CN1885044A - 差动电流测量设备、解扣模块和开关单元 - Google Patents

差动电流测量设备、解扣模块和开关单元 Download PDF

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Abstract

一种差动电流测量设备(9)，设计成测量至少两条电流线(25)中的差动电流，包括：设计成环绕电流线(25)的第一磁路(16)，形成变压器的主电路；缠绕所述磁路的第一副线圈(11)，并形成变压器的副电路；环绕第一副线圈(11)和磁路(16)的金属屏蔽(10)。差动电流测量设备(9)还包括环绕金属屏蔽(10)的至少一部分的至少一个第二副线圈(2)。该第二线圈形成至少一个第二电流传感器的第二磁路，该第二电流传感器设计成提供表示至少一条电流线(25)中流动的电流的电信号。

Description

差动电流测量设备、解扣模块和开关单元
技术领域
本发明涉及一种在至少两条电流线中测量差动电流的设备。所述设备包括设计成环绕电流线的第一磁路，其形成变压器的主电路，并且包括缠绕所述磁路的第一副线圈，其形成变压器的副电路。金属屏蔽环绕第一副线圈和磁路。
背景技术
为了检测电力流线或电导线25中流动的差动电流的存在，实践中非常常见的是使用包括缠绕磁心16的第一副线圈11的差动传感器。如图1和2所示，特别是形状为圆形或矩形的所述磁心环绕电力流线或电导线25。电力流线或电导线以下将称为电流线。
缠绕在磁心16上的第一副线圈11形成变压器的副线圈，其中电流线25形成主电路。所述副线圈提供测量信号。在副线圈接线端提供的电压实际上与电流线25中流过的电流之和的强度成正比。差动传感器的第一副线圈11设计成连接到开关设备(switchgear device)50的处理装置29。这些处理装置29分析接收到的信号并且可以特别命令断开位于电流线25上的触点30。由操作机构32通过继电器31执行触点30的断开。
由于设计成测量弱电流的这种类型差动传感器9的灵敏度很高，因此第一副线圈11通常放在屏蔽10内。
差动传感器的屏蔽10降低了外部干扰的影响，这些外部干扰在某些情况下可能引起差动电流测量误差并且在发生负载电涌(load surge)的情况下会导致假解扣(spurious tripping)。
如文献EP0959484和WO9119305中所述，差动传感器周围放置的屏蔽10的用法十分普遍。屏蔽10可以由几部分组成，特别是外屏蔽、内屏蔽和至少一个侧向屏蔽。
差动电流的测量通常伴随着分别在电流线25中流动的电流的测量来执行。分别在电流线25中流动的电流下面称为主电流。
设计成测量低强度电流的差动传感器9不能提供关于主电流的信息。差动传感器实际上很快由于高强度电流特别是短路电流的存在而饱和。
通常由单独放置在电流线25上的电流传感器22执行电流的测量。如图1所示，电流传感器22以传统的方式连接到开关设备50的处理装置29。由于所述传感器的用途是测量电流线25中流动的电流，因此送到处理装置29的信息特别允许保护所述传感器所在的电流线。
这些电流传感器22还可以连接到电源装置28以向处理装置29提供电力。因此，由于电流传感器22的存在，在不需要任何辅助电源的情况下执行与差动传感器9相关的处理装置29的电力供应。
当所述开关设备内的可用空间有限时，开关设备50中的这组电流传感器22、9的布置可能变得至关重要。如图1所示，尤其当开关设备50是四极或三极单元并且每条电流线25包括电流传感器22时、以及当差动传感器9环绕着电流线25时，正是如此。
在文献EP1045500中特别描述的特定解决方案通过仅使用两个电流传感器而不是三个来设法应付。来自第三电流线的漏测信息可以通过根据来自两个电流传感器的信息进行电处理来重建。然而在后一架构中，如果在未配有电流传感器的电流线上出现单相短路，则不执行保护。于是通常设计成测量几十毫安的弱电流的传动传感器由于短路电流的存在而饱和，并且不能提供任何信息。
发明内容
因此，本发明的目的是弥补现有技术中的缺点，以便提出具有宽测量范围、既能测量弱差动电流又能测量强短路电流的差动电流测量设备。
根据本发明的测量设备包括至少一个第二副线圈，环绕着金属屏蔽的至少一部分，并且形成至少一个第二电流传感器的第二磁路，第二电流传感器设计成提供表示至少一条电流线中流动的电流的电信号。
最好，金属屏蔽由外屏蔽、内屏蔽和至少一个侧向屏蔽组成。
最好，金属屏蔽包括两个侧向屏蔽。
在特定实施例中，至少一个第二副线圈环绕外屏蔽的至少一部分、内屏蔽的至少一部分以及侧向屏蔽的至少一部分。被所述至少一个第二副线圈环绕的所述屏蔽形成至少一个第二电流传感器的磁路，每个屏蔽环绕电流线。
最好，第二副线圈完全环绕金属屏蔽。
最好，至少一个第二副线圈环绕侧向屏蔽之一的至少一部分。
最好，至少一个第二副线圈环绕两个侧向屏蔽之一。
根据本发明的改进，至少一个第二副线圈环绕第一侧向屏蔽的至少一部分，并且至少一个第二副线圈环绕第二侧向屏蔽的至少一部分。所述被环绕的屏蔽形成至少两个第二电流传感器的磁路。
在特定实施例中，被第二副线圈环绕的屏蔽中的至少一个包括至少一个空气隙(air-gap)。
一种设计成与开关设备相连并包括N根电流线的解扣模块，包括如上定义的用于测量差动电流的测量设备。测量设备被放在电流线周围。差动电流测量设备的第二电流传感器设计成连接到开关设备的电源装置和/或处理装置，差动电流测量设备的第一副线圈设计成连接到所述开关设备的处理装置。
最好，至少N-1条电流线分别具有混合的电流传感器，电流传感器包括：缠绕在磁路上的第一线圈，设计成连接到开关设备的电源装置。混合的电流传感器还包括缠绕在非磁路上的第二线圈，设计成连接到开关设备的处理装置。
一种用于保护至少N条电流线的开关设备包括电源装置、处理装置和电触点断开机构，并且包括如上定义的解扣模块。开关设备的处理装置连接到所述解扣模块的差动电流测量设备。
最好，电源装置通过第一线圈连接到解扣模块的混合电流传感器，并且连接到差动电流测量设备的至少一个第二副线圈。
最好，处理装置通过第二线圈连接到解扣模块的混合电流传感器，并且连接到差动电流测量设备的第一副线圈。
附图说明
通过下面对仅仅作为非限制性示例给出并且在附图中所示的本发明特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更加清楚，其中：
图1示出集成了电流传感器和差动传感器的公知类型开关设备的方框图；
图2示出公知类型的带屏蔽的差动传感器的示意截面图；
图3和4示出根据本发明一个实施例的差动电流测量设备；
图5到10示出根据图3和4的差动电流测量设备的替代实施例；
图11示出根据本发明一个实施例的包括解扣模块的开关设备的方框图；
图12示出根据图11的开关设备的处理装置的特定实施例的方框图。
具体实施方式
根据图3和4中的本发明优选实施例，差动电流测量设备9包括具有基本上闭合的矩形轮廓的磁心16。所述磁心由晶体或微晶体合金的高磁导磁性材料制成。磁心16具有矩形横截面并且可以由缠绕的条或堆叠的片组成。为了使差动电流测量设备9的灵敏度最佳，磁心16没有空气隙。所述磁心设计成适合于环绕电流线25。
磁心16被第一副线圈11环绕，第一副线圈11设计成测量电流线25中流动的差动电流。第一副线圈11布置在磁心16的整个周边。
该第一副线圈11因此形成变流器的副线圈。主电路由电流线25形成。第一副线圈11设计成通过连接导线17连接到开关设备50的处理装置。
金属屏蔽10用于限制外部干扰对差动电流测量的影响。该屏蔽10由外屏蔽14、内屏蔽13和至少一个侧向屏蔽12组成。在所述实施例中，为了尽可能好地限制外部干扰的影响，使用两个侧向屏蔽12A、12B。最好，屏蔽10的每个部分12、13和14环绕电流线25。屏蔽10的每个部分12、13和14可以以缠绕的条或堆叠的片的形式实现。
屏蔽由具有高饱和感应以及最好高磁导率的磁性材料制成。选择高饱和感应材料意味着屏蔽在存在强主电流时不饱和。
至少一个第二副线圈2环绕屏蔽10的一部分。根据图3和4所示的本发明一个实施例，第二副线圈2环绕外屏蔽14的至少一部分、内屏蔽13的至少一部分、以及侧向屏蔽12A、12B的至少一部分。屏蔽13、14、12A、12B中的每一个环绕电流线25。
被第二副线圈2环绕的所述屏蔽形成第二电流传感器的磁路。第二电流传感器设计成通过连接导线37连接到开关设备50的处理装置29。
取决于涉及的应用类型，该第二电流传感器可以连接到所述开关设备的处理装置29和/或电源装置28。
该第二传感器可以设计成执行高强度差动电流的测量，以扩大差动传感器的测量范围。根据所述实施例，用于生产屏蔽的材料是铁(Fe)和硅(Si)合金。该合金(FeSi)没有足够的磁导率来测量弱差动电流。因此，当屏蔽不包括空气隙时，实际可以测量介质和强的差动电流，即，300mA和更大的电流。
此外，该传感器还可以执行高强度主电流的测量，特别是在未配有混合电流传感器22的电流线上。因此有必要在屏蔽10的至少一部分上设立空气隙60，从而前者当电流流过时不会饱和。
根据图5所示的本发明第二实施例，至少一个第二副线圈2完全环绕金属屏蔽10。
根据图6所示的本发明的替代实施例，至少一个第二副线圈2可以环绕两个侧向屏蔽12A或12B之一的至少一部分。被副线圈2环绕的屏蔽10的这部分环绕电流线25。
根据图7所示的本发明的另一替代实施例，第二副电线圈2可以完全环绕侧向屏蔽12A、12B之一。
根据图8到10所示的本发明的另一替代实施例，第二副电线圈2a可以环绕第一侧向屏蔽12A的至少一部分，并且第二副电线圈2b可以环绕第二侧向屏蔽12B的至少一部分。被第二副线圈2a、2b环绕的所述屏蔽形成至少两个第二电流传感器的磁路。
根据另一替代实施例，磁心16可以具有圆形、卵形或椭圆形轮廓。
根据本发明不同实施例的差动电流测量设备9特别设计成与解扣模块40组合，解扣模块40设计成向开关设备50发送命令。解扣模块40设计成连接到设计成连接至少N条电流线25的开关设备50。根据本发明实施例的差动电流测量设备9布置在N条电流线25周围。
此外，解扣模块40最好包括位于至少一条电流线25上的至少一个混合电流传感器26。所述传感器26是包括缠绕在磁路33上、并且设计成连接到开关设备50的电源装置28的第一线圈35的混合磁性传感器。混合电流传感器26包括设计成连接到开关设备50的处理装置29的第二线圈34。第二线圈34缠绕在由位于待测电流流入的电流线25周围的非磁性材料制成的支柱上。第二线圈34形成变流器的副线圈，而所述电流线25形成主线圈。副线圈提供与流入电流线25的电流强度成正比的测量信号。没有易饱和的磁心这一事实允许实现宽的测量范围。组件34、25形成Rogowski型传感器，设计用来在配有所述传感器的电流线上出现单相短路时进行保护。在申请人提交的法国专利申请No.0405199中描述了混合电流传感器25的所有特性。所述申请的描述通过引用并入这里。
在实施例中，N-1条电流线25分别具有一混合电流传感器26。
此外，根据本发明的解扣模块40可以集成在诸如断路器之类的电开关设备50中。
断路器50安装在电流线25上。然后解扣模块40的混合电流传感器26的第一线圈35连接到开关设备50的电源装置28。第二线圈34连接到处理装置29。处理装置29自身由电源装置28供电。
如图11所示，N-1条电流线25分别具有一混合电流传感器26。
开关设备50的操作如下。如果差动传感器9检测到差动电流，则接收到该信息的处理装置29向断开机构32发送命令来通过继电器31断开触点30。处理装置29由电源装置28通过N-1个混合电流传感器22的线圈35供电。
如果在包含混合电流传感器26的一条电流线25上检测到短路故障，则处理装置29向断开机构32发送命令来通过继电器31断开触点30。
如果在未包含混合电流传感器26的电流线25上发生短路故障，则处理装置29仍然通过差动传感器9的第二传感器接收并分析短路信息。处理装置29然后向断开机构32发送命令来通过继电器31断开触点30。
这样，在这种新架构中，由于差动传感器9的第二传感器的存在，即使在不包含混合电流传感器26的电流线上发生单相短路，也仍然确保设施的保护。此外，即使差动传感器9由于短路电流的存在而饱和，也发送断开触点30的命令。
根据替代实施例，处理装置29允许由两个或三个混合电流传感器26的测量信号Isn、Is1、Is3重建未配有电流传感器26的最后电流线中流动的电流I2的漏测值。
信号Isn、Is1、Is3表示在要保护的电流线25中流动的主电流Ipn、Ip1、Ip3。根据本发明的这个特定实施例，信号Isn表示中性主电流Ipn。此外，信号Is1和Is3表示两个相位的主电流Ip1、Ip3。
如图12所示，表示主电流Ipn、Ip1、Ip3的信号Isn、Is1、Is3被施加到处理装置29的处理电路291的输入端。处理电路291向解扣单元293提供表示所测量和处理的电流的信号In、I1、I3。
连接到处理电路291和解扣单元293的重建电路292接收表示由处理电路291测量和处理的电流的信号。当没有观察到差动故障时，所有电流线中流动的电流的矢量和为零。重建电路292然后可以计算和提供表示重建的相位的信号12。
解扣单元293由此接收表示要保护的电流线中流动的三相电流的信号。
当解扣单元293接收的电流信号In、I1、I2、I3在预定时间期间超过阈值时，解扣单元293执行解扣功能并且向继电器31提供解扣信号。解扣功能具体来说有长延迟、短延迟和立即解扣功能。继电器31然后命令通过断开机构32断开触点30。

Claims (14)

1.一种差动电流测量设备(9)，设计成测量至少两条电流线(25)中的差动电流，包括：
设计成环绕电流线(25)的第一磁路(16)，形成变压器的主电路；
缠绕所述磁路的第一副线圈(11)，形成变压器的副电路；
环绕第一副线圈(11)和磁路(16)的金属屏蔽(10)，
特征在于，至少一个第二副线圈(2)环绕金属屏蔽(10)的至少一部分，形成至少一个第二电流传感器的第二磁路，该第二电流传感器设计成提供表示至少一条电流线(25)中流动的电流的电信号。
2.如权利要求1所述的差动电流测量设备，特征在于，金属屏蔽(10)由外屏蔽(14)、内屏蔽(13)和至少一个侧向屏蔽(12A、12B)组成。
3.如权利要求2所述的差动电流测量设备，特征在于，金属屏蔽(10)包括两个侧向屏蔽(12A、12B)。
4.如权利要求3所述的差动电流测量设备，特征在于，至少一个第二副线圈(2)环绕外屏蔽(14)的至少一部分、内屏蔽(13)的至少一部分以及侧向屏蔽(12A、12B)的至少一部分，由所述至少一个第二副线圈(2)环绕的所述屏蔽形成至少一个第二电流传感器的磁路，每个屏蔽(13、14、12A、12B)环绕电流线(25)。
5.如权利要求4所述的差动电流测量设备，特征在于，第二副线圈(2)完全环绕金属屏蔽(10)。
6.如权利要求3所述的差动电流测量设备，特征在于，至少一个第二副线圈(2)环绕侧向屏蔽(12A、12B)之一的至少一部分。
7.如权利要求6所述的差动电流测量设备，特征在于，至少一个第二副线圈(2)环绕两个侧向屏蔽(12A、12B)之一。
8.如权利要求6所述的差动电流测量设备，特征在于，至少一个第二副线圈(2A)环绕第一侧向屏蔽(12A)的至少一部分，并且至少一个第二副线圈(2B)环绕第二侧向屏蔽(12B)的至少一部分，所述被环绕的屏蔽形成至少两个第二电流传感器的磁路。
9.如前面任一权利要求所述的差动电流测量设备，特征在于，被第二副线圈(2)环绕的屏蔽中的至少一个包括至少一个空气隙(60)。
10.一种设计成与开关设备(50)相连的解扣模块(40)，包括N根电流线(25)，特征在于，根据前面权利要求所述的差动电流测量设备(9)被放在电流线(25)周围，差动电流测量设备(9)的第二电流传感器设计成连接到开关设备(50)的电源装置(28)和/或处理装置(29)，差动电流测量设备(9)的第一副线圈(11)设计成连接到所述开关设备的处理装置(29)。
11.如权利要求10所述的解扣模块，特征在于，至少N-1条电流线(25)分别具有混合的电流传感器(26)，电流传感器(26)包括：
缠绕在磁路(33)上的第一线圈(35)，设计成连接到开关设备(50)的电源装置(28)；
缠绕在非磁路上的第二线圈(34)，设计成连接到开关设备(50)的处理装置(29)。
12.一种用于保护至少N条电线(25)的开关设备(50)，包括电源装置(28)、处理装置(29)和用于断开电触点(30)的断开机构(32)，特征在于，它包括根据权利要求10到11的解扣模块(40)，开关设备(50)的处理装置(29)连接到所述解扣模块的差动电流测量设备(9)。
13.如权利要求12所述的解扣模块，特征在于，电源装置(28)通过第一线圈(35)连接到解扣模块(40)的混合电流传感器(26)，并且连接到差动电流测量设备(9)的至少一个第二副线圈(2)。
14.如权利要求12所述的解扣模块，特征在于，处理装置(29)通过第二线圈(34)连接到解扣模块(40)的混合电流传感器(26)，并且连接到差动电流测量设备(9)的第一副线圈(11)。
CNB2006100908642A 2005-06-24 2006-06-26 差动电流测量设备、解扣模块和开关单元 Active CN100526888C (zh)

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