专利名称：一种基于印制电路板的空芯线圈电流互感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种印制电路板空芯线圈电流互感器，所属技术领域为电力系统中的测量和保护领域。
背景技术：
现有的电力系统用电磁式电流互感器是由原边线圈与副边线圈共绕于同一铁芯构成，原边接系统高压，副边输出作为信号源和系统继电保护所需部分功率源，绝缘结构复杂、可靠性低，测量范围有限，有磁饱和现象，不能直接为现代电力系统的微机继电保护服务。
空芯线圈，最初是用来测量磁场的，由于线圈输出电压和功率都比较小，难以直接驱动后级测量和保护设备，因此长期以来无法直接应用于电力系统电流测量。随着测量技术、微电子技术的发展，对小信号的精确测量已经成为了可能，以空芯线圈为基础的电子式电流互感器得到了快速发展，并将取代传统电流互感器。
现有的电子式电流互感器采用的空芯线圈一般是将软导线(通常为漆包线)绕制在由非磁材料制成的骨架上，线圈绕成偶数层，并采用回绕线来消除外界磁场的干扰。空芯线圈的测量精度主要决定于线圈的互感系数，而要使互感系数为一稳定的常数必须满足如下3个条件1、每匝线圈横截面相等；2、线圈均匀绕制；3、线圈截面积与中心线垂直。采用传统线圈绕制方法制作空芯线圈时，由于受到工艺精度上的限制，要实现上述3个条件是非常困难的。因此，采用传统方法制作的空芯线圈测量精度不高，通常不能满足电力系统测量的需要，同时还存在由于手工或半自动制作空芯线圈导致的参数分散性问题。另一方面，现有的空芯线圈电流互感器采用的模拟积分电路受环境温度和直流分量的影响，测量误差较大、容易发生积分饱和，这些都限制了空芯线圈电流互感器在电力系统中的应用。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种新型的印制电路板线圈作为电子式电流互感器的空芯线圈，消除一般空芯线圈制作过程中的误差，使空芯线圈易于工业批量生产，并保证空芯线圈工业批量生产的性能一致性；同时采用数字积分解决了现有空芯线圈电流互感器的模拟积分受环境温度和直流分量影响测量误差较大、容易饱和的不足。
本实用新型的工作原理是电流母线穿过空芯线圈，空芯线圈感应出与电流母线中的电流有固定关系的电压信号，此电压信号经双层屏蔽绞线传递到信号采集处理单元并按固定规律转换为数字信号，数字信号由数字接口通过以太网传输给测量和微机保护系统，并且就地由模拟接口输出模拟信号。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是本实用新型一种基于印刷电路板的空芯线圈电流互感器由印制电路板空芯线圈、传输双层屏蔽绞线，信号处理单元，数字接口和模拟接口等组成，其特征是空芯线圈的印制板基板为三层印制板结构，印制板的顶层和底层均匀布线，底层导线和顶层导线经过孔相连接形成线圈，其线圈匝数为200匝到300匝，印制板中间层回绕线分别与顶层导线和空芯线圈末端相连，中间层回绕线布置在印制板的中间层，其位置为线圈截面的几何中心，空芯线圈首端和底层导线相连。
所述的印制电路板空芯线圈由多个印制电路板空芯线圈组成通过空芯线圈首端端子和空芯线圈末端端子首末端连接。
所述的印制电路板空芯线圈的外形为圆形、矩形或椭圆形。
所述的信号采集处理单元是由信号调理部分，A/D模数转换器，可编程逻辑器件FPGA，D/A模数转换器，电光转换器构成，并按照信号流向采用导电布线顺序连接制成的印刷电路板。
所述的信号还原的数字积分由可编程逻辑控制器FPGA完成。
本实用新型的有益效果是本实用新型采用了印制电路板的空芯线圈，加工简单，易于工业批量生产，避免了手工或半手工绕制空芯线圈造成的性能分散性，能保证工业批量生产的空芯线圈性能稳定和一致性，大大提高了互感器的测量精度。同时，本实用新型采用了数字积分，避免了现有空芯线圈电流互感器的模拟积分受温度和直流分量影响，造成测量误差较大、容易饱和的不足。
以下结合附图对本实用新型作进一步说明图1为本实用新型印制电路板空芯线圈电流互感器的原理图。
图2为本实用新型印制电路板空芯线圈电流互感器的空芯线圈示意图。
图3为本实用新型印制电路板空芯线圈电流互感器的典型实施例示意图。
图中零部件、部位及编号1电流母线2印刷电路板空芯线圈3双层屏蔽绞线4信号采集处理单元5模拟接口 6数字接口7空芯线圈首端8空芯线圈末端 9印制板基板10底层导线 11顶层导线 12中间层回绕线13过孔 14线圈固定螺孔 15信号调理部分16A/D模数转换器 17可编程逻辑器件FPGA 18D/A模数转换器19电光转换器具体实施方式
本实用新型如图1所示，当高压母线(1)流过电流时，测量用的印制电路板空芯线圈(2)中感应出与该电流信号有固定关系的电压信号，传输双层屏蔽绞线(3)将该信号传输到信号采集处理单元(4)进行处理；经过处理后的数字信号由数字接口(5)传输到电力系统的以太网总线，同时模拟信号由模拟接口(6)输出。
本实用新型的空芯线圈结构如图2所示印制板基板(9)采用三层印制板结构，印制板的顶层和底层均匀布线，底层导线(10)用虚线表示和顶层导线(11)用实线表示经过孔(13)相连接形成线圈，形成的线圈数为200～300匝；空芯线圈首端(7)和底层导线(10)相连接，印制板中间层回绕线(12)用点划线表示分别与顶层导线(11)和空芯线圈末端(8)相连接；印制板中间层回绕线(12)用于消除外界磁场的干扰。
本实用新型的最佳实施例如图3所示当高压母线(1)中流过电流时，印制电路板空芯线圈(2)感应出相应的电压信号；空芯线圈(2)由四个相同的电路板串接，每个电路板采用三层板结构，并在电路板的顶层和底层均匀布线，经过孔(13)连接，形成线圈240匝，印制电路板的中间层布置了导线体构成中间层回绕线(12)，该中间层回绕线(12)放置于空芯线圈环绕截面的几何中心线处，消除外界磁场干扰；连接的双层屏蔽绞线(3)为工业级电缆；双层屏蔽绞线(3)将该信号传输到信号调理部分(15)进行滤波并放大到A/D模数转换器(16)的测量范围；可编程逻辑控制器FPGA(17)控制模数转换器(16)采样信号调理部分(15)的输出信号，并转换为数字信号后送入可编程逻辑控制器FPGA(17)中；可编程逻辑控制器FPGA内的数字积分电路对输入的数字信号进行积分，将电压信号还原成与高压母线(1)电流同相位的数字信号；可编程逻辑控制器FPGA(17)将积分后的数字信号由电光转换器(19)变为光信号后经与数字接口(6)相连接的光纤传输到以太网总线；同时也可将可编程逻辑控制器FPGA(17)积分后的信号经D/A数模转换器(18)转换为模拟信号由模拟接口(5)输出。信号调理芯片(15)，A/D模数转换器(16)，可编程逻辑控制器FPGA(17)，D/A数模转换器(18)，电光转换器(19)，数字接口(6)均为工业级通用芯片。
权利要求1.一种基于印制电路板空芯线圈电流互感器，它是由印制电路板空芯线圈(2)、传输双层屏蔽绞线(3)，信号处理单元(4)，数字接口(5)和模拟接口(6)等组成，其特征是空芯线圈(2)的印制板基板(9)为三层印制板结构，印制板的顶层和底层均匀布线，底层导线(10)和顶层导线(11)经过孔(13)相连接形成线圈，其线圈匝数为200匝到300匝，印制板中间层回绕线(12)分别与顶层导线(11)和空芯线圈末端(8)相连，中间层回绕线(12)布置在印制板的中间层，其位置为线圈截面的几何中心，空芯线圈首端(7)和底层导线(10)相连。
2.根据权利要求1所述的印制电路板空芯线圈电流互感器，其特征是印制电路板空芯线圈(2)由多个印制电路板空芯线圈组成通过空芯线圈首端(7)端子和空芯线圈末端(8)端子首末端连接。
3.根据权利要求1所述的印制电路板空芯线圈电流互感器，其特征是印制电路板空芯线圈(2)的外形为圆形、矩形或椭圆形。
4.根据权利要求1、2所述的印制电路板式空芯线圈电流互感器，其特征是信号采集处理单元(4)是由信号调理部分(15)、A/D模数转换器(16)、可编程逻辑器件FPGA(17)、D/A模数转换器(18)、电光转换器(19)构成，并按照信号流向采用导电布线顺序连接制成的印刷电路板。
专利摘要本实用新型属于电力系统的测量和保护领域，特别涉及一种基于印制电路板空芯线圈电流互感器。它是用印刷电路板空芯线圈对母线电流进行测量；用模数转换A/D和信号处理单元将测量线圈的信号转换为相应的数字信号输出。这种印制电路板空芯线圈采用三层印制板实现，印制板的顶层和底层导线沿圆周均匀分布，并由过孔连接形成线圈，保证每匝线圈横截面相等，印制板的中间层用于布置线圈回绕线，减少环境温度、母线位置和外界磁场影响带来的测量误差；信号处理部分采用可编程逻辑器件FPGA为核心的数字积分，解决了传统模拟积分受环境温度和直流分量影响测量误差较大、易饱和的缺点。
文档编号H05K1/16GK2836202SQ200520034969
公开日2006年11月8日 申请日期2005年8月1日 优先权日2005年8月1日
发明者方春恩, 李伟 申请人:西华大学