[发明专利]用于AC/DC灵敏电流测量的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电隔离（galvanically isolated）的AC/DC灵敏电流测量的方法及设备，包括：测量电流变压器，该测量电流变压器具有初级绕组，待测量的电流流过该初级绕组，经由共享的磁通量在初级绕组与次级绕组之间形成变压器耦合，该共享的磁通量形成具有至少一个由具有相对磁导率的材料制成的部段的磁路，其中，在次级绕组中，感应出与初级侧电流随时间的变化成比例的第一部分电压（partial voltage）。

背景技术

用于电隔离的电流测量的方法及设备在用于电力系统的差动电流监测设备的功能和形式方面是已知的。根据VDE（德国电气、电子和信息技术协会）章程，差动电流监测设备的任务是，监测电气装置或电路的差动电流的出现并且在该差动电流超过预定值的情况下，通过警报来报告此事。为此，通过具有次级绕组的测量电流变压器将待保护的电缆出口的所有有效导体引导为初级绕组。该测量电流变压器构成了磁路，在该磁路中，对由在初级绕组中流动的电流所产生的磁场进行引导并且由此经由共享的磁通量将该磁场变压器耦合至次级绕组。闭合磁路可由若干个具有变化的磁导率的部段组成，例如，由具有高磁导率的磁芯材料和气隙组成，其总是具有相对磁导率μ_rel=1。

在无故障的供电系统中，所有电流的矢量和以及由此差动电流等于零，使得在该次级绕组中并未感应出电压。然而，如果例如作为绝缘故障的结果而使故障电流流至大地，则差动电流流过该测量电流变压器，其磁路在随时间变化的情况下在次级侧感应出可被检测和计算出的电压。由于感应原理，这种布置仅能够检测磁通量随时间的变化并由此仅能够检测出导致这些磁通量变化的初级侧电流变化。

然而，连接至电气系统的用电设备、例如具有如整流器或变频器中的二极管或晶闸管之类的电子半导体部件的电机，也可导致不具有纯凹形的时间推进但具有脉冲时间推进的差动电流或者以直流差动电流的形式出现的差动电流。因此，对于这些应用领域，应当设法进行AC/DC灵敏电流测量。

通过技术发展水平，获知了基于磁补偿的原理而工作的用于AC/DC灵敏测量的方法。其中，电流变压器芯上设置有两个次级绕组，测量电流变压器集成在推挽式振荡器中，作为产生振荡的元件。由于振荡器原理，振荡频率固定不变地流过芯的磁特性曲线直到饱和范围为止。因此，对直流磁化进行补偿，其中，流过振荡器的补偿电流成比例地受到交流差动电流和直流差动电流的影响并且可被计算出。在该方法中，由于振荡器的运行，磁性软芯材料必须满足高要求，这被证明是不利的。此外，特别是在大型测量电流变压器中，就待记录的交流差动电流而言，仅可获得低带宽。

其它用于AC/DC灵敏电流测量的方法基于与诸如霍尔探针之类的磁场传感器、磁阻传感器的使用有关的补偿电路或者基于磁通量闸门磁强计。这种布置通常仅具有窄的动态范围。

最后，存在利用分流电阻器来测量电流的方法，其中，通过隔离放大器来实现电隔离，并且借助于数字信号处理对测量值进行计值。然而，可证明经由与单独的电隔离有关的分流电阻器的记录是一种昂贵的解决方案，特别是在待监测的网络中的供电电压较高的情况下更是如此。

发明内容

因此，本发明的目的在于研发一种用于AC/DC灵敏电流测量的方法及设备，特别地用于时间上恒定的初级侧电流（直流差动电流）的测量，该方法及设备具有高测量灵敏度和宽动态范围。该方法及设备必须同样适用于简单电流测量的应用和用于差动电流测量的供电系统中的应用。

该目的通过以下方法来实现，通过形成部段的材料的相对磁导率随时间的变化，在次级绕组中感应出与初级绕组中的待测量的直流电流成正比的第二部分电压。

除了由于初级电流随时间的变化而感应出的第一部分电压之外，在于初级绕组中有直流电流部分流动的情况下，作为在时间上变化的相对磁导率的结果，感应出与该直流电流部分成正比的第二部分电压。

根据感应定律，第一感应部分电压以已知的方式自初级电流i随时间的变化产生：

式中，N=绕组匝数，μ_rel=相对磁导率（穿透数），μ₀=4π10^-7Vs/Am（磁常数），A_eff=有效磁截面，l_eff=有效磁路长度。

时间上恒定的初级电流——表示在初级侧上流过测量电流变压器的直流差动电流或直流电流——不产生感应电压。因此，根据等式（1）的作用机理仅适用于记录交流值。