较大的

和

。假定

，即二次线圈开路电压中校准电流

的感应输出分量与一次电流基波输出分量幅值相等，可得：

                         （7）

由式（5）及式（7）的可知，当校准电流不为零时电流互感器未修正前的输出为：

             （8）

为了保证校准期间互感器的正确输出，需要扣除附加分量，该附加分量中的

，其中

为校准电流流过采样电阻产生的电压。

本技术方案的运行模式有正常传感及在线校准两种。

在正常传感的长期连续运行模式下，一次线圈流过被测一次电流，测量用二次线圈、保护用二次线圈和监视用二次线圈分别按一定的比例输出一次电流的微分信号，这些信号经过信号调理电路调理后分别接至模数转换器的信号输入端，信号调理电路的每个独立调理通道的输入电压信号经低通滤波器滤去高频干扰后，通过其中的比例运算电路调整输出适合的电压信号，微处理器对模数转换器转换输出的测量用及保护用信号数字量进行积分及调整，并经通信接口输出与一次电流基波和各次谐波成一定比例的测量用及保护用数字信号，微处理器的积分及调整程序实现测量用和保护用两路输出信号的数字积分、数字积分输出波形的幅值和相位调整等功能。利用绕制在同一铁芯上的监视用二次线圈、测量用二次线圈及保护用二次线圈的输出电压在正常情况下存在固定关系的特点，通过对这三个输出电压的相互比较，实现对测量用二次线圈及保护用二次线圈的工作状况的长期监视；与此同时，经过调理的测量用和保护用电压信号分别输入第一积分求和电路和第二积分求和电路的积分器输入端，此时第一积分求和电路及第二积分求和电路的求和电路输入端电压信号为零，第一积分求和电路输出测量用模拟量电压信号，第二积分求和电路输出保护用模拟量电压信号，这两个模拟电压信号与一次电流基波和各次谐波成一定比例关系。

在线校准的短时定期运行模式下，一次线圈流过被测一次电流，微处理器通过数模转换电路及校准电流驱动电路驱动校准线圈流过校准电流，校准电流频率的选择有别于一次电流所含的谐波角频率。校准电流流过采样电阻产生校准电压信号。微处理器通过对测量用、保护用和监视用三路输出信号采样数据的分析分离出各自叠加的校准电流微分信号，将这些叠加的校准电流微分信号与校准电压信号相比较，计算出测量用二次线圈、保护用二次线圈和监视用二次线圈对于一次线圈的互感系数，并进行数字量传感误差的在线校准。微处理器将装置的运行状态信息与测量用及保护用数字信号合并后由通信接口输出。与此同时，调理后的校准电压信号接至第一积分求和电路及第二积分求和电路的求和电路输入端，利用求和电路将叠加的校准电流信号从各模拟量输出中去除。在线校准为短时定期运行模式，两次在线校准之间的间隔时间由微处理器设定，设定范围为几十分钟到几十小时。

作为优选，第一积分求和电路由有损积分器及求和电路组成，有损积分器包括第四电阻、第五电阻、第一电容及第五运算放大器，求和电路包括第六电阻、第七电阻、第八电阻及第六运算放大器，第四电阻的一端与第一积分求和电路的积分器输入端相连接，第四电阻的另一端与第五电阻的一端、第一电容的一端及第五运算放大器的反相输入端相连接，第五电阻的另一端及第一电容的另一端与第六电阻的一端及第五运算放大器的输出端相连接，第六电阻的另一端分别与第七电阻的一端、第八电阻的一端及第六运算放大器的反相输入端相连接，第八电阻的另一端与第六运算放大器的输出端相连接，第五运算放大器及第六运算放大器的同相输入端与地相连接，第七电阻的另一端与第一积分求和电路的求和电路输入端相连接，有损积分器还作为微处理器积分计算的积分器原始模型。第一积分求和电路及第二积分求和电路中的模拟积分器采用有损积分器，避免直流信号的放大溢出现象。微处理器积分计算所采用的积分器以有损积分器为原始模型并经双线性变换法得到。

作为优选，测量用二次线圈的匝数与保护用二次线圈的匝数之比值等于电流互感器设定的电流保护倍数，保护用二次线圈的匝数与监视用二次线圈的匝数相同。本技术方案的一次电流基波额定电流方均根值可达2000A，额定频率为50Hz，电流保护倍数可达20，单次谐波额定电流方均根值可达一次电流基波额定电流方均根值的1/10，谐波测量范围为100Hz至2KHz。 

作为优选，采样电阻是纯阻性精密电阻。注入校准线圈的校准电流流过纯阻性精密电阻，从而产生表征校准电流的精准电压信号。纯阻性精密电阻的阻值可取值1KΩ，其温度漂移率需低于5ppm/℃。

作为优选，数模转换电路通过校准电流驱动电路输出设定角频率的正弦波校准电流，校准电流驱动电路是单管共射极放大电路。

在校准线圈中注入设定角频率的正弦波校准电流。选择校准电流的正弦波角频率有别于一次电流所含的谐波角频率，因此微处理器可以从测量用、保护用和监视用三路输出信号中分离出各自叠加的校准电流微分信号，对经过信号调理电路调理后的校准电压信号以及测量用、保护用和监视用二次线圈输出的叠加校准电压信号进行采样，由于校准电流的周期是由微处理器设定的，因此一个校准电流周期的采样点数可以固定。利用一个周期的采样数据，就可以分别计算三个二次线圈对于一次线圈的互感系数，并以此定时对测量和保护两种用途的数字量传感误差进行在线校准，使传感准确度得到长期保证。校准电流驱动电路采用单管共射级放大电路，在满足所需驱动能力情况下简化了电路结构。

作为优选，通信接口是RS485通信接口。RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性、传输距离长和多站能力等优点。

作为优选，内环开槽的环形屏蔽盒是内环圆周中间开槽的屏蔽盒。从而将一次电流产生的磁通引入环形屏蔽盒内。

作为优选，带间隙铁芯是采用铁基纳米晶合金材料制作而成。铁基纳米晶合金材料具有优异的磁性能。

作为优选，带间隙铁芯的铁芯等效磁路长度与间隙的气隙长度之比小于等于100。

作为优选，微处理器设置有定时器，该定时器控制在线校准的时间间隔，在线校准的时间间隔设定范围是几十分钟至几十小时。本电流互感器的运行模式有正常传感的长期连续运行模式和在线校准的短时定期运行模式两种，两次在线校准之间的设定范围为几十分钟到几十小时。

本发明带来的有益效果是，（1）利用带间隙铁芯线圈及自校准技术实现单一电流传感器件对一次电流的测量和保护两种用途的准确传感输出，且模拟量及数字量的输出与含有谐波的一次电流成线性比例关系；（2）克服了空心线圈、低功耗铁芯线圈和普通带间隙铁芯线圈作为单一电流传感器件对含有谐波的一次电流进行测量和保护两种用途的传感时各自的局限性，具有输出信号大、测量频带宽、准确度高及线圈几何尺寸稳定性要求低等特点；（3）通过对一次线圈等效地叠加特定频率正弦波校准电流，并在各二次线圈输出电压中分离出校准电流微分信号的方式，在线检测测量用二次线圈、保护用二次线圈及监视用二次线圈与一次线圈之间的互感系数，定时对测量和保护两种用途的数字量传感误差进行在线校准，使传感准确度得到长期保证；（4）利用绕制在同一铁芯上的监视用二次线圈、测量用二次线圈及保护用二次线圈的输出电压在正常情况下存在相互之间固定关系的特点，通过对这三个输出电压的相互比较，实现对测量用二次线圈及保护用二次线圈的工作状况的长期监视；（5）利用纯阻性精密电阻采集校准电流信号，能够准确的在求和电路中减去模拟量输出中所含的校准电流叠加信号，同时也被微处理器用以减去数字积分器输出信号中所含的校准电流叠加信号；（6）对注入校准电流没有准确度的要求，因此对数模转换电路中数模转换器位数要求也不高，所以可以用微处理器自带的数模转换器以降低成本；（7）采用环形屏蔽盒内环圆周中间开槽，将一次电流产生的磁通顺利导入其内；（8）采用有损积分器建立直流信号通道，因此避免了直流信号的放大溢出现象；（9）通过RS485输出包括测量用传感信号、保护用传感信号以及带间隙铁芯线圈运行状态信息数字信息，极大地方便了远端使用和管理。

附图说明

图1是本发明的一种原理图；

图2是本发明的一次电流传感器的一种结构图；

图3是本发明的一次电流传感器的一种剖面图。

图中：1是带间隙铁芯，2是一次线圈，3是校准线圈，4是测量用二次线圈，5是保护用二次线圈，6是监视用二次线圈，7是采样电阻，8是第一运算放大器，9是第二运算放大器，10是第三运算放大器，11是第四运算放大器，12是数模信号放大电路，13是第一电阻，14是第二电阻，15是第三电阻，16是第一双向稳压管，17是第二双向稳压管，18是第三双向稳压管，19是第四双向稳压管，20是信号调理电路，21是第一积分求和电路，22是第二积分求和电路，23是第五电阻，24是第四电阻，25是第一电容，26是第五运算放大器，27是第六电阻，28是第八电阻，29是第七电阻，30是第六运算放大器，31是微处理器，32是通信接口，33是数模转换电路，34是模数转换器，35是内环开槽的环形屏蔽盒，36是内环圆周中间开槽。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例： 如图1、图2、图3所示，本发明是一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器。

带间隙铁芯（环形）1、一次线圈2、测量用二次线圈4、保护用二次线圈5、监视用二次线圈6、校准线圈3及内环开槽的环形屏蔽盒35构成一次电流传感器；测量用二次线圈4、保护用二次线圈5、监视用二次线圈6和校准线圈3分别均匀绕制在环形的带间隙铁芯1上形成一个环形铁芯线圈；采样电阻7使用阻值1KΩ、温度漂移率低于5ppm/℃的纯阻性精密电阻；数模信号放大电路12采用单管共射极放大电路；内环开槽的环形屏蔽盒35设置有内环圆周中间开槽36；通信接口32为RS485通信接口。

第一积分求和电路21与第二积分求和电路22的电路结构相同，第一积分求和电路21由有损积分器及求和电路组成，有损积分器包括第四电阻24、第五电阻23、第一电容25及第五运算放大器26，求和电路包括第六电阻27、第七电阻29、第八电阻28及第六运算放大器30，数模转换电路33包括数模转换器、低通滤波器及电压跟随器。一次线圈2为穿过环形铁芯线圈的穿心母线，环形铁芯线圈放置在内环开槽的环形屏蔽盒35内；第一运算放大器8、第二运算放大器9、第三运算放大器10及第四运算放大器11分别连接成电压跟随器；第一运算放大器8、第二运算放大器9及第三运算放大器10的同相输入端分别通过第一电阻13、第二电阻14及第三电阻15连接测量用二次线圈4、保护用二次线圈5及监视用二次线圈6的同名端；测量用二次线圈4、保护用二次线圈5及监视用二次线圈6的非同名端与地相连接；校准线圈3的同名端与校准电流驱动电路12的输出端相连接，采样电阻7的一端与校准线圈3的非同名端以及第四运算放大器11的同相输入端相连接，采样电阻7的另一端与地相连接；第一双向稳压管16、第二双向稳压管17、第三双向稳压管18及第四双向稳压管19分别连接在第一运算放大器8、第二运算放大器9、第三运算放大器10及第四运算放大器11的同相输入端与地（电源地）之间；第一运算放大器8、第二运算放大器9、第三运算放大器10及第四运算放大器11的输出端分别与信号调理电路20的第一输入端、第二输入端、第三输入端及第四输入端相连接；信号调理电路20具有四个相互独立的输入输出电压调理通道，信号调理电路20的第一输出端、第二输出端、第三输出端及第四输出端分别与它的第一输入端、第二输入端、第三输入端及第四输入端相对应，即输入信号u

、u

、u、u

分别与输出信号u

、u

、u

、u

相对应；信号调理电路20的第一输出端、第二输出端、第三输出端及第四输出端分别与模数转换器34的四个输入端相连接；第一积分求和电路21的积分器输入端X1与信号调理电路20的第一输出端相连接，第一积分求和电路21的求和电路输入端X2与信号调理电路20的第四输出端相连接；第四电阻24的一端与第一积分求和电路21的积分器输入端X1相连接，第四电阻24的另一端与第五电阻23的一端、第一电容25的一端及第五运算放大器26的反相输入端相连接；第五电阻23的另一端及第一电容25的另一端与第六电阻27的一端及第五运算放大器26的输出端相连接；第六电阻27的另一端分别与第七电阻29的一端、第八电阻28的一端及第六运算放大器30的反相输入端相连接；第八电阻28的另一端与第六运算放大器30的输出端相连接；第五运算放大器26及第六运算放大器30的同相输入端与地相连接；第七电阻29的另一端与第一积分求和电路21的求和电路输入端X2相连接；第二积分求和电路22的积分器输入端X3和求和电路输入端X4分别与信号调理电路20的第二输出端及第四输出端相连接；微处理器31分别与模数转换器34、数模转换电路33、信号调理电路20及通信接口32相连接，数模转换电路33的输出端与校准电流驱动电路12的输入端相连接。

本实施例具体设计参数为：一次线圈2的基波额定电流方均根值为500A，额定频率为50Hz，电流保护倍数为10，一次线圈2的单次谐波额定电流方均根值为一次电流基波额定电流方均根的1/10，谐波测量范围为100Hz至2KHz；在额定频率条件下，当一次电流为基波额定电流时，测量用模拟输出额定电压u的方均根值为1V，测量用数字量输出的额定值为2D41H，保护用数字量输出的额定值为01CFH，数据速率为额定频率的200倍，当一次电流为10倍基波额定电流时保护用模拟输出额定电压的方均根值为1V；测量用模拟输出信号的准确等级为0.5级，测量用数字输出量的准确度等级为0.2级，保护用模拟输出信号及数字输出量信号的准确度等级为5P级。一次线圈2的匝数为1匝，测量用二次线圈4的匝数为200匝，保护用二次线圈5的匝数为20匝，监视用二次线圈6的匝数为20匝；带间隙铁芯1的铁芯采用铁基纳米晶合金材料，其截面为

 ，间隙的气隙长度为

，带间隙铁芯的铁芯等效磁路长度与间隙的气隙长度之比为50；校准线圈3的匝数为1256匝，校准电流为1.975KHz频率的

正弦波电流，两次在线校准之间的间隔时间为24小时；采样电阻7的阻值 1KΩ，其温度漂移率需低于5ppm/℃；微处理器31采用工作频率为300MHz的数字信号处理器，模数转换器34采用六路16位ADC，数模转换电路33中的数模转换器为10位DAC，信号调理电路20及数模转换电路33中各低通滤波器的截止频率为3KHz，模数转换器34的采样频率为100KHz，数模转换电路33的数字输入量更新频率为100KHz。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，其特征在于包括：带间隙铁芯（1）、一次线圈（2）、测量用二次线圈（4）、保护用二次线圈（5）、校准线圈（3）、监视用二次线圈（6）、内环开槽的环形屏蔽盒（35）、第一电阻（13）、第二电阻（14）、第三电阻（15）、采样电阻（7）、第一运算放大器（8）、第二运算放大器（9）、第三运算放大器（10）、第四运算放大器（11）、第一双向稳压管（16）、第二双向稳压管（17）、第三双向稳压管（18）、第四双向稳压管（19）、信号调理电路（20）、模数转换器（34）、微处理器（31）、数模转换电路（33）、校准电流驱动电路（12）、通信接口（32）、使用有损积分器的第一积分求和电路（21）和第二积分求和电路（22），所述的第一积分求和电路（21）与第二积分求和电路（22）的电路结构相同，测量用二次线圈（4）、保护用二次线圈（5）、监视用二次线圈（6）和校准线圈（3）分别均匀绕制在带间隙铁芯（1）上并一同安装在内环开槽的环形屏蔽盒（35）内，一次线圈（2）是穿过带间隙铁芯（1）的穿心母线，第一运算放大器（8）、第二运算放大器（9）、第三运算放大器（10）及第四运算放大器（11）分别构成电压跟随器，第一电阻（13）、第二电阻（14）及第三电阻（15）的一端分别与测量用二次线圈（4）、保护用二次线圈（5）及监视用二次线圈（6）的同名端相连接，第一电阻（13）、第二电阻（14）及第三电阻（15）的另一端分别与第一运算放大器（8）、第二运算放大器（9）及第三运算放大器（10）的同相输入端相连接，测量用二次线圈（4）、保护用二次线圈（5）及监视用二次线圈（6）的非同名端与地相连接，校准线圈（3）的同名端与校准电流驱动电路（12）的输出端相连接，采样电阻（7）的一端与校准线圈（3）的非同名端以及第四运算放大器（11）的同相输入端相连接，采样电阻（7）的另一端与地相连接，第一双向稳压管（16）、第二双向稳压管（17）、第三双向稳压管（18）及第四双向稳压管（19）的一端分别与第一运算放大器（8）、第二运算放大器（9）、第三运算放大器（10）及第四运算放大器（11）的同相输入端相连接，第一双向稳压管（16）、第二双向稳压管（17）、第三双向稳压管（18）及第四双向稳压管（19）的另一端分别与地相连接，第一运算放大器（8）、第二运算放大器（9）、第三运算放大器（10）及第四运算放大器（11）的输出端分别与信号调理电路（20）的第一输入端、第二输入端、第三输入端及第四输入端相连接，信号调理电路（20）具有四个相互独立的输入输出电压调理通道并且第一输出端、第二输出端、第三输出端及第四输出端分别与第一输入端、第二输入端、第三输入端及第四输入端相对应，所述第一输出端、第二输出端、第三输出端及第四输出端分别与模数转换器（34）的四个输入端相连接，所述第一积分求和电路（21）的积分器输入端与信号调理电路（20）的第一输出端相连接，所述第一积分求和电路（21）的求和电路输入端与信号调理电路（20）的第四输出端相连接，第二积分求和电路（22）的积分器输入端和求和电路输入端分别与信号调理电路（20）的第二输出端及第四输出端相连接，微处理器（31）分别与模数转换器（34）、数模转换电路（33）、信号调理电路（20）及通信接口（32）相连接，数模转换电路（33）的输出端与校准电流驱动电路（12）的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，其特征在于：所述第一积分求和电路（21）由有损积分器及求和电路组成，所述有损积分器包括第四电阻（24）、第五电阻（23）、第一电容（25）及第五运算放大器（26），所述求和电路包括第六电阻（27）、第七电阻（29）、第八电阻（28）及第六运算放大器（30），所述第四电阻（24）的一端与第一积分求和电路（21）的积分器输入端相连接，第四电阻（24）的另一端与第五电阻（23）的一端、第一电容（25）的一端及第五运算放大器（26）的反相输入端相连接，第五电阻（23）的另一端及第一电容（25）的另一端与第六电阻（27）的一端及第五运算放大器（26）的输出端相连接，第六电阻（27）的另一端分别与第七电阻（29）的一端、第八电阻（28）的一端及第六运算放大器（30）的反相输入端相连接，第八电阻（28）的另一端与第六运算放大器（30）的输出端相连接，第五运算放大器（26）及第六运算放大器（30）的同相输入端与地相连接，第七电阻（29）的另一端与第一积分求和电路（21）的求和电路输入端相连接，所述有损积分器还作为所述微处理器积分计算的积分器原始模型。

3.根据权利要求1所述一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，其特征在于：所述测量用二次线圈（4）的匝数与保护用二次线圈（5）的匝数之比值等于电流互感器设定的电流保护倍数，保护用二次线圈（5）的匝数与监视用二次线圈（6）的匝数相同。

4.根据权利要求1所述一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，其特征在于：所述采样电阻（7）是纯阻性精密电阻。

5.根据权利要求1所述一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，其特征在于：所述数模转换电路（33）通过校准电流驱动电路（12）输出设定角频率的正弦波校准电流，所述校准电流驱动电路（12）是单管共射极放大电路。

6.根据权利要求1所述一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，其特征在于：所述通信接口是RS485通信接口。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，其特征在于：所述内环开槽的环形屏蔽盒（35）是内环圆周中间开槽的屏蔽盒。

8.根据权利要求1所述一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，其特征在于：所述带间隙铁芯（1）是采用铁基纳米晶合金材料制作而成。

9.根据权利要求1或9所述一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，其特征在于：所述带间隙铁芯（1）的铁芯等效磁路长度与间隙的气隙长度之比小于等于100。

10.根据权利要求1所述一种基于带间隙铁芯线圈的自校准谐波电流互感器，其特征在于：所述微处理器（31）设置有定时器，所述定时器控制在线校准的时间间隔，所述在线校准的时间间隔设定范围是几十分钟至几十小时。

Images