CN204347109U - 一种开启式故障暂态电流传感器 - Google Patents

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刘西营
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刘仰安
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周强
宋维庭
吕修峰
高勇
杨鹏
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Abstract

本实用新型公开了一种开启式故障暂态电流传感器，其包括：第一半环体，导线从第一半环体的首端按照第一绕线方向缠绕至其尾端后，再从第一半环体的尾端按照第一绕线方向缠绕回其首端；第二半环体，第一半环体的首端和第二半环体的首端拼接，第一半环体的尾端和第二半环体的尾端拼接以形成一完整的圆环；导线从第二半环体的首端按照与第一绕线方向相反的第二绕线方向缠绕至其尾端后，再从第二半环体的尾端按照第二绕线方向缠绕回其首端；所述第一半环体和第二半环体上缠绕的导线均具有缠绕的起点端和终点端，两所述终点端相互连接，两所述起点端为输出端。本实用新型所述的开启式故障暂态电流传感器安装方便，并且消除了垂直方向干扰磁场的影响。

Description

一种开启式故障暂态电流传感器
技术领域
本实用新型涉及输电线路故障检测领域，具体为一种暂态电流传感器。
背景技术
输电线路故障暂态电流行波包含大量的故障信息，是输电线路故障诊断的基础。目前故障电流传感器普遍采用柔性线圈，其缺点是价格昂贵，并且安装困难。PCB罗氏线圈(印刷电路板制罗氏线圈)具有体积小、重量轻、准确度高等优良特性，近年来得到了大量的应用，但是针对输电线路故障电流检测领域，目前还没有合适的解决方案。
PCB罗氏线圈在故障电流检测领域的问题主要集中在如何抗干扰。在实际应用中，由于处于电力线路上，除邻相导线外，所在空间可能存在其他干扰磁场。其他干扰源产生的磁场可分解为与PCB罗氏线圈骨架所在的平面相平行的分量，以及相垂直的分量BZ。平行分量对PCB罗氏线圈的影响与邻相导线的影响同理，积分下来结果均为0，因此只需考虑垂直方向的磁场BZ的影响，如图1所示。
BZ与PCB罗氏线圈的每个小线匝所在的截面平行，因而在小线匝中不会产生对应的感应电动势，但小线匝在整个线圈骨架上螺旋密绕，形成了一个类似于环形螺线管螺旋式地沿骨架的环形前进，环绕一周后，形成了一个沿环绕方向的等效大线匝，如图2所示。
由于BZ与大线匝所在的平面垂直，当BZ随时间变化时，穿过大线匝的磁通量随之变化并在PCB罗氏线圈内产生感应电动势eZ。虽然大线匝仅有一匝，但大线匝的面积通常远大于小线匝的截面积，即使垂直方向的干扰磁场的磁感应强度与待测导体产生的磁感应强度相近，也会给测量结果带来显著的误差。因此在实际使用中需考虑在PCB罗氏线圈上添加回线L来避免垂直方向磁场BZ的干扰，回线L所处平面平行于PCB罗氏线圈骨架所在的平面，如图3所示。
如图4所示，记回线围成的圆的半径为R回，大线匝的等效半径Req，BZ在回线中产生的感应电动势为e回，最终输出的感应电动势为e′Z，则e′Z等于e回与eZ之和。若R回等于Req，由于回线中电流方向和等效大线匝的电流方向相反，则e回与eZ大小相等，方向相反，二者相互抵消，e′Z为零。
但是由于在实际使用中考虑装置安装的便利性，需采用双半圆环合成整个线圈的结构设计，上述方案的结构不方便设置整个大线匝的回线。
公开号为CN102445588A，公开日为2012年5月9号，名称为“基于PCB型罗氏线圈的短时缓变大电流测量装置”的中国专利文献提出采用对称布线和设置回线的方式消除电磁干扰，由于其回线与线圈不是严格抵消，因此干扰信号依然可以进入到罗氏线圈。
文献“PCB型Rogowski线圈(罗氏线圈)的误差分析”提出将两个导线绕向相反的线圈进行串联,实现普通空心线圈中的回线功能,同时可以增大线圈输出电压，但是线圈距离越近,自感和杂散电容也就会越大,也会影响到线圈的精度和频率响应。
公开号为CN201465698U，公开日为2010年5月12号，名称为“一种高精度开口式罗氏线圈”的中国专利文献提出用四个半圆分别组成两个方向相反的半圆线圈实现开启式互感器，同时实现回线，上述方法解决了安装的问题但是两个镜面半圆是松耦合，并不能实现严格意义上的抵消，因此对干扰信号的屏蔽作用有限，同时实现较为复杂。
实用新型内容
为了克服上述现有技术中的不足，本实用新型提供了一种开启式故障暂态电流传感器，该开启式故障暂态电流传感器安装方便，采样精度高，线性度好，抗干扰能力强。
基于上述目的，本实用新型提供了一种开启式故障暂态电流传感器，其包括：
第一半环体，其沿环形延伸的方向具有首端和尾端；所述第一半环体上缠绕有导线，所述导线从第一半环体的首端按照第一绕线方向缠绕至其尾端后，再从第一半环体的尾端按照第一绕线方向缠绕回其首端；
第二半环体，其沿环形延伸的方向具有首端和尾端，所述第一半环体的首端和第二半环体的首端拼接，所述第一半环体的尾端和第二半环体的尾端拼接以形成一完整的圆环；所述第二半环体上缠绕有导线，所述导线从第二半环体的首端按照与第一绕线方向相反的第二绕线方向缠绕至其尾端后，再从第二半环体的尾端按照第二绕线方向缠绕回其首端；
所述第一半环体和第二半环体上缠绕的导线均具有缠绕的起点端和终点端，两所述终点端相互连接，两所述起点端为输出端。
本实用新型所述的开启式故障暂态电流传感器，其通过设置可拼接成整个圆环的第一半环体和第二半环体作为线圈的骨架，安装时先开启圆环，将待测线路套进圆环中孔，再关闭圆环，从而方便了安装使用。本技术方案以导线从第一半环体和第二半环体的首端顺绕至尾端(后文简称为“顺绕”)再从尾端绕回首端(后文简称为“回绕”)的方式，将回绕线圈的等效大线匝替代现有技术中带回线的罗氏线圈的回线，从而起到与之相同的抵消顺绕线圈的等效大线匝产生的感应电动势的作用，从而消除了垂直方向干扰磁场的影响。本实用新型所述的开启式故障暂态电流传感器可以是PCB罗氏线圈，且作为一种罗氏线圈，通常配合积分器使用。
进一步地，在本实用新型所述的开启式故障暂态电流传感器中，所述第一半环体和第二半环体上均设有至少两排外环过孔和至少两排内环过孔，所述外环过孔靠近第一半环体和第二半环体的外边缘设置，所述内环过孔靠近第一半环体和第二半环体的内边缘设置，所述导线通过外环过孔和内环过孔缠绕于所述第一半环体和第二半环体上。
上述方案中，若本实用新型所述的开启式故障暂态电流传感器是PCB罗氏线圈，则所述第一半环体和第二半环体为印刷电路板，所述过孔本身是导体，过孔与过孔之间的印刷线路代替所述导线共同构成线匝。
更进一步地，在上述开启式故障暂态电流传感器中，所述每一排外环过孔和每一排内环过孔的各过孔在所述圆环的周向方向上均布。
更进一步地，在上述开启式故障暂态电流传感器中，所述外环过孔包括设置为第M排外环过孔和第N排外环过孔的两排外环过孔，所述内环过孔包括三排；所述导线在从首端缠绕到尾端的路径上通过第M排外环过孔和内环过孔，所述导线在从尾端缠绕回首端的路径上通过第N排外环过孔和内环过孔。
更进一步地，在上述开启式故障暂态电流传感器中，所述第N排外环过孔在所述圆环的径向方向上设于第M排外环过孔的外侧。
更进一步地，在上述开启式故障暂态电流传感器中，所述三排内环过孔包括在所述圆环的径向方向上从内向外依次设置的第A排内环过孔、第B排内环过孔和第C排内环过孔；所述导线在从首端缠绕到尾端的路径上将第M排外环过孔与第A排内环过孔、第C排内环过孔和第B排内环过孔依次循环连接，所述导线在从尾端缠绕回首端的路径上将第N排外环过孔与第C排内环过孔、第A排内环过孔和第B排内环过孔依次循环连接。
上述方案增大了过孔排列分布空间，降低了加工难度，同时也巧妙地保证了顺绕线圈和回绕线圈结构的等效大线匝半径的一致性，做到了对干扰磁场产生的电动势的严格抵消，保证了良好的抗干扰能力。
更进一步地，在上述开启式故障暂态电流传感器中，所述每一排外环过孔中外环过孔的数量设置为58个，每一排内环过孔中的内环过孔数量设置为39个。
本实用新型所述的开启式故障暂态电流传感器，具有下述有益效果：
1)由于其第一半环体和第二半环体可开启和闭合，安装时，先开启圆环，将待测线路套进圆环中孔，再关闭圆环，使得安装非常方便；
2)由于顺绕线圈和回绕线圈结构的等效大线匝半径的一致性，做到了对干扰磁场产生的电动势的严格抵消，保证了良好的抗干扰能力；
3)当采用PCB罗氏线圈时，具有更高的采样精度和更好的线性度。
附图说明
图1为现有的罗氏线圈在一种实施方式下的结构示意图。
图2为图1的等效大线匝示意图。
图3为现有的带回线的罗氏线圈在一种实施方式下的结构示意图。
图4为图3的等效大线匝示意图。
图5为本实用新型所述的开启式故障暂态电流传感器在一种实施方式下的结构示意图。
图6为本实用新型在一种实施方式下的第一半环体上过孔所在位置示意图。
图7为图5的等效大线匝示意图。
图8为本实施例的线性度测试方案结构示意图。
图9为本实施例的线性度测试方案下的一种输入输出波形图。
图10为本实施例的线性度测试方案下等效输入0-12000A的输出曲线图。
图11为本实施例的邻相导线干扰测试方案结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例对本实用新型所述的开启式故障暂态电流传感器进行进一步地详细说明。
图5显示了本实用新型所述的开启式故障暂态电流传感器在一种实施方式下的结构。
如图5所示，本实施例的开启式故障暂态电流传感器为双半圈(顺绕和回绕半圈)PCB罗氏线圈，其包括：作为印刷电路板的第一半环体和第二半环体，其上具有若干穿过印刷电路板的过孔，过孔为导体，过孔之间有印制导线按照一定规则连接，过孔与印制导线共同构成线圈线匝。其中，第一半环体具有首端H和尾端E，第二半环体具有首端H’和尾端E’，第一半环体的首端H和第二半环体的首端H’拼接，第一半环体的尾端E和第二半环体的尾端E’拼接以形成一完整的圆环。
具体地，过孔的分布位置请继续参考图5，并结合参考图6，以第一半环体为例，其外边缘一侧设置两排过孔，内边缘一侧设置三排过孔，由外向内分别为N排、M排、C排、B排以及A排，各排过孔的与圆心的距离分别为RN、RM、RC、RB、RA。第一半环体的首端H有线匝的起点过孔X和终点过孔Y；N排和M排各有58个过孔，以相等的弧度间隔π/58在第一半环体的周向上均匀分布；C排、B排及A排各有39个过孔，以相等的弧度间隔π/39在第一半环体的周向上均匀分布。
具体地，过孔与印制导线的连接请继续参考图5，正面的连接使用实线表征，背面的连接使用虚线表征，空心圆点表示顺绕路径上的过孔，实心圆点表示回绕路径上的过孔。以第一半环体为例，给过孔标号为Np、Mp、Cq、Bq、Aq，其中第一个字母代表过孔所在排，第二个字母代表过孔从首端H至尾端E的顺序号，其中，p的范围为1到58，q的范围为1到39，顺绕的路径为X-A1-M1-C1-M2-B2-M3-A3-M4-C3…，即M排过孔通过印制导线依次与A排、C排、B排循环连接，直到正面M58与C39相连，顺绕路径结束；C39在背面与N58相连，由N58开始回绕，回绕的路径为N58-B39-N57-C38-N56-A38…，即N排过孔通过印制导线依次与C排、A排、B排过孔循环连接，直到B1连接至Y后回绕结束。其中，正面N排与C、A、B排连接时，先沿一段小圆弧从M排外侧跨过；反面M排与A、C、B排连接时，也沿一段小圆弧从N排外侧跨过，正反面的圆弧半径相等，总跨度相等。
以上是以第一半环体为例说明本实施例的结构，实际上第二半环体和第一半环体结构相同，只是拼接时与第一半环体相对放置。测量时将第一半环体的Y过孔与第二半环体的Y’过孔导通连接，第一半环体的X过孔和第二半环体的X’过孔作为输出端。
本实施例的等效大线匝如图7所示，垂直方向的干扰磁场BZ在顺绕等效大线匝L顺与回绕等效大线匝L回中产生大小相同方向相反的感应电动势，二者相互抵消，输出e′Z为零，从而消除了垂直方向干扰磁场的影响。图中所示的顺绕等效大线匝L顺与回绕等效大线匝L回半径的不同仅用于将二者区别开来，实际由于本实施例中各段小圆弧半径相等，顺绕等效大线匝L顺与回绕等效大线匝L回的半径可以认为是相等的。
下面通过实验测试本实施例的开启式故障暂态电流传感器的性能和实施效果。
首先，按图8所示测试方案对本实施例的开启式故障暂态电流传感器的线性度进行测试。冲击电流发生器可以产生幅值不大于2500A的冲击电流，输出连接一根耐压水平高的导线1穿过本实施例的线圈2。为了获得准确的线性度测试结果，本测试所测电流范围须较大，因此采用冲击电流发生器的输出导线缠绕五圈的方法，使得实际感应出通过线圈的磁场扩大五倍，即相当于冲击电流发生器输出0-12000A范围的等效冲击电流。本实施例的线圈输出接到调理电路上，调理电路为S1型精密积分器，由电压为7.72V的锂电池供电，调理电路有良好的恢复原波形的功能。将冲击电流发生器输出和调理电路输出分别接到DPO5204数字示波器的CH1和CH2，对比观察波形。当冲击电流发生器输出2032A时的输入输出波形见图9，可见输入输出波形基本一致。
表1为冲击电流发生器输出0-12000A范围的等效冲击电流下的输出数据和拟合数据，图10为表1的输出数据图和拟合曲线图，可以看出输入输出具有很好的线性度。
表1 线性度测试结果
序号 等效电流(A) CH2峰峰值(V) 拟合电压(V) 残差(V)
1 1160 2.02 1.76 0.26
2 2280 4.12 3.92 0.20
3 3400 6.00 6.07 -0.07
4 4580 8.24 8.35 -0.11
5 5720 10.1 10.54 -0.44
6 6880 12.5 12.78 -0.28
7 8020 14.8 14.97 -0.17
8 9120 17.4 17.09 0.31
9 10160 19.4 19.09 0.31
10 11160 21 21.02 -0.02
记输入电流为I(KA)，输出电压为U(V)，可得拟合关系为
U＝1.92602I-0.47575
该数据拟合的相关系数为0.99992，表明输出电压与原边电流间存在很好的线性相关性质。最大非线性误差为可见本实施例的开启式故障暂态电流传感器的在量程内线性度良好，非线性误差较小。
其次，按图11所示测试方案对本实施例的开启式故障暂态电流传感器的邻相导线干扰进行测试。使用冲击电流发生器产生幅值为2310A的冲击电流，并将通过冲击电流的导线拉直伸长，来模拟实际线路中的邻相导线。本实施例的开启式故障暂态电流传感器的线圈不套接任何导线，输出接调理电路。将冲击电流发生器输出和调理电路输出分别接到DPO5204数字示波器的CH1和CH2，控制导线与线圈的距离dAB为3cm和6cm，以及改变线圈和导线的相对方向，测得数据如表2。
表2 邻相导线干扰测试
CH1峰峰值V 94.4 94.4 91.2 91.2 96 96
CH2峰峰值mV 220 220 140 140 120 160
误差％ 0.233 0.233 0.153 0.153 0.125 0.167
从表2可以得出，当干扰源离本实施例的开启式故障暂态电流传感器的线圈距离很近，且输入很大时，输出也极为微弱，且变化极小，说明本实施例的开启式故障暂态电流传感器具有良好的抗干扰性能。
最后，为了测试垂直方向导线对本实施例的开启式故障暂态电流传感器的影响，使用冲击电流发生器产生干扰电流，并将传导干扰电流的导线缠绕在圆柱体上形成螺线管，产生垂直水平面的均匀分布的磁场。本实施例的开启式故障暂态电流传感器的线圈不套接任何电流。
冲击电流发生器产生的冲击电流设定三个值：1030A,1565A,2020A，分别将线圈垂直和平行磁场摆放，测量调理电路输出。测试结果如表3。
表3垂直方向磁场干扰测试结果
根据表3，考虑高频量测量的难度、仪器固有误差以及实际测量过程中屏蔽不够完全，存在一定的误差耦合，可以得出本实施例的开启式故障暂态电流传感器对外界磁场具有良好的抗干扰性能。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种开启式故障暂态电流传感器，其特征在于，包括：
第一半环体，其沿环形延伸的方向具有首端和尾端；所述第一半环体上缠绕有导线，所述导线从第一半环体的首端按照第一绕线方向缠绕至其尾端后，再从第一半环体的尾端按照第一绕线方向缠绕回其首端；
第二半环体，其沿环形延伸的方向具有首端和尾端，所述第一半环体的首端和第二半环体的首端拼接，所述第一半环体的尾端和第二半环体的尾端拼接以形成一完整的圆环；所述第二半环体上缠绕有导线，所述导线从第二半环体的首端按照与第一绕线方向相反的第二绕线方向缠绕至其尾端后，再从第二半环体的尾端按照第二绕线方向缠绕回其首端；
所述第一半环体和第二半环体上缠绕的导线均具有缠绕的起点端和终点端，两所述终点端相互连接，两所述起点端为输出端。
2.根据权利要求1所述的开启式故障暂态电流传感器，其特征在于：所述第一半环体和第二半环体上均设有至少两排外环过孔和至少两排内环过孔，所述外环过孔靠近第一半环体和第二半环体的外边缘设置，所述内环过孔靠近第一半环体和第二半环体的内边缘设置，所述导线通过外环过孔和内环过孔缠绕于所述第一半环体和第二半环体上。
3.根据权利要求2所述的开启式故障暂态电流传感器，其特征在于：所述每一排外环过孔和每一排内环过孔的各过孔在所述圆环的周向方向上均布。
4.根据权利要求2或3所述的开启式故障暂态电流传感器，其特征在于：所述外环过孔包括设置为第M排外环过孔和第N排外环过孔的两排外环过孔，所述内环过孔包括三排；所述导线在从首端缠绕到尾端的路径上通过第M排外环过孔和内环过孔，所述导线在从尾端缠绕回首端的路径上通过第N排外环过孔和内环过孔。
5.根据权利要求4所述的开启式故障暂态电流传感器，其特征在于：所述第N排外环过孔在所述圆环的径向方向上设于第M排外环过孔的外侧。
6.根据权利要求5所述的开启式故障暂态电流传感器，其特征在于：所述三排内环过孔包括在所述圆环的径向方向上从内向外依次设置的第A排内环过孔、第B排内环过孔和第C排内环过孔；所述导线在从首端缠绕到尾端的路径上将第M排外环过孔与第A排内环过孔、第C排内环过孔和第B排内环过孔依次循环连接，所述导线在从尾端缠绕回首端的路径上将第N排外环过孔与第C排内环过孔、第A排内环过孔和第B排内环过孔依次循环连接。
7.根据权利要求6所述的开启式故障暂态电流传感器，其特征在于：所述每一排外环过孔中外环过孔的数量设置为58个，每一排内环过孔中的内环过孔数量设置为39个。
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