[发明专利]一种数字振膜式电流传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字振膜式电流传感器，基本原理是基于永磁场 和电流磁场的相互作用驱动薄膜振动，由测量振动得到数字电流信号。 本发明包括两种振动驱动模式和两种数字光电转换方式，适用于电力 系统的交直流电流测量。

背景技术

目前使用的电流互感器或传感器，有电磁式、磁光式和空心线圈 电子式三种。

电磁式电流互感器的应用已有120多年的历史，是电力系统测量的 重要工具。但是电磁式电流互感器有许多原理性缺陷，如绝缘成本高、 安全性与可靠性低；故障电流常常导致铁芯磁饱和，使继电保护不能 正确工作。另外，切除故障电流、带负荷操作、互感器生产过程中的 动热稳定试验，都会使铁芯带有一定的剩磁。剩磁使测量结果负向偏 移，导致电力系统功率计量的严重损失。举例来说，2007年全国发电 量为32559亿千瓦时，以负向偏移0.2％的保守估计，一年损失65亿 千瓦时。

对磁光式电流传感器的研究已有60多年的历史。磁光式电流传感 器利用光隔离解决了电气绝缘问题，没有铁芯，所以没有磁饱和，也 没有剩磁问题。这些优点使磁光式电流传感器具有广阔的应用前景， 尤其是在超高压、特高压系统中。但是，磁光式电流传感器的温漂、 材料老化和随机性误差等问题难以解决，使磁光式电流传感器的工作 稳定性备受质疑，历经60多年的研制与开发，至今未能推广应用。

空心线圈电子式电流传感器没有铁心，所以没有磁饱和问题，但 缺点是不能有效反应小信号和非周期分量。高电位的电子电路对电源 的需求同样带来了可靠性与稳定性方面的问题。

本发明的数字振膜式电流传感器利用永磁场和分流线圈电流磁场 的相互作用驱动薄膜振动，由数字光电方法测量振动从而测量电流。 其高电位无源，高低电位之间光隔离，测量精度不受环境温度变化的 影响，可以获得高精度和无延时瞬态响应；可以用于交流测量，也可 以用于直流测量。对谐波和故障暂态都能如实反应；尤其适合在超高 压、特高压电力系统中使用。

发明内容

本发明的目的是提出一种数字振膜式电流传感器，包括薄膜振动 系统和微振动光电测量系统。薄膜振动系统有两种实施方式：永磁体 双端驱动电流线圈薄膜振动模式和电流分流线圈双端驱动永磁薄膜振 动模式。微振动光电测量系统应用了激光光束边缘调制线阵电荷耦合 器(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的方 法直接得到数字电流信号。

永磁体双端驱动电流线圈薄膜振动模式如图1所示，永磁体与电 流线圈薄膜的结构如图3所示。永磁体[4]置于薄膜[3]的两侧，电流 线圈[5]与薄膜结合为一体，电流线圈分流了主导线电流，线圈电流产 生的磁场在永磁体磁场力的双端驱动下带动薄膜振动(交流)或进动 (直流)，其幅值是电流的线性函数。

电流分流线圈双端驱动永磁薄膜振动模式如图2所示，电流分流 线圈与永磁薄膜的结构如图4所示。两个电流分流线圈[2]置于薄膜[3] 的两侧，永磁体[4]与薄膜结合为一体，两个电流分流线圈分流了等值 的主导线电流，电流产生的磁场驱动永磁体带动薄膜振动(交流)或 进动(直流)，其幅值是电流的线性函数。

微振动光电测量系统应用了激光光束边缘调制线阵电荷耦合器 (CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。如图 5和图6所示，激光信号从光源[6]经传输光纤[7]传送到准直器[8]， 准直后得到边缘整齐清晰的光束，在薄膜[3]上粘接一块极轻的泡沫遮 光材料[9]，调整光束使[3]静止时[9]的端面与光束的中心线重合，[3] 振动时带动[9]遮挡全部光束、部分光束或无遮挡光束。光束经光反射 镜[10]反射后进入扩束透镜[11]放大，再到数字光电转换及信号控制 处理器[12]中的线阵电荷耦合器(CCD)图像传感器或互补金属氧化物 半导体(CMOS)图像传感器，[3]的振动导致光束边缘的位置发生变化， 使激光光束进入图像传感器的不同像素，对像素进行简单的二值判断， 即有光信号或无光信号，便可以确定光束边缘所处的位置，像素位置 的编码就是振动信号幅值的数字量。对像素的二值判断等同于模数转 换，二值判断的时间等同于模数转换的时间。