空芯电流测量方法、混合电流互感器和断路器

技术领域

本发明涉及电流互感器领域，特别涉及空芯电流测量方法、混合电流互感器和断路器。

背景技术

空芯电流互感器是一种由非导磁材料制成的支撑装置，该支撑装置围绕需要测量的导体或电路放置，漆包线均匀绕在所述的支撑装置上，串联后形成空芯互感器的二次输出绕组，电流导体或线路为空芯互感器的一次绕组，所述空芯互感器二次绕组输出电压与一次电流导体或线路的电流大小成正比，由于支撑装置为无磁材料不饱和，所以可以进行较大范围的电流测量。

当前市场上的抑制干扰影响效果最佳的措施是采用圆形线圈，需要测量的导电体或电路在圆形线圈中穿过，但这种结构占用空间较大，针对部分电流断路器无法安装，大多情况下电流断路器的导电体是长方体母排。当前也有采用矩形和椭圆形线圈，但四周均匀排布很难实现，更为重要的是，无论圆形、矩形和椭圆形，闭环的线圈工业化生产效率极低。

当前也有采用四个及以上线圈对称排布，并对每个线圈连接处采用匝数多少补偿调整的专利方案，此种生产工艺要求也极高，规模化生产难以控制，且很多情况下，长方体导体两侧边的空间位置有限，不易再摆放线圈。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种空芯电流测量方法，可在低压断路器内实现宽电流范围的测量和保护。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：空芯电流测量方法，包括测量机构，所述测量机构包括测量电路板，所述测量电路板上设置有供母排穿过的通孔，所述测量电路板上位于通孔侧边至少设置一组电气串联的直螺旋管空芯线圈组件，所述直螺旋管空芯线圈组件与母排截面平行排布，所述测量电路板上还设置有第一输出连接端和第二输出连接端，至少一组电气串联的直螺旋管空芯线圈组件的两输出端分别连接至第一输出连接端和第二输出连接端，所述第一输出连接端和第二输出连接端为空芯电流测量的二次输出端，用于连接控制模块，具体测量方法为：

步骤一：将母排在使用设备上安装完毕，对需检测的母排每一相上设置有多个相同的测量电路板，母排与各个测量电路板上的直螺旋管空芯线圈平行，多个直螺旋管空芯线圈平行对称固定；

步骤二：对各相母排输入电流，获取各个测量电路板输出的二次电压；

步骤三：对各个测量电路板输出的二次电压的分电流段设置校准参数并将校准参数存储在控制模块内，此时安装在不同使用设备上的各个测量电路板对应各相一次母排输入相同的电流，二次电压相等；

步骤四：根据输入电流和步骤三中校准后输出的二次电压得到正比系数；

步骤五：使用设备，根据各个测量电路板输出的二次电压和正比系数获取测量出的各相精准电流。

进一步的是：所述直螺旋管空芯线圈组件至少包括一个线圈组件，所述线圈组件包括可固定在测量电路板上的支撑骨架，所述支撑件骨架上均匀密绕有多圈漆包线，所述支撑件骨架上均匀密绕的多圈漆包线至少为一层。

进一步的是：所述支撑骨架上均匀密绕的多圈漆包线为偶数层。

进一步的是：所述支撑骨架两端均设置有用于缠绕漆包线的引出柱。

进一步的是：所述测量电路板上位于通孔两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件，每组直螺旋管空芯线圈组件均包括一个线圈组件，2个线圈组件的一端相连，两个线圈组件的另一端分别连接第一输出连接端和第二输出连接端。

进一步的是：所述测量电路板上位于通孔两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件，每组直螺旋管空芯线圈组件均包括2个线圈组件，每组直螺旋管空芯线圈组件的2个线圈组件并排设置，2组直螺旋管空芯线圈组件的4个线圈组件串联，2组直螺旋管空芯线圈组件串联组合后的2个输出端分别连接第一输出连接端和第二输出连接端。

进一步的是：所述测量电路板上位于通孔两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件，每组直螺旋管空芯线圈组件均包括2个线圈组件，每组直螺旋管空芯线圈组件的2个线圈分别位于测量电路板的两面，2组直螺旋管空芯线圈组件的4个线圈组件串联，2组直螺旋管空芯线圈组件串联组合后的2个输出端分别连接第一输出连接端和第二输出连接端。

进一步的是：所述测量电路板上位于通孔两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件，每组直螺旋管空芯线圈组件均包括4个线圈组件，每组直螺旋管空芯线圈组件的4个线圈平行对称分配与测量电路板的两面，2组直螺旋管空芯线圈组件的8个线圈组件串联，2组直螺旋管空芯线圈组件串联组合后的2个输出端分别连接第一输出连接端和第二输出连接端。

本发明还公开了一种混合电流互感器，包括权利上述所述的空芯电流测量方法中所述的测量机构，还包括用于供电的铁芯互感器，所述铁芯互感器平行安装于测量机构附近，并共同穿过同一相母排。

本发明还公开了一种断路器，包括上述所述的混合电流互感器，包括断路器本体，所述断路器本体内设置有控制模块、电源模块和三相母排线路，所述混合电流互感器安装在三相母排线路上，所述铁芯互感器与电源模块连接，还包括触头控制机构和位于三相母排线路上的开关合分触头，所述触头控制机构用于控制开关触头的合分，还包括继电器，所述继电器安装在控制机构和控制模块之间。

本发明的有益效果是：本结构生产工艺简单，除了能利用设备高效生产外，还解决了低压电器，特别是塑壳断路器中采用长方体母排结构时，需要精准测量宽范围电流时选用空芯电流互感器的需求，同时本结构还具有抗干扰能力强、增大互感系数容易、灵敏度高等优点。

附图说明

图1为本申请实施例的空芯电流测量结构的第一种实施例的示意图。

图2为本申请实施例的空芯电流测量结构的第一种实施例的侧视图。

图3为本申请实施例的空芯电流测量结构的第一种实施例的后视图。

图4为本申请实施例的空芯电流测量结构的第二种实施例的示意图。

图5为本申请实施例的空芯电流测量结构的第二种实施例的侧视图。

图6为本申请实施例的空芯电流测量结构的第二种实施例的后视图。

图7为本申请实施例的空芯电流测量结构的第三种实施例的示意图。

图8为本申请实施例的空芯电流测量结构的第三种实施例的侧视图。

图9为本申请实施例的空芯电流测量结构的第三种实施例的后视图。

图10为本申请实施例的空芯电流测量结构的第四种实施例的示意图。

图11为本申请实施例的空芯电流测量结构的第五种实施例的示意图。

图12为本申请实施例的空芯电流测量结构的第六种实施例的示意图。

图13为本申请实施例的空芯电流测量结构的第七种实施例的第一侧面示意图。

图14为本申请实施例的空芯电流测量结构的第七种实施例的正面视图。

图15为本申请实施例的空芯电流测量结构的第七种实施例的第二侧面示意图。

图16为本申请实施例的空芯电流测量结构的第八种实施例的第一侧面示意图。

图17为本申请实施例的空芯电流测量结构的第八种实施例的正面视图。

图18为本申请实施例的空芯电流测量结构的第八种实施例的第二侧面示意图。

图19为本申请实施例的断路器结构示意图。

图中标记为：测量电路板1、通孔2、直螺旋管空芯线圈组件3、母排4、线圈内外头引出柱5、铁芯互感器6、控制模块7、电源模块8、触头控制机构9、开关触头10、继电器11。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1所示，本申请的实施例公开了空芯电流测量方法，包括测量机构，所述测量机构包括测量电路板1，所述测量电路板1上设置有供母排4穿过的通孔2，所述测量电路板1上位于通孔2侧边至少设置一组电气串联的直螺旋管空芯线圈组件3，所述直螺旋管空芯线圈组件3与母排4截面平行排布，所述测量电路板1上还设置有第一输出连接端和第二输出连接端，至少一组电气串联的直螺旋管空芯线圈组件3的两输出端分别连接至第一输出连接端和第二输出连接端，所述第一输出连接端和第二输出连接端为空芯电流互感器二次输出端，用于连接控制模块7，具体测量方法为：

步骤一：将母排4在使用设备上安装完毕，对需检测的母排各相上设置有多个相同的测量电路板1，母排4与各个测量电路板1上的直螺旋管空芯线圈平行，直螺旋管空芯线圈平行对称固定；

步骤二：对母排4输入电流，获取各个测量电路板1输出的二次电压；

步骤三：对各个测量电路板1输出的二次电压设置校准参数并将校准参数存储在控制模块7内，此时安装在使用设备上的各个测量电路板对应各相母排输入相同的一次电流，二次输出电压相等；

步骤四：根据输入电流和步骤三中校准后输出的二次电压得到正比系数；

步骤五：使用设备，根据各个测量电路板1输出的二次电压和正比系数获取测量出的各相精准电流，用于实现各种测量和保护。

具体需解释的是，上述的测量机构实质为空芯电流互感器，空芯电流互感器的输出电压为e(t)＝M(di/dt)，M为互感系数，理论公式是针对长导电体垂直穿过封闭环形骨架并密绕线圈中心情况，依据“电磁感应定律”和“安培环路定律”得出的，即空芯电流互感器的输出电压与母排4的输入电流成正比，且电流断路器内导电体结构复杂，大多情况空芯互感器无法做成理想环形和线圈内外径致密绕制，导电体也不是一个方向走线，每段母排4短且折弯形状多样，同一空芯互感器安装在不同壳架不同型号产品内的互感M是不一样的。

本结构中，当在断路器内安装完三相母排4和上述测量机构后，空芯电流互感器和母排4的位置不再发生变化，且三相母排4相互之间的距离也是确定的，因此根据输入电流和步骤三中校准后输出的二次电压得到正比系数，通过该正比系数来对断路器内各段的互感系数进行校准，从而可满足低压电器各种保护特性规定的标准要求，由于机械化的加工生产能保持每只线圈密度和主要参数的一致性，从而大幅降低了对空芯电流互感器的设计和生产要求，同时也能适应断路器内部环境的安装需求。

同时，本结构中的直螺旋管空芯线圈组件3是通过在电路板上布线实现的，此种设计既能精准保证与母排4截面平行排布，又简化并替代线圈串联和输出连接线束的加工；

本实施例中，所述直螺旋管空芯线圈组件3至少包括一个线圈组件，所述线圈组件包括固定在测量电路板1上的支撑骨架，所述支撑件骨架上均匀密绕有多圈漆包线，所述支撑件骨架上均匀密绕的多圈漆包线至少为一层。

具体的，所述支撑件骨架可以为便于绕线设备高效绕线加工的正方体、长方体、圆柱、椭圆柱等，所述支撑骨架上均匀密绕的多圈漆包线为偶数层，具体可为2层、4层等。

本结构中，无需导磁体的设置，且本多圈漆包线圈的最优圈数为偶数层，此种设置可减少线圈受到平行空间磁场的影响。

本实施例中，所述支撑骨架两端均设置有用于缠绕漆包线内外头的引出柱5。

具体的，在进行多圈漆包线的绕制时，漆包线的内外头可直接绕在引出柱5上引出，从而便于与电路板上对应的焊点焊接出线。

具体的，所述测量电路板1上位于通孔2两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件3，每组直螺旋管空芯线圈组件3均包括一个线圈组件，2个线圈组件的一端相连，两个线圈组件的另一端分别连接第一输出连接端和第二输出连接端。

具体的，所述测量电路板1上位于通孔2两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件3，每组直螺旋管空芯线圈组件3均包括2个线圈组件，每组直螺旋管空芯线圈组件3的2个线圈分别位于测量电路板1的2面，2组直螺旋管空芯线圈组件3的4个线圈组件串联，2组直螺旋管空芯线圈组件3串联组合的的2个输出端分别连接第一输出连接端和第二输出连接端。

具体的，所述测量电路板1上位于通孔2两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件3，每组直螺旋管空芯线圈组件3均包括4个线圈组件，每组直螺旋管空芯线圈组件3的4个线圈平行对称固定于测量电路板1的2面，2组直螺旋管空芯线圈组件3的8个线圈组件串联，2组直螺旋管空芯线圈组件3串联组合后的2个输出端分别连接第一输出连接端和第二输出连接端。

需解释的是，上述线圈组件中的线圈绕制方向可根据线圈组件的前后上下排布和连接需要进行设定，即当同侧的线圈组件为首尾相连的情况时，两个线圈组件中的线圈绕制方向相同，均为顺时针绕制或逆时针绕制，当同侧的线圈组件为首首相连或尾尾相连的情况时，两个线圈组件中的线圈绕制方向相反，一个为顺时针绕制、另一个为逆时针绕制，如果仅采用两侧线圈组件串联组合，一般均采用相同的线圈组件。

本结构中的2组直螺旋管空芯线圈组件3可采用多种组合和连接方式，当每组的线圈组件多于2个时，可对称平行前后排布或上下两层或多层叠放排布，再进行多种方式的串联，这种成对增加同样的线圈组件排布且线圈组件串联的方案，能有效抵消外磁场干扰。

本发明还公开了一种混合电流互感器，包括上述所述的空芯电流测量方法中所述的测量机构，还包括用于供电的铁芯互感器6，所述铁芯互感器6平行安装于测量机构附近，并与空芯电流互感器共同穿过同一相母排。

所述铁芯互感器6包括安装在导磁体上的一个或2个线圈。

本发明还公开了一种断路器，包括上述所述的混合电流互感器，包括断路器本体，所述断路器本体内设置有控制模块7、电源模块8和三相母排4线路，所述混合电流互感器安装在三相母排4线路上，所述铁芯互感器6与电源模块8连接，还包括触头控制机构9和位于三相母排4线路上的开关触头10，所述触头控制机构9用于控制开关触头10的开闭，还包括继电器11，所述继电器11安装在控制机构和控制模块7之间，所述继电器11用于接收控制模块的保护动作指令，断路器通过混合电流互感器，铁芯互感器提供工作电源，测量机构检测到三相母排线路上的故障电流，经控制模块7预设的定时限或反时限特性处理，驱动继电器和控制机构，从而快速断开开关触头，保护设备和线路，减少故障损失。

具体的，以下是几种直螺旋管空芯线圈组件3的连接实施例：

实施例一：如图1至图3所示，包括测量电路板1，第一输出连接端和第二输出连接端分别记为L1和L2，所述测量电路板1上一侧面位于通孔2两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件3，每组直螺旋管空芯线圈组件3均包括1个线圈组件，分别为第一线圈组件和第二线圈组件，第一线圈组件的两个连接端分别为③号端和④号端，第二线圈组件的两个连接端分别为①号端和②号端，④号端和②号端相连，③号端连接L1，①号端连接L2；

当与铁芯互感器6混合连接时，铁芯互感器6可安装于测量电路板1的另一侧面。

实施例二：如图4至图6所示，包括测量电路板1，第一输出连接端和第二输出连接端分别记为L1和L2，所述测量电路板1上一侧面位于通孔2一侧设置有1组直螺旋管空芯线圈组件3，每组直螺旋管空芯线圈组件3包括1个线圈组件，线圈组件的两个连接端分别为①号端和②号端，①号端连接L1，②号端连接L2；

当与铁芯互感器6混合连接时，铁芯互感器6可安装于测量电路板1的另一侧面。

实施例三：如图7至图9所示，包括测量电路板1，第一输出连接端和第二输出连接端分别记为L1和L2，所述测量电路板1上一侧面位于通孔2一侧设置有1组直螺旋管空芯线圈组件3，这组直螺旋管空芯线圈组件3包括1个线圈组件，线圈组件的两个连接端分别为①号端和②号端，①号端连接L1，②号端连接L2；

当与铁芯互感器6混合连接时，铁芯互感器6可安装于测量电路板1的通孔2另一侧。

实施例四：如图10所示，包括测量电路板1，第一输出连接端和第二输出连接端分别记为L1和L2，所述测量电路板1上一侧面位于通孔2两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件3，每组直螺旋管空芯线圈组件3均包括2个线圈组件，按顺序依次记为第一线圈组件、第二线圈组件、第三线圈组件和第四线圈组件，所述第一线圈组件和第二线圈组件并排设置在通孔2一侧，第三线圈组件和第四线圈组件并排设置在通孔2另一侧，第一线圈组件的两端连接端分别为⑤号端和⑥号端，第二线圈组件的两端连接端分别为③号端和④号端，第三线圈组件的两端连接端分别为①号端和②号端，第四线圈组件的两端连接端分别为⑦号端和⑧号端，其中，⑥号端与⑧号端连接，④号端与②号端连接，⑤号端与①号端连接，③号端连接L1，⑦号端连接L2。

实施例五：如图11所示，包括测量电路板1，第一输出连接端和第二输出连接端分别记为L1和L2，所述测量电路板1上一侧面位于通孔2两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件3，每组直螺旋管空芯线圈组件3均包括2个线圈组件，按顺序依次记为第一线圈组件、第二线圈组件、第三线圈组件和第四线圈组件，所述第一线圈组件和第二线圈组件并排设置在通孔2一侧，第三线圈组件和第四线圈组件并排设置在通孔2另一侧，第一线圈组件的两端连接端分别为⑤号端和⑥号端，第二线圈组件的两端连接端分别为③号端和④号端，第三线圈组件的两端连接端分别为①号端和②号端，第四线圈组件的两端连接端分别为⑦号端和⑧号端，其中，⑥号端与②号端连接，④号端与⑧号端连接，⑤号端与⑦号端连接，③号端连接L1，①号端连接L2。

实施例六：如图12所示，包括测量电路板1，第一输出连接端和第二输出连接端分别记为L1和L2，所述测量电路板1上一侧面位于通孔2两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件3，每组直螺旋管空芯线圈组件3均包括2个线圈组件，按顺序依次记为第一线圈组件、第二线圈组件、第三线圈组件和第四线圈组件，所述第一线圈组件和第二线圈组件并排设置在通孔2一侧，第三线圈组件和第四线圈组件并排设置在通孔2另一侧，第一线圈组件的两端连接端分别为⑤号端和⑥号端，第二线圈组件的两端连接端分别为③号端和④号端，第三线圈组件的两端连接端分别为①号端和②号端，第四线圈组件的两端连接端分别为⑦号端和⑧号端，其中，⑥号端与②号端连接，④号端与⑧号端连接，③号端与①号端连接，⑤号端连接L1，⑦号端连接L2。

实施例七：如图13至图15所示，包括测量电路板1，第一输出连接端和第二输出连接端分别记为L1和L2，所述测量电路板1位于通孔2两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件3，每组直螺旋管空芯线圈组件3均包括2个线圈组件，按顺序依次记为第一线圈组件、第二线圈组件、第三线圈组件和第四线圈组件，所述第一线圈组件和第二线圈组件分别平行对称位于电路板通孔2一侧的两面，第三线圈组件和第四线圈组件分别平行对称位于电路板通孔2另一侧的两面，第一线圈组件的两端连接端分别为③号端和④号端，第二线圈组件的两端连接端分别为⑤号端和⑥号端，第三线圈组件的两端连接端分别为①号端和②号端，第四线圈组件的两端连接端分别为⑦号端和⑧号端，其中，④号端与②号端连接，⑥号端与⑧号端连接，⑤号端与①号端连接，③号端连接L1，⑦号端连接L2。

实施例八：如图16至图18所示，包括测量电路板1，第一输出连接端和第二输出连接端分别记为L1和L2，所述测量电路板1位于通孔2两侧设置有2组直螺旋管空芯线圈组件3，每组直螺旋管空芯线圈组件3均包括4个线圈组件，按顺序依次记为第一线圈组件、第二线圈组件、第三线圈组件、第四线圈组件、第五线圈组件、第六线圈组件、第七线圈组件和第八线圈组件，所述第一线圈组件、第二线圈组件、第三线圈组件和第四线圈组件分别平行对称位于电路板通孔2一侧的两面，第五线圈组件、第六线圈组件、第七线圈组件和第八线圈组件分别平行对称位于电路板通孔2另一侧的两面，第一线圈组件的两端连接端分别为⑤号端和⑥号端，第二线圈组件的两端连接端分别为③号端和④号端，第三线圈组件的两端连接端分别为

以下是采用实施例一中的结构做的直螺旋管空芯线圈测量参数记录：

两组各一只直螺旋管空芯线圈测量参数记录

与导电体母排4平行排布

综上所述，本发明具有以下优点：

1、抗干扰能力强。直螺旋管空心线圈相对导电体截面平行对称的排布和导电体两侧线圈平衡对称的连线方式使外界干扰在母排4导电体两侧的螺线管空芯线圈组件中产生的感应电动势两两相消，而母排一次导电体产生的感应电动势是分别叠加的，此种结构既保证了抗干扰能力，又保证了测量精度。

2、增大互感系数容易。在通过增加单层匝数与层数的办法上，罗氏线圈因环形骨架结构很难保证各层均匀密绕，本结构的直螺旋管空芯线圈组件3比环形、或矩形/椭圆等非标闭环螺线管容易绕制，更易保证均匀密绕的一致性；此外，直螺旋管空心线圈组件还可通过成对增加线圈组件个数的办法来增大互感系数和提升抗干扰能力；

3、灵敏度高。直螺旋管空心线圈组件与母排4导体更容易实现尽可能靠近，磁通铰链更强，同时多个线圈串联匝数多，可以获得较强的输出信号；

4、长直螺线管结构简单，比环形制作加工简单，成本低，加工一致性好。

5、通过引出柱5的设置，使得直螺线管上线圈内外头绕线机易在两端直接缠绕引出，从而可减少单独做头工序；

6、通过实物样机制作和测试，装配在塑壳断路器中，ABC相间电流影响、铁芯互感器6饱和磁场影响等通过本专利方法实现的各相母排一次电流的测量和校准，精度满足断路器保护的要求，每组采用多个线圈串联结构具有良好的抗干扰能力。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。