一种带磁屏蔽结构的高压开关柜非接触式电流测量装置

摘要

本发明涉及一种带磁屏蔽结构的高压开关柜非接触式电流测量装置，包括待测相位母排、母排套环、磁屏蔽体、TMR电流传感器芯片、磁屏蔽体套环、PCB板套环、PCB板和导杆；所述的待测相位母排穿过磁屏蔽体内部，所述的磁屏蔽体左右两端面开孔作为屏蔽间隙，所述的TMR电流传感器芯片安装在待测相位母排与磁屏蔽体的上部之间，所述的TMR电流传感器芯片置于PCB板上，所述的待测相位母排通过母排套环固定，所述的磁屏蔽体通过磁屏蔽体套环固定，所述的PCB板通过PCB板套环固定，所述的母排套环、磁屏蔽体套环、PCB板套环通过导杆连接。与现有技术相比，本发明具有提高了高压开关柜大电流测量的精确性和稳定性等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压开关柜非接触式电流测量装置，尤其是涉及一种带磁屏蔽结构的高压开关柜非接触式电流测量装置。

背景技术

高压开关柜在电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用，由于高压开关柜长期处于高电压、大电流的工况下运行，且近些年由于高负荷的要求，开关柜的载流量逐渐升高，电流极限值需要从3kA提升至4kA。载流量的提升对高压开关柜的运行状况的实时监测提出了新的挑战，一旦开关柜发生故障会给电力系统带来巨大的经济损失。电流作为电力系统中最重要的运行参数，实时监测设备的电流能够保障设备的安全运行。传统的高压开关柜采用电流互感器，其体积大、成本高、功能单一，其中电磁式互感器容易发生磁饱和现象，已经无法满足大电流监测的精确测量。罗氏线圈通过测量磁通势来监测被测电流的大小，其频带范围远大于电流互感器，但仅能测量时变电流，并且在安装上不方便，需要环绕在一次导体上。霍尔电流传感器主要根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势间接测量电流，但由于开关柜内的温升较大，将会影响霍尔传感器的测量精度，无法满足大电流测量的范围与精度的要求。

随着磁电阻效应的发现及其研究的深入，基于磁电阻效应的磁电阻传感器应运而生。磁电阻传感技术的发展为电力系统大电流监测提供了全新的技术手段。磁电阻传感器历经四代发展，主要包括霍尔电阻传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器、隧穿磁电阻(TMR)传感器。相对于其他磁电阻传感器，TMR传感器具有更好的温度稳定性、更低的功耗、更高的灵敏度、更好的线性度、更宽的线性范围，并且不需要额外的聚磁环结构或线圈结构，安装方便。

由于TMR传感器对磁场的敏感性，实际电力系统的复杂电磁环境将会直接影响TMR传感器的测量精度，进而无法准确实时监测高压开关柜的运行状况。因此亟需一种能够在TMR传感器测量待测相母排时屏蔽干扰磁场与杂散磁场的装置。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带磁屏蔽结构的高压开关柜非接触式电流测量装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种带磁屏蔽结构的高压开关柜非接触式电流测量装置，包括待测相位母排、母排套环、磁屏蔽体、TMR电流传感器芯片、磁屏蔽体套环、PCB板套环、PCB板和导杆；

所述的待测相位母排穿过磁屏蔽体内部，所述的磁屏蔽体左右两端面开孔作为屏蔽间隙，所述的TMR电流传感器芯片安装在待测相位母排与磁屏蔽体的上部之间，所述的TMR电流传感器芯片置于PCB板上，所述的待测相位母排通过母排套环固定，所述的磁屏蔽体通过磁屏蔽体套环固定，所述的PCB板通过PCB板套环固定，所述的母排套环、磁屏蔽体套环、PCB板套环通过导杆连接。

作为优选的技术方案，所述的TMR电流传感器芯片为TMR7204-C系列电流传感器。

作为优选的技术方案，所述的磁屏蔽体为采用镍铁坡莫合金制作而成的屏蔽体。

作为优选的技术方案，所述的母排套环、磁屏蔽体套环、PCB板套环均采用环氧树脂套环。

作为优选的技术方案，所述的导杆为采用环氧树脂制作而成的导杆。

作为优选的技术方案，所述的磁屏蔽体为矩形，其内表面与待测相位母排平行。

作为优选的技术方案，所述的屏蔽间隙的宽度为4mm，磁屏蔽体的长度为200mm，厚度为2mm。

作为优选的技术方案，所述的磁屏蔽体的屏蔽间隙朝向干扰相电流侧。

作为优选的技术方案，所述的TMR电流传感器芯片的敏感轴方向与屏蔽间隙平行。

作为优选的技术方案，所述的TMR电流传感器芯片位于待测相位母排的上方50mm。

与现有技术相比，本发明提供的开关柜非接触式电流测量装置磁屏蔽结构，采用TMR传感器替代了传统的电磁式电流互感器，实现了对高压开关柜的大电流监测，克服了传统的电磁式电流互感器的磁饱和现象。同时，针对TMR传感器自身易受干扰磁场的影响，设计了带有双屏蔽间隙的屏蔽体，屏蔽间隙起到了聚集干扰相大电流的感生磁场，降低了外界干扰磁场对TMR传感器的影响，因此本发明所提供的开关柜非接触式电流测量装置磁屏蔽结构可提高高压开关柜大电流测量的精确性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的纵向横截面图；

图3为本发明所采用的TMR传感器芯片示意图；

图4为本发明磁屏蔽体装置仿真模型；

图5为磁场分布图(A/m)；

图6为屏蔽体结构尺寸对屏蔽不确定性影响曲线图；

图7为间隙宽度对屏蔽不确定性影响曲线图；

图8为屏蔽体长度对屏蔽不确定性影响曲线图；

图9为屏蔽体厚度对屏蔽不确定性影响曲线图；

图中标号，1：待测相位母排；2：母排套环；3：磁屏蔽体；4：TMR电流传感器芯片；5：磁屏蔽体套环；6：PCB板套环；7：PCB板；8：导杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一种带磁屏蔽结构的高压开关柜非接触式电流测量装置，包括待测相位母排1、母排套环2、磁屏蔽体3、TMR电流传感器芯片4、磁屏蔽体套环5、PCB板套环6、PCB板7和导杆8；

所述的待测相位母排1穿过磁屏蔽体3的中心，其他两相干扰电流母排9分别位于磁屏蔽体3的两侧，磁屏蔽体3的两侧分别开有屏蔽间隙，屏蔽间隙朝向其他两相干扰电流母排9。

所述的TMR电流传感器芯片4安装在待测相位母排1与磁屏蔽体3的上部之间，所述的TMR电流传感器芯片4置于PCB板7上，所述的待测相位母排1通过母排套环2固定，所述的磁屏蔽体3通过磁屏蔽体套环5固定，所述的PCB板7通过PCB板套环6固定，所述的母排套环2、磁屏蔽体套环5、PCB板套环6通过导杆8连接。

所述的TMR电流传感器芯片4为TMR7204-C系列电流传感器。使用时，带有双屏蔽间隙的磁屏蔽体3起到了磁屏蔽的作用，屏蔽间隙处聚集了干扰相大电流的感生磁场，可降低外界的干扰磁场对TMR电流传感器芯片4的影响，提高TMR电流传感器芯片4的测量精度和可靠性。

所述的磁屏蔽体3为采用镍铁坡莫合金制作而成的屏蔽体。所述的母排套环2、磁屏蔽体套环5、PCB板套环6均采用环氧树脂套环。所述的导杆8为采用环氧树脂制作而成的导杆。所述套环和导杆采用环氧树脂保证绝缘性。

所述的磁屏蔽体3为矩形，其内表面与待测相位母排1平行。所述的屏蔽间隙的宽度为4mm，磁屏蔽体3的长度为200mm，厚度为2mm。所述的磁屏蔽体3的屏蔽间隙朝向干扰相电流侧。所述的TMR电流传感器芯片4的敏感轴方向与屏蔽间隙平行。MR电流传感器芯片4的敏感轴感应到待测母排在该方向上的电磁分量，其内部惠斯通电桥会产生偏置电压并在输出端输出待测电流。所述的TMR电流传感器芯片4位于待测相位母排1的上方50mm。

有限元分析

为验证本发明的有效性，采用基于有限元分析法的仿真分析软件验证本发明的有效性，仿真模型简化了固定支撑结构，其对磁场的计算结果几乎没有影响。

仿真模型示意图如图4所示。稳定运行的电流值为3000A，首先进行有无干扰电流和有无磁屏蔽结构的仿真结果对比，仿真结果均为传感器敏感轴方向所测得的磁场、磁通密度分量，如表1所示：

表1

由表1可以看到，有干扰电流时传感器所测得的磁场和磁通密度分量都比无干扰时的要偏大，这是由于磁场的叠加效应，其它两相电流所感生的磁场影响了传感器的测量值，最终影响了电流测量的精度；而在加装了磁屏蔽结构后，屏蔽结构能够有效屏蔽干扰相产生的干扰磁场，使得传感器测量到的磁场和磁通密度分量更接近真实值。

接着为了进一步增大磁屏蔽结构的磁屏蔽效能，通过参数化研究对本发明的磁屏蔽装置进行结构上的改进。

首先，本次仿真在评定结构的有效性时，没有采用屏蔽效能，而是采用磁屏蔽不确定性(Shielding Uncertainty，SU)来描述有无干扰磁场时TMR传感器探测的结果。磁屏蔽不确定性的定义式如下：

其中，B

本发明设计了带有双屏蔽间隙的屏蔽体，屏蔽间隙起到了聚集干扰相大电流的感生磁场，可降低外界干扰磁场对TMR传感器的影响。因此，通过仿真参数化研究屏蔽间隙的尺寸对磁屏蔽效能的影响，分别分析了屏蔽间隙的宽度以及屏蔽体的厚度、长度对磁屏蔽不确定性的影响，仿真结果如下表2及图5-图9所示：

表2

由表2可以看到，在合理的结构尺寸下，带有双屏蔽间隙的磁屏蔽体比无屏蔽间隙的磁屏蔽体的屏蔽不确定性更低，屏蔽效果更好。

由图6-图9可以看到，磁屏蔽不确定性随屏蔽体的长度和屏蔽间隙的宽度的增大而减小，随屏蔽体的厚度先增大后减小。

综合考虑三种结构尺寸的影响，从图6-图9可以看到，屏蔽体的厚度对屏蔽不确定性的影响最大，长度次之，间隙宽度的影响最小；综合考虑成本与磁屏蔽效果，当屏蔽体的长度为200mm，厚度为2mm，屏蔽间隙的宽度为4mm时，屏蔽不确定性最小，为3.81％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。