DE102009036107A1

DE102009036107A1 - Hochstromsensor

Info

Publication number: DE102009036107A1
Application number: DE102009036107A
Authority: DE
Inventors: Xiao Dong Dr. Feng; Yue Dr. Zhuo
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2010-02-25
Also published as: CN101650383A; US20100045417A1

Abstract

Diese Erfindung legt einen Hochstromsensor vor, einschließlich einer Primärspule und einer Sekundärspule, wobei die beschriebene Primärspule spiralförmig ist und eine Kammer bildet, die beschriebene Sekundärspule in der beschriebenen Kammer platziert ist und dazu dient, eine Sekundärspannung zu induzieren, wenn die beschriebene Primärspule von Primärstrom durchflossen wird. Der Hochstromsensor dieser Erfindung verfügt über einen einfachen Aufbau mit sicherer und zuverlässiger Bedienung, das Ausgangssignal weist hohe Linearität und hohe Genauigkeit auf, und er hat den Vorzug, einen elektronischen Auslöser mit Strom zu versorgen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochstromsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektronische Auslöser (Electronic Trip Unit, ETU) finden gegenwärtig breite Anwendung in intelligenten Niederspannungsleistungsschaltern (Low Voltage Circuit Breaker, LVCB). Beim Auftreten von Fehlerstrom muss der elektrische Auslöser in der Lage sein, ein Auslösesignal auszusenden, um den Stromkreis zu unterbrechen, damit die elektrischen Leitungen und die elektronischen Anlagen geschützt werden.
Um die genannte Schutzfunktion des elektrischen Auslösers zu realisieren, muss es mit Hilfe einer Hochstrommessvorrichtung möglich sein, sowohl während des normalen Betriebs der elektronischen Anlage als auch beim Auftreten von Störungen, den Strom in den elektrischen Leitungen genau zu messen. Dabei ist es möglich, dass sich die Größe des Stroms in einem sehr großen Bereich ändert. Da der elektronische Auslöser Messsignale für die Berechnung der genauen Auslösezeit verwenden wird, um die elektrischen Leitungen und die elektronischen Anlagen besser zu schützen, müssen die Messungen der genannten Hochstrommessvorrichtung äußerst genau sein. Um zu verhindern, dass die Stromkreise des elektrischen Auslösers während des normalen Betriebs externen Störungen ausgesetzt sind, muss während der Messungen außerdem eine elektrische Isolation vorgenommen werden. Gleichzeitig muss bei der Verwendung in Niederspannungsleistungsschaltern, wie Kompaktleistungsschalter (Moulded Case Circuit Breaker, MCCB) oder Luftleistungsschalter (Air Circuit Breaker, ACB), die beschriebene Hochstrommessvorrichtung in der Lage sein, den elektronischen Auslöser über die elektrischen Leitungen mit Strom zu versorgen.
Die 1 bis 3 zeigen einige Arten von häufig verwendeten Hochstrommessvorrichtungen, die in herkömmlicher Technik vorhanden sind.
1 zeigt den Aufbau eines Stromwandlers (Current Transformer, CT). Ein Stromwandler ist eine Vorrichtung, die in Niederspannungsleistungsschaltern für die Messung des Hochstroms und für die Stromversorgung des elektronischen Auslösers eingesetzt wird. Wie in der Abbildung dargestellt, umfasst dieser Stromwandler eine Primärspule 1, eine Sekundärspule 2 und einen ferromagnetischen Ring 3. Die beschriebene Primärspule 1 weist einen Aufbau mit einer Windung oder mit mehreren Windungen auf, durchzieht die Mitte des ferromagnetischen Rings 3 und führt Hochstrom. Die beschriebene Sekundärspule weist einen Aufbau mit mehreren Windungen auf (in der Regel mehrere hundert oder noch mehr Windungen) und ist auf den beschriebenen ferromagnetischen Kern 3 gewickelt. Gemäß dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion verändert sich der in der Primärspule 1 entstandene Magnetfluss im ferromagnetischen Ring 3 und führt in der Sekundärspule 2 zur Entstehung einer induktiven elektromotorischen Kraft. Wenn in der Sekundärspule 2 eine Last angeschlossen ist, wird ihr Ausgansstrom mit folgender Formel berechnet:
Darin ist I₁ der Strom der Primärspule, I₂ ist der Strom der Sekundärspule, N₁ ist die Windungszahl der Primärspule, N₂ ist die Windungszahl der Sekundärspule.
Dies zeigt, dass der Strom der Sekundärspule und der Strom der Primärspule proportional sind, wobei ihr Umwandlungsverhältnis vom Verhältnis der Windungszahl von Primärspule und Sekundärspule bestimmt wird. Deshalb kann nach Auswahl eines geeigneten Umwandlungsverhältnisses der Hochstrom in der Primärspule proportional in Niederstrom in der Sekundärspule umgewandelt werden.
Ein Stromwandler, der in einem Niederspannungsleistungsschalter verwendet wird, kann in einem festgelegten Strombereich, zum Beispiel kleiner als der sechsfache Nennstrom, einen guten Genauigkeitsgrad erzielen. In höheren Strombereichen jedoch kann der ferromagnetische Ring eine Sättigung erreichen und zu einer mangelhaften Linearität führen. Um die Linearität zu erhöhen, besteht ein durchführbares Verfahren darin, die Querschnittsfläche des ferromagnetischen Rings zu vergrößern. Dies wird jedoch zum Einsatz von mehr Material, zur Erhöhung des Volumens und der Herstellungskosten des Stromwandlers führen. Ein weiterer Nachteil dieses Stromwandlers besteht darin, dass bei einem Zustand der offenen Schleife der Sekundärspule die Hochspannung an deren Ausgang eine Gefahr für Leben und Sicherheit des Bedieners darstellen kann. Deshalb müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, wie Erdung usw., um die Sicherheit der Bedienung zu gewährleisten.
2 zeigt das Prinzip eines Stromtransducers mit Hall-Effekt (Hall Effekt Current Transducer). Wie in der Abbildung dargestellt, unterliegen, wenn die Scheibe aus Leitermaterial in Längsrichtung vom Steuerungsstrom I_c durchflossen wird, die beweglichen Ladungsträger dieses Stroms dem Einfluss der Lorentzkraft, die aufgrund des externen Magnetflusses B entsteht und senkrecht zur Stromrichtung liegt, und es tritt eine Ablenkung auf. Wenn sich immer mehr Träger, bei denen Ablenkung aufgetreten ist, auf der seitlichen Seite der Scheibe aus Leitermaterial sammeln, entsteht eine elektrische Potentialdifferenz, die als Hall-Spannung V_H bezeichnet wird. Viele Patentschriften, wie die US-Patente mit den Nummern 6,628,495 , 6,005,383 , 6,429,639 , 5,923,162 und 5,615,075 , legen Stromtransducer offen, die auf dem genannten Effekt basieren.
Ein Stromtransducer mit Hall-Effekt verfügt über eine gute Linearität, eine hohe Genauigkeit und eine große Bandbreite. Sein Preis ist jedoch übermäßig teuer. Sein Volumen ist groß. Er ist empfindlich gegenüber Veränderungen der Umgebung, un terliegt äußerst leicht externen elektromagnetischen Störungen, und sein relativ enger Anwendungsstrombereich beschränkt seine Anwendung in Niederspannungsleistungsschaltern. So kann zum Beispiel selbst ein guter Stromtransducer mit Hall-Effekt nur auf Fälle kleiner als der dreifache Nennstrom angewendet werden, weit kleiner als der Strombereich, den die Hochstrommessvorrichtung des elektronischen Auslösers auf Anforderung des Niederspannungsleistungsschalters messen kann.
Ein Strom-Shunt (Current Shunt) ist ebenfalls eine häufig verwendete Hochstrommessvorrichtung. Es handelt sich um einen elektrischen Widerstand, der in Serie mit dem Hauptstromkreis geschaltet ist. Wenn Strom diesen Widerstand durchfließt, kann der von diesem Widerstand hervorgerufene Spannungsabfall durch Messung mit einem Voltmeter, das mit den beiden Enden dieses Widerstands verbunden ist, ermittelt werden.
Ein Manganin-Shunt (Manganin Shunt) wird häufig auf Niederstrom angewendet, zum Beispiel in Messungen unter 200 A. In diesem Strombereich bietet der Manganin-Shunt einen guten Kostennutzen: Auf der Grundlage niedriger Kosten werden hohe Linearität und Genauigkeit geboten. Das serielle Verbindungsverfahren beschränkt jedoch die Verwendung von Manganin-Shunts in Hochstrommessungen. Da sie zudem über keine elektrische Isolation verfügen, müssen bei hohen Frequenzen gleichzeitig die Einflüsse berücksichtigt werden, die von den aufgrund von Selbstinduktion des Shunts hervorgerufenen Phasenveränderungen auf die Messergebnisse ausgeübt werden.
3 zeigt den Aufbau einer Rogowski-Spule. Wie in der Abbildung dargestellt, wird die Rogowski-Spule auf einen nichtferromagnetischen Rahmen gewickelt. Wenn der stromführende Leiter durch die Rogowski-Spule hindurchgeht, entstehen in dieser Rogowski-Spule Spannungssignale, die mit deren Wert M der Gegeninduktivität (Mutual Inductance) sowie der zeitlichen Veränderung di(t) / dt des Stroms proportional sind:
Darin ist i(t) der Primärstrom.
Man erhält den Strom: i(t) = 1M ∫e0(t)dt.
Viele Patentschriften, wie die US-Patente mit den Nummern 7,106,162 , 6,064,191 und 6,018,239 , legen Hochstrommessvorrichtungen offen, die auf dem genannten Prinzip basieren.
Die Rogowski-Spule verfügt über eine gute Linearität, eine große Bandbreite, einen breiten Induktionsbereich und eine gute elektrische Isolation. Wenn jedoch der Primärstrom relativ niedrig ist, ist das Ausgangssignal der Rogowski-Spule relativ schwach. Das Wicklungsverfahren für ihre Sekundärspule ist recht kompliziert und beeinflusst leicht die Genauigkeit der Messungen. Es ist zusätzlich ein Integrator für die Verarbeitung des Ausgangssignals erforderlich. Außerdem ist die Rogowski-Spule nicht in der Lage, wie ein Stromwandler den elektrischen Auslöser mit Strom zu versorgen.
Die Aufgabe (das Ziel) der Erfindung besteht darin, einen Hochstromsensor mit einfachem Aufbau sowie sicherer und zuverlässiger Bedienung zur Verfügung zu stellen, dessen Ausgangssignal über hohe Linearität und hohe Genauigkeit verfügt und der in der Lage ist, den elektrischen Auslöser mit Strom zu versorgen.
Um die genannte Aufgabe zu lösen, wird vorgeschlagen, dass die Windung aus einem elektrischen Flachleiter gebildet ist, dessen ins Windungsinnere weisende Flachseite eine Kammer bildet, in der die Sekundärspule angeordnet ist.
Mit Vorteil ist an einem Ende der beschriebenen Primärspule ein Stromwandler mit Schnellsättigung angebracht.
Mit Vorteil erstreckt sich die beschriebene Kammer entlang der Richtung der Spiralachse der beschriebenen spiralförmigen Primärspule.
Mit Vorteil wird die beschriebene spiralförmige Primärspule durch Verdrehung einer Kupfersammelschiene gebildet.
Mit Vorteil handelt es sich bei der beschriebenen Primärspule um eine Spule mit einer Windung oder mit mehrfachen Windungen.
Mit Vorteil weist die Sekundärspule mehrere Windungen auf.
Mit Vorteil handelt es sich bei der Sekundärspule um eine Luftspule oder um eine Spule, die auf einen nichtferromagnetischen Kern gewickelt wurde.
Der Hochstromsensor dieser Erfindung erzielt durch den oben genannten Aufbau folgende technische Effekte:

– einfacher Aufbau
– sichere und zuverlässige Bedienung
– Fähigkeit zur Stromversorgung des elektrischen Auslösers
– Das Ausgangssignal behält in einem breiten Primärstrombereich gute Linearität und Genauigkeit bei.
– Die Amplitude des Ausgangssignals erfüllt die Anforderungen der nachfolgenden Signalverarbeitungsschaltung. Außerdem ist es möglich, durch Regulierung der Windungszahl der Sekundärspule und des Widerstandswertes des Lastwiderstands die Amplitudengröße des Ausgangssignals zu regulieren.
– besonders geeignet für Hochstrommessungen.

Die 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen von verschiedenen herkömmlichen Hochstrommessvorrichtungen.
4 zeigt das Strukturschema der Primärspule des Hochstromsensors dieser Erfindung.
5 zeigt die schematische Darstellung von Richtung und Verteilung des Magnetflusses im Inneren der eingeschalteten Primärspule in 4.
6 zeigt das Strukturschema eines konkreten Ausführungsbeispiels des Hochstromsensors dieser Erfindung.
7 zeigt den Stromlaufplan für den Test von Linearität und Genauigkeit der Signale des Hochstromsensors dieser Erfindung.
8 zeigt das Diagramm von Primärstrom und Sekundärspannung aller Tests der Signallinearität des Hochstromsensors dieser Erfindung, die mit der Schaltung aus 7 durchgeführt wurden.
9 zeigt das Diagramm von Primärstrom und Sekundärspannung aller Tests aus 8 unter der Bedingung, dass der Lastwiderstand 1004 Ohm beträgt.
10 zeigt das Diagramm von Primärstrom und Sekundärspannung aller Tests aus 8 unter der Bedingung, dass der Lastwiderstand 75,1 Ohm beträgt.
11 zeigt das Diagramm von Primärstrom und Sekundärspannung aller Tests aus 8 unter der Bedingung, dass die Sekundärspule eine Windungszahl von 600 Windungen aufweist.
12 zeigt das Diagramm von Primärstrom und Sekundärspannung aller Tests aus 8 unter der Bedingung, dass die Sekundärspule eine Windungszahl von 400 Windungen aufweist.
13 zeigt das Diagramm von Primärstrom und Sekundärspannung aller Tests aus 8 unter der Bedingung, dass die Sekundärspule eine Windungszahl von 200 Windungen aufweist.
14 zeigt das Diagramm von Primärstrom und Sekundärstrom der Messung der Signallinearität eines herkömmlichen Stromwandlers.
15 zeigt das Primärstrom-Fehler-Diagramm der Tests der Signalgenauigkeit des Hochstromsensors dieser Erfindung, die mit der Schaltung aus 7 durchgeführt wurden, sowie das Primärstrom-Fehler-Diagramm eines herkömmlichen Stromwandlers.
Im Folgenden wird diese Erfindung in Verbindung mit den Abbildungen detailliert beschrieben.
Wie in den 4 bis 6 gezeigt, verfügt der Hochstromsensor 100 dieser Erfindung über einen einfachen Aufbau, einschließlich einer Primärspule 200 und einer Sekundärspule 300, und umfasst außerdem bevorzugt einen Stromwandler mit Schnellsättigung 400.
Die beschriebene Primärspule 200 ist spiralförmig, wird durch die Verdrehung einer Kupfersammelschiene (Bus Bar) gebildet, erstreckt sich entlang der Richtung der Spiralachse und bildet die Kammer 210. Bei der Anzahl der Windungen (Turn) der beschriebenen Primärspule 200 kann es sich um einfache Windungen oder um mehrfache Windungen handeln. Wenn die beschriebene Primärspule 200 von Wechselstrom (nachfolgend kurz ”Strom”) durchflossen wird, entsteht in ihrem Inneren ein alternierender Magnetfluss. Die Richtungen von Strom und Magnetfluss erfüllen die Rechtehand-Regel. Insbesondere mit Verweis auf 5 erfährt man durch Beurteilung mit der Rechtehand-Regel, dass der in dieser spiralförmigen Primärspule 200 entstandene Magnetfluss sich in deren Kammer 210 konzentriert und, wie der Rahmen aus gestrichelten Linien in der Abbildung zeigt, sich im wesentlichen in Richtung der Spiralachse verteilt. Die Dichte des beschriebenen Magnetflusses und der Primärstrom, der die Primärspule 200 durchfließt, sind proportional. Deshalb kann durch Messung der Magnetflussdichte in dieser Kammer 210 die Größe des beschriebenen Primärstroms ermittelt werden.
Bei der beschriebenen Sekundärspule 300 handelt es sich um eine Luftspule mit mehrfachen Windungen oder um eine auf einen nichtferromagnetischen Kern gewickelte Spule. 6 zeigt besonders den Fall, in dem es sich bei der beschriebenen Sekundärspule 300 um eine auf einen nichtferromagnetischen Kern gewickelte Spule handelt. Die beschriebene Sekundärspule 300 ist in der Kammer 210 der beschriebenen Primärspule 200 platziert. Wenn der alternierende Magnetfluss, der nach dem Einschalten der Spule 200 entsteht, die beschriebene Sekundärspule 300 durchzieht, bildet die Sekundärspule 300 eine induktive elektromotorische Kraft. In den vorstehend genannten Fällen, in denen es sich bei der beschriebenen Sekundärspule 300 um eine Luftspule oder um eine auf einen nichtferromagnetischen Kern gewickelte Spule handelt, selbst wenn es sich bei dem Primärstrom um extremen Hochstrom handelt, wird für den beschriebenen Luftkern oder den nichtferromagnetischen Kern kein Sättigungszustand eintreten. Dies bedeutet, dass es möglich ist, mit sehr guter Linearität die Größe des Primärstroms in einem relativ breiten Strombereich zu messen.
Bei einer offenen Schleife wird die Beziehung zwischen der induktiven elektromotorischen Kraft E in dieser Sekundärspule 300 und der Ausgangsspannung U mit folgender Formel bestimmt: U = E = 4,44fNΦm.
Darin ist E die induktive elektromotorische Kraft, U ist die von der Sekundärspule 300 abgegebene Sekundärspannung, N ist die Windungszahl der Sekundärspule 300, und Φ_m ist der Maximalwert des Magnetflusses, der nach dem Einschalten der Primärspule 200 entsteht. Wenn die Größe des Magnetflusses sinusförmige Veränderungen aufweist, ist der Wert von Φ_m das √2fache des effektiven Magnetflusses Φ. f ist die Frequenz des Stroms.
Der genannten Formel kann entnommen werden, dass bei einer feststehenden Windungszahl der beschriebenen Sekundärspule 300 die von ihr abgegebene Sekundärspannung nur mit der Stromfrequenz (in der Regel eine Konstante) und der Größe des Magnetflusses in einer Beziehung steht.
Die proportionale Beziehung zwischen dem Primärstrom der beschriebenen Primärspule 200 und der Sekundärspannung der beschriebenen Sekundärspule 300 lautet:
Darin ist I der Primärstrom, F ist die elektromotorische Kraft, H ist die Stärke des Magnetfeldes, l ist die Länge des Magnetkreises, B ist die Stärke der magnetischen Induktion, μ ist die Permeabilität, und S ist die Querschnittsfläche des ferromagnetischen Werkstoffs. In obiger Formel handelt es sich bei den Formeln über den Proportional zu-Zeichen ∝ um die theoretischen Grundlagen dafür, die Proportionalität der Parameter vor und nach diesen Proportional zu-Zeichen zu erzielen.
Der genannten Formel kann entnommen werden, dass die von der Sekundärspule 300 abgegebene Sekundärspannung U und der Primärstrom I der Primärspule 200 proportional sind. Durch die Messung der von der beschriebenen Sekundärspule 300 abgegebenen Spannungswerte kann auf die Größe des Primärstroms der beschriebenen Primärspule 200 geschlossen werden.
Da es sich bei dem Ausgangssignal des Hochstromsensors dieser Erfindung um ein Spannungssignal und nicht um ein Stromsignal eines herkömmlichen Stromwandlers handelt, werden selbst dann keine Gefahren für Leben und Sicherheit der Bediener auftreten, wenn sich die Sekundärspule im Ausschaltzustand befindet. Deshalb ist die Bedienung sehr sicher und zuverlässig.
Für die Stromversorgung des elektronischen Auslösers wird an einem Ende der beschriebenen Primärspule 200 der Stromwandler mit Schnellsättigung (Rapid Saturation CT) 400 angebracht. Vorzugsweise geht ein Ende der Primärspule 200 durch den beschriebenen Stromwandler mit Schnellsättigung 400 hindurch. Diese Art Stromwandler mit Schnellsättigung 400 findet bereits breite Anwendung in vielen Produkten von Luftschaltern. Die Ausgangsspannung der Sekundärspule 300 erhöht sich proportional mit der Zunahme des Primärstroms. Dieser Stromwandler mit Schnellsättigung 400 zeigt bereits bei relativ geringem Primärstrom eine Sättigung. Deshalb wird es mit einer kontinuierlichen Zunahme des Primärstroms nicht zu einer proportionalen Erhöhung kommen. Deshalb kann der Stromwandler mit Schnellsättigung 400 bei hohem Primärstrom eine Regulierung der Ausgangsspannung vornehmen und dadurch den elektronischen Auslöser zuverlässig und stabil mit Strom versorgen. Da es sich bei dem Stromwandler mit Schnellsättigung um ein herkömmliches ausgereiftes Produkt handelt, wird auf eine Beschreibung seines Funktionsprinzips hier verzichtet.
Allgemeines technisches Personal dieses Gebiets hat Verständnis und kann eine unabhängige elektronische Vorrichtung zur Stromversorgung des elektrischen Auslösers einsetzen.
Zur Untersuchung der Linearität und Genauigkeit des Hochstromsensors dieser Erfindung führte der Anmelder verschiedene Versuche durch. 7 zeigt den Stromlaufplan für die Tests von Linearität und Genauigkeit der Signale des Hochstromsensors dieser Erfindung. Der Hochstromgenerator 10 erzeugt einen Hochstrom, der in den Hochstromsensor 100 dieser Erfindung fließt. Um die Genauigkeit dieser Versuche zu erhöhen, wurde zwischen dem beschriebenen Hochstromgenerator 10 und dem Hochstromsensor 100 dieser Erfindung ein Normstromwandler 20 mit einem Genauigkeitsgrad von 0,01% zur Kalibrierung angebracht. Der elektrische Widerstand R_S dieses Normstromwandlers 20 beträgt 1 Ohm. Seine beiden Enden sind mit einem Multimeter 30 verbunden, um den Ausgangsstrom dieses Normstromwandlers 20 zu messen, bei dem es sich um den Primärstrom in den Versuchen handelt. Die Sekundärspule 300 (nicht abgebildet) des Hochstromsensors 100 dieser Erfindung ist mit dem Lastwiderstand R_L verbunden. In unterschiedlichen Versuchen wurde für die beschriebene Sekundärspule 300 ein Aufbau mit Luftkern verwendet, wobei die Windungszahl jeweils 600, 400 und 200 Windungen betrug. Als Widerstandswerte dieses Lastwiderstands R_L wurden jeweils 75,1 Ohm und 1004 Ohm gewählt. Die beiden Enden dieses Lastwiderstands R_L wurden mit dem Multimeter 40 verbunden, um die Ausgangsspannung zu messen, bei der es sich um die Sekundärspannung in den Versuchen handelt.

Für diesen Test wurden sechs Versuche durchgeführt, wobei die Bedingungen jedes Versuchs in der folgenden Tabelle dargestellt werden: Tabelle 1: Versuchsbedingungen

Versuche	Windungszahl Primärspule (Turn)			Wert Lastwiderstand R_L (Ohm)
Versuche	600	400	200	1004	75,1
Vers. 1	√			√
Vers. 2	√				√
Vers. 3		√		√
Vers. 4		√			√
Vers. 5			√	√
Vers. 6			√		√

Am Beispiel von Versuch 1 kann der Tabelle 1 entnommen werden, dass als Bedingung dieses Versuchs die Windungszahl der Sekundärspule 600 Windungen betrug und der mit der Sekundärspule verbundene Lastwiderstand den Wert von 1004 Ohm aufwies. Die restlichen Versuchsbedingungen können in gleicher Weise der Tabelle 1 entnommen werden.
Ergebnisse aller Versuche:

Tabelle 2: Versuchsergebnisse von Versuch 1

Primärstrom (A)	Sekundärspannung (mV)	Fehler (%)
16	13,6	0,52%
32,2	27,2	–0,10%
47,8	40,5	0,20%
64	54,5	0,71%
80,2	68,2	0,56%
96	81,3	0,15%
112,8	95,6	0,23%
127,2	107,9	0,32%
145,2	123	0,18%
160,2	135,7	0,17%
319,2	269,5	–0,15%
483,6	406,9	–0,50%
642	546	0,58%
799	679	0,50%
986	836	0,27%
1169	990	0,15%
1291	1092	0,03%
1460	1233	–0,13%
1614	1361	–0,28%

Tabelle 3: Versuchsergebnisse von Versuch 2

Primärstrom (A)	Sekundärspannung (mV)	Fehler (%)
16	11,3	2,59%
32,2	22,8	2,86%
47,6	33,6	2,54%
64	45,3	2,82%
80	56,4	2,41%
96,2	67,8	2,38%
113,2	79,7	2,28%
129,2	90,9	2,20%
146,2	102,8	2,14%
160,6	112,8	2,03%
320,8	224,2	1,52%
477	331,5	0,95%
641	445,5	0,96%
800	556	0,96%
986	682	0,48%
1159	800	0,27%
1280	881	–0,02%
1463	1004	–0,31%
1580	1080	–0,71%

Tabelle 4: Versuchsergebnisse von Versuch 3

Primärstrom (A)	Sekundärspannung (mV)	Fehler (%)
16	8,6	–0,20%
32,4	17,6	0,86%
47,2	25,5	0,31%
64,4	34,7	0,04%
79,6	43	0,30%
96,2	51,9	0,17%
112,4	60,5	–0,06%
128,4	69	–0,23%
148	79,4	–0,39%
161,4	86,9	–0,03%
320,6	172,3	–0,22%
480,2	257,7	–0,36%
639	343	–0,34%
801	430,2	–0,28%
962	517	–0,22%
1152	619	–0,24%
1276	689	0,25%
1431	772	0,16%
1620	873	0,05%

Tabelle 5: Versuchsergebnisse von Versuch 4

Primärstrom (A)	Sekundärspannung (mV)	Fehler (%)
16	7,8	4,59%
32,12	15,3	2,20%
48,18	22,5	0,19%
64,1	30	0,41%
80,06	37,2	–0,31%
96,42	45	0,13%
113,26	53	0,40%
127,6	59,3	–0,29%
144,6	66,5	–1,33%
160,4	74,5	–0,35%
322,2	149	–0,78%
480	225	0,57%
644	302	0,61%
795	372	0,39%
970	453	0,20%
1148	536	0,17%
1272	594	0,19%
1448	676	0,16%
1566	730	0,01%
1689	783	–0,54%

Tabelle 6: Versuchsergebnisse von Versuch 5

Primärstrom (A)	Sekundärspannung (mV)	Fehler (%)
16	4,8	–0,27%
32,2	9,7	0,15%
47,2	14,4	1,42%
64	19,5	1,29%
80	24,4	1,40%
96,2	29,2	0,91%
112,8	34,2	0,80%
128,4	39	0,98%
145,8	44,2	0,78%
160,8	48,8	0,89%
320,8	97	0,52%
478,8	144,6	0,40%
639	192,8	0,31%
800	240,8	0,07%
961	289,4	0,11%
1127	339,5	0,15%
1270	381,5	–0,14%
1448	435,4	–0,04%
1566	471,1	0,01%
1669	501	–0,21%

Tabelle 7: Versuchsergebnisse von Versuch 6

Primärstrom (A)	Sekundärspannung (mV)	Fehler (%)
16	4,5	–0,97%
32,2	9,2	0,60%
47	13,5	1,14%
64	18,5	1,78%
80	23,1	1,67%
96	27,6	1,23%
111,4	32	1,15%
129,8	37,3	1,18%
143,8	41,4	1,37%
160,6	46,2	1,29%
320,6	91,9	0,93%
481,4	137,4	0,50%
641	183,4	0,74%
801	229,2	0,75%
965	275,5	0,53%
1112	316,7	0,28%
1271	360,8	–0,05%
1443	409,6	–0,05%
1583	448,3	–0,28%
1631	461,5	–0,37%

Die in den Tabellen 2 bis 7 gezeigten Versuchergebnisse der Versuche 1 bis 6 geben die diskreten Werte der Veränderungen der Sekundärspannung infolge von Veränderungen des Primärstroms unter den in Tabelle 1 dargestellten Bedingungen der einzelnen Versuche wieder. Um die Versuchsergebnisse noch anschaulicher auf Koordinatenachsen mit dem Primärstrom als x-Achse und der Sekundärspannung als y-Achse darzustellen, werden die diskreten Werte jedes Versuchs durch eine lineare Trendlinie (Linear Trendline) ergänzt. Außerdem wird erreicht, dass die Koordinatenstrecke jeder Trendlinie gleich Null ist (selbst wenn die Trendlinie den Nullpunkt passiert). Die Trendliniengleichungen und Korrelationskoeffizienten R² jeder Trendlinie sind in folgender Tabelle enthalten (mit Excel erstellt): Tabelle 8: Trendliniengleichungen und Korrelationskoeffizienten R² jeder Trendlinie

Versuche	Trendliniengleichung	Korrelationskoeffizient R²
Versuch 1	y = 0,8456x	1
Versuch 2	y = 0,6884x	0,9999
Versuch 3	y = 0,5386x	1
Versuch 4	y = 0,4661x	1
Versuch 5	y = 0,3008x	1
Versuch 6	y = 0,284x	1

Der Korrelationskoeffizient R² mit einem Wertebereich von [0, 1] widerspiegelt den Anpassungsgrad der Trendlinie an die Versuchsdaten. Je größer dieser Wert ist, und je höher damit der Anpassungsgrad ist, umso höher ist die Linearität der Trendlinie. 8 zeigt ein Bild der Trendlinien von Primärstrom und Sekundärspannung aller Tests. Der Abbildung kann entnommen werden, dass die Versuchsergebnisse der Versuche 1 bis 6 (Ausgangssignale der Sekundärspannung) im Induk tivitätsbereich (Primärstrombereich) [16 A, 1600 A] eine gute Linearität aufweisen. Außerdem unterliegt die Linearität der Ausgangssignale der beschriebenen Sekundärspannung keineswegs Einflüssen der Windungszahl der beschriebenen Sekundärspule und der Größe der Widerstandswerte des mit dieser Sekundärspule verbundenen Lastwiderstands. Insbesondere bei hohem Primärstrom (1600 A) traten in den Versuchsergebnissen der Versuche 1 bis 6 keine Sättigung oder Tendenzen zur Sättigung auf. Deshalb kann rational angenommen werden, dass selbst bei noch höheren Primärströmen die Ausgangssignale des Hochstromsensors dieser Erfindung weiter eine gute Linearität beibehalten können.
In gleicher Weise ist auch die Größe der Amplitude (Amplitude) des Ausgangssignals der Sekundärspannung ein wichtiger Parameter der Hochstrommessvorrichtung. Ausgangssignale mit kleiner Amplitude werden nicht nur leicht gestört, sondern bewirken, dass die nachfolgende Signalverarbeitungsschaltung nicht zur Verarbeitung in der Lage ist oder die nachfolgende Signalverarbeitung erst nach einer Verstärkung mit einer Verstärkungsschaltung durchgeführt werden kann. Tabelle 9: Minimale Sekundärspannung jedes Versuchs bei einem Primärstrom von 16 A

Versuche Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 Versuch 5 Versuch 6

Sekundärspannung (mV) 13,6 11,3 8,6 7,8 4,8 4,5
Der Tabelle 9 kann entnommen werden, dass bei einem minimalen Eingangsprimärstrom von 16 A die Abgabe der Sekundärspannung jedes Versuchs weiterhin relativ hoch ist und die Verarbeitungsanforderungen der nachfolgenden Signalverarbeitungsschaltung erfüllen kann.
Die Amplitude der Ausgangssignale der Sekundärspannung wird vor allem durch die Windungszahl der Sekundärspule beeinflusst. 9 und 10 zeigen jeweils ein Diagramm von Primärstrom und Sekundärspannung von Sekundärspulen mit einer Windungszahl von jeweils 600, 400 und 200 Windungen bei einem Lastwiderstand der Sekundärspule von jeweils 1004 Ohm und 75,1 Ohm. Den Abbildungen kann entnommen werden, dass bei gleichem Lastwiderstand und gleichem Primärstrom die Amplitude der Ausgangssignale der Sekundärspannung mit steigender Windungszahl der Sekundärspule zunimmt.
Die Amplitude der Ausgangssignale der Sekundärspannung wird außerdem durch die Größe des mit der Sekundärspule verbundenen Lastwiderstands beeinflusst. 11, 12 und 13 zeigen jeweils ein Diagramm von Primärstrom und Sekundärspannung von Lastwiderständen mit jeweils 1004 Ohm und 75,1 Ohm bei Windungszahlen der beschriebenen Sekundärspule von jeweils 600, 400 und 200 Windungen. Den Abbildungen kann entnommen werden, dass bei gleicher Windungszahl der Sekundärspule und gleichem Primärstrom die Amplitude der Ausgangssignale der Sekundärspannung mit steigendem Wert des Lastwiderstands zunimmt.
Deshalb ist es möglich, durch Anpassung der Windungszahl der Sekundärspule und des Wertes des Lastwiderstands die Amplitude des Ausgangssignals des Hochstromsensors dieser Erfindung anzupassen, um die Anforderungen unterschiedlicher Signalverarbeitungsschaltungen zu erfüllen.

Um einen Vergleich mit den herkömmlichen Hochstrommessvorrichtungen vorzunehmen, führte der Anmelder ähnliche Versuche mit einem auf dem Markt erhältlichen Stromwandler mit relativ gutem Leistungsumfang durch, um die Linearität und Genauigkeit der Ausgangsstromsignale von dessen Sekundärspule zu untersuchen. Die Ergebnisse der Versuche lauten wie folgt: Tabelle 10: Versuchsergebnisse eines herkömmlichen Stromwandlers

Primärstrom (A)	Sekundärstrom (mA)	Fehler (%)
16	24	–4,00%
32	49	–2,00%
48	73	–2,67%
64	99	–1,00%
80	123	–1,60%
96	148	–1,33%
112	173	–1,14%
128	198	–1,00%
144	223	–0,89%
160	246	–1,60%
320	497	–0,60%
480	748	–0,27%
640	1000	0,00%
800	1252	0,16%
960	1512	0,80%
1120	1764	0,80%
1280	1953	–2,35%
1440	2102	–6,58%
1600	2213	–11,48%

14 zeigt das Diagramm von Primärstrom und Sekundärstrom eines herkömmlichen Stromwandlers, das der Tabelle 10 entspricht. Der Abbildung kann entnommen werden, dass bei relativ niedrigem Primärstrom, wie unter 1300 A, das Ausgangssignal des Sekundärstroms eine gute Linearität aufweist. Bei relativ hohem Primärstrom, wie über 1300 A, tritt für die Sekundärspule jedoch eine Sättigung ein, die Linearität des Ausgangssignals des Sekundärstroms verringert sich deutlich, und eine Tendenz zur Verschärfung tritt hervor. Dies wird die Genauigkeit der Messungen dieses Stromwandlers stark beeinträchtigen.
Die Genauigkeit des Ausgangssignals des Stromwandlers dieser Erfindung wird durch die Signalfehler ausgeglichen. Je kleiner der beschriebene Fehler ist, umso höher ist die Genauigkeit, und umso niedriger ist sie im entgegengesetzten Fall. Das Berechnungsverfahren des beschriebenen Fehlers besteht darin, bei einem speziell festgelegten Wert des Primärstroms das Verhältnis von Differenz zwischen dem Messwert der Sekundärspannung und dem Normwert der Sekundärspannung, der durch Einsetzen des beschriebenen Primärstromwertes in die Trendliniengleichung gewonnen wird, sowie dem Normwert der beschriebenen Sekundärspannung mit einem Prozentsatz auszudrücken. Im Versuch 1 zum Beispiel beträgt bei einem Primärstrom von 16 A der Messwert der Sekundärspannung 13,6 mV. Die Trendliniengleichung lautet y = 0,8456x (Primärstrom ist x-Achse, Sekundärspannung ist y-Achse). Der Primärstromwert x = 16 wird in diese Trendliniengleichung eingesetzt, und man erhält einen Normwert der Sekundärspannung von y = 13,5296 (mV). Die Differenz zwischen dem Messwert der Sekundärspannung und dem beschriebenen Normwert der Sekundärspannung beträgt 0,0704 mV. Somit beträgt bei diesem speziell festgelegten Primärstromwert der Fehler des Ausgangssignals der Sekundärspannung (0,0704/13,5296)·100% = 0,52%.
Unter Verweis auf die Fehlerwerte der Ausgangssignale jedes Versuchs für den Hochstromsensor dieser Erfindung in den Tabellen 2 bis 7 sowie auf die Fehlerwerte der Ausgangssignale des herkömmlichen Stromwandlers in Tabelle 10 und gleichzeitig unter Verweis auf das entsprechende Primärstrom-Fehler-Diagramm in 15 kann gezeigt werden, dass innerhalb eines relativ breiten Primärstrombereichs (0–1600 A) die Ausgangssignale aller Versuche für den Hochstromsensor dieser Erfindung relativ ideale Fehlerwerte aufweisen. Davon liegen die Fehlerwerte der Versuche 1, 3 und 5 in diesem Primärstrombereich innerhalb von ±1%. Die Fehlerwerte in den Versuchen 2, 4 und 6 liegen, mit Ausnahme eines Wertes größer als 4%, alle innerhalb von ±3%. Außerdem sind die Fehler umso kleiner, je größer der Primärstrom ist. Insbesondere bei einem Primärstrom von rund 1600 A liegen die Fehlerwerte in den Versuchen 1 bis 6 innerhalb von ±1%. Die Fehlerwerte der Ausgangssignale des herkömmlichen Stromwandlers werden zwar bei relativ niedrigem Primärstrom in einem relativ kleinen Bereich gehalten. Sie steigen jedoch mit einer Erhöhung des Primärstroms, zum Beispiel höher als 1300 A, abrupt an. Zum Beispiel erreicht der Fehlerwert bei einem Primärstrom von 1560 A bereits –11,7%. Dies korreliert mit der oben genannten abrupten Veränderung der Linearität des Ausgangssignals dieses Stromwandlers bei einem Primärstrom von höher als 1300 A.
Aus den vorstehenden Versuchsdaten und den entsprechenden Analysen können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:

– Die Ausgangssignale des Hochstromsensors dieser Erfindung bewahren in einem relativ breiten Primärstrombereich eine gute Linearität und Genauigkeit.
– Die Amplitude des Ausgangssignals des Hochstromsensors dieser Erfindung erfüllt die Anforderungen der nachfolgenden Signalverarbeitungsschaltung. Außerdem ist es möglich, durch Anpassung der Windungszahl der Sekundärspule und des Wertes des Lastwiderstands die Größe der Amplitude des Ausgangssignals anzupassen.
– Der Hochstromsensor dieser Erfindung ist besonders für Hochstrommessungen geeignet.

Bei dem, was vorstehend beschrieben wird, handelt es sich lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung. Es dient keinesfalls der Einschränkung dieser Erfindung. Alle Änderungen, identischen Substitutionen, Verbesserungen usw., die innerhalb von Geist und Prinzipien dieser Erfindung vorgenommen werden, sollen im Umfang enthalten sein, der von dieser Erfindung geschützt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6628495 [0009]
- US 6005383 [0009]
- US 6429639 [0009]
- US 5923162 [0009]
- US 5615075 [0009]
- US 7106162 [0016]
- US 6064191 [0016]
- US 6018239 [0016]

Claims

Hochstromsensor (100) mit einer Primärspule (200) und einer Sekundärspule (300), wobei die Primärspule (200) mindestens eine spiralförmige Windung aufweist und wobei in der Sekundärspule (300) eine Sekundärspannung induziert wird, wenn durch die Primärspule (200) ein Primärstrom fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Windung aus einem elektrischen Flachleiter gebildet ist, dessen ins Windungsinnere weisende Flachseite eine Kammer (210) bildet, in der die Sekundärspule (300) angeordnet ist.
Hochstromsensor (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende der Primärspule (200) ein Stromwandler mit Schnellsättigung (400) angebracht ist.
Hochstromsensor (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beschriebene Kammer (210) entlang der Richtung der Spiralachse der beschriebenen spiralförmigen Primärspule (200) erstreckt.
Hochstromsensor (100) gemäß Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beschriebene spiralförmige Primärspule (200) durch Verdrehen einer Kupfersammelschiene gebildet wird.
Hochstromsensor (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der beschriebenen Primärspule (200) um eine Spule mit einer Windung oder mit mehrfachen Windungen handelt.
Hochstromsensor (100) gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der beschriebenen Sekundärspule (300) um eine Spule mit mehrfachen Windungen handelt.
Hochstromsensor (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der beschriebenen Sekundärspule (300) um eine Luftspule handelt.
Hochstromsensor (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der beschriebenen Sekundärspule (300) um eine Spule handelt, die auf einen nichtferromagnetischen Kern gewickelt wurde.