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基于组合式pcb型罗氏线圈的电流测量装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装置及方法，包括一对或多对PCB型罗氏线圈、放大电路单元、积分电路单元以及采样电路单元，一对或多对PCB罗氏线圈依次串联连接，任意相邻的两个PCB罗氏线圈的绕线内电流流动方向相反，在PCB罗氏线圈的内部通孔穿过导通电流的导体，测得微分电压信号，串联的一对或多对PCB罗氏线圈的电气连接放大电路单元，放大电路单元将微分电压信号放大输出，积分电路单元将放大的微分电压信号积分，得到正比于导通电流的导体内被测电流的还原电压信号；采样电路单元对还原电压信号进行采样。本发明参数一致性好，复现性高，保证互感系数稳定。
【专利说明】基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装置及方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电流测量装置及方法，尤其涉及一种基于组合式PCB型罗氏线圈 的电流测量装置方法。

【背景技术】
[0002] 随着电网运行电压的提高，可靠性要求的提高，传统的电磁式互感器不仅体积和 重量增大、防爆绝缘困难、安全性能下降，而且因为铁芯的存在导致频带窄，测量大电流的 时候铁芯会饱和，导致二次信号波形严重畸变，动态范围小，作为继电保护用时，反应速度 滞后而且容易导致误动作。这一系列缺点导致传统的电磁式互感器已经很难满足电力系统 发展的要求。并且传统的电磁式互感器受工作原理和制作工艺的限制难以解决其自身缺 陷所带来的问题，所以必须发展不同于传统电磁式互感器原理的电流传感器来满足要求。 Rogowski线圈（以下简称罗氏线圈）电流互感器作为一种新型电子式电流互感器，具有测 量频带宽、精度高、测量范围大、无磁饱和、易于数字量输出、体积小等优点，已经成为现代 电流互感器发展的重要方向之一，在电力系统中具有广阔的发展前景。
[0003] 但是目前投入应用的传统式罗氏线圈测量精度和稳定性都不高，制作麻烦，并且 产品性能分散性较大，不利于大规模工业化生产，还不能满足当前电力系统建设的要求。


【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装置及方法， 解决了传统式罗氏线圈测量精度和稳定性都不高，制作麻烦，并且产品性能分散性较大，不 利于大规模工业化生产的问题。
[0005] 为了解决上述问题，本发明涉及了一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装 置，对一导通电流的导体测量，包括一对或多对PCB型罗氏线圈、放大电路单元、积分电路 单元以及采样电路单元，其中 ：
[0006] 所述PCB型罗氏线圈中均包括PCB板、内部通孔以及在PCB板上的绕线，所述一对 或多对PCB型罗氏线圈为绕线匝数、骨架高度、骨架外径以及骨架内径以及内部通孔内径 均相同的PCB型罗氏线圈，相邻的两个PCB型罗氏线圈的PCB板之间相互平行等间距设置， 且所有PCB型罗氏线圈的内部通孔的圆心连线在同一直线，且该直线与所述PCB型罗氏线 圈的内部通孔的轴向同向；所述一对或多对PCB罗氏线圈依次串联连接，任意相邻的两个 PCB罗氏线圈的绕线内电流流动方向相反，分别为顺时针方向和逆时针方向；在所述一对 或多对PCB罗氏线圈的内部通孔穿过所述导通电流的导体，测得微分电压信号，所述串联 的一对或多对PCB罗氏线圈的一端接地；
[0007] 所述串联的一对或多对PCB罗氏线圈的另一端电气连接放大电路单元，所述放大 电路单元将所述微分电压信号放大输出；
[0008] 积分电路单元电气连接所述放大电路单元，将放大的微分电压信号积分，得到正 比于导通电流的导体内被测电流的还原电压信号；
[0009] 采样电路单元电气连接所述积分电路单元，对所述还原电压信号进行采样。
[0010] 较佳地，还包括一固定装置，将所述一对或多对PCB罗氏线圈相互平行等间距固 定。
[0011] 较佳地，所述放大电路单元为同相输入放大电路，包括第一集成运放、第一电阻、 第二电阻以及第三电阻；所述第一电阻的一端电气连接所述一对或多对PCB罗氏线圈的信 号输出端，另一端电气连接所述第一集成运放的正向输入端；所述第二电阻的一端接地，另 一端电气连接所述第一集成运放的反向输入端；所述第三电阻的一端电气连接所述第一集 成运放的输出端，另一端电气连接所述第一集成运放的反向输入端。
[0012] 较佳地，所述积分电路单元为一积分运算电路，包括第二集成运放、第四电阻、第 五电阻、第六电阻以及第一电容；所述第四电阻的一端电气连接所述第二集成运放的输出 端，另一端电气连接所述第二集成运放的正向输入端；所述第五电阻的一端电气连接所述 第二集成运放的输出端，另一端电气连接所述第二集成运放的正向输入端；所述第一电容 两端并联在所述第五电阻的两端；所述第六电阻的一端电气连接所述第二集成运放的反向 输入端，另一端接地；所述第二集成运放的输出端连接所述采样电路单元。
[0013] 较佳地，所述第一集成运放以及第二集成运放均采用0P07CP。
[0014] 为了实现上述目的，本发明还涉及了一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量 方法，包括以下步骤：
[0015] 将一对或多对绕线匝数、骨架高度、骨架外径、骨架内径以及内部通孔内径均相同 的PCB型罗氏线圈串联连接，使得任意相邻的两个PCB罗氏线圈的绕线内电流流动方向相 反，分别为顺时针方向和逆时针方向；
[0016] 通过一固定装置将所述PCB型罗氏线圈固定，使相邻的两个PCB型罗氏线圈的PCB 板之间相互平行等间距，所有PCB型罗氏线圈内部通孔的圆心连线在同一直线，且该直线 与所述PCB型罗氏线圈的内部通孔的轴向同向；
[0017] 使一被测导体穿过所有PCB罗氏线圈的内部通孔；
[0018] 被测导体导通电流后，通过串联电气连接的PCB型罗氏线圈测得一微分电压信 号；
[0019] 通过放大电路单元电气连接所述串联连接的一对或多对PCB罗氏线圈，将所述微 分电压信号放大输出；
[0020] 通过积分电路单元电气连接所述放大电路单元，将放大的微分电压信号积分，得 到正比于导通电流的导体内被测电流的还原电压信号；
[0021 ] 通过采样电路单元电气连接所述积分电路单元，对所述还原电压信号进行采样。
[0022] 较佳地，所述放大电路单元为同相输入放大电路，包括第一集成运放、第一电阻、 第二电阻以及第三电阻；所述第一电阻的一端电气连接所述一对或多对PCB罗氏线圈的信 号输出端，另一端电气连接所述第一集成运放的正向输入端；所述第二电阻的一端接地，另 一端电气连接所述第一集成运放的反向输入端；所述第三电阻的一端电气连接所述第一集 成运放的输出端，另一端电气连接所述第一集成运放的反向输入端。
[0023] 较佳地，所述积分电路单元为一积分运算电路，包括第二集成运放、第四电阻、第 五电阻、第六电阻以及第一电容；所述第四电阻的一端电气连接所述第二集成运放的输出 端，另一端电气连接所述第二集成运放的正向输入端；所述第五电阻的一端电气连接所述 第二集成运放的输出端，另一端电气连接所述第二集成运放的正向输入端；所述第一电容 两端并联在所述第五电阻的两端；所述第六电阻的一端电气连接所述第二集成运放的反向 输入端，另一端接地；所述第二集成运放的输出端连接所述采样电路单元。
[0024] 较佳地，所述第一集成运放以及第二集成运放均采用0P07CP。
[0025] 本发明由于采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
[0026] 本发明中提供的PCB型罗氏线圈，参数一致性好，复现性高，保证互感系数稳定， 易于大规模生产制作。且抗干扰能力强、电流测量的频带宽，可以满足电力系统对电流测量 的准确度和可靠性要求，同时生产成本低，可以满足电力系统对电流测量的准确度和可靠 性要求。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1为本发明一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装置的框图；
[0028] 图2为本发明实施例中任意两PCB型罗氏线圈的连接示意图；
[0029] 图3为本发明实施例中放大电路单元的电路结构图；
[0030] 图4为本发明实施例中积分电路单元的电路结构图；
[0031] 图5为本发明一对或多对PCB罗氏线圈的电路原理图；
[0032] 图6为本发明实施例中一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量方法的流程 图。

【具体实施方式】
[0033] 以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述， 显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属 于本发明的保护范围。
[0034] 为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的 解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
[0035] 如附图1-5所示的一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装置，对一导通电 流的导体测量，包括一对或多对PCB型罗氏线圈、放大电路单元、积分电路单元以及采样电 路单元，其中：
[0036] PCB型罗氏线圈中均包括PCB板、内部通孔以及在PCB板上的绕线。线圈的互感系 数与绕线匝数、骨架高度、骨架外径以及骨架内径成正比，一对或多对PCB型罗氏线圈为绕 线匝数、骨架高度、骨架外径、骨架内径以及内部通孔内径r均相同的PCB型罗氏线圈。
[0037] 本实施例中，采用2对PCB型罗氏线圈，PCB型罗氏线圈的骨架高度即为PCB板的 厚度，殊要求除外一般板厚通常不超过3. 2_，考虑综合生产因素2_比较合适。
[0038] 相邻的两个PCB型罗氏线圈的PCB板之间相互平行等间距设置，且所有PCB型罗 氏线圈的内部通孔的圆心连线在同一直线，且该直线与所述PCB型罗氏线圈的内部通孔的 轴向同向。一对或多对PCB罗氏线圈依次串联连接，任意相邻的两个PCB罗氏线圈的绕线 内电流流动方向相反，分别为顺时针方向和逆时针方向。根据电磁感应定律，即使有外界磁 场存在，其在相邻的两个线圈上所感应生成电压大小相同，但是两者的方向相反，因此合起 来外磁场的影响就不存在了，两者相抵消了，但是因为被测电流的磁场而感应出来的电压 却正好方向相同，串联后总的感应电动势是所串联的线圈各自的感应电动势之和。因此，不 但降低甚至消除了外在磁场的干扰，而且线圈的互感系数将随着串联PCB板数目的增加而 成倍增加。
[0039] 在所有PCB罗氏线圈的内部通孔穿过导通电流的导体，测得微分电压信号，串联 的一对或多对PCB罗氏线圈的一端接地，串联的一对或多对PCB罗氏线圈的另一端电气连 接放大电路单元，放大电路单元将所述微分电压信号放大输出。
[0040] 本实施例中，放大电路单元为同相输入放大电路，包括第一集成运放、第一电阻 Rp、第二电阻R1以及第三电阻R2 ;其中第一集成运放采用0P07CP，此集成运放的特点是双 电源供电，精度高，温度漂移小，综合性能优越，适用范围广。通过本放大电路单元将罗氏线 圈输出的比较微弱的信号在不失真的前提下进行放大以满足后续电路对信号强度的要求。
[0041] 第一电阻的一端电气连接一对或多对PCB罗氏线圈的信号输出端，另一端电气连 接第一集成运放的正向输入端。第二电阻的一端接地，另一端电气连接第一集成运放的反 向输入端。第三电阻的一端电气连接所述第一集成运放的输出端，另一端电气连接第一集 成运放的反向输入端。
[0042] 积分电路单元电气连接放大电路单元，将放大的微分电压信号积分，得到正比于 导通电流的导体内被测电流的还原电压信号。
[0043] 本实施例中，积分电路单元为一积分运算电路，包括第二集成运放、第四电阻Rf、 第五电阻R、第六电阻Rp2以及第一电容C ;积分电路单元采用惯性环节替代理想积分环节， 第四电阻Rf和第一电容C构成了一个RC回路，防止了直流和低频信号使积分器的输出达 到饱和，从而避免了积分漂移的影响。其中第二集成运放采用0P07CP，采用惯性环节近似积 分作用，实现了对积分漂移的抑制，同时还稳定了工作点，误差也控制在了允许范围内。第 四电阻的一端电气连接所述第二集成运放的输出端，另一端电气连接第二集成运放的正向 输入端；第五电阻的一端电气连接第二集成运放的输出端，另一端电气连接第二集成运放 的正向输入端；第一电容两端并联在第五电阻的两端；第六电阻的一端电气连接第二集成 运放的反向输入端，另一端接地；第二集成运放的输出端连接所述采样电路单元。
[0044] 采样电路单元电气连接所述积分电路单元，对所述还原电压信号进行采样。
[0045] 包括固定装置，将一对或多对PCB罗氏线圈相互平行等间距固定，也包括将一对 或多对PCB罗氏线圈紧挨着固定在一起的情况，可以采用很多种固定机构，夹子、等间距的 卡槽、绝缘的胶带等均可，并不做限定。
[0046] 本发明中测量范围可以从几安培到几十千安培，更好的方式是具体设计的时候可 以根据具体的测量对象的大小，改变放大环节和积分环节的电阻配比，以达到在被测电流 范围的更高精度。
[0047] 如图5所述，其中山(t)表不一次侧被测电流；LQ表不一对或多对PCB罗氏线圈 总自感；R〇表示线圈内阻；Q表示线圈匝间电容；R a为采样电阻。由此等效电路图可以得到 如下方程式：
[0048] 线圈的感应电动势e (t)可以表示为：
[0049]

【权利要求】
1. 一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装置，对一导通电流的导体测量，其特 征在于，包括一对或多对PCB型罗氏线圈、放大电路单元、积分电路单元以及采样电路单 元，其中： 所述PCB型罗氏线圈中均包括PCB板、内部通孔以及在PCB板上的绕线，所述一对或多 对PCB型罗氏线圈为绕线匝数、骨架高度、骨架外径以及骨架内径以及内部通孔内径均相 同的PCB型罗氏线圈，相邻的两个PCB型罗氏线圈的PCB板之间相互平行等间距设置，且所 有PCB型罗氏线圈的内部通孔的圆心连线在同一直线，且该直线与所述PCB型罗氏线圈的 内部通孔的轴向同向；所述一对或多对PCB罗氏线圈依次串联连接，任意相邻的两个PCB罗 氏线圈的绕线内电流流动方向相反，分别为顺时针方向和逆时针方向；在所述一对或多对 PCB罗氏线圈的内部通孔穿过所述导通电流的导体，测得微分电压信号，所述串联的一对或 多对PCB罗氏线圈的一端接地； 所述串联的一对或多对PCB罗氏线圈的另一端电气连接放大电路单元，所述放大电路 单元将所述微分电压信号放大输出； 积分电路单元电气连接所述放大电路单元，将放大的微分电压信号积分，得到正比于 导通电流的导体内被测电流的还原电压信号； 采样电路单元电气连接所述积分电路单元，对所述还原电压信号进行采样。
2. 如权利要求1所述的一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装置，其特征在于 在于，还包括一固定装置，将所述一对或多对PCB罗氏线圈相互平行等间距固定。
3. 如权利要求1或2述的一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装置，其特征在 于，所述放大电路单元为同相输入放大电路，包括第一集成运放、第一电阻、第二电阻以及 第三电阻；所述第一电阻的一端电气连接所述一对或多对PCB罗氏线圈的信号输出端，另 一端电气连接所述第一集成运放的正向输入端；所述第二电阻的一端接地，另一端电气连 接所述第一集成运放的反向输入端；所述第三电阻的一端电气连接所述第一集成运放的输 出端，另一端电气连接所述第一集成运放的反向输入端。
4. 如权利要求3所述的一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装置，其特征在于， 所述积分电路单元为一积分运算电路，包括第二集成运放、第四电阻、第五电阻、第六电阻 以及第一电容；所述第四电阻的一端电气连接所述第二集成运放的输出端，另一端电气连 接所述第二集成运放的正向输入端；所述第五电阻的一端电气连接所述第二集成运放的输 出端，另一端电气连接所述第二集成运放的正向输入端；所述第一电容两端并联在所述第 五电阻的两端；所述第六电阻的一端电气连接所述第二集成运放的反向输入端，另一端接 地；所述第二集成运放的输出端连接所述采样电路单元。
5. 如权利要求4所述的一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量装置，其特征在于， 所述第一集成运放以及第二集成运放均采用0P07CP。
6. -种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 将一对或多对绕线匝数、骨架高度、骨架外径、骨架内径以及内部通孔内径均相同的 PCB型罗氏线圈串联连接，使得任意相邻的两个PCB罗氏线圈的绕线内电流流动方向相反， 分别为顺时针方向和逆时针方向； 通过一固定装置将所述PCB型罗氏线圈固定，使相邻的两个PCB型罗氏线圈的PCB板 之间相互平行等间距，所有PCB型罗氏线圈内部通孔的圆心连线在同一直线，且该直线与 所述PCB型罗氏线圈的内部通孔的轴向同向； 使一被测导体穿过所有PCB罗氏线圈的内部通孔； 被测导体导通电流后，通过串联电气连接的PCB型罗氏线圈测得一微分电压信号； 通过放大电路单元电气连接所述串联连接的一对或多对PCB罗氏线圈，将所述微分电 压信号放大输出； 通过积分电路单元电气连接所述放大电路单元，将放大的微分电压信号积分，得到正 比于导通电流的导体内被测电流的还原电压信号； 通过采样电路单元电气连接所述积分电路单元，对所述还原电压信号进行采样。
7. 如权利要求6所述的一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量方法，其特征在于， 所述放大电路单元为同相输入放大电路，包括第一集成运放、第一电阻、第二电阻以及第三 电阻；所述第一电阻的一端电气连接所述一对或多对PCB罗氏线圈的信号输出端，另一端 电气连接所述第一集成运放的正向输入端；所述第二电阻的一端接地，另一端电气连接所 述第一集成运放的反向输入端；所述第三电阻的一端电气连接所述第一集成运放的输出 端，另一端电气连接所述第一集成运放的反向输入端。
8. 如权利要求6或7所述的一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量方法，其特征 在于，所述积分电路单元为一积分运算电路，包括第二集成运放、第四电阻、第五电阻、第六 电阻以及第一电容；所述第四电阻的一端电气连接所述第二集成运放的输出端，另一端电 气连接所述第二集成运放的正向输入端；所述第五电阻的一端电气连接所述第二集成运放 的输出端，另一端电气连接所述第二集成运放的正向输入端；所述第一电容两端并联在所 述第五电阻的两端；所述第六电阻的一端电气连接所述第二集成运放的反向输入端，另一 端接地；所述第二集成运放的输出端连接所述采样电路单元。
9. 如权利要求8所述的一种基于组合式PCB型罗氏线圈的电流测量方法，其特征在于， 所述第一集成运放以及第二集成运放均采用0P07CP。
【文档编号】G01R19/00GK104155499SQ201410412028
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】李晓博, 李志清, 朱晓彬, 郑益慧, 李立学, 王昕 , 苏彪 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司德州供电公司