CN102549442B - 电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于检测导体(106)中的时变电流的传感器，包括围绕具有中心轴线的检测空间配置的多组两个相对配置的传感器元件(104-1....104-6)，每组传感器元件中的传感器元件(104-1A，104-1B)大致设置在不与中心轴线相交叉的公共平面中，并且每组传感器元件具有不同的公共平面，每组传感器元件中的传感器元件被配置为使得它们的公共平面在位于传感器元件的中间部分之间的点处的法线(N)位于向检测空间的中心轴线径向地放射的平面(P)上。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及用于检测导体中的时变电流的传感器。

背景技术

在配电领域，有用的是能够测量流过导体的电流。通常这些导体在相对于地的高电势下运行并且因此有利的是在不直接电连接的情况下进行测量。

能够采用电流互感器进行这种测量。这种装置采用磁路耦合将被测量的导体(初级导体)中的电流和次级导体中的电流。该磁路通常由铁磁材料制成的具有缠绕在其周围的导电线圈(次级导体)的轭铁构成。

这种电流传感器存在多个缺点。磁路可能由于次级回路中的阻抗、初级导体中的非时变电流的存在、或外加磁场的存在而饱和。这些条件中的任何一种都导致电流传感器失去准确度。而且，磁路中的磁滞带来低工作电流下的非线性传感器响应。

大多数现代电流传感器可以采用围绕其中穿过初级导体的中央空腔均匀地隔开的表面线圈构造而成。这些传感器已知为Rogowski传感器。Rogowski传感器包括空心，而不是磁芯。表面线圈包括例如通过刻蚀或采用印刷电路板技术设置在基板上的一匝或多匝导体。为了获得不是由初级导体引起磁场的适当衰减，表面线圈在向初级导体穿过的空腔的中心轴线放射的轴线上非常精确地对准。在US 6,965,225B2中描述了这种传感器。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种用于检测导体中的时变电流的传感器，该传感器包括围绕具有中心轴线的检测空间配置的多组两个相对配置的传感器元件，每组传感器元件中的传感器元件的对均匀磁场具有零灵敏度的平面大致设置在不与中心轴线相交叉的公共平面中，并且每组传感器元件具有不同的公共平面，每组传感器元件中的传感器元件被配置为使得它们的公共平面在位于传感器元件的中间部分之间的点处的法线位于向检测空间的中心轴线径向地放射的平面上。

这可以产生令人满意的效果，其中相对配置的传感器元件的响应可以是远场抵消的，同时提供源自导体出的循环场的加和。而且，根据本发明构造的传感器可以使得外磁场的衰减至少与基于四极元件的传感器一样好，同时产生与基于偶极的传感器可比拟的信号水平。

本发明提供了制造可以更简单和更便宜的传感器配置。这至少部分地是因为诸如线圈之类的要求精确的平面对准的传感器元件能够设置在单个平面基板上，并因此自然地在同一平面中对准。同样，对于给定数量的线圈可以采用较少的基板构造该传感器配置，这潜在地有助于简化结构和降低制造成本。

包括传感器元件的规则配置可以对干扰场提供更高等级的排斥，并且可以在可以被配置为与特定导体(例如处于多相源中的其它相位的导体)的位置一致的传感器响应中产生空值，在所述位置处可能不希望传感器无论如何都不具有响应。

根据本发明的配置的灵敏度可以形成为在由基板包围的区域内非常均匀。此外，在基板上包括附加传感器元件可以进一步改善传感器内的响应的均匀性。

如将从下文的说明中看到的那样，在实施方式中，每组两个相对配置的传感器元件中的传感器元件被相反地构造，使得由通过每组两个相对配置的传感器元件中的传感器元件的均匀磁场感生的信号具有相反的符号，并且使得通过由通过设置在检测空间中的导体的电流引起的循环磁场感生的信号具有相同的符号。同样，由每组两个相对配置的传感器元件中的传感器元件中的均匀磁场感生的信号具有第一幅值，并且其中由每组两个相对配置的传感器元件中的传感器元件中的循环场感生的信号具有第二幅值。

每个公共平面中的所述相对配置的传感器元件中的每一个可以设置在对应的公共基板上。可替换地，相对配置的传感器元件可以被支撑在对应的基板上，或者可以由某些其它合适的装置支撑在合适的位置。

附图说明

现在将参照附图，以举例的方式描述本发明的实施方式，在附图中：

图1为图示本发明运行的原理的示意图；

图2图示组成本发明的实施方式的一组两个相对配置的传感器元件的示例；

图3为根据本发明的第一实施方式的传感器配置的示意图；

图4A和4B图示了可以用在本发明的可替换实施方式中的多组两个相对配置的传感器元件；

图5A示出了根据本发明的第一实施方式的传感器的远场灵敏度图案；

图5B示出了根据本发明的第一实施方式的传感器内的均匀性的图案；

图5C示出了对干扰导体的作为根据第一实施方式的传感器的距离的函数的灵敏度的衰减；

图6A和6B示出了根据本发明的第一实施方式构造的传感器装置；以及

图7A-C图示了本发明的可替换实施方式。

具体实施方式

在附图和下文描述的实施方式中，相同的附图标记涉及相同的元件。

图1图示了初级导体100和构成本发明的一组两个相对配置的传感器元件104的示意图，循环磁场B源自流过初级导体10的电流I。

在图1，电流沿如由箭头I标记的向下方向流过初级导体100。移动通过初级导体100的电流产生围绕初级导体100的圆形磁场回路B。该磁场在回路B上的特定位置处的方向由箭头B1和B2表示。

该组传感器元件104的传感器元件104A、104B被配置为使得当如由远距离载流导体(未示出)引起的均匀场通过传感器元件104A、104B时，通过每个传感器元件104A、104B中的感应产生相等且相反的信号。照这样，由于均匀场而由该组相对配置的传感器元件104产生的信号的和为零。然而，由初级导体B引起的磁场回路B沿第一方向B1通过第一传感器元件104A，且沿相反的第二方向通过第二传感器元件104B。因此，代替抵消(如具有由均匀磁场引起的信号的情况那样)，在该组相对配置的传感器元件104中产生的信号正向加和。因此，将会理解，该组两个相对配置的传感器元件104配置为使得由通过该对传感器元件104A、104B中的每一个的均匀磁场引起的信号抵消，并且通过由初级导体100在每个传感器元件104A、104B中引起的磁场回路感生的信号相等且具有相同的符号(且因此正向地加和)。

图2示出了构成本发明的某些实施方式的一组相对配置的传感器元件104。

该组相对配置的传感器元件104的两个传感器元件104A、104B大致设置在公共平面中。在该示例中，传感器元件104A、104B设置在平面基板200的表面上。传感器元件104A、104B中的每一个由一匝或多匝导体构成。在该示例中，传感器元件104A、104B由设置在基板200的表面上的多匝导体构成。传感器元件104A、104B具有与基板200a的表面一致的对均匀磁场具有零灵敏度的平面。

也可以称为偶极线圈的传感器元件104A、104B是依靠所述一匝或多匝缠绕的方向而相对配置的。例如，在图2，第一传感器元件沿顺时针方向从中心向外缠绕。相反，第二传感器元件沿逆时针方向从中心向外缠绕。一组两个相对配置的传感器元件104也可以称为四极线圈组。术语偶极和四极涉及源自线圈的磁配置。

图3示出了根据本发明的第一实施方式的多组两个相对配置的传感器元件104-1至104-6的传感器配置300。每组两个相对配置的传感器元件104设置在平面基板(未在图中标记)上并且可以称为传感器板(也标记为104-1至104-6)。每个传感器元件104具有与其传感器板104-1至104-6的表面一致的对均匀磁场具有零灵敏度的平面。

根据本发明的第一实施方式的传感器配置300包括6个传感器板104-1至104-6。该图也示出了初级导体100，其在该示例中具有沿进入纸页的方向流过它的电流。同样示出的是由流过初级导体100的电流引起的圆形磁场回路(磁场的方向由围绕圆圈的箭头表示)。

所述多个传感器板104-1至104-6围绕初级导体104设置。传感器板104-1至104-6被设置为以便由围绕初级导体100的传感器板104-1至104-6包围一空间V。传感器板104-1至104-6中的每一个被设置为使得一组相对配置的传感器元件104位于其上的平面(即，其上设置传感器元件104A、104B的基板的表面的平面)在该平面的位于两个相对配置的传感器元件(例如，传感器元件104-2A和104-2B)之间的点处的法线N位于通过由传感器板包围的空间V的中心点的平面P上。最佳地，传感器元件(例如传感器元件104-2A和104-2B)关于传感器元件的平面的位于向空间V的中心点径向放射的平面P中的法线对称。

传感器板104-1至104-6中的每一个在每个端部处与其它传感器板104-1至104-6中的一个重叠，使得每个传感器板104包括延伸到对应的重叠的其它传感器板104之外的两个端部302、304和在两个端部302、304之间延伸的中间部306。在该示例中，传感器元件104-1A、104-1B等设置在传感器板104的端部302、304上。

传感器板104设置为使得由传感器元件104-1A、104-1B等中的每一个中的圆形磁场引起的信号正向地加和。每个传感器元件104-1A、104-1B与邻近的传感器元件串联连接。照这样，第一传感器板的第一传感器元件104-1A与第六传感器板104-6的第二传感器元件104-6B串联连接，第六传感器板104-6的第二传感器元件104-6B随后与第二传感器板104-2的第一传感器元件104-2A串联连接，等等。

可以采用刚性或柔性电路板上的印刷迹线或通过使用双绞线配线连接传感器元件104-1A、104-1B等。可替换地，传感器元件104-1A、104-1B可以并联连接，虽然在这种实施方式中，传感器元件104-1A、104-1B等要求匹配的阻抗。

传感器板104理想地被设置为使得由传感器板围绕的空间的横截面具有规则的多边形形状，在该实施方式中，为六边形。

图4A和4B示出了可以用来形成本发明的实施方式的可替换传感器板。

图4A分别示出了第一种可替换传感器板404的正面和背面。多匝导电材料设置在传感器板404的每一侧。传感器板的每个端部处的多匝导电材料由穿过传感器板的基板408的通路400连接。所述多匝被设置为使得由通过设置在传感器板的正面的第一端部处的多匝的磁场引起的信号与由通过设置在该传感器板的背面的第一端部处的多匝的磁场引起的信号正向地加和。因此，在该示例中，单个传感器元件404A、404B包括位于传感器板404正面和背面二者上的多匝。多匝导电材料在传感器板的两侧上的设置增加了传感器元件404A、404B对圆形磁场的灵敏度。

图4B示出了第二种可替换传感器板406。在该示例中，传感器板406包括相对配置的初级传感器元件104A、104B(如参照图2描述的)以及一组两个相对配置的附加传感器元件402。附加传感器元件402具有改善传感器配置内的响应的均匀性的效果。附加传感器元件402-1、402-2设置在传感器板406的中间部306上。附加传感器元件402-1、402-2也包括一匝或多匝导电材料，并且依靠它们的缠绕方向而相对配置的。附加传感器元件402-1、402-2具有与它们的传感器板406的平面一致的对均匀磁场具有零灵敏度的平面。

将会理解，根据一些示例，传感器板可以包括多于一组的两个相对配置的附加传感器元件。同样，将会理解，图4B的传感器板的初级传感器元件104A、104B和附加传感器元件402-1，402-2也可以包括位于传感器板的相对表面上的多匝导电材料。

传感器板可以为结合静电屏蔽层的多层电路板。在测量导体中的电流时，屏蔽层保护传感器元件免受来自导体上的电压的静电邻近干扰的影响。

可以采用任何制造共面电路元件的手段制造传感器元件，如印刷电路板技术、集成电路制造、厚膜技术和丝网印刷。可替换地，传感器元件可以印刷在陶瓷或玻璃上，或者可以包括被保持在陶瓷或玻璃上的合适位置处或以模制法嵌入的预缠绕的多匝导电材料。

图5A示出了根据由参照图4B描述的传感器板406构成并根据如参照图3描述的第一实施方式配置的传感器配置的远场灵敏度图案。图5A上的每一条线示出了对传感器配置300附近的远磁场具有零灵敏度的位置。远场衰减是传感器元件的配置的对称性的等级的函数。图3的包括6个板和因此12个传感器元件的传感器配置产生具有24个空值响应方向的远场灵敏度图案。由设置成正方形的4个传感器板构成的配置提供了呈现16个空值响应方向的远场衰减图案。由设置成三角形的3个传感器板组成的传感器配置产生包括12个空值响应方向的远场灵敏度图案。

图5B示出了具有如图4B所示的、根据参照图3描述的第一实施方式配置的6个传感器板406的传感器配置内的均匀性的图案。该图上的线示出了灵敏度偏差0.1％的位置。具有6组相对配置的传感器元件104A、104B(即，形成6个四极)的六个传感器板的配置具有最佳12个径向平面，所述径向平面对在由所述传感器板围绕的空间内流动的电流具有均匀的灵敏度。附加传感器元件402-1、402-2在传感器板406上的设置改善了该传感器配置内的响应的均匀性。例如，在每个传感器板上引入两个相对配置的附加传感器元件402-1、402-2(即，一个附加四极)以3为因数增加具有均匀灵敏度的平面的数量。因此，如可以在图5B中看到的那样，其中的每一个具有一组初级传感器元件104的6个传感器板形成具有均匀灵敏度的12个平面，由于在每个传感器板406上设置了一组附加传感器元件402，这12个平面乘以3而产生了具有均匀灵敏度的36个平面。

对于图3的结合图4B的传感器板的传感器配置300，图5C示出了作为离空间V的中心的距离的函数的对干扰导体的灵敏度的衰减。在图5A的灵敏度中的空值之间的中间位置处测到最坏情况。

图6A和6B分别图示了根据本发明的第一实施方式的传感器装置600的示意性平面图和侧视图。传感器板406被设置为提供六边形空间，初级导体100延伸穿过该六边形空间。传感器板406设置在刚性框架600中。该刚性框架包括顶部和底部600-1、600-2，其例如可以采用从框架600的顶部600-1通向底部600-2的塑料螺栓(未示出)连接在一起。该框架可以具有用于支撑传感器板406的边缘的狭槽。可替换地，传感器板406的边缘可以被保持在框架600的顶部和底部600-1、600-2的内表面上。根据可替换实施方式，传感器板406可以被夹物模压。图6A和6B的传感器装置还可以包括设置在传感器板上的信号调整电子元件(未示出)。

图7A-C图示了根据本发明的可替换实施方式的传感器板406的配置。图7A的配置700包括4个传感器板406，其被配置为包围围绕初级导体100的正方形空间并被设置为使得由圆形磁场在传感器元件(未示出)中感生的信号正向地加和。

图7B示出了传感器配置702，其包括3个传感器板406，这3个传感器板406被配置为使得它们包括为具有三角形横截面的空间。如在图3和7A的实施方式中一样，所述传感器板被配置为使得由圆形磁场在传感器元件(未示出)中感生的信号正向地加和。

图7C示出了根据可替换实施方式的配置，其包括围绕初级导体100设置的2个传感器板。

图6和7的传感器板已经被表示为传感器板406(即，参照图5B描述的传感器板)。然而，将会理解，代替的是，它们可以包括其它类型传感器板，例如，但不限于，参照图2和4A描述的传感器板。

在上文中，相对配置的传感器元件为反向缠绕的线圈。这些提供了对于均匀场给出具有相反符号的输出信号的功能。如果相对配置的传感器元件例如通过具有对称配置而相匹配，则它们提供对于均匀场给出具有相反符号和大小的输出信号的功能。

在其它实施方式中，相对配置的传感器元件为具有不同配置的霍尔效应传感器，使得它们对于均匀场给出具有相反符号的输出信号。在这些情况中，所述传感器具有对均匀磁场具有零灵敏度的多个平面，这些平面同样与上述线圈的平面对准。在另外的实施方式中，电子电路应用于具有相同物理构造的传感器元件以使它们相反地配置。

本领域技术人员将会理解，任何其它合适的相对配置的传感器元件可以用在本发明中。

应当认识到，前述实施方式不应当被解释为限制性的。在阅读了本申请之后，其它变化和修改对本领域技术人员将是明显的。而且，本申请的公开内容应被理解为包括在此明确地或隐含地公开的任何新颖性特征或任何新颖性的特征组合或其任何概括，并且在本申请或源自本申请的任何申请的审查期间，可以形成新的权利要求以涵盖任何这种特征和/或这种特征的组合。

Claims (7)

1.一种用于检测导体中的时变电流的传感器，该传感器包括围绕具有中心轴线的检测空间配置的多组两个传感器元件，每组传感器元件设置在平面基板上，该平面基板的平面不与中心轴线相交叉，并且每个平面基板具有不同的平面，使得检测空间由多个平面基板包围，所述平面基板中的每一个被设置为使得其平面的位于每组中两个传感器元件的中间部分之间的点处的法线和检测空间的中心轴线位于同一平面上，其中每组传感器元件中的传感器元件被配置为使得沿第一方向通过传感器元件的磁场在该组传感器元件中的第一传感器元件中产生正信号并在该组传感器元件中的第二传感器元件中产生负信号。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中每组传感器元件中的传感器元件围绕传感器元件的中间部分之间的位于与检测空间的中心轴线相同的平面上的点大致对称。

3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述平面基板被配置为使得检测空间具有基本上规则的多边形横截面。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述平面基板中的第一平面基板具有设置在其上的一组或多组两个附加传感器元件，每组附加传感器元件被配置为使得沿第一方向通过传感器元件的磁场在该组附加传感器元件中的第一附加传感器元件中产生正信号并在该组附加传感器元件中的第二附加传感器元件中产生负信号。

5.根据权利要求4所述的传感器，其中；第一平面基板上的4个或更多个传感器元件中的至少一个位于第一平面基板的第一侧上，并且所述4个或更多个传感器元件中的至少三个位于第一平面基板的第二侧上，所述第二侧更靠近中心轴线。

6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述附加传感器元件位于所述平面基板的所述第二侧上。

7.根据权利要求1所述的传感器，其中每个传感器元件包括一匝或多匝导体。