DE19941169A1

DE19941169A1 - Arrangement for detecting and evaluating current in conductor has core that contains sensor of current-induced magnetic field so as to act as screen for sensor against external magnetic fields

Info

Publication number: DE19941169A1
Application number: DE1999141169
Authority: DE
Inventors: Richard Bloch; Werner Buser; Beat Kramer; Philippe Pretre
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2001-03-01

Abstract

The current sensor arrangement has a sensor (3) for detecting the magnetic field induced by the current, evaluation electronics (4) for the sensor signal and a current converter coil (2) enclosing the conductor section (1a) with an annular, high permeability core (5) for supplying power to the evaluation electronics. The core contains the sensor so as to act as a screen for the sensor against external magnetic fields.

Description

TECHNICAL AREA

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Eine solche Vorrichtung wird in Überstromschutzschaltern zum Schutz von unter Niederspannung stehender Leitungen, Motoren, Apparaten und Anlagen vor den Folgen von Überlastströmen verwendet.The invention is based on a device for detecting and Evaluating a current according to the preamble of claim 1. A such device is used in overcurrent protection switches to protect from Low voltage standing lines, motors, apparatus and systems in front of the Sequences of overload currents used.

STATE OF THE ART

Ein strombegrenzender Schalter mit einem elektronischen Überlastungsschutz ist in DE 197 21 591 A1 beschrieben. Die Elektronik zur Auswertung des Messwerts benötigt keine zusätzliche Speisequelle, da durch einen Stromwandler sichergestellt ist, dass die von der Elektronik bei Bedarf benötigte Energie aus dem zu begrenzenden Strom entnommen werden kann. Als Sensor zur Erfassung des Stromes wird eine Rogoswki-Spule, ein magnetfeldabhängiger Widerstand oder ein Hallelement eingesetzt.A current limiting switch with an electronic overload protection is in DE 197 21 591 A1. The electronics for evaluating the measured value does not require an additional power source, as it is ensured by a current transformer is that the energy required by the electronics from the to limiting current can be taken. As a sensor for detecting the A Rogoswki coil, a magnetic field-dependent resistor or a current Hall element used.

Wird ein magnetfeldabhängiger Sensor zur Erfassung des Stromes verwendet, muss besonders auf dessen Abschirmung gegen fremde Magnetfelder geachtet werden. If a magnetic field-dependent sensor is used to record the current, must special attention should be paid to shielding it against external magnetic fields.

Diesem Problem kann mit geeigneten, hochpermeablen magnetischen Abschirmungen entgegengetreten werden. Allerdings beanspruchen solche Abschirmungen in Form zylinderförmiger Magnetkörper wertvollen Platz und verursachen zudem eine Kostensteigerung.This problem can be solved with suitable, highly permeable magnetic Shields are opposed. However, such claims Shields in the form of cylindrical magnetic bodies take up valuable space and also cause an increase in costs.

SUMMARY OF THE INVENTION

Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes in einem Leiter zu schaffen, deren Platzbedarf gegenüber herkömmlichen Anordnungen reduziert ist.The object of the invention is as set out in claim 1 based on a device for detecting and evaluating a current in one To create ladder, the space required compared to conventional arrangements is reduced.

In der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes in einem Leiter umfasst ein hochpermeabler, ringförmiger Kern eines Stromwandlers einen das Magnetfeld des Stromes erfassenden Sensor. Der Kern schirmt den Sensor gegenüber fremden Magnetfeldern ab. Dadurch kann auf die Verwendung einer zusätzlichen Abschirmung des Sensors verzichtet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform überragt der Kern den Sensor in Richtung des Leiters beidseits. Somit liegt der Sensor vollständig im Innern des Kerns, wodurch eine besonders günstige Abschirmwirkung erzielt wird.In the device according to the invention for detecting and evaluating a current in a conductor comprises a highly permeable, ring-shaped core of a current transformer a sensor detecting the magnetic field of the current. The core shields the Sensor against external magnetic fields. This can be used additional shielding of the sensor can be dispensed with. In one particularly advantageous embodiment, the core projects beyond the sensor in the direction of the conductor on both sides. Thus, the sensor is completely inside the core, creating a particularly favorable shielding effect is achieved.

Auf diese Weise kann der Platzbedarf der Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes in einem Leiter nach der Erfindung gegenüber herkömmlichen Anordnungen reduziert werden.In this way, the space required by the device for recording and evaluating a current in a conductor according to the invention compared to conventional Orders are reduced.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von einer Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:Preferred embodiments of the invention and the others achievable therewith Advantages are explained in more detail below with the aid of drawings. Here shows:

Fig. 1 eine Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes mit integrierter magnetischer Abschirmung, Fig. 1 is a view of the inventive device for detecting and evaluating a stream with integrated magnetic shield,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Querschnitt durch ein Stromwandlerspule der Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem Kern, mit äusserem Querstörfeld, Fig. 2 is a plan view of a cross section through a current transformer coil of the device according to Fig. 1 with a core, with outer Querstörfeld,

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Längsschnitt durch eine Stromwandlerspule der Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem Kern, mit äusserem Längsstörfeld, Fig. 3 is a plan view of a longitudinal section through a current transformer coil of the device according to Fig. 1 with a core, with outer Längsstörfeld,

Fig. 4 ein Diagramm mit dem Feldverlauf des äusseren Querstörfelds nach Fig. 2 im Innern des Kerns der Stromwandlerspule, Fig. 4 is a diagram showing the field profile of the outer Querstörfelds of FIG. 2 in the interior of the core of the current transformer coil,

Fig. 5 ein Diagramm mit dem Feldverlauf des äusseren Längsstörfelds nach Fig. 3 im Innern der Kerns der Stromwandlerspule, und Fig. 5 is a diagram showing the field profile of the outer Längsstörfelds of FIG. 3 in the interior of the core of the current transformer coil, and

Fig. 6 ein Diagramm mit der Abschirmwirkung des Kerns der Stromwandlerspule in Funktion des Verhältnisses der Länge zum Innendurchmesser des Kerns der Stromwandlerspule der Vorrichtung nach Fig. 1 für verschiedene Frequenzen des Stromes. Fig. 6 is a diagram showing the shielding effect of the core of the current transformer coil in function of the ratio of the length to the inner diameter of the core of the current transformer coil of the device according to Fig. 1 for different frequencies of the current.

WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile.In all figures, the same reference symbols also designate parts with the same effect.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht der Vorrichtung gemäss der Erfindung. An einem geraden, stromdurchflossenen Leiterabschnitt 1a eines elektrischen Leiters 1 ist ein Sensor 3 entweder aufgeklebt oder mittels einer nichtmagnetischen, nichtleitenden Halterung 11 angebracht. Er misst das vom Strom im Leiterabschnitt 1a erzeugte magnetische Feld 7 und gibt die Messwerte an die Auswertelektronik 4 weiter. Die Auswertelektronik 4 wird von einer Stromwandlerspule 2 mit Energie versorgt. Die Stromwandlerspule 2 besteht aus einem hochpermeablen Kern 5 (Ringbandkern, Schnittbandkern, etc.) und einer zu dem Leiterabschnitt 1 parallelen Wicklung 6 deren Anschlüsse mit der Auswertelektronik 4 verbunden sind. Fig. 1 shows a view of the device according to the invention. A sensor 3 is either glued to a straight, current-carrying conductor section 1 a of an electrical conductor 1 or attached by means of a non-magnetic, non-conductive holder 11 . It measures the magnetic field 7 generated by the current in the conductor section 1 a and forwards the measured values to the evaluation electronics 4 . The evaluation electronics 4 is supplied with energy by a current transformer coil 2 . The current transformer coil 2 consists of a highly permeable core 5 (ring band core, cutting band core, etc.) and a winding 6 parallel to the conductor section 1, the connections of which are connected to the evaluation electronics 4 .

Der Kern 5 umschliesst gemäss Fig. 2 den Leiterabschnitt 1 und den Stromsensor 3. Aus Fig. 3 geht hervor, dass der Kern in Richtung des Leiterabschnitts den Stromsensor 3 beidseitig überragt. Damit schirmt der Kern 5 den Stromsensor 3 gegenüber fremden Störfelder 9 und 10 ab. The core 5 encloses the conductor section 1 and the current sensor 3 according to FIG. 2. From Fig. 3 it can be seen that the core projects beyond both sides of the current sensor 3 in the direction of the conductor portion. The core 5 thus shields the current sensor 3 from external interference fields 9 and 10 .

Die Abschirmwirkung, die das Verhältnis von Feldstärke ausserhalb des Kerns zur Feldstärke im abgeschirmten Raum wiedergibt, ist durch die geometrischen Verhältnisse und die Materialwahl des Kerns gegeben.The shielding effect, which is the ratio of field strength outside the core to the Field strength in the shielded room is due to the geometric Relationships and the choice of materials for the core.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen den Feldverlauf im Innern des Kerns für zwei technisch wichtige Fälle, ein abzuschirmendes Quer- und Längsstörfeld 9 und 10 bei 50 Hz. Wird als Stromsensor 3 ein Hallsensor verwendet, sind Längsstörfelder unproblematisch, da der Hallsensor in der Vorrichtung nach der Erfindung nur auf Querstörfelder sensitiv ist. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass der Stromsensor 3 im Vergleich zur Länge L des Kerns 5 möglichst kurz sein sollte, da die Abschirmwirkung des Kerns gegen die Mitte zunimmt. FIGS. 4 and Fig. 5 show the field distribution inside the core for two technically important cases, a be shielded transverse and Längsstörfeld 9 and 10 at 50 Hz. If a Hall sensor is used as a current sensor 3, Längsstörfelder are not problematic, since the Hall sensor in the Device according to the invention is only sensitive to interference fields. From Fig. 4 it is apparent that the current sensor 3 compared to the length L of the core 5 should be as short as possible, because the shielding effect of the core towards the center increases.

Zusammen mit der in Fig. 6 dargestellten Abschirmwirkung des Kerns in Funktion des Verhältnisses Länge zu Innendurchmesser L/D_i wird ersichtlich, dass in einer vorteilhaften Ausführung das Verhältnis Länge zu Innendurchmesser L/D_i des Kerns möglichst gross ist. Das Verhältnisses Länge zu Innendurchmesser L/D_i sollte als untere Grenze 0.5 nicht unterschreiten. Für diesen Grenzwert ergibt sich gemäss Fig. 6 für ein Querstörfeld 9 mit einer Frequenz von maximal 50 Hz immer noch ein Abschirmfaktor von 8-10. Ein besonders vorteilhaftes Verhältnis Länge zu Innendurchmesser L/D_i ist 1, mit einem Abschirmfaktor im Bereich von 30-50.Together with the shielding effect of the core shown in FIG. 6 as a function of the ratio length to inside diameter L / D _i , it can be seen that in an advantageous embodiment the ratio length to inside diameter L / D _{i of} the core is as large as possible. The ratio length to inner diameter L / D _i should not fall below 0.5 as the lower limit. For this limit value is shown in FIG. 6 still a shielding factor of 8-10 is obtained for a Querstörfeld 9 with a maximum frequency of 50 Hz. A particularly advantageous ratio of length to inner diameter L / D _i is 1, with a shielding factor in the range of 30-50.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung dient die Vorrichtung der Überwachung eines Stromes in einem Überstromschutzschalter (ISS). Die Auswertelektronik steuert dabei einen Schalter 8, der den Strom im Leiter 1 ausschalten kann.In an advantageous embodiment of the invention, the device is used to monitor a current in an overcurrent protection switch (ISS). The evaluation electronics controls a switch 8 , which can switch off the current in conductor 1 .

Typische Dimensionen für Innendurchmesser D1, Aussendurchmesser und Länge L von in ISS verwendeten zylinderrohrförmigen Stromwandlerspulen mit einem hochpermeablen Kern sind 10 × 17 × 5 mm (L/D_i = 0.5). Typical dimensions for inner diameter D1, outer diameter and length L of cylindrical tubular current transformer coils used in ISS with a highly permeable core are 10 × 17 × 5 mm (L / D _i = 0.5).

Reference list

11

Primärleiter
Primary conductor

11

a gerader Leiterabschnitt
a straight ladder section

22nd

Stromwandlerspule
Current transformer coil

33rd

Stromsensor
Current sensor

44th

Auswertelektronik
Evaluation electronics

55

Hochpermeabler Kern
Highly permeable core

66

Wicklung der Spule
Winding the coil

77

Magnetfeld im Innern des Kerns
Magnetic field inside the core

88th

Gesteuerter Schalter
Controlled switch

99

Querstörfeld
Cross interference field

1010th

Längsstörfeld
Longitudinal interference field

1111

Halterung für Stromsensor
L Länge des Kerns
D_i Bracket for current sensor
L length of the core
D _i

Innendurchmesser des Kerns
Inner diameter of the core

Claims

1. Device for detecting and evaluating a current conducted in a conductor section ( 1 a), with a sensor ( 3 ) for detecting the magnetic field generated by the current, evaluation electronics ( 4 ) for evaluating the signal from the sensor ( 3 ) and one of the conductor section ( 1 a) enclosing current transformer coil ( 2 ) with an annular, highly permeable core ( 5 ) for supplying the evaluation electronics ( 4 ) with energy, characterized in that the core ( 5 ) comprises the sensor ( 3 ) in such a way that it is for the sensor ( 3 ) serves as a shield against external magnetic fields ( 9 , 10 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the core ( 5 ) projects beyond the sensor ( 3 ) on both sides in the direction of the conductor section ( 1 a).

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the sensor ( 3 ) on the conductor section ( 1 a) is attached.

4. The device according to claim 3, characterized in that the sensor ( 3 ) on the conductor section ( 1 a) glued or fastened to it by means of a holder ( 11 ).

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor ( 3 ) is a Hall sensor.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the evaluation electronics ( 4 ) controls a switch ( 8 ) which interrupts the current in the conductor ( 1 ).

7. Device according to one of claims 1 to 6, wherein the ratio of the expansion (L) in the direction of the conductor section ( 1 a) to the inner diameter (D _i ) of the core ( 5 ) is at least 0.5.

8. The device according to claim 6, wherein the ratio of the expansion (L) in the direction of the conductor section ( 1 a) to the inner diameter (D _i ) of the core ( 5 ) is at least 1.