專(zhuān)利名稱(chēng)：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：
本發(fā)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(dǎo)線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器。
背景技術(shù)：
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(cè)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(guó)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(cè)量等許多關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)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(guò)骨架正中々，目前國(guó)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(duì)小電流信號(hào)測(cè)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(guò)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(cè)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(zhuān)利發(fā)明人的專(zhuān)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(guò)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(shì)，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。

發(fā)明內(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，本發(fā) 明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、線性度好、無(wú)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。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)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(duì)稱(chēng)布置，各螺旋線圈不能有交錯(cuò)重疊，兩層對(duì)應(yīng)位置 螺旋線圈通過(guò)中心點(diǎn)過(guò)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(chǎng)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(guò)各層PCB板的過(guò)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(guò)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。
本發(fā)明的技術(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(jiǎn)單、制作工藝精細(xì)、便于批量生產(chǎn)、二 次電壓對(duì)一次電流的測(cè)量精度高、線性度好、對(duì)外部電磁場(chǎng)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。
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為本發(fā)明實(shí)施例PCB上層平面螺旋線圈示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例PCB下層平面螺旋線圈示意圖。
圖4為本發(fā)明相對(duì)附近大電流產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)無(wú)響應(yīng)原理圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例PCB長(zhǎng)方形平面螺旋線圈示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)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(guò) L; 12為PCB 板二次線圈感應(yīng)電勢(shì)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(kāi)長(zhǎng)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(kāi)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(guò)孔，分別與PCB板下層4個(gè)相同對(duì)應(yīng)平面螺旋線圈磁中心點(diǎn)的過(guò)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(shì)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(guò)孔，與PCB上層4個(gè)相同對(duì)應(yīng)平面螺旋線圈磁中心的過(guò)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(chǎng)，15與17因該干擾 磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，16與18因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方 向相同，而15、 17與16、 18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19中電流產(chǎn)生的是一個(gè)線形梯度磁場(chǎng)，那么15、 17因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn) 生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和與16、 18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；當(dāng)導(dǎo)體21中通以交流電流時(shí)，產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)， 16與18因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，15與17因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn) 生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，而15、 17與16、 18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21中電流產(chǎn)生的是一個(gè)線形梯度磁場(chǎng)，那么15、 17 因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和與16、 18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；當(dāng)導(dǎo)體20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)，而螺旋線圈16與17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，同樣15與18由此產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 大小相等、方向相反，那么15、 16因該干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和與17、 18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，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(shì)也會(huì)完 全抵消。在其它方向的干擾電流可以分解為相對(duì)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(chǎng)在4個(gè)平面螺旋線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(duì)外界電磁場(chǎng)干 擾無(wú)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(zhǎng)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(shì)， 同樣可以完全抵消外部電流梯度磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)。
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，其特征在于包括一次電流直導(dǎo)線，其具有一個(gè)中心軸線；二次線圈由雙層或偶數(shù)多層PCB電路板的平面螺旋線圈構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的電流傳感器，其特征在于所述PCB電路板各層4 以上的偶數(shù)個(gè)相同的平面螺旋線圈為由磁中心點(diǎn)向外逐增、分布均勻的矩形、 圓形、或橢圓形中的任一種，每個(gè)平面螺旋線圈過(guò)磁中心點(diǎn)有中心縱向軸線， 且層與層之間相應(yīng)的螺旋線圈磁中心共軸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2的電流傳感器，其特征在于設(shè)有兩層或偶數(shù)多 層PCB電路板，每層設(shè)有4個(gè)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等邊多邊形對(duì)稱(chēng)布置，各螺旋線圈不能有重疊，兩 層對(duì)應(yīng)位置螺旋線圈通過(guò)磁中心點(diǎn)過(guò)孔聯(lián)接構(gòu)成一個(gè)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(gè)端頭構(gòu)成二次線圈輸出端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3的電流傳感器，其特征在于 一次電流直導(dǎo)線根據(jù)電流的大小設(shè)計(jì)成圓形或矩形截面，在直導(dǎo)線中心軸線方向開(kāi)扁形長(zhǎng)方 形契槽，其長(zhǎng)、寬、高能平行插入PCB板，PCB板一個(gè)邊側(cè)平面螺旋線圈完全插入契槽中，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。
5、根據(jù)權(quán)利要求1至4的電流傳感器，其特征在于 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，PCB板一個(gè)邊側(cè)平面螺旋線圈 平放在直導(dǎo)線上方或下方或兩側(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。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5的電流傳感器，其特征在于 一根直導(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。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至6的電流傳感器，其特征在于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(fā)明公開(kāi)了一種一次直導(dǎo)線PCB平面螺旋線圈一次電流傳感器，其一飲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(guò)過(guò)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。本發(fā)明能消除外界電磁場(chǎng)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(cè)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)H01F17/00GK101677031SQ20081014324
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)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(guó)華, 偉 龔 申請(qǐng)人:周有慶