CN204287389U - 高频电流局部放电信号采集传感器 - Google Patents
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Abstract
一种高频电流局部放电信号采集传感器，属于传感器领域。本实用新型的目的通过对罗氏线圈的改进，以达到能够接收微小信号的高频电流局部放电信号采集传感器。本实用新型的载流导线穿过罗氏线圈，在线圈上感应出电压电流，电压电流经过电阻将电流转换为电压；线圈围着磁芯缠绕，再引出经积分电阻接地；另一端接调理电路的模拟量输入端；其电路连接是：M是线圈的互感，Ls是线圈的自感，Rs是线圈的等效电阻，Cs是线圈的等效杂散电容，R是线圈的积分电阻；一次侧电流经过电流互感器变换到二次侧，二次侧通过电感Ls、电阻Rs、积分电阻R串联起来，线圈的等效杂散电容Cs并联在积分电阻R两端。本实用新型增大线圈的自感L，减小线圈尺寸和匝数，并减小杂散电容C，从而改善线圈性能。
Description
技术领域
本实用新型属于传感器领域。
背景技术
罗氏线圈是一个 均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。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，就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点，故其可应用于继电保护，可控硅整流，变频调速，电阻焊等信号严重畸变以及电炉、短路测试、雷电信号采集等大电流的场合。然而局放信号是微小的电流信号，普通的罗氏线圈根本无法感应到这微小的电流。
发明内容
本实用新型的目的通过对罗氏线圈的改进，以达到能够接收微小信号的高频电流局部放电信号采集传感器。
本实用新型的载流导线穿过罗氏线圈，在线圈上感应出电压电流，电压电流经过电阻将电流转换为电压；线圈围着磁芯缠绕，再引出经积分电阻接地；另一端接调理电路的模拟量输入端；其电路连接是：M是线圈的互感，Ls是线圈的自感，Rs是线圈的等效电阻，Cs是线圈的等效杂散电容，R是线圈的积分电阻；一次侧电流经过电流互感器变换到二次侧，二次侧通过电感Ls、电阻Rs、积分电阻R串联起来，线圈的等效杂散电容Cs并联在积分电阻R两端。
本实用新型增大线圈的自感L，减小线圈尺寸和匝数，并减小杂散电容C，从而改善线圈性能。金属软磁材料的饱和磁感应强度，居里温度和基本磁导率较高，矫顽力较低。但其体电阻率较低，高频涡流损耗大，一般适宜低频段应用。而铁氧体软磁材料的磁性能一般比金属软磁材料低，但其体电阻率要比金属软磁材料高几个数量级，高频损耗小，适于高频段使用，且其价格低廉。铁氧体软磁材料具有高磁导率、低损耗、高饱和磁感应强度及高截止频率、高稳定性等特点，被广泛用于制作高频电感线圈磁芯，以提高线圈的自感，缩小其体积。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图；
图2是本实用新型电路原理图；
图3是本实用新型HFCT传感器频谱。
具体实施方式
本实用新型的载流导线3穿过罗氏线圈，在线圈1上感应出电压电流，电压电流经过电阻将电流转换为电压；线圈1围着磁芯4缠绕，再引出经积分电阻2接地；另一端接调理电路的模拟量输入端；其电路连接是：M是线圈的互感，Ls是线圈的自感，Rs是线圈的等效电阻，Cs是线圈的等效杂散电容，R是线圈的积分电阻；一次侧电流经过电流互感器变换到二次侧，二次侧通过电感Ls、电阻Rs、积分电阻R串联起来，线圈的等效杂散电容Cs并联在积分电阻R两端。
根据等效电路，可以列出电路方程为：
（３.１）
（３.２）
（３.３）
上述式中有关参数的含义如图１所示，由式（３.２）、式（３.３）有：
（３.４）
对式（３.１）、（３.４）作拉普拉斯变换并化简，得到： （３.５）
在零初始条件下，系统的传递函数Ｇ(s)为：
（３.６）
在正弦稳态信号的作用下，有：
（３.７）
根据公式（３.７），可以得到：
（３.８）
因此，电流耦合器的幅频特性为：
（３.９）
电流耦合器等效电路类似于高频小信号并联谐振回路，采用高频小信号并联谐
振回路理论分析可得电流耦合器的频带为：
下限频率：
（３.１０）
上限频率：
（３.１１）
工作频带：
（３.１２）
当fh>>fl时，有：
（３.１３）
由式 (３.１３)可知，应使Ls尽可能大，Rs和R尽可能小。
以下对本实用新型做进一步描述：
局放信号采集传感器是一种宽频带互感器，其模型是带高频磁芯的罗柯夫斯基线圈，也就是一种带有高频磁芯的穿心式电流互感器。结构如下图所示。其基本原理是使电缆外屏蔽层的局放脉冲电流通过磁场的变化在次级绕组中形成一个感应电流脉冲，再通过积分电阻采集脉冲电压信号，从而判断电缆中有无局放，以及局放的大小。
自积分式的罗氏线圈直接采用积分电阻，频率响应高，是测量纳秒级脉冲大电流信号的理想手段，在国内外被广泛应用。其测量原理及等效电路如图所示，其中M是线圈的互感，Ls是线圈的自感，Rs是线圈的等效电阻，C是线圈的等效杂散电容，R是线圈的积分电阻。
根据等效电路，可以列出电路方程为：
（３.１）
（３.２）
（３.３）
上述式中有关参数的含义如图１所示，由式（３.２）、式（３.３）有：
（３.４）
对式（３.１）、（３.４）作拉普拉斯变换并化简，得到： （３.５）
在零初始条件下，系统的传递函数Ｇ(s)为：
（３.６）
在正弦稳态信号的作用下，有：
（３.７）
根据公式（３.７），可以得到：
（３.８）
因此，电流耦合器的幅频特性为：
（３.９）
电流耦合器等效电路类似于高频小信号并联谐振回路，采用高频小信号并联谐
振回路理论分析可得电流耦合器的频带为：
下限频率：
（３.１０）
上限频率：
（３.１１）
工作频带：
（３.１２）
当fh>>fl时，有：
（３.１３）
由以上分析可知，在磁芯材料和线圈尺寸一定的情况下，为了让罗式线圈工作频带尽可能足够宽，应使其上限频率尽可能大而下限频率尽可能小。由式 (３.１３)可知，应使Ls尽可能大，Rs和R尽可能小。在线圈尺寸一定的情况下，可以通过增大磁导率μ、线圈匝数N来增大Ls。但是由磁性材料的性质决定了磁导率μ增加时，其工作频率会下降。此外，增大绕线直径可减少Rs，但是这与增大线圈匝数N是相互制约的。罗氏线圈的工作频带的灵敏度还和积分电阻R有密切的关系。积分电阻增大，可使传感器灵敏度增大，但同时会导致频带宽度减小。因此，想要罗氏线圈传感器具有较宽的工作频带和一定的响应灵敏度，就需要在确定磁芯材料及其尺寸之后，选择一个最佳的积分电阻R和线圈匝数N的组合。
软磁材料主要分为金属软磁材料和铁氧体软磁材料两大类。局放信号是微小的电流信号，普通的罗氏线圈根本无法感应到这微小的电流。选用磁性材料的目的在于增大线圈的自感L,减小线圈尺寸和匝数，并减小杂散电容C，从而改善线圈性能。金属软磁材料的饱和磁感应强度,居里温度和基本磁导率较高，矫顽力较低。但其体电阻率较低，高频涡流损耗大，一般适宜低频段应用。而铁氧体软磁材料的磁性能一般比金属软磁材料低，但其体电阻率要比金属软磁材料高几个数量级，高频损耗小，适于高频段使用，且其价格低廉。铁氧体软磁材料具有高磁导率、低损耗、高饱和磁感应强度及高截止频率、高稳定性等特点，被广泛用于制作高频电感线圈磁芯，以提高线圈的自感，缩小其体积。
通过对比实验，本设计在现有条件下，最后选定的传感器参数为：磁芯材料为镍锌，线圈在15匝左右，积分电阻在100-150欧姆。
通过前面的叙述，罗氏线圈的基本参数已经可以确定，但是如果直接使用，必定受到杂散电磁场等外界诸多干扰的影响。因此在线圈外面需要一个能够有效屏蔽外界杂散电磁场的屏蔽体。还需要注意的是，为了使被测电流的主磁场能够进入线圈，需要在屏蔽壳体内侧留一个1mm宽的缝。屏蔽壳材料可以采用铁材料，外面镀银，这样既可以有效地屏蔽电场，又可以屏蔽低频磁场。但此时必须在线圈截面方向开一条1mm宽的缝，这样做是使磁阻变大，屏蔽壳不形成环路，避免被测电流的磁场集中在屏蔽壳体上而无法进入到线圈中去。屏蔽壳体材料也可以采用铜或铝材，这样因其导磁率高而不必在线圈横截面方向开缝隙。本文采用铝制的屏蔽壳体包覆线圈，分别将半环形线圈装在与之对应的半环形的金属屏蔽盒内，最终形成一个可分裂式圆环结构。
Claims (1)
1.一种高频电流局部放电信号采集传感器，其特征在于：载流导线（3）穿过罗氏线圈，在线圈（1）上感应出电压电流，电压电流经过电阻将电流转换为电压；线圈（1）围着磁芯（4）缠绕，再引出经积分电阻（2）接地；另一端接调理电路的模拟量输入端；其电路连接是：M是线圈的互感，Ls是线圈的自感，Rs是线圈的等效电阻，Cs是线圈的等效杂散电容，R是线圈的积分电阻；一次侧电流经过电流互感器变换到二次侧，二次侧通过电感Ls、电阻Rs、积分电阻R串联起来，线圈的等效杂散电容Cs并联在积分电阻R两端。
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| CN201420605602.5U CN204287389U (zh) | 2014-10-20 | 2014-10-20 | 高频电流局部放电信号采集传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN (1) | CN204287389U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106124950A (zh) * | 2016-08-30 | 2016-11-16 | 合肥智博电气有限公司 | 高压输电电缆在线检测装置 |
| CN113655261A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-11-16 | 南通大学 | 一种新型嵌套式微电流互感器及其使用方法 |
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2014
- 2014-10-20 CN CN201420605602.5U patent/CN204287389U/zh not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
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Granted publication date: 20150422 |