CN106249116A - 高频电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频电流传感器，包括两个分体式的金属屏蔽外壳，所述金属屏蔽外壳的内壁开设有凹槽，所述凹槽内嵌入有半环型磁芯，所述凹槽上开设有用于通过磁力的环型缝隙；所述半环型磁芯与凹槽之间留有空隙，所述空隙填充有绝缘材料，当两个金属屏蔽外壳的两端分别连接时，所述金属屏蔽外壳内的两个半环型磁芯组成环型磁芯；其中一个半环型磁芯的上缠绕有两段线圈，且所述两段线圈的缠绕方向相反。本发明将差分放大的原理，引入到高频电流传感器中，充分利用差分电路有效消除干扰和两倍放大原始信号的特点，有效地提高了高频电流传感器的抗干扰能力，并极大提高了传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及局部放电检测技术领域，特别是一种用于电缆和变压器局部放电测试的高频电流传感器。
背景技术
局部放电检测是检验高压开关GIS、变压器、发电机、电力电缆等高压电气设备绝缘状态的重要试验。现有技术中，除了可以使用超声波法和超高频法直接对高压电气设备的局部放电进行测量外，也可以通过检测高压电气设备接地线的高频电流信号来检测其内部的局部放电状况。高频电流法不仅可以实现对一些微小的绝缘缺陷引起的电缆局部放电微信号的检测，而且可以在线监测电缆、变压器和发电机组等设备绝缘介质的绝缘状态。作为检测和判断局部放电故障的有效方法，高频电流法在发电机、变压器和高压电缆的局放现场检测及在线监测中得到了广泛的应用。
高频电流传感器(HFCT)作为高频电流检测法检测局部放电的传感器部件，一般使用Rogowski线圈方式，在环状的磁芯材料上围绕多匝导电线圈，高频电流穿过磁芯中心引起的高频交变磁场会在线圈中产生感应电流。高频电流传感器的频带宽度和灵敏度是衡量传感器性能的最重要的两个参数。此外，传感器现场抗干扰能力也是衡量传感器性能的重要指标。然而，现有的高频电流传感器在设计上存在频带宽而灵敏度不足或灵敏度高而频带较窄的缺陷，或由于设计上存在电磁屏蔽缺陷，造成在实际应用中仍然存在一定的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种高频电流传感器，以提高抗干扰能力，同时具有检测灵敏度高的优点。
基于上述目的，本发明提供的高频电流传感器包括两个分体式的金属屏蔽外壳，所述金属屏蔽外壳的内壁开设有凹槽，所述凹槽内嵌入有半环型磁芯，所述凹槽上开设有用于通过磁力的环型缝隙；所述半环型磁芯与凹槽之间留有空隙，所述空隙填充有绝缘材料，当两个金属屏蔽外壳的两端分别连接时，所述金属屏蔽外壳内的两个半环型磁芯组成环型磁芯；其中一个半环型磁芯的上缠绕有两段线圈，且所述两段线圈的缠绕方向相反。
在本发明的一些实施例中，所述两段线圈以半环型磁芯的中心线为轴对称缠绕。
在本发明的一些实施例中，所述两段线圈的长度、直径、材质和缠绕匝数均一致。
在本发明的一些实施例中，所述金属屏蔽外壳包括弧形的磁芯槽和盖板，所述磁芯槽的一侧壁上固定连接有盖板，所述盖板与磁芯槽的内壁组成用于嵌入半环型磁芯的凹槽。
在本发明的一些实施例中，所述盖板为L字型，所述磁芯槽的另一侧壁与盖板之间留有环型缝隙。
在本发明的一些实施例中，所述磁芯槽外侧壁的一端通过合页铰接，另一端通过搭扣铰接，所述两个磁芯槽的一端绕着合页转动，所述搭扣用于将两个磁芯槽的另一端打开后者合上。
在本发明的一些实施例中，所述磁芯槽的一个端面上设置有定位孔，另一个端面上设置有定位块，当两个磁芯槽相互合上时，其中一个磁芯槽上的定位块***另一个磁芯槽的定位孔内。
在本发明的一些实施例中，所述两段线圈的一端均与信号输出插头的接地线连接，另一端分别与信号输出插头的两个信号芯连接。
在本发明的一些实施例中，每段线圈的缠绕匝数为1匝，所述线圈为铜片，所述线圈的横截面积为4-10mm2；
所述环型缝隙的宽度为2-10mm，所述环型磁芯的内径为40-55mm，外径为55-75m，高度为20-40mm。
在本发明的一些实施例中，所述绝缘材料为聚苯乙烯。
从上面所述可以看出，本发明创造性地将差分放大的原理，引入到高频电流传感器中，充分利用差分电路有效消除干扰和两倍放大原始信号的特点，有效地提高了高频电流传感器的抗干扰能力，并极大提高了传感器的灵敏度。这些都使本发明提供的高频电流传感器能更好适用于复杂的测试环境，有效提高其检测效果和实用性。
附图说明
图1为本发明实施例高频电流传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例高频电流传感器的半剖左视图；
图3为本发明实施例高频电流传感器的线圈缠绕示意图；
图4为本发明实施例高频电流传感器的等效电路；
图5为本发明所述的高频电流传感器灵敏度测试的电路连接。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
参见图1和图2，分别为本发明实施例高频电流传感器的结构示意图和半剖左视图。作为本发明的一个实施例，所述高频电流传感器包括两个分体式的金属屏蔽外壳1，所述金属屏蔽外壳1的内壁开设有凹槽，所述凹槽内嵌入有半环型磁芯4，所述凹槽上开设有用于通过磁力的环型缝隙9；所述半环型磁芯4与凹槽之间留有空隙，所述空隙填充有绝缘材料11，当两个金属屏蔽外壳1的两端分别连接时，所述金属屏蔽外壳1内的两个半环型磁芯4组成一个环型磁芯。可选地，所述绝缘材料11可以为防水硅橡胶。作为本发明的一个优选实施例，所述环型缝隙9的宽度为2-10mm，用于磁力通过，可以很好地屏蔽传感器外侧的各种干扰信号。
作为本发明的又一个实施例，如图2所示，所述金属屏蔽外壳1包括弧形的磁芯槽2和盖板3，所述磁芯槽2的一侧壁上固定连接有盖板3，所述盖板3与磁芯槽2的内壁组成用于嵌入半环型磁芯4的凹槽。优选地，所述盖板3为L字型，所述磁芯槽2的另一侧壁与盖板3之间留有环型缝隙9，用于通过磁力。优选地，所述凹槽为半环型，以与所述半环型磁芯4吻合。可选地，所述凹槽的横截面可以为正方形或者长方形。需要说明的是，在该实施例中，所述磁芯槽2的内侧为半圆形，以使形成的凹槽为半环型，所述磁芯槽2的外侧可以为其他形状。可选地，所述磁芯槽2和盖板3上开设有数个安装螺丝孔10，可以通过安装螺丝将磁芯槽2的侧壁和盖板3固定连接。
作为本发明的一个较佳实施例，所述两个金属屏蔽外壳1的两端分别通过铰接部件互相铰接，以方便将两个金属屏蔽外壳1拆开或者合上。优选地，如图1所示，所述磁芯槽2外侧壁的一端通过合页6铰接，另一端通过搭扣7铰接，因此，所述两个磁芯槽2的一端可以绕着合页6转动，所述搭扣7用于将两个磁芯槽2的另一端打开后者合上。
所述磁芯槽2的一个端面上设置有定位孔12，另一个端面上设置有定位块13，所述定位孔13能够***定位孔内，当两个磁芯槽2相互合上时，其中一个磁芯槽2上的定位块13***另一个磁芯槽2的定位孔12内，以便于两个磁芯槽2的安装定位。
作为本发明的再一个实施例，一个半环型磁芯4的上缠绕有两段线圈14，如图3所示，所述两段线圈14的缠绕方向相反。其中，所述两段线圈的一端均与信号输出插头15的接地线连接，另一端分别与信号输出插头15的两个信号芯连接。较佳地，所述信号输出插头15可以为双芯差分信号输出插头，所述线圈14的一端均与所述双芯插头的接地线连接，另一端分别与两个信号芯连接。优选地，所述两段线圈14的缠绕匝数相同，反向绕制在其中一个半环型磁芯4上。更为优选地，所述两段线圈14以半环型磁芯4的中心线为轴对称缠绕，即所述两段线圈14以半环型磁芯4的中心线为轴对称地反向缠绕。可选地，所述线圈14的缠绕匝数可以为1匝，2匝，3匝，等等。较佳地，为保证输出的差分信号幅值相等，所述两段线圈14的长度、直径、材质均一致。
进一步地，所述信号输出插头15再与前置放大器16的输入端连接，前置放大器16与信号调理或检测单元(例如示波器)连接，就可以对耦合的高频电流信号进行分析。信号输出插头15输出信号为为差分信号，通过双芯同轴电缆与所述前置放大器16连接，所述前置放大器16将差分信号放大输出为单端信号。可选地，所述前置放大器16为差分信号放大器，其输入端为差分信号，输出信号为单端信号。本发明创造性地将差分放大的原理，引入到高频传感器中，充分利用差分电路有效消除干扰和两倍放大原始信号的特点，有效地提高了高频电流传感器的抗干扰能力，并极大提高了传感器的灵敏度。
信号检测灵敏度试验实施例
本发明提供的电流传感器等效电路如图4所示，其中I1(t)为原边电流，U1(t)和U2(t)分别为两段线圈的感应电压，Ls1和Ls2为两段线圈的自感，Rs1和Rs2为两个线圈的自身电阻，Cs1和Cs2为两个线圈的杂散电容，R为负载电阻。为保证输出的差分信号幅值相等，要求两段线圈长度、直径材质一致，即Ls1＝Ls2、Rs1＝Rs2、Cs1＝Cs2，这样对于同一原边电流，两段线圈会耦合幅值相等，相位相反的感应电压U1(t)和U2(t)。
在本实施例中，所用的磁芯材料内外径分别为48和65mm，线圈截面积8m2，绕线匝数为1，使用2个反向线圈输出差分信号，以传统电流传感器，仅使用用1个线圈输出单端信号作为对照。电路连接如图5所示。所用的信号发生器为RIGOL DG4162，输出信号为一定幅值的正弦信号或脉冲信号；所用的信号检测器为RIGOL DS4034四通道示波器，所用的负载电阻为50欧姆的无感电阻；所用的差分信号放大器具有3个不同的放大倍数：20、40和60dB。表1显示信号发生器输出不同频率，不同幅值的正弦信号，本发明提供的高频电流传感器和传统传感器，输出的信号幅值的差异，可见在1M到150M范围内，本发明提供的高频电流传感器耦合到的信号经放大后远大于传统传感器。即使对微弱的电流也能有很高的检测灵敏度。
表1高频电流传感器对不同频率、幅值的信号响应
注：/表示超出示波器的量程
要尽可能提高传感器灵敏度，就要较少线圈缠绕匝数。为此，本发明采用最小缠绕匝数1匝，所述线圈为铜片。可选地，所述线圈的截面积可以为4-10mm2，可以提高传感器感应频带的上限截止频率及高频段的灵敏度。线圈匝数一定情况下，其它可调的参数对于线圈就是其导线直径和绝缘材质，选择直径大、绝缘材料介电常数小的导线可以降低线圈电阻以增加传感器检测的频带宽度；另一可调的参数就是磁芯。所述铜片可以选自紫铜片、黄铜片、青铜片和白铜片。优选地，所述铜片选自紫铜片，以提高传感器的检测灵敏度。
磁芯的设计包括磁芯的内外径和高度以及磁芯材料。本发明在优化条件下，经过理论计算和实际试验，本发明优选使用0.5-1.2mm厚，宽度5-15mm的紫铜片作为缠绕线圈，以聚苯乙烯作为绝缘材料。作为本发明的又一个实施例，本发明选用0.8mm厚，宽度为10mm的紫铜片作为缠绕线圈，缠绕匝数1匝，以提高检测灵敏度。作为本发明的另一个实施例，本发明可以选用1mm厚，宽度为8.8mm的紫铜片作为缠绕线圈，缠绕匝数1匝，以提高检测灵敏度。作为本发明的再一个实施例，本发明可以选用0.9mm厚，宽度为10mm的紫铜片作为缠绕线圈，缠绕匝数1匝，以提高检测灵敏度。作为本发明的另一个实施例，本发明可以选用1.2mm厚，宽度为6mm的铜片作为缠绕线圈，缠绕匝数1匝，以提高检测灵敏度。所述铜片
磁芯选择在高频区性能好的镍锌铁氧体磁芯，磁芯的尺寸，从原理上是越大越好，考虑到电缆本身的大小，其最佳内径就比较固定，本发明设计磁芯的内径为40-55mm，外径为55-75mm，高度为20-40mm。作为本发明的一个实施例，所述磁芯的内径为50mm，外径为70mm，高度为30mm，作为本发明的又一个实施例，所述磁芯的内径为53mm，外径为68mm，高度为35mm，作为本发明的又一个实施例，所述磁芯的内径为45mm，外径为60mm，高度为28mm，可以提高传感器感应频带的上限截止频率及高频段的灵敏度。需要说明的是，所述磁芯是指由两个半环型磁芯4组成的环型磁芯。
本发明提供的高频电流传感器在工作时，两个分体式金属屏蔽外壳绕着合页打开，将屏蔽盒套于接地电缆上，合上合页，扣紧搭扣以闭合金属屏蔽外壳。电缆中微弱的高频电流信号在磁芯中感应生成相应变化的磁场，该变化的磁场在线圈中感应生成相应变化的电动势，该感应电动势经信号输出插头输出。
由此可见，本发明创造性地将差分放大的原理，引入到高频电流传感器中，充分利用差分电路有效消除干扰和两倍放大原始信号的特点，有效地提高了高频电流传感器的抗干扰能力，并极大提高了传感器的灵敏度。这些都使本发明提供的高频电流传感器能更好适用于复杂的测试环境，有效提高其检测效果和实用性。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高频电流传感器，其特征在于，包括两个分体式的金属屏蔽外壳，所述金属屏蔽外壳的内壁开设有凹槽，所述凹槽内嵌入有半环型磁芯，所述凹槽上开设有用于通过磁力的环型缝隙；所述半环型磁芯与凹槽之间留有空隙，所述空隙填充有绝缘材料，当两个金属屏蔽外壳的两端分别连接时，所述金属屏蔽外壳内的两个半环型磁芯组成环型磁芯；其中一个半环型磁芯的上缠绕有两段线圈，且所述两段线圈的缠绕方向相反。
2.根据权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，所述两段线圈以半环型磁芯的中心线为轴对称缠绕。
3.根据权利要求2所述的高频电流传感器，其特征在于，所述两段线圈的长度、直径、材质和缠绕匝数均一致。
4.根据权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，所述金属屏蔽外壳包括弧形的磁芯槽和盖板，所述磁芯槽的一侧壁上固定连接有盖板，所述盖板与磁芯槽的内壁组成用于嵌入半环型磁芯的凹槽。
5.根据权利要求4所述的高频电流传感器，其特征在于，所述盖板为L字型，所述磁芯槽的另一侧壁与盖板之间留有环型缝隙。
6.根据权利要求4所述的高频电流传感器，其特征在于，所述磁芯槽外侧壁的一端通过合页铰接，另一端通过搭扣铰接，所述两个磁芯槽的一端绕着合页转动，所述搭扣用于将两个磁芯槽的另一端打开后者合上。
7.根据权利要求4所述的高频电流传感器，其特征在于，所述磁芯槽的一个端面上设置有定位孔，另一个端面上设置有定位块，当两个磁芯槽相互合上时，其中一个磁芯槽上的定位块***另一个磁芯槽的定位孔内。
8.根据权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，所述两段线圈的一端均与信号输出插头的接地线连接，另一端分别与信号输出插头的两个信号芯连接。
9.根据权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，每段线圈的缠绕匝数为1匝，所述线圈为铜片，所述线圈的横截面积为4-10mm2；
所述环型缝隙的宽度为2-10mm，所述环型磁芯的内径为40-55mm，外径为55-75m，高度为20-40mm。
10.根据权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，所述绝缘材料为聚苯乙烯。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161221 |