CN209929128U - 一种栅栏式电流互感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种栅栏式电流互感器，涉及电流互感器领域，该栅栏式电流互感器采用平行间隔设置的两个PCB板以及支撑在两个PCB板之间的金属针构成，金属针与PCB板上的印制导线构成线圈，基于PCB技术，线圈可以沿着周向均匀分布，线圈开口也很小，降低了使用时偏心导致的误差，由于金属针和PCB板均为硬性材质，使用过程中不易发生形变，因此该电流互感器稳定性好且耐高温及抗老化性能优异，另外单匝线圈的有效面积远远大于现有的PCB式硬性罗氏线圈，因此灵敏度较优并且PCB板材厚度的偏差带来的影响被大幅度减小，使得线圈之间的有效面积的均匀性好，电流互感器的测量精确度更高且互换性更好。

Description

一种栅栏式电流互感器

技术领域

本实用新型涉及电流互感器领域，尤其是一种栅栏式电流互感器。

背景技术

罗氏线圈的基本结构如图1所示，其通过在一环形的非铁磁材质骨架上均匀缠绕若干匝线圈实现，线圈骨架的截面通常为圆形或矩形但不限于以上两种形状。测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律。工作时，穿过线圈中心的通电导线产生的电磁场将在线圈开口处产生一个感应电势e(t)输出：e(t)＝-M di(t)/dt；以截面为矩形的罗氏线圈为例，互感系数M＝μ0Nhln(b/a)/2π，式中μ0为真空磁导率，N为线圈匝数，a、b分别为线圈横截面的内外径，h为截面高度。可见，当线圈几何参数一定的前提下，互感系数M为一个常数，感应电势与通电导线中瞬时电流i(t)对时间的导数成正比关系，因此只要测量线圈的输出感应电势就可以间接获知穿过其中的电流大小。

因为不存在铁芯，罗氏线圈不存在磁饱和现象，因此非常适合测量大电流，这种线圈线性度好，标定容易，可测量不规则导体，安装方便，无须破坏导体，适用频率宽，无二次开路危险，维修简单方便，因此市场上出现了多种不同形式的基于罗氏线圈模型的实用型的互感器产品。目前常见的主要有柔性罗氏线圈和硬性罗氏线圈：

柔性罗氏线圈是市场上应用最为广泛的一类罗氏电流互感器，其在柔软绝缘的骨架上均匀缠绕若干匝漆包线(即感应线圈)，外面再包覆一层保护外套。请参考图2，这是一种开口的线圈，使用时，将柔性罗氏线圈开合处的扣件1打开套在待测载流体上，然后通过该扣件1扣合形成一个“封闭”的线圈，通过测量线圈引出线2的电压获知被测电流。但是这种结构至少存在以下缺点：1、线圈存在开口，开合处的线圈密度与其他地方的线圈密度做不到相同，因此会产生装设位置误差；2、线圈沿骨架绕制很难做到均匀，这将带来***误差；3、绕制线圈柔性骨架的截面做不到处处相等，将导致测量误差；4、使用过程中线圈骨架受牵拉扭曲会导致截面变形或线圈偏移，将导致测量误差；5、柔性骨架材料不耐高温，容易老化，不适合在高温环境长期使用。

硬性罗氏线圈采用硬质非铁磁性物质做骨架，在骨架上绕制若干匝线圈，线圈与骨架间可以保持相对固定的位置关系，这克服了软性线圈的大部分缺点。但是线圈在绕制的过程中依然难以保证圆周方向上的均匀分布，从而制约了互感器的精度。有鉴于此，目前硬性罗氏线圈大多数采用PCB(印刷电路板)技术实现，该技术采用计算机辅助设计软件进行布线，通过金属化过孔连接不同板层之间的印制导线，布好线后交由专业生产厂家采用精密数控机床全自动化生产，PCB式硬性罗氏线圈结构示意图请参考图3，这种用印制导线代替线圈的方式可以保证线圈加工非常精确且几何参数稳定，不再需要繁琐的绕制，但这种结构至少存在以下缺点：线圈的有效面积由PCB厚度决定，但PCB的基材普遍性存在厚度偏差(同一张板材不同区域存在偏差、不同批次板材之间存在偏差)，参照如下表一示出的官方数据，可以发现即便是表格中最理想的精偏差也达到5％的误差。这个误差意味着不同匝的截面积不尽相同，从而导致不同互感器之间存在较大的离散型，如果要做到尽可能的精准，需要对每一只分别标定，这又带来互换性差的问题。同时，受PCB厚度的限制，PCB式硬性罗氏线圈灵敏度很低，限制了其测量范围，因此，这种硬性罗氏线圈在工程上少有使用，不满足大规模市场推广的要求。

表一

PCB厚度标准和厚度规格

依照GB/T 4722，PCB厚度有如下系列：

实用新型内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种栅栏式电流互感器，该栅栏式电流互感器的测量精度高、测量灵敏性高、互换性好，性能优异。

本实用新型的技术方案如下：

一种栅栏式电流互感器，该栅栏式电流互感器包括平行且间隔预定距离设置的第一PCB板和第二PCB板，以及支撑在第一PCB板和第二PCB板之间的2N个金属针，N≥4；第一PCB板和第二PCB板上在正对的位置分别开设有导体穿孔，2N个金属针包括均匀设置在导体穿孔***的内径圆上的N个内径金属针以及均匀设置在内径圆***的外径圆上的N个外径金属针，导体穿孔、内径圆和外径圆呈同心圆结构，N个内径金属针的结构相对于导体穿孔的轴线具有对称性，N个外径金属针的结构相对于导体穿孔的轴线具有对称性，且N个内径金属针与N个外径金属针一一对应；每个金属针的两端分别连接第一PCB板和第二PCB板，第一PCB板上在其中一组对应的内径金属针和外径金属针之间设置有两个信号输出端，第一PCB板上在内径金属针与其靠近的一个信号输出端之间布设有印制导线、在另一个信号输出端与外径金属针之间布设有印制导线；第一PCB板上在其余的内径金属针及各自对应外径金属针之间布设有印制导线，第二PCB板上在每个内径金属针及各自对应外径金属针之间布设有印制导线，第n个内径金属针及其对应的第n个外径金属针与第一PCB板和第二PCB板上两个金属针之间的印制导线形成一匝线圈，N匝线圈以导体穿孔的轴线为轴呈放射性分布，n为参数。

其进一步的技术方案为，第一PCB板由两个第一半圆环形PCB板相对拼接形成，第二PCB板由两个第二半圆环形PCB板相对拼接形成，第一半圆环形PCB板、第二半圆环形PCB板以及支撑在第一半圆环形PCB板、第二半圆环形PCB板之间的金属针构成一个半圆环形组件，两个半圆环形组件相对拼接且两个半圆环形组件中的线圈依次顺向相连形成栅栏式电流互感器。

其进一步的技术方案为，对于每一个半圆环形组件中的第一半圆环形PCB板，第一半圆环形PCB板的两端分别设置有连接端子，第一半圆环形PCB板在一端处的连接端子与其所在端的最外端的内径金属针之间布设有印制导线、在另一端处的连接端子与其所在端的最外端的外径金属针之间布设有印制导线、在其余的内径金属针及各自对应的外径金属针之间布设有印制导线；两个半圆环形组件中的第一半圆环形PCB板通过两端的连接端子相连实现线圈的依次顺向相连。

其进一步的技术方案为，对于每一个半圆环形组件中的第一半圆环形PCB板，第一半圆环形PCB板的其中一端处还设置有回绕连接端子，第一半圆环形PCB板的相对的另一端处的连接端子通过回绕匝连接到回绕连接端子。

其进一步的技术方案为，栅栏式电流互感器还包括互感器外壳，第一PCB板、第二PCB板和金属针构成的组件设置在互感器外壳内部的空腔中。

本实用新型的有益技术效果是：

本申请公开了一种栅栏式电流互感器，采用平行间隔设置的两个PCB板以及支撑在两个PCB板之间的金属针构成，金属针和PCB板均为硬性材质，使用过程中不易发生形变，稳定性好且耐高温及抗老化性能优异；金属针与PCB板上的印制导线构成线圈，单匝线圈的有效面积远远大于现有的PCB式硬性罗氏线圈，因此灵敏度较优并且PCB板材厚度的偏差带来的影响被大幅度减小，线圈之间的有效面积的均匀性好，使得测量精确度更高且互换性更好；同时基于PCB技术，线圈可以沿着周向均匀分布，即便采用分体式结构时线圈开口也很小，降低了使用时偏心导致的误差。另外基于本申请的这种结构，通过调节金属针的长度即能调整整个栅栏式电流互感器的灵敏度，灵活性较高且方便电流互感器的标定。

附图说明

图1是罗氏线圈的基本结构图。

图2是现有的柔性罗氏线圈的结构图。

图3是现有的PCB式硬性罗氏线圈的结构图。

图4是本申请的栅栏式电流互感器采用一体式结构时的结构图。

图5是本申请的栅栏式电流互感器中的第一PCB板的结构示意图。

图6是本申请的栅栏式电流互感器中的第二PCB板的结构示意图。

图7是本申请的栅栏式电流互感器采用分体式结构时的一种结构图。

图8是采用分体式结构时的第一半圆环形PCB板的一种结构图。

图9是本申请的栅栏式电流互感器在传感器外壳中的安装示意图。

图10是本申请的栅栏式电流互感器的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种栅栏式电流互感器，请参考图4，该栅栏式电流互感器包括平行设置的第一PCB板3和第二PCB板4，第一PCB板3和第二PCB板4之间间隔预定距离设置，本申请的“第一”和“第二”仅用于进行区分，没有特殊限定含义，请参考图5的第一PCB板3的结构图和图6的第二PCB板4的结构图，第一PCB板3上开设有导体穿孔7，第二PCB板4上开设有导体穿孔7，且第一PCB板3上导体穿孔7的第二PCB板4上的导体穿孔7正对，当该栅栏式电流互感器在使用时，待测载流体从导体穿孔7中穿过。第一PCB板3和第二PCB板4的具体形状不做要求，比较常规的做法是采用两个规格相同的圆环形PCB板，本申请以此为例。

该栅栏式电流互感器还包括设置在第一PCB板3和第二PCB板4之间的2N个金属针5，N≥4，金属针5采用具有足够机械强度的材料制成，比如常见的铜或铁等。每根金属针5的两端分别连接第一PCB板3和第二PCB板4从而支撑第一PCB板3和第二PCB板4。本申请中的2N个金属针5包括均匀设置在导体穿孔7***的内径圆圆周上的N个内径金属针51以及均匀设置在内径圆***的外径圆圆周上的N个外径金属针52，导体穿孔7、内径圆和外径圆呈同心圆结构。N个内径金属针51的结构相对于导体穿孔7的轴线具有对称性，N个外径金属针51的结构相对于导体穿孔7的轴线具有对称性，金属针的结构包括金属针的形状和装设方式。在实际使用时，为了便于制造和装设，通常可以直接采用笔直的2N个金属针5，每根金属针5分别垂直于第一PCB板3和第二PCB板4，且金属针5的长度与第一PCB板3和第二PCB板4之间的距离匹配。

在实际操作时，金属针5与两个PCB板之间的连接方式是：每个PCB板上沿着内径圆的圆周均匀设置有N个内径焊盘8、沿着外径圆的圆周均匀设置有N个外径焊盘9，内径金属针51的两端分别焊接在第一PCB板3和第二PCB板4上同一位置处的内径焊盘8上，外径金属针的两端分别焊接在第一PCB板3和第二PCB板4上同一位置处的外径焊盘9上，因此焊盘的位置即表示金属针的位置。N个内径金属针51与N个外径金属针52一一对应，也即PCB板上的N个内径焊盘8和N个外径焊盘一一对应。第一PCB板3上在其中一组对应的内径金属针和外径金属针之间设置有两个信号输出端10，也即在一组对应的内径焊盘8和外径焊盘9之间设置有两个信号输出端10，这两个信号输出端10用于进行信号的引出，其中一个信号输出端靠近内径焊盘、另一个靠近外径焊盘，两个信号输出端10在实际制造时距离应尽可能小，第一PCB板3上在内径焊盘及其靠近的信号输出端之间布设有印制导线、在外径焊盘及其靠近的信号输出端之间布设有印制导线。对于第一PCB板3上的其他的内径焊盘8和外径焊盘9，第一PCB板3上在其余的内径焊盘8及各自对应的外径焊盘9之间布设有印制导线。第二PCB板4上的每一个内径焊盘8及各自对应的外径焊盘9之间分别布设有印制导线。

基于本申请的这种结构，第n个内径金属针51及其对应的第n个外径金属针52与第一PCB板3和第二PCB板4上这两个金属针之间的印制导线形成了一匝线圈，n为任意一个参数，每一匝线圈的结构都非常稳定，不易在使用过程中发生形变。整个栅栏式电流互感器以导体穿孔7的轴线为轴沿着周向均匀设置有N匝顺向依次相连的线圈形成一个完整线圈，且这N匝线圈以导体穿孔7的轴线为轴呈放射性均匀分布，降低了使用时偏心导致的误差。在实际应用时，N的取值应尽可能大以提高电流互感器的灵敏度，通常是根据PCB板的尺寸、在焊盘加工工艺允许的基础上尽可能的在周向紧密排布焊盘，以增大线圈匝数。本申请中每一匝线圈的有效面积主要由金属针5的长度(也即两个PCB板之间的距离)以及该匝线圈中两个金属针之间的距离(也即印制导线的长度)决定，有效面积远远大于常规的PCB式硬性罗氏线圈，不仅可以提高灵敏度而且可以大大减少PCB厚度偏差带来的影响。同时，整个电流互感器的灵敏度可以通过调节金属针的长度来很方便的调节，方便了互感器的标定。

如图4-6示出的是一体式结构，这种一体式结构的栅栏式电流互感器安装拆卸不方便，因此实际更常用的是分体式结构，基本结构与一体式结构是类似的，只是上述第一PCB板3由两个第一半圆环形PCB板31相对拼接形成，第二PCB板4由两个第二半圆环形PCB板41相对拼接形成，如图7所示，第一半圆环形PCB板31、第二半圆环形PCB板41以及支撑在这两个半圆环形PCB板之间的金属针5构成了一个半圆环形组件M1，共形成两个半圆环形组件M1。这两个半圆环形组件M1相对拼接形成完整的线圈栅栏式电流互感器，且两个半圆环形组件M1中的线圈依次顺向相连形成完整的线圈，在应用时将两个半圆环形组件M1分开套设在待测载流体上再合上即可。

请参考图8，在分体式结构中，对于每一个半圆环形组件M1中的第一半圆环形PCB板31，该第一半圆环形PCB板31除了设置有内径焊盘和外径焊盘外，其两端分别设置有连接端子32和33，第一半圆环形PCB板在其中一端处的连接端子32与该连接端子32所在端的最外端的内径金属针(也即内径焊盘8)之间布设有印制导线，第一半圆环形PCB板在另一端处的连接端子33与该连接端子33所在端的最外端的外径金属针(也即外径焊盘9)之间布设有印制导线，第一半圆环形PCB板在其余的内径焊盘8及各自对应的外径焊盘9之间布设有印制导线，半圆环形组件M1中形成连续的线圈。图8示出了其中一种结构。每一个半圆环形组件M1中的第二半圆环形PCB板32与一体式结构中的类似，此处不再说明图示。

当两个半圆环形组件M1相对设置且两端分别对向拼接时，两个第一半圆环形PCB板31紧密拼接形成密闭的第一PCB板，两个第二半圆环形PCB板32紧密拼接形成密闭的第二PCB板拼接形成一个完整的栅栏式电流互感器，两个半圆环形组件M1中的第一半圆环形PCB板通过两端的连接端子相连实现线圈的依次顺向相连，整个电流互感器形成完整的线圈，线圈沿着周向仍然是较为均匀的设置的，线圈开口很小。具体的，两个第一半圆环形PCB板31的设置连接端子32的一端相对拼接、设置连接端子33的一端相对拼接，一个第一半圆环形PCB板31上的连接端子33和另一个第一半圆环形PCB板31上的连接端子32相连实现两个第一半圆环形PCB板31中的线圈的依次顺向连接，剩余的两个连接端子作为整个电流互感器的信号输出端10。

另外为了方便接线，本申请还采用了回绕匝结构，对于每一个半圆环形组件M1中的第一半圆环形PCB板31，第一半圆环形PCB板的其中一端处还设置有回绕连接端子34，第一半圆环形PCB板31的相对的另一端处的连接端子通过回绕匝连接到回绕连接端子34，如图7和8以在与内径焊盘相连的连接端子32处设置有回绕连接端子34为例，则另一端的与外径焊盘相连的连接端子33通过回绕匝连接到回绕连接端子34。另一种未图示的情况是：在与外径焊盘相连的连接端子33处设置有回绕连接端子34，则另一端的与内径焊盘相连的连接端子32通过回绕匝连接到回绕连接端子34。回绕匝通过第一半圆环形PCB板上的印制导线实现，则第一半圆环形PCB板上焊盘之间、焊盘与连接端子之间的印制导线位于第一半圆环形PCB板的同一侧，如图8中实线部分的印制导线；第一半圆环形PCB板的另一侧设置有用于实现为回绕匝的印制导线，如图8中虚线部分的印制导线。则以图8为例，两个第一半圆环形PCB板31相对拼接时，一个第一半圆环形PCB板31上的回绕连接端子34和另一个第一半圆环形PCB板31上的连接端子32相连即实现两个第一半圆环形PCB板31中的线圈的依次顺向连接，用于连接的端子都位于同一端，方便接线和信号引出。

另外在实际实现时，该栅栏式电流互感器还包括互感器外壳11，如图9所示，互感器外壳11包括可拆卸连接的壳体底座12和密封盖13，互感器外壳11内部的空腔的尺寸与第一PCB板3、第二PCB板4和金属针5构成的组件的尺寸匹配，第一PCB板3、第二PCB板4和金属针5构成的组件置于内部空腔中。若采用上述一体式结构，则互感器外壳11的壳体底座12和密封盖13分别采用一体式结构。若采用上述分体式结构，则互感器外壳11的壳体底座12和密封盖13也分别采用匹配的分体式结构，如图9所示，每一个半圆环形组件M1分别置于互感器外壳11的一部分中，然后对向拼接并环抱待测载流体从而套设在待测载流体上，如图10所示。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种栅栏式电流互感器，其特征在于，所述栅栏式电流互感器包括平行且间隔预定距离设置的第一PCB板和第二PCB板，以及支撑在所述第一PCB板和第二PCB板之间的2N个金属针，N≥4；所述第一PCB板和第二PCB板上在正对的位置分别开设有导体穿孔，所述2N个金属针包括均匀设置在所述导体穿孔***的内径圆上的N个内径金属针以及均匀设置在所述内径圆***的外径圆上的N个外径金属针，所述导体穿孔、内径圆和外径圆呈同心圆结构，所述N个内径金属针的结构相对于所述导体穿孔的轴线具有对称性，所述N个外径金属针的结构相对于所述导体穿孔的轴线具有对称性，且所述N个内径金属针与所述N个外径金属针一一对应；每个所述金属针的两端分别连接所述第一PCB板和第二PCB板，所述第一PCB板上在其中一组对应的内径金属针和外径金属针之间设置有两个信号输出端，所述第一PCB板上在所述内径金属针与其靠近的一个所述信号输出端之间布设有印制导线、在另一个所述信号输出端与所述外径金属针之间布设有印制导线；所述第一PCB板上在其余的内径金属针及各自对应外径金属针之间布设有印制导线，所述第二PCB板上在每个内径金属针及各自对应外径金属针之间布设有印制导线，第n个内径金属针及其对应的第n个外径金属针与所述第一PCB板和所述第二PCB板上两个金属针之间的印制导线形成一匝线圈，N匝线圈以所述导体穿孔的轴线为轴呈放射性分布，n为参数。

2.根据权利要求1所述的栅栏式电流互感器，其特征在于，所述第一PCB板由两个第一半圆环形PCB板相对拼接形成，所述第二PCB板由两个第二半圆环形PCB板相对拼接形成，所述第一半圆环形PCB板、第二半圆环形PCB板以及支撑在所述第一半圆环形PCB板、第二半圆环形PCB板之间的金属针构成一个半圆环形组件，两个所述半圆环形组件相对拼接且两个所述半圆环形组件中的线圈依次顺向相连形成所述栅栏式电流互感器。

3.根据权利要求2所述的栅栏式电流互感器，其特征在于，对于每一个所述半圆环形组件中的第一半圆环形PCB板，所述第一半圆环形PCB板的两端分别设置有连接端子，所述第一半圆环形PCB板在一端处的连接端子与其所在端的最外端的内径金属针之间布设有印制导线、在另一端处的连接端子与其所在端的最外端的外径金属针之间布设有印制导线、在其余的内径金属针及各自对应的外径金属针之间布设有印制导线；两个所述半圆环形组件中的第一半圆环形PCB板通过两端的所述连接端子相连实现线圈的依次顺向相连。

4.根据权利要求3所述的栅栏式电流互感器，其特征在于，对于每一个所述半圆环形组件中的第一半圆环形PCB板，所述第一半圆环形PCB板的其中一端处还设置有回绕连接端子，所述第一半圆环形PCB板的相对的另一端处的连接端子通过回绕匝连接到所述回绕连接端子。

5.根据权利要求1-4任一所述的栅栏式电流互感器，其特征在于，所述栅栏式电流互感器还包括互感器外壳，所述第一PCB板、第二PCB板和金属针构成的组件设置在所述互感器外壳内部的空腔中。

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