CN202749218U - 基于PCB型Rogowski线圈的电流互感器 - Google Patents

Abstract

基于PCB型Rogowski线圈的电流互感器，涉及一种电流互感器。它是为了解决现有电流互感器测量的精确度受限，并且无法直接安装在接线端不能断开的电气设备上的问题。其两组导电条分别固定在两块圆环形PCB板上，每组导电条中导电条的数量为N；N块印制有Rogowski线圈的电路板以两块圆环形PCB板的中轴线为轴呈放射性分布；每块印制线圈的电路板均为多层板，层数为S；每块圆环形PCB板上均开有N个通孔；N块印制有Rogowski线圈的电路板的一端分别穿过一块圆环形PCB板上的N个通孔与一个导电条电连接；N块印制有Rogowski线圈的电路板的另一端分别穿过另一块圆环形PCB板上的N个通孔与一个导电条电连接；N块印制有Rogowski线圈的电路板串联连接。本实用新型适用于测量流过电气设备的电流。

Description

基于PCB型Rogowski线圈的电流互感器

技术领域

本实用新型涉及一种电流互感器。

背景技术

以Rogowski线圈为传感头的电流互感器，是一种特殊结构的空心线圈，具有体积小、重量轻、造价低；与被测电流无直接电的联系，无磁饱和与铁心振荡等问题；动态响应范围大、测量范围宽、抗电磁干扰能力强及损耗小等优点。

传统的Rogowski线圈是将导线紧密绕制在二次侧环形的非导磁材料的骨架上，形成空心螺线圈，二次侧感应电压e(t)与一次侧被测电流i(t)满足：

$e\left(t\right)=-\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

其中M为线圈的互感系数。

Rogowski线圈主要适用于测量大电流或是脉冲电流，对于测量100A以下的电流较为困难，其原因主要在于：线圈的互感系数难以提高，导致二次侧感应电压很微弱，并且极易受到周围电磁干扰的影响。

传统的Rogowski线圈主要是手工绕制，其精确度不高，通常设计精确度最高达0.1%，而实际应用为1%~3%，工业批量生产时线圈的分布参数一致性难以保证，从而阻碍了其产业化发展。

PCB型的Rogowski线圈利用PROTEL等软件绘制印制电路板(printed circuit board，PCB)，利用电路板上的印制导线代替线圈，均匀地布置在印制电路板上，数字加工技术在工艺上能保证线圈均匀绕制、每匝线圈横截面相等；线圈的制作只需在电脑上绘制其布线图，操作快捷简便；线圈由数控机床生产，避免了繁琐的绕制过程，缩短了加工周期，提高了生产效率。PCB型的Rogowski线圈不仅克服了传统罗氏线圈线匝不均匀、参数分散性大等缺点，而且灵敏度、测量精确度以及性能方面都优于传统的铜线绕制的线圈。

目前，有一种双面对称布线PCB型Rogowski线圈，如图1所示，其中：标记A为端子，采用的是在PCB板的顶层和底层双面以环心为中心成放射状均匀密布导线，两层之间通过外径处的过孔B用一小段导线连通，顶层和底层呈对称结构，形成垂直于线圈截面的线匝；由于现有加工工艺的限制，PCB电路板的厚度一般只有几个毫米，为了满足实际要求，通常采用将几块电路板串联使用，如图1所示，印制电路板PCB1和PCB2通过一导线相连接。为了使测量具有更高的准确度，线圈采用偶数块串联，并且相邻两个线圈的绕线方向相反，使流过线圈内部的电流产生的感应电压相叠加，使输出的电势加倍，增加了线圈信号采集的能力，提高了传感头的信噪比；能够有效地抑制垂直于PCB板面磁场产生的感应电动势，线圈外部电场在线圈上产生的感应电压相互抵消，消除了外界磁场的干扰。

PCB型Rogowski线圈不含铁心，则其互感系数很小，测量电流时感应出的电压信号非常微弱且极易受到外界的干扰，因此需要增大线圈的互感系数，通常采用的方式是增加线圈的高度，或是增大线圈匝数的密度，但受数字机床加工工艺的限制，其骨架尺寸有一定的限制，增大互感系数的空间很小；布线时铜线太细容易导致断裂，线圈匝数的密度也随着线圈内外径的确定而确定下来。

现有的另一种方案：Rogowski线圈同样PCB板设计，每层PCB板上用导线绘制4个尺寸相同螺旋线圈，围绕同一中心均匀对称分布，每层相邻的线圈依次串联而成，每个螺旋线圈的顶层和底层通过过孔连接，螺旋线圈可以看成是一个平面，载流导体紧贴在PCB的顶层，围绕不相邻的螺旋线圈构成一砸回路，与PCB板面电气绝缘。为了提高线圈的抗电磁干扰性能，在PCB板上覆铜，起到滤除高频干扰的目的。图2和图3为PCB型Rogowski线圈的结构示意图，其中标号1~4为螺旋线圈，标号5~8为PCB板的过孔。

当交流电流i(t)通过如图2所示路径时，由于线圈对称分布，在螺旋线圈1、3上产生的磁链相同，且方向均是垂直于PCB板面向外，在螺旋线圈2、4上产生的磁链相同，方向垂直于PCB板面向里。从顶层看，线圈1、3产生的感应电动势方向为逆时针，在线圈2、4上产生的感应电动势的方向为顺时针，螺旋线圈依次串联连接，使得整个二次线圈中产生的感应电动势方向相同，因此产生的感应电动势为各个线圈的感应电动势相叠加之和。

现有PCB型Rogowski线圈存在的缺点：

其一，受数字机床加工工艺的限制，其骨架尺寸有一定的限制，增大互感系数的空间很小，测量的精确度受到限制；

其二，现有的PCB型Rogowski线圈的每片线圈的绕线匝数受限制，为了提高互感系数，需由偶数块印制电路板串联，多块线圈进行串联后将导致线圈体积会很大；

其三，在一些特定场合（如检测流过电气设备的泄漏电流），电气设备的接线端无法断开，则现有的Rogowski线圈无法安装在设备的接线上，便无法进行检测。

实用新型内容

本实用新型是为了解决现有电流互感器测量的精确度受限，并且无法直接安装在接线端不能断开的电器设备上的问题，从而提供一种基于PCB型Rogowski线圈的电流互感器。

基于PCB型Rogowski线圈的电流互感器，它包括两块圆环形PCB板，所述两块圆环形PCB板均水平设置，且块圆环形PCB板同轴设置；它还包括N块印制有Rogowski线圈的电路板和两组导电条，所述两组导电条分别固定在两块圆环形PCB板上，每组导电条中导电条的数量为N个；

N块印制有Rogowski线圈的电路板以两块圆环形PCB板的中轴线为轴呈放射性分布；

每块圆环形PCB板上均开有N个通孔；N块印制有Rogowski线圈的电路板的一端分别穿过一块圆环形PCB板上的N个通孔与一个导电条电连接；

N块印制有Rogowski线圈的电路板的另一端分别穿过另一块圆环形PCB板上的N个通孔与一个导电条电连接；

N块印制有Rogowski线圈的电路板串联连接；

N为偶数。

每块印制有Rogowski线圈的电路板由六个螺旋线圈串联而成。

本实用新型提出一种新型的PCB型Rogowski线圈，基于该线圈的电流互感器，可直接安装于电气设备的接线处，无需改变电气设备的原有接线方式；并且能够根据需要增加每片线圈的螺旋线圈的层数，有效地增大互感系数，有效提高电流互感器的测量灵敏度和精确度。并且，本实用新型无磁饱和现象，与一次侧高压端无直接电的联系，保证操作人员在二次侧的人身安全。

附图说明

图1是背景技术中双面对称布线PCB型Rogowski线圈的结构示意图；图2是背景技术中现有PCB型Rogowski线圈的顶层结构示意图；图3是背景技术中现有PCB型Rogowski线圈的底层结构示意图；图4是本实用新型的结构示意图；图5是图4的俯视图；图6是图4的仰视图；图7是一个电路板的结构示意图；图8是Rogowski线圈设计原理图；图9是一层Rogowski线圈的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图4至9说明本具体实施方式，基于PCB型Rogowski线圈的电流互感器，它包括两块圆环形PCB板11，所述两块圆环形PCB板11均水平设置，且块圆环形PCB板11同轴设置；它还包括N块印制有Rogowski线圈的电路板13和两组导电条，所述两组导电条分别固定在两块圆环形PCB板11上，每组导电条中导电条14的数量为N个；

N块印制有Rogowski线圈的电路板13以两块圆环形PCB板11的中轴线为轴呈放射性分布；

每块圆环形PCB板11上均开有N个通孔；N块印制有Rogowski线圈的电路板13的一端分别穿过一块圆环形PCB板11上的N个通孔与一个导电条14电连接；

N块印制有Rogowski线圈的电路板13的另一端分别穿过另一块圆环形PCB板11上的N个通孔与一个导电条14电连接；

N块印制有Rogowski线圈的电路板13串联连接；

N为偶数。

本实施方式中，N的值取12，S的值取6为例，。

每块印制有Rogowski线圈的电路板13的上Rogowski线圈层数可以根据需要进行设置。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于PCB型Rogowski线圈的电流互感器的区别在于，每块印制有Rogowski线圈的电路板13由六个螺旋线圈串联而成。

本实用新型中的PCB型Rogowski线圈是利用PROTEL等软件绘制印制电路板，线圈的布线图是通过电脑绘制的，由N个如图7所示的电路板小片组成，每片电路板为六层螺旋线圈绕线而成，即每片电路板由6个螺旋线圈串联而成，N个电路板线圈之间是通过图5和图6所示进行连接。通过设计结构图可以清晰的看到，本实用型的PCB型Rogowski线圈可以进行拆装，满足了在不改变电气设备的原有接线的情况下，对流过电气设备的电流进行测量。

本文所发明的新型实用型的电流互感器为了满足不同的测量需求，可以通过增加圆盘的面积和电路板小片的数量来满足更高测量精确度的需求。

图8是Rogowski线圈设计原理图，其中：a、b和h为Rogowski线圈的内、外半径和高度。

由全电流定律可知：

∮Hdl=i

求得：

$H=\frac{i}{2\mathrm{\πr}}$

式中，r为线圈的平均半径。

距载流导体中心轴线r处的磁感应强度为：

$B={\mathrm{\μ}}_0\frac{i}{2\mathrm{\πr}}$

式中，μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m。

通过单匝线圈的磁通为：

N匝线圈的感应电动势为：

令互感系数 $M=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{Nh}}{2\mathrm{\π}}\left(\ln \frac{b}{a}\right):$

则一层线圈的互感系数为：

$M=M_1+M_2+\·\·\·+M_n$

$=\underset{b}{\overset{b+d}{\∫}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\πr}}\·\mathrm{adr}+\underset{b+c}{\overset{b+d-c}{\∫}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\πr}}\·(a-2c)\mathrm{dr}+\·\·\·\·\·\·+\underset{b+(n-1)c}{\overset{b+d-(n-1)c}{\∫}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\πr}}\·[a-2(n-1)c]\mathrm{dr}$

$=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\·a\ln \left(\frac{b+d}{b}\right)+\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\·(a-2c)\ln \left(\frac{b+d-c}{b+c}\right)+\·\·\·\·\·\·$

$+\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\·[a-2(n-1)c]\ln \left[\frac{b+d-(n-1)c}{b+(n-1)c}\right]$

$=\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}(a-2\mathrm{kc})\ln \left(\frac{b+d-\mathrm{kc}}{b+\mathrm{kc}}\right)$

总的互感系数为：

M_t=N·S·M

式中：N为印制板的个数；S为印制板的层数。由上式可知，增加印制板的个数N，同时适当的增大印制板的层数S，可以进一步的提高整体Rogowski的互感系数M_t。

由于Rogowski线圈不含铁心，因此其互感值很小，测量电流时感应出的电压信号非常微弱且易受外磁场干扰影响，增大互感系数M能有效的提高测量电流时的精确度，本发明所设计Rogowski线圈有效的提高了互感系数M，测量精确度得到大大的提高。

本实用新型的优点：

一、不改变电气设备的原有接线方式，可直接安装于电气设备的接线处；

二、可以根据需要增加每片线圈的螺旋线圈的层数，有效地增大互感系数，进一步提高了测量的灵敏度和精确度；

三、无磁饱和现象，与一次侧高压端无直接电的联系，保证操作人员在二次侧的人身安全。

Claims (2)

1.基于PCB型Rogowski线圈的电流互感器，它包括两块圆环形PCB板（11），所述两块圆环形PCB板（11）均水平设置，且块圆环形PCB板（11）同轴设置；其特征是：它还包括N块印制有Rogowski线圈的电路板（13）和两组导电条，所述两组导电条分别固定在两块圆环形PCB板（11）上，每组导电条中导电条（14）的数量为N个；

N块印制有Rogowski线圈的电路板（13）以两块圆环形PCB板（11）的中轴线为轴呈放射性分布；

每块圆环形PCB板（11）上均开有N个通孔；N块印制有Rogowski线圈的电路板（13）的一端分别穿过一块圆环形PCB板（11）上的N个通孔与一个导电条（14）电连接；

N块印制有Rogowski线圈的电路板（13）的另一端分别穿过另一块圆环形PCB板（11）上的N个通孔与一个导电条（14）电连接；

N块印制有Rogowski线圈的电路板（13）串联连接；

N为偶数。

2.根据权利要求1所述的基于PCB型Rogowski线圈的电流互感器，其特征在于每块印制有Rogowski线圈的电路板（13）由六个螺旋线圈串联而成。

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