CN104508500B

CN104508500B - 用于测量导体中流过的电流的装置

Info

Publication number: CN104508500B
Application number: CN201380040373.5A
Authority: CN
Inventors: G.斯托克; T.哈姆
Original assignee: Hager Electro SAS
Current assignee: Hager Electro SAS
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2017-09-05
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: FR2994274B1; FR2994274A1; WO2014020268A1; CN104508500A; EP2880453B1; EP2880453A1

Abstract

一种电流测量装置，其包括至少一个线圈(1)，该线圈没有铁磁心，并且布置在有待测电流流过的导体(2)的附近。所述导体(2)至少部分地围绕所述线圈(1)。

Description

用于测量导体中流过的电流的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量导体中流过的电流的装置。实际上，本发明尤其适用于交流(AC)工业环境中具有与保护相关的功能的产品系列中的测量，例如由电子断路器代表的产品，其中，这种用于测量电流的装置代替常规的热磁功能和/或计数功能(电流测量、电压测量等)，本发明还适用于通信产品系列中的测量。

背景技术

当目前所用的电流测量装置集成到断路器等类型的装置中时，其基本原理是，传感器几乎总是围绕在电流(称为初级电流)的路径的周围。

该传感器例如可以是变流器型铁磁心传感器，所述铁磁心围绕导体，在该导体中有待测的初级电流流过，从而所述铁磁心集中并导引由所述初级电流产生的磁通，并在围绕铁磁心的一部分的线圈(称为次级线圈)中产生电流，该电流的大小取决于所述磁通。

以变流器为代表的这种传感器的缺点是，构成铁磁心的铁磁材料可能发生饱和，而这极可能导致传感器的输出信号发生失真。在实际应用中，当测量很大的初级电流时，输出信号会丧失其线性特征，而这对于测量传感器显然是不可接受的。

所述传感器也可以是没有铁磁心的传感器，例如罗戈夫斯基线圈型传感器。该线圈是缠绕在由非磁性材料制成的铁心上的线圈，它围绕有待测电流流过的初级导体。因此，提供至线圈的端子上的电压与流过导体的电流的强度的导数成正比。

由于没有可发生饱和的磁芯，因此动态测量范围更宽。但是，由于难以提供干净的输出信号，并且输出端的信号电平(即，在实际应用中是信噪比)极低，因此使用这种罗戈夫斯基线圈有更严重的缺点。

另外，罗戈夫斯基线圈常常难以制造，因为这种线圈需要以适当的方式把多个线圈组装起来，以确保这些线圈完全缠绕在初级导体上，同时还要确保线圈之间的连续性，如专利FR2870350中所述；或者，这种线圈需要采用缠绕在导体上的复杂结构的环形线圈。

发明内容

为了克服这些缺点，本发明提供一种结构简单、易于使用、即使在测量强电流时也具有良好的输出信号线性度、并且能提供很高的信号电平的电流测量装置。

为了实现这些目标以及通过下文中的说明变得明显的其它目标，本发明的电流测量装置包括至少一个线圈，该线圈没有铁磁心，并布置在有待测电流流过的导体的附近。本发明的主要特征在于，所述导体至少部分地围绕所述线圈。

实际上，这种构造与常见的构造正相反。事实上，不是线圈围绕初级导体，而是初级导体围绕线圈。本发明的主要优点是能显著改善信噪比，使得信噪比明显高于罗戈夫斯基线圈能实现的信噪比。

此电流测量装置仅包括布置在绝缘壳架上的单个线圈。因此，不再需要组装多个线圈以制造测量传感器。使用单个线圈和单个壳架的优点是，能够避免上文所述的任何饱和危险。因此，由于不存在可能发生饱和的铁磁心，因而不论待测电流有多大，都能保持传感器输出信号的线性特征。

比较有利的方式是，线圈在单位长度上包括恒定的匝数。更确切地说，它在单位长度上可包括恒定层数的匝数，匝间缠绕节距是恒定的。因此，这是一种标准线圈，制造起来很简单，对原料的要求不高，因而相当经济。

线圈各匝的线密度的这种有规律性还能避免对输出信号的洁净度的任何影响，即，能避免流过初级导体的电流的任何图像失真。

根据本发明，导体优选是环绕线圈的环的形式。

例如，导体由包括下列部分的金属板制成：

-中央部分，分为多个臂，以形成环绕线圈的环；

-由接线端子构成的第一端和第二端。

根据第一种可能的构造，导体的中央部分可由连接至第一端和第二端之一并且环绕线圈的至少一半的主分支构成，该主分支变宽，并分两个臂，这两个臂沿主分支的两侧伸展，并在第一端和第二端中的另一端结合在一起。

在一种可能的实施方式中，在主分支的变宽点，主分支的最大宽度可基本相当于线圈的长度。

可替代地，能够构想出线圈长度比所述宽度小的方案，因此，在该方案中，当从轴向观察时，两个臂旋绕在线圈的两侧。

根据另一种可能的构造，臂和主分支在环的闭合点可以是共面的。应说明的是，上述的特征要素可由用户随意组合或不组合，因为它们是独立的，并且实际上是完全独立的设计选择。

可替代地，在另一个版本中，所述两个臂为“S”形形式，该S形的反向弧之一封闭环绕线圈的环，而另一个反向弧终止在一端的连接端子的高度处。

可选地，中央部分可包括旁路，该旁路连接至所述臂或主分支，并围绕线圈，从而在线圈周围产生第二环。线圈周围的初级导体的匝数越多，线圈的输出信号电平就越高，而这能提高电流测量精度。

可以考虑增加初级导体的匝数的选项，以满足根据多种不同的参数(尺寸考虑、成本、待处理的信号电平、工业化生产)在保护装置的范围之内划分的需求。

双环的缺点是可能导致过热，这对于整个产品来说是有害的，尤其是对于电子器件，可能导致使用寿命严重缩短。

另外，双环比单环占用更多空间，并且原料成本更高。

因此，在根据本发明的测量装置中，需要根据导体的规格或尺寸寻求导体和线圈的各自位置之间的平衡，以避免产品的任何过热。

为了符合在某些保护装置中安装本发明的装置的条件，在沿受保护线路方向的环的任何一侧，形成接线端子的第一端和第二端优选定向为彼此基本上平行，并且它们在保护装置的外壳中串联安装在所述线路中。

为了提高这种构造的传感器的性能，电流测量装置还可包括用于导引由线圈产生的磁通的装置。它们由围绕构成导体的中央部分的环的一部分的至少一个‘U’形屏蔽元件组成。由铁磁材料制成的此屏蔽件把从线圈散发的磁通集中在初级导体周围，而不超过该范围。U形结构的优点是，从磁性方面考虑，它不会像闭合电路那样快速饱和，因此即使在强电流穿过导体的情况中，也不会导致任何信号失真。

根据尤其与上述的一些构造对应的一种可能性，屏蔽元件的基部例如可布置为一方面平行于围绕线圈的导体的中央部分的一部分，另一方面平行于面向它的导体一端，并位于导体的中央部分的一部分与导体一端之间，而所述U形的两个分支分别朝向线圈的两端。

U形屏蔽元件可按适当的方式连接至可动叶片，从而在导体的环周围形成磁路，所述叶片基于磁路状况的移动可由连接至该叶片的脱扣装置利用，从而当导体上发生过载时，使锁定装置脱扣。通过这种方式，屏蔽件不仅用于疏通磁通，还形成能够以很低的成本为本发明的装置提供附加功能的磁路。可动叶片和可能布置在下游的脱扣系统的致动提供使依赖于上述锁定装置的电触点断开的能力。

当系统电子装置没有足够的时间管理断路器的脱扣时，尤其是当电流超过40×In(标称电流)时，会发生这种脱扣。在此情况下，经证明，电子装置的动作速度太慢，不能有效地引起脱扣。

但是，只有在磁路中流动的电流不能互相消除时，测量装置才能与脱扣装置连通，因此，必须具有一种特定的配置，其中，导体在侧臂之间穿过线圈附近返回，或者更一般地说，导体在磁路中穿过奇数次。

而且，本发明的测量装置可连接至变流器，该变流器具有布置在导体的一部分的周围的磁心，并用于通过次级绕组向控制电子系统供电。本发明的测量装置的线圈没有足够的能力在输出测量信号的同时向控制电子系统供电，因此需要向所述测量装置增加具有自己的线圈的这种变流器。

根据导体的形式和形状以及导体和线圈之间的布置，此变流器可布置在不同的位置。例如，相对于电流方向，该变流器可布置在线圈的上游，在导体的连接端子附近。在此情况下，上述的屏蔽元件能防止所述变流器从由导体产生的闭环区中“抽取”磁通。因此，为了仅在线圈的周围导引磁通，必须存在上述的屏蔽元件。

根据一种用于提高组件的紧凑性的可能特性，所述变流器的磁心可布置在导体的环的中央部分的周围，并围绕线圈。在此情况下，不再有从由导体产生的闭环区中“抽取”磁通的现象，相反，按与上述的具有屏蔽件的情况类似的方式导引的磁通会被疏通或增强。因此，当变流器按这种方式布置时，测量装置不需要附加的屏蔽。

附图说明

通过下文中参照附图做出的对多种实施方式的非限定性例子的说明，本发明的其它特性和优点将变得更明显，在附图中：

-图1至图3示出了测量装置的三种可能的构造；

-图4示出了第一种构造的测量装置与其上连接的屏蔽元件和变流器的组合；

-图5示出了第二种构造的测量装置与其上连接的脱扣装置和变流器的组合；

-图6示出了第三种构造的测量装置与其上连接的脱扣装置和变流器的组合；

-图7示出了一种具有双环的测量装置。

具体实施方式

图1至图3所示的测量装置由线圈1组成，在线圈1的周围至少部分地缠绕有导体2，待测电流流过导体2。

线圈1布置在绝缘壳架3上，并与具有线性累进速率和简单构造的常规线圈相当。

导体2由包括下列部分的金属片或金属板构成：

-由连接端子构成的第一端4；

-中央部分5，其形成围绕线圈1的环；和

-也由连接端子构成的第二端6。

在图1中，导体2的中央部分5由主分支7构成，主分支7连接至第一端，并从线圈1下穿过，向上转至线圈1的后面，从线圈1的上方穿过，然后分为两个臂(8、9)，这两个臂在线圈1前面穿过，并在第二端6的高度处结合在一起。

因此，线圈1的前中央区10不被导体2遮盖。这不重要，因为线圈1的场线(其中一些以虚线表示)从线圈1的两端出发，并围绕导体2的臂(8、9)。还可以使主分支7向上延伸至线圈1的前面，然后把其分为两个臂。但是，最重要的是确保导体2的各个不同部分彼此不接触，以避免发生任何短路。

绕线圈1流过的电流以箭头表示。在图1所示的情况中，从磁性角度说，电流在逻辑上能够互相消除，无需在环的周围布置磁轭。

在图2中，臂(8、9)为类似于“S”形状的形式，并在线圈1下面穿过后再在导体2的第二端6的高度处结合到一起。在此情况下，导体2在线圈1下穿过两次并返回：第一次是主分支7穿过，第二次是臂(8、9)穿过。

绕线圈1流动的电流不能互相消除，因为当电流在线圈1下流动时，电流穿过两次，而当电流在线圈1上方流动时，电流仅穿过一次。因此，图2所示的构造能够为此测量装置增加脱扣功能，因为能够检测电流并由此能够检测过流状况。这将在下文中参照图5更详细地说明。

在图3中所示的构造中，臂(8、9)和主分支7之间的结构与图1和图2所示的构造中的相反。在此情况下，导体2的中央部分5由两个臂(8、9)构成，这两个臂从第一端4伸出，在线圈1下面穿过，并在线圈1的后面结合在一起，形成主分支7，主分支7遮盖住线圈1的顶部、前面和下部。在线圈1的前面的高度处，主分支7的宽度减小，从而能够在线圈1下在臂(8、9)之间穿过。因此，主分支7和臂(8、9)在线圈1之下是共面的。

在图3所示的构造的基础上，图7中的导体2进一步分出一个附加的臂11，该附加的臂11构成线圈1周围的第二环。在产生第一环的导体2的部分与第二环之间形成有缝隙12，例如气隙，一方面，该缝隙可避免这两者之间接触，从而防止任何短路，另一方面，该缝隙产生通风区，以防止线圈1周围发生温度异常或过热。

图4再次示出了如图1所示的导体2的构造。在此情况下，测量装置连接有变流器，该变流器包括：

-环绕导体2的主分支7的一部分的回路或磁心13；和

-环绕磁路13的一部分的次级线圈14。

此变流器用于向控制电子系统(未示出)供电。

变流器的磁路13有吸引源自于线圈1的磁通因而使场线偏斜的倾向。优选以适当的方式在导体2的中央部分5的周围增加屏蔽元件15，以便疏通和导引磁通。屏蔽元件15由铁磁材料制成，并为U形形式，其基部16位于主分支7和线圈1下的第二端6之间，分叉(17、18)的两部分分别朝向线圈1的两端。

此屏蔽元件15拧紧到端子6上，从而直接紧固到导体2上。

图5再次示出了如图2所示的导体2的构造。测量装置也连接至如上所述的包括磁路13和线圈14的变流器。

它还包括屏蔽元件15，在此情况下，该屏蔽元件15的基部16位于臂(8、9)和线圈1下的第二端6之间。

由于在这种构造中绕线圈1流过的电流的和不是零，因此能够在此测量装置上结合脱扣功能。为此，需要再次使用屏蔽元件15，并与布置为朝向屏蔽元件15并具有倒‘U’形形状的可动叶片19连接，从而在导体2的周围形成带有气隙的磁路。因此，当导体2中发生过载(例如短路)时，此脱扣功能提供通过脱扣装置或类似装置使锁定装置(未示出)脱扣的能力。

图6再次示出了如图3所示的导体2的构造。在图6中，测量装置连接至变流器，在此情况下，变流器的磁路13布置在围绕线圈1的导体2的环的周围。在此情况下，磁路13以上述的屏蔽元件的方式疏通和导引磁通。

在此构造中，能够在导体2的一部分的周围增加脱扣系统。所述脱扣系统通常包括具有与上述的屏蔽元件15相同的结构的固定基部20和如上所述的可动叶片19。需要进行机械校准，以确保当导体2中的电流超过某个阈值后叶片19仅被吸引到基部20上。

Claims

1.一种电流测量装置，包括至少一个线圈(1)，该线圈没有铁磁心，并且布置在有待测电流流过的导体(2)的附近，

所述导体(2)至少部分地围绕所述线圈(1)

导体(2)由包括以下部分的金属片构成：

-中央部分(5)，分为两个臂，以形成环绕线圈(1)的环；和

-由接线端子构成的第一端和第二端(4、6)，

其特征在于，导体(2)的中央部分(5)由连接至第一端和第二端(4、6)之一并且环绕线圈(1)的至少一半的主分支(7)构成，该主分支(7)变宽，并分为沿主分支(7)的两侧伸展并在第一端和第二端(4、6)中的另一端(6)结合在一起的两个臂(8、9)。

2.如权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，该电流测量装置包括布置在绝缘壳架(3)上的单个线圈(1)。

3.如权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，线圈(1)在单位长度上包括恒定的匝数。

4.如权利要求3所述的电流测量装置，其特征在于，线圈(1)在单位长度上包括恒定层数的匝数，并且，匝间缠绕节距是恒定的。

5.如权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，主分支(7)的最大宽度基本相当于线圈(1)的长度。

6.如权利要求1至5中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，两个臂(8、9)和主分支(7)在环的闭合点是共面的。

7.如权利要求1至5中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，所述两个臂(8、9)为S形形式，该S形的反向弧之一封闭环绕线圈(1)的环，而另一个反向弧终止在一端(6)的接线端子的高度处。

8.如权利要求1至5中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，中央部分(5)包括旁路(11)，该旁路连接至所述两个臂(8、9)或主分支(7)，并围绕线圈(1)，从而在线圈(1)的周围产生第二环。

9.如权利要求1至5中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，形成接线端子的第一端和第二端(4、6)定向为彼此基本上平行。

10.如权利要求1至5中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，该电流测量装置包括用于导引由线圈(1)产生的磁通的装置。

11.如权利要求10所述的电流测量装置，其特征在于，用于导引磁通的所述装置由围绕构成导体(2)的中央部分(5)的环的一部分的至少一个U形屏蔽元件(15)构成。

12.如权利要求11所述的电流测量装置，其特征在于，U形屏蔽元件(15)的基部(16)布置为一方面平行于围绕线圈(1)的导体(2)的中央部分(5)的一部分，另一方面平行于面向它的导体(2)的一端(6)，并位于导体(2)的中央部分(5)的一部分与导体(2)的一端(6)之间，而U形的两个分支(17、18)分别朝向线圈(1)的两端。

13.如权利要求11所述的电流测量装置，其特征在于，U形屏蔽元件(15)由铁磁材料制成。

14.如权利要求11所述的电流测量装置，其特征在于，U形屏蔽元件(15)连接至可动叶片(19)，从而在导体(2)的环的周围形成磁路。

15.如权利要求1至5中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，该电流测量装置与变流器连接，该变流器具有布置在导体(2)的一部分的周围的磁心(13)，并且用于通过次级绕组(14)向控制电子系统供电。

16.如权利要求15所述的电流测量装置，其特征在于，所述变流器的磁心(13)布置在导体(2)的环的中央部分(5)的周围。