【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉电气工程电流测量领域，涉及一种测量探头及其测试方法，尤其是涉及一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头及其应用该测试探头的测试方法。
技术介绍
1、监测电气工程中各种设备的交变电流对于评估设备工作状态具有重要意义。基于电磁感应原理的罗氏线圈、霍尔传感器无须与被测设备有直接电气连接，能够灵活应对不同电流测试条件，因而具有广泛的应用场景，例如交流电缆、变压器、电抗器、功率半导体器件等等。上述方法主要存在的问题在于：容易受到周围电磁场干扰，特别是对于紧凑空间中电气设备的电流测量，容易将空间中不同方向的电磁干扰耦合到测量探头中，从而造成较大的测量误差；而且这种感应方式耦合系数较低，需要较多匝数增加与被测电流间的耦合作用。
2、现有电磁感应型的罗氏线圈就是采用多匝单线圈与被测电流磁场耦合的原理，但是这种测量方式容易耦合空间电磁场使得测量误差较大。
3、文献[1](朱金炜.双d正交型水下无线电能传输系统的设计与优化[d].华中科技大学,2021：
4、44-65.doi:10.27157/d.cnki.ghzku.2021.003589.)中构建了分离间隙双dd型线圈，并通过仿真对比了分离间隙的双dd线圈与常用dd型线圈的耦合系数，得出了分离间隙的耦合系数值大于常用的dd型，并且在运行中，分离间隙的耦合系数波动更加平稳。
5、文献[2](冯鸿运,林飞,杨中平等.应用于自动导引小车无线充电系统的导航与供电一体化线圈研究[j/ol].电工技术学报:1-12[2023-12-12].
6、文献[3](许非凡,魏曙光,袁东等.无人平台野外无线充电线圈设计与优化分析[j/ol].电源学报:1-14[2023-12-12].http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.tm.20231013.1343.002.html.)提出一种无线充电线圈结构：dad线圈，该线圈既可以实现无线供电又可以实现偏移检测。文中搭建30mm间距的400w无线充电样机装置，对dad线圈的导航性能与供电性能进行了验证，在偏移范围为-50～+50mm之间，dad线圈可以指示偏移方向与偏移大小，且效率波动在5％范围内，可以实现稳定的电能传输。
7、文献[4]设计满足野外陆战环境无线充电的高适应性的耦合线圈，提出了一种sp-ddp双层组合线圈(double-layer coupling structure with solenoid pad and double-d pad)，实现螺线管(solenoid pad,sp)型线圈和dd(double-d)型线圈的优势互补，并对该结构的线圈参数进行优化，经仿真及实验结果表明，优化后的线圈能够实现尺寸200mm×200mm×7.8mm的条件下，在50mm传输距离，x轴方向偏移160mm，y轴方向偏移120mm时互感变化幅度小于20％，提出的线圈结构具备抗偏移、抗偏转特性。
8、上述技术方案对线圈结构均进行了优化设计，但是都是用于传能，而非用于测量，所以亟需设计一种能用于测量的线圈结构。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的缺陷，本专利技术公开一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其技术方案如下:
2、一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于，由三组线圈簇组成(每个线圈簇指“两个反绕的矩形线圈”)，所述三组线圈簇在位置上相互正交；两两线圈簇之间不存在耦合，每组线圈簇中两个矩形线圈在电气结构上是串联关系，且存在磁场耦合；所述每组线圈簇中两个矩形线圈参考磁场极性相反，从而组成双极性结构；每个线圈族的输入端子和输出端子从内部两个矩形线圈中间分界线位置引出。
3、优选为：每组线圈簇由两个矩形线圈串联组成，其中，线圈一面被屏蔽磁芯屏蔽。
4、优选为：所述线圈在测试过程中，无屏蔽的一面面向被测电流保证与足够的磁场耦合。
5、优选为：每组线圈簇由在空间位置上参考磁场极性相反的两个方向线圈串联组成，且含有磁场屏蔽，能在减弱外部磁场干扰的同时，增强线圈本身与被测电流之间的耦合作用。
6、优选为：两个矩形线圈紧密并排放置，组成一个长条形结构，线圈的一面布置有长条形屏蔽磁芯，其尺寸与测量探头面积较大的一面一致，从而与测量探头一面重合。
7、优选为：每个矩形线圈含有多匝线圈保证更大的线圈自感，两个矩形线圈在空间位置上线匝绕线方式相反，电气结构上直接进行串联使得同一方向流过时，磁场方向相反。
8、优选为：电流测量探头的线圈簇等效电路由两个耦合线圈串联构成，在磁链方向参考下，两个线圈的耦合系数为正。
9、本专利技术还公开一种屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头的测试方法，该方法包括如下步骤：
10、步骤1：首先进行测量探头的校准，利用仿真或者阻抗分析仪测量获得被测导体a和线圈簇a之间的互感ma、被测导体b和线圈簇b之间的互感mb、被测导体c和线圈簇c之间的互感mc，由于两两线圈簇之间成正交关系，互感为零。
11、步骤2：进行线圈簇输出电压的测量并计算出线圈中的电流，利用电压互感器测得线圈簇a、b、c的输出电压，再根据线圈簇a、b、c的输出电压va、vb和vc，利用如下公式计算得到电流
12、
13、
14、
15、其中，ia表示被测导体a的电流，ib表示被测导体b的电流，ic表示被测导体c的电流。
16、有益效果
17、每个线圈组由两个极性相反的感应方形线圈组成，并在一面布置屏蔽磁芯；无屏蔽磁芯的一侧面向被测电流方向，使被测电流与线圈整体产生同方向的磁链耦合，而屏蔽一侧极大程度上避免了外界磁场的干扰的同时由于紧贴线圈一侧，可以增强被测电流与测试线圈之间的耦合作用。
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1.一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于，由三组线圈簇组成，所述三组线圈簇在位置上相互正交；两两线圈簇之间不存在耦合，每组线圈簇中两个矩形线圈在电气结构上是串联关系，且存在磁场耦合；所述每组线圈簇中两个矩形线圈参考磁场极性相反，从而组成双极性结构；每个线圈族的输入端子和输出端子从内部两个矩形线圈中间分界线位置引出。
2.根据权利要求1所述的一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于，每组线圈簇由两个矩形线圈串联组成，其中，线圈一面被屏蔽磁芯屏蔽。
3.根据权利要求2所述的一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于，线圈在测试过程中，无屏蔽的一面面向被测电流保证与足够的磁场耦合。
4.根据权利要求1所述的一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于，每组线圈簇由在空间位置上参考磁场极性相反的两个方向的矩形线圈串联组成，且含有磁场屏蔽，能在减弱外部磁场干扰的同时，增强线圈本身与被测电流之间的耦合作用。
5.根据权利要求2所述的一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征
6.根据权利要求2所述的一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于：每个矩形线圈含有多匝线圈保证更大的线圈自感，两个矩形线圈在空间位置上线匝绕线方式相反，电气结构上直接进行串联使得同一方向流过时，磁场方向相反。
7.根据权利要求2所述的一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于：电流测量探头的线圈簇等效电路由两个耦合线圈串联构成，在磁链方向参考下，两个线圈的耦合系数为正。
8.根据权利要求1所述的一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于：每个线圈簇之间互感为零。
9.带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头的测试方法，该方法基于权利要求1所述的三维电流测量探头，其特征为：
...【技术特征摘要】
1.一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于，由三组线圈簇组成，所述三组线圈簇在位置上相互正交；两两线圈簇之间不存在耦合，每组线圈簇中两个矩形线圈在电气结构上是串联关系，且存在磁场耦合；所述每组线圈簇中两个矩形线圈参考磁场极性相反，从而组成双极性结构；每个线圈族的输入端子和输出端子从内部两个矩形线圈中间分界线位置引出。
2.根据权利要求1所述的一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于，每组线圈簇由两个矩形线圈串联组成，其中，线圈一面被屏蔽磁芯屏蔽。
3.根据权利要求2所述的一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于，线圈在测试过程中，无屏蔽的一面面向被测电流保证与足够的磁场耦合。
4.根据权利要求1所述的一种带屏蔽的基于双极性结构的三维电流测量探头，其特征在于，每组线圈簇由在空间位置上参考磁场极性相反的两个方向的矩形线圈串联组成，且含有磁场屏蔽，能在减弱外部磁场干扰的同时，增强线圈本身与被测电流之间的耦合作用。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：齐磊，张翔宇，东野忠昊，沈弘，钟俊帅，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：
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