一種基於印製電路板的空芯線圈電流互感器的製作方法

2023-07-20 06:37:36 2

專利名稱：一種基於印製電路板的空芯線圈電流互感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種印製電路板空芯線圈電流互感器，所屬技術領域為電力系統中的測量和保護領域。
背景技術：
現有的電力系統用電磁式電流互感器是由原邊線圈與副邊線圈共繞於同一鐵芯構成，原邊接系統高壓，副邊輸出作為信號源和系統繼電保護所需部分功率源，絕緣結構複雜、可靠性低，測量範圍有限，有磁飽和現象，不能直接為現代電力系統的微機繼電保護服務。
空芯線圈，最初是用來測量磁場的，由於線圈輸出電壓和功率都比較小，難以直接驅動後級測量和保護設備，因此長期以來無法直接應用於電力系統電流測量。隨著測量技術、微電子技術的發展，對小信號的精確測量已經成為了可能，以空芯線圈為基礎的電子式電流互感器得到了快速發展，並將取代傳統電流互感器。
現有的電子式電流互感器採用的空芯線圈一般是將軟導線(通常為漆包線)繞制在由非磁材料製成的骨架上，線圈繞成偶數層，並採用迴繞線來消除外界磁場的幹擾。空芯線圈的測量精度主要決定於線圈的互感係數，而要使互感係數為一穩定的常數必須滿足如下3個條件1、每匝線圈橫截面相等；2、線圈均勻繞制；3、線圈截面積與中心線垂直。採用傳統線圈繞制方法製作空芯線圈時，由於受到工藝精度上的限制，要實現上述3個條件是非常困難的。因此，採用傳統方法製作的空芯線圈測量精度不高，通常不能滿足電力系統測量的需要，同時還存在由於手工或半自動製作空芯線圈導致的參數分散性問題。另一方面，現有的空芯線圈電流互感器採用的模擬積分電路受環境溫度和直流分量的影響，測量誤差較大、容易發生積分飽和，這些都限制了空芯線圈電流互感器在電力系統中的應用。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種新型的印製電路板線圈作為電子式電流互感器的空芯線圈，消除一般空芯線圈製作過程中的誤差，使空芯線圈易於工業批量生產，並保證空芯線圈工業批量生產的性能一致性；同時採用數字積分解決了現有空芯線圈電流互感器的模擬積分受環境溫度和直流分量影響測量誤差較大、容易飽和的不足。
本實用新型的工作原理是電流母線穿過空芯線圈，空芯線圈感應出與電流母線中的電流有固定關係的電壓信號，此電壓信號經雙層屏蔽絞線傳遞到信號採集處理單元並按固定規律轉換為數位訊號，數位訊號由數字接口通過乙太網傳輸給測量和微機保護系統，並且就地由模擬接口輸出模擬信號。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是本實用新型一種基於印刷電路板的空芯線圈電流互感器由印製電路板空芯線圈、傳輸雙層屏蔽絞線，信號處理單元，數字接口和模擬接口等組成，其特徵是空芯線圈的印製板基板為三層印製板結構，印製板的頂層和底層均勻布線，底層導線和頂層導線經過孔相連接形成線圈，其線圈匝數為200匝到300匝，印製板中間層迴繞線分別與頂層導線和空芯線圈末端相連，中間層迴繞線布置在印製板的中間層，其位置為線圈截面的幾何中心，空芯線圈首端和底層導線相連。
所述的印製電路板空芯線圈由多個印製電路板空芯線圈組成通過空芯線圈首端端子和空芯線圈末端端子首末端連接。
所述的印製電路板空芯線圈的外形為圓形、矩形或橢圓形。
所述的信號採集處理單元是由信號調理部分，A/D模數轉換器，可編程邏輯器件FPGA，D/A模數轉換器，電光轉換器構成，並按照信號流向採用導電布線順序連接製成的印刷電路板。
所述的信號還原的數字積分由可編程邏輯控制器FPGA完成。
本實用新型的有益效果是本實用新型採用了印製電路板的空芯線圈，加工簡單，易於工業批量生產，避免了手工或半手工繞制空芯線圈造成的性能分散性，能保證工業批量生產的空芯線圈性能穩定和一致性，大大提高了互感器的測量精度。同時，本實用新型採用了數字積分，避免了現有空芯線圈電流互感器的模擬積分受溫度和直流分量影響，造成測量誤差較大、容易飽和的不足。


以下結合附圖對本實用新型作進一步說明圖1為本實用新型印製電路板空芯線圈電流互感器的原理圖。
圖2為本實用新型印製電路板空芯線圈電流互感器的空芯線圈示意圖。
圖3為本實用新型印製電路板空芯線圈電流互感器的典型實施例示意圖。
圖中零部件、部位及編號1電流母線2印刷電路板空芯線圈3雙層屏蔽絞線4信號採集處理單元5模擬接口 6數字接口7空芯線圈首端8空芯線圈末端 9印製板基板10底層導線 11頂層導線 12中間層迴繞線13過孔 14線圈固定螺孔 15信號調理部分16A/D模數轉換器 17可編程邏輯器件FPGA 18D/A模數轉換器19電光轉換器具體實施方式
本實用新型如圖1所示，當高壓母線(1)流過電流時，測量用的印製電路板空芯線圈(2)中感應出與該電流信號有固定關係的電壓信號，傳輸雙層屏蔽絞線(3)將該信號傳輸到信號採集處理單元(4)進行處理；經過處理後的數位訊號由數字接口(5)傳輸到電力系統的乙太網總線，同時模擬信號由模擬接口(6)輸出。
本實用新型的空芯線圈結構如圖2所示印製板基板(9)採用三層印製板結構，印製板的頂層和底層均勻布線，底層導線(10)用虛線表示和頂層導線(11)用實線表示經過孔(13)相連接形成線圈，形成的線圈數為200～300匝；空芯線圈首端(7)和底層導線(10)相連接，印製板中間層迴繞線(12)用點劃線表示分別與頂層導線(11)和空芯線圈末端(8)相連接；印製板中間層迴繞線(12)用於消除外界磁場的幹擾。
本實用新型的最佳實施例如圖3所示當高壓母線(1)中流過電流時，印製電路板空芯線圈(2)感應出相應的電壓信號；空芯線圈(2)由四個相同的電路板串接，每個電路板採用三層板結構，並在電路板的頂層和底層均勻布線，經過孔(13)連接，形成線圈240匝，印製電路板的中間層布置了導線體構成中間層迴繞線(12)，該中間層迴繞線(12)放置於空芯線圈環繞截面的幾何中心線處，消除外界磁場幹擾；連接的雙層屏蔽絞線(3)為工業級電纜；雙層屏蔽絞線(3)將該信號傳輸到信號調理部分(15)進行濾波並放大到A/D模數轉換器(16)的測量範圍；可編程邏輯控制器FPGA(17)控制模數轉換器(16)採樣信號調理部分(15)的輸出信號，並轉換為數位訊號後送入可編程邏輯控制器FPGA(17)中；可編程邏輯控制器FPGA內的數字積分電路對輸入的數位訊號進行積分，將電壓信號還原成與高壓母線(1)電流同相位的數位訊號；可編程邏輯控制器FPGA(17)將積分後的數位訊號由電光轉換器(19)變為光信號後經與數字接口(6)相連接的光纖傳輸到乙太網總線；同時也可將可編程邏輯控制器FPGA(17)積分後的信號經D/A數模轉換器(18)轉換為模擬信號由模擬接口(5)輸出。信號調理晶片(15)，A/D模數轉換器(16)，可編程邏輯控制器FPGA(17)，D/A數模轉換器(18)，電光轉換器(19)，數字接口(6)均為工業級通用晶片。
權利要求1.一種基於印製電路板空芯線圈電流互感器，它是由印製電路板空芯線圈(2)、傳輸雙層屏蔽絞線(3)，信號處理單元(4)，數字接口(5)和模擬接口(6)等組成，其特徵是空芯線圈(2)的印製板基板(9)為三層印製板結構，印製板的頂層和底層均勻布線，底層導線(10)和頂層導線(11)經過孔(13)相連接形成線圈，其線圈匝數為200匝到300匝，印製板中間層迴繞線(12)分別與頂層導線(11)和空芯線圈末端(8)相連，中間層迴繞線(12)布置在印製板的中間層，其位置為線圈截面的幾何中心，空芯線圈首端(7)和底層導線(10)相連。
2.根據權利要求1所述的印製電路板空芯線圈電流互感器，其特徵是印製電路板空芯線圈(2)由多個印製電路板空芯線圈組成通過空芯線圈首端(7)端子和空芯線圈末端(8)端子首末端連接。
3.根據權利要求1所述的印製電路板空芯線圈電流互感器，其特徵是印製電路板空芯線圈(2)的外形為圓形、矩形或橢圓形。
4.根據權利要求1、2所述的印製電路板式空芯線圈電流互感器，其特徵是信號採集處理單元(4)是由信號調理部分(15)、A/D模數轉換器(16)、可編程邏輯器件FPGA(17)、D/A模數轉換器(18)、電光轉換器(19)構成，並按照信號流向採用導電布線順序連接製成的印刷電路板。
專利摘要本實用新型屬於電力系統的測量和保護領域，特別涉及一種基於印製電路板空芯線圈電流互感器。它是用印刷電路板空芯線圈對母線電流進行測量；用模數轉換A/D和信號處理單元將測量線圈的信號轉換為相應的數位訊號輸出。這種印製電路板空芯線圈採用三層印製板實現，印製板的頂層和底層導線沿圓周均勻分布，並由過孔連接形成線圈，保證每匝線圈橫截面相等，印製板的中間層用於布置線圈迴繞線，減少環境溫度、母線位置和外界磁場影響帶來的測量誤差；信號處理部分採用可編程邏輯器件FPGA為核心的數字積分，解決了傳統模擬積分受環境溫度和直流分量影響測量誤差較大、易飽和的缺點。
文檔編號H05K1/16GK2836202SQ200520034969
公開日2006年11月8日 申請日期2005年8月1日 優先權日2005年8月1日
發明者方春恩, 李偉 申請人:西華大學