[发明专利]一种基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器

说明书

技术领域

本发明涉及电流互感器，具体涉及一种新基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器。

背景技术

基于目前的技术水平，在电子式电流互感器领域中，有源式空心线圈电流互感器的性能较为稳定，基本能够满足实用性的要求，所以得到了国内外电力行业的普遍重视，成为当前研究和应用的重点。

罗氏线圈（Rogowski Coil，全称罗哥夫斯基线圈，由于罗氏线圈不含铁芯，也称空心线圈）是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，输出信号是电流对时间的微分，通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、无磁饱和问题，适用于大电流测试、几乎没有相位误差、带宽范围大等的特点，故其可应用于继电保护，可控硅整流，变频调速，电阻焊等信号严重畸变以及电炉、短路测试、雷电信号采集等大电流的场合。

如图1所示，传统的罗氏线圈是将漆包线在（非磁性）骨架绕制而成的环形线圈，在输出端通过积分电路将信号还原，其主要理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律，当待测载流导体与线圈平面垂直、且位于线圈中心时，由右手定则可知，待检测的载流导体所产生的磁力线沿圆周方向，由于载流导体电流会变化，从而使穿过线圈的磁通量发生改变，进而导致线圈产生感应电动势，线圈的输出电压V=-[(A.N.u)/l].di/dt，其中，A为线圈的截面积、N为线圈匝数、u为空气磁导率、l=2πr，之后，通过对积分电路的测量反过来求出待测的载流导体的电流，详细说明请参阅http://en.wikipedia.org/wiki/Rogowski_coil。

但由于线圈的绕制工艺，在批量生产时难于保证一致性（参数表现主要为电感量、阻抗等），难于保证其测量精度，需要对超出误差的线圈进行单独的修正，导致生产成本和售后费用飙升。同时线圈在宽温度的工作环境下，由于温度变化引起形状变化（参数表现主要为电感量、阻抗等的变化），难于在宽温度保证其测量精度，需在电路上进行温度补偿，为了不丧失带宽，还需要阻抗的补偿，其电路设计难度大、成本高。

上述罗氏线圈的问题可以通过PCB罗氏线圈克服，由于PCB罗氏线圈使用印制工艺，目前已经达到1mil的精度（1mil = 25.4微米），很好的保证了批量生产的一致性。铜箔厚度和板材介电常数【FR4（FR4是一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格）的介电常数为4.5，损耗角小于0.03）的一致性，很好的保证了阻抗的一致性。目前，FR4型电路板高频响应能达800MHz（延时为光速的150%）。

另外，膨胀系数低的板材（FR4型大约为6ppm/℃）和高精度的铜箔布线，在批量产品中温度引起的电感量和阻抗变化曲线是一致的，便于在电路进行相同的补偿。

如图2a、图2b和图2c所示，现有的PCB罗氏线圈（该PCB罗氏线圈的图片来自于http://www.hindawi.com/journals/ame/2013/375301/fig2/ ）是将一根漆包线绕制在环形的电路板上来形成PCB罗氏线圈，其计算模型如图3所示，待测载流导体的电流为i（t）、线圈产生的电动势为u、线圈的匝数为N、互感系数M、磁场强度H、μ0为PCB磁导率，利用安培（环路）定律 H(x) = i（t）/2πx，可推导出：

其中，

通过积分电路对线圈所产生的感应电动势u的测量和检测，从而反过来求出待测载流导体中的电流；其中，该计算模型的计算方式已在“中国电机工程学报、第28卷，第15期中，关于‘PCB空心线圈位置误差分析与控制’”中进行了详细描述，此处不作详述。

但由于现有的PCB罗氏线圈多是把传统的罗氏线圈在PCB的简单复制，因此，现有的PCB罗氏线圈仍然不能克服易受到电磁干扰、抗干扰差、必须短距离传输信号等技术缺陷。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于差分布线的PCB罗氏线圈，采用差分布线代替现有的PCB罗氏线圈的单根走线，解决现有的PCB罗氏线圈存在的不能克服易受到电磁干扰、抗干扰差、必须短距离传输信号等技术缺陷。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：