CN105548644A - 一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，具体是电子式电流互感器中的罗氏线圈绕制方法和原始信号的检测方法。本发明包括由双线并绕的罗氏线圈，采用双路漆包线紧挨、平行、并均匀缠绕在罗氏线圈骨架上，形成环形线圈。本发明不用改变线圈结构，仅在绕制方法和连接方式上做了改进，即可获得良好的性能。由于采用双路漆包线或其它表层绝缘的导线并绕在传统罗氏线圈骨架上，获得两路差动信号，经此差动信号的检测，灵敏度提高了一倍，还具有抗共模干扰的特点。可应用于电站的计量仪表、继电保护，可控硅整流，变频调速，电工领域的测量仪器等场合。在电力系统等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，具体是电子式电流互感器中的罗氏线圈绕制方法和原始信号的检测方法。

背景技术

罗氏线圈(RogwsikiCoil，罗哥夫斯基线圈)又叫电流测量线圈、微分电流传感器，作为一种新型电子式电流互感器测量装置，主要特点是被测电流与线圈无直接接触，具有测量范围宽、无磁饱和、体积小等优点，不含铁磁性材料，无磁滞效应，几乎为零的相位误差；无磁饱和象，因而测量范围可从数安培到数百千安的电流；结构简单，并且和被测电流之间没有直接的电路联系；响应频带宽0.1Hz-1MHz。与带铁芯的传统互感器相比，罗氏线圈具有测量范围宽，精度高，稳定可靠，响应频带宽。

相关研究结果表明，电子设备对温度变化十分敏感，无论是高温或是低温都会对其性能造成影响。电子式互感器的工作环境在室外，四季温差较大，这样会对互感器的测量精度造成影响。实验表明，在温度变化时，其输出电压在一定的范围内浮动。

对于小电流测量，感应出的电压信号很微弱(为几毫伏至几十毫伏),极易受干扰而难以精确测量；而且其精度都很低，最高达到0.2级。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，目的是可以改善电流互感器对温度的变化引起测量精度的影响，同时提高了检测灵敏度。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，包括由双线并绕的罗氏线圈，采用双路漆包线紧挨、平行、并均匀缠绕在罗氏线圈骨架上，形成环形线圈；

信号处理方法如下：利用前置差动信号电压放大器对e(t)处理；差动信号的处理采用差动式放大器，集放大、积分和相位调整为一体；通过调整比值a，可以调整差动放大器的放大倍数，通过调整比值b，可以微调整放大器输入和输出之间的相位。

所述的双路漆包线用表层绝缘的导线代替。

所述的骨架为非铁磁性材料。

所述的线圈包括：线圈A和线圈B，和四根抽头：抽头A1，抽头A2，抽头B1，抽头B2分别为线圈A的头和尾；抽头B1和抽头B2分别为线圈B的头和尾；线圈A的头与线圈B的尾联接作为参考点，即抽头A1与抽头B2联接；在线圈A的尾抽头A2和线圈B的头抽头B1获得两路差动信号。

所述的骨架为矩形结构的线圈时，其线圈端电压和线圈电流的计算方法为：

$e\left(t\right)=-M\frac{di}{dt}---\left(1\right);$

$i\left(t\right)=-\frac{1}{M}\∫e\left(t\right)dt---\left(2\right);$

线圈的端电压e(t)与一次电流的时间变化率成正比，与罗氏线圈和载流导体之间的互感M成正比，i(t)载流导体电流；

对于截面为矩形的罗氏线圈：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}Nh}{2\mathrm{\π}}ln\left(\frac{b}{a}\right)---\left(3\right);$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，ab为线圈横截面的内外径，h为线圈截面高度。

所述的骨架为圆形结构时，其线圈端电压和线圈电流的计算方法为：

$e\left(t\right)=-M\frac{di}{dt}---\left(1\right);$

$i\left(t\right)=-\frac{1}{M}\∫e\left(t\right)dt---\left(2\right);$

线圈的端电压e(t)与一次电流的时间变化率成正比，与罗氏线圈和载流导体之间的互感M成正比，i(t)载流导体电流；

对于截面为圆形的罗氏线圈：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}NS}{l}---\left(4\right)$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，S为每匝线圈截面面积，l(2πr)为线圈环形骨架芯平均周长。

所述的线圈，其中线圈B1、线圈B2输出电压为e1(t),线圈A1、线圈A2输出电压为e2(t),o(t)为前置放大器输出，比值a和电阻值R确定前置放大器的放大倍数，比值b和电阻值R1可微调输入/输出之间的相差；

计算方法如下：

$e\left(t\right)=-M\frac{di}{dt}---\left(1\right);$

$i\left(t\right)=-\frac{1}{M}\∫e\left(t\right)dt---\left(2\right);$

线圈的端电压e(t)与一次电流的时间变化率成正比，与罗氏线圈和载流导体之间的互感M成正比，i(t)载流导体电流；

对于截面为矩形的罗氏线圈：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}Nh}{2\mathrm{\π}}ln\left(\frac{b}{a}\right)---\left(3\right);$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，a、b为线圈横截面的内外径，h为线圈截面高度；

对于截面为园的罗氏线圈：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}NS}{l}---\left(4\right);$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，S为每匝线圈截面面积，l(2πr)为线圈环形骨架芯平均周长。

本发明的优点及有益效果是：

本发明的优点是不用改变线圈结构，仅在绕制方法和连接方式上做了改进，即可获得良好的性能。又由于采用双路漆包线或其它表层绝缘的导线并绕在传统罗氏线圈骨架上，获得两路差动信号，经此差动信号的检测，使灵敏度提高了一倍。本发明还具有抗共模干扰的特点。本发明罗氏线圈可应用于电站的计量仪表、继电保护，可控硅整流，变频调速，电工领域的测量仪器等场合。在电力系统等领域具有广阔的应用前景，成为互感器发展的重要方向之一。

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细的说明，但不受本实施例所限。

附图说明

图1是骨架为矩形结构的线圈示意图；

图2是骨架为圆形结构的线圈示意图；

图3是本发明线圈结构抽头连接示意图；

图4是本发明信号检测电路图；

图5是本发明线圈与前置放大器连接示意图；

图6是本发明差动式放大、积分、移相电路图，R5＝10Ω；

图7是输入输出相位比较图；

图8是R5＝100kΩ,电路图；

图9是输入输出相位比较图；

图10是双线并绕罗氏线圈连接后的等效电路；

图11是是罗氏线圈连接前置放大器示意图。

图1中：双路漆包线1，骨架2，线圈A，线圈B，抽头A1，抽头A2，抽头B1，抽头B2，线圈A1，线圈B1、,线圈A2，线圈B2。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明是一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，所述的双线并绕的罗氏线圈是基于在传统罗氏线圈骨架上，采用双路漆包线1或其它表层绝缘的导线，紧挨、平行、并均匀缠绕在骨架2上，形成环形线圈。所述的骨架2为非铁磁性材料。这样获两组线圈A和线圈B，和四根抽头：抽头A1，抽头A2，抽头B1，抽头B2分别为线圈A的头和尾；抽头B1和抽头B2分别为线圈B的头和尾。线圈A的头与线圈B的尾联接作为参考点，即抽头A1与抽头B2联接。在线圈A的尾抽头A2和线圈B的头抽头B1获得两路差动信号。差动信号的检测，灵敏度提高了一倍。差动式积分放大电路。e(t)为罗氏线圈输出的差动电压。

如图1所示，图1是骨架为矩形结构的线圈示意图；其线圈端电压和线圈电流的计算方法为：

$e\left(t\right)=-M\frac{di}{dt}---\left(1\right);$

$i\left(t\right)=-\frac{1}{M}\∫e\left(t\right)dt---\left(2\right);$

线圈的端电压e(t)与一次电流的时间变化率成正比，与罗氏线圈和载流导体之间的互感M成正比，i(t)载流导体电流。

对于截面为矩形的罗氏线圈：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}Nh}{2\mathrm{\π}}ln\left(\frac{b}{a}\right)---\left(3\right);$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，a、b为线圈横截面的内外径，h为线圈截面高度。

图2是骨架为圆形结构的线圈示意图；其线圈端电压和线圈电流的计算方法为：

$e\left(t\right)=-M\frac{di}{dt}---\left(1\right);$

$i\left(t\right)=-\frac{1}{M}\∫e\left(t\right)dt---\left(2\right);$

线圈的端电压e(t)与一次电流的时间变化率成正比，与罗氏线圈和载流导体之间的互感M成正比，i(t)载流导体电流。

对于截面为圆形的罗氏线圈：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}NS}{l}---\left(4\right)$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，S为每匝线圈截面面积，l(2πr)为线圈环形骨架芯平均周长。

图3是本发明线圈结构抽头连接示意图。

图4是本发明信号检测电路图。一种基于集放大、积分和相位调整为一体的差动式前置放大器。

本发明的信号处理方法如下：

利用前置差动信号电压放大器对e(t)处理。

差动信号的处理采用差动式放大器，集放大、积分和相位调整为一体。通过调整比值a，可以调整差动放大器的放大倍数，通过调整比值b，可以微调整放大器输入和输出之间的相位。如图5所示，图5是差动式罗氏线圈与差动式前置放大器连接示意图。

输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原测量电流，如图4所示，图4是本发明信号检测电路图。

将几十毫伏级的原始信号放大到伏级。差动式放大器可以抑制零点漂移，由于它是一个对称电路，可使漂移信号相互抵消。由温度变化等因素引起两路的输出漂移电压必然是大小相等，极性相同，即为共模信号。具有抗共模干扰的特点。

图4和图5中，线圈B1、线圈B2输出电压为e1(t),线圈A1、线圈A2输出电压为e2(t),o(t)为前置放大器输出，比值a和电阻值R确定前置放大器的放大倍数，比值b和电阻值R1可微调输入/输出之间的相差。

本发明的计算方法如下：

$e\left(t\right)=-M\frac{di}{dt}---\left(1\right);$

$i\left(t\right)=-\frac{1}{M}\∫e\left(t\right)dt---\left(2\right);$

线圈的端电压e(t)与一次电流的时间变化率成正比，与罗氏线圈和载流导体之间的互感M成正比，i(t)载流导体电流。

对于截面为矩形的罗氏线圈：图1所示。

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}Nh}{2\mathrm{\π}}ln\left(\frac{b}{a}\right)---\left(3\right);$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，a、b为线圈横截面的内外径，h为线圈截面高度。

对于截面为园的罗氏线圈：图2所示。

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}NS}{l}---\left(4\right);$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，S为每匝线圈截面面积，l(2πr)为线圈环形骨架芯平均周长。

以下是检测电路与输入输出波形：

图6为差动式放大、积分、移相电路图，当前置放大器输入V1＝20mV；V2＝20mV的差动信号；其它元件参数如图6所示。当R5＝10Ω时，在示波器XSC2可观察输入/输出波形。图5为输入/输出相位比较，红为输入，黑为输出。

图7是输入输出相位比较图，可以看出输出相位超前输入90﹣Δ。当前置放大器输入V1＝20mV；V2＝20mV的差动信号；其它元件参数如图8所示。当R5＝100kΩ时，在示波器XSC2可观察输入/输出波形。图7为输入/输出相位比较，红为输入，黑为输出。

图9是输入输出相位比较图，可以看出输出相位超前输入90﹢Δ。改变R5阻值，可微调输入/输出相位差。

图10是双线并绕罗氏线圈连接后的等效电路。e1(t)、e2(t)为被测电流在两组双线并绕线圈中的感应电动势；L1、L2和r1、r2分别表示罗氏线圈的自感和内阻；C1、C2线圈的分布；Rt1和Rt2线圈端接电阻。

图11是罗氏线圈连接前置放大器，ein(t)＝e′1(t)-e′2(t)为罗氏线圈输出电压；调整a和电阻R1确定前置放大器的放大倍数；调整b和电阻R确定输出u0(t)与输入ein(t)之间的相位差。

Claims (7)

1.一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，其特征是：包括由双线并绕的罗氏线圈，采用双路漆包线(1)紧挨、平行、并均匀缠绕在罗氏线圈骨架(2)上，形成环形线圈；

信号处理方法如下：

利用前置差动信号电压放大器对e(t)处理；

差动信号的处理采用差动式放大器，集放大、积分和相位调整为一体；通过调整比值a，可以调整差动放大器的放大倍数，通过调整比值b，可以微调整放大器输入和输出之间的相位。

2.根据权利要求1所述的一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，其特征是：所述的双路漆包线(1)用表层绝缘的导线代替。

3.根据权利要求1所述的一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，其特征是：所述的骨架(2)为非铁磁性材料。

4.根据权利要求1所述的一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，其特征是：所述的线圈包括：线圈A和线圈B，和四根抽头：抽头A1，抽头A2，抽头B1，抽头B2分别为线圈A的头和尾；抽头B1和抽头B2分别为线圈B的头和尾；线圈A的头与线圈B的尾联接作为参考点，即抽头A1与抽头B2联接；在线圈A的尾抽头A2和线圈B的头抽头B1获得两路差动信号。

5.根据权利要求1所述的一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，其特征是：所述的骨架(2)为矩形结构的线圈时，其线圈端电压和线圈电流的计算方法为：

$e\left(t\right)=-M\frac{di}{dt}---\left(1\right);$

$i\left(t\right)=-\frac{1}{M}\∫e\left(t\right)dt---\left(2\right);$

线圈的端电压e(t)与一次电流的时间变化率成正比，与罗氏线圈和载流导体之间的互感M成正比，i(t)载流导体电流；

对于截面为矩形的罗氏线圈：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}Nh}{2\mathrm{\π}}ln\left(\frac{b}{a}\right)---\left(3\right);$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，ab为线圈横截面的内外径，h为线圈截面高度。

6.根据权利要求1所述的一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，其特征是：所述的骨架(2)为圆形结构时，其线圈端电压和线圈电流的计算方法为：

$e\left(t\right)=-M\frac{di}{dt}---\left(1\right);$

$i\left(t\right)=-\frac{1}{M}\∫e\left(t\right)dt---\left(2\right);$

线圈的端电压e(t)与一次电流的时间变化率成正比，与罗氏线圈和载流导体之间的互感M成正比，i(t)载流导体电流；

对于截面为圆形的罗氏线圈：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}NS}{l}---\left(4\right)$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，S为每匝线圈截面面积，l(2πr)为线圈环形骨架芯平均周长。

7.根据权利要求1所述的一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，其特征是：所述的线圈，其中线圈B1、线圈B2输出电压为e1(t),线圈A1、线圈A2输出电压为e2(t),o(t)为前置放大器输出，比值a和电阻值R确定前置放大器的放大倍数，比值b和电阻值R1可微调输入/输出之间的相差；

计算方法如下：

$e\left(t\right)=-M\frac{di}{dt}---\left(1\right);$

$i\left(t\right)=-\frac{1}{M}\∫e\left(t\right)dt---\left(2\right);$

线圈的端电压e(t)与一次电流的时间变化率成正比，与罗氏线圈和载流导体之间的互感M成正比，i(t)载流导体电流；

对于截面为矩形的罗氏线圈：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}Nh}{2\mathrm{\π}}ln\left(\frac{b}{a}\right)---\left(3\right);$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，a、b为线圈横截面的内外径，h为线圈截面高度；

对于截面为园的罗氏线圈：

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}NS}{l}---\left(4\right);$

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为线圈匝数，S为每匝线圈截面面积，l(2πr)为线圈环形骨架芯平均周长。