專利名稱：直導(dǎo)線pcb平面螺旋線圈一次電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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(dǎo)線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器。
技術(shù)背景電子式電流互感器的一次電流傳感器現(xiàn)有技術(shù)包括磁光效應(yīng)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(yīng)型電流傳感器是利用光學(xué)材料的物理效應(yīng)，如法拉第磁光效應(yīng) 進(jìn)行電流測量，由于光學(xué)材料受環(huán)境溫度和機(jī)械振動(dòng)等因素的影響較大，國 內(nèi)外雖有樣機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行，但運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性不高，而且價(jià)格昂貴，還 有相角測量等許多關(guān)鍵技術(shù)沒有得到解決，因此未能形成產(chǎn)品在電力系統(tǒng)推 廣應(yīng)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(dǎo)線垂直穿過骨架正中心，目前國內(nèi)外已形成產(chǎn)品應(yīng)用。由于結(jié)構(gòu) 復(fù)雜、制作工藝要求高、抗電磁干擾技術(shù)有待提高，對小電流信號(hào)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制作在圓形PCB 板上， 一次導(dǎo)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(shù)難題，而且測量精度更低，抗干擾能力不強(qiáng)，目前還處于研究階 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(fā)明人的專利 技術(shù)， 一次線圈圍繞部分二次線圈繞制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(shù)個(gè)螺旋線圈，制作工藝復(fù)雜，通過大電流時(shí)受電動(dòng) 力的影響較大，二次線圈的抗干擾效果較好，精度較高，用作電表和微機(jī)保 護(hù)小電流傳感器有優(yōu)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，目前處在研制階段。因此，以上電子式電流互感器的一次電流傳感器技術(shù)都存在一些不足。實(shí)用新型內(nèi)容為解決現(xiàn)有電子式電流互感器的一次電流傳感器技術(shù)存在的不足，本實(shí) 用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、線性度好、無鐵芯暫態(tài)特性好、抗 電磁干擾能力強(qiáng)的直導(dǎo)線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器，可以用于大電 流電子式電流互感器的一次電流傳感器。本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題的方案是電流傳感器的一次電流直導(dǎo)線 根據(jù)一次電流的大小設(shè)計(jì)成圓形或矩形截面直導(dǎo)線，設(shè)有兩層或偶數(shù)多層PCB電路板，每層設(shè)有4以上的偶數(shù)個(gè)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(cuò)重疊，兩層對 應(yīng)位置螺旋線圈通過中心點(diǎn)過孔聯(lián)接，構(gòu)成一個(gè)雙層平面螺旋線圈。相鄰位 置的螺旋線圈依次反極性串聯(lián)，首末兩個(gè)端頭構(gòu)成二次線圈輸出端，使外部 干擾電磁場在兩組平面螺旋線圈中感應(yīng)信號(hào)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(lián)接組成一個(gè)二次 線圈，多塊雙層或多層PCB板可以分成兩部分串聯(lián)組成一個(gè)二次線圈。上述的直導(dǎo)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(gè)平面螺旋線圈過磁中心點(diǎn)有中心縱向軸線，且層與層之間相應(yīng)的二次螺旋線圈共軸。
上述的直導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線上可疊裝兩個(gè)或多個(gè)不同層數(shù)的PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器。
上述的直導(dǎo)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。
本實(shí)用新型的技術(shù)效果
一次電流線圈采用截面為圓形或矩形的直導(dǎo)線，PCB電路板采用4以上偶數(shù)個(gè)平面螺旋線圈組成二次線圈，按一個(gè)邊側(cè)平面螺旋線圈插入一次直導(dǎo)線中心軸線契槽中或平放在直導(dǎo)線上方或下方或兩側(cè)的方法組成電子式電流互感器的一次電流傳感器。其結(jié)構(gòu)簡單、制作工藝精細(xì)、便于批量生產(chǎn)、二次電壓對一次電流的測量精度高、線性度好、對外部電磁場的抗干擾能力強(qiáng)，適合于特高壓及以下各個(gè)電壓等級(jí)的電子式電流互感器用作一次電流傳感器。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

圖1為本實(shí)用新型直導(dǎo)線PCB型平面螺旋線圈一次電流傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例PCB上層平面螺旋線圈示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例PCB下層平面螺旋線圈示意圖。圖4為本實(shí)用新型相對附近大電流產(chǎn)生的干擾磁場無響應(yīng)原理圖。圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例PCB長方形平面螺旋線圈示意圖。
具體實(shí)施方式

參見圖1，圖中1是一次電流直導(dǎo)線，直導(dǎo)線截面可以是矩形或圓形，且均有中心軸線；2為印有4個(gè)平面螺旋線圈的PCB板；3為PCB板與一次直導(dǎo)線的緊固螺栓；4、 5、 6、 7為PCB板上層4個(gè)相同的平面螺旋線圈；8、 9、10、 11為PCB板上層與下層4個(gè)平面螺旋線圈的磁中心連接過孔；12為PCB板二次線圈感應(yīng)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(dǎo)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板疊裝后，將一個(gè)邊側(cè)平面螺旋線圈鋪墊絕緣薄膜后鑲嵌在一次直導(dǎo)線契槽中，使直導(dǎo)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，然后用螺栓緊固；如果一次電流直導(dǎo)線截面為圓形或矩形截面而不便開契槽時(shí)，可以將PCB板鋪墊絕緣薄膜平放在直導(dǎo)線的上方或下方或兩側(cè)，使直導(dǎo)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，然后用螺栓緊固。
圖2為平面螺旋線圈在PCB板上層的布置圖，4、 5、 6、 7為印制在PCB板上4個(gè)相同的平面螺旋線圈，8、 9、 10、 11為4個(gè)平面螺旋線圈磁中心點(diǎn)的過孔，分別與PCB板下層4個(gè)相同對應(yīng)平面螺旋線圈磁中心點(diǎn)的過孔重合且相連接。各平面螺旋線圈圍繞磁中心點(diǎn)由內(nèi)向外均勻分布，相鄰磁中心點(diǎn)的連線為等邊四邊形，且各線圈之間不能有交錯(cuò)重疊，12為雙層PCB平面螺旋線圈電流傳感器的感應(yīng)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(gè)平面螺旋線圈，8、 9、 10、 11為PCB板下層4個(gè)平面螺旋線圈的磁中心點(diǎn)的過 孔，與PCB上層4個(gè)相同對應(yīng)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(diǎn)由內(nèi)向外均勻分布，相鄰磁中心點(diǎn)的連線為等邊 四邊形，且各線圈之間不能有交錯(cuò)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(dǎo)體。當(dāng)導(dǎo)體19中通以交流電流時(shí)，產(chǎn)生干擾磁場，15與17因該干擾 磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向相同，16與18因該干擾磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方 向相同，而15、 17與16、 18因該干擾磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向相反，又 直導(dǎo)線19中電流產(chǎn)生的是一個(gè)線形梯度磁場，那么15、 17因該干擾磁場產(chǎn) 生的感應(yīng)電動(dòng)勢之和與16、 18因該干擾磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢之和大小相等， 方向相反，最終串接相互抵消；當(dāng)導(dǎo)體21中通以交流電流時(shí)，產(chǎn)生干擾磁場， 16與18因該干擾磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向相同，15與17因該干擾磁場產(chǎn) 生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向相同，而15、 17與16、 18因該干擾磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電 動(dòng)勢方向相反，又直導(dǎo)線21中電流產(chǎn)生的是一個(gè)線形梯度磁場，那么15、 17 因該干擾磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢之和與16、 18因該干擾磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng) 勢之和大小相等，方向相反，最終串接相互抵消；當(dāng)導(dǎo)體20中通以交流電流 時(shí)，相對傳感器產(chǎn)生干擾的交變磁場，而螺旋線圈16與17因該干擾磁場產(chǎn) 生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小相等、方向相反，同樣15與18由此產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢 大小相等、方向相反，那么15、 16因該干擾磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢之和與17、 18因該干擾磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)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干擾產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也會(huì)完 全抵消。在其它方向的干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干擾電流，它們產(chǎn)生的梯度干擾磁場在4個(gè)平面螺旋線圈中產(chǎn)生 的感應(yīng)電動(dòng)勢同樣也完全抵消。
因此，以上所述的直導(dǎo)線PCB平面螺旋線圈電流傳感器對外界電磁場干 擾無響應(yīng)。
圖5中， 一次PCB電路板上的4個(gè)平面螺旋線圈設(shè)計(jì)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系數(shù)，增加二次的感應(yīng)電勢， 同樣可以完全抵消外部電流梯度磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電勢。
權(quán)利要求1、一種直導(dǎo)線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器，其特征在于其一次線圈為圓形或矩形截面直導(dǎo)線，其具有一個(gè)中心軸線；二次線圈為雙層或偶數(shù)多層PCB電路板上的平面螺旋線圈連接構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的一次電流傳感器，其特征在于所述PCB 電路板各層設(shè)置4以上的偶數(shù)個(gè)相同的平面螺旋線圈，平面螺旋線圈 為由磁中心點(diǎn)向外逐增的矩形、圓形、或橢圓形中的任一種，每個(gè)平 面螺旋線圈的磁中心有連接過孔。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的一次電流傳感器，其特征在于雙層或偶 數(shù)多層PCB電路板層與層之間相同位置的平面螺旋線圈共軸，通過 各層平面螺旋線圈過孔按相鄰平面螺旋線圈反極性串聯(lián)構(gòu)成一次電 流傳感器的二次線圈，首末兩個(gè)端頭作為二次電壓輸出端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3的一次電流傳感器，其特征在于PCB板平 面螺旋線圈輸出端接積分放大器使其輸出電壓與一次電流同相位。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的一次電流傳感器，其特征在于PCB板二 次線圈的一個(gè)邊側(cè)平面螺旋線圈鋪墊絕緣材料平行鑲嵌在一次直導(dǎo) 線中心軸線契槽中或平行緊固在一次直導(dǎo)線上方、下方或兩側(cè)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1的一次電流傳感器，其特征在于在一次電流直導(dǎo)線上可同時(shí)疊裝兩個(gè)或多個(gè)不同層數(shù)的PCB板二次線圈，作 保護(hù)或測量用。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種一次直導(dǎo)線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器，其一次線圈為圓形或矩形截面直導(dǎo)線，二次線圈為雙層或偶數(shù)多層PCB電路板，每層PCB板上設(shè)有4以上偶數(shù)個(gè)相同的平面螺旋線圈，每個(gè)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(gè)端頭作為輸出端，PCB板邊側(cè)螺旋線圈鑲嵌在一次直導(dǎo)線中心軸線契槽中或緊貼在導(dǎo)線上方、下方或兩側(cè)，用螺栓緊固。本實(shí)用新型能消除外界電磁場的干擾，同時(shí)二次線圈又能靈敏地響應(yīng)直導(dǎo)線中的一次電流，產(chǎn)生與之成正比變化的二次電壓信號(hào)，有很好的線性度、測量精度和抗電磁干擾能力，適合特高壓及以下各個(gè)電壓等級(jí)電子式電流互感器用作一次電流傳感器。
文檔編號(hào)G01R15/00GK201369237SQ20082015851
公開日2009年12月23日 申請日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者周有慶, 彭春燕, 王國華, 偉 龔 申請人:周有慶