罗哥夫斯基电流传感器

摘要

本发明涉及一种罗哥夫斯基电流传感器，包括：外部屏蔽结构；圆环形磁介质骨架；分别独立绕制在所述圆环形磁介质骨架的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈具有比所述第二线圈更多的绕线匝数；所述第一线圈和第二线圈分别并联有对应阻值的第一积分电阻和第二积分电阻；所述第一积分电阻和第二积分电阻分别具有对应的测量信号输出端；所述第二积分电阻还并联有瞬变电压抑制二极管。本发明实施例在线圈构造中通过在圆环形磁介质骨架绕制不同绕线匝数的线圈，使传感器实现对更宽幅值范围的电流信号的测量，并通过在第二积分电阻并联TVS的方式，在线圈通过较大电流时限制第二积分电阻两端的出口电压，提高了传感器的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及高电压测量技术，尤其涉及一种罗哥夫斯基(Rogowski)电流传感器。

背景技术

罗哥夫斯基线圈是一种空心或带磁芯的环形线圈，工作机理为电磁感应原理，可直接套在被测导体上来测量通过导体的交流电流。该线圈的测量范围从几毫安到几百千安，可满足不同的测量要求。罗哥夫斯基线圈具有适用频率宽，测量幅值广，线性度好，易于标定，与一次回路无电气连接等优点。因此，在很多领域都有着极其广泛的应用前景，例如电能质量监控，整流器监测，局放监测等。

在现有技术中，单独测量大电流和小电流的基于罗哥夫斯基线圈的测量传感器已经比较成熟。但这些电流传感器只能较好地测量单一幅值范围电流信号。若电流幅值变化较大，则很难在整个实验过程中进行完整测量。

发明内容

本发明的目的是提出一种罗哥夫斯基电流传感器，能够测量具有较宽的幅值范围的电流信号。

为实现上述目的，本发明提供了一种罗哥夫斯基电流传感器，包括：

外部屏蔽结构；

圆环形磁介质骨架；

分别独立绕制在所述圆环形磁介质骨架的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈具有比所述第二线圈更多的绕线匝数；

所述第一线圈和第二线圈分别并联有对应阻值的第一积分电阻和第二积分电阻；

所述第一积分电阻和第二积分电阻分别具有对应的测量信号输出端；

所述第二积分电阻还并联有瞬变电压抑制二极管。

在本实施例中，在线圈构造中通过在圆环形磁介质骨架绕制不同绕线匝数的线圈，使传感器实现对更宽幅值范围的电流信号的测量，并通过在第二积分电阻并联TVS的方式，在线圈通过较大电流时限制第二积分电阻两端的出口电压，以免因感应出高电压而威胁后级测量仪器的安全。

优选的，所述第一线圈的线圈匝数：100～1000匝，积分电阻：0.1～10Ω，电流范围约为：100A～几十kA；所述第二线圈的绕线匝数：1～100匝，积分电阻：10～1000Ω，电流范围约为：1mA～几十A。通过较大电流线圈的绕线匝数较多，对应的积分电阻较小；通过较小电流线圈的绕线匝数较少，对应的积分电阻较大。

优选的，与所述第一线圈对应的第一积分电阻的阻值为0.1～10Ω，与所述第二线圈对应的第二积分电阻的阻值为10～1000Ω。

优选的，所述圆环形磁介质骨架为镍-锌铁氧体材料制成的实心环形结构。与普通磁芯如锰锌铁氧体材料相比，由于镍-锌铁氧体材料相对初始磁导率较低，可在10kHz～300MHz范围内使用(锰锌铁氧体使用频率范围约为：1kHz～10MHz)，从而扩大了本发明传感器的使用频带。

进一步的，所述外部屏蔽结构为环形结构的金属屏蔽盒，在所述金属屏蔽盒中容纳绕制了第一线圈和第二线圈的所述圆环形磁芯、第一积分电阻、第二积分电阻和瞬变电压抑制二极管，所述金属屏蔽盒的外周设有窄缝结构。金属屏蔽盒将传感器的主要工作部件容纳起来，可以防止外界的电磁干扰，窄缝结构可以为一次侧电流的磁场提供耦合通路。

采用金属材料的屏蔽盒可以实现防止电磁干扰的功能，例如采用铝或者铜等磁导率较低的金属。

进一步的，所述第一线圈与第二线圈的相邻边缘的间距为1/4倍的所述圆环形磁介质骨架的周长。第一线圈和第二线圈均单独绕制，不能重合，且要求保持至少1/4周长的空间距离。

优选的，所述间距为1/4倍的所述圆环形磁介质骨架的周长。

优选的，所述第一积分电阻和第二积分电阻采用无感电阻。由于测量快速变化的电流需要降低积分电阻的电感，普通电阻的杂散电感较大，积分时会发生较大振荡，不能较好还原原始电流信号，传感器的测量频带和精度均会受到影响，因此采用无感电阻则可以较好还原原始电流信号，保证传感器的测量频带和精度。

基于上述技术方案，本发明实施例在线圈构造中通过在圆环形磁介质骨架绕制不同绕线匝数的线圈，使传感器实现对更宽幅值范围的电流信号的测量，解决了普通电流传感器只能测量单一幅值范围电流信号所导致的应用范围较有限的问题，并通过在第二积分电阻并联TVS的方式，在线圈通过较大电流时限制第二积分电阻两端的出口电压，以免因感应出高电压而威胁后级测量仪器的安全，提高了传感器的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明罗哥夫斯基电流传感器的一实施例的结构示意图。

图2为采用本发明罗哥夫斯基电流传感器实施例测试28mA较小电流的方波响应曲线示意图。

图3为采用本发明罗哥夫斯基电流传感器实施例测试28mA较小电流的脉冲响应曲线示意图。

图4为采用本发明罗哥夫斯基电流传感器实施例测试较大电流(5kA，8/20μs标准电流波)的脉冲响应曲线示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明罗哥夫斯基电流传感器的一实施例的结构示意图。在本实施例中，罗哥夫斯基电流传感器包括圆环形磁介质骨架1，在圆环形磁介质骨架1上分别独立绕制了第一线圈2-1和第二线圈2-2，其中第一线圈2-1具有比第二线圈2-2更多的绕线匝数，在构成第一线圈2-1的漆包线的两端并联有第一积分电阻5-1，在构成第二线圈2-2的漆包线的两端并联有第二积分电阻5-2，第一积分电阻5-1和第二积分电阻5-2的阻值分别根据第一线圈2-1和第二线圈2-2设定。第一积分电阻5-1具有对应的测量信号输出端6-1，可与示波器一个的输入通道相连，第二积分电阻5-2具有对应的测量信号输出端6-2，可与示波器的另一输入通道相连。

在第二积分电阻的两端还可以并联瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor，简称TVS)4。为了避免外部的电磁干扰，可在上述部件之外设置外部屏蔽结构3。

在本实施例中，在线圈构造中通过在圆环形磁介质骨架绕制不同绕线匝数的线圈，使传感器实现对更宽幅值范围的电流信号的测量，并利用两个检测信号输出端，连接示波器的两个输入通道，可以显示不同大小的电流的信号波形。

在现有技术中的罗哥夫斯基电流传感器的结构中在骨架上只绕制一个线圈，根据其检测的电流的灵敏度，绕制的匝数和积分电阻的阻值有所不同。本实施例中在骨架上分别独立绕制了两个不同绕线匝数的线圈，其检测的电流的幅值范围就覆盖了两种采用不同绕线匝数的单一线圈的罗哥夫斯基电流传感器的幅值范围，而且由于共用圆环形磁介质骨架和外部屏蔽结构，也降低了制造成本。

为了使本发明罗哥夫斯基电流传感器具备较宽的幅值范围，第一线圈的绕线匝数为100～1000匝，适合测量电流范围在100A～几十kA的大电流；第二线圈的绕线匝数为1～100匝，适合测量电流范围在1mA～几十A小电流。由于第一线圈的匝数较多，变比较大，因此灵敏度较小；而第二线圈的匝数较少，变比较小，因此灵敏度较大。对于测量大电流的第一线圈，其所对应的第一积分电阻的阻值为0.1～10Ω，对于测量小电流的第二线圈，其所对应的第二积分电阻的阻值为10～1000Ω。

在第二积分电阻的两端并联TVS，可以在线圈通过较大电流时限制第二积分电阻两端的出口电压，以免因感应出高电压而威胁后级测量仪器的安全。

圆环形磁介质骨架的截面可为正方形，便于制造和绕制线圈。其材料可选用有机玻璃或普通磁芯，优选镍-锌铁氧体材料制成的实心环形结构。其由于镍-锌铁氧体材料的磁导率较低，电阻较大，适合与频率较高的场合。

外部屏蔽结构可选用环形结构的金属屏蔽盒，在金属屏蔽盒中容纳绕制了第一线圈和第二线圈的所述圆环形磁芯、第一积分电阻、第二积分电阻和TVS，金属屏蔽盒的外周设有窄缝结构。金属屏蔽盒将传感器的主要工作部件容纳起来，可以防止外界的电磁干扰。窄缝结构是在一次侧电流穿过传感器中轴线时，在垂直电流方向的平面产生磁场，该磁场穿过所述窄缝结构在传感器的线圈上感应出电压，该窄缝结构为一次侧电流提供耦合通路。金属屏蔽盒可采用常用的导电率较高的金属，例如铝、铜等。

第一线圈和第二线圈均单独绕制，不能重合，且要求保持一定的空间距离，第一线圈与第二线圈的相邻边缘的间距可选为1/4周长。优选的，所述间距为1/4倍的所述圆环形磁介质骨架的周长。当采用1/4周长的间距时，第二线圈所感应的电流信号频带较宽，性能较优，而如果选择其它间距时，其频带和性能均受到不良影响。

优选的，第一积分电阻和第二积分电阻可采用无感电阻。由于测量快速变化的电流需要降低积分电阻的电感，普通电阻的杂散电感较大，积分时会发生较大振荡，不能较好还原原始电流信号，传感器的测量频带和精度均会受到影响，因此采用无感电阻则可以较好还原原始电流信号，保证传感器的测量频带和精度。如果主要测试低频电流，则也可采用普通电阻作为积分电阻。

本发明的罗哥夫斯基电流传感器实施例的两个测量信号输出端可采用工程用标准接头，例如Q9接头等，可以通过电缆与示波器的输入通道很好匹配。在测试前调节触发电平至合适位置。在图1中的测量信号输出端6-1为较大电流的输出端，其灵敏度较小(例如5V/A)，测量信号输出端6-2为较小电流的输出端，其灵敏度较大(例如0.005V/A)。将待测信号导线穿过线圈中心，当小电流通过时，测试信号输出端6-2输出较小的电流信号，在示波器上显示相应的波形；而此时测试信号输出端6-1由于灵敏度低，输出几乎为零，示波器无法测量，故在显示上没有波形或波形不明显。当大电流通过时，测试信号输出端6-1输出较大的电流信号，适合示波器测量，故在示波器上显示相应的波形，而测试信号输出端6-2的灵敏度较高，其输出的脉冲信号会很大，容易造成测量仪器的损坏，因此通过并联TVS来限制输出的电压幅值为TVS管的稳压值，避免测量仪器的损坏。

图2和图3为本发明罗哥夫斯基电流传感器实施例的两个具体测试实例。其中，图2为测试较小电流(28mA)的方波响应曲线示意图，其中曲线1表示分流器，曲线2表示小电流线圈；图3为测试较小电流(28mA)的脉冲响应曲线示意图，其中曲线1表示分流器，曲线2表示小电流线圈；图4为测试较大电流(5kA，8/20μs标准电流波)的脉冲响应曲线示意图，其中曲线1表示大电流线圈，曲线2表示分流器。

图2表明，较小电流的方波响应曲线的上升沿及下降沿响应时间均比分流器响应时间短，说明线圈高频性能较好；同时方波响应曲线的响应平顶降很小，说明其低频特性也较好；此外在上升沿和下降沿附近也未出现振荡和过冲。图3表明，小电流脉冲响应曲线的上升沿及下降沿响应时间均比分流器响应时间短，说明线圈高频性能较好。同时在脉冲波尾处也未出现过冲和振荡。

图4中，大电流线圈匝数为200匝，积分电阻1Ω，故理论灵敏度为H＝1/200＝0.005。标定大电流线圈灵敏度采用标准分流器，分流器电阻值为0.001824Ω，此时分流器输出电压值为9.9V，大电流线圈输出电压值为27.1V，故实际灵敏度则为与理论灵敏度很接近，说明较大电流的测试8/20μs标准电流波未发生截止，正负峰值基本重合，无相差，波形响应好。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。