CN111952052A - 一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置与方法。为了克服现有技术通过磁场检测电流的方案，由于磁场分布不均匀，无法保证较高的电流检测精度的问题；本发明的装置包括塑料骨架，其截面为带间隙的环形；铜箔线圈，沿塑料骨架绕制成双层线圈结构，铜箔线圈与输电线路连接；双线圈结构包括内层螺线管、外层螺线管和连接部；内层螺线管的一侧与外层螺线管的一侧通过连接部连接，内层螺线管和外层螺线管的中心重合。利用铜箔线圈具有较大的截面积能够获得较大的载流量，双线圈结构能够在轴线位置获得均匀度较高的弱磁区域。

Description

一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置与方法
技术领域
本发明涉及一种高压配电网及磁场测量领域，尤其涉及一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置与方法。
背景技术
电流检测技术作为高压配电网系统中的重要研究方向，该技术的主要实现方式为利用磁场测量的间接测量方法来对电流进行检测，目前国内外在使用、研究和发展的电流互感器主要分为三类：基于法拉第电磁感应效应的绕组线圈式电流互感器；基于安培环路定律，以霍尔元件为代表的电流互感器；基于法拉第磁光效应的光纤电流互感器，但因为磁场均匀度的影响，检测结果无法保证较高的电流检测精度，因此，需要一种能够产生高均匀度的弱磁场装置，来应用于高压配电网中来提高电流检测精度。
例如，一种在中国专利文献上公开的“一种抗强磁场环境干扰的电流检测互感器”，其公告号CN209657980U，包括并排设置在第一互感器本体和第二互感器本体内的第一导磁铁芯和第二导磁铁芯，第一导磁铁芯和第二导磁铁芯的边沿水平重合形成重合部，并在相重合的区段上分别缠绕有感应线圈，两组感应线圈绕向和匝数相同，两组感应线圈首尾交错短接形成两个短接点，两个短接点分别自重合部的侧部引出。该方案由于磁场均匀度的原因，无法保证较高的电流检测精度。
发明内容
本发明主要解决现有技术通过磁场检测电流的方案，由于磁场分布不均匀，无法保证较高的电流检测精度的问题；提供一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置与方法，利用无矩线圈形式的绕线方式将铜箔绕成双层线圈装置，并基于此装置实现了在线圈轴线中心位置产生了均匀度较高的弱磁场区域，且载流量可以达到上千安培，保证了电流检测的精度。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置，包括
塑料骨架，其截面为带间隙的环形；
铜箔线圈，沿塑料骨架绕制成双层线圈结构，铜箔线圈与输电线路连接；
双线圈结构包括内层螺线管、外层螺线管和连接部；内层螺线管的一侧与外层螺线管的一侧通过连接部连接，内层螺线管和外层螺线管的中心重合。
本方案的装置利用铜箔线圈具有较大的截面积能够获得较大的载流量；利用无矩线圈的绕线方式，双线圈结构产生的磁场抵消后能获得较弱的磁场，且外部磁场衰减快，减小了装置对外部设备的电磁干扰；双线圈形式减小了轴线磁场较大的变化趋势，能够获得均匀度较高的磁场区域。
作为优选，所述的外层螺线管纵向的长度小于内层螺线管纵向的长度。采用本方案的设置使得外层螺线管产生的磁场与内层螺线管产生的磁场抵消后再轴线位置产生一个弱磁场。
作为优选，所述的连接部设置在塑料骨架的间隙中，连接部的形状适配于塑料骨架。连接部连接内层螺线管与外层螺线管，形状适配塑料骨架减小对产生的磁场的影响。
作为优选，所述的双层线圈结构的外形尺寸满足一下公式：
Figure BDA0002612242820000021
Figure BDA0002612242820000022
其中，d1和d2分别为内层螺线管和外层螺线管的直径；L1和L2分别为内层螺线管和外层螺线管铜箔的长度；n1和n2分别为内层螺线管和外层螺线管绕组的匝数。根据公式确定铜箔线圈内层螺线管和外层螺线管的直径与长度的关系。
作为优选，所述的双线圈结构通电后得到的最终的磁场为：
Figure BDA0002612242820000023
其中，I为励磁电流；r1和r2分别为内层螺线管和外层螺线管铜箔的半径；μ0为真空磁导率。根据公式获得理想的磁场参数，在大电流的背景下获得高均匀度的弱磁环境。
一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的方法，包括以下步骤：
S1：使用铜箔线圈在塑料骨架上绕制双层线圈结构；
S2：使双层线圈结构通电，在塑料骨架的中心轴产生弱磁场区域。
利用无矩线圈的绕线方式，双线圈结构产生的磁场抵消后能获得高均匀度的弱磁场，且外部磁场衰减快，减小了装置对外部设备的电磁干扰。
作为优选，所述的步骤S1包括以下步骤：
S11：在塑料骨架内层绕制铜箔线圈形成内层螺线管；
S12：通过连接部使内层螺线管的铜箔线圈过渡到塑料骨架外层绕制；连接部为贴合塑料骨架边缘形状的弧形；
S13：铜箔线圈在塑料骨架外层绕制形成外层螺线管；
S14：通过接线将输电线路分别与内层螺线管和外层螺线管串联，形成回路。
根据以上的步骤进行绕制，即可得到能够在大电流的背景下的高均匀度的弱磁场环境。
本发明的有益效果是：
1.电流载流量较大，利用铜箔具有较大的截面积可获得较大的载流量。
2.产生的磁场背景较弱，利用无矩线圈的绕线方式，双层线圈磁场抵消后可获得较弱的磁场背景。
3.轴线磁场均匀度较高，由于双层线圈形式减小了轴线磁场较大的变化趋势，从而可获得均匀度较高的磁场区域。
4.因为使用了无矩线圈的绕线方式，外部磁场快速衰减，从而减小了装置对外部设备的电磁干扰。
附图说明
图1是本发明的一种大电流产生小磁场的装置的结构示意图。
图中1.塑料骨架，2.铜箔线圈，3.内层螺线管，4.外层螺线管，5.连接部，6.输电线路。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例的一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置，如图1所示，包括塑料骨架1和铜箔线圈2。
塑料骨架1的截面为带间隙的环形。塑料骨架1的两侧边缘形成环形的间隙，边缘为弧形。
铜箔线圈2沿塑料骨架1绕制成双层线圈结构，铜箔线圈1与输电线路6连接，构成通电回路。
双线圈结构包括内层螺线管3、外层螺线管4和连接部5；内层螺线管3的一侧与外层螺线管4的一侧通过连接部5连接。
连接部5设置在塑料骨架1的间隙中，连接部5的形状适配于塑料骨架1。连接部5连接内层螺线管3与外层螺线管4，形状适配塑料骨1架减小对产生的磁场的影响。内层螺线管3和外层螺线管4的中心重合。
对于普通的单层螺线管线圈来说，如图所示，其轴线上任意一点，轴线方向磁场强度为：
Figure BDA0002612242820000041
其中，I为励磁电流；L为螺线管长度，N为螺线管单位长度的匝数，r为螺线管半径；z为螺线管中心至轴线上某点的距离，μ0为真空磁导率，大小为4π*10-7T·m/A。
对于铜箔线圈2通入的电流大小相当于普通螺线管的匝数与电流的乘积，所以上式中的NI可以转化为(n/L)*(I/n)即I/L，计算轴线中心的磁场值，则z为0，所以对于单层铜箔线圈的轴线中心的磁场值计算公式可化简为：
Figure BDA0002612242820000042
对于双层无矩线圈装置来说，为达到内部磁场的高度均匀性与外部的零磁矩特性，双层线圈结构的外形尺寸满足一下公式：
Figure BDA0002612242820000043
Figure BDA0002612242820000044
其中，d1和d2分别为内层螺线管3和外层螺线管4的直径；L1和L2分别为内层螺线管3和外层螺线管4铜箔的长度；n1和n2分别为内层螺线管3和外层螺线管4绕组的匝数。
对于铜箔线圈磁场值的计算和无矩线圈原理相同，内外层磁场值做差即可，双线圈结构通电后得到的最终的磁场为：
Figure BDA0002612242820000045
其中，I为励磁电流；r1和r2分别为内层螺线管和外层螺线管铜箔的半径；μ0为真空磁导率。
在本实施例中，L1＝190mm；r1＝50mm；L2＝180mm；r2＝60mm；I＝1A。
一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的方法，包括以下步骤：
S1：使用铜箔线圈在塑料骨架上绕制双层线圈结构。
S11：在塑料骨架内层绕制铜箔线圈形成内层螺线管。
S12：通过连接部使内层螺线管的铜箔线圈过渡到塑料骨架外层绕制；连接部为贴合塑料骨架边缘形状的弧形。
S13：铜箔线圈在塑料骨架外层绕制形成外层螺线管。
S14：通过接线将输电线路分别与内层螺线管和外层螺线管串联，形成回路。
S2：使双层线圈结构通电，在塑料骨架的中心轴产生弱磁场区域。
利用无矩线圈的绕线方式，双线圈结构产生的磁场抵消后能获得高均匀度的弱磁场，且外部磁场衰减快，减小了装置对外部设备的电磁干扰。
传统的无矩线圈能够产生均匀度较高的磁场区域，但由于线径较小，载流量较小，本发明的方案，根据以上的方法设置参数，根据以上的步骤进行绕制，即可得到能够在大电流的背景下的高均匀度的弱磁场环境。
本发明方案利用铜箔线圈具有较大的截面积能够获得较大的载流量；利用无矩线圈的绕线方式，双线圈结构产生的磁场抵消后能获得较弱的磁场，且外部磁场衰减快，减小了装置对外部设备的电磁干扰；双线圈形式减小了轴线磁场较大的变化趋势，能够获得均匀度较高的磁场区域。

Claims (7)

1.一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置，其特征在于，包括
塑料骨架(1)，其截面为带间隙的环形；
铜箔线圈(2)，沿塑料骨架绕制成双层线圈结构，铜箔线圈(1)与输电线路(6)连接；
双线圈结构包括内层螺线管(3)、外层螺线管(4)和连接部(5)；内层螺线管(3)的一侧与外层螺线管(4)的一侧通过连接部(5)连接，内层螺线管(3)和外层螺线管(4)的中心重合。
2.根据权利要求1所述的一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置，其特征在于，所述的外层螺线管(4)纵向的长度小于内层螺线管(3)纵向的长度。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置，其特征在于，所述的连接部(5)设置在塑料骨架(1)的间隙中，连接部(5)的形状适配于塑料骨架(1)。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置，其特征在于，所述的双层线圈结构的外形尺寸满足一下公式：
Figure FDA0002612242810000011
Figure FDA0002612242810000012
其中，d1和d2分别为内层螺线管(3)和外层螺线管(4)的直径；L1和L2分别为内层螺线管(3)和外层螺线管(4)铜箔的长度；n1和n2分别为内层螺线管(3)和外层螺线管(4)绕组的匝数。
5.根据权利要求4所述的一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置，其特征在于，所述的双线圈结构通电后得到的最终的磁场为：
Figure FDA0002612242810000013
其中，I为励磁电流；r1和r2分别为内层螺线管和外层螺线管铜箔的半径；μ0为真空磁导率。
6.一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的方法，采用权利要求1～5任意一项中的一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1：使用铜箔线圈(2)在塑料骨架(1)上绕制双层线圈结构；
S2：使双层线圈结构通电，在塑料骨架(1)的中心轴产生弱磁场区域。
7.根据权利要求1所述的一种基于无矩线圈形式的大电流产生小磁场的方法，其特征在于，所述的步骤S1包括以下步骤：
S11：在塑料骨架(1)内层绕制铜箔线圈(2)形成内层螺线管(3)；
S12：通过连接部(5)使内层螺线管的铜箔线圈过渡到塑料骨架外层绕制；连接部为贴合塑料骨架边缘形状的弧形；
S13：铜箔线圈在塑料骨架外层绕制形成外层螺线管(4)；
S14：通过接线将输电线路分别与内层螺线管和外层螺线管串联，形成回路。
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