專利名稱：螺旋管型空心線圈電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電流傳感器，特別是涉及一種電力系統(tǒng)中測(cè)量用和保護(hù)用的螺旋管型空心線圈電流傳感器。
背景技術(shù)：
目前，在電力系統(tǒng)中使用的電流互感器主要是電磁式電流互感器。為了滿足電力系統(tǒng)發(fā)展和電力系統(tǒng)自動(dòng)化、數(shù)字化的需要，國(guó)內(nèi)外也研制出了利用其它感應(yīng)原理的的電流互感器。根據(jù)選用傳感頭的不同，主要分為兩種基于法拉第磁光效應(yīng)原理的純光學(xué)電流互感器和基于Rogowski(空心)線圈的電子式電流互感器。
電磁式電流互感器是由鐵心和一、二次繞組構(gòu)成的，其主要缺點(diǎn)有1、絕緣技術(shù)要求復(fù)雜，易燃易暴。2、動(dòng)態(tài)范圍小，頻帶窄，誤差大。電磁式電流互感器都帶有鐵心。隨著電網(wǎng)容量的不斷提升，額定電壓越來(lái)越高，短路電流越來(lái)越大。在非周期性電流的影響下，鐵心會(huì)飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁不能正確的反應(yīng)電流的增加，會(huì)引起很大的暫態(tài)誤差，限制了其測(cè)量范圍。如果鐵心中有剩磁通，更會(huì)引起輸出電流嚴(yán)重畸變，甚至?xí)斐蓢?yán)重后果。3、成本高昂。對(duì)于超高壓的電磁式電流互感器，由于其絕緣方式的復(fù)雜和材料的消耗，致使其體積龐大、生產(chǎn)成本大幅增加，也給運(yùn)輸帶來(lái)了困難。4、增加了對(duì)二次側(cè)要求嚴(yán)格。主要有①二次側(cè)負(fù)荷不能開(kāi)路，否則會(huì)導(dǎo)致高電壓，對(duì)設(shè)備或人員造成傷害；②對(duì)負(fù)荷要求嚴(yán)格，如若二次側(cè)負(fù)荷過(guò)大，數(shù)值和相角誤差就會(huì)增大。5、增加了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。二次輸出的電流一般為1A或5A的電流信號(hào)，需經(jīng)過(guò)電流變換器轉(zhuǎn)化成小電流信號(hào)，再輸入到微機(jī)測(cè)量或保護(hù)裝置。6、電磁式電流互感器還有易受電磁干擾、維護(hù)工作量大、漏油污染環(huán)境等缺點(diǎn)。
基于法拉第磁光效應(yīng)原理的純光學(xué)電流互感器由于受溫度、機(jī)械振動(dòng)等因素的影響較大，國(guó)內(nèi)雖然已有產(chǎn)品掛網(wǎng)試運(yùn)行，但穩(wěn)定性、可靠性不高，而且價(jià)格昂貴，還有許多關(guān)鍵問(wèn)題沒(méi)有得到解決，因此未能形成產(chǎn)品在電力系統(tǒng)應(yīng)用。
基于Rogowski(空心)線圈的電子式電流互感器具有體積小、重量輕、造價(jià)低、無(wú)鐵芯、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大、頻率響應(yīng)寬的優(yōu)點(diǎn)，不存在磁飽和和鐵磁振蕩問(wèn)題；也避免了純光學(xué)傳感頭中存在的溫度和振動(dòng)問(wèn)題。但是，目前所研制的用于電子式電流互感器的空心線圈電流傳感頭，都是將一次直導(dǎo)體直接通過(guò)繞有二次線圈的非磁性環(huán)形骨架的中心，或?qū)⒍尉€圈制作在中間空心的印刷電路板(PCB)上，一次直導(dǎo)體通過(guò)PCB的中心。這兩種空心線圈電流傳感器主要有兩個(gè)缺點(diǎn)(1)一次導(dǎo)體與二次線圈的耦合較弱，以致互感系數(shù)較小，難以通過(guò)增加線圈匝數(shù)和面積來(lái)提高互感系數(shù)，否則會(huì)導(dǎo)致線圈電阻、面積、體積增大；(2)易受外界干擾磁場(chǎng)的影響；另外，環(huán)形骨架不便于傳感線圈的均勻緊密繞制，這樣也會(huì)影響測(cè)量的精度和抗電磁干擾性。由于以上這些缺點(diǎn)，現(xiàn)有的空心線圈電流傳感技術(shù)用于電力系統(tǒng)三相電流測(cè)量時(shí)，其中一相的電流測(cè)量會(huì)受到其它兩相電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的干擾，尤其在測(cè)量小電流(電力系統(tǒng)輕載)時(shí)，感應(yīng)信號(hào)弱，又易受到外界磁場(chǎng)干擾，導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有電流傳感器所存在的易飽和、響應(yīng)慢、線性度較差、抗電磁干擾能力低的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種精度高、線性度好、抗電磁干擾能力強(qiáng)的螺旋管型空心線圈電流傳感器。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是包括4以上的偶數(shù)個(gè)繞在非磁性直筒形骨架上的螺旋管傳感線圈，所有螺旋管傳感線圈圍繞一個(gè)軸心平行對(duì)稱分布，按限定的方式串接，且其配置使得由一個(gè)公共的電磁場(chǎng)在所有螺旋管傳感線圈中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加相互抵消，保留兩個(gè)端頭作為輸出信號(hào)端，構(gòu)成二次線圈，一次線圈，緊繞半數(shù)彼此不相鄰的螺旋管傳感線圈設(shè)制成一個(gè)單匝或多匝螺旋管線圈，上述的螺旋管型空心線圈電流傳感器中，所述二次螺旋管傳感線圈都采用相同的導(dǎo)線均勻密繞在骨架上制成多匝單層或多層的螺旋管線圈，并且所有二次螺旋管傳感線圈的形狀、尺寸和線圈的層數(shù)以及每層匝數(shù)都相同。
上述的螺旋管型空心線圈電流傳感器中，所述繞在非磁性直筒形骨架上的螺旋管傳感線圈的截面為圓形、1/4圓形、矩形、三角形等任何形狀的一種。
一種螺旋管型空心線圈電流傳感器，包括4以上的偶數(shù)個(gè)繞在非磁性直筒形骨架上的螺旋管傳感線圈，所有螺旋管傳感線圈圍繞一個(gè)軸心平行對(duì)稱分布，按限定的方式串接，且其配置使得由一個(gè)公共的電磁場(chǎng)在所有螺旋管傳感線圈中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加相互抵消，保留兩個(gè)端頭作為輸出信號(hào)端，構(gòu)成二次線圈；一次線圈緊貼每個(gè)二次螺旋管線圈繞制成相同個(gè)數(shù)串接的多匝單層或多層的螺旋管線圈。
上述的螺旋管型空心線圈電流傳感器中，所述二次螺旋管傳感線圈都采用相同的導(dǎo)線均勻密繞在骨架上制成多匝單層或多層的螺旋管線圈，并且所有二次螺旋管傳感線圈的形狀、尺寸和線圈的層數(shù)以及每層匝數(shù)都相同。
上述的螺旋管型空心線圈電流傳感器中，多個(gè)螺旋管線圈串接制成的一次線圈中，所有螺旋線圈形狀、尺寸和線圈的層數(shù)以及每層匝數(shù)都相同，按限定的方式串接，且其配置使得由一個(gè)公共的電磁場(chǎng)在所有一次螺旋管線圈中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加相互抵消，保留兩個(gè)端頭作為被測(cè)電流輸入端。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于1)本螺旋管型空心線圈電流傳感器無(wú)鐵心，具有頻帶寬、快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器易飽和、響應(yīng)慢、線性度較差的問(wèn)題；2)本螺旋管型空心線圈電流傳感器包括多個(gè)圍繞中心均勻分布的螺旋管傳感線圈，按限定的方式串接，且其配置使得由一個(gè)公共的電磁場(chǎng)在所有螺旋管傳感線圈中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加相互抵消，消除了外界磁場(chǎng)的干擾，不需另外加電磁屏蔽層；3)每個(gè)空心螺旋管二次線圈可以完全制成相同，便于批量生產(chǎn)，降低成本；4)一次線圈可根據(jù)需要緊貼半數(shù)個(gè)或所有二次螺旋管線圈繞一匝或多匝制成螺旋管，可以很方便增大或減小電流傳感器的互感系數(shù)。
總之，本發(fā)明所涉及的螺旋管空心線圈電流傳感器明顯改善了電流傳感器的飽和特性和線性度，大大提高了測(cè)量精度和抗電磁干擾能力；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，成本低，安裝、校準(zhǔn)、調(diào)試、維護(hù)均十分方便。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。


圖1為本發(fā)明優(yōu)選的一種螺旋管型空心線圈電流傳感器的俯視圖；圖2為圖1中空心線圈電流傳感器二次線圈的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖；圖3為圖1中單個(gè)螺旋管傳感線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明優(yōu)選的電流傳感器相對(duì)附近大電流產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)無(wú)響應(yīng)的原理圖；圖5為本發(fā)明另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖3，圖3中1為非磁性直筒形骨架，2、3為繞在骨架上的二次線圈的首尾端，其中二次線圈采用較細(xì)的漆包銅線均勻密繞在骨架上，從骨架首端繞到尾端，可再繞回首端，這樣重復(fù)繞制，最后可形成多層多匝螺旋管傳感線圈，優(yōu)選繞成奇數(shù)匝，便于分清線圈的首尾端，從而便于相鄰骨架上的二次線圈依次首端或末端相連，從圖2中可看出這一點(diǎn)。
圖1中，4、5、6、7均為相同的繞有二次線圈的螺旋管傳感線圈，并圍繞一個(gè)中心緊密均勻分布在一個(gè)圓上，彼此所留的空隙供一次導(dǎo)體通過(guò)。一次導(dǎo)體8圍繞上述半數(shù)不相鄰的二次螺旋管傳感線圈制成一匝或多匝的螺旋管一次線圈。其中一次螺旋管線圈繞成多匝時(shí)不要過(guò)于緊密，要考慮一次螺旋管的散熱以及與二次螺旋管的絕緣。結(jié)合圖2，相鄰的螺旋管二次線圈依次首端或末端相連，9、10為整個(gè)二次螺旋管線圈首尾引線端，作為二次感應(yīng)信號(hào)的輸出端。一次導(dǎo)體中通入被測(cè)交流電流時(shí)，4、5、6、7的二次線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向都相同，串接相互疊加，總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從9、10輸出。
圖4中，11、12、13均為本發(fā)明上述的螺旋管空心線圈電流傳感器附近的導(dǎo)電體，并可通過(guò)大電流。當(dāng)導(dǎo)體11中通以交流電流時(shí)，相對(duì)傳感器產(chǎn)生干擾的交變磁場(chǎng)，而5與6的二次線圈因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相等、方向相反，串接后相互抵消；同樣4與7的二次線圈因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相互抵消。當(dāng)導(dǎo)體12中通以交流電流時(shí)，相對(duì)傳感器產(chǎn)生干擾的交變磁場(chǎng)，而6與7的二次線圈因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相等、方向相反，串接相互抵消；同樣4與5的二次線圈因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相互抵消。當(dāng)導(dǎo)體13中通以交流電流時(shí)，相對(duì)傳感器產(chǎn)生干擾的交變磁場(chǎng)，5與7的二次線圈因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，4與6的二次線圈因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，而5、7的二次線圈與4、6的二次線圈因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相反，又直導(dǎo)線13中電流產(chǎn)生的是一個(gè)線形梯度磁場(chǎng)，那么5、7的二次線圈因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和與4、6的二次線圈因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和大小相等，方向相反，最終串接相互抵消。同樣，本發(fā)明所涉的空心線圈電流傳感器用于電力系統(tǒng)三相電流測(cè)量時(shí)，某一相的電流傳感器也能避免其它兩相電流產(chǎn)生的電磁干擾，即保證了三相電流的測(cè)量互不受影響。當(dāng)遠(yuǎn)端產(chǎn)生的干擾交變磁場(chǎng)(均勻磁場(chǎng))垂直穿過(guò)上述的二次線圈時(shí)，原導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的半數(shù)螺旋管二次線圈因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)之和與其外側(cè)半數(shù)螺旋管二次線因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)之和大小相等、方向相反，相互抵消。外界干擾磁場(chǎng)水平穿過(guò)上述的二次線圈時(shí)，二次線圈無(wú)感應(yīng)。
因此，本發(fā)明所述的螺旋管空心線圈電流傳感器對(duì)外界干擾電磁無(wú)響應(yīng)。
圖5中，采用六個(gè)非磁性直筒骨架，18、19、20、21、22、23均為相同的繞有二次線圈的螺旋管空心線圈，并圍繞一個(gè)中心緊密均勻分布在一個(gè)圓上，彼此所留的空隙供一次螺旋管線圈17通過(guò)，其繞法如圖中所示，可繞一匝或多匝。其中每個(gè)螺旋管空心線圈的二次繞線如圖1，相鄰螺旋管空心線圈依次首端或末端相連接，留一處不連作為二次感應(yīng)信號(hào)的輸出，類似圖2中螺旋管二次線圈的接法。
圖6中，28、29、30、31均為相同的繞有二次線圈的螺旋管空心線圈，其側(cè)面圖以及連接類似圖2，串接構(gòu)成二次線圈。24、25、26、27均為相同的繞有一次線圈的螺旋管空心線圈，其側(cè)面圖以及連接類似圖2，串接構(gòu)成一次線圈。這種方法可以大大增加傳感器的互感系數(shù)，且保證一次線圈和二次線圈均不受外界磁場(chǎng)的干擾。
以上所有實(shí)施例中，每個(gè)二次螺旋管線圈的的繞向也可以不同，連接方式也可以做相應(yīng)的改變，相鄰二次螺旋管線圈的連接應(yīng)使一次線圈在二次螺旋管線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)疊加，公共的電磁場(chǎng)在所有二次螺旋管線圈中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加相互抵消，即避免外界電磁場(chǎng)的干擾。實(shí)施例3中的每個(gè)一次螺旋管線圈的繞向也可以不同，連接方式也可以做相應(yīng)的改變，同樣使得一次線圈避免外界電磁場(chǎng)的干擾。
權(quán)利要求
1.一種螺旋管型空心線圈電流傳感器，其特征在于包括4以上的偶數(shù)個(gè)繞在非磁性直筒形骨架上的螺旋管傳感線圈，所有螺旋管傳感線圈圍繞一個(gè)軸心平行對(duì)稱分布，按限定的方式串接，且其配置使得由一個(gè)公共的電磁場(chǎng)在所有螺旋管傳感線圈中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加相互抵消，保留兩個(gè)端頭作為輸出信號(hào)端，構(gòu)成二次線圈；一次線圈，緊繞半數(shù)彼此不相鄰的螺旋管傳感線圈設(shè)制成一個(gè)單匝或多匝螺旋管線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋管型空心線圈電流傳感器，其特征在于所述二次螺旋管傳感線圈都采用相同的導(dǎo)線均勻密繞在骨架上制成多匝單層或多層的螺旋管線圈，并且所有二次螺旋管傳感線圈的形狀、尺寸和線圈的層數(shù)以及每層匝數(shù)都相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的螺旋管型空心線圈電流傳感器，其特征在于繞在非磁性直筒形骨架上的螺旋管傳感線圈的截面為圓形、1/4圓形、矩形、三角形等任何形狀的一種。
4.一種螺旋管型空心線圈電流傳感器，其特征在于包括4以上的偶數(shù)個(gè)繞在非磁性直筒形骨架上的螺旋管傳感線圈，所有螺旋管傳感線圈圍繞一個(gè)軸心平行對(duì)稱分布，按限定的方式串接，且其配置使得由一個(gè)公共的電磁場(chǎng)在所有螺旋管傳感線圈中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加相互抵消，保留兩個(gè)端頭作為輸出信號(hào)端，構(gòu)成二次線圈；一次線圈緊貼每個(gè)二次螺旋管線圈繞制成相同個(gè)數(shù)串接的多匝單層或多層的螺旋管線圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的螺旋管型空心線圈電流傳感器，其特征在于所述二次螺旋管傳感線圈都采用相同的導(dǎo)線均勻密繞在骨架上制成多匝單層或多層的螺旋管線圈，并且所有二次螺旋管傳感線圈的形狀、尺寸和線圈的層數(shù)以及每層匝數(shù)都相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的螺旋管型空心線圈電流傳感器，其特征在于多個(gè)螺旋管線圈串接制成的一次線圈中，所有螺旋線圈形狀、尺寸和線圈的層數(shù)以及每層匝數(shù)都相同，按限定的方式串接，且其配置使得由一個(gè)公共的電磁場(chǎng)在所有一次螺旋管線圈中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加相互抵消，保留兩個(gè)端頭作為被測(cè)電流輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種螺旋管型空心線圈電流傳感器，包括4以上的偶數(shù)個(gè)繞在非磁性直筒形骨架上的螺旋管傳感線圈，所有螺旋管傳感線圈圍繞一個(gè)軸心平行對(duì)稱分布，按限定的方式串接，且其配置使得由一個(gè)公共的電磁場(chǎng)在所有螺旋管傳感線圈中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加相互抵消，保留兩個(gè)端頭作為輸出信號(hào)端，構(gòu)成二次線圈。一次線圈，緊繞半數(shù)個(gè)彼此不相鄰的螺旋管傳感線圈設(shè)制成一個(gè)單匝或多匝螺旋管線圈，或緊貼每個(gè)二次螺旋管線圈繞制成相同個(gè)數(shù)的串接的多匝單層或多層的螺旋管線圈。本發(fā)明具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、精度高、線性度好、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，適合用于制作電子式電流互感器的傳感頭，還可用于制作常規(guī)電流互感器的二次計(jì)量、測(cè)控和微機(jī)保護(hù)裝置的電流傳感器。
文檔編號(hào)H01F38/28GK1967266SQ20061003248
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月29日
發(fā)明者周有慶, 龔偉, 吳桂清, 彭紅海 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙同慶電氣信息有限公司