專利名稱：羅哥夫斯基電流傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高電壓測量技術，尤其涉及一種羅哥夫斯基(Rogowski)電流傳感
背景技術：
羅哥夫斯基線圈是一種空心或帶磁芯的環(huán)形線圈，工作機理為電磁感應原理， 可直接套在被測導體上來測量通過導體的交流電流。該線圈的測量范圍從幾毫安到幾 百千安，可滿足不同的測量要求。羅哥夫斯基線圈具有適用頻率寬，測量幅值廣，線性 度好，易于標定，與一次回路無電氣連接等優(yōu)點。因此，在很多領域都有著極其廣泛的 應用前景，例如電能質(zhì)量監(jiān)控，整流器監(jiān)測，局放監(jiān)測等。在現(xiàn)有技術中，單獨測量大電流和小電流的基于羅哥夫斯基線圈的測量傳感器 已經(jīng)比較成熟。但這些電流傳感器只能較好地測量單一幅值范圍電流信號。若電流幅值 變化較大，則很難在整個實驗過程中進行完整測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種羅哥夫斯基電流傳感器，能夠測量具有較寬的幅值范 圍的電流信號。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種羅哥夫斯基電流傳感器，包括外部屏蔽結(jié)構(gòu)；圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架；分別獨立繞制在所述圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架的第一線圈和第二線圈，所述第一線圈 具有比所述第二線圈更多的繞線匝數(shù)；所述第一線圈和第二線圈分別并聯(lián)有對應阻值的第一積分電阻和第二積分電 阻；所述第一積分電阻和第二積分電阻分別具有對應的測量信號輸出端；所述第二積分電阻還并聯(lián)有瞬變電壓抑制二極管。在本實施例中，在線圈構(gòu)造中通過在圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架繞制不同繞線匝數(shù)的線 圈，使傳感器實現(xiàn)對更寬幅值范圍的電流信號的測量，并通過在第二積分電阻并聯(lián)TVS 的方式，在線圈通過較大電流時限制第二積分電阻兩端的出口電壓，以免因感應出高電 壓而威脅后級測量儀器的安全。優(yōu)選的，所述第一線圈的線圈匝數(shù)100 1000匝，積分電阻0.1 10 Ω，電 流范圍約為100Α 幾十kA;所述第二線圈的繞線匝數(shù)1 100匝，積分電阻10 1000 Ω ,電流范圍約為ImA 幾十Α。通過較大電流線圈的繞線匝數(shù)較多，對應的積 分電阻較小；通過較小電流線圈的繞線匝數(shù)較少，對應的積分電阻較大。優(yōu)選的，與所述第一線圈對應的第一積分電阻的阻值為0.1 10Ω，與所述第二 線圈對應的第二積分電阻的阻值為10 1000 Ω。
優(yōu)選的，所述圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架為鎳-鋅鐵氧體材料制成的實心環(huán)形結(jié)構(gòu)。與 普通磁芯如錳鋅鐵氧體材料相比，由于鎳-鋅鐵氧體材料相對初始磁導率較低，可在 IOkHz 300MHz范圍內(nèi)使用(錳鋅鐵氧體使用頻率范圍約為IkHz IOMHz)，從而 擴大了本發(fā)明傳感器的使用頻帶。進一步的，所述外部屏蔽結(jié)構(gòu)為環(huán)形結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽盒，在所述金屬屏蔽盒中 容納繞制了第一線圈和第二線圈的所述圓環(huán)形磁芯、第一積分電阻、第二積分電阻和瞬 變電壓抑制二極管，所述金屬屏蔽盒的外周設有窄縫結(jié)構(gòu)。金屬屏蔽盒將傳感器的主要 工作部件容納起來，可以防止外界的電磁干擾，窄縫結(jié)構(gòu)可以為一次側(cè)電流的磁場提供 耦合通路。采用金屬材料的屏蔽盒可以實現(xiàn)防止電磁干擾的功能，例如采用鋁或者銅等磁 導率較低的金屬。進一步的，所述第一線圈與第二線圈的相鄰邊緣的間距為1/4倍的所述圓環(huán)形 磁介質(zhì)骨架的周長。第一線圈和第二線圈均單獨繞制，不能重合，且要求保持至少1/4 周長的空間距離。優(yōu)選的，所述間距為1/4倍的所述圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架的周長。優(yōu)選的，所述第一積分電阻和第二積分電阻采用無感電阻。由于測量快速變化 的電流需要降低積分電阻的電感，普通電阻的雜散電感較大，積分時會發(fā)生較大振蕩， 不能較好還原原始電流信號，傳感器的測量頻帶和精度均會受到影響，因此采用無感電 阻則可以較好還原原始電流信號，保證傳感器的測量頻帶和精度?；谏鲜黾夹g方案，本發(fā)明實施例在線圈構(gòu)造中通過在圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架繞制 不同繞線匝數(shù)的線圈，使傳感器實現(xiàn)對更寬幅值范圍的電流信號的測量，解決了普通電 流傳感器只能測量單一幅值范圍電流信號所導致的應用范圍較有限的問題，并通過在第 二積分電阻并聯(lián)TVS的方式，在線圈通過較大電流時限制第二積分電阻兩端的出口電 壓，以免因感應出高電壓而威脅后級測量儀器的安全，提高了傳感器的可靠性。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本 發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖 中圖1為本發(fā)明羅哥夫斯基電流傳感器的一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為采用本發(fā)明羅哥夫斯基電流傳感器實施例測試28mA較小電流的方波響應 曲線示意圖。圖3為采用本發(fā)明羅哥夫斯基電流傳感器實施例測試28mA較小電流的脈沖響應 曲線示意圖。圖4為采用本發(fā)明羅哥夫斯基電流傳感器實施例測試較大電流(5kA，8/20 μ s標 準電流波)的脈沖響應曲線示意圖。
具體實施例方式下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。
如圖1所示，為本發(fā)明羅哥夫斯基電流傳感器的一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。在本 實施例中，羅哥夫斯基電流傳感器包括圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架1，在圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架1上分 別獨立繞制了第一線圈2-1和第二線圈2-2，其中第一線圈2-1具有比第二線圈2-2更多 的繞線匝數(shù)，在構(gòu)成第一線圈2-1的漆包線的兩端并聯(lián)有第一積分電阻5-1，在構(gòu)成第二 線圈2-2的漆包線的兩端并聯(lián)有第二積分電阻5-2，第一積分電阻5-1和第二積分電阻 5-2的阻值分別根據(jù)第一線圈2-1和第二線圈2-2設定。第一積分電阻5-1具有對應的測 量信號輸出端6-1，可與示波器一個的輸入通道相連，第二積分電阻5-2具有對應的測量 信號輸出端6-2，可與示波器的另一輸入通道相連。在第二積分電阻的兩端還可以并聯(lián)瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor,簡稱TVS)4。為了避免外部的電磁干擾，可在上述部件之外設置外部屏蔽結(jié) 構(gòu)3。在本實施例中，在線圈構(gòu)造中通過在圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架繞制不同繞線匝數(shù)的線 圈，使傳感器實現(xiàn)對更寬幅值范圍的電流信號的測量，并利用兩個檢測信號輸出端，連 接示波器的兩個輸入通道，可以顯示不同大小的電流的信號波形。在現(xiàn)有技術中的羅哥夫斯基電流傳感器的結(jié)構(gòu)中在骨架上只繞制一個線圈，根 據(jù)其檢測的電流的靈敏度，繞制的匝數(shù)和積分電阻的阻值有所不同。本實施例中在骨架 上分別獨立繞制了兩個不同繞線匝數(shù)的線圈，其檢測的電流的幅值范圍就覆蓋了兩種采 用不同繞線匝數(shù)的單一線圈的羅哥夫斯基電流傳感器的幅值范圍，而且由于共用圓環(huán)形 磁介質(zhì)骨架和外部屏蔽結(jié)構(gòu)，也降低了制造成本。為了使本發(fā)明羅哥夫斯基電流傳感器具備較寬的幅值范圍，第一線圈的繞線匝 數(shù)為100 1000匝，適合測量電流范圍在100A 幾十kA的大電流；第二線圈的繞線 匝數(shù)為1 100匝，適合測量電流范圍在ImA 幾十A小電流。由于第一線圈的匝數(shù) 較多，變比較大，因此靈敏度較?。欢诙€圈的匝數(shù)較少，變比較小，因此靈敏度較 大。對于測量大電流的第一線圈，其所對應的第一積分電阻的阻值為0.1 10 Ω，對于 測量小電流的第二線圈，其所對應的第二積分電阻的阻值為10 1000 Ω。在第二積分電阻的兩端并聯(lián)TVS，可以在線圈通過較大電流時限制第二積分電 阻兩端的出口電壓，以免因感應出高電壓而威脅后級測量儀器的安全。圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架的截面可為正方形，便于制造和繞制線圈。其材料可選用有 機玻璃或普通磁芯，優(yōu)選鎳-鋅鐵氧體材料制成的實心環(huán)形結(jié)構(gòu)。其由于鎳-鋅鐵氧體 材料的磁導率較低，電阻較大，適合與頻率較高的場合。外部屏蔽結(jié)構(gòu)可選用環(huán)形結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽盒，在金屬屏蔽盒中容納繞制了第一 線圈和第二線圈的所述圓環(huán)形磁芯、第一積分電阻、第二積分電阻和TVS，金屬屏蔽盒 的外周設有窄縫結(jié)構(gòu)。金屬屏蔽盒將傳感器的主要工作部件容納起來，可以防止外界的 電磁干擾。窄縫結(jié)構(gòu)是在一次側(cè)電流穿過傳感器中軸線時，在垂直電流方向的平面產(chǎn)生 磁場，該磁場穿過所述窄縫結(jié)構(gòu)在傳感器的線圈上感應出電壓，該窄縫結(jié)構(gòu)為一次側(cè)電 流提供耦合通路。金屬屏蔽盒可采用常用的導電率較高的金屬，例如鋁、銅等。第一線圈和第二線圈均單獨繞制，不能重合，且要求保持一定的空間距離，第 一線圈與第二線圈的相鄰邊緣的間距可選為1/4周長。優(yōu)選的，所述間距為1/4倍的所 述圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架的周長。當采用1/4周長的間距時，第二線圈所感應的電流信號頻帶較寬，性能較優(yōu)，而如果選擇其它間距時，其頻帶和性能均受到不良影響。優(yōu)選的，第一積分電阻和第二積分電阻可采用無感電阻。由于測量快速變化的 電流需要降低積分電阻的電感，普通電阻的雜散電感較大，積分時會發(fā)生較大振蕩，不 能較好還原原始電流信號，傳感器的測量頻帶和精度均會受到影響，因此采用無感電阻 則可以較好還原原始電流信號，保證傳感器的測量頻帶和精度。如果主要測試低頻電 流，則也可采用普通電阻作為積分電阻。本發(fā)明的羅哥夫斯基電流傳感器實施例的兩個測量信號輸出端可采用工程用標 準接頭，例如Q9接頭等，可以通過電纜與示波器的輸入通道很好匹配。在測試前調(diào)節(jié)觸 發(fā)電平至合適位置。在圖1中的測量信號輸出端6-1為較大電流的輸出端，其靈敏度較小 (例如5V/A)，測量信號輸出端6-2為較小電流的輸出端，其靈敏度較大(例如0.005V/ A)。將待測信號導線穿過線圈中心，當小電流通過時，測試信號輸出端6-2輸出較小的 電流信號，在示波器上顯示相應的波形；而此時測試信號輸出端6-1由于靈敏度低，輸 出幾乎為零，示波器無法測量，故在顯示上沒有波形或波形不明顯。當大電流通過時， 測試信號輸出端6-1輸出較大的電流信號，適合示波器測量，故在示波器上顯示相應的 波形，而測試信號輸出端6-2的靈敏度較高，其輸出的脈沖信號會很大，容易造成測量 儀器的損壞，因此通過并聯(lián)TVS來限制輸出的電壓幅值為TVS管的穩(wěn)壓值，避免測量儀 器的損壞。圖2和圖3為本發(fā)明羅哥夫斯基電流傳感器實施例的兩個具體測試實例。其中， 圖2為測試較小電流(28mA)的方波響應曲線示意圖，其中曲線1表示分流器，曲線2表 示小電流線圈；圖3為測試較小電流(28mA)的脈沖響應曲線示意圖，其中曲線1表示分 流器，曲線2表示小電流線圈；圖4為測試較大電流(5kA，8/20 μ s標準電流波)的脈沖 響應曲線示意圖，其中曲線1表示大電流線圈，曲線2表示分流器。圖2表明，較小電流的方波響應曲線的上升沿及下降沿響應時間均比分流器響 應時間短，說明線圈高頻性能較好；同時方波響應曲線的響應平頂降很小，說明其低頻 特性也較好；此外在上升沿和下降沿附近也未出現(xiàn)振蕩和過沖。圖3表明，小電流脈沖 響應曲線的上升沿及下降沿響應時間均比分流器響應時間短，說明線圈高頻性能較好。 同時在脈沖波尾處也未出現(xiàn)過沖和振蕩。圖4中，大電流線圈匝數(shù)為200匝，積分電阻1 Ω，故理論靈敏度為H = 1/200 =0.005。標定大電流線圈靈敏度采用標準分流器，分流器電阻值為0.001824Ω， 此時分流器輸出電壓值為9.9V，大電流線圈輸出電壓值為27.1V，故實際靈敏度則為
27 1
= 9.9/0.001824 =°·004""0·005與理論靈敏度很接近，說明較大電流的測試8/20 μ s ‘ >
標準電流波未發(fā)生截止，正負峰值基本重合，無相差，波形響應好。本領域普通技術人員可以理解實現(xiàn)上述方法實施例的全部或部分步驟可以 通過程序指令相關的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中， 該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質(zhì)包括ROM、 RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制； 盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解
6依然可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者對部分技術特征進行等同替換；而不脫 離本發(fā)明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發(fā)明請求保護的技術方案范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種羅哥夫斯基電流傳感器，包括外部屏蔽結(jié)構(gòu)；圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架；分別獨立繞制在所述圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架的第一線圈和第二線圈，所述第一線圈具有 比所述第二線圈更多的繞線匝數(shù)；所述第一線圈和第二線圈分別并聯(lián)有對應阻值的第一積分電阻和第二積分電阻；所述第一積分電阻和第二積分電阻分別具有對應的測量信號輸出端；所述第二積分電阻還并聯(lián)有瞬變電壓抑制二極管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的羅哥夫斯基電流傳感器，其中所述第一線圈的繞線匝數(shù)為 100 1000匝；所述第二線圈的繞線匝數(shù)為1 100匝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的羅哥夫斯基電流傳感器，其中與所述第一線圈對應的第 一積分電阻的阻值為0.1 10Ω，與所述第二線圈對應的第二積分電阻的阻值為10 1000 Ω。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的羅哥夫斯基電流傳感器，其中所述圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架為 鎳_鋅鐵氧體材料制成的實心環(huán)形結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的羅哥夫斯基電流傳感器，其中所述外部屏蔽結(jié)構(gòu)為環(huán)形結(jié) 構(gòu)的金屬屏蔽盒，在所述金屬屏蔽盒中容納繞制了第一線圈和第二線圈的所述圓環(huán)形磁 芯、第一積分電阻、第二積分電阻和瞬變電壓抑制二極管，所述金屬屏蔽盒的外周設有 窄縫結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的羅哥夫斯基電流傳感器，其中所述第一線圈與第二線圈的相 鄰邊緣的間距至少為1/4倍的所述圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架的周長。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的羅哥夫斯基電流傳感器，其中所述間距為1/4倍的所述圓環(huán) 形磁介質(zhì)骨架的周長。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的羅哥夫斯基電流傳感器，其中所述第一積分電阻和第二 積分電阻采用無感電阻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種羅哥夫斯基電流傳感器，包括外部屏蔽結(jié)構(gòu)；圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架；分別獨立繞制在所述圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架的第一線圈和第二線圈，所述第一線圈具有比所述第二線圈更多的繞線匝數(shù)；所述第一線圈和第二線圈分別并聯(lián)有對應阻值的第一積分電阻和第二積分電阻；所述第一積分電阻和第二積分電阻分別具有對應的測量信號輸出端；所述第二積分電阻還并聯(lián)有瞬變電壓抑制二極管。本發(fā)明實施例在線圈構(gòu)造中通過在圓環(huán)形磁介質(zhì)骨架繞制不同繞線匝數(shù)的線圈，使傳感器實現(xiàn)對更寬幅值范圍的電流信號的測量，并通過在第二積分電阻并聯(lián)TVS的方式，在線圈通過較大電流時限制第二積分電阻兩端的出口電壓，提高了傳感器的可靠性。
文檔編號G01R19/00GK102012448SQ20101051978
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者劉石, 張喬根, 張璐, 張翠霞 申請人:中國電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司, 西安交通大學