CN102944716A - 基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器，涉及基于PCB的Rogowski线圈的雷电流传感器的结构。本发明雷电流传感器主要由基板、积分电路、屏蔽层等构成。本发明具有结构简单，制作方便，成本低；测量频带宽，响应速度快，抗干扰能力强，测量精度高；能在户外恶劣环境下可靠工作和稳定运行；便于推广应用等特点。本发明雷电流传感器可广泛应用于测量架空输电线路的雷电流，为防雷设备的选择、雷电流电磁辐射的研究等提供可靠的原始数据。

Description

基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器

技术领域

本发明属于雷电流测量技术领域，具体涉及基于印制电路板(PCB)的罗戈夫斯基(Rogowski)线圈的雷电流传感器的结构。

背景技术

雷电流的幅值大、上升时间短，由此引发的电力系统过电压严重威胁电网的安全、稳定运行。对雷电流各项参数进行有效的测量为防雷设备的选择、雷电电磁辐射的研究等提供最原始的数据，这对雷电流的基础研究工作具有重要意义。常用的雷电流测量方法有磁钢棒法、阴极示波器、磁带法、罗戈夫斯基(Rogowski)线圈，其中Rogowski线圈以其无磁饱和，线性度高，绝缘性能好的优点在雷电流测量领域得到了广泛的应用。近年来又发展出了PCB型Rogowski线圈电流互感器，它是一种可以精确测量电流的电流传感器，已经成为研究的热门课题。

现有用PCB型Rogowski线圈测量电流的电流传感器，如专利号为ZL201120300261.7的“一种PCB型Rogowski线圈电流互感器”专利，公开的电流互感器主要包括PCB型Rogowski线圈、数据采集系统、光电转化装置、混合电源等，该电流传感器主要有如下缺点：

1、频带范围较窄，仅为工频50Hz。因此该电流传感器只能测量对频带要求不高的周期波形的工频电流(即只能用作配电网的电流互感器)，不能测量对频带范围要求很宽的幅值大、上升时间短的非周期波形的雷电流，不能用作雷电流传感器。

2、仅用滤波电路抑制干扰，抗干扰性能差。因此，该电流传感器只适用于测量以工频电流为基准的配电网电流，不能在架空输电线路周围电磁干扰很强的情况下测量幅值大、上升时间短的非周期波形的雷电流。

 3、该传感器采用有源电子式互感器，且供电环境复杂，从而导致电流传感器结构复杂，工作可靠性降低，适应户外恶劣环境的能力差。传感器的测量精度和使用寿命均受到影响，并且安装复杂，使用不方便，不便于推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有PCB型Rogowski线圈电流传感器的不足之处，提供了一种基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器。能够测量雷电流并且具有测量频带宽，测量精度高，工作可靠且稳定性好，便于安装和推广应用等特点。

本发明的原理：本发明雷电流传感器基于安培环路定理和法拉第电磁感应定律，其原理与传统矩形截面的Rogowski线圈相同。当雷电流通过载流导体时会在其周围产生一个暂态磁场，变化的磁场在印制导线构成的小线匝产生了感应电动势，最终通过多个小线匝感应电势的叠加得到了线圈最终的输出电压。

                                                  

  

式中，M为线圈的互感系数，μ₀为磁导率常数，N为PCB型Rogowski线圈的匝数，h为PCB 板的厚度，b和a分别为线圈的外半径和内半径。在线圈信号输出端添加一个积分电路就能将上式的微分电压信号转换为与载流导体流过的电流相位相同，大小成比例的电压信号，传感器的输出电压u(t)为：

。

K值与M值的大小和积分电路的增益有关，通过选取合适的N，h以及a，b值，调节积分电路的增益及带宽，传感器可以满足雷电流测量的基本要求。

 实现本发明目的之技术方案是：一种基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器，主要由基板、积分电路、屏蔽层等构成。

所述基板的材料为厚度为2~4mm的FR-4或CEM-3或Hydrocarbon等板材。所述基板的形状为边缘有一凸台的圆环形。所述基板的圆环的外径为200~300mm、内径为100~180mm，用以制作PCB型Rogowski线圈。所述基板的边缘凸台的长度为10~25mm、宽度为5~20mm，用以装设所述的积分电路。在所述基板的圆环的内外圆周上距边缘3~6mm处，分别均匀并对称地设置250~350个通孔(即过孔)，所述通孔(即过孔)的孔径与PCB型Rogowski线圈的印制导线的宽度相匹配，用来作为PCB型Rogowski线圈的顶层导线与底层导线之间的过线孔。所述的印制导线为宽度为1.0mm~1.6mm、厚度为50~100μm的扁形铜线，通过所述的过孔均匀绕制在所述基板的圆环的两面从而形成双面印制电路板的罗戈夫斯基线圈(即双面PCB型Rogowski线圈)。在距离所述基板的外圆周边缘1~5mm处均匀设置3~5个孔径为1~4mm的通孔(即安装孔)，在每个安装孔中装设一根长度为5~15mm、外径为2~4mm的铜柱，用以固定串联连接的双面PCB型Rogowski线圈。所述串联连接的双面PCB型Rogowski线圈采用2~6个双面PCB型Rogowski线圈构成，用以抑制垂直磁场对线圈输出信号的影响。

 所述的积分电路由取样电阻R_a、积分电阻R、积分电容C组成。所述的取样电阻R_a并联在所述双面PCB型Rogowski线圈的两端(即与线圈的杂散电容C₀并联)，用以采集所述双面PCB型Rogowski线圈的输出电压。所述的取样电阻R_a为0.2~2kΩ的金属膜电阻或无感电阻，所述的积分电阻R为10~100kΩ的金属膜电阻或无感电阻，所述的积分电容C为电气性能稳定的独石电容。所述积分电容C的电容值与所述积分电阻R的电阻值之乘积值为0.5×10^-3~5×10^-3。所述积分电阻R与积分电容C串联而形成RC积分电路，与所述的取样电阻R_a并联，从所述积分电容C的两端输出电压信号u₀。所述积分电路输出的电压信号u₀通过装设于所述基板边缘凸台处的信号输出接口(即同轴电缆BNC母头)输出，以便于传感器与信号传输线(即同轴电缆)的连接。

所述的屏蔽层由市购的生料带和铜箔胶带及绝缘胶带缠绕而成。即在所述基板的表面先用市购的生料带均匀而紧密地缠绕，形成一层厚度为0.5~1.5mm的绝缘层(即屏蔽层的第一层)，作为所述的双面PCB型Rogowski线圈与所述的铜箔胶带的电气隔离。然后在所述屏蔽层的第一层外面用市购的铜箔胶带均匀而紧密地缠绕一层厚度为0.5~2mm的金属层(即屏蔽层的第二层)用以屏蔽线圈周围的电场干扰。最后用市购的绝缘胶带在所述屏蔽层的第二层的外面均匀而紧密地缠绕，形成一层厚度为1~3mm的绝缘外壳(即屏蔽层的第三层)，用以保护所述的屏蔽层的第二层。

 本发明采用上述技术方案后，主要有如下效果：

1、本发明采用无源RC积分电路，测量频带宽、响应速度快，能够准确测量频带范围宽、幅值大、上升时间极短的非周期的雷电流。

2、本发明通过增加屏蔽层，大大提升了传感器的抗干扰能力，因此本发明雷电流传感器能用于架空输电线路等电磁干扰较强的环境中，并且测量精度高。

3、本发明无需外接电源，结构简单，成本低又降低了传感器的制作难度，便于推广和应用。同时显著提升了传感器的工作可靠性和稳定性，能在户外恶劣的环境下工作，适用于架空输电线路的雷电流的在线监测系统。

4、本发明雷电流传感器可广泛应用于测量架空输电线路的雷电流，为防雷设备的选择、雷电流电磁辐射的研究等提供可靠的原始数据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理图；

图3为实施例1的安装示意图；

图4为实施例1雷电流传感器实测的雷电流波形图；

图5为101型Pearson线圈搭配泰克高压探头实测的雷电流波形图。

图中：1信号输出接口，2积分电路，3基板，3-1顶层导线，3-2底层导线，3-3过孔，4屏蔽层，5安装孔，6载流导体，7 101型Pearson线圈，8基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器，9示波器，i载流导体通过的电流，M线圈的互感系数，e线圈的感生电动势，L线圈的等效电感，r线圈电阻，C₀杂散电容，R_a取样电阻，R积分电阻，C积分电容，u₀传感器输出电压，H载流导体的长度。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。

实施例1

如图1~5所示，一种基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器，主要由基板3、积分电路2、屏蔽层4等构成。

所述基板3的材料为厚度为3mm的FR-4板材，基板3的形状为边缘有一凸台的圆环形。所述基板3的圆环的外径为232mm，内径为148mm，用以制作PCB型Rogowski线圈。所述基板3的边缘凸台的长度为20mm、宽度为15mm，用以装设所述的积分电路2。在所述基板3的圆环的内外圆周上距边缘4mm处，分别均匀并对称地设置288个通孔(即过孔3-3)，所述通孔(即过孔3-3)的孔径与PCB型Rogowski线圈的印制导线的宽度相匹配，用来作为PCB型Rogowski线圈的顶层导线3-1与底层导线3-2之间的过线孔。所述的印制导线为宽度为1.27mm、厚度为70μm的扁形铜线，通过所述的过孔3-3均匀绕制在所述基板3的圆环的两面从而形成双面印制电路板的罗戈夫斯基线圈(即双面PCB型Rogowski线圈)。在距离基板3的外圆周边缘2mm处均匀设置3个孔径为2mm的通孔(即安装孔5)，在每个安装孔5中装设一根长度为10mm、外径为2mm的铜柱，用以固定串联连接的双面PCB型Rogowski线圈。所述串联连接的双面PCB型Rogowski线圈采用2个双面PCB型Rogowski线圈构成，用以抑制垂直磁场对线圈输出信号的影响。

所述的积分电路2由取样电阻R_a、积分电阻R、积分电容C组成。所述的取样电阻R_a并联在所述双面PCB型Rogowski线圈的两端(即与线圈的杂散电容C₀并联)，用以采集所述双面PCB型Rogowski线圈的输出电压。所述的取样电阻R_a为1kΩ的金属膜电阻，所述的积分电阻R为50kΩ的金属膜电阻，所述的积分电容C为电气性能稳定的独石电容。所述积分电容C的电容值与所述积分电阻R的电阻值之乘积值为2.35×10^-3。所述积分电阻R与积分电容C串联而形成RC积分电路，与所述的取样电阻R_a并联，从所述积分电容C的两端输出电压信号u₀。所述积分电路2输出的电压信号u₀通过装设于所述基板3边缘凸台处的信号输出接口1(即同轴电缆BNC母头)输出，以便于传感器与信号传输线(即同轴电缆)的连接。

所述的屏蔽层4由市购的生料带和铜箔胶带及绝缘胶带缠绕而成。即在所述基板3的表面先用市购的生料带均匀而紧密地缠绕，形成一层厚度为1mm的绝缘层(即屏蔽层的第一层)，作为所述的双面PCB型Rogowski线圈与所述的铜箔胶带的电气隔离。然后在所述屏蔽层的第一层的外面用市购的铜箔胶带均匀而紧密地缠绕一层厚度为1mm的金属层(即屏蔽层的第二层)用以屏蔽线圈周围的电磁干扰。最后用市购的绝缘胶带在所述屏蔽层的第二层的外面均匀而紧密地缠绕，形成一层厚度为2mm的绝缘外壳(即屏蔽层的第三层)，用以保护所述的屏蔽层的第二层。

实施例2

一种基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器，同实施例1，其中：所述基板3的圆环的外径为200mm，内径为120mm，所述基板3的圆环的内外圆周上分别均匀并对称地设置200个过孔3-3。取样电阻R_a为0.3kΩ的金属膜电阻，积分电阻R为30kΩ的金属膜电阻，积分电容C的电容值与所述积分电阻R的电阻值之乘积值为1×10^-3。

实施例3

一种基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器，同实施例1，其中：所述基板3的圆环的外径为280mm，内径为170mm，所述基板3的圆环的内外圆周上分别均匀并对称地设置330个过孔3-3。取样电阻R_a为2kΩ的无感电阻，积分电阻R为80kΩ的无感电阻，积分电容C的电容值与所述积分电阻R的电阻值之乘积值为4×10^-3。

实验结果

用本实施例1的雷电流传感器与101型Pearson线圈进行测量雷电流波形的对比试验。

试验方法如图3所示，采用冲击大电流发生装置模拟雷电流波形，将该冲击大电流发生装置产生的雷电流从一段1.8m长的垂直导线上端注入，垂直导线下端穿过101型Pearson线圈7与实施例1的基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器8后直接接地。101型Pearson线圈7与实施例1的基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器8之间用绝缘泡沫板隔离，数据采集装置采用型号为DPO4054的泰克示波器9。试验中采用101型Pearson线圈7搭配衰减倍数为40dB的泰克高压探头作为标准测量系统。对8/20μs标准雷电流波形进行测试，测试结果如图4~5所示。

其中：图4为用实施例1的基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器8测得的雷电流波形，与其对应的纵轴电压为500mV/格，横轴时间为20μs/格；图5为用101型Pearson线圈7搭配衰减倍数为40dB的泰克高压探头测得的雷电流波形，与其对应的纵轴电压为1V/格，横轴时间为20μs/格。

从试验结果知：

1本发明的基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器的输出波形与Pearson线圈的输出波形几乎一致，从图中还可以计算出本发明的雷电流传感器的灵敏度为59mV/kA，完全可以满足雷电流测量的基本要求。

2本发明的基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器能很好地还原雷电流的波形，灵敏度高，抗干扰性能好，并具有体积小，重量轻，工作稳定可靠，批量生产方便等优点。

Claims (1)

1.一种基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器，其特征在于所述雷电流传感器主要由基板(3)、积分电路(2)、屏蔽层(4)构成；

所述基板(3)的材料为厚度为2~4mm的FR-4或CEM-3或Hydrocarbon板材，所述基板(3)的形状为边缘有一凸台的圆环形，所述基板(3)的圆环的外径为200~300mm、内径为100~180mm，所述基板(3)的边缘凸台的长度为10~25mm、宽度为5~20mm，在所述基板(3)的圆环的内外圆周上距边缘3~6mm处，分别均匀并对称地设置250~350个通孔，即过孔(3-3)，所述过孔(3-3)的孔径与PCB型Rogowski线圈的印制导线的宽度相匹配，所述的印制导线为宽度为1.0mm~1.6mm、厚度为50~100的扁形铜线，通过所述的过孔(3-3)均匀绕制在所述基板(3)的圆环的两面，形成双面印制电路板的罗戈夫斯基线圈，即双面PCB型Rogowski线圈，在距离所述基板(3)的外圆周边缘1~5mm处均匀设置3~5个孔径为1~4mm的通孔，即安装孔(5)，在每个安装孔(5)中装设一根长度为5~15mm、外径为2~4mm的铜柱，串联连接的双面PCB型Rogowski线圈采用2~6个双面PCB型Rogowski线圈构成；

所述的积分电路(2)由取样电阻R_a、积分电阻R、积分电容C组成，所述的取样电阻R_a并联在所述双面PCB型Rogowski线圈的两端，即与线圈的杂散电容C₀并联，所述的取样电阻R_a为0.2~2的金属膜电阻或无感电阻，所述的积分电阻R为10~100kΩ的金属膜电阻或无感电阻，所述的积分电容C为电气性能稳定的独石电容，所述积分电容C的电容值与所述积分电阻R的电阻值之乘积值为0.5×10^-3~5×10^-3，所述积分电阻R与积分电容C串联而形成RC积分电路，与所述的取样电阻R_a并联，从所述积分电容C的两端输出电压信号u₀，所述积分电路(2)输出的电压信号u₀通过装设于所述基板(3)边缘凸台处的信号输出接口(1)，即同轴电缆BNC母头输出；

所述的屏蔽层(4)由生料带和铜箔胶带及绝缘胶带缠绕而成，即在所述基板(3)的表面先用生料带均匀而紧密地缠绕，形成一层厚度为0.5~1.5mm的绝缘层，即屏蔽层的第一层，然后在所述屏蔽层的第一层的外面用铜箔胶带均匀而紧密地缠绕一层厚度为0.5~2mm的金属层，即屏蔽层的第二层，最后用绝缘胶带在所述屏蔽层的第二层的外面均匀而紧密地缠绕，形成一层厚度为1~3mm的绝缘外壳，即屏蔽层的第三层。

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