CN103777055B - 多个罗氏线圈并联外积分传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了罗氏线圈并联外积分传感器，包括多个罗氏线圈（1）和积分电路（2），所有的罗氏线圈（1）都并联到一个采样电阻R_J上，积分电路（2）也并联到采样电阻R_J上，所述的罗氏线圈（1）的输出端口上分别都设置有一个隔离电阻。本发明的有益效果是：本发明能够采集多个通道电流，再利用匹配的积分电路将多通道电流还原为分流前大电流波形，整个传感器不使用有源器件，采用无源模拟叠加方法，功耗得到很大的降低；本发明由于采集通道减少三个，其布置简单、实施成本低，大电流不易产生电晕，其安全性好，精度高。

Description

多个罗氏线圈并联外积分传感器

技术领域

本发明涉及到电流传感器，特别是涉及到罗氏线圈并联外积分传感器。

背景技术

对电力系统大电流的监测主要采用分流器和Rogowski线圈（罗氏线圈）。其中罗氏线圈是利用电流互感原理进行电流间接测量的装置，具有低功率输出、结构简单、线性良好等优良特性，在许多大电流测量场合下，它都是传感器件的首选对象。

由于罗氏线圈传感器特点突出，应用广泛，很多学者从不同角度对其作了研究，包括罗氏线圈频谱特性分析及其影响因素；对于不同功能罗氏线圈仿真计算与试验研究；分布电容，杂散电感等元器件非理想特性对罗氏线圈整体性能的影响；不同积分方式应用场合与特点；PCB板罗氏线圈特点与工艺；罗氏线圈结构设计原则及元器件的选择；罗氏线圈在局部放电测量领域的应用；绕制材料对罗氏线圈性能的影响等许多方面，并通过学术论文进行了阐述。文中一般只针对单个罗氏线圈进行分析和研究。对多个罗氏线圈并联使用，以及并联后特性等，文献均并未提及。

在实际电流监测应用中，罗氏线圈传感器一般安装在能够直接测量大电流的位置。例如杆塔雷电流传感器安装在绝缘子接地端，避雷线与杆塔连接点；变电站电流传感器安装在绝缘支柱接地端等处；这些传感器均是单个使用，具有独立采集通道。而在一些大范围，多通道，存在分流情况的场合，往往需要设置多个这样的线圈进行测量，采集。例如测量雷击杆塔入地电流时，电流通过杆塔基座入地，需要多个罗氏线圈传感器。

多通道大电流采集的方法有通道独立采集法和有源信号叠加法。通道独立采集法的采集通道数和传感器数量一致，通道数量多，存储容量大，成本高；有源信号叠加法通过跟随器、加法器等有源器件实现信号的模拟叠加，但有源器件数量的增加易导致检测装置功耗及故障率的增加，有源器件的特性也会对信号叠加产生很大的影响。为此，很多测量系统在使用罗氏线圈传感器时，尽量避免多个罗氏线圈共同测量总电流的情况，以规避有源叠加的问题，这就限制了罗氏线圈的安装位置，提高了安装难度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供罗氏线圈并联外积分传感器，解决现有多通道电流采集方法中，成本高、功耗大、易出故障的缺陷。

本发明的目的通过下述技术方案实现：罗氏线圈并联外积分传感器，包括多个罗氏线圈和积分电路，所有的罗氏线圈都并联到一个采样电阻R_J上，积分电路也并联到采样电阻R_J上，所述的罗氏线圈的输出端口上分别都设置有一个隔离电阻。本装置主要用于采集接地电流，罗氏线圈并联后连接到匹配的积分电路上，之后即直接连接到检测系统中，能够采集多通道电流，再利用匹配的积分电路将多通道电流还原为分流前大电流波形，整个传感器不使用有源器件，采用无源模拟叠加方法，功耗很小，由于采集通道减少，其布置简单、实施成本低，大电流不易产生电晕，其安全性好，精度高。隔离电阻用于隔离不同罗氏线圈不同电压，进行多个线圈输出电压的隔离，通过不同电压作用在采样电阻R_J上实现电压的叠加，这里与单线圈的积分电路不同，单线圈直接连接到积分电路上，而本发明中的隔离电阻和采样电阻即实现了多线圈的叠加。

进一步，上述的积分电路采用RC外积分电路，包括电阻R和电容C，这样多个传感器的积分都在外积分处，仅有一点接地，而采用传统的LR内积分电路会因为多点接地方式产生的地电位抬升或环流。

进一步，上述的隔离电阻的阻值等于对应罗氏线圈的波阻抗减去采样电阻R_J的阻值，即隔离电阻的阻值加上采样电阻R_J的阻值应该与罗氏线圈的波阻抗一致，保证罗氏线圈中电流合流的准确性。

本发明的有益效果是：

（1）本发明能够采集多个通道电流，再利用匹配的积分电路将多通道电流还原为分流前大电流波形，整个传感器不使用有源器件，采用无源模拟叠加方法，功耗得到很大的降低；

（2）本发明由于采集通道减少三个，其布置简单、实施成本低，大电流不易产生电晕，其安全性好，精度高；

（3）采用RC外积分电路，这样多个传感器的积分都在外积分处，仅有一点接地，避免多点接地方式产生的地电位抬升或环流。

附图说明

图1为本发明应用时的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为罗氏线圈和节分电路的电路结构示意图；

图4为支柱中电流波形图；

图5为罗氏线圈中的电流波形图；

图中，1-罗氏线圈，2-积分电路，3-杆塔，4-支柱，5-检测系统。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明：

【实施例】

如图1、图2、图3所示，罗氏线圈并联外积分传感器，包括n个罗氏线圈1和积分电路2，所有的罗氏线圈1都并联到一个采样电阻R_J上，积分电路2也并联到采样电阻R_J上，本实施例用于杆塔3接地电流的测量，杆塔3有多根支柱，所以需要多个罗氏线圈1，n个罗氏线圈1分别安装在杆塔3的支柱4上，对应的罗氏线圈1所在平面垂直于对应的支柱4，且对应的支柱4穿过对应罗氏线圈1的中心，四个罗氏线圈1的输出端口上分别都设置有一个隔离电阻，即图3中的R_L1～R_Ln。本装置主要用于采集接地电流，罗氏线圈1并联后连接到匹配的积分电路2上，之后即直接连接到检测系统5中，能够采集多通道电流，再利用匹配的积分电路2将多通道电流还原为分流前大电流波形，整个传感器不使用有源器件，采用无源模拟叠加方法，功耗很小，由于采集通道减少，其布置简单、实施成本低，大电流不易产生电晕，其安全性好，精度高。隔离电阻用于隔离不同罗氏线圈1的不同电压，进行多个线圈输出电压的隔离，通过不同电压作用在采样电阻R_J上实现电压的叠加，这里与单线圈的积分电路不同，单线圈直接连接到积分电路上，而本发明中的隔离电阻和采样电阻即实现了多线圈的叠加。

进一步，上述的积分电路2采用RC外积分电路，包括电阻R和电容C，这样多个传感器的积分都在外积分处，仅有一点接地，而采用传统的LR内积分电路会因为多点接地方式产生的地电位抬升或环流。

进一步，上述的隔离电阻的阻值等于对应罗氏线圈1的波阻抗减去采样电阻R_J的阻值，即隔离电阻的阻值加上采样电阻R_J的阻值应该与罗氏线圈1的波阻抗一致，保证罗氏线圈1中电流合流的准确性。

如图3，M为线圈与置于线圈中间的载流导体之间的互感，L、C分别为线圈的自感、杂散电容，整体传感器性能计算公式，其上下限频率，输出信号与被测电流的关系分别为：

(1)

(2)

(3)

上面三个式子中，f_l为下限频率，f_h为上限频率，u_m为输出信号，i₁、i₂、…、i_n分别为n个支柱中的电流，即我们需要测试的电流。

显然，n个罗氏线圈并联与单个罗氏线圈无限流电阻比较，若测量同一电流，输出信号u_m幅值下降，下限频率f_l不变，上限频率f_h上升，可测频率范围变宽，输出信号与测量电流成线性比例关系，输入分量不同不影响输出结果。

因此，并联使用n个罗氏线圈测量电流时，输出线性度不变，可测最大幅值提高，灵敏度下降，响应带宽增加。为了满足原测量要求，可以对线圈参数或电路设计进行相应修改，例如在采集单元增加放大电路，减小积分电阻、积分电容等。从另一个方面来说，在不改变整体参数的情况下，并联罗氏线圈可测量电流幅值更大，频率更宽，总体性能较单个罗氏线圈更好。

下面进行一个实验，即仿真雷击杆塔入地电流测量：

罗氏线圈安装在杆塔支撑合适位置，如摘要附图，仿真雷电波采用波头1.2s，波尾50s三角斜波，单个罗氏线圈输入幅值20kA，罗氏线圈安雷电流测量绕制，M=2.26H；外积分电路取R_L1=R_L2=R_L3=R_Ln=R_J＝50Ω，R＝500Ω，C＝1μF。

据公式(1)(2)(3)得：f_l=Hz，f_h=5.910⁶Hz，u_m=1.128V．

仿真结果如图5，幅值与仿真软件内部程序有关，与计算值不同，不影响测量要求。比较图4输入波形，图5输出波形，传感器输入输出波形一致，结果能够还原原始电流波形，满足测量要求。

从上分析可知本发明相对来说适用于雷击大电流的测量，整体性能较单个罗氏线圈要好。同时通过线圈参数调节，改变外积分电路，可以满足其他类型多通道冲击电流的测量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.罗氏线圈并联外积分传感器，其特征在于：包括多个罗氏线圈（1）和积分电路（2），所有的罗氏线圈（1）都并联到一个采样电阻R_J上，积分电路（2）也并联到采样电阻R_J上，所述的罗氏线圈（1）的输出端口上分别都设置有一个隔离电阻。

2.根据权利要求1所述的罗氏线圈并联外积分传感器，其特征在于，所述的积分电路为RC外积分电路，包括电阻R和电容C。

3.根据权利要求1所述的罗氏线圈并联外积分传感器，其特征在于，所述的隔离电阻的阻值等于对应罗氏线圈（1）的波阻抗减去采样电阻R_J的阻值。