CN101625377A - 一种高精度开口式罗氏线圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压大电流测量的电流传感器领域，尤其是涉及一种印刷电路板罗氏线圈。本发明公开了一种高精度开口式罗氏线圈，它包括至少一层PCB板，每层PCB板由两个相对设置的板组成；两个板之间设有间距，两个板的一端开口为常开开口；所述PCB板上设有线圈，线圈由刻在PCB板上下面上的导线以及连接上下面导线的导线柱构成；在所述常开开口处设有信号输出端；两个板的线圈由连接线串联连接。本发明与传统的开口式罗氏线圈相比，具有体积小、重量轻，便于安装携带等特点。而且通过均匀布线、回线布置等措施来消除相互间干扰，其精度可以达到0.05级。

Description

一种高精度开口式罗氏线圈

技术领域

本发明涉及高压大电流测量的电流传感器领域，尤其是涉及一种印刷电路板罗氏线圈。

背景技术

传统的用于测量电流的罗氏线圈一般有开口、闭口两种结构。开口式罗氏线圈多用于导体拆装不方便的场合，如导体的带电测量。其安装和维护较为方便，但是开口式罗氏线圈的精度略低，且由于机械结构和加工制造等原因，开口式罗氏线圈往往会随使用时间或次数的增加而精度下降。目前用于带电测量的开口式罗氏线圈多为刚性线圈，由空心线圈绕制而成，采用非铁磁材料替代传统铁心。用于测量时，外加屏蔽结构。开口处通过螺钉或其他连接件相连。

传统的罗氏线圈往往采用将漆包线均匀的绕制在环形骨架上制成，骨架采用塑料或者陶瓷等非铁磁材料，骨架的相对磁导率与空气中的相对磁导率相同，这便是空芯线圈有别于带铁芯的交流电流互感器的一个显著特征。空芯线圈的典型结构如附图6所示，空芯线圈上的漆包线绕组均匀分布，且每匝线圈所在的平面穿过线圈的中心轴；使用时圆柱形的一次导体穿过空芯线圈中心，两者中心轴重合。在开口式罗氏线圈设计时，为了安装的一致性和准确性，会选择开口线圈的内径与一次导体的外径相同或接近。

图6中，罗氏线圈包括两个开口相对设置的骨架21，两个骨架21之间的间距为开口24，骨架21由非磁性材料制成，在骨架21上沿圆周方向均匀缠绕有漆包线22，连接线23将分别缠绕在两个骨架21上的漆包线22进行软连接。

但是，为了确保测量的精度，开口式罗氏线圈的体积一般较大，重量在几十公斤左右，给携带和安装都造成了一定困难。

罗氏线圈的测量准确度取决于一个稳定的互感常数M。为了确保线圈互感系数的稳定，在设计时必须遵循以下原则：1、线圈密度恒定；2、骨架截面积恒定；3、线圈横截面与中心线垂直。

此外，考虑到空芯线圈的使用环境，空芯线圈在绕制时添加一回绕线，即在线圈的出线端处，沿绕线走向的反方向进行回绕线。回线的绕制使得垂直线圈平面的磁场在线圈绕组上与回线上感应电势相抵消，可以有效抵抗外界干扰电磁场的影响，有效提高线圈的抗干扰性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积较小易携带的开口式印刷电路板罗氏线圈，并能有效提高测量精度。

本发明的技术方案是：

一种高精度开口式罗氏线圈，它包括至少一层PCB板，每层PCB板由两个相对设置的板组成；两个板之间设有间距，两个板的一端开口为常开开口；所述PCB板上设有线圈，线圈由刻在PCB板上下面上的导线以及连接上下面导线的导线柱构成；在所述常开开口处设有信号输出端；两个板的线圈由连接线串联连接。

它包括一对上下层叠放置的PCB板，一对PCB板包括两层PCB板，PCB板之间设有绝缘垫层，两层PCB板以镜像结构排列，PCB板上的线圈之间由板间连接导线连接；所述镜像结构为上层PCB板的上表面和下层PCB板的下表面完全一致，上层PCB板的下表面和下层PCB板的上表面完全一致；相邻两对PCB板的线圈由导线串联连接。

它包括两对及两对以上的PCB板，每对PCB板包括两层PCB板，相邻两对PCB板之间设有绝缘材料，相邻两对PCB板的线圈由导线串联连接。

所述PCB板包括中间环氧层，在中间环氧层的两侧对称各设有导体层和绝缘漆层。

所述板设在屏蔽盒内，屏蔽盒与板形状相适配；屏蔽盒一侧由连接机构连接。

所述板设在屏蔽盒内，屏蔽盒与板形状相适配；屏蔽盒由连接机构连接。

所述PCB板上的线圈为半圆环形。

所述的PCB板上的线圈为半圆环形。

所述的PCB板上的线圈为半圆环形。

所述的两层PCB板之间由螺钉连接。

本发明包括两个半圆环形板，两个半圆环形板之间设有间距，两个半圆环形板一端开口由连接机构连接，两个半圆环形板的另一端为常开开口；半圆环形板为一对半圆环形的PCB板，PCB板上沿圆周方向设有线圈，形成开口式PCB空芯线圈，成对的PCB板以镜像结构排列；另外本发明也可以将多对PCB板层叠，每对PCB板包括两层PCB板，PCB板上的线圈通过板间连接线串联连接；本发明也可以仅有一对相对设置的PCB板，两块PCB板的线圈之间由软连接线连接。本发明与传统的开口式罗氏线圈相比，具有体积小、重量轻，便于安装携带等特点。而且通过均匀布线、回线布置等措施来消除相互间干扰，其精度可以达到0.05级。基于PCB技术实现的高精度、开口式罗氏线圈可以应用于电流的带电测量场合，其高精度的特点能够使其满足电流互感器的带电比对(校验或检定)等需求；开口式的结构和便于携带的特点，能够降低作业人员带电操作的难度。

同时，为了有效消除垂直于线圈平面外界干扰磁场的影响，平板型空芯线圈采用了镜像布置这一有效的“回线”措施，最大程度地消除了外界磁场的潜在影响，这比传统的近似抵消的方法更为科学和实用。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是单个PCB板的俯视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图2的B-B剖视图；

图5是本发明双板连接的展开示意图；

图6是现有开口罗氏线圈的结构示意图；

图7是实施例二的结构示意图；

图8是图7的C-C剖视图。

具体实施方式

实施例一

如图1、2所示，本发明包括开口式铝制屏蔽盒17和上下两层PCB板(印刷电路板)1、13，层叠放置。每层PCB板包括两个半圆环形板15、16，半圆环形板15、16相对设置。屏蔽盒17分为上下两部分，半圆环形板15、16分别位于屏蔽盒17的上下两部分内，屏蔽盒17中间设有供一次载流导体通过的孔。在屏蔽盒17的左侧开口(非常开开口)处设有连接机构18，将屏蔽盒17上下两部分连接起来，屏蔽盒17上下两部分可以绕着连接机构18转动打开。屏蔽盒17主要是用来屏蔽外来电磁信号，防止干扰，同时起到保护内部的半圆环形板15、16。连接机构18为转轴，或者其它铰接装置。打开屏蔽盒17的开口6，使一次载流导体穿过屏蔽盒17，连接机构18可快速打开和闭合，并且保证安装的准确牢固。同时，为了确保本发明的测量精度和安装的一致性，开口式铝屏蔽盒17的内径r大小与一次载流导体的外径相同。

如图3、4所示，PCB板1、13之间设有绝缘垫层9(如较薄的绝缘纸或绝缘塑料等)，这可以确保两板接触面上的导体相互隔离。单个PCB板从上到下依次为绝缘漆层10、导体层11、中间环氧层12、导体层11、缘漆漆层10。PCB板1上下面上均刻有导线2，导线2在板上沿圆周方向均匀排列，每个导线2两端均设有导线过孔3，导线过孔3穿过PCB板1，导线柱19设在导线过孔3内，并将上下面上的导线2连接起来，从而构成线圈。位于下方的PCB板13也具有相同的结构。

如图5所示，每个半圆环形板的线圈均有一对输出端U+和U-，位于上层的半圆环形板15的U-和半圆环形板16的U+由连接线4连接，位于下层的半圆环形板15的U+和半圆环形板16的U-由连接线4连接，最后位于上层的半圆环形板16的U-和位于下层的半圆环形板16的U+由板间连接线8连接，未被导线连接而剩下的输出端U+和U-分别与信号输出线5连接。相当于板间连接导线8将分别位于PCB板1、13上的线圈进行软连接。

开口式PCB空芯线圈在设计上遵循空心线圈的设计原则，但由于印刷电路板的基板厚度有限(常见板材厚度不超过3mm)，且随着厚度的增加，层间电气连接过孔3的加工难度将会增加并导致其可靠性降低，所以，PCB空芯线圈一般由多块PCB板串联而成。

印刷电路板的加工一般是由机器自动控制进行腐蚀处理、加工，印刷电路板技术的控制精度较高，能够有效确保多匝绕线的均匀对称分布。由于印刷电路板的基材与敷铜层紧密结合且温度稳定性极好，即使在剧烈的温度变化中，线圈的形状及多匝线圈的分布始终保持一致。因此只需在完成线圈设计后，利用专用软件绘制出PCB板图后便可由印刷电路板制作系统自动进行平板线圈的制作。

成对的PCB板以镜像结构排列，如图5所示，PCB板1的上表面和PCB板13的下表面完全一致，PCB板1的下表面和PCB板13的上表面完全一致，每对成镜像PCB板引出一对连接信号输出线的出线端子。PCB板镜像排列的作用类似传统线圈中回绕线的功能，可以有效抵抗外界干扰电磁场的影响，有效提高线圈的抗干扰性能。

在PCB板1、13圆周上对应设有若干个(图中所示为12个)连接孔14，用螺钉7穿入连接孔14然后将两块PCB板1、13进行连接组合。

制作方法为：如图2所示，在环形线圈上选定合适的对角，将其剖分为两个半环形板15、16。在半环形板15、16的一个开口处选定开口两侧的导线过孔3，利用连接线4(软麻花导线)对其恢复电气连接，连接线4为软连接线；另一侧开口6保留以便于安装在一次载流导体上。根据空心线圈输出端的位置，引出信号输出线5。

本发明的原理：为了有效消除垂直于线圈平面外界干扰磁场的影响，平板型空芯线圈通过镜像布置这一有效的“回线”措施，最大程度地消除了外界磁场的潜在影响，比传统的近似抵消的方法更为科学和实用。

空芯线圈的主要关键参数有：线圈的互感系数、自感系数、内阻和匝间电容。相比之下，空芯线圈的自感系数和互感系数在空芯线圈的设计中较为重要。由于平板型空芯线圈的结构与传统空芯线圈基本一致，因此可参考传统空芯线圈的分析方法对其进行计算。

考虑实际应用环境的需要(不拆接一次导体的情况下开展带电测量)，PCB罗氏线圈选择钳型(即“开口式”)结构，“开口式”的结构使其在不截断一次载流导线的情况下能够方便的实现电流测量装置的安装和拆卸。该钳型空芯线圈由两块半圆形PCB板组成，使用时，将半圆形PCB板分别固定在互感器外壳上，装置运行过程中，两板闭合，形成完整的空芯线圈，板间存在微小的间隙，该间隙称之为开口距离。钳型空芯线圈存在的这一开口距离，可看成是线圈非均匀绕制，对其精度产生的影响可以通过分布计算得知，具体影响见下表1所示。

实验参数为：

线圈尺寸：内开口直径76mm；外最大直径：190mm；线圈内直径104mm；线圈外直径174mm；单块板线圈匝数200；双块板镜像连接。固定在直径为30mm的导体外进行大电流测量，测量电流量程为300-900A。

表1线圈开口引起的误差(包含偏心、邻相干扰)

从上述对钳型空芯线圈的理论分析和计算可以得出以下结论：

1)对测量准确度影响的主要因素有：一次导线位置的变化、邻相电流的干扰及开口的气隙大小，其中影响最大的是开口气隙的大小。

2)针对本项目技术条件下的钳型空芯线圈，在一次导线偏离中心±2mm，邻相一次导线距离为200mm，开口气隙为0.05mm时，上述钳型空芯线圈总误差为：0.0235％；开口气隙为0.1mm时，上述钳型空芯线圈总误差为：0.047％。

所以通过机械装置的固定方式，使开口气隙小于0.1mm，则钳型空芯线圈的总误差能控制在0.03％-0.05％范围内。

实施例二

与实施例一不同之处在于，如图7、8所示，半圆环形板15、16仅为一层PCB板1，不再分为两层，不需要板间连接导线8连接，PCB板1分为两半，分别为半圆环形板15、16，半圆环形板15的U-和半圆环形板16的U+由连接线4连接，余下的U+和U-即为输出端，分别与信号输出线5连接。

最后需要说明的是：由PCB板上的导线2以及导线柱19构成的线圈也可以为矩形、椭圆等其它形状，根据待测量的一次导体形状的不同而做相应的变化。半圆环形板15、16的形状不仅限于半圆环形，也可以根据需要近似替换为其它形状。另外，PCB板可以为两对或两对以上，每一对包括两层采用镜像结构排列的PCB板，用导线将相邻的两对PCB板上的线圈串联连接，连接后剩下的一个U+和一个U-作为输出端，相邻两对PCB板之间采用绝缘材料绝缘；开口式铝屏蔽盒17的内侧开口形状与一次载流导体的相适配，比如当一次载流导体为矩形时，内侧开口形状也相应为矩形；这样的近似变化均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种高精度开口式罗氏线圈，其特征在于：它包括至少一层PCB板，每层PCB板由两个相对设置的板组成；两个板之间设有间距，两个板的一端开口为常开开口；所述PCB板上设有线圈，线圈由刻在PCB板上下面上的导线以及连接上下面导线的导线柱构成；在所述常开开口处设有信号输出端；两个板的线圈由连接线串联连接。

2、根据权利要求1所述的高精度开口式罗氏线圈，其特征在于：它包括一对上下层叠放置的PCB板，一对PCB板包括两层PCB板，PCB板之间设有绝缘垫层，两层PCB板以镜像结构排列，PCB板上的线圈之间由板间连接导线连接；所述镜像结构为上层PCB板的上表面和下层PCB板的下表面完全一致，上层PCB板的下表面和下层PCB板的上表面完全一致；相邻两对PCB板的线圈由导线串联连接。

3、根据权利要求2所述的高精度开口式罗氏线圈，其特征在于：它包括两对及两对以上的PCB板，每对PCB板包括两层PCB板，相邻两对PCB板之间设有绝缘材料，相邻两对PCB板的线圈由导线串联连接。

4、根据权利要求1-3任一条所述的高精度开口式罗氏线圈，其特征在于：所述PCB板包括中间环氧层，在中间环氧层的两侧对称各设有导体层和绝缘漆层。

5、根据权利要求1-3任一条所述的高精度开口式罗氏线圈，其特征在于：所述板设在屏蔽盒内，屏蔽盒与板形状相适配；屏蔽盒一侧由连接机构连接。

6、根据权利要求4所述的高精度开口式罗氏线圈，其特征在于：所述板设在屏蔽盒内，屏蔽盒与板形状相适配；屏蔽盒由连接机构连接。

7、根据权利要求1-3任一条所述的高精度开口式罗氏线圈，其特征在于：所述PCB板上的线圈为半圆环形。

8、根据权利要求4所述的高精度开口式罗氏线圈，其特征在于：所述的PCB板上的线圈为半圆环形。

9、根据权利要求5所述的高精度开口式罗氏线圈，其特征在于：所述的PCB板上的线圈为半圆环形。

10、根据权利要求2或3所述的高精度开口式罗氏线圈，其特征在于：所述的两层PCB板之间由螺钉连接。

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