专利名称：一种Rogowski线圈的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量磁场或者电流的传感器的线圈，尤其涉及一种应用于电
力系统电流测量的电流传感器，属于电力领域。
背景技术：
目前，在电力系统中使用的电力互感器主要是电磁式电流互感器。为了满足电力
系统发展和电力系统自动化、数字化的需要，国内外也研制出了利用其它感应原理的电流
互感器。根据选用传感头的不同，重要分为两种基于法拉第磁光效应原理的纯光学电流互 感器和基于Rogowski (空心)线圈的电子式电流互感器。 电磁式电流互感器是由铁心和一、二次绕组构成的，其主要缺点有1、绝缘技术要 求复杂，易燃易爆。2、动态范围小，频带窄，误差大。3、成本高昂。对于超高压的电磁式电 流互感器，由于其绝缘方式和材料的消耗，导致其体积庞大、生产成本大幅增加，也给运输 和安装带来了困难。4、增加了对二次侧的要求严格。主要有①二次侧负荷不能开路，否则 会导致高电压，对设备或者人员造成伤害；②对负荷要求严格，如若二次侧负荷过大，数值 和相位误差就会增大。5、增加了中间转换环节。二次输出的电流一般为1A或者5A的电流 信号，需要经过电流变换器转化成小电流信号，再输入到微机测量或者保护装置。6、电磁式 电流互感器还有易受电磁干扰、维护工作量大、漏油污染环境等缺点。电磁式电流互感器的 这些缺点严重制约了电力系统智能化、设备小型化、功能多样化、保护可靠性高的要求。 基于法拉第磁光效应原理的电流互感器属于纯光学电流互感器。由于它受温度、 机械振动等因素的影响较大，国内虽然已经有产品挂网试运行，但稳定性、可靠性不高，而 且价格昂贵，有许多关键问题没有得到解决，因此未能形成产品在电力系统应用。 基于Rogowski (空心)线圈的电子式电流互感器具有体积小、重量轻、造价低、无 铁芯、动态响应范围大、频率响应宽的优点，不存在磁饱和和铁磁振荡问题；也避免了纯光 学传感头中存在的温度和振动问题。但是，目前所研制的用于电子式电流互感器的空心线 圈电流传感头，都是将一次直导体直接通过用导线绕制的二次线圈的非磁性环形骨架的中 心，或将二次绕组制作在中间空心的印刷电路板(PCB)上，一次直导体通过PCB的中心。 基于绕线式Rogowski线圈，主要有以下缺点整个线圈的膨胀是骨架的膨胀和 导线的膨胀的总和，其中导线的膨胀约占整个膨胀的80%，特别是当线圈受热严重时，导 线有脱离骨架的束缚而凸出来的趋势；限于绕线机械和工艺的限制，以及线圈骨架带来的 偏差，绕线不可能做到真正的均匀紧密。基于绕线工艺的专利主要有200610019929.4， 200620098280. 5，US7227441B2。 基于印刷电路板(PCB)式Rogowsk线圈，主要有以下缺点每一个过孔的存在都 会带来一定的分布电感和分布电容，对最终的测量精度会带来不可预料的影响；平面型的 结构给线圈的屏蔽带来了不小的困难，如果采用整体敷铜的方式来进行屏蔽又会带来很大 的涡流。基于印刷电路板(PCB)工艺的专利主要有200710053143. 9,2007100553143. 9， US5414400， US5442280， US5461309， US6313623B1， US007227442B2， US7227442B2。
实用新型内容本实用新型的目的是在克服上述现有技术的不足，提供一种适用于电流互感器的 低膨胀系数高精度螺旋管型空心Rogowski线圈，该利用该种空心线圈作为电流互感器，相 对传统的电磁式互感器能够明显改善电流互感器的暂态特性、线性度以及抗电磁干扰能 力；相对现有的空心线圈电流互感器，其线性度更好、抗电磁干扰能力更强。 本实用新型采用如下的技术方案 —种Rogowski线圈，该线圈包括骨架和二次绕组，其特征在于所述骨架由含磁 万分之二以内的非磁性材料制成，所述二次绕组直接黏附在骨架上，由覆盖在骨架表面的 金属层经处理掉不需要的部分以后而形成的螺旋线圈构成，在所述螺旋线圈的两端引出感 应电势的端子。 作为优选实施方式，本实用新型的Rogowski线圈，螺旋线圈均匀一致；所述骨架 为圆环形、椭圆环形或矩形环形；在所述骨架上开设有中空通道，所述中空通道为环形，其 形状与骨架的外环或内环相似，从所述螺旋线圈的一端经过中空通道引出的回线形成线圈 的两个端子中的一个；所述回线的方向与线圈绕组形成的大线匝的方向相反；所述非磁性 材料为陶瓷或者玻璃纤维；所述的金属层为金、银或者铜。 本实用新型将上述两种方法的优点集于一身，同时又克服了各自的缺点。首先，也 是最重要的一点是和印刷电路板(PCB)工艺一样，将二次绕组采取一定的工艺直接黏附在 基质层上，从而克服了绕线工艺带来的因导线膨胀带来的误差；同时，二次绕组的生成采用 严格可控的切割、腐蚀或者浊刻，从而确保绕组的均匀一致；最后，采用这种方式制作的线 圈保留了传统Rogowsk线圈导线走线平滑顺畅，易于实现屏蔽的优点。技术效果如下 1 ，本空心线圈没有铁磁材料，不会因被测电流大而饱和，具有很高的线性度、快速 响应特性，且频带宽； 2， Rogowski (空心)线圈的整体膨胀主要取决于两个因素，即绕制线圈的导线的 膨胀(约占80%)和骨架的膨胀，在本实用新型中，导线直接黏附在刚性非磁性骨架上，线 圈整体的膨胀基本上就等于骨架的膨胀； 3，本空心线圈骨架内可以设置一个中空通道，该通道可以充当整个线圈回线的 返回通道，该通道的存在还可以充当骨架膨胀时的伸縮缝，从而有效的减小骨架的整体膨 胀； 4，利用中空通道充当回线的返回通道，可以充分的保证回线居于螺线管中心，回 线的补偿效果可以达到最好； 5，采用切割、腐蚀或者浊刻等方式处理掉不需要的金属层从而形成均匀一致的螺
旋状二次绕组，高度均匀一致的二次绕组可以有效地抵消杂散磁场的干扰。 总之，本实用新型所涉及的Rogowski线圈是一种低膨胀系数、高精度的线圈，用
于电流互感器时，能够明显改善了电流互感器的饱和特性和线性度，大大提高了测量精度
和抗电磁干扰能力。
图1为本实用新型所一种应用传感器的Rogowski线圈的典型结构外形图。[0020] 图2为切割出的线圈的放大图，图中空白部分为切割出的痕迹，黑色部分为保留
下来充当线圈导线的导电金属层。 图3为骨架结构的中空通道位置示意图。 图4为线圈两端出线端子和回线的连接以及整个线圈的典型出线示意图。 其中，1为线圈绕组，2为中空通道中的回线，3为骨架中空通道，4为线圈第一出线
端子，5为线圈第二出线端子。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。 参见图l，本实用新型专利涉及的一种应用传感器的Rogowski线圈包括骨架和二 次绕组，骨架由陶瓷或者玻璃纤维等非磁性低膨胀系数材料制成。图2为切割出的线圈的 放大图，图中空白部分为切割出的痕迹，黑色部分为保留下来充当线圈导线的导电金属层。 二次绕组由电镀、喷涂、等离子喷射、溅射或蒸发等工艺在骨架表面的一层银或者铜等高导 电率金属层经切割、腐蚀或者浊刻掉不需要的部分以后形成的螺旋状的线圈构成，在螺旋 线圈的两端自然形成绕组的出线端，其中一端经过回线最终形成线圈的第一出线端子、另 外一端直接充当线圈的第二出线端子。 如图2所示，Rogowski线圈的骨架结构内部沿线圈方向可以设置一个中空通道， 中空通道最好设置在骨架中间位置，该中空通道可以充当整个线圈回线的返回通道，在充 分保证回线居于螺线管中心位置时，回线补偿效果可以达到最好。该通道的存在还可以充 当骨架膨胀时的伸縮缝，从而有效的减小骨架的整体膨胀。 如图3所示，线圈绕组1被骨架中空通道3自然隔断，并将由此形成的绕组的两端 充当绕组的接线端。整个线圈回线2的返回通道位于中空通道，回线的方向同线圈绕组形 成的大线匝的方向相反，可以抵消大线匝的影响。中空通道中的回线中的一端和线圈绕组 相焊接，回线的另一端同线圈的第一出线端子4相焊接。 采用先电镀再切割的方式来制作二次绕组，使得生产工艺简单，产品可靠性大大
提高，绕线性能有所提高，一致性更有保障，可控性更强。其制作过程具体如下 l，骨架的设计和制作首先根据具体的应用环境，主要是一次载流导线的外形和
物理尺寸确定Rogowski线圈骨架的外形和基本尺寸，包括骨架的外径、内径和高度；骨架
的截面可以是圆形或者矩形。骨架材料可以选择非磁性低膨胀系数类材料，例如含磁万分
之二以内的陶瓷或者玻璃纤维等。骨架材料其表面需要保证足够的光洁度，如果需要中空
通道，其位置最好设计在骨架的正中心，其外形和布局可以参见图2、图3。
2，导电基质的黏附在光洁的骨架表面上采用电镀或者喷涂工艺整体覆盖一层银
或者铜等高导电率的金属层。为了提高整个线圈的一致性，基质层要求均匀一致，且不同批
次的基质层要求尽量保持相同的厚度。 3，二次绕组的设计二次绕组由螺旋状的线圈构成，它的两个出线端子分别位于 中空通道在骨架的出口处，参见图4，整个线圈绕组在骨架上要求做到均匀分布。同时为了 保证线圈的一致性，线圈匝数要求严格一致。 4，二次绕组的制作具体操作中可以采用切割、腐蚀或者浊刻等方式处理掉不需 要的金属层，从而形成完整的螺旋状的线圈和出线端子。为了尽量减小绕组的电阻，处理掉
5的金属层要尽量的窄，也就是说在保证切割效果的情况下，让绕组尽量的宽。
5，回线的制作和连接具体参见图4 a)中空通道中的回线中的一端和绕组的其中一个接线端进行焊接，如图中蓝线所 示；回线的另外一端充当线圈的第一出线端子4。 b)线圈绕组被骨架中空通道自然隔断，绕组的另外一个接线端充当线圈的第二出 线端子5。 c)回线的方向要确保和线圈绕组形成的大线匝的方向相反，以抵消大线匝的影 响。
权利要求一种Rogowski线圈，该线圈包括骨架和二次绕组，其特征在于所述骨架由含磁万分之二以内的非磁性材料制成，所述二次绕组直接黏附在骨架上，由覆盖在骨架表面的金属层经处理掉不需要的部分以后而形成的螺旋线圈构成，在所述螺旋线圈的两端引出感应电势的端子。
2. 根据权利要求1所述的Rogowski线圈，其特征在于，所述的螺旋线圈均匀一致。
3. 根据权利要求1所述的Rogowski线圈，其特征在于，所述骨架为圆环形、椭圆环形或 矩形环形。
4. 根据权利要求3所述的Rogowski线圈，其特征在于，在所述骨架上开设有中空通道， 所述中空通道为环形，其形状与骨架的外环或内环相似，从所述螺旋线圈的一端经过中空 通道引出的回线形成线圈的两个端子中的一个。
5. 根据权利要求4所述的Rogowski线圈，其特征在于，所述回线的方向与线圈绕组形 成的大线匝的方向相反。
6. 根据权利要求1至5任意一项所述的Rogowski线圈，其特征在于，所述非磁性材料 为陶瓷或者玻璃纤维。
7. 根据权利要求1至5任意一项所述的Rogowski线圈，其特征在于，所述的金属层为 金、银或者铜。
专利摘要本实用新型属于电流测量技术领域，涉及一种Rogowski线圈，该线圈包括骨架和二次绕组，骨架由含磁万分之二以内的非磁性材料制成，所述二次绕组直接黏附在骨架上，由覆盖在骨架表面的金属层经处理掉不需要的部分以后而形成的螺旋线圈构成，在所述螺旋线圈的两端引出感应电势的端子。本实用新型所涉及的Rogowski线圈是一种低膨胀系数、高精度的线圈，用于电流互感器时，能够明显改善了电流互感器的饱和特性和线性度，大大提高了测量精度和抗电磁干扰能力。
文档编号H01F5/02GK201514831SQ20092009733
公开日2010年6月23日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者刘佳峰, 刘 文, 刘翠青, 华琴, 崔新友, 文涛, 方兵, 范林涛 申请人:武汉烽火富华电气有限责任公司