阅读说明：本技术 一种非侵入式计量电流和电压的设备 (Non-invasive current and voltage metering device ) 是由 徐奇梁 许鹰 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种非侵入式计量电流和电压的设备,该设备安装在待测电流和电压的线缆上；其特征在于：包括印刷电路、电容式感应器和磁感应装置；本发明中采用非侵入式,非电测量的方式,通过测量量载电导线周围的电场和磁场,来计量输电,配电,和用电情况；安装和使用该装置,无论对输配电,还是用电侧的正常工作都不产生任何影响；此装置无需对载电导体有物理理接触；通过测量磁场的装置可以支持高频频宽的测量,还能兼容直流和交流的测量。(The invention relates to a non-invasive current and voltage metering device, which is arranged on a cable for current and voltage to be measured; the method is characterized in that: comprises a printed circuit, a capacitance type inductor and a magnetic induction device; the invention adopts a non-invasive and non-electric measurement mode to measure the conditions of power transmission, power distribution and power consumption by measuring the electric field and the magnetic field around the power-carrying lead; the installation and the use of the device do not affect the normal work of power transmission and distribution or power utilization sides; the device does not require physical contact to the current carrying conductor; the device for measuring the magnetic field can support the measurement of high-frequency bandwidth and is compatible with the measurement of direct current and alternating current.)

一种非侵入式计量电流和电压的设备

技术领域

本发明涉及电力测量领域，尤其涉及一种非侵入式计量电流和电压的设备。

背景技术

电流测量分为侵入式和非侵入式两种方法，侵入式电流测量的依据欧姆定律，具有成本低、精度较高、体积小的优点，缺点也非常明显，温漂较大，精密电阻的选择较难，无隔离效果。非侵入式电流测量主要有电流互感器、霍尔传感器等方法。其中电流互感器是目前我国电能计量装置中使用最广泛的电流测量方式。

电流互感器主要由一次绕组、二次绕组、铁芯、绕组间与铁芯的绝缘以及外壳组成，工作原理与变压器类似；电流互感器原理简单，使用方便，可以测量非常大的电流，消耗的功率却很少，是目前大电流电子电能表中使用得最多的感应器。国内成熟商业产品正常的输出为5A或1A，能为电磁式继电器提供足够的驱动能力。

但是由于这些产品只能针对低空低压的一些线路测试，但是针对高空高压高电流的电路中对电流和电压的整体计量，现有的电流互感器测量动态范围小、频带窄、抗干扰性能差和测量精度差的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种侵入式计量电流和电压的设备，能够解决传统的侵入式电流和电压测量带来的不方便以及现有的非侵入式电流电压测量采用的电流互感器测量动态范围小、频带窄、抗干扰性能差和测量精度差的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种非侵入式计量电流和电压的设备，该设备安装在待测电流和电压的线缆上；其创新点在于：包括印刷电路、电容式感应器和磁感应装置；

所述电容式感应器和磁感应装置均设置在印刷电路上，所述印刷电路上设置有模拟信号处理电路；所述电容式感应器具有一对且分别位于待测电流的零线和火线上；所述磁感应装置至少包括一个磁感应器。

进一步的，所述磁感应装置包括一个磁感应器，磁感应装置还包括磁铁心、副变线圈、放大器和副变线圈驱动器；所述磁铁心呈圆环结构，磁铁心上开有一缺口，所述磁感应器设置在磁铁心的缺口处，所述副变线圈缠绕在磁铁心上；所述放大器的一端通过导线与磁感应器相连，放大器的另一端与副变线圈驱动器的一端相连，所述副变线圈驱动器的另一端连接在副变线圈的一端上，所述副变线圈的另一端连接在印刷电路上且副变线圈与印刷电路相连的线路上并联有一负载电阻。

进一步的，所述磁感应装置中的磁感应器具有两个，所述该对磁感应器之间的间距固定设置，该对磁感应器安装在印刷电路上。

进一步的，所述磁感应器为巨磁阻GMR或穿隧磁阻TMR磁场感应器。

本发明的优点在于：

1）本发明中采用非侵入式，非电测量的方式，通过测量量载电导线周围的电场和磁场，来计量输电，配电，和用电情况；安装和使用该装置，无论对输配电，还是用电侧的正常工作都不产生任何影响；此装置无需对载电导体有物理理接触；通过测量磁场的装置可以支持高频频宽的测量，还能兼容直流和交流的测量。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步详细的说明。

图1为实施例1中一种非侵入式计量电流和电压的设备结构图。

图2为实施例1中种非侵入式计量电流和电压的设备连接电路图。

图3为实施例2中一种非侵入式计量电流和电压的设备结构图。

图4为本发明的一种非侵入式计量电流和电压设备中磁场强度二阶梯度分布图。

图5为本发明的一种非侵入式计量电流和电压设备磁感应的分布测试图。

图6为本发明的一种非侵入式计量电流和电压的设备的电压测量原理图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1：

如图1所示的一种非侵入式计量电流和电压的设备，该设备安装在待测电流和电压的线缆上；包括印刷电路1、电容式感应器2和磁感应装置3。

电容式感应器2和磁感应装置3均设置在印刷电路1上，所述印刷电路1上设置有模拟信号处理电路；所述电容式感应器2具有一对且分别位于待测电流的零线和火线上。

磁感应装置3包括一个磁感应器31，磁感应装置3还包括磁铁心32、副变线圈33、放大器34和副变线圈驱动器35；所述磁铁心32呈圆环结构，磁铁心32上开有一缺口，所述磁感应器31设置在磁铁心32的缺口处，所述副变线圈33缠绕在磁铁心32上；所述放大器34的一端通过导线与磁感应器31相连，放大器34的另一端与副变线圈驱动器35的一端相连，所述副变线圈驱动器35的另一端连接在副变线圈33的一端上，所述副变线圈33的另一端连接在印刷电路1上且副变线圈33与印刷电路1相连的线路上并联有一负载电阻36。

磁感应器31为巨磁阻GMR或穿隧磁阻TMR磁场感应器。

工作原理如下：

该装置采用磁平衡测量原理, 原边电流记作Ip，即被测量的电流，在软磁材料料中产生生的磁场，使磁感应器输出一定的电信号，该电信号经过一个放大器，来驱动副变线圈，圈数记作Ns以产生一个与原边电流方向相反的副边电流记作Is)，放大器会迫使副边电流抵消原边电流产生的磁场，所以在失调电压为零的情况下, 磁芯中的磁场为0，副边电流与原边电流存在以下的关系,

Is = − Ip/Ns

然而，在实际运用中，所有的惠斯通电桥装置都存在一定的失调电压，加上软磁体或许存在一定的剩余磁通，副边电流输出将有以下的关系，

Is = − Ip/Ns- (BrS +α)/ SβNs

Br: 剩余磁通密度 (G)

S: 磁感应器器的灵敏敏度 (mV/V/G)

α: 失调电压 (mV/V)

β: 磁芯系数 (G/A)

根据上述公式可以计算出原边电流Ip。

因电阻的不平衡和剩余磁通带来的失调电压，必须控制在一定范围内并用一个直流电压进行补偿。这个直流电压的大小可以在出厂前做校准。

实施例2：

如图2所示的一种非侵入式计量电流和电压的设备，该设备安装在待测电流和电压的线缆上，包括印刷电路1、电容式感应器2和磁感应装置3；

所述电容式感应器2和磁感应装置3均设置在印刷电路1上，所述印刷电路1上设置有模拟信号处理电路；所述电容式感应器2具有一对且分别位于待测电流的零线和火线上。

磁感应装置3中的磁感应器具有两个，所述该对磁感应器31之间的间距固定设置，该对磁感应器31安装在印刷电路上。

磁感应器31为巨磁阻GMR或穿隧磁阻TMR磁场感应器。

工作原理如下：

该装置采用梯度测量法，磁场会随着测量点到导体之间的距离增加而衰减，当测量点周边存在干扰电流源时，测量的读数会被干扰源影响，影响的程度和磁场的衰减速度有关，磁场若衰减的越快，相对的影响程度就越小，磁场梯度的衰减速度远远大于磁场本身的随距离的衰减如图4所示。本发明采用测量二阶的磁场梯度以减少或消除外界电流源和磁场源对于测量的影响。具体公式如下，

测量点距被测量导体的距离是：R1，距离干扰源的距离为，R2，

一般情况下，R2 > R1；

磁场二阶梯度信扰比：(R2/R1)²。

如图5所示对于则单独导线，它的磁场分布近乎于无限延伸的直导线模型，根据Biot-Savart 定律，B1=I/2πr ；B2 = I/2π(r+d), 在校准过程中，磁场读值B1和B2，两感应器相互距离d，为已知。；电流 I 和原始距离 r为未知，未知可以由两个感应器测的读数计算获得。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。