CN206038762U - 一种电子互感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电子互感器，包括：信号采集装置和信号处理装置；其中，所述信号采集装置，用于采集待测线路的电流信号，并将所述电流信号转换为自身的感应电势；所述信号处理装置，用于对所述感应电势进行信号处理，以得到能够满足预设应用需求的所述待测线路的电流信号和/或电压信号。本实用新型的方案，可以克服现有技术中测量范围小、操作过程复杂和抗干扰能力弱等缺陷，实现测量范围大、操作过程简单和抗干扰能力强的有益效果。
Description
技术领域
本实用新型属于电力测量技术领域，具体涉及一种电子互感器，尤其涉及一种用于故障指示器全范围电流测量的电子互感器。
背景技术
传统的故障指示器采用的电子互感器，由卡线6、铁芯7和常规绕线线圈8构成(参加图1所示的例子)。这种结构的互感器受实际线路导线线径(即安装位置)影响大，其次卡线受高低温影响膨胀不同，导致铁芯闭合变化，影响测量精度；同时一致性差、线性度差的特点也对生产和测试人员造成不小的麻烦；受铁芯磁饱和的影响，测量范围较小，线圈匝数也会依据测量需求进行更换。
一旦测试环境发生变化，很多已经调整好的参数、系数可能就不再可靠。当用户需求变动时需要对物料进行大的变动来需求。以上种种都无形增加了生产成本、硬件成本、维护成本等。
现有技术中，存在测量范围小、操作过程复杂和抗干扰能力弱等缺陷。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，针对上述缺陷，提供一种电子互感器，以解决现有技术中操作过程复杂的问题，达到简化操作过程的效果。
本实用新型提供一种电子互感器，包括：信号采集装置和信号处理装置；其中，所述信号采集装置，用于采集待测线路的电流信号，并将所述电流信号转换为自身的感应电势；所述信号处理装置，用于对所述感应电势进行信号处理，以得到能够满足预设应用需求的所述待测线路的电流信号和/或电压信号。
可选地，所述信号采集装置，包括：基于差分布线的4层PCB罗氏线圈的电流感应器；所述电流感应区，用于采集待测线路的电流信号，并根据法拉第电磁感应定律，确定所述电流信号与自身的感应电势的微分关系，以将所述电流信号转换为自身的感应电势。
可选地，所述电流感应器，包括：4块半环形4层PCB罗氏线圈；其中，所述4块半环形4层PCB罗氏线圈，包括：2组对称线圈；每组对称线圈包括：2个走线完全对称的4层PCB线圈。
可选地，每个所述4层PCB线圈的内层平面，包括：第一内层板和第二内层板；所述第一内层板和所述第二内层板之间的绕线方向相反；所述2组线圈通过每组对称线圈内层平面的绕线末端串联，每组对称线圈内层平面的绕线始端为信号连接端。
可选地，每个所述4层PCB线圈，包括：59组差分布线的PCB线圈；每组PCB线圈，1对差分布线的线圈；该线圈包括：2对通孔、线路板顶层铜走线层的2条平行走线、线路板底层的丝印层的2条平行走线；其中，所述线路板顶层铜走线层的2条平行走线、所述线路板底层的丝印层的2条平行走线的延长线，不经过该组PCB线圈所属的半环形4层PCB罗氏线圈的公共圆心，并分别与靠近该圆心的半径为r的圆的两侧相切；所述半径r为所述通孔的半径。
可选地，每个所述4层PCB线圈中，每组平行的差分59组PCB线圈之间均匀分布，相角相同；和/或，在每组PCB线圈中，通过双面由内外径均匀密布的所述通孔直连构成双匝线圈。
可选地，所述信号处理装置，包括：积分电路和同相放大电路；其中，所述积分电路，用于基于所述电流信号与自身的感应电势的微分关系，进行积分处理，以将所述信号采集装置采集得到的感应电势还原为所述电流信号；和/或，所述同相放大电路，用于基于所述预设应用需求，对所述电流信号进行适配地放大或缩小处理，以得到所述电流信号。
可选地，所述积分电路，包括：模拟积分器；和/或，所述同相放大电路，包括：双通道运算放大器。
可选地，所述信号处理装置，还包括：滤波电路和信号输出电路的至少之一；其中，所述滤波电路，用于对所述信号采集装置采集所得所述感应电势进行滤波处理后，输出至所述积分电路；和/或，所述信号输出电路，用于对所述同相放大电路得到的所述电流信号进行输出、和/或将所述电流信号转换为所需所述电压信号进行输出。
可选地，所述滤波电路，包括：阻容滤波器；和/或，所述信号输出电路，包括：单片机AD采样I/O端口。
由此，本实用新型的方案，通过感应待测线路的电流信号并对该电流信号进行信号处理，解决现有技术中操作过程复杂的问题，从而，克服现有技术中测量范围小、操作过程复杂和抗干扰能力弱的缺陷，实现测量范围大、操作过程简单和抗干扰能力强的有益效果。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为现有的故障指示器电流测量装置的结构示意图；
图2为本实用新型的电子互感器的一实施例的结构示意图；
图3为本实用新型的电子互感器的一实施例的工作原理示意图；
图4为本实用新型的电子互感器中4层PCB罗氏线圈的一实施例的结构示意图。
结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下：
1-PCB罗氏线圈；2-滤波电路；3-积分电路；4-同相放大电路；5-单片机AD采样I/O端口；6-卡线；7-铁芯；8-常规绕线线圈；9-第一内层平面；10-第二内层平面；11-顶层、底层重叠部分。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在电子式电流互感器领域，PCB罗氏线圈因为比普通线圈具有更好的线性度、更优异的温度特性、更小的位置误差、更高的准确度、更好的一致性、更小的结构误差(体现为更高的容错率)、无磁饱和现象、测量范围更宽等诸多优良特性，得到了广泛的关注。若将PCB罗氏线圈应用于技术要求更高的故障指示器，可以提升测量范围。
根据本实用新型的实施例，提供了一种电子互感器。该电子互感器可以包括：信号采集装置和信号处理装置。
在一个可选实施方式中，参见图2至图4所示的例子，在该电子互感器中，信号采集装置可以包括：4层PCB罗氏线圈(例如：PCB罗氏线圈1)；信号处理装置可以包括：滤波电路(例如：滤波电路2)、积分电路(例如：积分电路3)、同相放大电路(例如：同相放大电路4)和信号输出电路(例如：单片机AD采样I/O端口5)。
可选地，4层PCB罗氏线圈输出信号至滤波电路，滤波电路输出信号到积分电路，积分电路输出信号至同相放大电路，同相放大电路输出信号至单片机AD采样端口(例如：单片机AD采样I/O端口5)。
例如：4层PCB罗氏线圈的输出端与滤波电路的输入端连接。
例如：所述滤波电路的第一输出端与积分电路的第一输入端连接；滤波电路第二输出端与积分电路的第二输入端连接；滤波电路的第三输出端与同相放大电路的第二输入端连接。
例如：所述积分电路的输出端与同相放大电路的第一输入端连接。
例如：所述同相放大电路的输出端与单片机AD采样I/O端口连接。
在一个可选例子中，4层PCB罗氏线圈负责采集线路电流信号，转化为线圈的感应电势；由于根据法拉第电磁感应定律，可以推导出线圈的感应电势与被测电流成微分关系，因此，需要通过积分电路的积分环节；然后，再通过同相放大电路将输出电压转换成与被测电流i(t)的同相关系。
在一个可选具体例子中，所述积分电路能够对线圈感应电势信号高准确度的还原。
在一个可选具体例子中，基于差分布线的4层PCB罗氏线圈的电流感应器，可以包括：第一PCB板(例如：图3中左侧部分)和第二PCB板(例如：图3中右侧部分)。
可选地，所述第一PCB板，可以由59组差分布线(例如：差分布线，可以是指两条走线在布线过程中等间距、等长)的PCB线圈组成。其中，每组线圈都是差分布线，通过2对通孔、线路板顶层铜走线层(即Top Layer)的2条平行的走线、线路板底层的丝印层(即BottomLayer)的2条平行的走线构成1对差分布线的线圈。
其中，线路板顶层铜走线层(即Top Layer)和线路板底层的丝印层(即BottomLayer)的两组平行走线的延长线的最终走线，不经过环形PCB板的公共的圆心，并分别与该圆心附近半径为r大小的圆的两侧相切。
例如：半径r大小与通孔的半径相同。
可选地，由于罗氏线圈和载流导体的理想相对位置是载流导体垂直于线圈平面且穿过线圈中心。由于制造、安装以及振动等原因使载流导体偏离理想位置而引起输出信号的相对误差称为线圈的位置误差。位置误差会降低线圈电流测量的准确度。例如：通常的位置误差主要有以下两种形式：
⑴偏心位置误差(载流导体垂直于线圈平面，但不位于线圈中心)；
⑵倾斜位置误差(载流导体和线圈平面不垂直，具有一定夹角)。
例如：如果线匝均匀连续分布，矩形截面线圈宽度和载流导体偏心度的大小不会造成偏心位置误差。因此每组平行的差分59组PCB线圈之间均匀分布，相角相同，有效减少因实际应用环境不同、操作人员安装方式不同等引起的位置误差影响电流测量。
例如：所述4层PCB罗氏线圈由双面由内外径均匀密布的导孔直连构成的双匝线圈，使矩形截面线圈宽度和载流导体偏心度的大小不会造成偏心位置误差。
可见，所述4层PCB罗氏线圈采用差分布线，差分信号严格对称，大大延长了连接PCB线圈的距离，大大提高了信噪比。
可选地，所述4层PCB罗氏线圈4层板在第一内层板(即第一InternalPlane)和第二内层板(即第二Internal Plane)的S形回线(例如：蛇形回线)设计，可以有效抵消垂直磁场干扰，确保互感稳定。其中，第一Internal Plane和第二Internal Plane是PCB板的内层平面，主要用于电源和地线。
例如：所述4层PCB罗氏线圈，在PCB 4层板的第一Internal Plane和第二InternalPlane采用了与绕线方向相反的蛇形回线，有效消除垂直于线圈平面的磁场干扰。
在一个可选具体例子中，4层PCB罗氏线圈，可以由4块半环形4层PCB罗氏线圈构成。4块半环形4层PCB罗氏线圈可以分为2组，每组有2个走线完全对称的PCB线圈，称为1号线圈(例如：第一PCB板)和2号线圈(例如：第二PCB板)。
可选地，所述4层PCB罗氏线圈，在PCB 4层板的第一Internal Plane和第二Internal Plane采用了与绕线方向相反的蛇形回线，以消除垂直于线圈平面的磁场干扰。
可选地，所述4层PCB罗氏线圈，1号线圈和2号线圈通过第一Internal Plane和第二Internal Plane两条蛇形回线的末端串联，分别在蛇形回线的前端引出两条输出信号与滤波电路的输入端连接。
可选地，所述4层PCB罗氏线圈，由双面内外径均匀密布的导孔直连构成的差分双匝线圈，使矩形截面线圈宽度和载流导体偏心度的大小不会造成偏心位置误差。
例如：参见图3所示的例子，4层PCB罗氏线圈，包括：第一内层平面9，由顶层走线构成；第二内层平面10，由底层走线构成。其中，顶层、底层走线平行位置重叠(例如：顶层、底层重叠部分11)。
例如：所述4层PCB罗氏线圈输入端与第一电阻R2连接；所述第一电阻R2输出端与第一滤波电容C4、第二滤波电容C2连接；所述第二滤波电容C2输出端与第二电阻R4连接、与积分电路第一输入端双通道运放A通道U1A正极输入端连接；所述第一滤波电容C4的输出端与第二电阻R4输出端连接、与同相放大电路的第二输入端双通道运放B通道U1B的正极输入端连接。
由此，差分布线且增加回线的4层PCB罗氏线圈互感设计值与实际值误差在1％以内，垂直于被测导线的干扰载流导体对线圈互感影响作用小于1％，都充分证明了采用差分布线、均匀分布、增加回线设计的4层PCB罗氏线圈具有很好的抗干扰性。
在一个可选例子中，如图4所示的模拟电路部分(例如：信号处理装置)，可以包括滤波电路、积分电路、同相放大电路。4层PCB罗氏线圈的输出信号输入到滤波电路，滤波电路输出到积分电路，积分电路输出到同相放大电路，同相放大电路输出到单片机AD采样。
在一个可选具体例子中，积分电路可以采用积分器。积分器输出幅度变化近似反比与频率变化，当频率很小时，增益可能是工频信号的很多倍，会严重影响电流测量的可靠性。
可选地，所述积分电路用于还原4层PCB罗氏线圈输出的微分信号。积分器实现形式可分为模拟积分器和数字积分器两类。数字积分器的积分精度主要由积分算法决定，受温漂、时漂和电磁干扰影响小，但频带较窄，主要适宜于长期测量工频信号的场合。故障指示器一般情况下测量电流频率均为工频信号，但是当线路发生接地故障等其他会产生高频信号的情况出现时，高频信号对故障判断有着重要作用。这种情况下模拟积分器的频带较宽的特点决定其更适合。但模拟积分器需要考虑积分精度和稳定性问题。为提高积分精度，积分器应具有较低的上限截止频率；当前低通滤波截止频率F为4KHz，受限于信号采集的最大频率。当然可以依据使用需求的不同对低通滤波电路进行调整。
例如：同时为解决积分漂移问题，模拟积分器通常采用改进积分器。
例如：积分电路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第五电容C5、第六电容C6、第三电容C3、运算放大器A通道U1A。
例如：所述积分电路的第二输入端与第五电阻R5连接；所述第五电阻R5的输出端与第五电容C5连接、与双通道运放A通道U1A的负极输入端连接、与第六电阻R6连接、与第六电容C6连接；所述第六电阻R6的输出端与第六电容C6的输出端连接、与双通道运放A通道U1A的输出端连接、与第三电容C3连接；所述第三电容C3的输出端与同相放大电路的第一输入端连接
在一个可选具体例子中，滤波电路也是必不可少的。滤波电路的滤波范围一般介于50Hz～2.5KHz之间，依据不同的应用环境也可以调整带通范围。
例如：所述滤波电路有效过滤低于工频的无效低频信号，减少由于积分器输出幅度变化近似反比与频率变化的特性导致的干扰。
可选地，所述的滤波电路由带通滤波构成。实际上是由一阶低通滤波和一阶高通滤波组成。积分器的上限截止频率越低，构成积分器的阻容元件的数值就越大，这不仅影响到积分器的温度特性，而且大大增加了积分器的低频噪声，从而降低了电流测量的准确度。高通滤波可以有效抑制低于工频信号的低频噪声，保证测量准度。
例如：滤波电路可以包括第二电阻R2、第四电容C4、第四电阻R4、第二电容C2。
在一个可选具体例子中，同相放大电路可以依据不同的应用需求，针对不同的供电系统、采样基准电压、电流采集范围都可以轻松应对。无论是5V、3.3V还是12V、24V等供电系统；1.5V、2.5V等基准电压；采集范围从0～600A，0～1200A，0～2000A等更大范围的电流测量，都可以通过简单修改放大比例来实现。
可选地，所述同相放大电路用于输出适合于不同的单片机采样基准、供电系统以及测量范围的电压信号。该电子互感器的使用对象可能由于用户的使用需求不同，配套不同的供电系统；采样基准的变化会影响采样信号饱和的范围；保持供电系统不变、基准电压等其他因素不变的前提：测量范围小、分辨率高，测量范围大，分辨率低；需求不同，输出电压范围不同，4层PCB罗氏线圈无饱和特性也决定了可以保证全范围测量的功能，但是对于实际应用需要依据不同的测量精度、分辨率和测量范围对积分电路输出信号进行合适的放大，以满足使用需求。
例如：所述同相放大电路，通过放大或缩小采样信号输出更适合单片机处理的电压信号。可以依据不同的电流测量需求、不同的供电系统，通过简单更换部分元器件使整个电子互感系统应用范围更广、容错率更低、生产更高效、维护更便捷。
例如：如图4所示的例子，运算放大器U1采用德州仪器公司的OPA23x9系列芯片；第二电阻为10R，第三电阻为2M，第二电容为11uF，第四电容为1uF。
例如：同相放大电路包括第三电阻R3、第一电阻R1、第一电容C1、运算放大器B通道U1B。
例如：所述同相放大电路的第一输入端与第三电阻R3连接；所述第三电阻R3的输出端与双通道运放B通道U1B的负极输入端连接、与第一电阻R1连接、与第一电容C1连接；所述第一电阻R1的输出端与第一电容C1的输出端连接、与双通道运放B通道U1B的输出端连接；所述双通道运放B通道U1B的输出端与单片机AD采样I/O端口连接。
可见，该用于故障指示器全范围电流测量的电子互感器，采用了差分布线的4层PCB罗氏线圈、可依据测量对象灵活调整的滤波电路、积分电路以及同相放大电路，具有受安装位置影响小、受温度影响小、测量精度高、线性度好、测量动态范围宽、无饱和等特点。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，依托PCB罗氏线圈的诸多优良特性，结合一些必要的电路处理，提出一种可用于故障指示器全范围电流测量的、高线性度、高性能、抗干扰更强、受温度影响小、受安装位置小、测试范围更宽的、稳定性更好的电子互感器。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种电子互感器，其特征在于，包括：信号采集装置和信号处理装置；其中，
所述信号采集装置，用于采集待测线路的电流信号，并将所述电流信号转换为自身的感应电势；
所述信号处理装置，用于对所述感应电势进行信号处理，以得到能够满足预设应用需求的所述待测线路的电流信号和/或电压信号。
2.根据权利要求1所述的电子互感器，其特征在于，所述信号采集装置，包括：基于差分布线的4层PCB罗氏线圈的电流感应器；
所述电流感应区，用于采集待测线路的电流信号，并根据法拉第电磁感应定律，确定所述电流信号与自身的感应电势的微分关系，以将所述电流信号转换为自身的感应电势。
3.根据权利要求2所述的电子互感器，其特征在于，所述电流感应器，包括：2块半环形PCB罗氏线圈；其中，
所述2块半环形PCB罗氏线圈，包括完全相同的上半环部分和下半环部分，两块环形线圈闭合组成环形的线圈整体；所述上半部分和下半部分均包括：第一线圈和第二线圈。
4.根据权利要求3所述的电子互感器，其特征在于所述第一线圈和所述第二线圈均为4层PCB线圈，两块线圈的绕线方向相反；
所述两块线圈通过PCB线圈末端的通孔连接。
5.根据权利要求3或4所述的电子互感器，其特征在于，所述4层PCB线圈，包含：线路板顶层59组差分布线的PCB绕线线圈、线路板底层59组差分布线的PCB绕线线圈、线路板内平面1的一条蛇形走线、线路板内平面2的一条蛇形走线；
所述线路板顶层59组差分布线的PCB绕线线圈和所述线路板底层59组差分布线的PCB绕线线圈包含：2对通孔、线路板顶层铜走线层的2条平行走线、线路板底层铜走线层的2条平行走线；其中，
所述线路板顶层铜走线层的2条平行走线、所述线路板底层铜走线层的2条平行走线的延长线，不经过该组PCB线圈所属的半环形4层PCB罗氏线圈的公共圆心，并分别与靠近该圆心的半径为r的圆的两侧相切；所述半径r为所述2对通孔的半径。
6.根据权利要求5所述的电子互感器，其特征在于，每个所述4层PCB线圈中，每组差分布线的PCB绕线线圈之间均匀分布，相角相同。
7.根据权利要求1-4之一所述的电子互感器，其特征在于，所述信号处理装置，包括：积分电路和同相放大电路；其中，
所述积分电路，用于基于所述电流信号与自身的感应电势的微分关系，进行积分处理，以将所述信号采集装置采集得到的感应电势还原为所述电流信号；和/或，
所述同相放大电路，用于基于所述预设应用需求，对所述电流信号进行适配地放大或缩小处理，以得到所述电流信号。
8.根据权利要求7所述的电子互感器，其特征在于，所述积分电路，包括：模拟积分器；
和/或，
所述同相放大电路，包括：双通道运算放大器。
9.根据权利要求7所述的电子互感器，其特征在于，所述信号处理装置，还包括：滤波电路和信号输出电路的至少之一；其中，
所述滤波电路，用于对所述信号采集装置采集所得所述感应电势进行滤波处理后，输出至所述积分电路；和/或，
所述信号输出电路，用于对所述同相放大电路输出的电压信号进行采集。
10.根据权利要求9所述的电子互感器，其特征在于，所述滤波电路，包括：阻容滤波器；
和/或，
所述信号输出电路，包括：单片机AD采样I/O端口。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109100558A (zh) * | 2018-06-06 | 2018-12-28 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种罗氏线圈及电流测量装置 |
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| CN109932669A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-06-25 | 三峡大学 | 一种数字补偿式amr磁场测量装置 |
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| CN113520521A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-10-22 | 江苏朴芃医疗科技有限公司 | 电流峰值检测装置、高压发生器及血管钙化治疗设备 |
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-
2016
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