直導線pcb平面螺旋線圈一次電流傳感器的製作方法

2024-01-29 16:22:15 1

專利名稱：直導線pcb平面螺旋線圈一次電流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子式電流互感器的一次電流傳感器，特別涉及一種直導線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器。
背景技術：
電子式電流互感器的一次電流傳感器現有技術包括磁光效應型、Rogowski空心線圈型、Rogowski空心線圈PCB板型、螺旋管空心線圈型和PCB型空心線圈電流傳感器。
磁光效應型電流傳感器是利用光學材料的物理效應，如法拉第磁光效應進行電流測量，由於光學材料受環境溫度和機械振動等因素的影響較大，國內外雖有樣機掛網運行，但運行的穩定性和可靠性不高，而且價格昂貴，還有相角測量等許多關鍵技術沒有得到解決，因此未能形成產品在電力系統推廣應用。
Rogowski空心線圈電流傳感器是將二次線圈繞制在非磁性材料圓形骨架上， 一次導線垂直穿過骨架正中々，目前國內外已形成產品應用。由於結構複雜、製作工藝要求高、抗電磁幹擾技術有待提高，對小電流信號測量精度不高。
Rogowski空心線圈PCB板型電流傳感器是將二次線圈製作在圓形PCB板上， 一次導線垂直穿過PCB板中心，同樣存在Rogowski空心線圈電流傳感器的技術難題，而且測量精度更低，抗幹擾能力不強，目前還處於研究階段。螺旋管空心線圈和PCB板空心線圈型電流傳感器是本專利發明人的專利 技術， 一次線圈圍繞部分二次線圈繞製成各種形狀的一匝或多匝螺旋管，二 次線圈繞制4以上的偶數個螺旋線圈，製作工藝複雜，通過大電流時受電動 力的影響較大，二次線圈的抗幹擾效果較好，精度較高，用作電錶和微機保 護小電流傳感器有優勢，不適合用作大電流電子式電流互感器的一次電流傳 感器，目前處在研製階段。
因此，以上電子式電流互感器的一次電流傳感器技術都存在一些不足。

發明內容
為解決現有電子式電流互感器的一次電流傳感器技術存在的不足，本發 明提供一種結構簡單、測量精度高、線性度好、無鐵芯暫態特性好、抗電磁 幹擾能力強的直導線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器，可以用於大電流電 子式電流互感器的一次電流傳感器。
本發明解決上述技術問題的方案是電流傳感器的一次電流直導線根據
一次電流的大小設計成圓形或矩形截面直導線，設有兩層或偶數多層PCB電 路板，每層設有4以上的偶數個相同的平面螺旋線圈，各螺旋線圈磁中心按 等邊四邊形或多邊形對稱布置，各螺旋線圈不能有交錯重疊，兩層對應位置 螺旋線圈通過中心點過孔聯接，構成一個雙層平面螺旋線圈。相鄰位置的螺 旋線圈依次反極性串聯，首末兩個端頭構成二次線圈輸出端，使外部幹擾電 磁場在兩組平面螺旋線圈中感應信號方向相反而相互抵消，雙層或多層PCB 板的各層平面螺旋線圈可以通過各層PCB板的過孔聯接組成一個二次線圈， 多塊雙層或多層PCB板可以分成兩部分串聯組成一個二次線圈。
上述的直導線PCB型平面螺旋線圈一次電流傳感器中，所述二次螺旋線圈為以磁中心向外均勻逐增的矩形、圓形或橢圓形中的任一種，每個平面螺 旋線圈過磁中心點有中心縱向軸線，且層與層之間相應的二次螺旋線圈共軸。
上述的直導線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器中，多層PCB板疊裝平 放在矩形直導線上或鑲嵌在圓形與矩形截面中心軸線方向的契槽中，用螺栓 固定，而且一根矩形直導線上可疊裝兩個或多個不同層數的PCB平面螺旋線 圈一次電流傳感器。
上述的直導線PCB板平面螺旋線圈電流傳感器中PCB電路板的二次線圈 輸出電壓須接積分放大器以保證輸出電壓與一次電流同相位。
本發明的技術效果
一次電流線圈採用截面為圓形或矩形的直導線，PCB電路板採用4以上 偶數個平面螺旋線圈組成二次線圈，按一個邊側平面螺旋線圈插入一次直導 線中心軸線契槽中或平放在直導線上方或下方或兩側的方法組成電子式電流 互感器的一次電流傳感器。其結構簡單、製作工藝精細、便於批量生產、二 次電壓對一次電流的測量精度高、線性度好、對外部電磁場的抗幹擾能力強， 適合於特高壓及以下各個電壓等級的電子式電流互感器用作一次電流傳感 器。
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明。


圖1為本發明直導線PCB型平面螺旋線圈一次電流傳感器結構原理圖。
圖2為本發明實施例PCB上層平面螺旋線圈示意圖。
圖3為本發明實施例PCB下層平面螺旋線圈示意圖。
圖4為本發明相對附近大電流產生的幹擾磁場無響應原理圖。圖5為本發明實施例PCB長方形平面螺旋線圈示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，圖中1是一次電流直導線，直導線截面可以是矩形或圓形，且-均有中心軸線；2為印有4個平面螺旋線圈的PCB板；3為PCB板與一次直 導線的緊固螺栓；4、 5、 6、 7為PCB板上層4個相同的平面螺旋線圈；8、 9、 10、 11為PCB板上層與下層4個平面螺旋線圈的磁中心連接過 L; 12為PCB 板二次線圈感應電勢輸出端；13為積分放大器；14為一次電流傳感器的輸出 電壓端。 一次直導線1如果截面為圓形或矩形，沿中心軸線開長方形契槽， 要求契槽四面光滑平整，PCB板疊裝後，將一個邊側平面螺旋線圈鋪墊絕緣 薄膜後鑲嵌在一次直導線契槽中，使直導線契槽上下邊緣與該平面螺旋線圈 最外層靠近中間兩平面螺旋線圈的邊線重合，然後用螺栓緊固；如果一次電 流直導線截面為圓形或矩形截面而不便開契槽時，可以將PCB板鋪墊絕緣薄 膜平放在直導線的上方或下方或兩側，使直導線中心軸線平面邊緣與平面螺 旋線圈最外層靠近中間兩平面螺旋線圈的邊緣平行或重合，然後用螺栓緊固。
圖2為平面螺旋線圈在PCB板上層的布置圖，4、 5、 6、 7為印製在PCB 板上4個相同的平面螺旋線圈，8、 9、 10、 11為4個平面螺旋線圈磁中心點 的過孔，分別與PCB板下層4個相同對應平面螺旋線圈磁中心點的過孔重合 且相連接。各平面螺旋線圈圍繞磁中心點由內向外均勻分布，相鄰磁中心點 的連線為等邊四邊形，且各線圈之間不能有交錯重疊，12為雙層PCB平面螺 旋線圈電流傳感器的感應電勢輸出端。
圖3為平面螺旋線圈在PCB板下層的布置圖，15、 16、 17、 18為4個平 面螺旋線圈，8、 9、 10、 11為PCB板下層4個平面螺旋線圈的磁中心點的過孔，與PCB上層4個相同對應平面螺旋線圈磁中心的過孔重合且相連接，各 平面螺旋線圈圍繞磁中心點由內向外均勻分布，相鄰磁中心點的連線為等邊 四邊形，且各線圈之間不能有交錯重疊-。
圖4中，19、 20、 21為以上所述的PCB平面螺旋線圈電流傳感器附近的 通電導體。當導體19中通以交流電流時，產生幹擾磁場，15與17因該幹擾 磁場產生的感應電動勢方向相同，16與18因該幹擾磁場產生的感應電動勢方 向相同，而15、 17與16、 18因該幹擾磁場產生的感應電動勢方向相反，又 直導線19中電流產生的是一個線形梯度磁場，那麼15、 17因該幹擾磁場產 生的感應電動勢之和與16、 18因該幹擾磁場產生的感應電動勢之和大小相等， 方向相反，最終串接相互抵消；當導體21中通以交流電流時，產生幹擾磁場， 16與18因該幹擾磁場產生的感應電動勢方向相同，15與17因該幹擾磁場產 生的感應電動勢方向相同，而15、 17與16、 18因該幹擾磁場產生的感應電 動勢方向相反，又直導線21中電流產生的是一個線形梯度磁場，那麼15、 17 因該幹擾磁場產生的感應電動勢之和與16、 18因該幹擾磁場產生的感應電動 勢之和大小相等，方向相反，最終串接相互抵消；當導體20中通以交流電流 時，相對傳感器產生幹擾的交變磁場，而螺旋線圈16與17因該幹擾磁場產 生的感應電動勢大小相等、方向相反，同樣15與18由此產生的感應電動勢 大小相等、方向相反，那麼15、 16因該幹擾磁場產生的感應電動勢之和與17、 18因該幹擾磁場產生的感應電動勢之和大小相等、方向相反，最終串接相互 抵消；同樣，4、 5、 6、 7螺旋線圈因附近電流幹擾產生的感應電動勢也會完 全抵消。在其它方向的幹擾電流可以分解為相對平面螺旋線圈的垂直方向和 水平方向的幹擾電流，它們產生的梯度幹擾磁場在4個平面螺旋線圈中產生的感應電動勢同樣也完全抵消。
因此，以上所述的直導線PCB平面螺旋線圈電流傳感器對外界電磁場幹 擾無響應。
圖5中， 一次PCB電路板上的4個平面螺旋線圈設計成長方形，增大線 圈的面積可以增大一次電流與二次線圈的互感係數，增加二次的感應電勢， 同樣可以完全抵消外部電流梯度磁場產生的感應電勢。
權利要求
1、一種直導線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器，其特徵在於包括一次電流直導線，其具有一個中心軸線；二次線圈由雙層或偶數多層PCB電路板的平面螺旋線圈構成。
2、 根據權利要求1的電流傳感器，其特徵在於所述PCB電路板各層4 以上的偶數個相同的平面螺旋線圈為由磁中心點向外逐增、分布均勻的矩形、 圓形、或橢圓形中的任一種，每個平面螺旋線圈過磁中心點有中心縱向軸線， 且層與層之間相應的螺旋線圈磁中心共軸。
3、 根據權利要求1、 2的電流傳感器，其特徵在於設有兩層或偶數多 層PCB電路板，每層設有4個以上的偶數個相同的平面螺旋線圈。各螺旋線 圈磁中心按等邊四邊形或等邊多邊形對稱布置，各螺旋線圈不能有重疊，兩 層對應位置螺旋線圈通過磁中心點過孔聯接構成一個雙層平面螺旋線圈，相 鄰的兩螺旋線圈依次反極性串接，首末兩個端頭構成二次線圈輸出端。
4、 根據權利要求l、 2、 3的電流傳感器，其特徵在於 一次電流直導線根據電流的大小設計成圓形或矩形截面，在直導線中心軸線方向開扁形長方 形契槽，其長、寬、高能平行插入PCB板，PCB板一個邊側平面螺旋線圈完全插入契槽中，使直導線契槽上下邊緣與該平面螺旋線圈最外層靠近中間兩 平面螺旋線圈的邊線重合，然後用螺栓緊固。
5、根據權利要求1至4的電流傳感器，其特徵在於 一次電流直導線 根據一次電流的大小設計成圓形或矩形截面，PCB板一個邊側平面螺旋線圈 平放在直導線上方或下方或兩側，使直導線中心軸線平面邊緣與平面螺旋線 圈最外層靠近中間兩平面螺旋線圈的邊緣平行或重合，然後用螺栓緊固。
6、 根據權利要求1至5的電流傳感器，其特徵在於 一根直導線上可疊 裝兩個或多個不同層數的PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器。
7、 根據權利要求1至6的電流傳感器，其特徵在於PCB電路板的二次 線圈輸出電壓須接積分放大器，使積分放大器的輸出電壓與一次電流同相位。
全文摘要
本發明公開了一種一次直導線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器，其一飲線圈為圓形或矩形截面直導線，二次線圈為雙層或偶數多層PCB電路板，每層PCB板上設有4以上偶數個相同的平面螺旋線圈，每個螺旋線圈磁中心按等邊四邊形或等邊多邊形布置。每層相鄰線圈依次反極性串接，層與層之間的螺旋線圈通過過孔連接，首末兩個端頭作為輸出端，PCB板邊側螺旋線圈鑲嵌在一次直導線中心軸線契槽中或緊貼在導線上方、下方或兩側，用螺栓緊固。本發明能消除外界電磁場的幹擾，同時二次線圈又能靈敏地響應直導線中的一次電流，產生與之成正比變化的二次電壓信號，有很好的線性度、測量精度和抗電磁幹擾能力，適合特高壓及以下各個電壓等級電子式電流互感器用作一次電流傳感器。
文檔編號H01F17/00GK101677031SQ20081014324
公開日2010年3月24日 申請日期2008年9月19日 優先權日2008年9月19日
發明者周有慶, 彭春燕, 王國華, 偉 龔 申請人:周有慶