CN1696712B - 电流测量设备和使用它的电流传感器、电跳闸件和断路器 - Google Patents

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Abstract

一种络式(Rogowski type)电流测量设备，其包括至少三个电气串联连接并形成用于环绕电流导体或线路(7)以进行电流测量的闭合多边形回路的线圈(2)。所述线圈(2)中至少一端(A)的局部电感大于所述线圈中部(B)附近的局部电感。

Description

电流测量设备和使用它的电流传感器、电跳闸件和断路器
技术领域
本发明涉及一种络式(Rogowski type)电流测量设备，该设备包括至少三个电气串联连接并形成用于环绕导体从而进行电流测量的闭合多边形回路的线圈。
背景技术
文献中广泛地记载了对包括有络式感应传感器的电流测量设备的使用。
络式电流测量设备包括一个由非磁性材料制成的支撑装置，该支撑装置围绕需要测量电流的电流导体或线路放置。导线缠绕到所述支撑装置上以形成第二绕组。所述装置形成了一包括由电流导体或线路构成的主绕组的变压器，所述第二绕组提供了测量信号。所述第二绕组终端提供的电压与在电流导体或线路中流动的电流的强度成正比。由于磁心不易于饱和，所以可以进行较大范围的测量。
为了使电压的测量免受导体在所述支撑装置中位置的影响，同时也为了压抑在所述支撑装置外部放置另一个导体带来的影响，在所述线圈整个长度上每单位长度中线圈的匝数必须是个定值，而且线圈匝间也必需是连接的。
某些解决方案(US 4,611,191、WO 01/57,543 A1)包括有环式螺线管形式的线圈。电线可以缠绕于具有圆形或者矩形横截面的环形绝缘支撑装置上。虽然这种方式很有效，但是由于所述环形线圈的几何形状所限，使用闭合环形线圈的方法仍然很难实现工业化。环形线圈的缠绕实际上仍然是比较复杂的，当电流测量设备的尺寸较小时，这个问题尤其突出。
为了解决这些在工业上实现的问题，其它方法提出使用具有多个电气串联并形成多边形回路的线圈的装置。所述多边形的每一侧都由一线形的或者拟线形的线圈形成。总的来说，使用线圈的数量越多，所述多边形的一般形状就与圆柱形环形线圈(US 3,262,6291、DE 19,731,170)的形状越接近。
为了使所述多边形达到工业上的最优效果，可以使用具有正方形或矩形四个边形状的多边形回路的方法(EP 209,415、FR 2,507,811、DE2,432,919)。如图1所示，所述电流测量设备1由四个电气串联连接并且其纵轴Y位于相同的径向表面的线形线圈2组成。进行电流测量的主导体7位于所述电流测量设备的内部，其方向垂直于所述电流测量设备1的径向平面。
但是，这些方法有时具有对多边形外部扰动过于敏感的缺点。因此，对于所述导体7中的电流进行的测量可能有误。
实际上，当使用由若干线圈2构成的多边形形状的闭合电流测量设备时，每两个线圈2之间的连接区域中都存在有磁性不连续的区域H。与具有完整环形形状的螺线管的电流测量设备不同，在所述测量设备绕组的整个长度上每单位长度中的线圈匝数不再是个常数。由于线圈2中的最后一匝没有和与该线圈直接相连的所述线圈2的第一匝相连，所以存在着结构不连续性。所述电流测量设备和外部电路之间的互感系数M0并不是零。
两个线圈之间存在的这种结构不连续性越大，多边形的两个线圈之间形成的内角α也就越小。具有正方形或矩形多边形形状的电流测量设备的线圈之间的内角α为90度。
某种现有技术方案(EP 0,838,686)通过设置四个线圈对这种不连续性进行了补偿，这四个线圈中的每个线圈的两端都部分或完全被附近的线圈所覆盖。这种方案还没有完全解决涉及外部磁通量对电流测量带来的影响的问题。而且，还要遇到将所述线圈连接到其支撑装置上的问题。
其它方案仅仅在结构不连续处使用了多件磁芯。虽然它们减少了杂散外部磁通量的影响，但是在强电流条件下这些磁芯就会饱和。而且，这些磁芯的存在使线圈之间的互相连接变得更加复杂了。
发明内容
因此，本发明的目的是弥补现有技术的缺点，从而提出一种对于外部干扰不太敏感的电流测量设备，同时减小其体积，并实现工业生产的简单化。
根据本发明所述的一种电流测量设备包括多个线圈，所述线圈至少一端的局部电感高于所述线圈中部附近的局部电感。
优选地，所述线圈两端的局部电感都高于所述线圈中部附近的局部电感。
优选地，在局部电感高于中部局部电感的线圈端部中，每单位长度的导线匝数多于所述线圈中部附近每单位长度的导线匝数。
优选地，所述端部的导线线圈的层数多于所述线圈中部附近的导线线圈的层数，线圈的绕组节距为常数。
在特定实施例中，端部在同层线圈上所包括的线圈的绕组节距比所述线圈中部附近的线圈的绕组节距要小。
优选情况下，所述线圈两端的匝数在所述线圈总长度的10％至20％的距离上可以进行变化。
根据本发明的改进形式，在局部电感高于中部局部电感的线圈端部中的线圈长度大于所述线圈中部附近的线圈长度。
在特定实施例中，两个线圈的端部的径向表面被附近的线圈部分地覆盖。
所述电流测量设备优选情况下安装有四个线圈，从而形成了一封闭回路。
更有利的情况是，所述回路的形状为方形或矩形多边形。
包括带有缠绕于磁路的线圈的磁电流传感器的混合电流传感器使用如上所述的电流测量设备，所述磁性传感器的主电路与所述电流测量设备的主电路相对应。
电跳闸件包括与至少一个如上所述的电流测量设备相连接的处理装置，从而接收主电流的至少一个信号样本。
断路器包括具有多个电接触点的开启机构和连接于跳闸件的继电器，所述跳闸件包括有如上所述的电流测量设备。
附图说明
本发明的实施例仅仅是非限制性的实例，参照附图并结合对实施例的描述，可以更清楚地理解本发明的其它优点和特点。
图1是已知类型的电流测量设备的俯视图；
图2是根据本发明优选实施例所述的带有四个线圈的电流测量设备的示意性俯视图；
图3是与图2中两个线圈的连接区域相对应的放大比例视图；
图4是根据图2所述的电流测量设备的侧视图；
图5至7是根据图2的电流测量设备的备选实施例；
图8至10是所述支撑装置上该装置中的线圈的透视图；
图11表示根据本发明所述的电流测量设备的特定实施例与磁电流传感器相结合；
图12表示与根据本发明的电流传感器相集成的断路器的框图。
具体实施方式
所述电流测量设备1包括至少三个电气串联连接并形成闭合多边形回路的线形线圈2。根据图2中的本发明优选实施例，所述电流测量设备1包括置于同一平面上的四个线形线圈2。每个线圈的纵轴Y都垂直于物理上相邻的两个线圈各自的纵轴。
每个线圈都由一个中空、刚性或半刚性、具有线形形状的、由非磁性材料制成、横截面为圆柱形、方形、矩形或卵形的套管组成。由铜或基于铜的合金制成的金属导线缠绕在所述套管上。
一般来说，已知传感器的套管横截面为圆形。不过，当对于传感器来说所能忽略的空间或体积有所限制时，这种形状并不能达到最大的横截面。在实施例中，线圈中套管的横截面是矩形形状的。两个法兰盘3分别放置于所述线圈2的两端。
所述线圈2以串联的方式互相电连接。每个线圈都固定在支撑所述四个线圈的基板5上。所述基板5具有一个中部开口6，该开口能使进行电流测量的电流导体或线路7从中通过。该电流导体或线路7构成了所述电流测量设备1的主电路。
在图8至10所示的实施例中，所述基板5由印刷电路形成。该电路可以确保对所述线圈2及其电互连的机械固定。所述印刷电路也实现与连接总线10的外部连接。所述四个线圈2分别带有直接焊接于所述印刷电路的导轨11上的连接销9。
每个线圈2可以包括几层导线。任何一层上电线绕组的节距都是一个常数。换句话说，在某一层上，每单位长度中线圈8的匝数是一个常数。而且，所述线圈优选是互相连接的。
每个线圈2中导线的层数可以是偶数也可以是奇数，当导线层数为偶数时，所述连接销9位于所述线圈套管的同侧，当导线层数为奇数时，所述连接销9位于所述线圈套管的两侧。在第一种情况下，相邻线圈的连接销9的连接导轨11的长度基本上与所述套管的长度相同。在第二种情况下，所述印刷电路优选使用基本上环绕所述中心开口6的中和导轨。该轨道电气串联安装，并与所述绕组的磁性相反，从而可以中和外部磁场的干扰效应。
由于所述四个线圈2以正方形的方式布置，所以在线圈8不存在的地方当然就构成了结构不连续的四个区域H。那么，多边形线圈之间形成的内角α即为90度。
理想情况下，如图3所示，应该在区域H布置线圈匝88以防止在所述传感器的周边出现任何的线圈不连续情况。因此，在这些弧形部分中每单位长度的匝数仍然会接近线形部分的每单位长度的匝数。
为了限制在所述传感器的这些部分缺少线圈匝所带来的有害影响，本发明在所述传感器的不连续区域中使用了定位补偿装置。这些补偿装置用于局部地改变线圈两端附近的电感。本发明实际上局部地增大了所述线圈2端部A的电感。那么，在端部A的局部电感就大于在所述线圈2中部B附近所观测到的局部电感。
因此，根据本发明的优选实施例，所述设备使用的线圈2的两端A具有互补线圈绕组。在该实施例中，所述结构不连续性通过电学补偿得以缓和。附加于每个端部A的线圈8的匝数基本上等于区域H所缺失的线圈匝数的2的根数分之一倍(1/(root 2))。端部上的线圈4尽可能地贴近所述端部A。在该实施例中，端部上的线圈4优选情况下长度为D，其中D为所述线圈总长度L的10％至20％。整个线圈上的导线绕组优选具有常量节距，例如，连接的线圈匝之间的节距。
根据第一备选实施例，端部上线圈的效应由在每个线圈2的两端的导线绕组节距的变化带来的效应所代替。在同层导线上，所述线圈两端A处的局部观测绕组节距实际上不同于所述线圈中部B附近的局部观测绕组节距。线圈端部A的绕组节距小于所述线圈中部B附近的局部观测绕组节距。因此，不必要增加端部A的线圈的层数，端部A每单位长度导线局部观测线圈8匝数就可以大于所述线形线圈2中部附近的每单位长度的局部观测线圈匝数。
根据如图5和6所示的第二备选实施例，所述结构不连续性可以通过改变所述线圈2端部A上每匝线圈导线的长度而进行补偿。每个线圈2缠绕于在整个长度L上横截面非定值的非磁性套管上。两端A附近的套管的横截面必须大于中部B附近的横截面。套管可以设计为包括两个截锥体，圆锥较大的底部与位于所述套管端部A的表面相对应。另一种方法使用的套管的横截面从端部A到另一端是持续变化的，轮廓相当于部分圆形或抛物线。
根据另一个如图7所示的备选实施例，初始的结构不连续性一方面通过增加所述线圈端部A附近的局部电感进行补偿，另一方面通过两线圈的空间偏移进行补偿。因此，将电学补偿与几何补偿结合起来。这种几何补偿实际上就是使两个平行线圈的端部A部分地覆盖附近线圈的径向表面。
当然，可以设计将本发明的这四个实施例互相结合起来。实际上，例如，可以设计将不同节距的绕组安装于所述线圈2端部A上的线圈中或者将不同节距的绕组安装于横截面变化的线圈中。而且，同一电流测量设备1可以包括分别由上述不同实施例所提供的线圈。
而且，上述方法对于所有线圈2的所有端部A都提供了经修正的局部电感。因此，两个线圈2之间的不连续性通过两个线圈2的不同端部A的结构上或电学上的调整进行了补偿。也可以设计为仅仅变更两个线圈2的两端A的一个端部A。在实践中，所述电流测量设备1的所有线圈2的两端中只有一端A具有修正的局部电感。
通常，当所述不连续区域H较大时，有害影响或外部扰动会对电流测量带来较大的影响。换句话说，两个线圈之间的内角α越小，例如，小于90度，结构不连续区域H也就越大，也就会感受到更多的干扰。因此，根据本发明所述的补偿装置尤其可以用于带有多边形、至少八个边的回路线圈的电流传感器。对于超过八个边的多边形来说，由于不连续区域H相对较小，所以就没有太大必要结合使用多个补偿设备。
根据本发明不同实施例所述的电流测量设备1尤其可以与磁性电流传感器结合使用，从而形成包括磁性传感器和络式电流测量设备1的混合电流传感器20。
该装置20可以与设计用于控制，例如电流断电器50的断电设备的电跳闸件40相集成。所述电路断电器50安装于电流导体或线路25上。所述磁电流传感器与所述跳闸件的电源部分28相连。根据本发明的电流测量设备1与所述处理装置29相连。所述处理装置29本身由所述电源部分28供给能源。如图12所示，某一装置的若干电极中的每个都包括根据本发明的络式电流测量设备和磁电流传感器。
如果所述处理装置29通过所述电流测量设备1接收到至少一条线路25上的故障信息，那么接触点30的开启控制命令就可以通过所述继电器31传输至所述开启机构32。
如图11所示，所述磁性电流传感器基本上由安装于磁路22上的线圈23组成，从而形成了电流变压器的第二绕组。所述主电路通过设置有装置20的电流导体或线路25组成。该电流导体或线路25(未示出)，安装于所述磁路22的开口6内。而且，根据该实施例，所述磁性电流传感器的主电流也与根据本发明的所述电流测量设备1的主电路相对应。串联安装并形成正方形的四个线形线圈2实际上是围绕能使所述电流导体或线路25通过的开口6布置的。支撑所述四个线圈的印刷电路5用于电气连接所述线圈组和所述线圈23。而且，对于两个传感器来说也可以设计使用单个的连接总线10。
该构型可以大大减小所述装置的总体尺寸，也有助于将该类混合电流传感器20安装于电跳闸件40中。

Claims (13)

1.一种络式的电流测量设备，包括至少三个电气串联连接并形成用于环绕电流导体或线路(7)以测量电流的闭合多边形回路的线圈(2)，其特征在于，所述线圈(2)中至少一端(A)的局部电感大于所述线圈中部(B)附近的局部电感。
2.根据权利要求1所述的电流测量设备，其特征在于，所述线圈(2)两端(A)的局部电感大于所述线圈中部(B)附近的局部电感。
3.根据权利要求1所述的电流测量设备，其特征在于，在局部电感大于所述中部(B)的局部电感的线圈(2)的两端中，每单位长度导线的匝数大于所述线圈中部(B)附近的每单位长度导线的匝数。
4.根据权利要求3所述的电流测量设备，其特征在于，所述端部(A)包括的导线线圈(8)的层数多于所述线圈中部(B)附近的导线线圈(8)的层数，线圈的绕组节距为常数。
5.根据权利要求3所述的电流测量设备，其特征在于，在同层线圈(8)中，所述端部(A)包括的线圈的绕组节距小于所述线圈中部(B)附近的线圈的绕组节距。
6.根据上述任一权利要求所述的电流测量设备，其特征在于，所述线圈(2)在每端(A)的线圈数在所述线圈(2)整个长度(L)的10％至20％之间的距离(D)上有所变化。
7.根据权利要求1或2所述的电流测量设备，其特征在于，局部电感大于所述中部(B)的局部电感的线圈(2)的两端(A)包括线圈的长度大于所述线圈中部(B)附近的线圈长度。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的电流测量设备，其特征在于，线圈(2)中至少一端(A)的径向表面被附近的线圈部分地覆盖。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的电流测量设备，其特征在于，该设备由四个线圈(2)排列而成，从而形成一闭合回路。
10.根据权利要求9所述的电流测量设备，其特征在于，所述闭合回路的形状为方形或矩形。
11.混合电流传感器(20)，包括一缠绕于磁路(22)上的线圈(23)，其特征在于，所述混合电流传感器包括一根据权利要求1-10中任一项所述的电流测量设备(1)和磁性传感器，所述电流测量设备布置成使得所述磁性传感器的主电路对应于所述电流测量设备(1)的主电路。
12.电跳闸件(40)，包括处理装置(29)，其特征在于，所述处理装置(29)与至少一个根据权利要求1-10中任一项所述的电流测量设备(1)相连从而能够接收到主电流的至少一个信号样本。
13.断路器(50)，包括电接触点(30)的开启机构(32)和与跳闸件(40)相连的继电器(31)，其特征在于，所述跳闸件使用根据权利要求12所述的并包括根据权利要求1至10中任一项所述的电流测量设备(1)的跳闸件。
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