DE102005027270A1

DE102005027270A1 - Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes

Info

Publication number: DE102005027270A1
Application number: DE200510027270
Authority: DE
Inventors: Stefan Dietz; Reinhold Keck; Jochen Dr. Ermisch; Wojciech Olszewski; Jürgen Sperber; Frank Thieme
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2007-01-04
Also published as: WO2006131468A1; EP1889077A1

Abstract

Eine Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes weist mehrere radial um eine Hauptachse (1) verteilte, im Wesentlichen in einer Ebene angeordnete Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) auf. Die Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) sind mit einer Schirmung (3a, 3b) ausgestattet, die vor dem Einwirken von magnetischen Störfeldern schützt. Die Schirmung (3a, 3b) kann eine Wandung aufweisen, die sich in Richtung der Hauptachse (1) neben den Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) erstreckt und/oder die sich in radialer Richtung erstreckt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes.

Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 103 07 704 A1 bekannt. Dort ist ein Gerät beschrieben, welches eine Sonde zur Erfassung eines magnetischen Feldes auf der Basis des Hall-Effektes aufweist. Die dortige Sonde ist in einen Luftspalt eines ringförmigen Kernes aus Eisenmaterial eingefügt. Über den ringförmigen Kern wird ein magnetischer Fluss konzentriert. Die Einrichtung weist ein ringförmiges Gehäuse auf, welches den ringförmigen Kern umgibt. Dieses Gehäuse ist aus einem geeigneten Material, beispielsweise Plastikmaterial, gebildet. Mittels eines integrierten Schaltkreises ist die bekannte Einrichtung kalibrierbar, um beispielsweise Schwankungen der Bauteile und Prozessschwankungen auszugleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes anzugeben, welche gegenüber Störungen von Außen unempfindlich ist.

Bei einer Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere radial um eine Hauptachse verteilte im Wesentlichen in einer Ebene angeordnete Magnetfeld-Sonden von einer Schirmung vor dem Einwirken von magnetischen Störfeldern geschützt sind.

Der Einsatz von Magnetfeld-Sonden in Elektroenergieübertragungsanlagen gestaltet sich oftmals schwierig. Großtechnisch gelangen Mehrphasenwechselspannungssysteme zum Einsatz. Die in den einzelnen Phasen fließenden Ströme rufen Magnetfelder hervor. Im Zuge einer zunehmenden Miniaturisierung werden die Abstände der einzelnen Phasen zur Führung eines elektrischen Stromes immer geringer. Zwar kann durch eine entsprechende Auslegung der elektrischen Isolation bzw. dem Einsatz von Feldsteuerelementen zur Lenkung eines elektrischen Feldes eine zuverlässige Potentialtrennung erfolgen, jedoch kommt es zu einer Überlagerung von Magnetfeldern, die von den verschiedenen elektrischen Strömen ausgehen. Die Magnetfelder stellen so oftmals Störgrößen dar.

Durch eine radiale gleichmäßige Verteilung mehrerer Magnetfeld-Sonden kann die Wirkung von Störmagnetfeldern durch geeignete Rechenverfahren kompensiert werden. Im Regelfall werden von den jeweiligen Magnetfeld-Sonden jeweils nur die Normalkomponenten, das heißt, nur die durch die jeweilige Sonde senkrecht hindurchtretenden Anteile eines magnetischen Feldes erfasst. Da sich die Magnetfelder räumlich auf im Regelfall gekrümmten Bahnen ausbreiten, ist mit einer relativ hohen Wahrscheinlichkeit davon auszugehen, dass an einigen Magnetfeld-Sonden nur geringe Anteile der Störfelder mitgemessen werden. An anderen hingegen erfolgt eine stärkere Beeinflussung. Die Stärke der Beeinflussung ist abhängig von dem Verlauf der Feldlinien der magnetischen Störstrahlung. So wird eine nahezu senkrecht durch eine Magnetfeld-Sonde durchtretende magnetische Feldlinie eines Störfeldes zu einem sehr großen Anteil mitgemessen. Im Gegensatz dazu werden Störfelder, deren Feldlinien eine Magnetfeld-Sonde in einem sehr spitzen Winkel schneiden, nur zu einem sehr geringen Anteil mitgemessen, da die Normalkomponente vergleichsweise klein ist. Die gleichmäßig am Umfang verteilten Magnetfeld-Sonden werden von dem Störfeld jeweils aus unterschiedlichen Richtungen durchflutet. Bei einer Mittelung der Messwerte der einzelnen Magnetfeld-Sonden kompensieren sich bei Annahne eines homogenen Störfeldes die auf dem Störfeld beruhenden Anteile. Dadurch wird der zu messende elektrische Strom mit großer Genauigkeit abgebildet. Bei inhomogenen Störfeldern können durch Schirmungen deren Wirkungen begrenzt werden. Bei einem einfachen Verfahren kann beispielsweise der arithmetische Mittelwert der Messwerte mehrerer Magnetfeld-Sonden herangezogen werden, um eine ausreichende Genauigkeit der Messergebnisse zu erhalten. Zusätzlich kann bei diesem Verfahren eine statistische Auswertemethode genutzt werden, um besonders stark abweichende Messwerte auszuschließen.

Weiter können die radial um eine Hauptachse verteilten Magnetfeld-Sonden vor Störfeldern durch eine Schirmung geschützt werden. Der Einsatz der Schirmung bewirkt die Lenkung der Magnetfeldlinie um die Magnetfeld-Sonden herum. Durch diese Maßnahme können die Messergebnisse einer einzelnen Magnetfeld-Sonde schon zu einem großen Anteil von äußeren magnetischen Störfeldern freigehalten werden. Insbesondere bei einer symmetrischen Verteilung mehrerer Magnetfeld-Sonden um die Hauptachse herum sind so vergleichsweise genaue Messdaten zu erwarten. Bei einer Anordnung eines stromdurchflossenen elektrischen Leiters längs der Hauptachse sollten dabei die Magnetfeld-Sonden jeweils mit annähernd gleichem Abstand zu der Hauptachse angeordnet sein. Eine gleichmäßige Verteilung sowie eine Lage der Sonden in einer gemeinsamen Ebene stellen sicher, dass ein zu messendes Magnetfeld die Magnetfeld-Sonden gleichmäßig durchsetzt. Je nach Lage der Magnetfeldsonden kann die Schirmung derart ausgestaltet sein, dass die Magnetfeldsonden nur vor magnetischen Störfeldern aus bestimmten Richtungen geschützt sind. Die Magnetfeldsonden können beispielsweise auch einzeln mit jeweiligen Schirmsegmenten überdeckt sein.

Eine Ausgestaltung kann vorteilhaft vorsehen, dass die Schirmung zumindest eine Wandung aufweist, die sich in Richtung der Hauptachse seitlich neben den Magnetfeld-Sonden erstreckt.

Ein entlang der Hauptachse verlaufender elektrischer Leiter, welcher von einem elektrischen Strom durchflossen ist, weist oftmals eine Vielzahl von Kröpfungen, Sprüngen oder Versatzstücke auf. Diese schließen sich oftmals unmittelbar an Messstellen an. Dadurch ist es möglich, dass das Magnetfeld des zu messenden Stromes an bestimmten Stellen überlagert wird. Beispielsweise kann an 90 Grad Bögen das Magnetfeld sich selbst überlagern, so dass sich eine Verzerrung des resultierenden Magnetfeldes ergibt. Dort ist eine Messung des Magnetfeldes und ein Rückschluss auf den fließenden Strom nicht ohne weiteres möglich. An derartigen Positionen ist es sinnvoll, dass die Schirmung eine Wandung aufweist, die sich in Richtung der Hauptachse seitlich neben den Magnetfeld-Sonden erstreckt. Störgrößen aus seitlichen Bereichen werden an der Schirmung umgelenkt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Schirmung eine Wandung aufweist, welche die Magnetfeld-Sonden in radialer Richtung überdeckt.

Großtechnisch genutzte Energieübertragungsanlagen arbeiten zumeist mit mehrphasigen Wechselspannungssystemen. Diese Systeme sind beispielsweise dreiphasige Anordnungen, bei denen die elektrischen Leiterzüge parallel zueinander verlegt sind. Dabei sind verschiedene Anordnungen der Leiterzüge zueinander bekannt. So können diese beispielsweise in einer Ebene oder im Dreieck zueinander angeordnet sein. Da in den einzelnen Phasen zumeist Ströme einer bestimmten Frequenz mit unterschiedlichen Phasenlagen fließen, stellen sich um die Leiterzüge der Phasen resultierende Magnetfelder ein. Bei einer synchronen Belastung aller Phasen, kann dies bei einer geeigneten Anordnung dazu führen, dass ein sich einstellendes Gesamtmagnetfeld vollständig kompensiert wird. Durch die parallele Verlegung der Leiterzüge mehrphasiger Wechselspannungssysteme können auch Störgrößen aus radialer Richtung auf die Magnetfeld-Sonden einwirken. Die Störfelder stammen dabei von den benachbart angeordneten stromdurchflossenen elektrischen Leiterzügen. Um eine gegenseitige Beeinflussung der oftmals an jedem der Leiterzüge in unmittelbarer Nähe vorgesehenen Messpunkte zu mindern, ist eine Schirmung mit radialer Wandung vorteilhaft.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Schirmung die Hauptachse umschließt.

Bei einer Verteilung einer Vielzahl von Magnetfeld-Sonden um eine Hauptachse herum, ist eine gleichmäßige Verteilung vorteilhaft. Um die Schirmung der einzelnen Magnetfeld-Sonden effektiv auszugestalten, ist eine um die Hauptachse umlaufende Schirmung nutzbar. Störfelder werden außerhalb des Messfeldes gehalten. Die von einem längs der Hauptachse fließenden Strom ausgehenden Magnetfelder können weiterhin durch die Magnetfeld-Sonden erfasst werden. Mit einer die Hauptachse umschließenden Schirmung kann eine Schirmung vor aus verschiedenen Richtungen wirkenden magnetischen Feldern erzielt werden.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Schirmung einen Abschnitt in Form eines Kreisringes aufweist.

Kreisringe sind beispielsweise aus profilierten Bändern oder Flachmaterial leicht herstellbar. Derartige Ringstrukturen stellen weiterhin eine dielektrisch günstige Anordnung dar, so dass eine Überhöhung des elektrischen Feldes oder andere Störungen nicht zu erwarten sind.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass ein erster und ein zweiter Kreisring in Richtung der Hauptachse beiderseits der Magnetfeld-Sonden angeordnet sind.

Kreisringe, die sich beiderseits der Magnetfeld-Sonden erstrecken, ermöglichen einen Schutz vor Störfeldern, die aus axialer Richtung wirken. Insbesondere bei einer Anordnung von Magnetfeld-Sonden in mehreren Ebenen, sind diese voneinander geschirmt. So können beispielsweise zur Führung und Lenkung eines Magnetfeldes vorgesehene Kerne Störungen auslösen und auf benachbarte Magnetfeld-Sonden einwirken.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Schirmung einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist.

Hohlzylindrische Abschnitte lassen sich sehr leicht aus Rohren herstellen. Durch hohlzylindrische Abschnitte ist die Einwirkung von radialen Komponenten störender Magnetfelder verhindert.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Schirmung einen sphärisch gekrümmten Abschnitt aufweist.

Sphärisch gekrümmte Abschnitte gestatten es, besonders effektive Schirmungen auszugestalten. So können beispielsweise haubenartig oder karlottenartig geformte Schirmungen oder auch beispielsweise torroidartige Schirmungen zum Einsatz gelangen. Durch sphärisch gekrümmte Abschnitte ist es einfach möglich, die Magnetfeld-Sonden im Abschattungsbereich der Schirmung anzuordnen. Mittels sphärisch gekrümmter Abschnitte können die Magnetfeld-Sonden im Schatten der Schirmung liegen, wobei die Störmagnetfelder aus diversen Richtungen einwirken können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung kann weiterhin vorsehen, dass parallel zu der Hauptachse ein elektrischer Leiterzug zur Leitung eines elektrischen Stromes angeordnet ist, zwischen dessen Oberfläche und der Schirmung eine elektrische Isolation angeordnet ist.

Zur elektrischen Isolation kann beispielsweise ein gasförmiges oder flüssiges Medium bzw. ein Feststoff eingesetzt werden. Durch die Isolation wird die Schirmwirkung der Schirmung nicht beeinträchtigt. In radialer Richtung gesehen, sind die Magnetfeld-Sonden zwischen dem elektrischen Leiter und der Schirmung angeordnet. So erfassen die Magnetfeld-Sonden ungehindert das von dem zu messenden elektrischen Strom ausgehende Magnetfeld.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein Kernkörper zur Bündelung eines Magnetfeldes die Hauptachse umgibt.

Mittels des Kernkörpers können Magnetfelder gebündelt werden. Dadurch ist ein Streuen von Feldanteilen vermindert, und somit kann eine genauere Abbildung des im elektrischen Leiterzug fließenden Stromes erfolgen. Der Kernkörper kann dabei beispielsweise Ausnehmungen aufweisen, in welche eine oder mehrere Magnetfeld-Sonden hineinragen. Außen um den Kernkörper kann zusätzlich eine entsprechende Schirmung angeordnet sein, um ein Eindringen von Störmagnetfeldern in den Kernkörper zu vermeiden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass in einem Spalt des Kernkörpers eine weitere Magnetfeld-Sonde angeordnet ist und der Kernkörper in Richtung der Hauptachse beabstandet zu den mehreren Magnetfeld-Sonden angeordnet ist.

Durch die Anordnung des Kernkörpers in Richtung der Hauptachse beabstandet zu den mehreren Magnetfeld-Sonden kann ein weiterer Messort zur Erfassung eines den elektrischen Leiterzug durchfließenden Stromes genutzt werden. Beispielsweise kann dieser zweite Messort dazu vorgesehen sein, die an einem ersten Messort ermittelten Daten zu verifizieren. Dabei können verschiedene Bauformen von Magnetfeld-Sonden, Schirmungen, Kernkörpern etc. an den beiden Messorten vorgesehen sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass beide Messorte Einrichtungen zur Erfassung eines elektrischen Stromes in gleichen Ausgestaltungsvarianten aufweisen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Schirmung derart angeordnet ist, dass die in der Ebene angeordneten Magnetfeld-Sonden vor von dem Kernkörper abstrahlbaren magnetischen Störfeldern geschirmt sind.

Neben der Bündelung eines elektrischen Feldes durch den Kernkörper können beispielsweise an einer Ausnehmung, in welche die weitere Magnetfeld-Sonde hineinragt, Störfelder entstehen. Derartige Störungen entstehen an scharfen Vorsprüngen und Kanten, die ein Austreten von einzelnen Magnetfeldlinien begünstigen, wobei diese sich auf gekrümmten Bahnen außerhalb des Kernkörpers bewegen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die in der Ebene angeordneten Magnetfeld-Sonden und die weitere Magnetfeld-Sonde der Erfassung desselben elektrischen Stromes dienen und jeweils verschiedenen Messbereichen zugeordnet sind.

Bestimmte Anordnungen sind in verschiedenem Maße geeignet, elektrische Ströme unterschiedlicher Größenordnung zu messen. So ist es einerseits vorteilhaft, die magnetischen Feldlinien, welche von dem zu messenden Strom ausgehen, in einem Kernkörper zu lenken und zu führen, da so Störungen vermieden sind. Andererseits ist dies bei dem Messen von Strömen in einem größeren Messbereich nachteilig. Ein Kernkörper geht rasch in eine Sättigung. Der Kernkörper ist lediglich in der Lage, ein „gewisses Maß" an magnetischen Feldlinien zu führen. Darüber hinaus auftretende Feldlinien werden in undifferenzierter Weise außerhalb des Kernkörpers verlaufen. In diesem Falle ist bei großen Strömen mit fehlerhaften Messwerten zu rechnen. Bei der Nutzung einer Anordnung mit mehreren Magnetfeld-Sonden, welche ein Magnetfeld innerhalb eines Gases oder eines entsprechend geeigneten alternativen Isolierstoffes erfasst, kann eine derartige Sättigung nicht auftreten. Eine solche Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass bei relativ kleinen Feldern ein hoher Messfehler aufgrund von Störfeldern entstehen kann. Bei einer Kombination mehrerer Messorte axial beabstandet zueinander bezogen auf die Hauptachse, können bei Verwendung mehrerer Messstellen mit unterschiedlichen Messbereichen zuverlässige Messungen von Strömen in einer großen Bandbreite erzielt werden.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden eine Hall-Sonde ist.

Hall-Sonden weisen ein Plättchen auf, welches eine geringe Dicke gegenüber seiner Länge und seiner Breite aufweist. Dieses Plättchen wird in ein Magnetfeld gebracht, so dass es von magnetischen Feldlinien durchsetzt ist. Der senkrechte Anteil (Normalkomponente) der Feldlinien bewirkt eine Ablenkung von Ladungsträgern, die sich aufgrund eines elektrischen Stromes durch das Plättchen bewegen. Diese Ablenkung beruht auf einer Kraftwirkung, die als „Lorentzkraft" bezeichnet wird. Bewirkt durch einen elektrischen Strom ergibt sich beispielsweise ein linearer Zusammenhang zwischen der magnetischen Flussdichte und der an dem Plättchen abnehmbaren Hall-Spannung.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden eine Spule ist.

Die Spule kann in verschiedenen Ausgestaltungen vorliegen. So können beispielsweise so genannte „Rogowskispulen" zum Einsatz kommen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung kann jedoch auch vorsehen, dass auf Trägermaterial aufgedruckte oder mit anderen geeigneten Verfahren erzeugte Spulen zum Einsatz kommen. Derartige flache Plättchen mit einer Vielzahl von Leiterwindungen sind beispielsweise auch in schlitzförmige Ausnehmungen eines Kernkörpers einführbar.

Vorteilhafterweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden einen anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzt.

Neben Magnetfeld-Sonden auf Basis des Hall-Effektes bzw. von induktiven Wirkungen sind Sonden, die auf Basis eines anisotropen magnetoresistiven Effekts arbeiten, alternativ oder zusätzlich verwendbar.

Unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes kann in ferromagnetischen Werkstoffen eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit erfolgen. Dabei ist es wichtig, dass der Effekt der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit abhängig von der Einwirkrichtung des magnetischen Feldes ist. In diesem Falle wird von einer Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit gesprochen.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindungen schematisch in Figuren gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigt die
1 eine Seitenansicht einer Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes mit mehreren Magnetfeld-Sonden, die
2 einen Schnitt durch die in der 1 dargestellte Einrichtung, die
3 eine Kombination der in den 1 und 2 dargestellten Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes mit einem Kernkörper, die
4 einen Schnitt durch den Kernkörper, die
5 eine Abwandlung der in der 3 gezeigten Einrichtung und die
6 eine Darstellung eines Kernkörpers mit einem prinzipiellen Verlauf von magnetischen Feldlinien.
Die 1 zeigt eine Seitenansicht einer Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes in einem Schnitt. Längs einer senkrecht zur Zeichenebene stehenden Hauptachse 1 verläuft ein elektrischer Leiterzug 2. Der elektrische Leiterzug 2 ist von einem Strom I durchflossen. Radial zur Flussrichtung des Stromes I, welche parallel zur Hauptachse 1 verläuft, ist der elektrische Leiter 2 aufgrund des Stromflusses von einem Magnetfeld umgeben. Das Magnetfeld verläuft annäherungsweise in konzentrischen Kreisen um den elektrischen Leiterzug 2 herum. Um das Eindringen von Fremdfeldern zu verhindert, ist eine Schirmung 3a koaxial zu dem elektrischen Leiterzug 2 angeordnet.
Innerhalb der Schirmung 3a sind mehrere Magnetfeld-Sonden in Form von Hall-Sonden 4a, 4b 4c, 4d angeordnet. Die Sonden sind dabei derart positioniert, dass die Sonden jeweils senkrecht von den konzentrisch um den elektrischen Leiterzug 2 laufenden Magnetfeldlinien geschnitten werden. Die Hall-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d sind dabei annähernd in einer Ebene radial um die Hauptachse 1 verteilt angeordnet. Die Hall-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d weisen jeweils den gleichen Abstand zu der Hauptachse 1 auf.
Die Hall-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d sind von der Schirmung 3a umgeben. In der 2 ist die Schirmung 3a in einem weiteren Schnitt erkennbar. Die Schirmung 3a weist eine Wandung auf, die die Hall-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d in radialer Richtung überspannt. Weiterhin weist die Schirmung 3a Wandungen auf, welche die Hall-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d seitlich in Richtung der Hauptachse 1 überdecken. Die Schirmung 3a umgibt die Hauptachse vollständig, so dass ein elektromagnetisch geschirmter Bereich entsteht, welcher ringförmig um den elektrischen Leiter 2 herum verläuft. Die Schirmung 3a ist dabei derart ausgestaltet, dass sie eine ringförmige Struktur aufweist, die elektrisch isoliert von dem elektrischen Leiterzug 2 beabstandet angeordnet ist. Die in den 1 und 2 dargestellte Ausgestaltungsvariante verzichtet auf den Einsatz eines Magnetfelder bündelnden Kernkörpers, das heißt, die Hall-Sensoren 4a, 4b, 4c, 4d erfassen unmittelbar das in der Umgebung des elektrischen Leiterzug 2 befindliche Magnetfeld. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zusätzlich zu der Schirmung 3a und den Hall-Sensoren 4a, 4b, 4c, 4d ein Kernkörper Anwendung findet, welcher im Schutze des Schattenfeldes der Schirmung 3a die magnetischen Feldlinien bündelt und führt.
In der 2 ist erkennbar, dass die Schirmung 3a im Querschnitt ein U-Profil aufweist, welches sich um den elektrischen Leiterzug 2 herum erstreckt. Es können auch weitere Profilierungen der Schirmung 3a vorgesehen sein, so dass beispielsweise auch toroidförmige Abschnitte, vielfach gestufte Abschnitte oder andere sphärisch gekrümmte Abschnitte entstehen.
In der 3 ist eine Fortbildung der aus den 1 und 2 bekannten Ausführung einer Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes dargestellt. Zusätzlich ist in Richtung der Hauptachse 1, benachbart axial versetzt, eine zusätzliche Anordnung mit weiteren Magnetfeld-Sonden 6a, 6b, 6c, 6d eingesetzt. Die weiteren Magnetfeldsonden 6a, 6b, 6c, 6d sind wiederum beispielsweise als Hall-Sonden ausgestaltet. Die weiteren Magnetfeld-Sonden 6a, 6b, 6c, 6d sind jeweils in einem Schlitz eines Kernkörpers 7 angeordnet. Der Kernkörper 7 dient der Bündelung und Führung des von dem in dem elektrischen Leiterzug 2 fließenden Stromes I ausgehenden magnetischen Feldes. Die weiteren Magnetfeld-Sonden 6a, 6b, 6c, 6d sind derart ausgerichtet, dass sie senkrecht zu den radial um die Hauptachse 1 verlaufenden magnetischen Feldlinien stehen, so dass die Normalkomponenten dieser Feldlinien möglichst vollständig erfasst werden. Aufgrund der bündelnden Wirkung des Kernkörpers 4 wurde auf eine zusätzliche Anordnung einer Schirmung verzichtet. Eine Schirmung kann jedoch auch hierfür vorgesehen sein.
Durch die in axialer Richtung heruntergezogenen Wandungen der Schirmung 3a sind die in einer Ebene neben dem Kernkörper 7 angeordneten Hall-Sonden 4a, 4b, 4c, 4c vor von dem Kernkörper 7 ausgehenden Störstrahlungen geschützt. Das Zustandekommen derartiger Störstrahlung ist der Figurenbeschreibung der 6 entnehmbar.
Die 5 zeigt eine weitere Variante einer Schirmung 3b. Die Schirmung 3b weist einen ersten Kreisring 8a und einen zweiten Kreisring 8b auf. Die Kreisringe 8a, 8b sind koaxial zu. der Hauptachse 1 angeordnet und schützen die Hall-Sonden 4a, 4c vor dem Eindringen von aus axialer Richtung einwirkenden störenden magnetischen Feldern. Eine derartige Ausgestaltung einer Schirmung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mit radial einströmenden Störfeldern nicht zu rechnen ist bzw. deren Auswirkungen kompensiert werden können. Alternativ kann auch vorgesehen sein, ausschließlich eine radiale Schirmung der Magnetfeld-Sonden vorzusehen. Dies ist dann von Vorteil, wenn eine axiale Störkomponente nicht zu erwarten ist.
In der 6 ist die Entstehung eines von dem Kernkörper 7 ausgehenden Störfeldes dargestellt. Bei der Anordnung nach 6 wurde auf eine Schirmung des außerhalb des Kernkörpers befindlichen Hall-Sensors 4c verzichtet. Ein Hall-Sensor 6c ist in einem Schlitz des Kernkörpers 7 angeordnet. Der Kernkörper 7 bündelt die magnetischen Feldlinien und führt sie parallel in seinem Inneren. Der Schlitz mit dem Magnetfeld-Sensor 6c stellt eine Anomalie dar. Im zentralen Bereich des Schlitzes werden die Magnetfeldlinien parallel durch den Luftspalt hindurchgeführt. Im Randbereich kommt es zu einer Ausbauchung der Magnetfeldlinien und zu einer Beeinflussung des Hall-Sensors 4c. Diese Störkomponente führt zu einer fehlerhaften Messung an dem außerhalb des Kernkörpers 7 befindlichen Hall-Sensor 4c. Durch das Einfügen einer Wandung eines Schirmes, die sich in axialer Richtung der Hauptachse 1 zwischen dem Hall-Sensor 4c und dem Kernkörper 7 erstreckt, wird der Hall-Sensor 4c vor dem Einwirken von den am Luftspalt ausgebauchten Magnetfeldlinien geschützt.
Um eine Messung eines elektrischen Stromes über einen möglichst großen Messbereich zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, eine Gruppe von Magnetfeld-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d das Magnetfeld ohne zusätzliche Führungselemente für das magnetische Feld einzusetzen. Eine derartige Anordnung ist jedoch relativ empfindlich gegen Störstrahlung. Daher ist es vorteilhaft, eine derartige Gruppe von Magnetfeld-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d mittels einer Schirmung 3a, 3b abzuschirmen. Eine Gruppe von Magnetfeld-Sonden 6a, 6b, 6c, 6d, welche mit einem Kernkörper 7 zur Führung eines Magnetfeldes ausgestattet ist, ist gegenüber äußeren Störfeldern weniger empfindlich. Eine derartige Anordnung hat den Nachteil, dass der Kernkörper 7 „in Sättigung" gehen kann. Bei einem großen elektrischen Strom kann eine Sättigung auftreten, so dass eine fehlerhafte Messung erfolgt. Im Gegensatz dazu treten an einer Anordnung mit mehreren Magnetfeld-Sonden 4a, 4b, 4c, 4d, welche in einem Isoliermedium verlaufende Magnetfeldlinien erfasst, keine Sättigungserscheinungen auf. Daher sind derartige Anordnungen auch für die Messung sehr großer Ströme verwendbar. In Kombination zweier unterschiedlicher Messanordnungen sind so zum einen geringe Ströme mit einer hohen Genauigkeit (Anordnung mit Kernkörper) und Ströme mit großen Beträgen (Anordnung ohne Kernkörper) messbar. Durch eine Kombination zweier Messanordnungen kann so eine Einrichtung zur Erfassung eines Stromes mit einem breiten Messbereich geschaffen werden. Dies kann beispielsweise auch dazu führen, dass eine Anordnung mit Kernkörper zur Messung von Betriebsströmen oder zur Verrechnung von elektrischer Energie eingesetzt wird und die andere Anordnung zur Detektion von Kurzschlussströmen oder Überströmen Verwendung findet.
Alternativ oder zusätzlich kann neben dem Einsatz von Hall-Sonden auch der Einsatz von elektrischen Spulen und/oder Sonden auf Basis des anisotropen magnetoresistiven Effekts vorgesehen sein. Je nach Bedarf können verschiedene Ausgestaltungsvarianten einer Schirmung zum Einsatz kommen, die beispielsweise nur abschnittsweise ausgestaltet ist und Magnetfeld-Sonden partiell schirmt.

Claims

Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes, welche mehrere radial um eine Hauptachse verteilte, im Wesentlichen in einer Ebene angeordnete Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) aufweist, wobei die Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) von einer Schirmung (3a, 3b) vor dem Einwirken von magnetischen Störfeldern geschützt sind.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmung (3a, 3b) zumindest eine Wandung aufweist, die sich in Richtung der Hauptachse seitlich neben den Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) erstreckt.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmung eine Wandung aufweist, welche die Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) in radialer Richtung überdeckt.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmung (3a, 3b) die Hauptachse umschließt.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmung (3a, 3b) einen Abschnitt in Form eines Kreisringes aufweist.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter Kreisring (8a, 8b) in Richtung der Hauptachse (1) beiderseits der Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) angeordnet sind.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmung (3a) einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmung einen sphärisch gekrümmten Abschnitt aufweist.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Hauptachse (1) ein elektrischer Leiterzug (2) zur Leitung eines elektrischen Stromes (I) angeordnet ist, zwischen dessen Oberfläche und der Schirmung (3a, 3b) eine elektrische Isolation angeordnet ist.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernkörper (7) zur Bündelung eines Magnetfeldes die Hauptachse (1) umgibt.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Spalt des Kernkörpers (7) eine weitere Magnetfeld-Sonde (6a, 6b, 6c, 6d) angeordnet ist und der Kernkörper (7) in Richtung der Hauptachse (1) beabstandet zu den mehreren Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) angeordnet ist.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmung (3a, 3b) derart angeordnet ist, dass die in der Ebene angeordneten Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) vor von dem Kernkörper (7) abstrahlbaren magnetischen Störfeldern geschirmt ist.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Ebene angeordneten Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d) und die weitere Magnetfeld-Sonde (6a, 6b, 6c, 6d) der Erfassung desselben elektrischen Stromes (I) dienen und jeweils verschiedenen Messbereichen zugeordnet sind.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d; 6a, 6b, 6c, 6d) eine Hall-Sonde ist.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d; 6a, 6b, 6c, 6d) eine Spule ist.
Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes nach einem der Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Magnetfeld-Sonden (4a, 4b, 4c, 4d; 6a, 6b, 6c, 6d) einen anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzt.