专利名称：一种用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈及其设计方法
技术领域：
本发明属于电子式电流互感器，具体涉及一种用于直流系统短路电流测量的罗氏线圈及其设计方法，。
背景技术：
为了在直流电力系统发生短路故障时能够快速的检测到故障，同时为了更方便的与数字式智能单元相连接以实现数字化测量与保护，基于电磁感应原理的罗氏线圈被广泛应用。与其他的暂态电流检测方法相比较，空心式罗氏线圈所采用的骨架为非铁磁性绝缘材料，由于其不含铁心，理论上不存在磁饱和问题，几乎不受被测电流大小的限制，非常适合于对大电流的测量。在针对暂态大电流的测量中，以往的基于罗氏线圈的测量，一方面工艺上的性能仍有待改进，以往的空心式罗氏线圈，由于绕线所采用漆包线较细，当罗氏线圈受到外力作用时，漆包线容易被拉断，造成罗氏线圈产品的故障；另一方面，缺少一种流程化的设计方法做为指导，以更好的与数字化智能单元相连接以实现数字化测量与保护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够将高幅值暂态电流信号转换成可与后级数字化智能单元相连接的高精度的用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈及其设计方法。为达到上述目的，本发明的柔性罗氏线圈包括均勻绕制在带有开口的圆环形柔性骨架上的线圈及回线，在线圈及回线外套装有外层绝缘套管，圆环形柔性骨架的开口上安装有与线圈及回线相连接的插入式接口，线圈出线经插入式接口的孔引出后与取样电阻�？橄嗔⊙缱枘？橐鲂藕庞牒蠹痘值缏废嗔�。所述的取样电阻�？榘ň迦胧浇涌谟胂呷Τ鱿呦嗔拥娜⊙缱瑁鋈⊙缱璧牧蕉送庇氡；ね饪巧系腂NC插座相连接。所述的柔性骨架由柔性绝缘材料构成，且该柔性骨架的几何中间部分开设有使回线通过的通孔。所述的线圈及回线自柔性骨架的一端穿入柔性骨架的通孔，由另一端引出后以单层方式均勻的绕制在柔性骨架上，且在穿过柔性骨架通孔的回线上套装有起紧固和保护作用的聚四氟乙烯绝缘材料。所述的插入式接口的两端为凹型，插入式接口中间设有螺纹凹槽与取样电阻�？槁菸屏�。本发明的设计方法如下1)先根据对直流系统呈指数变化的短路电流的频谱分析，确定罗氏线圈的频率下限，根据所得的频率下限确定外积分电路的时间常数；
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2)然后根据载流母线的尺寸，在保证绝缘条件满足的条件下确定罗氏线圈柔性骨架的尺寸并根据被测电流峰值和外积分电路的时间常数确定罗氏线圈的互感；3)首先判断单层线圈及回线是否满足罗氏线圈互感大小的要求，如果不能满足， 则改变柔性骨架截面直径使单层线圈及回线满足互感大小的要求；4)如果满足罗氏线圈互感的要求则制作罗氏线圈并进行参数的测量，根据最佳匹配确定外接电阻的大小。本发明所涉及的柔性空心式罗氏线圈，对罗氏线圈的结构工艺进行改进，在保证测量精度的前提下，提高了罗氏线圈的机械寿命。同时，提出了一种通用的设计方法，用于直流电力系统短路条件下电流的检测。本发明所提出的用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈，骨架材料应选取温度特性较好的材料，采用硅橡胶作为罗氏线圈的骨架材料。硅橡胶具有耐高温、耐高压、防水、防腐等性能，可以工作在-60°C +180°C，具有良好的柔韧性，是柔性罗氏线圈骨架的理想材料。以往关于柔性罗氏线圈的回线，多是利用电缆本身芯线作为罗氏线圈回线，安装虽然简单，但是需要将芯线和漆包线进行焊接，这种工艺所带来的缺点就是将会增大线圈本身的自分布电容，降低线圈本身的频带宽度，影响测量精度。本发明所采用的罗氏线圈回线绕线工艺，回线和线圈绕线本身由一条线构成，具体是将硅橡胶电缆内芯抽掉，电缆内部套入聚四氟乙烯材料，作为漆包线的保护套管。所述的聚四氟乙烯绝缘材料套在漆包线的外层起紧固和防止断裂的保护作用，这种工艺制作的线圈结构紧凑，牢固性好，同时能保证很高的测量精度，适合工业生产使用。所述的罗氏线圈绕线采用均勻密绕方式，这种绕线方式可以保证很好的抗干扰性能以及极大程度减小了绕线不均勻所带来的测量误差，同时密绕方式可以增大线圈的互感，提高了测量的信噪比。
图1是罗氏线圈传感头的结构示意图；图2是罗氏线圈传感头取样电阻模块的结构示意图；图3是罗氏线圈外积分电路的结构图；图4是外积分型罗氏线圈的设计流程图。
具体实施例方式下面结合附图做进一步详细说明。参见图1，本发明包括柔性骨架2、线圈及回线1、外层绝缘套管3、取样电阻模块4 及插入式接口 5 ；所述线圈均勻绕制在柔性骨架2上，线圈回线埋置于柔性骨架2的几何中心，绕线两端通过插入式接口 5经取样电阻�？�4后引出；整个罗氏线圈构成一开口的圆环，首末端在使用时通过插入式接口 5进行连接，罗氏线圈引出信号与后级积分电路相连接。本发明所采用的罗氏线圈回线绕线工艺，回线和线圈绕线本身由一条线构成，具体是将硅橡胶电缆内芯抽掉，电缆内部套入聚四氟乙烯材料，作为漆包线的保护套管。所述的聚四氟乙烯绝缘材料套在漆包线的外层起紧固和防止断裂的保护作用，这种工艺制作的线圈结构紧凑，牢固性好，同时能保证很高的测量精度，适合工业生产使用。参见图2，线圈引出线经插入式接口 5的孔引出后与取样电阻�？�4中的取样电阻 8焊接连接。取样电阻两端同时与保护外壳7上的BNC插座6焊接连接。BNC插座与屏蔽双绞线相连接，采用屏蔽层对削弱静电耦合和电磁耦合有很明显的作用，同时屏蔽层应保证良好接地。双绞线则通过减小来回线的感应面积来降低感应干扰。参见图3，外接积分电路采用有源积分，包括四个部分即电压跟随电路、外积分电路、滤波电路、放大电路。参见图4，本发明的外积分型的罗氏线圈的设计流程如下1)先根据对直流系统呈指数变化的短路电流的频谱分析，根据信号频谱特性中能量的分布特性确定罗氏线圈的频率下限，以保证能准确的反映原始信号的频率特性。由于
外积分式罗氏线圈的频率下限决定于外积分电路的时间常数，即_/； =^ 为罗氏线圈的
Ιπτ
频率下限τ为外积分电路的时间常数)，故根据所得的频率下限即可确定外积分电路的时间常数；2)然后根据载流母线的尺寸，在保证绝缘条件满足的条件下，即保证系统电压在设定距离下空气不被击穿，确定罗氏线圈柔性骨架的尺寸并根据被测电流峰值和外积分电
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路的时间常数确定罗氏线圈的互感，即根据公式M = _丨_ (其中M为罗氏线圈的互感，Utl为
根据系统确定的测量输出电压的最大值，一般为IOV或5V等，τ为外积分电路的时间常数， I为所测量电流的峰值)；3)首先判断线圈及回线单层绕线方式是否满足罗氏线圈互感大小的要求，即判断假设在单层绕线且均勻密绕方式下是否能满足互感要求，这一点可以根据公式互感
M =学(D-^D2-W)(其中μ。为空气的磁导率，值为4 π X ΙΟ"7,N为单层绕线方式下的
绕线匝数，D为罗氏线圈的直径，d为柔性骨架截面直径)得出，如果不能满足，则改变柔性骨架截面直径使单层线圈及回线满足互感大小的要求；4)如果满足罗氏线圈互感的要求则制作罗氏线圈并进行参数线圈自感L。、线圈分
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布电容C。及线圈内阻R。的测量，根据最佳匹配，即代=^J2L Cc-R 2C 2确定外接电阻艮的大小。
权利要求
1.一种用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈，其特征在于包括均勻绕制在带有开口的圆环形柔性骨架(2)上的线圈及回线(1)，在线圈及回线(1)外套装有外层绝缘套管(3)，圆环形柔性骨架O)的开口上安装有与线圈及回线(1)相连接的插入式接口(5)， 线圈出线经插入式接口(5)的孔引出后与取样电阻�？�(4)相连，取样电阻�？橐鲂藕庞牒蠹痘值缏废嗔印�
2.根据权利要求1所述的用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈，其特征在于 所述的取样电阻�？�(4)包括经插入式接口(5)与线圈出线相连接的取样电阻(8)，所述取样电阻⑶的两端同时与保护外壳(7)上的BNC插座(6)相连接。
3.根据权利要求1所述的用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈，其特征在于 所述的柔性骨架O)由柔性绝缘材料构成，且该柔性骨架O)的几何中间部分开设有使回线通过的通孔。
4.根据权利要求1所述的用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈，其特征在于 所述的线圈及回线(1)自柔性骨架O)的一端穿入柔性骨架O)的通孔，由另一端引出后以单层方式均勻的绕制在柔性骨架( 上，且在穿过柔性骨架通孔的回线上套装有起紧固和保护作用的聚四氟乙烯绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈，其特征在于 所述的插入式接口( 的两端为凹型，插入式接口( 中间设有螺纹凹槽与取样电阻�？� (4)螺纹连接。
6.一种用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈的设计方法，其特征在于1)先根据对直流系统呈指数变化的短路电流的频谱分析，确定罗氏线圈的频率下限， 根据所得的频率下限确定外积分电路的时间常数；2)然后根据载流母线的尺寸，在保证绝缘条件满足的条件下确定罗氏线圈柔性骨架的尺寸并根据被测电流峰值和外积分电路的时间常数确定罗氏线圈的互感；3)首先判断单层线圈及回线是否满足罗氏线圈互感大小的要求，如果不能满足，则改变柔性骨架截面直径使单层线圈及回线满足互感大小的要求；4)如果满足罗氏线圈互感的要求则制作罗氏线圈并进行参数的测量，根据最佳匹配确定外接电阻的大小。
全文摘要
一种用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈及其设计方法，该线圈包括均匀绕制在带有开口的圆环形柔性骨架上的线圈及回线，在线圈及回线外套装有外层绝缘套管，圆环形柔性骨架的开口上安装有与线圈及回线相连接的插入式接口，线圈出线经插入式接口的孔引出后与取样电阻�？橄嗔⊙缱枘？橐鲂藕庞牒蠹痘值缏废嗔�。本发明所采用的罗氏线圈回线绕线工艺，回线和线圈绕线本身由一条线构成。罗氏线圈首末端通过插入式接口进行连接，采用该工艺能够极大程度的提高罗氏线圈的机械寿命，可靠性高同时便于拆卸和安装；所述的一种用于直流系统短路电流检测的罗氏线圈的设计方法，能够结合直流系统短路的具体情况和现场工况。
文档编号G01R15/00GK102436897SQ20111027314
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者宋政湘, 王妍, 王金龙, 翟小社, 袁铎宁, 赵喜军 申请人:西安交通大学
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