CN112034230B - 具有螺旋形屏蔽外壳的电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有螺旋形屏蔽外壳的电流传感器。该传感器由螺旋形屏蔽外壳、线圈、垫块三部分组成。螺旋形屏蔽壳为金属材料，整体形状为环形，截面为螺旋形，外部干扰的磁场经过螺旋形多层屏蔽后可以大幅衰减。屏蔽壳中间有完整的螺旋形气隙通道，便于被测电流的磁场进入屏蔽外壳的内腔。线圈通过垫块固定在螺旋形屏蔽壳内腔的中心。本发明可以提高线圈型电流传感器的抗干扰能力。

Description

具有螺旋形屏蔽外壳的电流传感器

技术领域

本发明属于变压器绕组变形在线监测试验领域，具体是指一种可以在变压器绕组变形在线监测试验过程中有效测量电流信号的具有螺旋形屏蔽外壳的大尺寸线圈型电流传感器。

背景技术

变压器绕组是变压器中最常发生故障的部分，近年来的绕组变形事故已经成为变压器的最主要故障类型。传统的绕组变形离线检测方法因为必须停电并解开高压引线，己经不能满足现在电网对于安全可靠性的需求，在线监测势在必行。目前变压器绕组变形在线监测遇到的重要问题之一是如何向在线变压器注入激励信号,并获取响应信号。近些年提出的利用大直径电流传感器通过电磁耦合的方式来解决此问题具有一定的可行性。附图1为利用电磁耦合的方式向在线变压器进行信号注入与测量响应的示意图，大直径电流传感器套在变压器A相套管上对A相电流信号进行测量。在这种情况下，由于电流传感器的尺寸较大，在实验过程中我们发现B、C相套管的电流信号会通过磁场空间耦合的方式对A相测量电流信号的传感器产生干扰，传感器出现电磁屏蔽失效的问题，此时测量传感器的输出不能准确的反映出套管内流过的电流。

以往试验中罗氏线圈型电流传感器尺寸较小，电磁干扰也较小，没有关注到线圈的屏蔽问题。如今，我们在绕组变形试验中应用的传感器直径远大于截面半径，线圈的屏蔽问题变得突出。目前电流传感器的电磁屏蔽措施是加装金属性屏蔽外壳，然而对这种金属性屏蔽外壳具体作用以及其屏蔽效能影响因素的研究很少。现有的罗氏线圈型电流传感器金属外壳多为C型。由附图2可见，C型金属屏蔽壳整体为环形，其轴向截面近似为C型。对于一般尺寸的电流传感器，加装C型屏蔽外壳对于外部干扰具有一定的屏蔽作用。然而，变压器绕组变形等试验需要大尺寸大直径的电流传感器，C型金属屏蔽壳是否还能有效屏蔽外部干扰成为试验的一大问题。

我们通过仿真计算不同材料的C型传感器屏蔽外壳对于被测信号的影响以及对外界干扰信号的屏蔽效能，并对其进行实验验证，明确C型屏蔽外壳对于电流传感器的具体作用。如图3所示，分别仿真在C型屏蔽外壳中心存在轴向通电导线（模拟被测信号）以及在外部存在多角度通电导线（模拟杂乱外部干扰信号）的情况下，C型屏蔽壳周围的磁场分布。仿真及试验结果发现，非铁磁性材料与铁磁性材料的C型屏蔽外壳对于外界干扰信号的屏蔽效能都与外界干扰信号的角度有关，干扰磁场的方向越接近和环形屏蔽壳所在平面垂直，屏蔽壳的屏蔽效果越差。对于完全与屏蔽壳垂直的干扰磁场，C型外壳甚至起不到屏蔽作用。针对这一仿真结果，我们对带有C型屏蔽外壳以及不带C型屏蔽外壳的不同传感器进行了射频电磁场辐射抗扰度试验和工频磁场抗扰度试验，对此进行验证。利用工频磁场抗扰度试验装置构成出一个工频磁场环境，将待测电流传感器放置在工频磁场环境内，将其输出信号通过信号电缆线进入到示波器内，测量出不同传感器的输出信号。同样构造射频磁场环境，测量该环境下传感器输出信号。通过试验结果我们发现，各个传感器在添加C型屏蔽外壳和脱离C型屏蔽外壳的情况下对于外界干扰信号的响应差别不大，说明C型屏蔽外壳对于抗射频干扰磁场和抗工频干扰磁场的效果有限。

C型外壳由于内腔里的电流传感器通过开口与外界直接相连，只有一层屏蔽，因而屏蔽效果不理想，反而增加了变压器绕组变形试验的费用和复杂程度。因此，设计一种具有多屏蔽层可以有效屏蔽外部各种电磁干扰的电流传感器屏蔽壳，对于提高变压器绕组变形试验的效率以及提高试验数据的准确性而言，有着十分积极的意义且非常必要。

通过仿真和试验验证，我们发现螺旋形外壳对外界干扰信号的屏蔽效果比C型屏蔽外壳要好很多。由仿真图4可见，内部被测电流的磁场通过轴向截面为螺旋形的气隙通道传播，屏蔽壳对被测磁场的分布不会产生影响。对于外部干扰，如图5所示，磁场沿螺旋形屏蔽外壳从开口往内腔传播，经过多层屏蔽壳之后有效衰减了（颜色逐渐变浅）。针对仿真结果，我们对带有螺旋形屏蔽外壳以及不带螺旋形屏蔽外壳的不同传感器进行了射频电磁场辐射抗扰度试验和工频磁场抗扰度试验，对此进行验证。试验结果证明，螺旋形屏蔽外壳可以较好地屏蔽射频干扰磁场和工频干扰磁场。因此，设计发明这种具有螺旋形屏蔽外壳的电流传感器能够有效解决绕组变形试验中电流传感器电磁屏蔽失效的问题。。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有螺旋形屏蔽外壳的大尺寸线圈型电流传感器，实现试验中电流传感器对外部电磁干扰的有效屏蔽。

本发明的具体内容是：

一种带有螺旋形屏蔽外壳的大尺寸电流传感器，其特征是：该装置由螺旋形屏蔽壳[1]、罗氏线圈[2]、垫块[3]组成；螺旋形屏蔽壳[1]为金属材料，整体形状为环形，截面为螺旋形；罗氏线圈[2]被垫块[3]固定在螺旋形屏蔽壳[1]的内腔；螺旋形屏蔽壳[1]层与层之间存在气隙通道[4]使屏蔽壳[1]的内腔与外界相通，该气隙通道[4]轴向截面为螺旋形。

该屏蔽外壳极大增强了对外部电磁干扰的屏蔽效果，克服了大直径电流传感器屏蔽失效的问题，同时对被测磁场没有影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1为利用电磁耦合方式实现变压器绕组变形在线监测示意图。

图2为C型屏蔽外壳的俯视图（左）及轴向截面细节图（右）。

图3为模拟被测信号（左）和干扰信号（右）的仿真示意图。

图4为内部被测磁场在C形外壳（左）和螺旋形屏蔽外壳（右）中的轴向截面分布图对比。

图5为外部干扰磁场在C形外壳（左）和螺旋形屏蔽外壳（右）中的轴向截面分布图对比。

图6为本发明电流传感器的俯视图（左）及轴向截面细节图（右）。

图7为具体实施中电流传感器装配体的俯视图（左）和轴向截面细节图（右）。

具体实施例

如图7所示，本实施给出了一种可以在变压器绕组变形在线监测试验过程中有效测量电流信号的具有螺旋形屏蔽外壳的线圈型电流传感器。

（1）线圈

线圈[2]由铜漆包线缠绕在环形磁芯[5]上而成。铜漆包线的直径为0.5mm，均匀地缠绕在环形磁芯[5]上，根据需要缠绕200匝。磁芯[5]为具有良好导磁性能的铁氧体，形状为圆环形，其内直径为78mm，外直径为122mm，高为22mm。当被测电流沿线圈环的中轴线穿过线圈环时，该电流会在周围产生一个随时间变化的磁场，则磁场线圈[2]内感应出电动势。将线圈[2]的两端与电缆接头连接，再接入测量仪器就可以得到传感器的输出信号。

（2）螺旋形屏蔽壳

螺旋形屏蔽壳[1]材料为具有良好导磁性能的纯铁。螺旋形屏蔽壳[1]中每层屏蔽壳的厚度为2mm，由5个半壳[7-11]装配而成，每个半壳边缘有2mm高的台阶[6]。从内向外一层层装配螺旋形屏蔽壳[1]，先将上半壳[11]和下半壳[10]通过台阶[6]拼接，再将下半壳[10]和上半壳[9]拼接，然后将上半壳[9]和下半壳[8]拼接，最后将下半壳[8]和上半壳[7]拼接。螺旋形屏蔽壳[1]层与层之间存在气隙通道[4]，屏蔽壳内腔与外界通过该气隙通道[4]相连。气隙通道[4]轴向截面为螺旋形，宽度为2mm，被测信号的磁场通过气隙通道[4]进入屏蔽外壳腔内，并在线圈[2]上感应电动势。最内层的屏蔽壳[10]和[11]与罗氏线圈[2]之间有5mm的间隙。

（3）垫块

垫块[3]支撑线圈[2]和磁芯[5]，从而将线圈[2]固定在屏蔽壳[1]的内腔。垫块[3]为不导电、不导磁的塑料。

Claims (1)

1.具有螺旋形屏蔽外壳的电流传感器，其特征是：装置由螺旋形屏蔽壳[1]、线圈[2]、垫块[3]组成；螺旋形屏蔽壳[1]为金属材料，整体形状为环形，截面为螺旋形；罗氏线圈[2]被垫块[3]固定在螺旋形屏蔽壳[1]的内腔；螺旋形屏蔽壳[1]层与层之间存在气隙通道[4]使屏蔽壳[1]的内腔与外界相通，该气隙通道[4]轴向截面为螺旋形；线圈[2]由铜漆包线缠绕在环形磁芯[5]上而成，铜漆包线的直径为0.5mm，均匀地缠绕在环形磁芯[5]上，根据需要缠绕200匝，磁芯[5]为具有良好导磁性能的铁氧体，形状为圆环形，其内直径为78mm，外直径为122mm，高为22mm，当被测电流沿线圈环的中轴线穿过线圈环时，该电流会在周围产生一个随时间变化的磁场，则磁场线圈[2]内感应出电动势，将线圈[2]的两端与电缆接头连接，再接入测量仪器得到传感器的输出信号；螺旋形屏蔽壳[1]材料为具有良好导磁性能的纯铁，螺旋形屏蔽壳[1]中每层屏蔽壳的厚度为2mm，由5个半壳[7-11]装配而成，每个半壳边缘有2mm高的台阶[6]，从内向外一层层装配螺旋形屏蔽壳[1]，先将上半壳[11]和下半壳[10]通过台阶[6]拼接，再将下半壳[10]和上半壳[9]拼接，然后将上半壳[9]和下半壳[8]拼接，最后将下半壳[8]和上半壳[7]拼接，螺旋形屏蔽壳[1]层与层之间存在气隙通道[4]，屏蔽壳内腔与外界通过该气隙通道[4]相连，气隙通道[4]轴向截面为螺旋形，宽度为2mm，被测信号的磁场通过气隙通道[4]进入屏蔽外壳腔内，并在线圈[2]上感应电动势，最内层的屏蔽壳[10]和[11]与罗氏线圈[2]之间有5mm的间隙；垫块[3]支撑线圈[2]和磁芯[5]，从而将线圈[2]固定在屏蔽壳[1]的内腔，垫块[3]为不导电、不导磁的塑料。

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