CN1153973C - 电流探测器和电能表 - Google Patents

Abstract

一种电能表，包括电绝缘外壳(10)，用于防护至少两个各自具有由绝缘材料外鞘包裹的导电芯的主干电缆(22，24)。该绝缘外壳包括：用于刺穿各电缆的绝缘外鞘以与芯接触的相应的电接触装置、用于相对于在至少其中之一电缆中的电流流动提供输出的传感装置、以及用于计算和显示作为穿过接触装置电压和传感装置输出的函数的电能的电路装置。采用的改进电流探测器包括一系列沿着圆圈的周边等距间隔的Rogowiski线圈，两个相邻线圈之间的间隙允许载流导体进入环中。另一种电流探测器采用了两个这种同心线圈环，使得能够补偿外部电流源感应的影响。

Description

电流探测器和电能表

                            技术领域

本发明涉及电能表及用在这种电能表中的电流探测器。

                            背景技术

标准机电式电能表具有下述一些或全部缺点。

这些电能表都需消耗极大量电能来进行操作。用于第II类能量计的IEC标准是＜2瓦。该电能消耗量为所有消耗电能的0.25％至0.5％。因此，因计量产生的损耗极大。

这些电能表在起动时存在着惯性问题；因此，这些电能表必须在起动以显示之前消耗一定量的电能。

这些电能表只可以由技术人员安装，且这种安装是耗时的。机电式能量计需要牢牢固定到平展表面直立位置上。在如前苏联地区，当首次安装电能表时，机电式电能表的安装成本较高。

在传统的一根导线的电流探测器中(见图1)，磁材料环1围绕着载流导体2，并且包括多匝导线的线圈3缠绕在磁材料环1上。这类探测器根据安培定律，安培定律阐述了环绕一围着电流源的闭合回路的磁场的积分等于所包围的电流。

在这类设计得极好的探测器中，由线圈3感生出的电压或电流不取决于位于由闭合磁芯1围绕的截面之内的源电流(导体2)的位置。此外，来自闭合磁环芯1中的电流源2的感应电压或电流的比率与当其位于闭合磁环芯外部时来自同一电流源的感应电压或电流相比大很多，例如为1000∶1。

这确保了来自可能位于探测器附近但在磁环芯外部的干扰电流源的杂散感应不会影响对位于内部的所需电流源的测量。

然而，这类探测器的缺点之一是其成本。磁芯必须被制成两段或多段以允许磁芯打开和关闭，从而导体可以插入。为了进行精确测量，这两段在闭合时的对准是重要的，如同要求在这两段之间相交时即使小空气间隙也是不允许的一样。

美国专利5,057,769公开了一种在连续缠绕的非磁芯线圈5内具有间隙4以允许电流源插入的探测器(见图2)。为了保持连续缠绕闭合的非磁芯5的理想特性，人们已经致力于通过在间隙的每一侧添加两个单独的多匝线圈6，向被移去以形成空气间隙4的线圈匝数感应的电压元件中加入反馈。

即使这些线圈具有正确的匝数，这只是部分的成功。探测器的电压感应取决于线圈内部横截面中的源导体的位置。源载流导体越靠近间隙或线圈，间隙越大，感应的变化越大。

此外，对于这种结构，来自在芯间隙横截面外部区域7内的电流源的感应不再是可忽略不计的，且来自外部电流源的感应随着间隙增大或随着外部电流源靠近间隙而增加。这样就具有了严重的限制性，特别是例如在配电盒中进行测量时，在那在有限的空间内可能会存在大量承载各种电流的导体。

                            发明内容

本发明的一个目的是提供一种低成本、低耗能的电能表，其能快速容易安装，并且若需要的话，可以按照现有的干线按照形式而改型。特别是，本发明的目的是提供一种电能表，它可以容易地适应本地电力供给。

另一个目的是提供一种改进的探测器，与现有技术相比，其不太受到外部电流源的干扰，而不需求助于昂贵的设计。

根据本发明，提供了一种用于测量导体中电流的电流探测器，其包括多个相对固定的线圈，所述线圈确定围绕导体的名义闭合路径并大致沿该名义闭合路径等距间隔，所述线圈以如下方式串联，即在一对相邻线圈之间留出的未被阻塞的间隙能够使导体进入闭合路径内部。

根据本发明，提供了一种电能表，其包括电绝缘外壳用于防护至少两个各自具有由绝缘材料外鞘包裹的导电芯的主干电缆，该绝缘外壳包括：用于刺穿各电缆的绝缘外鞘以与芯接触的相应的电接触装置、用于相对于在至少其中之一电缆中的电流流动提供输出的传感装置、以及用于计算和显示作为穿过接触装置电压和传感装置输出的函数的电能的电路装置。

根据本发明，还提供了一种包括传感装置的电能表，所述传感装置包括多个相对固定的线圈，所述线圈确定围绕导体的名义闭合路径并大致沿该名义闭合路径等距间隔，所述线圈以如下方式串联，即，在一对相邻线圈之间留出的未被阻塞的间隙能够使导体进入闭合路径内部。

在另一方面，本发明提供了用于测量在导体中的电流的电流探测器，包括以大致围绕其中流动有要被测量的电流的导体布置的串联到一起的多个线圈。

优选的是，所述线圈以开口环形式大致等间距隔开，且在环中两个线圈之间形成了间隙，所述间隙能够将导体引入环的内部。

在特别优选的电流探测器中，线圈排列成两个同心的线圈环，每个环串联，并且各环在环中的两个线圈之间具有间隙，所述间隙能够将导体引入同心环的内部。

优选的是，在该实施例中，也提供了一种电路，其用于根据各环的相应尺寸来比较两个线圈中的每一个所受到的来自外部电流源的感应，并且提供补偿该感应的输出。

                            附图说明

现在将用示例的方法，参照附图来描述本发明的实施例，附图中：

图1是说明第一种公知的电流探测器的配置；

图2是说明第二种公知的电流探测器的配置；

图3是本发明的除去前板的能量计的透视图；

图4是图5的能量计前板的俯视图；

图5是能量计的水平剖面图；

图6说明了用于能量计的防护装置；

图7是根据本发明的电流探测器的视图，示意性说明了图3-6的能量计中的线圈配置；

图8是图3-6中能量计详细的剖面图，示出了其中线圈的配置；以及

图9是本发明另一电流探测器的视图，其可结合到本发明的电能表中。

                            具体实施方式

在下述说明中，仅为了方便而使用方向性的表示，不用于限制在使用中的电能表取向。

参照图3-5，示出了电能表，其用于测量并显示分别由一对主带电电缆22和中性电缆24提供的能量，主带电电缆和中性电缆各自具有由绝缘材料外鞘包裹的内置导电芯。

电能表包括：外壳10，其形成为由电绝缘塑料材料模制而成的两部分，在此称作后板12和前板14。后板12为具有平坦后表面16和成形的前表面18的实心块。后板12具有两个用于接收诸如螺钉或螺栓(未示出)的固定装置的孔20，这些固定装置允许后板固定使其后表面16平展地抵靠在壁或主电缆22、24后面的其它支撑表面(未示出)上。后者在使用中穿过后板12的前表面18而设置，从而各自位于并且沿着表面18中的一对平行的竖直导引沟槽26、28之一上。前表面18也具有一对凹陷30，其紧密设置成各自在容纳中性电缆24的沟槽28上端的各侧上。

前板14具有成形的后表面36和大致平坦的前表面38，前板是空心以用于容纳将要描述的印刷电路板32和LCD计数器34。后表面36具有一对平行的竖直肋40、42和一对紧密设置成各自在肋42上部各侧上的平行突起44。后表面36上的肋40、42和突起44成形并定位成它们大致与后板12前表面18中的沟槽26、28和凹陷30互补。

在使用中，如所描述的，当后板12已经固定到壁或其它支撑表面上并使电缆22、24设置在沟槽26、28时，前板14由肋40、42分别与沟槽26、28对齐且突起44与相应的凹陷30对齐而插入后板12，然后前板推向后板，以便肋进入沟槽中并且突起进入凹陷中。在该位置，利用四个螺栓46将前板14卡在后板12上，这四个螺栓46穿过前板并且接合埋置在后板中的各个攻丝衬套，螺栓46被拧紧，直到前板后表面36开始抵靠后板前表面18为止。

从图5中可见，各沟槽26、28的宽度大致和相应的电缆22或24的直径相同，而各肋40、42的深度比相应沟槽26、28的深度销大致等于各自电缆22或24的直径的距离。因此，如上所述，当两个板12、14卡在一起时，各电缆22、24紧贴地容纳在外壳10中的矩形剖面的各竖直孔50中。

如图4，各肋40、42在其中牢固嵌有相应的电触头52，各触头具有从肋的自由端对中伸出的削尖的前端54。因此，当前板12和后板14如上所述卡在一起，则各触头52的前端54自动刺入相应电缆22或24的绝缘外鞘中而与导体芯形成电接触。在使用中，触头52引出穿过电缆22、24的瞬时电压。

除了用于在电缆22和24之间引出电压的触头52之外，前板14还含有一个或多个线圈，该线圈用于通过感应而传感中性电缆24中的瞬时电流并且提供对应于该电流的输出信号。在图3-5的优选实施例中，这种传感受到一系列嵌在突起44之中及位于突起后面以从三侧围绕电缆24的线圈56的影响(在下文针对图7-9详细描述)。然而，本领域技术人员将认识到上述能量计的设计可以采用任何合适的电流传感装置，而仍具有方便生产和安装的优点。

由触头52引出的电压和电流传感线圈56的输出连接到安装在印刷电路板32上的能量计算电路(未示出)上。该电路可以具有传统的结构，并且设置成利用公知的方式从引出的电压和传感电流来计算由电缆22、24提供的电能量(以kWhr计)。

为了防止窜改电能表，如图6，至少螺栓46其中一个的头部46a从前板14前表面38伸出并具有穿孔58。就在这种螺栓每一个的下方有从前表面38伸出并牢固嵌在前表面38中的相应的接头60，每个接头具有一孔62。穿过孔58和孔62且在66处封缄的导线64防止螺栓46被充分转动而将前板14从后板12上拆下。

现在将针对图7中所示的电流探测器来详细描述线圈配置。

探测器包括一组N个(在该情况下N＝7)相同的Rogowiski线圈56，这些线圈沿着圆圈的周边等距间隔。

任何一对相邻线圈56之间的间隔可以用来插入将要测量的电流导体，从而载流导体局部被线圈环形阵列围绕。该配置在一定程度上受到与图2中的探测器相同的影响(即，探测器的电压感应取决于线圈内剖面之内的源导体位置，并且必须考虑来自芯间隙外部的感应)。

在这一点上，与图2和7所示的探测器性能相比较是有益的。

在图2的结构中，载流导体距间隙或线圈越近，感应中的变化越大。如所期望的，间隙越大，感应水平的变化越大。然而，该变化可以保持在可接收的范围之内。例如，如果源电流导体限定在长方形区域8(图2)中，该区域起始于距间隙中心距离D(大约10毫米)且中止于距连续线圈5距离C(仍为大约10毫米)，间隙大约为1.6厘米，则可得到小于±3％的变化。

利用具有上述给定尺寸的图7的结构，如果电流导体限定在长方形区域68中，该区域小于间隙的宽度并且从位于距径向圆周相对侧的距离D(在此D＝10毫米)的虚线处直立伸展，则所得读数的变化仍可以小于±3％。该性能极类似于图2所示的探测器设计。

然而，利用图7的设计，随着单个线圈的数目N的增加，由这些影响导致的测量误差越小。

然而，随着线圈数目N增加，对于给定的圆圈直径F，单个线圈之间的间隙减小，和可以插入的导体直径一样。优选的是，将利用仍能容纳应用中所需的最大导体直径的单个线圈最大数目。例如，如果设计需要14毫米的最大源导体直径并且线圈设置在直径为F＝42.5毫米的圆圈中，则可以利用的单个线圈的最大数目为七。这为单个线圈留出空间2mm的宽度G且封装厚度为1毫米。

探测器设计的一个极重要的特性是：来自距间隙距离X的外部电流源9的感应(见图2)和来自当它位于测量区8中时同一电流源感应之间的感应比(pickup ratio)或干扰率。这个比率R应该被最小化。

对于具有图2结构的一般设计较好的探测器，表1示出了感应比R的计算值，表示成对于毫米表示的X增加值的百分率。在表1的计算中，探测器连续线圈部分15的尺寸为50毫米长×31毫米宽。这些尺寸一般用于这类探测器。

表1

R％	Xmm
		22	4
12	6
		7	8
4	10
		2.1	12
1.2	14
		0.8	16
0.6	18

0.5	20
		0.4	22
0.32	24
		0.28	26
0.20	34

可以从1表中见到，为了保持由于在电流源测量时同一电流强度的干扰源产生的误差小于2％，距离x必须大于约12毫米。由于在该设计中D的最大值为10毫米，则干扰源和正在测量的电流源之间的最小间距(x+D)必须大于22毫米。

例如，在配电盒情况中，很可能干扰源电流为十倍或更大于正在测量的电流。对于十倍差距，距电流源的距离x必须大于34毫米，以保持由于干扰产生的最大误差小于2％，并因此，正测量的电流源和干扰源之间的间隔必须大于44毫米。

对于图7中具有42.5毫米直径F的探测器，如上确定的感应比R在表2(a)中示出。

表2(a)

F＝42.5mm

N＝7

R％	Xmm
		20	4
13.3	6
		8.6	8
5.6	10
		3.7	12
2.54	14
		1.7	16
1.2	18
		0.87	20

如果表1和表2(a)进行比较，可以看见对于x值小于6毫米，图7的系统稍微优于图2的系统。然而，随着x增加到超过6毫米，图7的系统在x＝18毫米处好2倍。

图8详细示出了这种线圈配置的简单实施例。在图8中，可以看见在肋42、突起44和中性电缆24附近的后板12和前板14的一部分。可以看见，中性电缆24被触头52的前端刺穿，该触头经由电压输出导体(voltagetake-off conductor)60连接到PCB(未示出)上。带电导体和中性导体之间的电压用于驱动PCB测量电路和LCD显示器。

为了简便，图8示出了围绕圆圈周边设置的并且串联的一组仅五个线圈56。两个最上面线圈56(如图8)之间的间隙接纳中性电缆24。在该组线圈中产生的电压经由一对导体58承载到PCB，在此，中性导体中的电流由线圈56校准而确定。

当使用这种线圈配置时，等距线圈56数目越大，及由此产生的相邻线圈之间间隙越小，装置越敏感。显而易见的是，虽然在图8中为了简便只示出了5个线圈，人们将致力于通过改变能量计的设计并从而减少间隙尺寸而使与导体直径一致的线圈数目最大化。

上述能量计的优点在于：它可以低成本生产并易于且快速安装到现有的主干系统上。可以设计使自身耗电小于40毫瓦，小于现存模拟能量计所需电能的2％。它不受惯性影响并比现有能量计将显示50倍低的大小的电能。

此外，通过利用本发明电流探测器配置，来自外部电流源的干扰可以显著降低。

尽管上文已经描述了这样的实施例，其中电能计设计用于一对带电和中性电缆，但本发明适用于其它主系统，例如具有三个相电缆和一个中性电缆的系统。

电流探测器可以通过添加第二组线圈而改进。为了理解这种改进是如何完成的，现在检测与图7所示的那些线圈相同的一组七个线圈的感应比R，但是其布置在46.5毫米圆圈上而不是在42.5毫米圆圈上。

表2(b)示出了对于作为x函数的七个线圈的这种配置的感应比R。在该情况中，距离x从较大圆圈的周边测量。

表2(b)

F＝46.5mm

N＝7

R％	Xmm
		25.2	4
17	6
		11	8
8	10
		5.4	12
3.7	14
		2.6	16
1.9	18
		1.37	20

如果两组七个线圈的每个直径差都为4毫米，则在距内圆圈周边距离x处的干扰源将距外周边距离(x-2)毫米。

如果如表2(a)所示由距离x处的内置组感应的感应比R与如表2(b)所示的距离x-2处的外置组由同一感应位置感应的感应比R相比，可以观察到它们大约相差2倍，外置组感应是内置组干扰水平的大约两倍。为了方便，表2(a)和(b)再次并排列出。

表2(a)                                                    表2(b)

F＝425mm                                                  F＝46.5mm

N＝7                                                      N＝7

R％	Xmm
		20	4
13.3	6
		8.6	8
5.6	10
		3.7	12
2.54	14
		1.7	16
1.2	18
		0.87	20

R％	Xmm
		25.2	4
17	6
		11	8
8	10
		5.4	12
3.7	14
		2.6	16
1.9	18
		1.37	20

例如，距内置线圈距离x＝10mm的电流源将在内置线圈组中呈现感应比R＝5.6％。同一电流源距外置线圈8毫米，其中产生了R＝11％的感应比。

对于不同的x值，该2倍仍然几乎一致。因此，有可能通过将由外置组感应的电压大约一半从由内置组感应的电压中去掉而消除干扰的大部分，而与距离x无关。

对于内置线圈组和外置线圈组直径之间的较大的差，存在着倍数的增加，由此来自外置组的感应的干扰大于来自内置组的感应。因此，为了补偿，必须将外置组感应的较小量从内置组感应中除去，以使干扰最小化。在所有距离x处的干扰的最佳抵销通过使所用的两组线圈直径之间的差别最小化而实现。优选的是，单个线圈直径(图7中的直径“T”)减小以利于此。

该最小化干扰的探测器的构造在图9中示出，同时示出的还有前端放大器70。从内置组的电压感应除去的来自外置组的感应电压倍数与电阻值比率R1/R2成正比。

表3示出了对于图9线圈配置的作为x函数的感应比R。在该表中，x是作为从内圆周和外圆周之间中点向外的距离而测量的。示出的结果是对于内径F1＝42.5mm、外径F2＝47.5mm。R1在该设计中选定为0.52R2，从而有效输出信号为来自内置组的电压减去来自外置组的感应的0.52倍。

如果将表3的感应比R与表1的感应比R比较(即，将图9的结构与图2的结构比较)，可以看见这种新型探测器的感应在距离x处的干扰远小于传统探测器的干扰。实际上，干扰在x＝4mm处低最少3.7倍，并增加到在x＝20mm处的33倍。

因此图9结构示出了优于图2结构的显著优点，即允许使用具有较小干扰的小型探测器。

表3

R％	Xmm
		6	4
2.4	6
		0.95	8
0.41	10
		0.18	12
0.08	14

0.04	16
		0.024	18
0.15	20

因此，在根据本发明优选的探测器中，根据线圈尺寸和数目的结构变化可以使用图9的双线圈配置。

根据本发明特别优选的能量计结合图9结构的探测器作为其传感装置。

本发明不局限于在此所述的实施例，其可以在不脱离本发明范围的前提下进行改型或变化。

Claims (15)

1.一种用于测量导体中电流的电流探测器，其包括多个相对固定的线圈，所述线圈确定围绕导体的名义闭合路径并大致沿该名义闭合路径等距间隔，所述线圈以如下方式串联，即在一对相邻线圈之间留出的未被阻塞的间隙能够使导体进入闭合路径内部。

2.如权利要求1所述的电流探测器，其特征在于，所述线圈为Rogowski线圈。

3.如权利要求1所述的电流探测器，其特征在于，所述闭合路径是圆形的。

4.如权利要求1所述的电流探测器，其特征在于，所述线圈设置成两个线圈的同心环，各环串联，并且各环在环中的两个线圈之间具有间隙，所述间隙能够将导体引进同心环的内部。

5.如权利要求4所述的电流探测器，其特征在于，还包括电路，用于基于各环的相应尺寸比较来自两个线圈的每一个所受到的外界电流源产生的感应，并且提供补偿这种感应的输出。

6.一种包括传感装置的电能表，所述传感装置包括多个相对固定的线圈，所述线圈确定围绕导体的名义闭合路径并大致沿该名义闭合路径等距间隔，所述线圈以如下方式串联，即，在一对相邻线圈之间留出的未被阻塞的间隙能够使导体进入闭合路径内部。

7.如权利要求6所述的电能表，其特征在于，还包括电绝缘外壳，用于防护至少两个各自具有由绝缘材料外鞘包裹的导电芯的主干电缆，所述外壳包括：用于刺穿各电缆的绝缘外鞘以与芯接触的相应的电接触装置、用于相对于在至少其中之一电缆中的电流流动提供输出的所述传感装置、以及用于计算和显示作为穿过接触装置电压和传感装置输出的函数的电能的电路装置，

8.如权利要求7所述的电能表，其特征在于，所述外壳包括第一和第二部分，所述第一和第二部分可以相对彼此从电缆可以接收进入外壳中的第一位置移动到电缆相对外壳固定的第二位置。

9.如权利要求8所述的电能表，其特征在于，所述外壳部分在第一和第二位置之间的移动导致电接触装置自动刺穿电缆。

10.如权利要求8所述的电能表，其特征在于，所述外壳的第一和第二部分在第一位置彼此分开，而所述外壳的第一和第二部分在第二位置固定在一起。

11.如权利要求8所述的电能表，其特征在于，所述外壳的第一和第二部分在开口位置连接在一起以接收第一位置中的电缆，并且在第二位置相对彼此闭合而将电缆固定在其中。

12.如权利要求8所述的电能表，其特征在于，所述第一部分是具有用于接收电缆的装置的后板，其中第二部分是抵靠后板的前板，电缆夹持在二者之间，所述后板和前板的其中之一设置有所述接触装置，由此当后板和前板连在一起时，电缆挤压到所述接触装置之上。

13.如权利要求8所述的电能表，还包括用于将所述外壳的第一部分和第二部分在第二位置锁定在一起的装置。

14.如权利要求13所述的电能表，其特征在于，还包括与锁定装置协同使用的安全装置以显示是否锁定装置已经被窜改。

15.如权利要求6所述的电能表，其特征在于，所述电能表的全部电能需求来自主干电缆。

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