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空心线圈电流互感器的设计一、设计背景及目标空心线圈电流互感器是新型互感器-电子式电流互感器的一种典型代表，是数字化变电站的重要的电流测量设备。
空心线圈的测量原理、制作方式、二次信号输出等均和传统互感器有较大差异。
本项设计的内容就是设计一套空心线圈及其二次信号变换电路。
按照基本的参数要求和有关国家标准，对空心线圈及其二次信号变换电路参数设计和结构设计，并对其性能进行仿真分析。
本课程设计的目的在于通过课程设计，掌握有关设计的基本步骤与规范；掌握空心电流互感器的工作原理、结构设计和性能仿真的方法等，巩固电量检测技术的知识，增强感性认识。
掌握空心线圈及其二次电路的参数设计、总体结构等，从而对电子式互感器的性能有初步的了解。
二、设计要求针对某一额定电流下的空心线圈进行线圈二次输出计算、二次积分电路参数设计及计算、结构设计等。
具体要求为：（1）根据国家标准，确定一次额定电流大小和准确度等级。
（2）根据国家标准，选择计量和保护通道的二次输出电压值。
（3）进行线圈的结构设计和电气参数设计，确定外形参数。
（4）进行积分电路的电气参数设计。
（5）对空心线圈和二次电路进行性能仿真。
（6）对空心线圈和二次电路进行误差分析。
三、设计原理一、空心线圈电流互感器的工作原理理想空心线圈是将导线均匀密绕在截面积细小均匀的环形非导磁材料骨架上而形成的封闭空心螺线管，其测量电流的工作原理如下图1所示。
如果载流导体从线圈穿过，根据安培环路定律，则图1---空心线圈示意图式中，L 为线圈圆周长，dl 为线圈周长上的一段线元长度，B 为线元处的磁感应强度，α 为B 和线元沿dl 方向的夹角，()i t 为流过载流导体的电流（为方便起见，下文均以1()i t 代替()i t 以表示流过载流导体的电流，即空心线圈电流互感器的一次电流），0μ为真空磁导率，设线圈截面积为S ，单位长度匝数（线匝密度）为n ，则线元长度内的线圈匝数为ndl 。
当线圈截面积S 非常细小时，可认为截面上磁感应强度处处相等，则dl 长度线圈内的磁通为链接整个线圈的磁链为01cos ()LLd nS B dl nSi t ψφαμ===⎰⎰当被测电流发生变化时，根据法拉第电磁感应定律，线圈输出端的感应电势为110()()()()di t di t d t e t nS M dt dt dtψμ=-=-=-其中，M 称为线圈与载流导线之间的互感 则空心线圈等效电路如下图所示：cos .LB dl iαμ=⎰70410/H m μπ-=⨯cos d nSB dl φα=⋅0M nSμ=图2---空心线圈等效电路其中，0R 为空心线圈等效内阻，0L 为空心线圈等效自感，0C 为线圈杂散电容，f R 为外接采样电阻（亦可认为是负荷电阻）。
反串式平面空心线圈电流传感器设计与性能分析
张旭东;袁兴宇;李响
【期刊名称】《电工技术》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】电网工作人员常带电设施作业,导致触电事故的现象时有发生,亟须合适的电场测量及安全预警装置。
根据此类需求设计了一款基于空心线圈的新型传感器,为实际复杂工况下的电场测量提供新的解决方案。
首先研究输电导线上的电流与其附近磁场强度的规律以及反向串联结构测量原理,结合合适的积分电路得到传感器在微分工作状态下的最优设计。
然后根据电场测量反演规律,设计空心线圈型高频带电流传感器。
最后通过分析空心线圈传感器的稳态和动态响应性能,验证了所设计的空心线圈传感器具有较宽的频带和测量范围,能有效抵御外界磁场干扰,且暂态与稳态响应性能满足实际需求。
【总页数】6页(P136-141)
【作者】张旭东;袁兴宇;李响
【作者单位】云南电网有限责任公司电力科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TM07
【相关文献】
1.基于PCB的平面型空心线圈电流互感器性能分析及设计
2.PCB空心线圈电流传感器的暂态特性
3.空心线圈电流传感器对暂态电流响应的仿真分析
4.空心线圈电流互感器性能分析
5.PCB空心线圈电流变换器性能分析
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PCB空心线圈电流传感器的暂态特性
张冈;王程远;陈幼平
【摘要】在电流测量中,PCB空心线圈具有很好的测量准确度和参数一致性。
在模拟积分器中,T形积分器具有很好的低频噪声抑制能力。
为此,提出了一种基于PCB 空心线圈和T形积分器的电子式电流传感器,建立了该传感器的传递函数模型和短路电流全偏移时的暂态特性模型。
重点分析了其对电力系统暂态电流的测量性能,对影响暂态特性的参数进行了数学分析,这为传感器的动态性能优化设计提供了一种分析方法。
对传感器样机进行了动模试验,和分流器的输出信号相比,两者波形吻合较好,峰值瞬时误差在±1%左右。
该试验结果表明,PCB空心线圈电流传感器具备准确反应电力系统故障电流暂态过程的能力,满足电力系统对电流测量和保护的需求。
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2010(000)011
【总页数】5页(P85-89)
【关键词】PCB空心线圈;T形积分器;电子式电流传感器;暂态特性
【作者】张冈;王程远;陈幼平
【作者单位】华中科技大学机械学院,武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】TM452。
一种基于空心线圈的电流测量方法摘要：本文提出一种基于空心线圈的电流测量方法。
该方法在空间按一定规则布置多个空心线圈，对采集到的每个线圈中的感应电压进行数值积分，通过分析其中两个线圈的感应电压的比值关系，得到线圈到导线的距离，在此基础上求解导线中的三相电流。
在Ansoft Maxwell软件中建立了该传感器的电磁仿真模型，仿真结果验证了该方法的正确性，得到了电流传感器的相对测量误差曲线。
关键词：电流测量; 空心线圈; 三相导线; 相对误差Abstract: This paper proposed a novel current measurement method based on hollow coil. The method placed several hollow coils in spatial according to certain rules. The collected induced voltage of each coil is integrated. By analyzing the ratio relationship of induced voltage in two of the coils, the distance from the coils to the conductor can be obtained. And based on this, the three-phase current can be solved. By building the electromagnetic model of the method with Ansoft Maxwell software, the correctness of measurement principle was verified with the simulation results. The relative error of the simulation result is obtained.Keywords: current measurement; hollow coil; three-phase conductor; relativeerror0 引言电流的准确测量是电能测量、继电保护、系统检测及电力系统分析等的前提条件[1]。
学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。
除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
学位论文作者签名： 指导教师签名：日期：年月日 日期：年月日第一章 引 言 １．１ 课题研究的背景及意义 我国地域辽阔，电力系统是一个复杂庞大的生产体系。
随着近几年来国民经济的快速发展，对电力的需求也越来越大，电力系统运行电压等级也随之提高。
目前我国电力系统主干网主要采用５００ＫＶ高压传输，少数地区已经试行７５０ＫＶ以及１０００ＫＶ超高压试点工程［１］。
随着主干网中电压等级的提高，电网规模不断扩大，发电厂、变电站数量不断增加，因此为了保证电力系统的安全、经济与稳定运行，需要对电力生产的全过程进行严格的调度管理。
电流互感器（ＴＡ，旧符号用ＣＴ表示）将电力系统一次回路中的电流信号按一定的比例关系传递到二次回路，提供给测量装置和继电保护装置等二次设备，来对电力系统进行监视、测量和保护。
电流互感器的额定一次电流取决于线路的额定电流，额定二次电流的标准为５Ａ和１Ａ，取决于二次设备的标准化要求。
电流互感器的一次、二次绕组之间有足够的绝缘强度，能将二次设备和工作人员与一次高压之间进行电气隔离，同时互感器的二次侧接地，保证了运行人员和二次设备的安全。
电流互感器的基本工作原理与变压器相同，运行状态相当于变压器的短路运行。
基于PCB的空心线圈电流互感器的设计薛晶;张蕊【摘要】In order to realize the connectivity and integration of digital substation information communication, a large number of electromagnetic current transformers are replaced by electronic current transformers. However, a large number of electronic devices and optical device long-term were exposed in the complex and harsh environment, and he fault rate compared with the traditional electromagnetic current transformer increased dramatically. The paper researched on on line calibration method for current transformer, and analyzed the problems of current transformer on line calibration, designing a current transformer based on PCB hollow coil, using method of multiple sets of stagger angle series, double channel on-line calibration,which has small measurement error,and high precision.%为了实现数字化变电站信息通讯等的连通性、集成性，大量的传统电磁式电流互感器被电子式电流互感器所取代，然而大量电子器件、光学器件长期暴露在复杂恶劣的外界环境之中，电子式电流互感器故障率大幅提升。
关于电子式电流互感器的设计分析近年来，由于社会对电能的需求量不断增加，电力企业的传输容量也在不断的增加，而电子式电流互感器的设计成功，有效的确保了电力系统运行的安全性，而且有效的降低了成本，为数字化变电站的建设奠定了良好的基础。
文中从电子式电流互感器的类型和特点进行了分析，并进一步对电子式电流互感器的设计思想、光电池的选择及电源性能参数进行了具体的阐述。
标签：电子式电流互感器；高压侧电源；供能电路前言传统的电磁式电流互感器对于当前电力系统传输容量不断加大，而且电压等级不断提升的情况其适用性越来越差，使电力系统的发展带来了一定的制约作用。
在这种情况下，开发电子式电流互感器则具有必然性，由于于其通过利用光通信及微电子技术，并采用新型的传感原理，有效的规避了传统电力互感器所存在的不足之处，利用数字信号进行输出，确保了电力系统安全、稳定的运行，不仅实现了成本的节约，而且也实现了对二次设备的优化。
目前数字化变电站的建设更是需要以电子式互感器和光纤通讯网作为其基础，所以电子式电流互感器在当前电力系统运行了具有极为重要的意义。
1 电子式电流互感器类型及特点1.1 无源式无源式电子式电流互感器是不需要电源供电的光电电流和电压测量的装置，利用磁光晶体和光纤作为传感器，而且光纤不仅可以作为信号传输通道，而且也可作为传感元件，由于无源式互感器其种类较多，所以利用了较多的物理效应。
1.2 有源式有源式电子式电流互感器其是以电子器件为其传感头，同时需要在一次侧提供电源，利用一次侧的采术传感器来进行取样，信号通道以光纤为主，将一次侧的光信号在地面进行处理后将其还原为被测信号。
这种有源式的互感器具有非常好的绝缘性和抗电磁干扰性，而且不仅制造成本得到了有效的降低，而且无论是体积还是重量都有所减小，而且能够更好的将常规电流测量装置的优势有效的发挥出来，利用电子器件作为传感头，有效的规避了传统传感头光路复杂及对温度及振动敏感的问题。
2013届毕业生毕业设计说明书题目: 基于空心线圈的电子式电流互感器设计学院名称：电气工程学院班级： xxx学生姓名： xxx 学号： xxx指导教师： xxx 教师职称： xxx2013年05月15日目次引言 (1)1 电子式电流互感器概述 (2)1.1 电子式电流互感器的研究背景和意义 (2)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 本课题研究的目的 (4)2 系统方案设计 (5)2.1 系统方案论证 (5)2.2 课题方案设计 (5)3 电子式电流互感器传感头介绍 (7)3.1 Rogowski线圈的结构及其工作原理 (7)3.2 计算Rogowski线圈的互感系数 (8)3.3 Rogowski线圈两种工作状态 (9)4 高压端电路和供电模块 (12)4.1 积分电路 (12)4.2 滤波电路 (14)4.3 A/D转换电路 (15)4.4 电源电路 (18)4.5 光纤收发模块 (20)5 低压端电路 (21)总结 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录： (26)引言随着电力系统的电压等级不断提高，对测量仪器的要求也越来越高，提高测量仪器的测量精度有利于电力系统安全和经济地运行。
目前广泛使用的电流互感器是传统的电磁式电流互感器，但由于其本身存在缺点，人们不得不研究开发一种新型的互感器来代替它，在这个背景下，一种新型的电流互感器——电子式电流互感器随之兴起，它满足了目前电力系统中对电网电流的测量的要求，克服了传统的电磁式电流互感器的缺点，有广阔的发展空间。
本文设计的电子式电流互感器采用了Rogowski线圈、89C51单片机、MAX197 A/D转换芯片为主要部分。
通过Rogowski线圈对电网中的电流进行采样，实时的分析和处理采样电流，将母线电流的实际状况显示出来，然后把信息反馈到控制室，如果电流出现异常，控制室向继电保护发出保护命令，保证电力系统的正常运行。
1 电子式电流互感器概述1.1 电子式电流互感器的研究背景和意义随着电力系统进入以大机组、大电厂、大电网、超高压、自动化为主的新时期，智能化电网技术兴起并得到了发展。
这种新技术对电力系统中的传感器提出了“传输网络化、测量线性化、信号数字化”的新要求，同时，数字化功率计量、计算机继电保护装置的广泛应用，对电压、电流互感器技术及其产品向小型化和低功耗方向发展成为可能。
目前，国内外的输变电设备电压都达到了1000KV，系统的短路电流也跟着提高，测量高电压、大电流对电力系统的安全运行及经济运行有重大的意义，准确的测量电网中的电压、电流对电能测量、系统检测诊断、继电保护及电力系统分析极为重要。
目前，电网中常用的电流互感器是传统的电磁式电流互感器，虽然它有长期的运行经验，且技术成熟，但因它由铁芯和线圈构成，使用中存在很多问题，主要有以下几点：(1) 绝缘难度较大，为了提高绝缘强度适应500KV以上的电网，而提高了互感器的体积、质量；(2)动态范围小，由于互感器内部使用了铁芯，当被测电流较大时，容易出现磁饱和现象，从而导致互感器的测量不精准，使二次保护不能保证在故障情况下动作。
(3)互感器输出信号为模拟信号，输送的二次侧需要电缆作为媒介，还需要设备将其转换成数字信号输出；(4)二次侧不能开路，由电磁感应原理可知，开路后二次侧两端会产生高压，对人和其它设备产生危险；(5)易产生铁磁谐振。
上述原因使得传统的电磁式电流互感器面临着巨大挑战。
而电子式电流互感器克服了电磁式电流互感器的缺点，其有以下优点：(1)传感头使用的是线圈，没有了铁芯所造成的缺点，绝缘性能好，体积小、重量轻、造价低。
(2)良好的线性度，不存在磁饱和现象，其动态响应范围大。
(3)通过光电转换，转换成光信号，由光纤传输至二次侧设备接口，输出信号可以是数字信号也可以为模拟信号。
(4)不存在铁磁谐振现象，不干扰影响环境和设备。
(5)无充油，二次侧没有开路的危险，利于维护和维修。
综上所述，电子式互感器没有传统电磁式电流互感器的缺点，适合当前电网的需要，有广阔的发展和应用空间。
1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状为了适应现在电网的高速发展，传统的电磁式电流互感器已不能满足电网的需求，从20世纪80年代，人们开始对新型的电流互感器进行研究、创新。
美国主要研究的是块状结构的磁光式电流互感器，并进行过挂网运行试验。
在电流互感器发展的几十年里，日本及西欧的几个国家也在这种电流互感器上进行了大量的研究，但是由于磁光式电流互感器本身存在的缺点（制造难度大、受外界影响大），以至于它不易于大规模的工业生产，所以没有推广。
磁光式电流互感器没有得到推广，加拿大的NxtPhase公司向另一种电流互感器进行了研发，他们利用激光陀螺中的研究成果，成功的研制了全光纤式电流互感器，且此种电流互感器的准确等级达到了0.2级，并生产出了系列的产品。
该产品已在多个国家挂网运行。
全光纤式电流互感器有巨大的研究价值和市场空间，大部分国家都加大了对它的研究力度。
20世纪90年代，美国ABB公司成功研制出了有源式的电子式电流互感器，为电流互感器的发展做出了巨大贡献。
1.2.2 国内研究现状我国对电子式电流互感器的研究起步较晚，目前国内从事电流互感器的研究的有清华大学、华中科技大学、西安交通大学、沈阳互感器厂、大连第一互感器厂、北京四方华能电网控制有限公司等，但大多数都处于试制阶段。
华中科技大学研制的电子式电流互感器是利用法拉第效应，清华大学研究的有两种，一种是利用Rogowski线圈，一种是利用法拉第效应。
清华大学和中国科学院共同研制的110KV的光学电流互感器于1991年进行了挂网运行。
华中科技大学在2004年设计了电子式低功耗电流互感器。
至今，我国在研究电子式电流互感器方面已经取得阶段性的成果，虽然和国外一些发达国家相比仍有差距，但我相信我们会很快追上发达国家的研制水平的。
1.3 本课题研究的目的本课题研究的目的就是设计出一个电子式电流互感器，在当今高电压、大电流的电力系统中能够准确的测量电网中母线电流，克服传统的电磁式电流互感器的缺点。
2 系统方案设计2.1 系统方案论证电子式电流互感器由一次采样传感头、数据传输部分及数字信号处理部分组成，电子式电流互感器按一次侧是否有供电电源分，可分为有源式和无源式两种，高压侧有电源的为有源式电流互感器，没有电源的为无源式电流互感器。
无源式电流互感器的传感头不需要供电装置，但其易受外界影响。
有源式电流互感器传感头虽然需要供电装置，但其原理简单，已被广泛应用。
有源式电流互感器可分为压频转换式、A/D转换式两种。
压频转换式电流互感器经传感头采样的信号传至低压端电路需要经过两个步骤，采样得到的电压信号需要转换成脉冲频率变化信号，电脉冲信号再经过光电转换转换成光信号，光信号通过光纤传输至低压侧经过一系列的处理后在控制室显示出来。
A/D转换式电流互感器和压频式电流互感器的大致结构基本相同，不同的是将传感头采样的信号经过A/D转换器转换成数字信号，然后经过电光转换变成光信号，信号通过光纤传输至低压侧，经过一系列的处理可以以数字信号方式输出也可以以模拟信号输出。
2.2 课题方案设计上文论述了电子式电流互感器的组成部分及两种不同的有源电子式电流互感器的工作步骤，经过比较个人感觉A/D转换式电流互感器比较简单，故本课题设计的电子式电流互感器定为A/D转换式电流互感器，本设计的系统结构框图如图2.1所示。
积分电路A/D 转换光电转换发射光电转换接收数字信号处理时序电路稳定电源数字输出高压端低压端采样线圈高压母线D/A 转换模拟输出2.1系统结构框图整个系统由Rogowski 线圈、积分电路、A/D 转换器、E/O 转换模块、电源等几部分组成。
系统由89C51单片机控制，采样线圈（Rogowski 线圈）在高压母线上经过电磁感应得到一个电压信号，该电压信号为微分信号，需要经过积分电路使其相位还原，还原后的信号经过A/D 转换器把模拟信号转换成数字信号，再经过光电转换和传输模块送至低压端，经过数字信号处理后以数字信号输出。
3 电子式电流互感器传感头介绍电子式电流互感器的传感头采用Rogowski 线圈，Rogowski 线圈根据截面来分可以分为两种，一种是矩形，一种是圆形；根据骨架来分又可以分为环形骨架和方形骨架两种。
本设计采用的是横截面为矩形，骨架为环形的Rogowski 线圈。
其优点是结构简单，容易工业化生产且易均匀缠绕。
3.1 Rogowski 线圈的结构及其工作原理目前，大多数电子式电流互感器的传感头选用的是Rogowski 线圈，Rogowski 线圈造价便宜，且性能优异。
它的测量精度可达到0.5%——1%，测量范围也较广，可以达到几千安培。
环形骨架的Rogowski 线圈的结构原理图如图3.1。
)(t i )(t e图3.1 环形骨架的Rogowski 线圈的结构原理图Rogowski 线圈均匀缠绕在一个由塑料棒（例如聚酰胺等非磁性材料)构成的截面均匀的环形骨架上，被测电流穿过上图所示的环形，由电磁感应原理可知线圈两端会产生一个感应电动势)(t e 。
测量线圈的磁链与被测电流存在线性关系，设环形半径为R ，骨架半径为r ，则横截面积2r S π=。
当r R >>时，骨架单位长度dl 上的小线圈的磁链：dl SB Rn d l πφ2= 式中：l B ——磁感应强度在测量线圈轴线方向的切线分量；n ——Rogowski 线圈的总匝数。
小线圈的总磁链为：Hdl RnS dl B R nS l ⎰=⎰=Φπμπ220 根据全电流定律有：Hdl i ⎰=，则有i RnS π2=Φ。
()dtdi R nS dt d t e t πμφ20== 0μ——真空磁导率，m H /10470-⨯=πμ3.2 计算Rogowski 线圈的互感系数当一个线圈中的电流发生变化时，将在它周围空间产生变化的磁场，从而可在附近的另一个线圈中产生感应电动势，这种因两个载流线圈中的电流变化而相互在对方线圈中激起感应电动势的现象称为互感现象，相应的电动势叫做互感电动势。
为了使Rogowski 线圈测得的母线电流更加准确，我们需要研究Rogowski 线圈的互感系数，下面就以横截面积为矩形的线圈进行分析。
图3.2为横截面积为矩形的Rogowski 线圈测量电流的示意图，骨架的材料为非磁性材料，且线圈均匀的缠绕。
)(t i )(t e 1R 2R 21R R -图3.2 横截面为矩形的线圈测量电流示意图设骨架的半径为R ，通过母线的电流为1i ，根据全电流定律有：Hdl i ⎰=1； 则： R i H π21= 故： Ri H B πμμ2100== (1) 横截面面积为： )(12R R h S -= (2)由电磁感应定律有： dtd te Φ-=)( (3) B d s ⎰=ϕ (4)将(1)式和(2)式带入(4)式积分的：1210ln 2R R h i πμϕ= 总磁链： ϕφn = (5)将上式带入(5)式得感应电动势为：dt di R R nh dt d t e 120ln 2)(πμ-=Φ-= 由于： dtdi M t e -=)( 所以互感系数M 为： 120ln 2R R nh M πμ=式中： ● 0μ——真空磁导率，M H /10470-⨯=πμ；● 1i ——被测导体中流过的电流，单位A ；● n ——线圈匝数；● h ——骨架高度，单位m ；● 2R ——骨架外径，单位m ；● 1R ——骨架内径，单位m 。
