[0001] 本发明涉及电力测量技术领域，尤其涉及使用感应装置。

[0002] 对于导体中电流的非接触测量，即无电位测量，已知的是所谓的直接成像电流传感器，其检测磁回路中由电流引起的磁通量，例如通过霍尔传感器或磁场探头，并产生与电流成比例的测量信号。这种直接成像电流传感器也称为开环电流传感器，其没有闭环控制回路。此外，已知补偿电流传感器，其中通过磁路(铁芯)中的闭环控制回路连续产生与待测电流的磁场相同大小的反向磁场，从而连续产生(近似)完全的磁场补偿，并且可以从产生反向磁场的参数确定待测电流的大小。对于较高频率的电流，补偿电流传感器因其铁芯的存在，实质上起到了电流互感器的作用。例如，公开号为CN117377882A的中国专利，公开了用于电流传感器的磁芯，提供了以下技术方案，该专利申请涉及一种用于电流传感器的磁芯。根据一个实施例，磁芯具有由第一软磁材料组成的的第一芯部以及由第二软磁材料组成的环形的第二芯部，其具有比第一材料更低的磁导率、更高的饱和感应和更高的矫顽力。但是，上述的一种用于电流传感器的磁芯，采用反向施加直流磁场的方式来抵消直流偏磁，但这种方法往往会对交流磁场产生干扰，难以实现精确补偿。

[0030] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。其中各部件比例并非按照真实比例绘制，其附图中所示的比例及尺寸并不应限制本发明的实质技术方案，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。

[0031] 参见图1‑2所示，一种交直流磁场解耦补偿的电流互感器，其特征在于，包括互感器本体和补偿装置，所述补偿装置包括直流补偿绕组与自适应调节模块，所述直流补偿绕组与自适应调节模块连接，所述直流补偿绕组缠绕在所述互感器本体外围。

[0032] 一种交直流磁场解耦补偿的电流互感器调节方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：检测模块采集数据并进行处理后发送给控制单元；
S2：控制单元根据处理后的数据生成对应的指令信号发送给补偿执行模块；
S3：补偿执行模块执行相应指令，检测模块采集并处理补偿后的数据；
S4：控制单元根据补偿后的数据动态调整指令并发送至补偿执行模块。

[0034] 如图1所示的一种实施例中，图1为本发明一种交直流磁场解耦补偿的电流互感器的示意图。本发明提供了一种交直流磁场解耦补偿的电流互感器，该互感器主要包括互感器本体和补偿装置。补偿装置由直流补偿绕组和自适应调节模块构成，直流补偿绕组与自适应调节模块相连，并缠绕在互感器本体的外围，以实现有效的磁场补偿。互感器本体设计精妙，包含铁芯、初级绕组和次级绕组。铁芯巧妙分为两个部分：中心磁芯和外围磁芯，分别用于感应交流磁场和直流磁场。中心磁芯位于铁芯中央，而外围磁芯则布置在铁芯外侧。初级绕组紧密缠绕在中心磁芯上并与外部测试端口相连，而次级绕组则环绕在中心和外围磁芯上，负责输出互感器信号。直流补偿绕组的设计使其位于外围磁芯上，并且产生的磁场主要分布在外围磁芯周围，与直流干扰磁场相反向，达到抵消的效果。自适应调节模块包括补偿执行模块、检测模块和控制单元。补偿执行模块依据控制单元发出的控制信号进行相应的调节，检测模块则负责采集信号并将其传输至控制单元进行进一步处理。在补偿执行模块中，包含有可变电阻以便于调节补偿力度，而检测模块则配备有电流传感器和磁敏电阻传感器以确保准确采集必要的数据。在本实施例中，直流补偿绕组具备50至550匝的匝数范围，以确保能够产生适当的补偿磁场。通过这种精心设计，本发明的电流互感器能够有效分离并补偿交直流磁场，优化性能并提高测量精度。

[0035] 其中，直流补偿绕组的匝数取决于几个关键因素：预期补偿的直流偏磁强度、铁芯的磁性特性、预期的补偿精度以及电流互感器的设计参数。具体来说，合理确定匝数的过程涉及到对电磁场的精确计算和仿真，以及可能的实验测试。需要考虑的关键因素在于：1.直流偏磁强度：需要补偿的直流偏磁越大，通常需要的补偿绕组匝数就越多，以产生足够的反向磁场；
2.铁芯材料：铁芯的磁性特性(如饱和磁化强度和磁导率)会影响所需的匝数。高磁导率材料可能需要较少的匝数就能达到相同的补偿效果；
3.空间限制和损耗：实际的设计中，空间大小和绕组中的电阻性损耗也会限制最大匝数。增加匝数会增加绕组的电阻，从而增加损耗。

[0036] 例如，在一种实施例中，本发明设计的电流互感器应用于一个较小规模的商业建筑或轻工业设施中，这些场所通常不会有很强的直流偏磁干扰。该互感器主要用于监测电气系统中的电流，以确保安全和效率，同时避免因直流偏磁而导致的轻微测量误差。

[0037] 技术参数设定：预期直流偏磁补偿能力：设备设计用于补偿最高10A的直流分量。

[0038] 铁芯材料：使用具有高磁导率的纳米晶合金，具有较低的高频损耗特性，其初始相对磁导率(μi)可达10,000。

[0039] 铁芯截面积：假设铁芯的有效截面积为Ae＝2cm2。

[0040] 工作频率：交流频率为50Hz，符合普通工业与商业电力系统频率。

[0041] 设计电流：互感器主要用于监测最高300A的交流电流。

[0042] 在这种情况下，直流补偿绕组设计为100匝已足够实现所需的补偿效果，因为直流分量相对较小(最多10A)，且使用了高效的铁芯材料。具体估算过程如下：补偿的直流偏磁所需要的磁动势MMF是绕组匝数和流经绕组的电流的乘积，表示为：MMF＝N×I。

[0043] 其中N是绕组的匝数，I是流经绕组的电流。

[0044] 为了计算所需的MMF来补偿10A的直流分量，需要知道铁芯的磁导率，以及由直流分量引起的磁场强度。使用安培定律，可以估计所需的MMF来抵消铁芯中由于直流分量所产生的磁场：H＝lN×I。

[0045] 其中H是磁场强度(A/m)，l是铁芯的平均磁路长度(m)，N是匝数，I是电流(A)。

[0046] 假设铁芯的平均磁路长度为30cm(0.3m)，我们可以计算出所需的H来补偿10A的直流分量：H＝0.3100×10≈3333A/m。

[0047] 其中，该值是为了产生足够的磁场来抵消铁芯中由于10A直流分量所产生的磁通量。为了达到这个H值，我们选择了100匝，这是基于空间限制和绕组损耗的考虑。更少的匝数有助于减少绕组中的电阻损耗，并且更容易适应紧凑的设计。

[0048] 在实际设计中，这个计算只是一个起点。最终的匝数可能需要根据实验和更详细的电磁场模拟来调整。如果测试表明需要更强或更弱的补偿，则设计师可以增加或减少匝数，或者调整流经补偿绕组的电流，以达到所需的补偿效果。

[0049] 又例如，在另一种实施例中，需要一个用于工业电力系统的电流互感器，该系统经常受到较大的直流偏磁影响，这通常发生在接近大型直流设备或是电气化铁路系统附近。该互感器的目的是准确测量流经一个高压交流输电线的电流，其中包含的直流分量可能导致传统电流互感器的铁芯饱和，从而影响测量精度。

[0050] 技术参数设定：被测电流范围：最高达到1000A的交流电流，包含最高达100A的直流分量。

[0051] 铁芯材料：采用高磁导率的纳米晶铁芯材料，以减少所需的补偿绕组匝数并降低能耗。

[0052] 空间与热管理限制：设计需要考虑到绕组占用的空间以及由于电阻而产生的热量，以确保系统的可靠性。

[0053] 匝数估算：对于上述场景，假设需要设计一个直流补偿绕组，以抵消直流偏磁并恢复铁芯的线性特性。考虑到直流分量的大小(最高100A)和铁芯的高磁导率，目标是实现足够的补偿，同时尽量减少匝数以降低损耗和占用空间。通过初步的设计计算和仿真，为了有效补偿最高100A的直流分量，并考虑到系统设计的灵活性和铁芯材料的磁性特性，直流补偿绕组的匝数需要设置在大约500匝。

[0054] 这一匝数允许绕组产生足够的磁场，对抗直流偏磁，同时保持电阻在可接受的范围内，避免过多的热损耗。

[0055] 实施步骤：设计阶段：使用电磁场仿真软件对互感器的磁路进行建模，进一步优化匝数和绕组布局。

[0056] 原型制作：根据设计参数，制作一个包含500匝直流补偿绕组的电流互感器原型。

[0057] 测试与调整：在实际应用场景中测试原型的性能，包括补偿效果和热管理。如果必要，调整匝数以达到最佳性能。

[0058] 最终评估：在完成测试和必要的调整后，评估电流互感器的整体性能，确保其满足工业应用的要求。

[0059] 通过这种方法论，我们能够为特定的应用场景提供一个合理的匝数估算，同时保证系统的高性能和可靠性。

[0060] 如图2所示的一种实施例中，图2为本发明一种交直流磁场解耦补偿的电流互感器调节方法的流程图。

[0061] 首先，本发明在硬件部分设计了一种抗直流偏磁电流互感器，包括互感器本体和补偿装置。其中，互感器本体包括铁芯、初级绕组和次级绕组，铁芯采用特殊的磁路结构设计，由中心磁芯和外围磁芯两部分组成。中心磁芯用于感应交流磁场，主要集中在铁芯的中心区域；外围磁芯用于感应直流磁场，主要分布在铁芯的外围区域。初级绕组缠绕在中心磁芯上，用于接入被测电流；次级绕组缠绕在中心磁芯和外围磁芯上，用于输出互感器信号。

[0062] 补偿装置包括直流补偿绕组和可控电阻，直流补偿绕组缠绕在外围磁芯上，其匝数和分布经过特殊设计，使其产生的磁场主要分布在外围磁芯区域，与直流干扰磁场形成反向抵消，而对中心磁芯区域的交流磁场影响很小。可控电阻与补偿绕组串联，用于调节补偿磁场的大小。

[0063] 互感器工作时，被测电流产生的交流磁场主要感应在中心磁芯上，直流磁场主要感应在外围磁芯上。补偿绕组根据外围磁芯上的直流磁场大小，产生反向补偿磁场，对直流偏磁进行抵消。同时，通过调节可控电阻的阻值，改变补偿磁场强度，实现自适应补偿。由于交流磁场和直流磁场在空间上实现了分离，补偿磁场主要作用于外围磁芯，因此不会对中心磁芯上的交流磁场造成畸变，保证了测量精度。

[0064] 同时，设计了自适应调节模块，以及与其适配的自适应调节方法，本发明设计的电流互感器调节方法通过精确控制，确保了交直流磁场的有效解耦补偿。整个调节过程可概括为以下步骤：1.数据采集与初步处理：检测模块负责采集数据，并对其进行必要处理。处理完成的数据随即被发送至控制单元。

[0065] 2.指令生成与下达：控制单元接收处理后的数据，并据此生成指令信号。这些信号随后被传递至补偿执行模块，以便指导其后续操作。

[0066] 3.执行补偿与数据回馈：补偿执行模块根据收到的指令进行操作。同时，检测模块继续采集补偿后的数据，再次处理并反馈给控制单元。

[0067] 4.动态指令调整：控制单元分析补偿后的数据，并据此动态调整指令。具体来说，这一步骤包含以下细节：a.交流磁场变化评估：控制单元会评估交流磁场在补偿前后的变化。如果变化超过设定的阈值，控制单元将发起错误报告；如果未超过，流程继续至下一环节。

[0068] b.直流磁场调整判定：控制单元利用预设的算法，结合接收到的数据，判断直流磁场是否需要进一步调整。如果需要调整，流程进入下一步；如果不需要，流程将跳转到数据采集的下一轮。

[0069] c.调整指令发送与算法优化：控制单元依据算法和接收到的数据，发送调整指令至补偿执行模块。在发送指令的同时，控制单元会根据最新数据优化算法参数，然后流程返回至执行补偿的步骤。

[0070] d.电流大小评估与循环调整：检测模块继续采集数据，控制单元会判断被测电流的大小变化是否超过另一设定阈值。如果超过，流程返回至交流磁场变化评估；如果未超过，流程将持续在此步骤循环。

[0071] 在实际补偿执行环节中，该方法特别包括了一个关键操作：根据收到的指令将可变电阻调节至相应的阻值。这一调节完成后，检测模块会采集直流磁场及交流磁场的大小，并将这些数据发送至控制单元进行后续处理。

[0072] 其中，当检测装置检测到交流磁场大小的变化超过阈值后，判定补偿后对交流磁场产生过量的干扰，此时可能是因为装置发生损坏或是因该型号装置不适配此情景，即目前场景超出该装置可补偿的范围。

[0073] 例如，在一种实施例中，采用PID控制器作为控制单元，利用PID算法辅助控制自适应调节，具体步骤如下：1.参数初始化：首先，为PID控制器设置合理的初始参数。比例系数(Kp)、积分系数(Ki)和微分系数(Kd)需要根据系统的动态特性进行预设。这些参数影响着控制器响应速度和稳态精度。

[0074] 2.误差计算：在每个控制周期内，首先计算当前磁场误差值，即期望磁场值与检测模块采集到的实际磁场值之间的差值。误差信息是调整PID参数的关键。

[0075] 3.PID调整策略：比例调节(P)：调整Kp参数以改变系统对当前误差的反应。较高的Kp可以加快系统响应，但过高可能导致系统过冲和振荡。

[0076] 积分调节(I)：调整Ki参数以消除稳态误差。积分作用累积误差，随着时间逐渐调整输出，以确保长期精度。

[0077] 微分调节(D)：调整Kd参数来抑制误差变化率，即系统的快速变动。微分作用能预测误差的变化趋势，减少过冲和振荡。

[0078] 4.自适应调整：根据系统的反馈及PID算法，自适应调整Kp、Ki和Kd参数。这其中，可以采用多种方法，例如：Ziegler‑Nichols方法：通过测试系统来获得临界增益和振荡周期，然后根据这些数据计算出PID参数。

[0079] 模糊逻辑控制：利用模糊逻辑来调整PID参数，根据误差和误差变化率的不同值动态调整参数。

[0080] 遗传算法或其他优化算法：使用遗传算法自动搜索最佳的PID参数，以实现最佳的控制效果。

[0081] 5.实施和反馈：应用新计算的PID参数到控制单元，并监控补偿执行模块的效果。持续监测系统的输出和稳定性，调整PID参数以确保最佳性能。

[0082] 6.循环迭代：不断重复这一过程，对PID参数进行微调，直到达到预期的控制精度和动态响应要求。

[0083] 通过这样的自适应调节策略，PID控制器可以在各种工况变化下保持电流互感器交直流磁场解耦补偿的高精度，满足系统稳定和快速响应的要求。

[0084] 本发明设计的一种交直流磁场解耦补偿的电流互感器及其调节方法，通过独特的设计理念和先进的自适应调节技术，有效解决了传统电流互感器在直流偏磁环境下精度受损的问题。该技术在实现交直流磁场有效分离的同时，通过精心设计的直流补偿绕组和自适应调节模块，动态调整补偿电流，减少直流偏磁对交流磁场的干扰，从而提高了测量精度和系统稳定性。

[0085] 具体而言，该互感器分别通过中心磁芯和外围磁芯来分别感应交流磁场和直流磁场，实现空间上的有效分离。直流补偿绕组缠绕在外围磁芯上，可以根据实际测量到的直流磁场大小产生相应的反向磁场，以达到抵消直流偏磁的目的。该设计不仅减少了对交流磁场的影响，也确保了高精度和高稳定性的电流测量，特别是在直流干扰较大的工业环境中。此外，自适应调节模块采用PID控制策略，能够根据实时反馈动态调整PID参数，实现精确控制。这种控制策略不仅以其高速响应和长期稳定性而突出，还使得互感器能够适应各种复杂工况的变化。采用Ziegler‑Nichols方法、模糊逻辑控制或遗传算法等多种自适应调整方法，可以进一步优化PID参数的搜索和调整过程，以适应具体的系统和应用需求。

[0086] 整个系统的设计考虑到了直流偏磁强度、铁芯材料的磁性特性、空间限制和损耗等多个因素，通过精确计算和仿真来确定直流补偿绕组的最佳匝数，既保证了补偿效果，也避免了不必要的能耗和热损失。这样的设计使得电流互感器不仅能在小型商业建筑或轻工业设施中准确测量电流，同时也能在接近大型直流设备或电气化铁路系统等直流偏磁强烈的工业电力系统中可靠工作。通过这种电流互感器的设计和调节方法，可以显著提高电流测量的准确性和可靠性，特别是在现代化工业自动化和电力系统监控应用中，能够为客户提供高性能的测量解决方案。这不仅有助于保护和优化电力系统的运行，还有助于提高能源效率和设备安全，从而在技术和经济上都为用户带来显著的好处。

[0087] 本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或材料构成上作任何变化，凡是采用本发明所提供的结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在本发明保护范围之内。