CN110753848A - 用于检测在电导体上或附近的电流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测在电导体上或附近的电流的装置，所述装置具有至少一个舌簧触点作为磁性响应的开关，所述舌簧触点设置在电导体附近，使得在显著电流通过导体时所形成的磁场触发所述开关并且启动与所述开关处于连接的分析处理电子器件，其中，为了探测冲击电流大小并且区分长时脉冲电流和短时脉冲电流，多个舌簧触点与电导体隔开预给定的不同的增大的间距地设置，其中，所述分析处理电子器件确定相应的舌簧触点的响应和切换时间，由所确定的值与相应的舌簧触点的配设来确定冲击电流大小并且由切换时间确定脉冲波形。

Description

用于检测在电导体上或附近的电流的装置

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1所述的用于检测在电导体上或附近的电流的装置，所述装置具有至少一个舌簧触点作为磁性响应的开关，所述舌簧触点这样设置在电导体附近，使得在显著电流通过导体时所形成的磁场触发所述开关并且启动与所述开关处于连接的分析处理电子器件，以及本发明涉及一种按照权利要求14所述的这样的装置用于检测和分类闪电和过流事件的应用。

背景技术

由DE2826247C2预先已知一种用于电导线的短路指示器。

所述短路指示器具有由电导线的磁场控制的舌簧触点和电子的自保持电路。所述自保持电路构造为触发器(Flip-Flop)电路，其不仅控制电子计数器而且控制节拍发生器。节拍发生器启动闪光信号传感器。电子计数器在经过一段时间之后使触发器电路复位并且停止节拍发生器。

所使用的舌簧触点这样设置在与导电体平行的平面中，使得在短路的一瞬间产生对应大的磁场，该磁场作用到舌簧触点上并且使该舌簧触点至少短时闭合。

因此，供电电压到达触发器电路的输入端，从而该触发器电路转到自保持位置中。

通过使舌簧触点绕壳体的假想纵轴线转动来降低其灵敏度。由此，可以在工厂方面将短路指示器调节到例如在200A至400A的范围内的确定的分级的触发电流上。

DE10329223B9公开一种短路电流传感器，该短路电流传感器利用短路电流的磁场的力，以便闭合舌簧触点，该舌簧触点这样装配在电路板上，使得该舌簧触点通过0°至90°之间的旋转可调节到确定的触发电流上。

DE2700995A1涉及一种用于电流流过的电的消耗器的监控系统。

所述消耗器特别是机动车的刹车灯或尾灯。在通过流过消耗器的输入导线的电流产生的磁场中设置有与磁场有关的开关，该开关引导到显示装置。作为开关特别是使用舌簧触点。

在一种优选实施方式中，所述开关设置在由消耗器输入导线构成的线圈的内部中，从而相邻的线圈绕组的包围每个单独导体的磁场叠加，以便获得足够的响应灵敏度。

在那里的教导的构造方案中，线圈和能与磁场有关地操纵的开关组合为结构单元，该结构单元能接入到消耗器的输入导线中。

在按照DE19930089A1的用于选择性地触发相继开关的、选择性开始的保护开关的布置系统中，在该布置系统中由短路直接涉及的保护开关将截止信号发出给触发系统，保护管触点与连接在下游的保护开关的每个主电流路径磁性耦合并且与设置在上游的保护开关的触发系统电连接。

优选保护管触点设置在保护开关的连接端子附近。

现有技术的以上描绘的解决方案的共同之处在于：舌簧触点构成开关的基础，其中，所述开关能通过磁场操纵。在磁能足够时，本身已知的舌簧开关的接触舌到达接触闭合的位置中，结果是：存在开关的电路闭合。基于这样的舌簧开关的使用可以监控电路并且将其功能用信号表示。此外，可以确定短路电流，其方式是，短路电流本身限定为阈值，其磁场能够闭合舌簧触点、亦即开关。

发明内容

由上面提到的内容，本发明的任务在于：给出一种用于检测在电导体上或附近的电流的改进的装置，该装置具有至少一个舌簧触点作为磁性响应的开关，其中，所述装置不仅能够限定具有达到电导体中的确定的电流流过的切换状态，而同样存在以下可能性：检测和评估电流脉冲和因此冲击电流，而不与在所谓的闪电计数器中类似地需要耗费的电子的并且因此昂贵的且易受干扰的电路。

本发明的任务的解决利用具有按照权利要求1所述的特征组合的装置以及按照权利要求14所述的教导的按照本发明的应用进行，其中，从属权利要求至少为适宜的设计方案和改进方案。

在广泛研究的结果中，已经以意想不到的方式证实：利用多个舌簧触点的类似空间上分级的关于电导体隔开间距的和/或在其灵敏度方面分级的布置系统可以确定和区分冲击电流大小。在此，以特别意想不到的方式证实：不仅能识别长时脉冲电流，而且可以评估短时脉冲电流。在此，按照本发明的装置也在恶劣环境中并且在机械的振动和振荡的影响下无干扰地工作，这又关于确定的应用、例如风力设备中的闪电击中的监控是意想不到的。

舌簧触点本身基于其构造具有机械惯性，所述机械惯性在脉冲负荷极短时不能期待可复现的响应。敏感触点的确定的限定的响应能部分已经在脉冲过程期间同样较少地预见，如具有较小灵敏度或较大机械惯性的触点在还明显在脉冲负荷之后无进一步作用的磁场的同样可复现的响应。此外，意想不到抗过载性、特别是敏感的舌簧触点。但是，既可以可靠地检测<100A的脉冲电流，又可以可靠地检测小的长时电流。在具有磁场负荷的直至250kA的明显较大的脉冲负荷时，所述磁场负荷以因数1000或较大地处于响应电压之上，相应的舌簧触点的机械部件通过高的动态力不被机械破坏或损坏，从而即使在这样的多重负荷之后，脉冲电流的可复现的检测是可能的。

通过按照本发明定位相应的舌簧触点并且几乎无结地供应接头，在触点的路径中的电流的不利耦入可以如此程度减少，使得具有非常小的开关电流的必需的敏感触点通过在闭合时的诱导的电流连同必要时高频的跳动通过避免点火火花(Abriβfunke)不被损坏。火花形成可以通过对舌簧触点的附加的接线来避免。电流向舌簧触点的连接回路中的不希望的耦入可以通过主动的或被动的过压保护措施来降低。

按照本发明的用于在利用舌簧触点的情况下检测电流的装置可以集成到所谓的智能的捕获杆中或者说是这样的捕获杆的组成部分，以便可以评估闪电事件。

按照另一种应用实例，按照本发明的装置可以用于检测在这样的导体中的电流，所述导体是结构设备的组成部分并且所述导体对应于EN62305-3用作导出装置。舌簧触点也可以安装在导电构件上或附近，所述构件原则上不设置用于避雷，但闪电部分电流可以流动经过所述构件。示例性地为此参阅索道的输送绳、起重机的升降绳或类似物。对此达到：及早地识别在这样的绳上的由于闪电部分电流的可能损坏，以便采取适当的措施，例如更换被损坏的绳。

具有电子部件的装置与闪电电流流过的导出装置的通过使用舌簧触点产生的电流分开和间隔能实现在长时间间隔上的无干扰的无维护耗费的运行。

按照本发明的装置同样可以是过压导出器的组成部分或者考虑用于评估过压导出器的负荷，其方式是，按照本发明的装置集成到相关的电流路径中，或者说配设给该电流路径。

因此，按照本发明的装置形成在其他情况下使用的耗费的测量系统的一种低成本备选方案，例如以便使用所谓的罗戈夫斯基(Rogowski)线圈。

按照本发明的装置在其应用中能实现双重功能，其方式是，一方面例如基于闪电事件检测干扰电流脉冲并且能关于脉冲波形和脉冲持续时间但也关于电流大小区分所述干扰电流脉冲。

因此，用于检测在电导体上或附近的电流的装置从舌簧触点作为磁性响应的开关出发，所述舌簧触点如此设置在电导体附近，使得在显著电流通过导体时所形成的磁场触发所述开关并且启动与所述开关处于连接的触发电子装置。

按照本发明，为了探测冲击电流大小并且区分长时脉冲电流和短时脉冲电流，多个舌簧触点与电导体隔开预给定的不同的增大的间距地设置。

所述分析处理电子器件确定相应的舌簧触点的响应和切换时间。由所确定的值与舌簧触点的配设或者说所述舌簧触点的空间设置和与电导体的间距能够求得或确定冲击电流大小并且由切换时间求得或确定脉冲波形，优选同时使用微控制器。

按照本发明，不是仅可以使用具有常开接点功能的舌簧触点。同样存在使用打开的舌簧触点的可能性。对应的打开触点可以与永磁体相结合地如此实现，使得触点的响应特性是可调节的。

因此处于本发明的意义内的是：关于电流的区别的响应特性不仅通过空间上隔开间距的构造来调节，而且采用其他准则。为了调节相应的舌簧触点的响应特性的界限，可以应用屏蔽装置。该屏蔽装置可以实施为金属的套或金属的层。针对高频过程，例如金属的套或层适宜用于基于铜或铝材产生涡流。为了降低在低频过程时的灵敏度，可以使用具有大导磁率的材料、例如软磁性的钢。

为了利用两个效果，能使用附加地具有导电的涂层(例如由铜制成)的大导磁率的材料。由于在磁场强时大导磁率的材料的饱和，包围相应的舌簧触点的屏蔽材料的阶梯式布置是有利的。

因此，通过屏蔽可以特定地调节和改变舌簧触点的灵敏度，从而最终具有相同灵敏度和相同结构形式的标准舌簧触点的使用是可能的。

由于舌簧触点与电导体的不同的空间间隔的界限，备选或补充地可以使用具有不同反向场磁体的相同结构型式的打开触点。同样地，常开接点的使用是可能的，所述常开接点除了间距之外附加地针对磁场的作用屏蔽。

在本发明的一种实施方式中，所述电导体是闪电电流导出装置、捕获杆或导电构件的组成部分，原则上闪电电流可以流动经过该导电构件。

在本发明的另一种实施方式中，所述电导体是引导冲击电流的过压导出器的组成部分。

所述分析处理电子器件除了优选的微控制器之外也具有数据存储器。

所储存的数据可以无线或连线地或借助于纤维光学系统(LWL)转移给用于长期分析脉冲形的冲击电流或者说长时电流的上级单元。

由此可能的是：例如通过在复杂的建筑物中结合多个按照本发明的装置，对关于过流事件的负荷进行检测、储存并且为了位置或危险分析进行分析处理。

为了确保所述装置的持久的、无维护的使用，所述装置装备有长期供电装置。

因为按照本发明的装置通常处于所谓的睡眠模式中并且在出现过流事件时才被激活，所以仅出现非常小的稳流，所述稳流导致不必更换电池或蓄能器的希望的长的使用时间。

在本发明的一种设计方案中，按照本发明的装置也可以从电网吸取能量，电流流过的导体通常与所述电网连接。

用于脉冲记录或用于运行分析处理电路必需的能量可以由真正的干扰或测量信号、亦即脉冲本身获得。

一种用于运行能量获得的备选可能性是所谓的能量收集(Energy Harvesting)。在这里，能量产生可以由运动亦或者也可以在利用光伏元件的情况下实现。

在本发明的改进方案中，所述装置具有用于数据传输的无线电模块，其中，所述数据传输按照本发明在最后的冲击电流脉冲的衰减之后在预确定的时间段经过之后触发。以这种方式确保无干扰的数据传输。

在本发明的一种实施方式中，至少所述舌簧触点固定在面状的布线支架、例如铜涂层的电路板上，其中，第一组舌簧触点设置在所述布线支架的第一侧上并且第二组舌簧触点设置在所述布线支架的与第一侧对置的第二侧上。

在此，第一组例如包含两个舌簧触点并且第二组例如包含一个舌簧触点。

在本发明的一种优选构造方案中，各组舌簧触点关于所述电导体的角位置固定地预给定并且是不可变的，以便实现可复现的测量结果。

此外，按照本发明构造有容纳所述装置的部件的壳体，所述壳体具有端面或侧面，所述端面或所述侧面设有用于标识位置和/或用于固定所述电导体的器件。

以这种方式，在将所述装置使用或装配在电导体上或附近时，确保在电流流动时构造的绕导体和处于壳体中的舌簧触点的场之间的正确配设。

通过壳体不必具有用于容纳或穿过电导体的开口的方式，所述壳体可以按最高防护等级设计，亦即用于在户外并且在严峻的环境条件下使用。

在按照本发明的装置的一种特别的变型方案中，所述装置如此设计，使得在风力设备中的转子叶片的避雷针绳上或附近进行设置。借助于在下游设置的计数装置可以检测闪电电流事件的数量、但还有强度和脉冲波形，以便由此推断出：是否可能处于风力设备的转子叶片的表面上的所谓受体已经被过度加载或熔化，从而维护使用或者说维修能按照计划安排。

按照本发明的装置也可以用于监控和评估输送绳、例如索道中的可能的闪电击中。对输送绳中的闪电电流的检测通过具有舌簧触点的对应设置和设计的传感器在所解释的教导的意义内实现。当检测到闪电电流或闪电部分电流时，进行向上级控制装置的报告。由此，于是可以推断对输送绳的控制的必要性并且必要时设置运行中断。在这样的应用中特别有问题的是长时电流的探测。长时电流对于输送绳上的出现的熔化是重要的，其特别是在冬季打雷时是可能的。

按照本发明的检测装置的所提出的能量自给自足的、与供电网络无电流连接的工作方式具有以下优点：不用维持与测量装置的分开间距。

所提出的装置的按照本发明的应用针对闪电和过流事件的检测和分类，还有这样的不与雷电冲击电流有关、但具有>50A直至200kA范围内的冲击电流特性的事件，并且针对作为具有T≥10ms的长时脉冲的脉冲波形以及这种10/350μs和8/20μs的脉冲波形的事件的检测。

附图说明

下面要借助实施例以及附图详细解释本发明。

具体实施方式

图1在这里示出按照本发明的装置的原理布置结构，该装置具有例如三个与电导体隔开限定的间距的舌簧触点。

图2示出分析处理电子器件的简化的框图，该分析处理电子器件具有设置在相应的舌簧传感器4；5；6下游的低通滤波器9，该低通滤波器的相应的输出端引导到微控制器10上，该微控制器在输出端与无线电接口11处于连接。

在按照图3的框图中又从舌簧传感器4；5；6出发，所述舌簧传感器与RC低通滤波器9处于连接。

为了确定相应的舌簧传感器4；5；6的切换时间，低通滤波器分别与比较器12的输入端处于连接，该比较器的输出端引导到微控制器10连同存储单元上。

与此有关，设有时间模块13，该时间模块引导到比较器12的比较输入端。为了供电，使用对于图1已经解释的电池5。借助于时间模块13和微控制器10能够在信号处理技术上由相应的舌簧传感器或舌簧触点4；5；6的切换时间确定所检测的脉冲波形。

结构组件11和14构成空中接口并且确保对所探测的冲击电流大小的无线数据传输。

另一个信号处理和控制单元15与通信模块16处于连接，以便例如经由GSM确保云连接。备选地，可以借助于模块17实现传统的互联网连接，以用于数据分析处理以及用于长期分析。

按照图1的实施例的装置从电路板1出发，该电路板具有包括无线电模块2的分析处理单元以及形式为电池3的长期稳定的供电装置。

在电路板1或布线支架的面状的侧向区段处或上设置有三个隔开间距的舌簧触点4、5和6，所述舌簧触点处于基本上彼此平行。

在电路板1的类似止挡棱边7处引出电导体8。在这里例如可以是风力设备的转子的导出绳。

如果导出绳8由冲击电流流过，则绕导出绳构成磁场，该磁场以不同的强度穿透隔开间距的舌簧触点4、5、6。

例如由此出发：舌簧触点4与导体具有5mm的间距，舌簧触点5与导体具有15mm的间距并且舌簧触点6与导体具有105mm的间距。

舌簧触点4能够检测具有Imin≥50A和脉冲持续时间T≥10ms的长时脉冲。同样地，与导出绳8隔开最窄间距的舌簧触点4可以探测具有Imin≥60A的脉冲波形10/350μs的冲击电流脉冲和具有Imin≥70A的脉冲波形8/20μs的冲击电流脉冲。

舌簧触点5能够探测具有Imin≥200A的脉冲波形10/350μs的脉冲电流和具有Imin≥750A的脉冲电流8/20μs。

与导出绳8隔开大约105mm的间距的舌簧触点触发器6能够检测具有Imin≥4.5kA的脉冲波形10/350μs的脉冲和具有Imin≥67kA的脉冲波形8/20μm的脉冲。

借助于在所述装置中集成的分析处理电子器件可以按照脉冲波形检测和分析处理舌簧触点的不同的切换时间，从而能识别：涉及具有何种脉冲持续时间的何种脉冲波形。为此优选应用按照图3的线路布置。

同样可以通过在对应的冲击电流时选择性地响应舌簧触点进行在大约60A直至250kA范围内的区分。

在闪电或冲击电流事件中，这首先通过响应至少一个舌簧触点来检测。此后，通过各个舌簧触点的响应特性进行对所测量的电流强度的区分。所检测的数据在注意相对于后续事件的时间变化或者说时间增量的情况下储存并且然后提供用于进一步分析处理。

利用在检验场中测试的按照本发明的装置，可检测的最小电流强度处于大约45A。借助例如三个舌簧触点的使用，可以预给定和评估三个脉冲阈值。在用于分析处理所使用的微控制器的对应扩展时可以进行进一步多样化，而不离开本发明的基本原理。

用于长期储存和分析所检测的值的变得可能必需的部件可以在空间上远离按照本发明的装置安装在EMV保护的空间中。这是可能的，因为优选进行将由所述装置提供的测量值无线传输到下游的分析处理单元并且这个传输在最后的干扰事件的衰减之后才能触发。

通过出现的闪电事件与发射事件记录之间的固定地调节的延迟时间可以实现毫秒精度的时间配设或者说毫秒精度的时间戳。

舌簧触点的以下示例性的触发阈值按照所实施的试验得出：

表1：舌簧触点的触发阈值

脉冲波形	舌簧1	舌簧2	舌簧3
				8/20μm	350A	1250A	67A
10/350μm	140A	260A	4.5kA
				DC检验场	141A

舌簧触点的触发阈值可以强烈地通过间距并且通过触点的类型改变。在这些触发阈值中可以在I_{cc only}与短时脉冲之间进行区分。如果所述三个舌簧触点应在电流强度较高时触发，则所述间距可以还变大。在不同的导出绳中(95mm²、Φ＝11mm、绝缘壁厚＝2.5mm，50mm²，Φ＝8mm、绝缘壁厚＝2.5mm)，可能观察到10A的触发阈值的偏差。在10/350脉冲时，触发阈值与8/20脉冲相比低得多。

另外，能够在8/20与10/350脉冲的舌簧触点的触发阈值之间从距导出绳的一定间距起识别响应的以下相关性，

Claims (14)

1.用于检测在电导体上或附近的电流的装置，所述装置具有至少一个舌簧触点作为磁性响应的开关，所述舌簧触点设置在电导体附近，使得在显著电流通过导体时所形成的磁场触发所述开关并且启动与所述开关处于连接的分析处理电子器件，

其特征在于，

为了探测冲击电流大小并且区分长时脉冲电流和短时脉冲电流，多个舌簧触点(4；5；6)与电导体(8)隔开预给定的不同的增大的间距地设置，其中，所述分析处理电子器件确定相应的舌簧触点(4；5；6)的响应和切换时间，由所确定的值与相应的舌簧触点的配设来确定冲击电流大小并且由切换时间确定脉冲波形。

2.按照权利要求1所述的装置，

其特征在于，

所述电导体是闪电电流导出装置或捕获杆的组成部分。

3.按照权利要求1所述的装置，

其特征在于，

所述电导体是引导冲击电流的过压导出器的组成部分。

4.按照上述权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述分析处理电子器件(2)具有微控制器和数据存储器。

5.按照权利要求4所述的装置，

其特征在于，

所储存的数据无线地或连线地转移给用于长期分析脉冲形的冲击电流的上级单元。

6.按照权利要求4或5所述的装置，

其特征在于，

设置有用于数据传输的无线电模块，其中，所述数据传输在最后的冲击电流脉冲的衰减之后在经过预确定的时间段之后才触发。

7.按照上述权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述装置具有自给自足的长期供电装置(3)。

8.按照上述权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

至少所述舌簧触点(4；5；6)固定在面状的布线支架上，其中，第一组舌簧触点设置在所述布线支架(1)的其中一侧上并且第二组舌簧触点设置在所述布线支架(1)的与第一侧对置的侧上。

9.按照权利要求8所述的装置，

其特征在于，

各组舌簧触点(4；5；6)关于所述电导体(8)的角位置固定地预给定。

10.按照上述权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

构造有容纳所述装置的部件的壳体，所述壳体具有端面或侧面，所述端面或所述侧面设有用于标识位置和/或固定所述电导体的器件。

11.按照上述权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述装置相应设置在风力设备的转子叶片的避雷针绳上或附近。

12.按照上述权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

在经过脉冲事件与数据转发之间的预确定的或可调节的时间段之后能生成时间戳。

13.按照上述权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述电导体是不引导闪电电流的构件或装置、特别是索道或起重机的输送绳或承重绳的组成部分。

14.按照权利要求1至11中任一项或多项的装置用于检测和分类闪电和过流事件的应用，所述闪电和过流事件具有<50A至200kA的范围内的冲击电流特性和作为具有T≥10ms的长时脉冲的脉冲波形以及10/350μs和8/20μs的脉冲波形。

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