新型PCB空心線圈電流互感器的設(shè)計(jì)與研究

1、2009年 10月 第 45卷 第 5期 收稿日期 :2009-04-12; 修回日期 :2009-06-18實(shí)用新型專(zhuān)利號(hào) :ZL 200620052695.2。作者簡(jiǎn)介 :彭春燕 (1983, 女 , 碩士研究生 , 主要從事電子式互感器研究 。0引言在電力系統(tǒng)中 , Rogowski 線圈已經(jīng)應(yīng)用于線路電流測(cè)量 , 供計(jì)量和保護(hù)之用 。 與傳統(tǒng)的電流互感器 相比 , Rogowski 線圈具有低功率輸出 、 不存在磁飽和 問(wèn)題 、 測(cè)量線性度好 、 測(cè)量頻帶寬等的優(yōu)點(diǎn) , 成為電 力系統(tǒng)中電流互感器發(fā)展的新方向 1-7。為了獲得高精度測(cè)量值 , Rogowski 線圈制作時(shí) 必須遵循以下

2、原理 :線圈密度恒定 ; 骨架截面積恒 定 ; 線圈橫截面與中心線垂直 8。 但是對(duì)于手工繞制 的 Rogowski 線圈而言 , 一般無(wú)法滿足計(jì)量要求 , 也不適合批量生產(chǎn) , 印制電路板 (PCB 的出現(xiàn)很好地 解決了這個(gè)問(wèn)題 9, 10。 PCB 型 Rogowski 線圈制作簡(jiǎn) 單方便 , 繞線密集均勻 , 可以做得非常精確 , 即容易 保證線圈密度的恒定 , 但仍然很難保證線圈橫截面 與一次導(dǎo)線的位置不變 , 從而有可能引起較大的測(cè) 量誤差 。為了進(jìn)一步提高空心線圈的互感系數(shù)及其穩(wěn)定 性 , 增強(qiáng)線圈的抗干擾能力 , 提出了一種新型 PCB 空心線圈 , 其一次導(dǎo)體與二次線圈緊貼或者

3、一起印 制在 PCB 板上 , 兩者處于同一平面上 , 相對(duì)位置恒 定 , 且磁耦合更強(qiáng) ; 二次線圈采用獨(dú)特的螺旋繞線方 式 , 彼此補(bǔ)償能有效抵抗外界磁場(chǎng)的干擾 。新型 PCB 空心線圈電流互感器的設(shè)計(jì)與研究彭春燕 1,周有慶 2,曹志輝 2,龔偉 2(1. S haoguan B ranch of G uangdong P ower G rid C ompany , S haoguan 512025, C hina ; 2. Electricity and InformationEngineering College , Hunan University , Changsha 41008

4、2, China Design and Research on New PCB Air -Core Coil Current Transducer(1. 廣東電網(wǎng)公司韶關(guān)供電局 , 廣東 韶關(guān) 512025; 2. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 , 湖南 長(zhǎng)沙 410082PENG Chun -yan 1, ZHOU You -qing 2, CAO Zhi -hui 2, GONG wei 2Abstract:To further improve mutual inductance and stability of conventional air -core coil , a new PCB

5、 air -core coil currenttransducer was proposed , to achieve high fidelity measurement. The new PCB air -core coil current transducer with completely new physical structure can efficiently repel outside electromagnetic interference by its special anti -interference ability , and can significantly imp

6、rove transducer's mutual inductance by simple combination of PCBs. The basic inductive principle and anti -electromagnetic interference mechanism of the new transducer were analyzed; the PCB structure designs for different current levels and the location of primary coil were presented. A prototy

7、pe of one design was made , and its linearity and anti -interference ability were tested. The experiment indicates that the accuracy of the PCB air -core coil current transducer can reach 0.2class under the rated current of 100A with enhanced anti -electromagnetic interference ability. Key words:pri

8、nted circuit board ; air -core coil ; current transducer ; electromagnetic interference摘要 :為了進(jìn)一步提高傳統(tǒng)空心線圈的互感系數(shù)及其穩(wěn)定性 , 以獲得高精度的測(cè)量結(jié)果 , 提出一種新型 PCB 板空心線圈電流 互感器 。 它具有全新的物理結(jié)構(gòu) , 通過(guò)其自身采取的抗干擾措施能夠有效的抵抗外界的電磁干擾 ; 并且 , 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的組合即能有 效地提高其互感系數(shù) 。 分析了新型 PCB 板空心線圈電流互感器的傳感原理及抗干擾機(jī)理 , 給出了在不同電流級(jí)別下 PCB 空心 線圈的結(jié)構(gòu)以及一次導(dǎo)線的擺放特點(diǎn) , 并

9、針對(duì)其中一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)制作了實(shí)際模型 , 進(jìn)行了線性度與抗干擾能力測(cè)試 , 結(jié)果表明 :額定電流為 100A 時(shí) , 其測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到了 0.2級(jí) , 且具有較強(qiáng)的抵抗外界電磁場(chǎng)干擾的能力 。 關(guān)鍵詞 :印制電路板 ; 空心線圈 ; 電流互感器 ; 電磁干擾 中圖分類(lèi)號(hào) :TM933.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :A文章編號(hào) :1001-1609(2009 05-0031-042009年 10月 O ct . 2009High Voltage Apparatus1PCB 空心線圈的結(jié)構(gòu)與原理 1.1結(jié)構(gòu)介紹PCB 空心線圈的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1, 單層 PCB 面板上 正 、 反面均有四個(gè)繞向相同的均勻?qū)ΨQ(chēng)分布的平面

10、 螺旋線圈 , 正面與反面之間的螺旋線圈通過(guò) 過(guò)孔 聯(lián)接 , 首 末兩個(gè)端頭 作為信號(hào)輸出端 , 構(gòu)成二次線 圈 , 見(jiàn)圖 1(a 、(b 。 一次導(dǎo)體緊貼或鑲嵌在印制板 上 , 圍繞半數(shù)彼此不相鄰的螺旋線圈構(gòu)成環(huán)路 , 見(jiàn)圖1(c 。 在 PCB 板上有兩個(gè)補(bǔ)償線圈和兩個(gè)傳感線圈 , 以抵消外界干擾磁場(chǎng)造成測(cè)量誤差 。 圖 1中正面處于主對(duì)角線上的二次線圈為傳感線圈 , 處于副對(duì)角 線上的二次線圈為補(bǔ)償線圈 , 傳感線圈與補(bǔ)償線圈 反向串聯(lián) , 以保證在外界干擾磁場(chǎng)作用下整個(gè)二次 線圈的輸出電壓為零 。 若在一次線圈輸入端通入電 流 , 此時(shí)傳感線圈與補(bǔ)償線圈的磁通方向相反 , 整個(gè) 二次線

11、圈產(chǎn)生的總電動(dòng)勢(shì)等于傳感線圈電動(dòng)勢(shì)加上 補(bǔ)償線圈電動(dòng)勢(shì) 。 1.2傳感原理參見(jiàn)圖 1(c , 二次線圈與被測(cè)電流一次導(dǎo)體之間存在鉸鏈磁鏈 , 只要被測(cè)電流發(fā)生變化 , 即所鉸鏈 的磁鏈變化 , 則每個(gè)螺旋線圈中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與被 測(cè)電流變化率相同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) , 且電動(dòng)勢(shì)方向均 相同 , 順次串聯(lián)而相互疊加 , 輸出一個(gè)正比于被測(cè)電 流變化率的電壓信號(hào) e (t , e (t 為e (t =-M d i(1 由式 (1 知 , PCB 空心線圈輸出的是一個(gè)微分信 號(hào) , 因此需對(duì)其進(jìn)行積分以還原出被測(cè)電流 。1.3抗干擾原理以 PCB 空心線圈的一面?zhèn)鞲芯€圈為例 , 分析其抵抗外界磁場(chǎng)干擾的機(jī)理

12、 , 見(jiàn)圖 2。i 1、 i 2、 i 3為附近干擾電流 , 與印制板處于同一平面 , 干擾電流 i 1產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)通過(guò)螺旋線圈 A 、 D 時(shí) , 兩螺旋線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)大小相等 , 方向相反 , 串接而相互抵消 , 線圈 B 、 C 感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也相互抵 消 ; 同理 , i 2產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)通過(guò)螺旋線圈 A 、 B 時(shí)串接而相互抵消 , 通過(guò)螺旋線圈 C 、 D 時(shí)串接而相互 抵消 ; i 3產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)可視為一次導(dǎo)體 i 1、 i 2產(chǎn)生 的交變磁場(chǎng)的疊加 , 因此 , i 3產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在 4個(gè) 螺旋線圈中無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出 。 PCB 空心線圈基本 也不受附近電流產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)

13、的影響 。當(dāng)遠(yuǎn)端干擾磁場(chǎng)穿過(guò)線圈時(shí) , 螺旋線圈 A 、 D 感 應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)大小相等 、 方向相反 , 串接而相互抵消 , 同樣在螺旋線圈 B 、 C 中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也相互抵消 。 因而 , PCB 空心線圈基本不受遠(yuǎn)端磁場(chǎng)干擾的影響 。以上分析說(shuō)明 , PCB 空心線圈基本不受外磁場(chǎng) 干擾的影響 。2大電流情況下 PCB 空心線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 1所示的 PCB 空心線圈一次導(dǎo)體緊密?chē)@半數(shù)不相鄰的二次螺旋線圈 , 磁耦合強(qiáng) , 且一次導(dǎo)體 依次在 4個(gè)二次螺旋線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向 相反 , 通過(guò)串接相互疊加 , 互感系數(shù)大 , 靈敏度高 , 可 用于小電流的測(cè)量 , 尤其可作為電子式電

14、能表和繼 電保護(hù)專(zhuān)用電流變換器 。 但如果應(yīng)用于大電流測(cè)量 , 其印制的一次導(dǎo)線細(xì)小 , 且在 PCB 面板上長(zhǎng)度過(guò) 長(zhǎng) , 發(fā)熱嚴(yán)重 , 必將影響到測(cè)量的安全性和準(zhǔn)確性 。 為此可采用如圖 3所示的布局結(jié)構(gòu) , 其抗干擾原理 與圖 1所示的 PCB 結(jié)構(gòu)相似 。 在 圖 3(a 中 , 線 圈A 、 D 與線圈 B 、 C 組成兩組反向串聯(lián)的線圈 ; 當(dāng)外界存在干擾磁場(chǎng)時(shí) (圖 3(a 中電流 i 產(chǎn)生的磁場(chǎng) , 線圈 A 、 D 的感應(yīng)電勢(shì)與線圈 B 、 C 感應(yīng)電勢(shì)相互 抵消 。 但當(dāng)被測(cè)一次電流如圖 3中 (c 、(d 的擺放 時(shí) , 線圈 B 、 C 輸出的感應(yīng)電勢(shì)要比線圈 A 、

15、D 的感 應(yīng)電勢(shì)大得多 。 因此 , 整個(gè)二次線圈可以輸出一個(gè) 正比于一次電流變化率的感應(yīng)電壓信號(hào) 。3互感系數(shù)計(jì)算以圖 3(c 中的設(shè)計(jì)布局為例 , 設(shè)一次導(dǎo)體寬度為 D , 并具有一定厚度 , 其中線與所貼二次螺旋線圈 中線重合 , 因此 , 其磁鏈效果可與圖 4等效。(b 反面螺旋線圈(a 正面螺旋線圈(c 一 、 二次位置圖圖 1PCB空心線圈結(jié)構(gòu)圖螺旋線圈圖 2抗干擾分析圖2D32··2009年 10月第 45卷 第 5期 電流 i (t 處于螺旋線圈 1的中線位置 , 因此 , 電 流 i (t 在螺旋線圈 1中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為 0。由文 8-10可知 , 通有電

16、流 i (t 的一次導(dǎo)體與螺 旋線圈 2的互感系數(shù)為M =d+ad乙 2x×adx +d+a-cd+c乙2x×(a -2c dx + +d+a-(n -1 cd+(n -1 c乙2x×a -2(n -1 c dx ln=nk =1a -2(k -1 c d+a-(k -1 c ( (2 式 (2 中 , a 、 c 、 d 的物理意義見(jiàn)圖 4, n 為單個(gè)螺旋線 圈的匝數(shù) , 0為真空磁導(dǎo)率 。令 S (d 和 M (d 分別為S (d =a -2(k -1 c ln d+a-(k -1 c(3 M (d =0nk =1S (d (4 圖 4雙層面板 (正 、 反

17、面各 4個(gè)螺旋線圈 總的 互感系數(shù)為M 1=2×2M (d -M (d+a+c(5為增大互感系數(shù) , 可將多個(gè)雙層面板順次串聯(lián) , 則組合式線圈末端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于每個(gè)面板輸出 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的累加 11M =n M 1(6假設(shè)每層線圈幾何參數(shù)相同 , 故它們的自感 L 和 C 雜散電容和應(yīng)滿足L =L 1+L 2+ +L n =n L 1(7 1=11+12+ +1n =C n 1(8代入固有頻率計(jì)算公式 , 組合式線圈的固有頻 率 f 為f =12姨 =12n L 1n姨=1211姨 (9可見(jiàn) , n 層 PCB 面板組合以后的等效互感系數(shù) 增加為原來(lái)的 n 倍 , 而固有頻率不變

18、。4準(zhǔn)確度及抗干擾測(cè)試實(shí)驗(yàn)用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)的實(shí)際模型是根據(jù)圖 1所示的結(jié)構(gòu)制作的 。 為改善互感器的抗干擾性 , 提高互感系 數(shù) , 將 PCB 空心線圈制作成多層板的 PCB 線圈 , 并 集成積分放大電路 , 見(jiàn)圖 5。 將其設(shè)計(jì)成 8層板三相PCB 空心線圈電流互感器 , 上下兩層均為覆銅片 , 兩者通過(guò)孔連接接地 , 作為電磁屏蔽罩 , 中間 6層印制 二次傳感線圈 。 每相的線圈參數(shù)如下 :線圈層數(shù) N =6, 單個(gè)小螺旋線圈匝數(shù) n =13, 邊長(zhǎng) a =396mil (1mil=0.0254mm , 印制線間隔 c =12mil , 一次導(dǎo)體與二次線圈有兩種間距 d 1=60mil

19、, d 2=42mil 。 見(jiàn)圖 1(c , 將 圖中一次導(dǎo)線分解成多段直導(dǎo)線后 , 運(yùn)用公式 (4 可 計(jì)算出單條直導(dǎo)線對(duì)單個(gè)螺旋線圈的互感系數(shù) , 為 簡(jiǎn)化計(jì)算 , 只考慮一次導(dǎo)體與它相鄰的二次線圈之 間的互感 , 可求得其互感 M 為 1.678×10-6H 。 當(dāng)一次 電流為 100A 時(shí) , 測(cè)得經(jīng)積分放大后 (10倍 的二次圖 3測(cè)量大電流時(shí) PCB 空心線圈結(jié)構(gòu)圖(a 面板正面線圈結(jié)構(gòu)圖 (b 面板反面線圈結(jié)構(gòu)圖(c 直導(dǎo)線螺旋線圈電流互感器 (d 型導(dǎo)線螺旋線圈電流互感器圖 5多層 PCB板實(shí)物模型圖圖 4大電流 PCB 空心線圈作用等效圖33··

20、處理中 , 通過(guò)采用算術(shù)平均值和分批估計(jì)相結(jié)合的 數(shù)據(jù)融合方法 , 分別對(duì)交流情況和直流情況下電暈 放電紫外測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了處理 , 從不同方法所得的 標(biāo)準(zhǔn)差可以看出 , 通過(guò)數(shù)據(jù)融合方法可以得到比算 術(shù)平均值更加可靠的測(cè)量結(jié)果 , 而且該方法程序編 寫(xiě)簡(jiǎn)單 , 計(jì)算量小 , 計(jì)算結(jié)果可靠性高 , 適合于現(xiàn)場(chǎng) 應(yīng)用 。參考文獻(xiàn) :1遲殿林 , 曾慶立 . 用紫外成像檢測(cè)電氣設(shè)備外絕緣狀況 J.東北 電力技術(shù) , 2005, 26(1:22-23.2戴立波 . 紫外成像技術(shù)在高壓設(shè)備帶電檢測(cè)中的 應(yīng) 用 J.電 力 系統(tǒng)及其自動(dòng)化 , 2003, 27(22:97-98. 3朱德恒 , 嚴(yán) 璋 .

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24、 :將通以額定電流的干擾導(dǎo)線 置于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透浇?, 相距為 0時(shí) , 比差變化 0.15%以 內(nèi) ; 當(dāng)距離大于 10cm 時(shí) , 比差變化幾乎為 0; 實(shí)驗(yàn) 模型的三相同時(shí)通入測(cè)量電流 , 感應(yīng)電壓不變 , 相互 間基本無(wú)影響 。 因此 , PCB 空心線圈對(duì)外磁場(chǎng)干擾 有較好的抵御效果 。5結(jié)論(1 提出一種新型 PCB 空心線圈 , 其互感系數(shù)大 , 抗干擾能力強(qiáng) , 測(cè)量精度高 。(2 對(duì)不同級(jí)別的電流分別提出了與之相對(duì)應(yīng) 的 PCB 空心線圈的結(jié)構(gòu) , 以保證其測(cè)量精度 。(3 對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn) , 結(jié)果表明 :在 對(duì)小電流測(cè)量時(shí) , 其準(zhǔn)確度達(dá)到了工程要求 , 且有較強(qiáng)的抗

25、電磁干擾能力 。參考文獻(xiàn) :1YU D C , CUMMINS J C , WANG Z D , et al . Correction of Cur -rent Transformer Distorted Secondary Currents Due to Satura -tion Using Artificial Neural Networks J. IEEE Transactions on Power Delivery , 2001, 16(2:189-194.2ANDRZEJ K , WALTER K . Combined Sensors for Current and Voltage are Ready for Application in GIS C/CIGRE, Paris , France , 1998.3袁季修