CN111243835A - 电流互感器，及包括这种互感器的保护装置和电气断路器 - Google Patents

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Abstract

一种电流互感器(1)，包括由磁性材料制成的用于放置在初级导体(3)周围的磁路(2)，以及缠绕在所述磁路(2)的部分(5)上以便向处理电路(32)输送次级电流的次级绕组(4)。在该电流互感器中，所述磁路(2)包括用于根据温度改变所述磁路的部分的磁化的至少一个装置(6，6A，6B)，以便当所述磁路的温度升高时限制或减小所述磁路中的磁通量。包括这种互感器的保护装置和电路断路器。

Description

电流互感器，及包括这种互感器的保护装置和电气断路器
技术领域
本发明涉及一种电流互感器，包括：
-由磁性材料制成的磁路，用于围绕初级导体放置；和
-次级绕组，其缠绕到所述磁路的一部分上，以便将次级电流传递到处理电路。
本发明还涉及包括这种电流互感器的保护装置和断路器。
背景技术
图1中示出了已知的电流互感器1。它包括旨在围绕初级导体3放置的磁路2，以及缠绕在所述磁路的部分5上的次级绕组4。磁路通常被制造为堆叠的片材。这些片材主要由铁制成，并且被设计为以电网的频率操作，特别是以50Hz或60Hz的频率。
当电网的基频增加并且超过100Hz时，或者当高频电流或电流谐波叠加在初级导体3中流通的负载电流上时，在磁路的铁中产生能量损失。这些铁损导致磁路以及与磁路邻接或接触的部件的发热。当互感器集成在带有其他电气或电子部件的绝缘外壳中时，这些温度升高尤其显著。绝缘外壳的使用确保了在初级导体3和与电流互感器相关联的电气设备的其余部分之间提供电绝缘。
发明内容
本发明的目的是一种能够避免或减少磁路中的温度升高的电流互感器，以及包括这种电流互感器的保护装置和断路器。
在根据本发明的电流互感器中，该电流互感器包括由磁性材料制成的、用于围绕初级导体放置的磁路，以及缠绕在所述磁路的一部分上以便将次级电流输送到处理电路的次级绕组，所述磁路包括用于根据温度改变所述磁路的一部分的磁化的至少一个装置，以在磁路温度升高时限制或减小磁路中的磁通量。
优选地，当温度高于150℃时，用于改变磁化的装置将磁通量的流通限制为小于在20℃时的值的50％的值。
有利地，用于改变磁化的装置在磁路中产生额外的完整或部分间隙，以便在温度超过预定阈值时限制磁通量的流通。优选地，所述预定阈值在120℃至180℃的范围内。
根据本发明的第一优选实施例，用于改变磁化的装置包括容纳在磁路的凹部中的机械装置，以便在温度达到所述预定阈值时通过断开磁路来产生间隙或增大间隙。
有利地，机械装置包括双金属带，所述双金属带头对尾地安装并且容纳在凹部中，以便实现磁路的分离，从而产生间隙。
优选地，机械装置包括6至12个双金属带。
有利地，当温度高于120℃或磁路经历120K的温度升高时，所述间隙大于0.5mm。
根据本发明的第二优选实施例，用于改变磁化的装置包括容纳在所述磁路的部段中的静态装置，所述静态装置由这样的磁性材料制成，该磁性材料的居里点或居里温度低于磁路的磁性材料的居里点或居里温度。
优选地，静态装置的材料具有在80℃至200℃范围内的居里温度。
有利地，静态装置的材料主要由铁镍或铁氧体制成。
优选地，静态装置的材料包括用于避免通过涡流的电流损失的切口。
根据本发明的电子保护装置包括电子处理单元，该电子处理单元连接至至少一个电流互感器并响应于保护功能而输送电子信号，该电子保护装置包括如上所定义的电流互感器，其具有次级绕组，该次级绕组连接至所述处理单元以提供次级测量或电源电流。
根据本发明的电路断路器包括用于中断电路中的电流的至少一个主电触头，用于控制所述电触头的断开的机构以及向所述控制机构输送控制信号的保护装置，该电路断路器包括如上所述的连接到所述保护装置的处理单元的至少一个电流互感器。
附图的简要说明
从以下仅出于非限制性示例目的给出并在附图中示出的本发明的特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更加清楚，在附图中：
图1示出了现有技术的电流互感器；
图2示出了根据本发明的第一实施例的电流互感器；
图3示出了根据本发明第二实施例的电流互感器；
图4示出了根据本发明的第三实施例的电流互感器；
图5至图8示出了用于改变磁化的装置的第一机械实施例的布置；
图9至图11示出形成根据第一实施例的用于改变磁化的装置的带的细节；
图12示出了用于改变磁化的装置的第二静态实施例；
图13示出了用于根据温度改变磁化的装置的磁化曲线；
图14和15示出了用于改变静态磁化的装置的第二实施例的布置；和
图16示出了包括根据本发明的一个实施例的互感器的断路器和的保护装置的框图。
具体实施方式
图1示出了电流互感器1，其包括由磁性材料制成的用于放置在初级导体3周围的磁路2，以及缠绕在磁路2的部分5上以便向处理电路输送次级电流的次级绕组4。磁路包括主要由铁制成的片材，这些片材被设计为以电网的频率操作，特别是以50Hz或60Hz的频率操作。
为了避免在磁路的铁中的能量损失增加时加热磁路，磁路包括用于改变所述磁路的部分7的磁化的至少一个装置6，以便在磁路温度升高时限制或减小磁路中的磁通量。图2示出了根据本发明的一个实施例的电流互感器，其中装置6插置在磁路的部分7中。
当电网的基频增加并超过100Hz时，或者当高频电流或电流谐波叠加在初级导体3中流通的负载电流上时，电路的铁中的能量损失会特别增加。
例如，当温度高于150℃时，用于改变磁化的装置将磁通量的流通限制为小于在20℃时的值的50％的值。在优选实施例中，用于改变磁化的装置在磁路中产生额外的完整或部分间隙，以便在温度超过预定阈值时限制磁通量的流通。因此，装置6是用于根据温度限制磁通量的装置。这种装置的优点在于在低电流水平时不产生额外的间隙，为此需要到次级绕组的良好的能量传递。此外，在低电流水平时，发热保持较低。
图3示出了根据本发明的另一实施例的电流互感器。磁路具有部分地圆形的形状并且包括具有间隙9的磁分流器8。当磁路的磁化超过预定水平时，分流器8转移磁通量，以减小磁路的接收次级绕组4的部分5中的磁通量。分流器8的目的是当初级导体中的电流增加时限制绕组4的次级电流。在图3的实施例中，分流器8由与磁路2相同的片材制成。但是，其他实施例也是可行的。例如，分流器可以被添加到磁路上并且由不同的材料、特别是由铁粉制成，以更好地调节次级绕组中的电流。
图4示出了根据本发明的电流互感器的另一实施例。用于改变所述磁路的部分7A的磁化的装置6A由磁路的保持装置10保持。如果装置6A是机械的，则保持装置10也用于确保返回到正常位置。用于改变所述磁路的部分7B的磁化的装置6B也可以设置在分流器8的间隙9中。在这种情况下，如果装置6B是机械装置，并且如果在远离装置6B的磁路的部分7B上设置开口，则部分7B上的更大的开口是可行的，以减小磁路2的磁化。
根据图5至图8所示的用于根据温度限制磁通量的装置的第一实施例，用于改变磁化的装置6包括机械装置11，该机械装置11容纳在磁路2的凹部12中，以便在温度达到所述预定阈值时，通过断开磁路2来增加间隙或产生间隙13。优选地，所述预定阈值在120℃至180℃的范围内。
机械装置11产生额外的间隙，其将从阈值温度开始增加。为此，机械装置11包括双金属带14，其以头对尾的方式安装并容纳在凹部12中，以实现磁路的分离，从而产生间隙13。凹部12允许双带保持在位，以便在温度的作用下产生垂直于其变形的推力。磁路的保持装置10包括返回弹簧，该返回弹簧用于确保磁路正确闭合或其重新闭合并避免噪音。
因此，双金属带的偏转从设定温度开始将间隙的边缘分开。在这种情况下，由于使用了磁路的机械弹性，因此操作是可逆的。0.5mm的分离或间隙足以显着减少铁损50％，从而减少或限制磁路的发热。当初级电流处于标称操作电流时，磁路的这种分离对次级电流几乎没有影响。有利地，当温度高于120℃时，所述间隙大于0.5mm。
优选地，机械装置包括6至12个双金属带。在图5至图8中，机械限制装置的实施例包括头对尾安装的8个双金属材料带。
如图所示，凹部优选地在磁路中以切口部分分开。然而，凹部也可以设置在磁路的外部或边缘上或在引起间隙分离的支撑件上。
图9至图11示出形成根据第一实施例的用于改变磁化的装置的带的细节。双金属带的一个例子如图9所示，该带的第一面16由具有第一膨胀系数的第一材料制成，第二面17由具有低于第一膨胀系数的第二膨胀系数的第二材料制成。图9示出了在低温，例如20℃时头对尾或面对面安装的两个带15，图11示出了在大约130℃的高温时的相同的带。带的变形旨在推动磁路的一部段的壁，以便在高温下产生间隙。在一个实施例中，每个带的尺寸是8.5mm长，3.00mm宽和0.6mm厚。因此，当温度高于120℃或磁路经历120K的温度升高时，移动或长度大于0.5mm。对于一组8个带，移动为0.6mm。10个带的移动将约为0.74mm。双金属带材料优选地被选择为具有-20℃至200℃的线性变形。该移动是理论值，其不考虑保持装置10的返回弹簧的压力。在实践中，根据弹簧的移动可能会略短一些。
为了避免磁路的机械移动，在根据温度限制磁通量的装置的第二实施例中，用于改变磁化的装置包括容纳在所述磁路的一部段中的静态装置18。根据本发明的第二实施例，静态装置18由具有居里点或居里温度低于磁路的材料的居里点或居里温度的磁性材料制成。静态装置18的材料优选地具有80℃至200℃范围内的居里温度，例如大约130℃。有利地，静态装置的材料主要由铁镍(FeNi)或铁氧体制成。这种材料的另一个例子是Aperam的“Phytherm”。
因此，为了限制磁路的温度，所述磁路包括可以产生间隙的切口。将由具有低居里点(Tc)的磁性材料制成的元件插入该切口或开口中。该材料的磁化会随温度而降低，直到其对于温度Tc抵消为止。在不会对传感器造成任何风险的温度范围内(例如，低于120℃)，该材料具有允许传感器的正常操作的磁性能，同时允许磁通量自由通过开口。在这种情况下，几乎不影响传感器在低电流水平时输送的功率。当接近定义的极限温度时，材料会充分失去其磁化，从而表现得像空气一样。如在具有双金属带的第一解决方案中那样，然后减少了铁损和发热。
图12示出了用于改变磁化的静态装置18的实施例，其包括用于避免涡流损耗的切口19。当材料是铁氧体时，由于该材料不是良好的电导体或绝缘体，因此不需要切口。
图13示出了用于根据温度改变磁化的装置的磁化曲线20。在20℃左右，磁化仍然最大。然后，当温度升高时，材料的磁化减小，直到超过居里点21为止几乎变为零。
图14和15示出了根据用于改变静态磁化以根据温度限制磁通量的装置18的第二实施例的布置。磁路包括用于在高温时产生间隙的缺口或开口。在图14中，由于开口22占据了整个截面，因此间隙将是完整的。在这种情况下，保持装置10防止磁路的任何运动。在图15中，该间隙是局部的，其中缺口23仅占据磁路的截面的一部分。因此，由具有低居里点(Tc)的磁性材料制成的元件18被插入到缺口或开口22或23中。优选地，开口22或23的间隙的距离在0.5mm至1mm范围内。
图16示出了包括根据本发明的一个实施例的互感器1的断路器30和保护装置31的框图。
电子保护装置31包括电子处理单元32，该电子处理单元32连接至至少一个电流互感器并响应于保护功能而输送电子信号D。该保护装置包括根据本发明的实施例的用于改变磁化的电流互感器1。互感器1具有连接至处理单元32的次级绕组4，用于输送次级测量或电源电流Is。在图16的特定情况下，保护装置包括电流互感器1，其具有用于根据温度改变磁化以向处理单元32供电的装置，以及用于将电流测量信号Im输送至处理单元的电流传感器33。
电路断路器30包括：至少一个主触头34，用于中断电路35中的电流lp；机构36，用于控制所述电触头34的断开；以及保护装置31，其向所述控制机构36输送控制信号D。该断路器包括至少一个电流互感器1，该电流互感器1具有用于根据用于为保护装置31的处理单元32供电的温度来改变磁化的装置。形成电路35的一部分的初级导体3穿过电流互感器1的磁路2的内部。

Claims (14)

1.一种电流互感器(1)，包括：
-由磁性材料制成的磁路(2)，用于围绕初级导体(3)放置；和
-次级绕组(4)，其缠绕到所述磁路(2)的一部分上，以便将次级电流输送到处理电路(32)，
其特征在于，所述磁路(2)包括用于根据温度改变所述磁路的部分(7)的磁化的至少一个装置(6，6A，6B)，以便当所述磁路的温度升高时限制或减小所述磁路中的磁通量。
2.根据权利要求1所述的电流互感器，其特征在于，当温度高于150℃时，用于改变磁化的装置(6，6A，6B)将磁通量的流通限制为小于在20℃时的值的50％的值。
3.根据权利要求1或2所述的电流互感器，其特征在于，用于改变磁化的装置(6，6A，6B)在磁路中产生额外的完整或部分间隙，以便在温度超过预定阈值时限制磁通量的流通。
4.根据权利要求3所述的电流互感器，其特征在于，所述预定阈值在120℃至180℃的范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电流互感器，其特征在于，用于改变磁化的装置(6，6A，6B)包括容纳在所述磁路(2)的凹部(12)中的机械装置(11,14)，以便在温度达到所述预定阈值时通过断开所述磁路(2)来产生间隙(13)或增大间隙(13)。
6.根据权利要求5所述的电流互感器，其特征在于，所述机械装置(11,14)包括双金属带(15)，所述双金属带(15)头对尾地安装并且容纳在所述凹部(12)中，以便实现磁路的分离，从而产生间隙。
7.根据权利要求6所述的电流互感器，其特征在于，所述机械装置(11、14)包括6至12个具有双金属件(16，17)的双金属带(15)。
8.根据权利要求6或7所述的电流互感器，其特征在于，当温度高于120℃或所述磁路经历120K的温度升高时，所述间隙(13)大于0.5mm。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的电流互感器，其特征在于，用于改变磁化的装置(6，6A，6B)包括容纳在所述磁路(2)的部段中的静态装置(18)，所述静态装置由这样的磁性材料制成，所述磁性材料的居里点或居里温度低于所述磁路(2)的磁性材料的居里点或居里温度。
10.根据权利要求9所述的电流互感器，其特征在于，所述静态装置(18)的材料具有在80℃至200℃范围内的居里温度。
11.根据权利要求9或10所述的电流互感器，其特征在于，所述静态装置(18)的材料主要由铁镍(FeNi)或铁氧体制成。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的电流互感器，其特征在于，所述静态装置(18)的材料包括用于避免通过涡流造成的电流损失的切口(19)。
13.一种电子保护装置(13)，包括电子处理单元(32)，所述电子处理单元连接至至少一个电流互感器(1)并响应于保护功能而输送电子信号(D)，该装置的特征在于其包括根据权利要求1至12中任一项所述的电流互感器(1)，该电流互感器具有次级绕组(4)，所述次级绕组(4)连接至所述处理单元(32)以提供次级测量或电源电流(ls)。
14.一种电路断路器(30)，包括：至少一个主电触头(34)，用于中断电路(35)中的电流(lp)；用于控制所述电触头(34)的断开的机构(36)；以及保护装置(31)，向所述控制机构(36)传递控制信号(D)，其特征在于，所述电路断路器包括至少一个根据权利要求1至12中任一项所述的电流互感器(1)，该电流互感器连接至所述保护装置(31)的处理单元(32)。
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