专利名称：直导线pcb平面螺旋线圈一次电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子式电流互感器的一次电流传感器，特别涉及一种直导线PCB平面螺旋线圈一次电流传感器。
背景技术：
电子式电流互感器的一次电流传感器现有技术包括磁光效应型、Rogowski空心线圈型、Rogowski空心线圈PCB板型、螺旋管空心线圈型和PCB型空心线圈电流传感器。
磁光效应型电流传感器是利用光学材料的物理效应，如法拉第磁光效应进行电流测量，由于光学材料受环境温度和机械振动等因素的影响较大，国内外虽有样机挂网运行，但运行的稳定性和可靠性不高，而且价格昂贵，还有相角测量等许多关键技术没有得到解决，因此未能形成产品在电力系统推广应用。
Rogowski空心线圈电流传感器是将二次线圈绕制在非磁性材料圆形骨架上， 一次导线垂直穿过骨架正中々，目前国内外已形成产品应用。由于结构复杂、制作工艺要求高、抗电磁干扰技术有待提高，对小电流信号测量精度不高。
Rogowski空心线圈PCB板型电流传感器是将二次线圈制作在圆形PCB板上， 一次导线垂直穿过PCB板中心，同样存在Rogowski空心线圈电流传感器的技术难题，而且测量精度更低，抗干扰能力不强，目前还处于研究阶段。螺旋管空心线圈和PCB板空心线圈型电流传感器是本专利发明人的专利 技术， 一次线圈围绕部分二次线圈绕制成各种形状的一匝或多匝螺旋管，二 次线圈绕制4以上的偶数个螺旋线圈，制作工艺复杂，通过大电流时受电动 力的影响较大，二次线圈的抗干扰效果较好，精度较高，用作电表和微机保 护小电流传感器有优势，不适合用作大电流电子式电流互感器的一次电流传 感器，目前处在研制阶段。
因此，以上电子式电流互感器的一次电流传感器技术都存在一些不足。
发明内容
为解决现有电子式电流互感器的一次电流传感器技术存在的不足，本发 明提供一种结构简单、测量精度高、线性度好、无铁芯暂态特性好、抗电磁 干扰能力强的直导线PCB平面螺旋线圈一次电流传感器，可以用于大电流电 子式电流互感器的一次电流传感器。
本发明解决上述技术问题的方案是电流传感器的一次电流直导线根据
一次电流的大小设计成圆形或矩形截面直导线，设有两层或偶数多层PCB电 路板，每层设有4以上的偶数个相同的平面螺旋线圈，各螺旋线圈磁中心按 等边四边形或多边形对称布置，各螺旋线圈不能有交错重叠，两层对应位置 螺旋线圈通过中心点过孔联接，构成一个双层平面螺旋线圈。相邻位置的螺 旋线圈依次反极性串联，首末两个端头构成二次线圈输出端，使外部干扰电 磁场在两组平面螺旋线圈中感应信号方向相反而相互抵消，双层或多层PCB 板的各层平面螺旋线圈可以通过各层PCB板的过孔联接组成一个二次线圈， 多块双层或多层PCB板可以分成两部分串联组成一个二次线圈。
上述的直导线PCB型平面螺旋线圈一次电流传感器中，所述二次螺旋线圈为以磁中心向外均匀逐增的矩形、圆形或椭圆形中的任一种，每个平面螺 旋线圈过磁中心点有中心纵向轴线，且层与层之间相应的二次螺旋线圈共轴。
上述的直导线PCB平面螺旋线圈一次电流传感器中，多层PCB板叠装平 放在矩形直导线上或镶嵌在圆形与矩形截面中心轴线方向的契槽中，用螺栓 固定，而且一根矩形直导线上可叠装两个或多个不同层数的PCB平面螺旋线 圈一次电流传感器。
上述的直导线PCB板平面螺旋线圈电流传感器中PCB电路板的二次线圈 输出电压须接积分放大器以保证输出电压与一次电流同相位。
本发明的技术效果
一次电流线圈采用截面为圆形或矩形的直导线，PCB电路板采用4以上 偶数个平面螺旋线圈组成二次线圈，按一个边侧平面螺旋线圈插入一次直导 线中心轴线契槽中或平放在直导线上方或下方或两侧的方法组成电子式电流 互感器的一次电流传感器。其结构简单、制作工艺精细、便于批量生产、二 次电压对一次电流的测量精度高、线性度好、对外部电磁场的抗干扰能力强， 适合于特高压及以下各个电压等级的电子式电流互感器用作一次电流传感 器。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明直导线PCB型平面螺旋线圈一次电流传感器结构原理图。
图2为本发明实施例PCB上层平面螺旋线圈示意图。
图3为本发明实施例PCB下层平面螺旋线圈示意图。
图4为本发明相对附近大电流产生的干扰磁场无响应原理图。图5为本发明实施例PCB长方形平面螺旋线圈示意图。
具体实施例方式
参见图1，图中1是一次电流直导线，直导线截面可以是矩形或圆形，且-均有中心轴线；2为印有4个平面螺旋线圈的PCB板；3为PCB板与一次直 导线的紧固螺栓；4、 5、 6、 7为PCB板上层4个相同的平面螺旋线圈；8、 9、 10、 11为PCB板上层与下层4个平面螺旋线圈的磁中心连接过 L; 12为PCB 板二次线圈感应电势输出端；13为积分放大器；14为一次电流传感器的输出 电压端。 一次直导线1如果截面为圆形或矩形，沿中心轴线开长方形契槽， 要求契槽四面光滑平整，PCB板叠装后，将一个边侧平面螺旋线圈铺垫绝缘 薄膜后镶嵌在一次直导线契槽中，使直导线契槽上下边缘与该平面螺旋线圈 最外层靠近中间两平面螺旋线圈的边线重合，然后用螺栓紧固；如果一次电 流直导线截面为圆形或矩形截面而不便开契槽时，可以将PCB板铺垫绝缘薄 膜平放在直导线的上方或下方或两侧，使直导线中心轴线平面边缘与平面螺 旋线圈最外层靠近中间两平面螺旋线圈的边缘平行或重合，然后用螺栓紧固。
图2为平面螺旋线圈在PCB板上层的布置图，4、 5、 6、 7为印制在PCB 板上4个相同的平面螺旋线圈，8、 9、 10、 11为4个平面螺旋线圈磁中心点 的过孔，分别与PCB板下层4个相同对应平面螺旋线圈磁中心点的过孔重合 且相连接。各平面螺旋线圈围绕磁中心点由内向外均匀分布，相邻磁中心点 的连线为等边四边形，且各线圈之间不能有交错重叠，12为双层PCB平面螺 旋线圈电流传感器的感应电势输出端。
图3为平面螺旋线圈在PCB板下层的布置图，15、 16、 17、 18为4个平 面螺旋线圈，8、 9、 10、 11为PCB板下层4个平面螺旋线圈的磁中心点的过孔，与PCB上层4个相同对应平面螺旋线圈磁中心的过孔重合且相连接，各 平面螺旋线圈围绕磁中心点由内向外均匀分布，相邻磁中心点的连线为等边 四边形，且各线圈之间不能有交错重叠-。
图4中，19、 20、 21为以上所述的PCB平面螺旋线圈电流传感器附近的 通电导体。当导体19中通以交流电流时，产生干扰磁场，15与17因该干扰 磁场产生的感应电动势方向相同，16与18因该干扰磁场产生的感应电动势方 向相同，而15、 17与16、 18因该干扰磁场产生的感应电动势方向相反，又 直导线19中电流产生的是一个线形梯度磁场，那么15、 17因该干扰磁场产 生的感应电动势之和与16、 18因该干扰磁场产生的感应电动势之和大小相等， 方向相反，最终串接相互抵消；当导体21中通以交流电流时，产生干扰磁场， 16与18因该干扰磁场产生的感应电动势方向相同，15与17因该干扰磁场产 生的感应电动势方向相同，而15、 17与16、 18因该干扰磁场产生的感应电 动势方向相反，又直导线21中电流产生的是一个线形梯度磁场，那么15、 17 因该干扰磁场产生的感应电动势之和与16、 18因该干扰磁场产生的感应电动 势之和大小相等，方向相反，最终串接相互抵消；当导体20中通以交流电流 时，相对传感器产生干扰的交变磁场，而螺旋线圈16与17因该干扰磁场产 生的感应电动势大小相等、方向相反，同样15与18由此产生的感应电动势 大小相等、方向相反，那么15、 16因该干扰磁场产生的感应电动势之和与17、 18因该干扰磁场产生的感应电动势之和大小相等、方向相反，最终串接相互 抵消；同样，4、 5、 6、 7螺旋线圈因附近电流干扰产生的感应电动势也会完 全抵消。在其它方向的干扰电流可以分解为相对平面螺旋线圈的垂直方向和 水平方向的干扰电流，它们产生的梯度干扰磁场在4个平面螺旋线圈中产生的感应电动势同样也完全抵消。
因此，以上所述的直导线PCB平面螺旋线圈电流传感器对外界电磁场干 扰无响应。
图5中， 一次PCB电路板上的4个平面螺旋线圈设计成长方形，增大线 圈的面积可以增大一次电流与二次线圈的互感系数，增加二次的感应电势， 同样可以完全抵消外部电流梯度磁场产生的感应电势。
权利要求
1、一种直导线PCB平面螺旋线圈一次电流传感器，其特征在于包括一次电流直导线，其具有一个中心轴线；二次线圈由双层或偶数多层PCB电路板的平面螺旋线圈构成。
2、 根据权利要求1的电流传感器，其特征在于所述PCB电路板各层4 以上的偶数个相同的平面螺旋线圈为由磁中心点向外逐增、分布均匀的矩形、 圆形、或椭圆形中的任一种，每个平面螺旋线圈过磁中心点有中心纵向轴线， 且层与层之间相应的螺旋线圈磁中心共轴。
3、 根据权利要求1、 2的电流传感器，其特征在于设有两层或偶数多 层PCB电路板，每层设有4个以上的偶数个相同的平面螺旋线圈。各螺旋线 圈磁中心按等边四边形或等边多边形对称布置，各螺旋线圈不能有重叠，两 层对应位置螺旋线圈通过磁中心点过孔联接构成一个双层平面螺旋线圈，相 邻的两螺旋线圈依次反极性串接，首末两个端头构成二次线圈输出端。
4、 根据权利要求l、 2、 3的电流传感器，其特征在于 一次电流直导线根据电流的大小设计成圆形或矩形截面，在直导线中心轴线方向开扁形长方 形契槽，其长、宽、高能平行插入PCB板，PCB板一个边侧平面螺旋线圈完全插入契槽中，使直导线契槽上下边缘与该平面螺旋线圈最外层靠近中间两 平面螺旋线圈的边线重合，然后用螺栓紧固。
5、根据权利要求1至4的电流传感器，其特征在于 一次电流直导线 根据一次电流的大小设计成圆形或矩形截面，PCB板一个边侧平面螺旋线圈 平放在直导线上方或下方或两侧，使直导线中心轴线平面边缘与平面螺旋线 圈最外层靠近中间两平面螺旋线圈的边缘平行或重合，然后用螺栓紧固。
6、 根据权利要求1至5的电流传感器，其特征在于 一根直导线上可叠 装两个或多个不同层数的PCB平面螺旋线圈一次电流传感器。
7、 根据权利要求1至6的电流传感器，其特征在于PCB电路板的二次 线圈输出电压须接积分放大器，使积分放大器的输出电压与一次电流同相位。
全文摘要
本发明公开了一种一次直导线PCB平面螺旋线圈一次电流传感器，其一饮线圈为圆形或矩形截面直导线，二次线圈为双层或偶数多层PCB电路板，每层PCB板上设有4以上偶数个相同的平面螺旋线圈，每个螺旋线圈磁中心按等边四边形或等边多边形布置。每层相邻线圈依次反极性串接，层与层之间的螺旋线圈通过过孔连接，首末两个端头作为输出端，PCB板边侧螺旋线圈镶嵌在一次直导线中心轴线契槽中或紧贴在导线上方、下方或两侧，用螺栓紧固。本发明能消除外界电磁场的干扰，同时二次线圈又能灵敏地响应直导线中的一次电流，产生与之成正比变化的二次电压信号，有很好的线性度、测量精度和抗电磁干扰能力，适合特高压及以下各个电压等级电子式电流互感器用作一次电流传感器。
文档编号H01F17/00GK101677031SQ20081014324
公开日2010年3月24日 申请日期2008年9月19日 优先权日2008年9月19日
发明者周有庆, 彭春燕, 王国华, 伟 龚 申请人:周有庆