本發(fā)明涉及輸電線路故障檢測(cè)領(lǐng)域，具體為一種暫態(tài)電流傳感器。

背景技術(shù)：
輸電線路故障暫態(tài)電流行波包含大量的故障信息，是輸電線路故障診斷的基礎(chǔ)。目前故障電流傳感器普遍采用柔性線圈，其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，并且安裝困難。PCB羅氏線圈(印刷電路板制羅氏線圈)具有體積小、重量輕、準(zhǔn)確度高等優(yōu)良特性，近年來(lái)得到了大量的應(yīng)用，但是針對(duì)輸電線路故障電流檢測(cè)領(lǐng)域，目前還沒(méi)有合適的解決方案。PCB羅氏線圈在故障電流檢測(cè)領(lǐng)域的問(wèn)題主要集中在如何抗干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，由于處于電力線路上，除鄰相導(dǎo)線外，所在空間可能存在其他干擾磁場(chǎng)。其他干擾源產(chǎn)生的磁場(chǎng)可分解為與PCB羅氏線圈骨架所在的平面相平行的分量，以及相垂直的分量BZ。平行分量對(duì)PCB羅氏線圈的影響與鄰相導(dǎo)線的影響同理，積分下來(lái)結(jié)果均為0，因此只需考慮垂直方向的磁場(chǎng)BZ的影響，如圖1所示。BZ與PCB羅氏線圈的每個(gè)小線匝所在的截面平行，因而在小線匝中不會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但小線匝在整個(gè)線圈骨架上螺旋密繞，形成了一個(gè)類似于環(huán)形螺線管螺旋式地沿骨架的環(huán)形前進(jìn)，環(huán)繞一周后，形成了一個(gè)沿環(huán)繞方向的等效大線匝，如圖2所示。由于BZ與大線匝所在的平面垂直，當(dāng)BZ隨時(shí)間變化時(shí)，穿過(guò)大線匝的磁通量隨之變化并在PCB羅氏線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eZ。雖然大線匝僅有一匝，但大線匝的面積通常遠(yuǎn)大于小線匝的截面積，即使垂直方向的干擾磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與待測(cè)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度相近，也會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)顯著的誤差。因此在實(shí)際使用中需考慮在PCB羅氏線圈上添加回線L來(lái)避免垂直方向磁場(chǎng)BZ的干擾，回線L所處平面平行于PCB羅氏線圈骨架所在的平面，如圖3所示。如圖4所示，記回線圍成的圓的半徑為R回，大線匝的等效半徑Req，BZ在回線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e回，最終輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e′Z，則e′Z等于e回與eZ之和。若R回等于Req，由于回線中電流方向和等效大線匝的電流方向相反，則e回與eZ大小相等，方向相反，二者相互抵消，e′Z為零。但是由于在實(shí)際使用中考慮裝置安裝的便利性，需采用雙半圓環(huán)合成整個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上述方案的結(jié)構(gòu)不方便設(shè)置整個(gè)大線匝的回線。公開(kāi)號(hào)為CN102445588A，公開(kāi)日為2012年5月9號(hào)，名稱為“基于PCB型羅氏線圈的短時(shí)緩變大電流測(cè)量裝置”的中國(guó)專利文獻(xiàn)提出采用對(duì)稱布線和設(shè)置回線的方式消除電磁干擾，由于其回線與線圈不是嚴(yán)格抵消，因此干擾信號(hào)依然可以進(jìn)入到羅氏線圈。文獻(xiàn)“PCB型Rogowski線圈(羅氏線圈)的誤差分析”提出將兩個(gè)導(dǎo)線繞向相反的線圈進(jìn)行串聯(lián),實(shí)現(xiàn)普通空心線圈中的回線功能,同時(shí)可以增大線圈輸出電壓，但是線圈距離越近,自感和雜散電容也就會(huì)越大,也會(huì)影響到線圈的精度和頻率響應(yīng)。公開(kāi)號(hào)為CN201465698U，公開(kāi)日為2010年5月12號(hào)，名稱為“一種高精度開(kāi)口式羅氏線圈”的中國(guó)專利文獻(xiàn)提出用四個(gè)半圓分別組成兩個(gè)方向相反的半圓線圈實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟式互感器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)回線，上述方法解決了安裝的問(wèn)題但是兩個(gè)鏡面半圓是松耦合，并不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的抵消，因此對(duì)干擾信號(hào)的屏蔽作用有限，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器，該開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器安裝方便，采樣精度高，線性度好，抗干擾能力強(qiáng)?；谏鲜瞿康?，本發(fā)明提供了一種開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器，其包括：第一半環(huán)體，其沿環(huán)形延伸的方向具有首端和尾端；所述第一半環(huán)體上纏繞有導(dǎo)線，所述導(dǎo)線從第一半環(huán)體的首端按照第一繞線方向纏繞至其尾端后，再?gòu)牡谝话氕h(huán)體的尾端按照第一繞線方向纏繞回其首端；第二半環(huán)體，其沿環(huán)形延伸的方向具有首端和尾端，所述第一半環(huán)體的首端和第二半環(huán)體的首端拼接，所述第一半環(huán)體的尾端和第二半環(huán)體的尾端拼接以形成一完整的圓環(huán)；所述第二半環(huán)體上纏繞有導(dǎo)線，所述導(dǎo)線從第二半環(huán)體的首端按照與第一繞線方向相反的第二繞線方向纏繞至其尾端后，再?gòu)牡诙氕h(huán)體的尾端按照第二繞線方向纏繞回其首端；所述第一半環(huán)體和第二半環(huán)體上纏繞的導(dǎo)線均具有纏繞的起點(diǎn)端和終點(diǎn)端，兩所述終點(diǎn)端相互連接，兩所述起點(diǎn)端為輸出端。本發(fā)明所述的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器，其通過(guò)設(shè)置可拼接成整個(gè)圓環(huán)的第一半環(huán)體和第二半環(huán)體作為線圈的骨架，安裝時(shí)先開(kāi)啟圓環(huán)，將待測(cè)線路套進(jìn)圓環(huán)中孔，再關(guān)閉圓環(huán)，從而方便了安裝使用。本技術(shù)方案以導(dǎo)線從第一半環(huán)體和第二半環(huán)體的首端順繞至尾端(后文簡(jiǎn)稱為“順繞”)再?gòu)奈捕死@回首端(后文簡(jiǎn)稱為“回繞”)的方式，將回繞線圈的等效大線匝替代現(xiàn)有技術(shù)中帶回線的羅氏線圈的回線，從而起到與之相同的抵消順繞線圈的等效大線匝產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用，從而消除了垂直方向干擾磁場(chǎng)的影響。本發(fā)明所述的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器可以是PCB羅氏線圈，且作為一種羅氏線圈，通常配合積分器使用。進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器中，所述第一半環(huán)體和第二半環(huán)體上均設(shè)有至少兩排外環(huán)過(guò)孔和至少兩排內(nèi)環(huán)過(guò)孔，所述外環(huán)過(guò)孔靠近第一半環(huán)體和第二半環(huán)體的外邊緣設(shè)置，所述內(nèi)環(huán)過(guò)孔靠近第一半環(huán)體和第二半環(huán)體的內(nèi)邊緣設(shè)置，所述導(dǎo)線通過(guò)外環(huán)過(guò)孔和內(nèi)環(huán)過(guò)孔纏繞于所述第一半環(huán)體和第二半環(huán)體上。上述方案中，若本發(fā)明所述的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器是PCB羅氏線圈，則所述第一半環(huán)體和第二半環(huán)體為印刷電路板，所述過(guò)孔本身是導(dǎo)體，過(guò)孔與過(guò)孔之間的印刷線路代替所述導(dǎo)線共同構(gòu)成線匝。更進(jìn)一步地，在上述開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器中，所述每一排外環(huán)過(guò)孔和每一排內(nèi)環(huán)過(guò)孔的各過(guò)孔在所述圓環(huán)的周向方向上均布。更進(jìn)一步地，在上述開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器中，所述外環(huán)過(guò)孔包括設(shè)置為第M排外環(huán)過(guò)孔和第N排外環(huán)過(guò)孔的兩排外環(huán)過(guò)孔，所述內(nèi)環(huán)過(guò)孔包括三排；所述導(dǎo)線在從首端纏繞到尾端的路徑上通過(guò)第M排外環(huán)過(guò)孔和內(nèi)環(huán)過(guò)孔，所述導(dǎo)線在從尾端纏繞回首端的路徑上通過(guò)第N排外環(huán)過(guò)孔和內(nèi)環(huán)過(guò)孔。更進(jìn)一步地，在上述開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器中，所述第N排外環(huán)過(guò)孔在所述圓環(huán)的徑向方向上設(shè)于第M排外環(huán)過(guò)孔的外側(cè)。更進(jìn)一步地，在上述開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器中，所述三排內(nèi)環(huán)過(guò)孔包括在所述圓環(huán)的徑向方向上從內(nèi)向外依次設(shè)置的第A排內(nèi)環(huán)過(guò)孔、第B排內(nèi)環(huán)過(guò)孔和第C排內(nèi)環(huán)過(guò)孔；所述導(dǎo)線在從首端纏繞到尾端的路徑上將第M排外環(huán)過(guò)孔與第A排內(nèi)環(huán)過(guò)孔、第C排內(nèi)環(huán)過(guò)孔和第B排內(nèi)環(huán)過(guò)孔依次循環(huán)連接，所述導(dǎo)線在從尾端纏繞回首端的路徑上將第N排外環(huán)過(guò)孔與第C排內(nèi)環(huán)過(guò)孔、第A排內(nèi)環(huán)過(guò)孔和第B排內(nèi)環(huán)過(guò)孔依次循環(huán)連接。上述方案增大了過(guò)孔排列分布空間，降低了加工難度，同時(shí)也巧妙地保證了順繞線圈和回繞線圈結(jié)構(gòu)的等效大線匝半徑的一致性，做到了對(duì)干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的嚴(yán)格抵消，保證了良好的抗干擾能力。更進(jìn)一步地，在上述開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器中，所述每一排外環(huán)過(guò)孔中外環(huán)過(guò)孔的數(shù)量設(shè)置為58個(gè)，每一排內(nèi)環(huán)過(guò)孔中的內(nèi)環(huán)過(guò)孔數(shù)量設(shè)置為39個(gè)。本發(fā)明所述的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器，具有下述有益效果：1)由于其第一半環(huán)體和第二半環(huán)體可開(kāi)啟和閉合，安裝時(shí)，先開(kāi)啟圓環(huán)，將待測(cè)線路套進(jìn)圓環(huán)中孔，再關(guān)閉圓環(huán)，使得安裝非常方便；2)由于順繞線圈和回繞線圈結(jié)構(gòu)的等效大線匝半徑的一致性，做到了對(duì)干擾磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的嚴(yán)格抵消，保證了良好的抗干擾能力；3)當(dāng)采用PCB羅氏線圈時(shí)，具有更高的采樣精度和更好的線性度。附圖說(shuō)明圖1為現(xiàn)有的羅氏線圈在一種實(shí)施方式下的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的等效大線匝示意圖。圖3為現(xiàn)有的帶回線的羅氏線圈在一種實(shí)施方式下的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3的等效大線匝示意圖。圖5為本發(fā)明所述的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器在一種實(shí)施方式下的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明在一種實(shí)施方式下的第一半環(huán)體上過(guò)孔所在位置示意圖。圖7為圖5的等效大線匝示意圖。圖8為本實(shí)施例的線性度測(cè)試方案結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為本實(shí)施例的線性度測(cè)試方案下的一種輸入輸出波形圖。圖10為本實(shí)施例的線性度測(cè)試方案下等效輸入0-12000A的輸出曲線圖。圖11為本實(shí)施例的鄰相導(dǎo)線干擾測(cè)試方案結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器進(jìn)行進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明。圖5顯示了本發(fā)明所述的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器在一種實(shí)施方式下的結(jié)構(gòu)。如圖5所示，本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器為雙半圈(順繞和回繞半圈)PCB羅氏線圈，其包括：作為印刷電路板的第一半環(huán)體和第二半環(huán)體，其上具有若干穿過(guò)印刷電路板的過(guò)孔，過(guò)孔為導(dǎo)體，過(guò)孔之間有印制導(dǎo)線按照一定規(guī)則連接，過(guò)孔與印制導(dǎo)線共同構(gòu)成線圈線匝。其中，第一半環(huán)體具有首端H和尾端E，第二半環(huán)體具有首端H’和尾端E’，第一半環(huán)體的首端H和第二半環(huán)體的首端H’拼接，第一半環(huán)體的尾端E和第二半環(huán)體的尾端E’拼接以形成一完整的圓環(huán)。具體地，過(guò)孔的分布位置請(qǐng)繼續(xù)參考圖5，并結(jié)合參考圖6，以第一半環(huán)體為例，其外邊緣一側(cè)設(shè)置兩排過(guò)孔，內(nèi)邊緣一側(cè)設(shè)置三排過(guò)孔，由外向內(nèi)分別為N排、M排、C排、B排以及A排，各排過(guò)孔的與圓心的距離分別為RN、RM、RC、RB、RA。第一半環(huán)體的首端H有線匝的起點(diǎn)過(guò)孔X和終點(diǎn)過(guò)孔Y；N排和M排各有58個(gè)過(guò)孔，以相等的弧度間隔π/58在第一半環(huán)體的周向上均勻分布；C排、B排及A排各有39個(gè)過(guò)孔，以相等的弧度間隔π/39在第一半環(huán)體的周向上均勻分布。具體地，過(guò)孔與印制導(dǎo)線的連接請(qǐng)繼續(xù)參考圖5，正面的連接使用實(shí)線表征，背面的連接使用虛線表征，空心圓點(diǎn)表示順繞路徑上的過(guò)孔，實(shí)心圓點(diǎn)表示回繞路徑上的過(guò)孔。以第一半環(huán)體為例，給過(guò)孔標(biāo)號(hào)為Np、Mp、Cq、Bq、Aq，其中第一個(gè)字母代表過(guò)孔所在排，第二個(gè)字母代表過(guò)孔從首端H至尾端E的順序號(hào)，其中，p的范圍為1到58，q的范圍為1到39，順繞的路徑為X-A1-M1-C1-M2-B2-M3-A3-M4-C3…，即M排過(guò)孔通過(guò)印制導(dǎo)線依次與A排、C排、B排循環(huán)連接，直到正面M58與C39相連，順繞路徑結(jié)束；C39在背面與N58相連，由N58開(kāi)始回繞，回繞的路徑為N58-B39-N57-C38-N56-A38…，即N排過(guò)孔通過(guò)印制導(dǎo)線依次與C排、A排、B排過(guò)孔循環(huán)連接，直到B1連接至Y后回繞結(jié)束。其中，正面N排與C、A、B排連接時(shí)，先沿一段小圓弧從M排外側(cè)跨過(guò)；反面M排與A、C、B排連接時(shí)，也沿一段小圓弧從N排外側(cè)跨過(guò)，正反面的圓弧半徑相等，總跨度相等。以上是以第一半環(huán)體為例說(shuō)明本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上第二半環(huán)體和第一半環(huán)體結(jié)構(gòu)相同，只是拼接時(shí)與第一半環(huán)體相對(duì)放置。測(cè)量時(shí)將第一半環(huán)體的Y過(guò)孔與第二半環(huán)體的Y’過(guò)孔導(dǎo)通連接，第一半環(huán)體的X過(guò)孔和第二半環(huán)體的X’過(guò)孔作為輸出端。本實(shí)施例的等效大線匝如圖7所示，垂直方向的干擾磁場(chǎng)BZ在順繞等效大線匝L順與回繞等效大線匝L回中產(chǎn)生大小相同方向相反的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，二者相互抵消，輸出e′Z為零，從而消除了垂直方向干擾磁場(chǎng)的影響。圖中所示的順繞等效大線匝L順與回繞等效大線匝L回半徑的不同僅用于將二者區(qū)別開(kāi)來(lái)，實(shí)際由于本實(shí)施例中各段小圓弧半徑相等，順繞等效大線匝L順與回繞等效大線匝L回的半徑可以認(rèn)為是相等的。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器的性能和實(shí)施效果。首先，按圖8所示測(cè)試方案對(duì)本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器的線性度進(jìn)行測(cè)試。沖擊電流發(fā)生器可以產(chǎn)生幅值不大于2500A的沖擊電流，輸出連接一根耐壓水平高的導(dǎo)線1穿過(guò)本實(shí)施例的線圈2。為了獲得準(zhǔn)確的線性度測(cè)試結(jié)果，本測(cè)試所測(cè)電流范圍須較大，因此采用沖擊電流發(fā)生器的輸出導(dǎo)線纏繞五圈的方法，使得實(shí)際感應(yīng)出通過(guò)線圈的磁場(chǎng)擴(kuò)大五倍，即相當(dāng)于沖擊電流發(fā)生器輸出0-12000A范圍的等效沖擊電流。本實(shí)施例的線圈輸出接到調(diào)理電路上，調(diào)理電路為S1型精密積分器，由電壓為7.72V的鋰電池供電，調(diào)理電路有良好的恢復(fù)原波形的功能。將沖擊電流發(fā)生器輸出和調(diào)理電路輸出分別接到DPO5204數(shù)字示波器的CH1和CH2，對(duì)比觀察波形。當(dāng)沖擊電流發(fā)生器輸出2032A時(shí)的輸入輸出波形見(jiàn)圖9，可見(jiàn)輸入輸出波形基本一致。表1為沖擊電流發(fā)生器輸出0-12000A范圍的等效沖擊電流下的輸出數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)，圖10為表1的輸出數(shù)據(jù)圖和擬合曲線圖，可以看出輸入輸出具有很好的線性度。表1線性度測(cè)試結(jié)果序號(hào)等效電流(A)CH2峰峰值(V)擬合電壓(V)殘差(V)111602.021.760.26222804.123.920.20334006.006.07-0.07445808.248.35-0.115572010.110.54-0.446688012.512.78-0.287802014.814.97-0.178912017.417.090.3191016019.419.090.3110111602121.02-0.02記輸入電流為I(KA)，輸出電壓為U(V)，可得擬合關(guān)系為U＝1.92602I-0.47575該數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)為0.99992，表明輸出電壓與原邊電流間存在很好的線性相關(guān)性質(zhì)。最大非線性誤差為可見(jiàn)本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器的在量程內(nèi)線性度良好，非線性誤差較小。其次，按圖11所示測(cè)試方案對(duì)本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器的鄰相導(dǎo)線干擾進(jìn)行測(cè)試。使用沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生幅值為2310A的沖擊電流，并將通過(guò)沖擊電流的導(dǎo)線拉直伸長(zhǎng)，來(lái)模擬實(shí)際線路中的鄰相導(dǎo)線。本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器的線圈不套接任何導(dǎo)線，輸出接調(diào)理電路。將沖擊電流發(fā)生器輸出和調(diào)理電路輸出分別接到DPO5204數(shù)字示波器的CH1和CH2，控制導(dǎo)線與線圈的距離dAB為3cm和6cm，以及改變線圈和導(dǎo)線的相對(duì)方向，測(cè)得數(shù)據(jù)如表2。表2鄰相導(dǎo)線干擾測(cè)試CH1峰峰值V94.494.491.291.29696CH2峰峰值mV220220140140120160誤差％0.2330.2330.1530.1530.1250.167從表2可以得出，當(dāng)干擾源離本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器的線圈距離很近，且輸入很大時(shí)，輸出也極為微弱，且變化極小，說(shuō)明本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器具有良好的抗干擾性能。最后，為了測(cè)試垂直方向?qū)Ь€對(duì)本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器的影響，使用沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生干擾電流，并將傳導(dǎo)干擾電流的導(dǎo)線纏繞在圓柱體上形成螺線管，產(chǎn)生垂直水平面的均勻分布的磁場(chǎng)。本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器的線圈不套接任何電流。沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生的沖擊電流設(shè)定三個(gè)值：1030A,1565A,2020A，分別將線圈垂直和平行磁場(chǎng)擺放，測(cè)量調(diào)理電路輸出。測(cè)試結(jié)果如表3。表3垂直方向磁場(chǎng)干擾測(cè)試結(jié)果根據(jù)表3，考慮高頻量測(cè)量的難度、儀器固有誤差以及實(shí)際測(cè)量過(guò)程中屏蔽不夠完全，存在一定的誤差耦合，可以得出本實(shí)施例的開(kāi)啟式故障暫態(tài)電流傳感器對(duì)外界磁場(chǎng)具有良好的抗干擾性能。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。