CN203772937U - 一种可同时检测雷电流和工频交流电流的宽带有源柔性线圈 - Google Patents

Abstract

一种可同时检测雷电流和工频交流电流的宽带有源柔性线圈，包括柔性罗氏线圈、积分电阻、高输入阻抗有源放大器、第一采集示波器以及第二采集示波器，具体连接方式为：柔性罗氏线圈、积分电阻与高输入阻抗有源放大器并联，高输入阻抗有源放大器的输入端与第一采集示波器并联，高输入阻抗有源放大器的输出端连接第二采集示波器。本实用新型具有测量范围大、线性度好、工作性能稳定，抗干扰能力强、测量精度高、使用操作方便，与被测电路电源隔离，使用安全的优点。

Description

一种可同时检测雷电流和工频交流电流的宽带有源柔性线圈

技术领域

本实用新型涉及一种检测电流的装置，具体是一种可同时检测雷电流和工频交流电流的宽带有源柔性线圈。 

背景技术

雷电流是一种典型的脉冲瞬变电流，雷电天气是灾害性天气，雷电的发生会造成人员伤亡，电力中断，酿成火灾，导致电子设备和通信设施的损坏。为了精确记录和分析雷电流参数，根据被测雷电流的幅值、频率不同，测量脉冲电流的常用方法有两种，一种是分流器法，测量原理是将一个理想的纯电阻放在被测电流的放电回路中，只要测量电阻上的电压波形就可以求解回路中的电流波形。分流器法一般适应于测量小于100kA的脉冲电流，分流器串联接入放电回路中，在有些高压电路测试中存在一定的危险。另一种方法是采用罗氏线圈，测量脉冲瞬变电流常用罗氏线圈，罗氏线圈不接触被测量回路，对测量回路的影响更小。罗氏线圈分为空心罗氏线圈和磁芯罗氏线圈，空心罗氏线圈是在非磁性材料上绕制成的，磁芯罗氏线圈是在磁性材料上绕制成的。 

罗氏线圈的输出电压与输入电流保持线性关系，对于空心罗氏线圈，它的线性度不受被测信号的频率计幅值的影响，但空心罗氏线圈的输出电压增益很低，在测量小电流时受到一定限制。磁芯的罗氏线圈输出电压增益更大，适用于测量小电流，但同时测量大电流时会出现磁饱和现象，造成输出信号失真，因此测量线性度较差。目前采用罗氏线圈原理的产品中，美国Pearson电流线圈在市场上比较受欢迎，但也很难满足高带宽的测量。因此设计一种能满足同时测量雷电流和工频电流的宽带有源柔性罗氏线圈具有很高的实用价值，要求其带宽范围宽、有能检测较小的工频电流，可广泛应用于电涌保护器的在线监测，主要用于检测电涌保护器的工作状态。 

发明内容

本发明的目的是提供一种检测雷电流工频交流电流的宽带有源柔性线圈，直接接入采集示波器进行波形采集可用于检测雷电流的幅值以及波形，与有源放大器配合使用可用于检测微弱的工频泄漏电流，接入采集系统可用于工频电流测试。 

本实用新型通过采用以下技术方案达到上述目的：一种检测雷电流工频电流的宽带有源 柔性线圈，包括柔性罗氏线圈、积分电阻、高输入阻抗有源放大器、第一采集示波器以及第二采集示波器，具体连接方式为：柔性罗氏线圈、积分电阻与高输入阻抗有源放大器并联，高输入阻抗有源放大器的输入端与第一采集示波器并联，高输入阻抗有源放大器的输出端与第二采集示波器连接，柔性罗氏线圈的积分电阻上的电压信号连接到高输入阻抗有源放大器，当雷电电流作用时或工频电流作用时直接由第一采集示波器采集；当微小信号作用时，经过高输入阻抗有源放大器将信号放大并由第二采集示波器进行采集；当有雷电流或较大的电流信号，高输入阻抗有源放大器出现饱和现象没有输出信号输出。 

所述柔性罗氏线圈积分电阻与高输入阻抗有源放大器并联，高输入阻抗有源放大器的电路连接方式为：R₁、R₃、LM358构成第一反相比例放大器，R₂、R₄、LM358构成第二反相比例放大器，两反相放大器输入端通过瞬态抑制二极管相连，R₅、R₆与第一级输出端相连，R₅、R₆、R₇、R₈与LM358构成差分放大电路，OUT为二级输出端。 

本实用新型的突出优点在于： 

(1)具有测量范围大，最小可测量1μA的工频电流，最大可测量200KA的雷电流，具有线性度好的特点。 

(2)具有频率范围大频率范围从50Hz～15kHz，满足工频电流和雷电流的频率范围。 

(3)线圈的绕制采用线圈为高温导线,骨架材料为硅橡胶，具有工作性能稳定，适应各种气候环境下使用，使用范围广的特点。 

(4)柔性罗氏线圈测量小电流信号时采用有源差动放大器，具有抗干扰能力强、消除噪声，测量精度高的特点。 

(5)柔性罗氏线圈安装方便，直接环绕在被测电流回路中，不受安装位置条件的限制。 

(6)柔性罗氏线圈结构设计简单，使用操作方便，与被测电路电源隔离，使用安全。 

附图说明

图1是本实用新型所述的检测雷电流工频电流的宽带有源柔性线圈的结构示意图。 

图2是本实用新型所述的检测雷电流工频电流的宽带有源柔性线圈的等效电路图。 

图3是本实用新型所述的检测雷电流工频电流的宽带有源柔性线圈与有源放大器电路连接方式。 

图4是本实用新型所述的检测雷电流工频电流的宽带有源柔性线圈的柔性罗氏线圈绕线结构图。 

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述的检测雷电流工频电流的宽带有源柔性线圈，包括柔性罗氏线圈1、积分电阻2、高输入阻抗有源放大器3、第一采集示波器4以及第二采集示波器 5。具体连接方式为：由柔性罗氏线圈积分电阻上的电压信号连接到高输入阻抗有源放大器3，当雷电电流作用时或工频电流作用时直接由采集示波器4采集。当微小信号作用时，经过高输入阻抗有源放大器3将信号放大并由采集示波器5进行采集。当有雷电流或较大的电流信号，高输入阻抗有源放大器3出现饱和现象没有输出信号输出。 

如图2所示，本实用新型所述的检测雷电流工频电流的宽带有源柔性线圈的等效电路图，其中，将所测试电压信号与电感、线圈的内阻相串联，将积分电阻的并联接入线圈内阻与所测试电压信号两端。根据电磁感应效应，计算雷电流和工频电流在线圈中感应的电流。 

如图3所示，本实用新型所述的检测雷电流工频电流的宽带有源柔性线圈与有源放大器 

电路连接方式为：R₁、R₃、LM358构成反相比例放大器，R₂、R₄、LM358构成反相比例放大器，两反相放大器输入端通过瞬态抑制二极管相连。R₅、R₆与第一级输出端相连，R₅、R₆、R₇、R₈与LM358构成差分放大电路。OUT为二级输出端。 

如图3所示，有源差动放大电路使用有3个OP放大器构成的高输入阻抗的差动放大器，这是一个性能优良的差动放大电路，其中x₁和x₂构成的反相放大电路，x₃构成差动放大电路，电路参数的要求：R₁＝R₂，R₃＝R₄，R₅＝R₆，R₇＝R₈，电流的增益R₁＝R₂＝100kΩ，R₃＝R₄＝10kΩ，R₅＝R₆＝1kΩ，R₇＝R₈＝1MΩ电源电压为±15V，总的差动增益达到100倍。D为暂态抑制二极管，主要作用是在测量雷电流时防止罗氏线圈上的电压过高损坏，OP运算放大器。 

如图4所示，本实用新型所述的检测雷电流工频电流的宽带有源柔性线圈的柔性罗氏线圈绕线结构图。图中线圈的绕制方向为从A端绕制达到B端，达到B端后，再从B端绕制到A端，线圈的绕制方向一致，绕的匝数为480匝。 

柔性罗氏线圈的基本原理 

罗氏线圈通过测量导线上变化电流产生的磁性在线圈上感应出的电信号，来确定导线上的电流大小及波形情况。电压方程为 

$V=M\frac{{\mathrm{dI}}_s}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{iz}$

式中：φ为罗氏线圈的磁链，i为测量回路的电流，z为线圈的负载，包括线圈的内阻，M为被测导线与线圈的互感；I_s为要测量的电流信号，在柔性罗氏线圈的设计中，则 线圈连接一个小的电阻负载，测量电阻两端的信号来确定电流，这就是自积分式罗氏线圈，用自积分式罗氏线圈实现高频测量的关键是保证电阻的纯电阻性。 

柔性罗氏线圈的设计中线圈的灵敏度是设计的关键技术之一，线圈的灵敏度及线圈输出信号与被测信号的比例，测量大电流时，要求将电流缩小到可测量的范围。自积分式柔性罗氏线圈的等效电路如图2所示，图中的V_s为所测试电压信号，ε为线圈的感应电动势，r为线圈的内阻，R为积分电阻，满足关系式：则有：

被测电压为：V_s＝Ri＝MRI_s/L 

因此，线圈的灵敏度

电感L和互感M可以通过测量确定，也可以通过公式计算： 

M≈u₀AN/2πr，L≈u₀AN²/2πr 

式中：u₀为电气磁导率；A为小线圈截面积，N为线圈的匝数，r为大线圈的半径，所以有S≈R/N，积分电阻R在线路连接电流波阻抗并联使用，通常使用电流的波阻抗为几十欧，这个值远大于积分电阻值，积分电阻值通常取1Ω值，并且是无感电阻，这个值便于换算电流值。 

①柔性骨架材料的选择 

罗氏线圈骨架的作用支撑和绝缘的，根据线圈的测量原理可知，骨架的尺寸对线圈的互感、电感等电磁参数起这主要的作用，因此骨架材料的一些参数有着重要的作用，对于骨架的选择主要考虑工作稳定性、膨胀系数、机械强度、绝缘强度等参数。一般情况下，罗氏线圈的工作温度为-40℃～70℃左右，选择硅橡胶材料作为线圈的骨架，硅橡胶骨架的外直径为8mm，内直径4mm。硅橡胶具有良好的耐热性、电绝缘性和机械强度。特别在抗张强度、相对伸长和撕裂强度上有很好的性能。有适中的柔韧性，可以绕制不同形状，以便用于不同位置的测量。硅橡胶管具有良好的电绝缘性能和化学稳定性，抗电弧、电晕、电火花的能力强，防水、防潮湿，抗冲击力，适应于各种气候条件下的使用。 

②绕制材料的选择及方法 

罗氏线圈的绕制材料及绕制方式是决定线圈性能的决定性因素，绕制越密线圈的互感系数越大，自感和杂感点容也就越大，线圈的上限频率越低。线圈绕制好后，再在骨架外围同样采用硅橡胶材料封装，采用内径为10mm外径为12mm的橡胶封装，接头部分采用直径为4mm，长度为2cm的铜柱进行对接。当雷电流穿过线圈时，线圈匝间会产生很大的感应电压，所以线圈的绕制材料要有合适的电导率，材料的绝缘性能要好，有稳定和足够大的绝缘电阻和击穿电压。设计线圈是选择适当的柔软的绕线，材质过硬时绕制不易过紧密，太软时容易拉伸过度以致线径变细，甚至出现断裂的现象。根据柔性罗氏线圈的特性，选择合适导线作为绕 线材料，导体线径为0.5mm外径为1mm。合适的导体具有优良的耐腐蚀性能，抗酸、碱性。具有优良的电绝缘性能，耐压高，高频损耗小，绝缘电阻大，具有优良的阻抗性能。绕线结构图如图4所示，绕制方向为从A到B，当从A端绕制到B端，再从B端绕制到A端，线圈的绕制方向一致，绕的匝数为480匝。 

线圈的测量范围大，在测量雷电流时，幅值可达到200KA，通过积分电阻直接进行测量。在工频小电流时能测量到1μA的工频小电流，通过有源差动放大器输出端可以检测到被测信号。 

Claims (2)

1.一种可同时检测雷电流和工频交流电流的宽带有源柔性线圈，其特征在于，包括柔性罗氏线圈、积分电阻、高输入阻抗有源放大器、第一采集示波器以及第二采集示波器，具体连接方式为：柔性罗氏线圈、积分电阻与高输入阻抗有源放大器并联，高输入阻抗有源放大器的输入端与第一采集示波器并联，高输入阻抗有源放大器的输出端与第二采集示波器连接，柔性罗氏线圈的积分电阻上的电压信号连接到高输入阻抗有源放大器，当雷电电流作用时或工频电流作用时直接由第一采集示波器采集；当微小信号作用时，经过高输入阻抗有源放大器将信号放大并由第二采集示波器进行采集；当有雷电流或较大的电流信号，高输入阻抗有源放大器出现饱和现象没有输出信号输出。 

2.根据权利要求1所述的可同时检测雷电流和工频交流电流的宽带有源柔性线圈，其特征在于，所述柔性罗氏线圈积分电阻与高输入阻抗有源放大器并联，高输入阻抗有源放大器的电路连接方式为：R₁、R₃、LM358构成第一反相比例放大器，R₂、R₄、LM358构成第二反相比例放大器，两反相放大器输入端通过瞬态抑制二极管相连，R₅、R₆与第一级输出端相连，R₅、R₆、R₇、R₈与LM358构成差分放大电路，OUT为二级输出端。