PCB平面型空心线圈电流互感器理论建模与设计

摘要

电流测量在许多应用研究和工程领域中有着十分重要的地位。同时，在电力系统配电网中继电保护、过电流保护、以及配电网智能控制等许多方面有着重要影响，电力系统工频电流测量稳定性和可靠性是保障配电网稳定可靠运行的重要手段。
　　传统电流互感器由于包含铁芯，其铁磁效应易造成的线性饱和以及铁磁谐振。以及在其绝缘性能、体积和带宽响应方面出现的问题越来越多。基于光电和电子技术的新型电子式电流互感器越来越受到人们的关注。论文研究了基于磁场耦合原理的电流测量方式，设计了一种新型非接触式PCB空心线圈电流互感器，用于配电网工频电流的测量。本文的主要工作有以下四个方面：
　　①通过研究输电导线电流与其周围磁场的关系，提出了基于磁场耦合原理的配电网工频电流测量方法。研究了空心线圈电流传感器的基本测量原理，并在此基础上提出了反向串联结构的PCB空心线圈电流传感器。通过分析传感器的工作状态，提出了适于配电网工频电流测量的工作模式，为传感器的参数设计提供基础。
　　②运用电磁场分析软件Maxwell建立线圈的电磁仿真模型，仿真分析了PCB空心线圈与导线位置的关系，分析了各个参数对传感器的影响，并对其抗干扰性能进行仿真分析。完成PCB空心线圈传感器的设计，通过MATLAB建立线圈的数学模型，研究传感器的幅频特性以及其谐波特性，分析空心线圈的稳态特性和暂态特性。
　　③基于 PCB空心线圈传感器，设计传感器采样电路，主要包括积分器、放大滤波电路，并针对电路板的抗干扰问题，提出布线抗干扰的各种措施。用于对传感器的信号采集以及后续处理和试验。
　　④搭建了用于传感器测试的试验平台，通过对传感器的稳态特性和开关操作的试验，验证其动态响应特性。通过空心线圈电流传感器的与传统电磁式电流互感器的对比，验证传感器的线性度。传感器能够快速反映输电导线电流的变化情况，符合电力系统电流测量的智能化、自动化需求。

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目录

1 绪 论

1.1 课题的背景和意义

1.2 电流互感器发展及研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 磁场耦合的电流测量原理

2.1 输电导线电流与周围磁场的关系

2.2 磁场耦合方式的电流传感器

2.3 反向串联结构测量原理

2.4 PCB空心线圈传感器的工作状态

2.5 本章小结

3 PCB空心电流传感器的设计和仿真

3.1 PCB空心线圈参数

3.2 传感器基于有限元仿真分析

3.3 PCB平面型空心线圈的频率特性仿真分析

3.4 PCB空心线圈抗干扰分析

3.5 PCB平面型空心线圈的谐波仿真分析

3.6 稳态性能分析与仿真

3.7 暂态性能分析与仿真

3.8本章小结

4 传感器检测电路设计

4.1 系统总体设计

4.2 电流采集电路

4.3 滤波电路设计

4.4 STM32F103C8T6处理器

4.5 PCB检测电路设计

4.6 软件程序设计

4.7 本章小结

5 试验结果分析与验证

5.1 试验平台搭建

5.2 电流测量系统稳态性能试验

5.3 电流测量系统暂态特性试验

5.4 电流测量的线性度试验

5.5 本章小结

6 总结和展望

6.1 研究总结

6.2 未来展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目