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基于組合式pcb型羅氏線圈的電流測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝置及方法，包括一對或多對PCB型羅氏線圈、放大電路單元、積分電路單元以及采樣電路單元，一對或多對PCB羅氏線圈依次串聯(lián)連接，任意相鄰的兩個PCB羅氏線圈的繞線內(nèi)電流流動方向相反，在PCB羅氏線圈的內(nèi)部通孔穿過導(dǎo)通電流的導(dǎo)體，測得微分電壓信號，串聯(lián)的一對或多對PCB羅氏線圈的電氣連接放大電路單元，放大電路單元將微分電壓信號放大輸出，積分電路單元將放大的微分電壓信號積分，得到正比于導(dǎo)通電流的導(dǎo)體內(nèi)被測電流的還原電壓信號；采樣電路單元對還原電壓信號進行采樣。本發(fā)明參數(shù)一致性好，復(fù)現(xiàn)性高，保證互感系數(shù)穩(wěn)定。
【專利說明】基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電流測量裝置及方法，尤其涉及一種基于組合式PCB型羅氏線圈 的電流測量裝置方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電網(wǎng)運行電壓的提高，可靠性要求的提高，傳統(tǒng)的電磁式互感器不僅體積和 重量增大、防爆絕緣困難、安全性能下降，而且因為鐵芯的存在導(dǎo)致頻帶窄，測量大電流的 時候鐵芯會飽和，導(dǎo)致二次信號波形嚴重畸變，動態(tài)范圍小，作為繼電保護用時，反應(yīng)速度 滯后而且容易導(dǎo)致誤動作。這一系列缺點導(dǎo)致傳統(tǒng)的電磁式互感器已經(jīng)很難滿足電力系統(tǒng) 發(fā)展的要求。并且傳統(tǒng)的電磁式互感器受工作原理和制作工藝的限制難以解決其自身缺 陷所帶來的問題，所以必須發(fā)展不同于傳統(tǒng)電磁式互感器原理的電流傳感器來滿足要求。 Rogowski線圈（以下簡稱羅氏線圈）電流互感器作為一種新型電子式電流互感器，具有測 量頻帶寬、精度高、測量范圍大、無磁飽和、易于數(shù)字量輸出、體積小等優(yōu)點，已經(jīng)成為現(xiàn)代 電流互感器發(fā)展的重要方向之一，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的發(fā)展前景。
[0003] 但是目前投入應(yīng)用的傳統(tǒng)式羅氏線圈測量精度和穩(wěn)定性都不高，制作麻煩，并且 產(chǎn)品性能分散性較大，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，還不能滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)建設(shè)的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝置及方法， 解決了傳統(tǒng)式羅氏線圈測量精度和穩(wěn)定性都不高，制作麻煩，并且產(chǎn)品性能分散性較大，不 利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的問題。
[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明涉及了一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝 置，對一導(dǎo)通電流的導(dǎo)體測量，包括一對或多對PCB型羅氏線圈、放大電路單元、積分電路 單元以及采樣電路單元，其中 ：
[0006] 所述PCB型羅氏線圈中均包括PCB板、內(nèi)部通孔以及在PCB板上的繞線，所述一對 或多對PCB型羅氏線圈為繞線匝數(shù)、骨架高度、骨架外徑以及骨架內(nèi)徑以及內(nèi)部通孔內(nèi)徑 均相同的PCB型羅氏線圈，相鄰的兩個PCB型羅氏線圈的PCB板之間相互平行等間距設(shè)置， 且所有PCB型羅氏線圈的內(nèi)部通孔的圓心連線在同一直線，且該直線與所述PCB型羅氏線 圈的內(nèi)部通孔的軸向同向；所述一對或多對PCB羅氏線圈依次串聯(lián)連接，任意相鄰的兩個 PCB羅氏線圈的繞線內(nèi)電流流動方向相反，分別為順時針方向和逆時針方向；在所述一對 或多對PCB羅氏線圈的內(nèi)部通孔穿過所述導(dǎo)通電流的導(dǎo)體，測得微分電壓信號，所述串聯(lián) 的一對或多對PCB羅氏線圈的一端接地；
[0007] 所述串聯(lián)的一對或多對PCB羅氏線圈的另一端電氣連接放大電路單元，所述放大 電路單元將所述微分電壓信號放大輸出；
[0008] 積分電路單元電氣連接所述放大電路單元，將放大的微分電壓信號積分，得到正 比于導(dǎo)通電流的導(dǎo)體內(nèi)被測電流的還原電壓信號；
[0009] 采樣電路單元電氣連接所述積分電路單元，對所述還原電壓信號進行采樣。
[0010] 較佳地，還包括一固定裝置，將所述一對或多對PCB羅氏線圈相互平行等間距固 定。
[0011] 較佳地，所述放大電路單元為同相輸入放大電路，包括第一集成運放、第一電阻、 第二電阻以及第三電阻；所述第一電阻的一端電氣連接所述一對或多對PCB羅氏線圈的信 號輸出端，另一端電氣連接所述第一集成運放的正向輸入端；所述第二電阻的一端接地，另 一端電氣連接所述第一集成運放的反向輸入端；所述第三電阻的一端電氣連接所述第一集 成運放的輸出端，另一端電氣連接所述第一集成運放的反向輸入端。
[0012] 較佳地，所述積分電路單元為一積分運算電路，包括第二集成運放、第四電阻、第 五電阻、第六電阻以及第一電容；所述第四電阻的一端電氣連接所述第二集成運放的輸出 端，另一端電氣連接所述第二集成運放的正向輸入端；所述第五電阻的一端電氣連接所述 第二集成運放的輸出端，另一端電氣連接所述第二集成運放的正向輸入端；所述第一電容 兩端并聯(lián)在所述第五電阻的兩端；所述第六電阻的一端電氣連接所述第二集成運放的反向 輸入端，另一端接地；所述第二集成運放的輸出端連接所述采樣電路單元。
[0013] 較佳地，所述第一集成運放以及第二集成運放均采用0P07CP。
[0014] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還涉及了一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量 方法，包括以下步驟：
[0015] 將一對或多對繞線匝數(shù)、骨架高度、骨架外徑、骨架內(nèi)徑以及內(nèi)部通孔內(nèi)徑均相同 的PCB型羅氏線圈串聯(lián)連接，使得任意相鄰的兩個PCB羅氏線圈的繞線內(nèi)電流流動方向相 反，分別為順時針方向和逆時針方向；
[0016] 通過一固定裝置將所述PCB型羅氏線圈固定，使相鄰的兩個PCB型羅氏線圈的PCB 板之間相互平行等間距，所有PCB型羅氏線圈內(nèi)部通孔的圓心連線在同一直線，且該直線 與所述PCB型羅氏線圈的內(nèi)部通孔的軸向同向；
[0017] 使一被測導(dǎo)體穿過所有PCB羅氏線圈的內(nèi)部通孔；
[0018] 被測導(dǎo)體導(dǎo)通電流后，通過串聯(lián)電氣連接的PCB型羅氏線圈測得一微分電壓信 號；
[0019] 通過放大電路單元電氣連接所述串聯(lián)連接的一對或多對PCB羅氏線圈，將所述微 分電壓信號放大輸出；
[0020] 通過積分電路單元電氣連接所述放大電路單元，將放大的微分電壓信號積分，得 到正比于導(dǎo)通電流的導(dǎo)體內(nèi)被測電流的還原電壓信號；
[0021 ] 通過采樣電路單元電氣連接所述積分電路單元，對所述還原電壓信號進行采樣。
[0022] 較佳地，所述放大電路單元為同相輸入放大電路，包括第一集成運放、第一電阻、 第二電阻以及第三電阻；所述第一電阻的一端電氣連接所述一對或多對PCB羅氏線圈的信 號輸出端，另一端電氣連接所述第一集成運放的正向輸入端；所述第二電阻的一端接地，另 一端電氣連接所述第一集成運放的反向輸入端；所述第三電阻的一端電氣連接所述第一集 成運放的輸出端，另一端電氣連接所述第一集成運放的反向輸入端。
[0023] 較佳地，所述積分電路單元為一積分運算電路，包括第二集成運放、第四電阻、第 五電阻、第六電阻以及第一電容；所述第四電阻的一端電氣連接所述第二集成運放的輸出 端，另一端電氣連接所述第二集成運放的正向輸入端；所述第五電阻的一端電氣連接所述 第二集成運放的輸出端，另一端電氣連接所述第二集成運放的正向輸入端；所述第一電容 兩端并聯(lián)在所述第五電阻的兩端；所述第六電阻的一端電氣連接所述第二集成運放的反向 輸入端，另一端接地；所述第二集成運放的輸出端連接所述采樣電路單元。
[0024] 較佳地，所述第一集成運放以及第二集成運放均采用0P07CP。
[0025] 本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果：
[0026] 本發(fā)明中提供的PCB型羅氏線圈，參數(shù)一致性好，復(fù)現(xiàn)性高，保證互感系數(shù)穩(wěn)定， 易于大規(guī)模生產(chǎn)制作。且抗干擾能力強、電流測量的頻帶寬，可以滿足電力系統(tǒng)對電流測量 的準確度和可靠性要求，同時生產(chǎn)成本低，可以滿足電力系統(tǒng)對電流測量的準確度和可靠 性要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝置的框圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明實施例中任意兩PCB型羅氏線圈的連接示意圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明實施例中放大電路單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明實施例中積分電路單元的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0031] 圖5為本發(fā)明一對或多對PCB羅氏線圈的電路原理圖；
[0032] 圖6為本發(fā)明實施例中一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量方法的流程 圖。

【具體實施方式】
[0033] 以下將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述， 顯然，這里所描述的僅僅是本發(fā)明的一部分實例，并不是全部的實例，基于本發(fā)明中的實施 例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬 于本發(fā)明的保護范圍。
[0034] 為了便于對本發(fā)明實施例的理解，下面將結(jié)合附圖以具體實施例為例作進一步的 解釋說明，且各個實施例不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。
[0035] 如附圖1-5所示的一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝置，對一導(dǎo)通電 流的導(dǎo)體測量，包括一對或多對PCB型羅氏線圈、放大電路單元、積分電路單元以及采樣電 路單元，其中：
[0036] PCB型羅氏線圈中均包括PCB板、內(nèi)部通孔以及在PCB板上的繞線。線圈的互感系 數(shù)與繞線匝數(shù)、骨架高度、骨架外徑以及骨架內(nèi)徑成正比，一對或多對PCB型羅氏線圈為繞 線匝數(shù)、骨架高度、骨架外徑、骨架內(nèi)徑以及內(nèi)部通孔內(nèi)徑r均相同的PCB型羅氏線圈。
[0037] 本實施例中，采用2對PCB型羅氏線圈，PCB型羅氏線圈的骨架高度即為PCB板的 厚度，殊要求除外一般板厚通常不超過3. 2_，考慮綜合生產(chǎn)因素2_比較合適。
[0038] 相鄰的兩個PCB型羅氏線圈的PCB板之間相互平行等間距設(shè)置，且所有PCB型羅 氏線圈的內(nèi)部通孔的圓心連線在同一直線，且該直線與所述PCB型羅氏線圈的內(nèi)部通孔的 軸向同向。一對或多對PCB羅氏線圈依次串聯(lián)連接，任意相鄰的兩個PCB羅氏線圈的繞線 內(nèi)電流流動方向相反，分別為順時針方向和逆時針方向。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，即使有外界磁 場存在，其在相鄰的兩個線圈上所感應(yīng)生成電壓大小相同，但是兩者的方向相反，因此合起 來外磁場的影響就不存在了，兩者相抵消了，但是因為被測電流的磁場而感應(yīng)出來的電壓 卻正好方向相同，串聯(lián)后總的感應(yīng)電動勢是所串聯(lián)的線圈各自的感應(yīng)電動勢之和。因此，不 但降低甚至消除了外在磁場的干擾，而且線圈的互感系數(shù)將隨著串聯(lián)PCB板數(shù)目的增加而 成倍增加。
[0039] 在所有PCB羅氏線圈的內(nèi)部通孔穿過導(dǎo)通電流的導(dǎo)體，測得微分電壓信號，串聯(lián) 的一對或多對PCB羅氏線圈的一端接地，串聯(lián)的一對或多對PCB羅氏線圈的另一端電氣連 接放大電路單元，放大電路單元將所述微分電壓信號放大輸出。
[0040] 本實施例中，放大電路單元為同相輸入放大電路，包括第一集成運放、第一電阻 Rp、第二電阻R1以及第三電阻R2 ;其中第一集成運放采用0P07CP，此集成運放的特點是雙 電源供電，精度高，溫度漂移小，綜合性能優(yōu)越，適用范圍廣。通過本放大電路單元將羅氏線 圈輸出的比較微弱的信號在不失真的前提下進行放大以滿足后續(xù)電路對信號強度的要求。
[0041] 第一電阻的一端電氣連接一對或多對PCB羅氏線圈的信號輸出端，另一端電氣連 接第一集成運放的正向輸入端。第二電阻的一端接地，另一端電氣連接第一集成運放的反 向輸入端。第三電阻的一端電氣連接所述第一集成運放的輸出端，另一端電氣連接第一集 成運放的反向輸入端。
[0042] 積分電路單元電氣連接放大電路單元，將放大的微分電壓信號積分，得到正比于 導(dǎo)通電流的導(dǎo)體內(nèi)被測電流的還原電壓信號。
[0043] 本實施例中，積分電路單元為一積分運算電路，包括第二集成運放、第四電阻Rf、 第五電阻R、第六電阻Rp2以及第一電容C ;積分電路單元采用慣性環(huán)節(jié)替代理想積分環(huán)節(jié)， 第四電阻Rf和第一電容C構(gòu)成了一個RC回路，防止了直流和低頻信號使積分器的輸出達 到飽和，從而避免了積分漂移的影響。其中第二集成運放采用0P07CP，采用慣性環(huán)節(jié)近似積 分作用，實現(xiàn)了對積分漂移的抑制，同時還穩(wěn)定了工作點，誤差也控制在了允許范圍內(nèi)。第 四電阻的一端電氣連接所述第二集成運放的輸出端，另一端電氣連接第二集成運放的正向 輸入端；第五電阻的一端電氣連接第二集成運放的輸出端，另一端電氣連接第二集成運放 的正向輸入端；第一電容兩端并聯(lián)在第五電阻的兩端；第六電阻的一端電氣連接第二集成 運放的反向輸入端，另一端接地；第二集成運放的輸出端連接所述采樣電路單元。
[0044] 采樣電路單元電氣連接所述積分電路單元，對所述還原電壓信號進行采樣。
[0045] 包括固定裝置，將一對或多對PCB羅氏線圈相互平行等間距固定，也包括將一對 或多對PCB羅氏線圈緊挨著固定在一起的情況，可以采用很多種固定機構(gòu)，夾子、等間距的 卡槽、絕緣的膠帶等均可，并不做限定。
[0046] 本發(fā)明中測量范圍可以從幾安培到幾十千安培，更好的方式是具體設(shè)計的時候可 以根據(jù)具體的測量對象的大小，改變放大環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的電阻配比，以達到在被測電流 范圍的更高精度。
[0047] 如圖5所述，其中山(t)表不一次側(cè)被測電流；LQ表不一對或多對PCB羅氏線圈 總自感；R〇表示線圈內(nèi)阻；Q表示線圈匝間電容；R a為采樣電阻。由此等效電路圖可以得到 如下方程式：
[0048] 線圈的感應(yīng)電動勢e (t)可以表示為：
[0049]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝置，對一導(dǎo)通電流的導(dǎo)體測量，其特 征在于，包括一對或多對PCB型羅氏線圈、放大電路單元、積分電路單元以及采樣電路單 元，其中： 所述PCB型羅氏線圈中均包括PCB板、內(nèi)部通孔以及在PCB板上的繞線，所述一對或多 對PCB型羅氏線圈為繞線匝數(shù)、骨架高度、骨架外徑以及骨架內(nèi)徑以及內(nèi)部通孔內(nèi)徑均相 同的PCB型羅氏線圈，相鄰的兩個PCB型羅氏線圈的PCB板之間相互平行等間距設(shè)置，且所 有PCB型羅氏線圈的內(nèi)部通孔的圓心連線在同一直線，且該直線與所述PCB型羅氏線圈的 內(nèi)部通孔的軸向同向；所述一對或多對PCB羅氏線圈依次串聯(lián)連接，任意相鄰的兩個PCB羅 氏線圈的繞線內(nèi)電流流動方向相反，分別為順時針方向和逆時針方向；在所述一對或多對 PCB羅氏線圈的內(nèi)部通孔穿過所述導(dǎo)通電流的導(dǎo)體，測得微分電壓信號，所述串聯(lián)的一對或 多對PCB羅氏線圈的一端接地； 所述串聯(lián)的一對或多對PCB羅氏線圈的另一端電氣連接放大電路單元，所述放大電路 單元將所述微分電壓信號放大輸出； 積分電路單元電氣連接所述放大電路單元，將放大的微分電壓信號積分，得到正比于 導(dǎo)通電流的導(dǎo)體內(nèi)被測電流的還原電壓信號； 采樣電路單元電氣連接所述積分電路單元，對所述還原電壓信號進行采樣。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝置，其特征在于 在于，還包括一固定裝置，將所述一對或多對PCB羅氏線圈相互平行等間距固定。
3. 如權(quán)利要求1或2述的一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝置，其特征在 于，所述放大電路單元為同相輸入放大電路，包括第一集成運放、第一電阻、第二電阻以及 第三電阻；所述第一電阻的一端電氣連接所述一對或多對PCB羅氏線圈的信號輸出端，另 一端電氣連接所述第一集成運放的正向輸入端；所述第二電阻的一端接地，另一端電氣連 接所述第一集成運放的反向輸入端；所述第三電阻的一端電氣連接所述第一集成運放的輸 出端，另一端電氣連接所述第一集成運放的反向輸入端。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝置，其特征在于， 所述積分電路單元為一積分運算電路，包括第二集成運放、第四電阻、第五電阻、第六電阻 以及第一電容；所述第四電阻的一端電氣連接所述第二集成運放的輸出端，另一端電氣連 接所述第二集成運放的正向輸入端；所述第五電阻的一端電氣連接所述第二集成運放的輸 出端，另一端電氣連接所述第二集成運放的正向輸入端；所述第一電容兩端并聯(lián)在所述第 五電阻的兩端；所述第六電阻的一端電氣連接所述第二集成運放的反向輸入端，另一端接 地；所述第二集成運放的輸出端連接所述采樣電路單元。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量裝置，其特征在于， 所述第一集成運放以及第二集成運放均采用0P07CP。
6. -種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 將一對或多對繞線匝數(shù)、骨架高度、骨架外徑、骨架內(nèi)徑以及內(nèi)部通孔內(nèi)徑均相同的 PCB型羅氏線圈串聯(lián)連接，使得任意相鄰的兩個PCB羅氏線圈的繞線內(nèi)電流流動方向相反， 分別為順時針方向和逆時針方向； 通過一固定裝置將所述PCB型羅氏線圈固定，使相鄰的兩個PCB型羅氏線圈的PCB板 之間相互平行等間距，所有PCB型羅氏線圈內(nèi)部通孔的圓心連線在同一直線，且該直線與 所述PCB型羅氏線圈的內(nèi)部通孔的軸向同向； 使一被測導(dǎo)體穿過所有PCB羅氏線圈的內(nèi)部通孔； 被測導(dǎo)體導(dǎo)通電流后，通過串聯(lián)電氣連接的PCB型羅氏線圈測得一微分電壓信號； 通過放大電路單元電氣連接所述串聯(lián)連接的一對或多對PCB羅氏線圈，將所述微分電 壓信號放大輸出； 通過積分電路單元電氣連接所述放大電路單元，將放大的微分電壓信號積分，得到正 比于導(dǎo)通電流的導(dǎo)體內(nèi)被測電流的還原電壓信號； 通過采樣電路單元電氣連接所述積分電路單元，對所述還原電壓信號進行采樣。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量方法，其特征在于， 所述放大電路單元為同相輸入放大電路，包括第一集成運放、第一電阻、第二電阻以及第三 電阻；所述第一電阻的一端電氣連接所述一對或多對PCB羅氏線圈的信號輸出端，另一端 電氣連接所述第一集成運放的正向輸入端；所述第二電阻的一端接地，另一端電氣連接所 述第一集成運放的反向輸入端；所述第三電阻的一端電氣連接所述第一集成運放的輸出 端，另一端電氣連接所述第一集成運放的反向輸入端。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量方法，其特征 在于，所述積分電路單元為一積分運算電路，包括第二集成運放、第四電阻、第五電阻、第六 電阻以及第一電容；所述第四電阻的一端電氣連接所述第二集成運放的輸出端，另一端電 氣連接所述第二集成運放的正向輸入端；所述第五電阻的一端電氣連接所述第二集成運放 的輸出端，另一端電氣連接所述第二集成運放的正向輸入端；所述第一電容兩端并聯(lián)在所 述第五電阻的兩端；所述第六電阻的一端電氣連接所述第二集成運放的反向輸入端，另一 端接地；所述第二集成運放的輸出端連接所述采樣電路單元。
9. 如權(quán)利要求8所述的一種基于組合式PCB型羅氏線圈的電流測量方法，其特征在于， 所述第一集成運放以及第二集成運放均采用0P07CP。
【文檔編號】G01R19/00GK104155499SQ201410412028
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】李曉博, 李志清, 朱曉彬, 鄭益慧, 李立學(xué), 王昕 , 蘇彪 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司