基于PCB平面螺旋线圈型高压ECT传感头的研究与设计

摘要：为了提高PCB平面螺旋线圈的互感系数，对两种不同形状的PCB平面螺旋线圈进行了分析计算，并将互感系数较佳的长方形PCB平面螺旋线圈制作成实验模型，对该模型进行了试验测试，实验结果表明：在额定电压为100A时，其测量准确级达到IEC 60044-8标准的要求（0.2级），其抗干扰能力也较强。

关键词：PCB线圈 互感系数 抗干扰能力

中图分类号：TM45 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0148-02

1 前言

随着现代智能电网数字化变电站的提出，电力系统电压等级的升高，对传感设备的小型化、数字化、模块化、多功能化和智能化的要求也越来越高。然而，与传统的电流互感器（CT）比，电子式电流互感器（ECT）具有频带宽、测量精度高、测量范围宽、不饱和、抗电磁干扰等优点，越来越多的企业、机构和学校都致力于电子式电流互感器的研究。而电子式电流互感器研究的主要技术之一是其传感头的设计，传感头设计的好坏对ECT整个系统精度和稳定性起着至关重要的作用。文中对几种形状的PCB平面螺旋线圈的传感头进行了分析、仿真和实试验，并给出了仿真和实试验结果。

2 电子式电流互感器传感头的工作原理

PCB平面螺旋线圈于2006年由我们研究团队首次提出的一种新型结构空心线圈，其结构简单，抗电磁干扰亦优于目前应用于实际的Rogowski空心线圈。

PCB平面螺旋线圈可以制作成单层板或者多层板，用来提高互感系数或其他参数的大小，其结构也可以有多种形状，结构图如图1所示。

不同形状的PCB平面螺旋线圈工作原理是一样的。被测电流置于PCB板上，被测电流i（t）发生变化，被测电流与PCB平面螺旋线圈铰链的磁链就会变化，则每个螺旋线圈就会产生有关的感应电动势，电动势的方向一致，顺次串接，输出一个正比与被测电流变化率的电压信号e（t），e（t）=-di/dt。

3 外界干扰电流对PCB传感头的影响

本文中所设计的电子式电流互感器是用于高压电流计量和微机保护用的。高压母线置于PCB传感头上，来自外界的磁场干扰主要是相邻母排的干扰，计算时我们只计算PCB左右两侧外磁场对其的干扰。

PCB传感线圈是由内外两个线圈反极性串接而成，则PCB平面螺旋空心线圈ECT的二次电压输出e（t）为两个线圈感应电动势叠加，即，其中、分别为外线圈和内线圈的互感系数。

3.1 外界干扰电流对矩形结构PCB传感头的影响

为了尽可能的增大互感系数，一次导线应靠近内线圈的左侧。设一次直导线与内线圈左侧的距离为d，一次直导线与外线圈的左侧的距离为e，c为二次螺旋线圈最外匝的高度，a为二次螺旋线圈最外匝的宽度，g为内线圈最外匝宽度，f为内线圈最外匝高度，b为二次线圈匝间距，为外线圈的匝数，为内线圈的匝数。

根据电磁场理论可知，对于载流的长直导体，导体外部被环绕测电流的磁感应强度为，则通过外线圈其中任意匝线圈K的磁通量为，其中：

设一次导线的位置如图2所示，a=41.32mm，b=0.33mm，c=81.32mm，f=25mm，g=45mm，

，。设d=120mm，e=128mm，代入数据得：，，则线圈的总磁通。

3.2 外界干扰电流对圆形结构PCB传感头的影响

同样为了尽可能的增大互感系数，一次导线应靠近内线圈的左侧。计算时取圆形结构PCB传感头的面积与矩形结构PCB传感头的面积几乎相等。一次导线与螺旋线圈的圆心距离为L，外线圈最外匝半径为R，内线圈最外匝半径为r，螺旋线圈匝间距为b，外线圈的匝数为，内线圈的匝数为。

同样根据电磁场理论可知，通过外线圈其中任意匝线圈K的磁通量为，其中：

则在外线圈中产生的总磁通为：

同理可以得出在内线圈中产生的总磁通为：

设一次导线的位置如图3所示，R=40.66mm，r=22.64mm，b=0.33mm，，，设L=160.66mm。代入数据得：，。

则总的磁通为。

从计算结果可得知，外界干扰电流在圆形结构的PCB线圈中产生的磁通比在矩形结构PCB线圈中产生的磁通大，可知矩形线圈抗干扰性能比圆形线圈的好。

4 实验结果

为了验证设计的PCB平面螺旋线圈的精度是否达到国标要求，制作成实验模型。为了提高传感头的互感系数，将多块PCB平面螺旋线圈叠加，如图4所示。每相线圈的参数为：线圈的层数为10层，每个小线圈的匝数为20匝（其中外线圈4匝，内线圈16匝），一次导线绕城10股，置于PCB内外线圈的中心线上（此处互感最大）。

将被测的额定电流设为100A，对图4所示的模型进行测试，测试的结果如表1所示。试验结果表明，一次电流在额定电流值的10%～120%之间变化时，可以满足IEC 60044-8标准0.2级的要求。

5 结语

（1）对不同形状的PCB平面螺旋线圈进行了比较计算，得出了互感系数较好的形状的PCB平面螺旋线圈。

（2）制作了实验模型，进行了测试，实验结果表明：其准确度达到标准要求，抗电磁干扰能力也较强。此外，本次设计的ECT是为应用于高电压设计的，其效果会比试验结果更好。

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