DE3701779A1 - AS A CURRENT TRANSFORMER, LINEAR TRANSMITTER - Google Patents
AS A CURRENT TRANSFORMER, LINEAR TRANSMITTERInfo
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Description
die Erfindung betrifft einen linear übertragenden, als Stromwandler anwendbaren Meßgeber, beruhend auf magnetischer Spannungsmessung, der mindestens eine ringförmige, oder ringartig geschlossene magnetische Meßspule aufweist, von welcher der den zu messenden Strom führende Leiter einmal oder mehrmals umschlossen wird, wobei an die Spulenanschlüsse der Meßspule ein Meßwiderstand zum Abfühlen eines zu dem Differentialquotienten des zu messenden Stromes proportionalen Meßsignals und/oder ein Kondensator mit parallelgeschaltetem Verlustwiderstand zum Abfühlen eines zu dem zu messenden Strom proportionalen integrierten Meßsignals angeschlossen ist.The invention relates to a linear transmission that can be used as a current transformer Based on magnetic voltage measurement, the at least one ring-shaped or ring-shaped closed magnetic measuring coil from which the conductor carrying the current to be measured is enclosed one or more times, with the coil connections to the Measuring coil a measuring resistor for sensing one to the differential quotient the measurement signal proportional to the current to be measured and / or a capacitor with a parallel loss resistor for sensing an integrated measurement signal proportional to the current to be measured connected.
Der erfindungsgemäße Meßgeber ist geeignet, die üblichen Stromwandler mit Eisenkern, die in der Starkstrom-Elektrotechnik zur Zeit allgemein gebräuchlich sind, zu ersetzen. Der erfindungsgemäße Stromwandler-Meßgeber kann weiterhin als Strommesser in einem breiten Stromstärkebereich angewendet werden.The transducer according to the invention is suitable, the usual current transformers with iron core, which is currently commonly used in heavy current electrical engineering are to replace. The current transformer transmitter according to the invention can still be used as an ammeter in a wide range of currents will.
Meßgeber, von denen die Messung eines elektrischen Stromes aufgrund der Messung einer magnetischen Spannung durchgeführt wird, sind aus der Fachliteratur bekannt.Transducers, of which the measurement of an electrical current due to the Measurement of a magnetic voltage is carried out from the specialist literature known.
Nach dem Prinzip der magnetischen Spannungsmessung - s. z. B. Chattok, A. P.: "On a magnetic potentiometer", Phil. Mag. and I. of Science, 24/1887/94-96 - ist die Induktionsspannung u i zwischen zwei räumlichen Endpunkten P₁ und P₂ der Achse einer biegsamen Meßspule zu der magnetischen Spannung U m proportional.According to the principle of magnetic voltage measurement - see Chattok, AP: "On a magnetic potentiometer", Phil. Mag. And I. of Science, 24/1887 / 94-96 - the induction voltage u i between two spatial end points P ₁ and P ₂ the axis of a flexible measuring coil proportional to the magnetic voltage U m .
Bildet die Längsachse der Meßspule eine geschlossene Kurve, in welchem Fall die räumlichen Endpunkte P₁ und P₂ koinzident sind, ist die Induktionsspannung u i zu der ersten Ableitung der Erregung ϑ₁ nach der Zeit proportional:If the longitudinal axis of the measuring coil forms a closed curve, in which case the spatial end points P ₁ and P ₂ are coincident, the induction voltage u i is proportional to the first derivative of the excitation ϑ ₁ over time:
worin:wherein:
ϑ₁=N₁ · i₁, und i₁den zu messenden Strom, N₁die Anzahl der Durchgänge des zu messenden Stromes i₁ durch die geschlossene Achse der Meßspule und Mdie gegenseitige Induktivität zwischen der Meßspule und dem Leiter, in dem der zu messende Strom i₁ fließt, ϑ ₁ = N ₁ · i ₁, and i ₁ the current to be measured, N ₁ the number of passes of the current to be measured i ₁ through the closed axis of the measuring coil and M the mutual inductance between the measuring coil and the conductor in which the measured Current i ₁ flows,
bedeuten.mean.
Der prinzipielle Aufbau des Meßgebers wird anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:The basic structure of the transmitter is explained with the aid of the drawing. The drawing shows:
Fig. 1a und 1b eine Ausführungsform einer als Stromwandler anwendbaren ringförmigen Meßspule, durch welche ein Leiter, in dem der zu messende Strom fließt, einmal (Fig. 1a) bzw. mehrmals (Fig. 1b) hindurchgeführt ist; Figs. 1a and 1b an embodiment of a current transformer as applicable annular sensing coil through which is a conductor in the flowing current to be measured once (Fig. 1a) or more than once (Fig. 1b) is passed;
Fig. 2a und 2b eine Ausführungsform einer als Stromwandler anwendbaren, aus geraden Spulenabschnitten bestehenden, ringartig geschlossenen Meßspule, durch welche ein Leiter, in dem der zu messende Strom fließt, einmal (Fig. 2a) bzw. mehrmals (Fig. 2b) hindurchgeführt ist;Applicable Fig. 2a and 2b, an embodiment of a current transformer, consisting of straight coil portions, ring-like closed measuring coil, through which is a conductor in the flowing current to be measured once (Fig. 2a) and several times (Fig. 2b) passed ;
Fig. 3 das Ersatzschaltbild eines als Stromwandler anwendbaren Meßgebers; Fig. 3 is the equivalent circuit diagram of an applicable as a current transformer the encoder;
Fig. 4 ein Vektordiagramm der dynamischen Funktion des Meßgebers nach Fig. 3. Fig. 4 is a vector diagram of the dynamic function of the encoder of FIG. 3.
Wie aus Fig. 1a, 1b, 2a und 2b ersichtlich, ist ein Leiter V, in welchem ein zu messender Strom i₁ fließt, durch eine ringartig geschlossene Meßspule T hindurchgeführt. Zwischen Spulenanschlüssen K₁ und K₂ ist eine Induktionsspannung u i zu messen, die zu der ersten Ableitung des zu messenden Stromes i₁ nach der Zeit proportional ist. As shown in Fig. 1a, 1b, 2a and 2b, a conductor V , in which a current to be measured i ₁ flows, is passed through a measuring coil T closed like a ring. An induction voltage u i is to be measured between coil connections K ₁ and K ₂, which is proportional to the first derivative of the current to be measured i ₁ over time.
Hinsichtlich der Genauigkeit der Messung ist es am zweckmäßigsten, die Meßspule T, die den zu messenden Strom i₁ - oder Ströme i₁ - umschließt, gem. Fig. 1a und 1b als gleichmäßig gewickelte, ringförmige Meßspule T zu gestalten.With regard to the accuracy of the measurement, it is most useful to enclose the measuring coil T , the current i ₁ - or currents i ₁ - according to. Fig. 1a and 1b to make a uniformly wound, annular sensing coil T.
Um eine einfache und ohne Trennung des den zu messenden Strom i₁ führenden Leiters V montierbare Ausführungsform zu schaffen, ist es zweckmäßig, die Meßspule T nach Fig. 2a aus in Reihe geschalteten geraden Spulenabschnitten S zusammenzustellen. In diesem Fall entstehen zwischen den Spulenabschnitten S Zwischenspalte H, die Ungenauigkeiten bei der Messung verursachen. Die Meßgenauigkeit kann z. B. durch Anordnung von ferromagnetischen Einsätzen in den Zwischenspalten H reduziert werden.A simple and without separation to provide the leading current to be measured i ₁ conductor V-mounted embodiment, it is convenient to assemble the measuring coil T according to Fig. 2a connected in series, the straight coil portions S. In this case, intermediate gaps H arise between the coil sections S , which cause inaccuracies in the measurement. The measuring accuracy can, for. B. can be reduced by arranging ferromagnetic inserts in the intermediate gaps H.
Diese Ausführung bietet eine aus technologischem Gesichtspunkt günstiger fertigbare Spulenkonstruktion, die den den zu messenden Strom i₁ führenden Leiter V umschließend ohne Zerteilung des Leiters V montierbar ist.This embodiment provides a more favorable technological viewpoint manufacturable coil design that the current to be measured i ₁ V-carrying conductor is mountable without enclosing the division of the conductor V.
In Fig. 1a und 2a wird der den zu messenden Strom i₁ führende Leiter V von der Meßspule T einmal, und in Fig. 1b und 2b N₁-mal (dreimal) umschlossen.In Fig. 1a and 2a of the current to be measured i ₁ leading conductor V from the measuring coil T once, and in Fig. 1b and 2b N ₁ times (three times).
Fig. 1a, 1b, 2a und 2b zeigen je eine Meßspule T. Gegebenenfalls könnten jedoch in einer Meßanordnung mehrere in Reihe geschaltete Meßspulen beinahe koaxial angeordnet werden. Fig. 1a, 1b, 2a and 2b each show a measuring coil T. If necessary, however, several measuring coils connected in series could be arranged almost coaxially in one measuring arrangement.
Wie es aus dem Prinzipschaltbild in Fig. 3 hervorgeht, besteht eine an sich bekannte Meßanordnung eines Meßgebers aus einem Leiter V, in welchem der zu messende Strom i₁ fließt, einer mit dem Leiter V induktiv gekoppelten Meßspule T (z. B. die Meßspule T der Fig. 1a, 1b, 2a oder 2b), einem Meßwiderstand R k und einer mit dem Meßwiderstand R k in Reihe geschalteten Parallelschaltung eines Kondensators C und eines Verlustwiderstandes r. Die Reihenschaltung des Meßwiderstandes R k und des zu dem Verlustwiderstand r parallelgeschalteten Kondensators C ist an die Spulenanschlüsse K₁ und K₂ angeschlossen. As is apparent from the block diagram in Fig. 3, a known measuring arrangement of a transducer consists of a conductor V , in which the current to be measured i ₁ flows, a measuring coil T inductively coupled to the conductor V (z. B. the measuring coil T of FIGS. 1a, 1b, 2a or 2b), a measuring resistor R k and a parallel connection of a capacitor C and a loss resistor r connected in series with the measuring resistor R k . The series connection of the measuring resistor R k and the capacitor C connected in parallel with the loss resistor r is connected to the coil connections K ₁ and K ₂.
An dem Meßwiderstand R k ist ein Meßsignal u k , an dem Kondensator C ein Meßsignal u c zu messen.A measuring signal u k is to be measured at the measuring resistor R k , and a measuring signal u c is to be measured at the capacitor C.
Die induktive Kopplung zwischen dem Leiter V und der Meßspule T ist durch eine gegenseitige Induktivität M gekennzeichnet.The inductive coupling between the conductor V and the measuring coil T is characterized by a mutual inductance M.
Die Impedanz Z der Meßspule T ist die Resultierende der Reaktanz der Spuleninduktivität L und des damit in Reihe geschalteten Spulenwiderstandes R.The impedance Z of the measuring coil T is the resultant of the reactance of the coil inductance L and the coil resistance R connected in series therewith.
Die Induktionsspannung u i in der Meßspule T, welche den zu messenden Strom i₁ N₁-mal umschließt, wird in bekannter Weise durch die folgende Gleichung bestimmt:The induction voltage u i in the measuring coil T , which encloses the current to be measured i ₁ N ₁ times, is determined in a known manner by the following equation:
Durch die Wirkung der Induktionsspannung u i fließt im geschlossenen Stromkreis der Meßspule T ein Sekundärstrom i₂.Due to the effect of the induction voltage u i , a secondary current i ₂ flows in the closed circuit of the measuring coil T.
Zur spezifizierten Untersuchung der obigen Meßanordnung werden die folgenden prinzipiellen Modelle betrachtet:For the specified investigation of the above measurement arrangement, the following are principle models considered:
1. Der parallele Verlustwiderstand r = 0;
der Stromkreis der Meßspule T schließt sich in diesem Fall über den
Meßwiderstand R k :
Der im Stromkreis der Meßspule T fließende Sekundärstrom i₂ wird in
diesem Fall durch folgende Differentialgleichung bestimmt:1. The parallel loss resistance r = 0; in this case the circuit of the measuring coil T closes via the measuring resistor R k :
In this case, the secondary current i ₂ flowing in the circuit of the measuring coil T is determined by the following differential equation:
1. A) Im Falle, daß1. A) In the event that
ist der im Stromkreis der Meßspule T fließende Sekundärstromis the secondary current flowing in the circuit of the measuring coil T.
Das Meßsignal u k wird in diesem Fall also zu dem zu messenden Strom i₁ proportional:In this case, the measurement signal u k is proportional to the current i 1 to be measured:
Dieses Modell wird im weiteren "Meßgeber vom selbstintegrierenden Typ" genannt.This model is hereinafter referred to as "self-integrating type transducer" called.
Einen Meßgeber von selbstintegrierendem Typ zu gewährleisten ist in der Praxis bei industrieller Frequenz (50 Hz, bzw. 60 Hz), sogar bei Frequenzen bis 10 kHz wegen der erforderlichen irrealen Spulenabmessungen nicht rationell. Es ist nachteilig bei diesem Typ weiterhin, daß die Temperaturabhängigkeit des Spulenwiderstandes R die Meßgenauigkeit verringert und deswegenTo guarantee a sensor of self-integrating type is not efficient in practice at industrial frequency (50 Hz or 60 Hz), even at frequencies up to 10 kHz, because of the required unreal coil dimensions. It is also disadvantageous with this type that the temperature dependence of the coil resistance R reduces the measuring accuracy and therefore
R k » R R k » R
erforderlich ist.is required.
1. B) Im Falle, daß1. B) In the event that
ist der Sekundärstrom i₂ durch die folgende Beziehung bestimmt:the secondary current i ₂ is determined by the following relationship:
Da das Meßsignal u k (die Spannung am Meßwiderstand R k ) in diesem Fall zu der ersten Ableitung des zu messenden Stromes i₁ nach der Zeit proportional ist, wird dieses Modell im weiteren "Meßgeber vom differenzierenden Typ" genannt.Since the measurement signal u k (the voltage across the measurement resistor R k ) in this case is proportional to the first derivative of the current to be measured i 1 over time, this model is hereinafter referred to as the "differentiating type transmitter".
Bei Anwendung von Meßgeräten mit großem Eingangswiderstand kann der Wert des Meßwiderstandes R k verhältnismäßig groß sein: demzufolge wird die Temperaturabhängigkeit des Spulenwiderstandes R hinsichtlich der Meßgenauigkeit des Meßgebers nicht kritisch.When using measuring devices with a large input resistance, the value of the measuring resistor R k can be relatively large: consequently, the temperature dependence of the coil resistance R is not critical with regard to the measuring accuracy of the measuring transducer.
Da der zu messende Strom i₁ in der Starkstrom-Elektrotechnik in vielen Fällen annähernd eine Sinuswelle ist, deren Derivierte ebenfalls sinusförmig ist, wird der Meßgeber vom differenzierenden Typ als einfacher Meßgeber - z. B. bei thermischem Stromschutz von Elektromotoren oder bei Auslöseranordnungen von Leistungsschaltern usw. - häufig verwendet.Since the current to be measured i ₁ in heavy current electrical engineering is in many cases approximately a sine wave, the derivative of which is also sinusoidal, the transducer is of the differentiating type as a simple transducer - z. B. in thermal current protection of electric motors or in trigger arrangements of circuit breakers, etc. - often used.
Bei praktischen Messungs- und Stromschutzaufgaben besteht jedoch meistens die Forderung, ein Ausgangssignal am Ausgang des Meßgebers zu schaffen, das nicht nur zu der Amplitude des zu messenden Stromes i₁ proportional, sondern auch zu dem Strom phasengleich ist. Eine mögliche Lösung dieses Problems ist, daß die Ausgangsspannung - das Meßsignal u k - des Meßgebers durch einen an sich bekannten elektronischen Stromkreis integriert wird. Ein solches Modell wird im weiteren "Meßgeber vom spannungsintegrierenden Typ" genannt.In practical measurement and current protection tasks, however, there is usually the requirement to create an output signal at the output of the transmitter, which is not only proportional to the amplitude of the current to be measured i 1, but is also in phase with the current. A possible solution to this problem is that the output voltage - the measurement signal u k - of the transmitter is integrated by an electronic circuit known per se. Such a model is hereinafter referred to as a "voltage integrating type transducer".
Solche Lösungen sind zwar bekannt, jedoch nicht weit verbreitet. Sie werden meistens für Laborzwecke benutzt: es gibt aber auch Beispiele für industrielle Anwendungen.Such solutions are known, but not widely used. you will be mostly used for laboratory purposes: there are also examples of industrial ones Applications.
Die Anwendbarkeit der Meßgeber vom spannungsintegrierenden Typ ist durch das sogenannte "Drift-Problem" und dessen Temperaturabhängigkeit beschränkt (s. z. B. Lebeda, S., Mähler, A.: Rogowski-Spulen zur exakten Strommessung bei der Elektrodenregelung von Lichtbogen-Schmelzöfen; Brown Boweri Mitteilungen 68/1981, Seite 387-389). The applicability of the voltage integrating type transducers is through the so-called "drift problem" and its temperature dependence limited (see e.g. Lebeda, S., Mähler, A .: Rogowski coils for exact Current measurement in the electrode control of arc melting furnaces; Brown Boweri Mitteilungen 68/1981, page 387-389).
2. Im Falle, daß der zu dem Kondensator C parallelgeschaltete Verlustwiderstand r bezüglich des Meßwiderstandes R k groß ist (r » R k ), ist das Meßsignal u c die Ausgangsspannung der Meßanordnung. Wird an die Spulenanschlüsse K₁ und K₂ ein Gerät mit verhältnismäßig großem Eingangswiderstand angeschlossen, kann in erster Annäherung mit der Approximation r ≅ ∞ gerechnet werden.2. In the event that the loss resistance r connected in parallel with the capacitor C is large with respect to the measuring resistor R k ( r » R k ), the measuring signal u c is the output voltage of the measuring arrangement. If a device with a relatively large input resistance is connected to the coil connections K ₁ and K ₂, the approximation r ≅ ∞ can be expected in a first approximation.
Das Meßsignal u c wird in diesem Fall durch die folgende Beziehung bestimmt:The measurement signal u c is determined in this case by the following relationship:
Dieses Modell wird im weiteren "Meßgeber vom stromintegrierenden Typ" genannt.This model is hereinafter referred to as "current integrating type transmitter" called.
Bei einer gegebenen Kreisfrequenz l, und vorausgesetzt, daß ω² · LC = 1, ist das integrierte Meßsignal u c zu dem zu messenden Strom i₁ proportional und gleichzeitig phasengleich.For a given angular frequency l , and provided that ω ² · LC = 1, the integrated measurement signal u c is proportional to the current to be measured i ₁ and at the same time in phase.
Der von der Temperaturabhängigkeit des Spulenwiderstandes R verursachte Meßfehler kann durch ein ziemlich großes Verhältnis R k /R, und der durch die vorbestimmte Kreisfrequenz ω entstehende Meßfehler kann durch ein ziemlich großes VerhältnisThe measurement error caused by the temperature dependence of the coil resistance R can be due to a rather large ratio R k / R , and the measurement error resulting from the predetermined angular frequency ω can be increased by a rather large ratio
(R + R k )/l L = (R + R k ) · ω C ( R + R k ) / l L = ( R + R k ) ω C
verringert werden. Um den Meßfehler innerhalb des für Stromwandler vorgeschriebenen Fehlerbereichs zu halten, müßten so große Verhältnisse R k /R und (R + R k )ω L realisiert werden, daß die Benutzung von Meßgebern stromintegrierenden Typs in der Praxis nicht zweckdienlich ist.be reduced. In order to keep the measurement error within the error range prescribed for current transformers, such large ratios R k / R and ( R + R k ) ω L would have to be realized that the use of current-integrating type sensors is not practical in practice.
Zur Realisierung eines den üblichen elektrischen Einheiten einer Meßschaltung entsprechenden Signal/Rausch-Verhältnisses, sollte das integrierte Meßsignal u c (die Ausgangsspannung) bei einem Nennwert des zu messenden Stromes i₁ in der Größenordnung von 1 V liegen. Falls die obigen großen Verhältnisse realisiert werden, kann die Induktionsspannung u i in der Meßspule T bei einem verhältnismäßig breiten erforderlichen Meßbereich des zu messenden Stromes i₁ sogar die Größenordnung von 1000 V erreichen. Demzufolge wird die Isolierung der Meßspule T erheblich komplizierter. To implement a signal-to-noise ratio corresponding to the usual electrical units of a measuring circuit, the integrated measuring signal u c (the output voltage) should be in the order of 1 V at a nominal value of the current to be measured i 1. If the above large ratios are realized, the induction voltage u i in the measuring coil T can even reach the order of 1000 V for a relatively wide required measuring range of the current i 1 to be measured. As a result, the insulation of the measuring coil T becomes considerably more complicated.
Bei Stromwandlern kann in extremen Fällen mit einer Umgebungstemperatur-Änderung von über 60°C (z. B. von -25°C bis +40°C) gerechnet werden, die den Spulenwiderstand R einer aus Kupferdraht gewickelten Meßspule T um etwa 25% verändert. Deswegen ist ein Verhältnis R k /R = 10² . . . 10³ erforderlich. Eine 1-2%ige Schwankung der Kreisfrequenz ω erfordert ein VerhältnisIn extreme cases, a change in the ambient temperature of over 60 ° C (e.g. from -25 ° C to + 40 ° C) can be expected for current transformers, which changes the coil resistance R of a measuring coil T wound from copper wire by about 25% . Therefore, a ratio R k / R = 10². . . 10³ required. A 1-2% fluctuation in the angular frequency ω requires a ratio
(R + R k )/ω L = 10 . . . 10²,( R + R k ) / ω L = 10. . . 10²,
das einem Verhältnis R/ω L = 0,1 entspricht. Die Realisierung dieser Verhältnisse mit einer aus Kupferdraht gewickelten Meßspule würden irreal große Spulenabmessungen bezüglich der üblichen Stromwandler ergeben.which corresponds to a ratio R / ω L = 0.1. The realization of these conditions with a measuring coil wound from copper wire would result in unreally large coil dimensions with respect to the usual current transformers.
Wie es aufgrund der obigen Ausführungen ersichtlich ist, ist die Verwendung der erwähnten Meßgeber-Typen als Stromwandler wegen verschiedener Nachteile nicht zweckdienlich.As can be seen from the above, the use is of the aforementioned sensor types as current transformers because of various Disadvantages not useful.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Meßgeber von einfacher Konstruktion, beruhend auf magnetischer Spannungsmessung, zu schaffen, der eine bessere lineare Signalübertragung gewährleistet und deswegen den Genauigkeitsnormen für Stromwandler besser entspricht als die herkömmlichen - üblicherweise aus Kupferdraht gewickelten und einen Eisenkern enthaltenden - Stromwandler. Unter besserer Signalübertragung wird in diesen Sinn verstanden, daß ein Spannungssignal am Ausgang des Meßgebers gemessen wird, welches zu dem zu messenden Strom in einem breiten Stromintervall proportional ist, und daß die Meßgenauigkeit von den Umgebungstemperaturänderungen in einem verhältnismäßig breiten Temperaturbereich praktisch unabhängig ist.The aim of the present invention is to provide a sensor of simple construction, based on magnetic voltage measurement, to create the ensures a better linear signal transmission and therefore the Accuracy standards for current transformers better than the conventional - usually wound from copper wire and an iron core containing - current transformers. With better signal transmission is in understood this sense that a voltage signal at the output of the transmitter is measured, which to the current to be measured in a wide Current interval is proportional, and that the measurement accuracy of the ambient temperature changes in a relatively wide temperature range is practically independent.
Es ist Ziel der Erfindung weiterhin, Mängel der bekannten Lösungen hinsichtlich ihrer Anwendung als Stromwandler zu elimieren, und eine einfache und verhältnismäßig billig herstellbare Konstruktion mit rationellen Abmessungen zu schaffen.The aim of the invention is also to address deficiencies in the known solutions to eliminate their use as a current transformer, and a simple and relatively cheap to manufacture construction with rational To create dimensions.
Die zum Ziele gesetzte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem an sich bekannten Meßgeber - an dessen Eingang ein zu messender sinusförmiger Strom i₁ gegeben wird -, der mindestens eine ringartig geschlossene magnetische Meßspule T aufweist, welche den den zu messenden den Strom i₁ führenden Leiter mindestens einmal umschließt, und bei dem an die Spulenanschlüsse K₁, K₂ der Meßspule T ein Meßwiderstand R k zum Abfühlen eines zu dem Differentialquotienten des zu messenden Stromes i₁ proportionalen Meßsignals u k und/oder ein Kondensator C mit einem parallelgeschalteten Verlustwiderstand r zum Abfühlen eines zu dem zu messenden Strom i₁ proportionalen integrierten Meßsignal u c angeschlossen ist, die Meßspule T aus einem Material gestaltet ist, dessen spezifischer Widerstand erheblich größer ist und dessen Temperaturkoeffizient zugleich kleiner ist als der spezifische Widerstand bzw. der Temperaturkoeffizient der allgemein gebräuchlichen Materialien - z. B. des Kupferdrahtes. Erfindungsgemäß ist das Material der Meßspule durch einen spezifischen Widerstand von größer als 9 · 10-8 Ωm und einem Temperaturkoeffizienten zwischen -2 · 10-3 K-1 und +2 · 10-3 K-1 gekennzeichnet.The object set is achieved according to the invention in that in a known sensor - at the input of a sinusoidal current to be measured i ₁ is given - which has at least one ring-like closed magnetic measuring coil T , which the current to be measured i ₁ enclosing leading conductor at least once, and in which to the coil connections K ₁, K ₂ of the measuring coil T a measuring resistor R k for sensing a to the differential quotient of the current to be measured i ₁ proportional measurement signal u k and / or a capacitor C with a parallel circuit Loss resistance r for sensing an integrated measurement signal u c proportional to the current to be measured i ₁, the measuring coil T is made of a material whose specific resistance is considerably greater and whose temperature coefficient is at the same time smaller than the specific resistance or the temperature coefficient of commonly used materials - e.g. B. the copper wire. According to the invention, the material of the measuring coil is characterized by a specific resistance greater than 9 · 10 -8 Ωm and a temperature coefficient between -2 · 10 -3 K -1 and +2 · 10 -3 K -1 .
Dieses Material ist vorzugsweise z. B. Manganin, dessen spezifischer Widerstand 4,3 10-7 Ωm ist und dessen Temperaturkoeffizient etwa 10-5 K-1 ist. Durch die erfindungsgemäße Wahl des Materials der Meßspule(n) wird erreicht, daßThis material is preferably e.g. B. Manganin, the specific resistance is 4.3 10 -7 Ωm and the temperature coefficient is about 10 -5 K -1 . The inventive choice of the material of the measuring coil (s) ensures that
- - der Meßgeber mit rationalen Spulenabmessungen realisierbar ist,the transducer can be implemented with rational coil dimensions,
- - der Spulenwiderstand unabhängig von den Umgebungstemperaturänderungen in einem ziemlich großen Temperaturbereich praktisch konstant ist, und- the coil resistance regardless of the ambient temperature changes is practically constant over a fairly large temperature range, and
- - die Spannungsbeanspruchung zwischen den Lagen der Spule(n) sogar bei Kurzschlußstromwerten des zu messenden Stromes i₁ gering ist und so die innere Isolierung der Meßspule nicht gefährdet wird.- the voltage stress between the layers of the coil (s) of the even is low at short circuit current values to be measured current i ₁ and so the inner insulation of the measuring coil is not compromised.
In der günstigsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßgebers - z.×B. in Form eines Meßgebers vom stromintegrierenden Typ, wo der Wert des Meßwiderstandes R k annähernd Null ist - kann der Spulenwiderstand R, die Spuleninduktivität L, der Kondensator C und der zum Kondensator C parallelgeschaltete Verlustwiderstand r abhängig von der Kreisfrequenz der Grundharmonischen des zu messenden Stromes i₁ so gewählt werden, daß das Ausgangssignal des Meßgebers (das integrierte Meßsignal u c ) zu dem zu messenden Strom i₁ linear proportional ist.In the cheapest embodiment of the transducer according to the invention - z. × B. in the form of a transducer of the current-integrating type, where the value of the measuring resistor R k is approximately zero - the coil resistance R , the coil inductance L , the capacitor C and the resistance resistor r connected in parallel with the capacitor C can depend on the angular frequency of the fundamental harmonics of the current to be measured i ₁ be chosen so that the output signal of the sensor (the integrated measurement signal u c ) is linearly proportional to the current to be measured i ₁.
Im folgenden wird die dynamische Funktion des erfindungsgemäßen Meßgebers anhand von Fig. 3 und Fig. 4 erläutert.In the following the dynamic function of the encoder according to the invention based on Fig. 3 and Fig. 4 explained.
a) Für Meßgeber vom differenzierenden Typ besteht die folgende Voraussetzung:a) The following requirement exists for transducers of the differentiating type:
ω L « R + R k ω L « R + R k
R k « R R k « R
undand
r = 0, r = 0,
wobei ω die Kreisfrequenz der Grundharmonischen des zu messenden Stromes i₁ ist. In diesem Fall ist praktisch nur der Meßwiderstand R k an die Spulenanschlüsse K₁ und K₂ angeschlossen.where ω is the angular frequency of the fundamental harmonic of the current to be measured i ₁. In this case, practically only the measuring resistor R k is connected to the coil connections K ₁ and K ₂.
Zur Erfülung der Voraussetzung (I) kann die Meßspule T aus verhältnismäßig feinem Draht - Draht mit verhältnismäßig kleinem Durchschnitt-, und demzufolge mit verhältnismäßig kleinen Spulenabmessungen realisiert werden.To meet the requirement (I), the measuring coil T can be made of relatively fine wire - wire with a relatively small average, and consequently with relatively small coil dimensions.
Da in diesem FallBecause in this case
und der Spulenwiderstand R temperaturabhängig ist, kann die genaue Signalübertragung mit einem verhältnismäßig kleinen Meßwiderstand R k erreicht werden. Es ist jedoch zweckdienlich, den Wert des Meßwiderstandes R k so zu erwählen, daß das Meßsignal u k = i₂ · R K in die Größenordnung von 1 V fällt. So wird - beim Nennwert des zu messenden Stromes i₁ - ein entsprechendes Signal/Rausch-Verhältnis erreicht. and the coil resistance R is temperature-dependent, the precise signal transmission can be achieved with a relatively small measuring resistor R k . However, it is useful to choose the value of the measuring resistor R k so that the measuring signal u k = i ₂ · R K falls in the order of 1 V. So - at the nominal value of the current to be measured i ₁ - a corresponding signal / noise ratio is achieved.
Die Meßgenauigkeit des obigen Meßgebers, die für die Grundharmonische des zu messenden Stromes i₁ bestimmt wurde, vermindert sich jedoch mit der Erhöhung der Ordnungszahl der Oberharmonischen. Demzufolge soll die Voraussetzung (I), im Falle daß das Meßsignal u k zur Bestimmung der Steilheit des zu messenden Stromes i₁ benutzt wird (z. B. zum Fühlen des Anstieges eines Kurzschlußstromes), durch entsprechende Bemessung des Meßgebers für die Kreisfrequenz der größten noch beträchtlichen - nicht vernachlässigbaren - Oberharmonischen erfüllt sein. Das wichtigste Anwendungsgebiet dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßgebers ist eben die Bestimmung der Steilheit eines Stromes.The measuring accuracy of the above transmitter, which was determined for the basic harmonic of the current to be measured i ₁, decreases with the increase in the ordinal number of the upper harmonics. Accordingly, the prerequisite (I), in the event that the measurement signal u k is used to determine the steepness of the current to be measured i ₁ (e.g. for sensing the rise in a short-circuit current), by appropriate measurement of the transmitter for the angular frequency of the largest still considerable - not negligible - harmonics. The most important field of application of this embodiment of the sensor according to the invention is the determination of the steepness of a current.
Wird das Meßsignal u k des obigen Meßgebers mittels eines integrierenden elektronischen Stromkreises integriert, funktioniert die Meßanordung als Meßgeber vom spannungsintegrierenden Typ. Das Ausgangssignal einer solchen Meßanordnung ist zu dem zu messenden Strom i₁ amplitudenproportional und phasengleich.If the measurement signal u k of the above transmitter is integrated by means of an integrating electronic circuit, the measurement arrangement functions as a transmitter of the voltage-integrating type. The output signal of such a measuring device is amplitude proportional to the measured current i ₁ and in phase.
Wie es im obigen schon erwähnt wurde, ist das genaue Integrieren mittels elektronischer Mittel eine verhältnismäßig komplizierte Aufgabe. Der erfindungsgemäße Meßgeber ist jedoch in dieser Kombination immerhin günstiger als die bekannten üblichen Ausführungsformen, da der Spulenwiderstand R der Meßspule T praktisch temperaturunabhängig ist und demzufolge die Meßgenauigkeit von der Temperatur nicht beeinflußt wird bzw. der Meßwiderstand R k in einem ziemlich weiten Intervall gewählt werden kann.As already mentioned in the above, the precise integration by means of electronic means is a relatively complicated task. In this combination, however, the measuring transducer according to the invention is at least cheaper than the known conventional embodiments, since the coil resistance R of the measuring coil T is practically independent of the temperature, and consequently the measuring accuracy is not influenced by the temperature, and the measuring resistance R k can be selected in a fairly wide interval .
b) Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Meßgeber als Meßgeber vom stromintegrierenden Typ wird der Kondensator C und der zu dem Kondensator C parallelgeschaltete Verlustwiderstand r an die Spulenanschlüsse K₁ und K₂ angeschlossen (R k = 0, s. Fig. 3). Der parallelgeschaltete Verlustwiderstand r ersetzt hier den Verlustfaktor tg δ des Kondensators C (s. Fig. 4) sowie den Eingangswiderstand eines angeschlossenen Meßgerätes. Zur gewünschten Einstellung enthält der Verlustwiderstand r vorzugsweise auch einen Stellwiderstand. Der Verlustwiderstand r ist also ein resultierender Ersatzwert. b) When using the transducers according to the invention as a transducer of the current-integrating type, the capacitor C and the loss resistor r connected in parallel with the capacitor C are connected to the coil connections K 1 and K 2 ( R k = 0, see FIG. 3). The parallel loss resistor r replaces the loss factor tg δ of the capacitor C (see FIG. 4) and the input resistance of a connected measuring device. For the desired setting, the loss resistance r preferably also contains a variable resistor. The loss resistance r is therefore a resulting substitute value.
Im Falle daß der aktuelle Wert des Spulenwiderstandes R, der Spuleninduktivität L, des Kondensators C und des Verlustwiderstandes r so gewählt werden, daß die VoraussetzungenIn the event that the current value of the coil resistance R , the coil inductance L , the capacitor C and the loss resistance r are chosen so that the requirements
bei einer gegebenen Kreisfrequenz ω der Grundharmonischen des zu messenden Stromes i₁ erfüllt sind, ist das integrierende Meßsignal u c am Ausgang des Meßgebers zu dem zu messenden Strom i₁ linear proportional. Bei Erfüllung der Voraussetzungen (II) kann zugleich erreicht werden, daß das Meßsignal u c zu dem zu messenden Strom i₁ amplitudenproportional und phasengleich istat a given angular frequency ω of the fundamental harmonic of the current i ₁ to be measured, the integrating measurement signal u c at the output of the transmitter is linearly proportional to the current i ₁ to be measured. If the requirements (II) are met, it can also be achieved that the measurement signal u c is amplitude-proportional and in phase with the current to be measured i 1
Anhand Fig. 4 kann folgendes Gleichungssystem aufgeschrieben werden:The following system of equations can be written on the basis of FIG. 4:
U R · cos δ + U L · sin δ = U i U R · cos δ + U L · sin δ = U i
U C + U R · sin δ = U L · cos w U C U + R · sin δ = U L · cos w
I C = I₂ · cos δ I C = I ₂ · cos δ
I r = I₂ · sin w I r = I ₂ · sin w
wobeiin which
Als Lösung des obigen Gleichungssystems ergeben sich die folgenden Gleichungen:The following equations result from the solution of the above equation system:
Die in Fig. 4 mit einem großen Buchstaben bezeichneten Vektoren U₁, U C , U L , U R bzw. I₁, I₂, I C , I r sind in den in Fig. 3 mit dem entsprechenden kleinen Buchstaben bezeichneten Spannungen bzw. Strömen zugeordnet.The vectors U ₁, U C , U L , U R or I ₁, I ₂, I C , I r designated with a capital letter in Fig. 4 are in the voltages designated in Fig. 3 with the corresponding small letters or Associated with currents.
Da der Spulenwiderstand R in diesem dynamischen Zustand praktisch temperaturunabhängig ist, beeinflußt die Temperatur die Meßgenauigkeit nicht. Vorzugsweise wird auch der Verlustwiderstand r praktisch temperaturunabhängig gewählt. Zur Erzielung eines guten Signal/Rausch-Verhältnisses soll das Meßsignal U c in der Größenordung von 1 V sein.Since the coil resistance R is practically temperature-independent in this dynamic state, the temperature does not influence the measuring accuracy. The loss resistance r is preferably chosen to be practically independent of temperature. To achieve a good signal-to-noise ratio, the measurement signal U c should be in the order of 1 V.
Wie es aus den Gleichungen (III) und (IV) ersichtlich ist, ermöglicht der erfindungsgemäße Meßgeber eine Strommessung von recht großer Genauigkeit innerhalb etwa einer Größenordnung der Kreisfrequenz ω des zu messenden Stromes i₁ und in einem recht weiten Strombereich. Als Stromwandler ist der erfindungsgemäße Meßgeber anwendbar auch zur verhältnismäßig genauen Messung der Oberharmonischen des zu messenden Stromes i₁. Dieser Vorteil ist darauf zurückzuführen, daß die Induktionsspannung sich zu der Kreisfrequenz ω der Grundharmonischen des zu messenden Stromes i₁ linear proportional ändert, wobei das Verhältnis u c /u i sich zugleich zu der Kreisfrequenz der Grundharmonischen des zu messenden Stromes i₁ invers proportional ändert. Die Änderung von l L wirkt zwar störend, verursacht jedoch überwiegend bloß einen Fehlwinkel.As can be seen from equations (III) and (IV), the measuring transducer according to the invention enables a current measurement of very great accuracy within about an order of magnitude of the angular frequency ω of the current to be measured i 1 and in a fairly wide current range. As a current transformer, the transducer according to the invention can also be used for the relatively accurate measurement of the harmonics of the current to be measured i 1. This advantage is due to the fact that the induction voltage changes linearly proportional to the angular frequency ω of the fundamental harmonic of the current to be measured i 1, the ratio u c / u i simultaneously changing inversely proportional to the angular frequency of the basic harmonic of the current to be measured i 1 . The change in l L is disturbing, but mostly only causes a misalignment.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Berechnungsbeispieles näher erläutert.In the following, the invention will be explained in more detail using a calculation example explained.
Ein erfindungsgemäßer Meßgeber vom stromintegrierenden Typ wurde als Stabstromwandler in eine gekapselte Einrichtung vom 400 kV und SF₆-Gas eingebaut.A current integrating type transducer according to the invention was designed as Rod current transformers in an encapsulated device of 400 kV and SF₆ gas built-in.
Nennstrom des Stromwandlers:I₁ = 1500 A
Nennfrequenz des Stromwandlers:f = 50 Hz
Zahl der Durchführungen des zu
messenden Stromes:N₁ = 1
Nominal current of the current transformer: I ₁ = 1500 A Nominal frequency of the current transformer: f = 50 Hz Number of times the
measuring current: N ₁ = 1
Die Meßspule wurde in einer der Fig. 2a ähnlichen Ausführungsform gestaltet. Die Meßspule wird aus 2 × 12 in Reihe geschalteten geraden zylindrischen Spulenabschnitten zusammengestellt, die zwei gleiche, nebeneinander angeordnete ringförmige Teile bilden.The measuring coil was designed in an embodiment similar to FIG. 2a. The measuring coil is composed of 2 × 12 straight cylindrical coil sections connected in series, which form two identical annular parts arranged next to one another.
Durchmesser der Spulenabschnitte:40 mm
Höhe der Spulenabschnitte:90 mm
Mitteldurchmesser der
ringförmigen Teile:380 mm
Gesamthöhe der Meßspule:85 mm
Material der Meßspule:Mangindraht,
⌀ 0,16 mm
Gesamtmasse der Wicklung:2,5 kgDiameter of the coil sections: 40 mm Height of the coil sections: 90 mm center diameter of the
ring-shaped parts: 380 mm total height of the measuring coil: 85 mm material of the measuring coil: manganese wire, ⌀ 0.16 mm total mass of the winding: 2.5 kg
Weitere Angaben:More information:
Kapazität des Kondensators:C = 1,4 µF
Verlustfaktor des Kondensators:tg δ = 1,19 10-3
An den Ausgang des Meßgebers
angeschlossene Widerstand:R₀ = 1 MΩCapacitance of the capacitor: C = 1.4 µF Loss factor of the capacitor: tg δ = 1.19 10 -3 At the output of the sensor
connected resistance: R ₀ = 1 MΩ
Der obige Meßgeber ist so berechnet worden, daß der Fehlwinkel und Übertragungsfehler bei der Nennfrequenz gleich Null ist.The above transducer has been calculated so that the misalignment and Transmission error at the nominal frequency is zero.
Die folgende Tabelle enthält kalkulierte Fehlwinkel- und Übertragungsfehler-Werte desselben Meßgebers für den Fall, daß die Frequenz des zu messenden Stromes von der Nennfrequenz abweichend ist.The following table contains calculated misalignment and transmission error values the same transducer in the event that the frequency of the measured Current is different from the nominal frequency.
Es ist vorteilhaft, wenn der auf die zehnte Oberharmonische bezogene Fehlwinkel im Verhältnis zu dem auf die Grundharmonische bezogenen Fehlwinkel (s. die Tabelle) verhältnismäßig klein, etwa 1,02 grad ist.It is advantageous if the one related to the tenth harmonic Misalignment in relation to that related to the basic harmonic Misalignment (see the table) is relatively small, about 1.02 degrees.
Die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung zeigen sich bei deren Anwendung sowohl für Meßgeber vom differenzierenden Typ wie auch für Meßgeber vom stromintegrierenden Typ. Im Vergleich zu den bisher verwendeten Meßgebern ist es feststellbar, daß die erfindungsgemäße Lösung bei kleineren Spulenabmessungen eine höhere Meßgenauigkeit ermöglicht.The advantageous effects of the present invention are evident in their application both for differentiating type sensors also for encoders of the current integrating type. Compared to the previously used transducers, it can be seen that the solution according to the invention with smaller coil dimensions a higher one Measurement accuracy allows.
Durch die Benutzung der Erfindung als Meßgeber vom stromintegrierenden Typ wird ein zu dem zu messenden Strom phasengleiches Meßsignal erhalten, was besonders neuartig ist, da das Integrieren des Signals eines magnetischen Spannungsmessers mittels reiner passiver Elemente und mit der für übliche Stromwandler vorgeschriebenen Genauigkeit - mit vernünftigen Spulenabmessungen - bisher nicht gelöst worden ist.By using the invention as a transmitter of the current integrating Type, a measurement signal is obtained which is in phase with the current to be measured, which is particularly novel as the integration of the signal of a magnetic Tension meter using pure passive elements and with for usual current transformers prescribed accuracy - with reasonable Coil dimensions - has not yet been solved.
Wie es aus dem Obigen hervorgeht, genügt der erfindungsgemäße Meßgeber in jeder Hinsicht den genormten Anforderungen für Stromwandler mit Eisenkern. Die Übertragung des erfindungsgemäßen Meßgebers ist linear proportional zu dem zu messenden Strom.As can be seen from the above, the transducer according to the invention is sufficient in every respect with the standardized requirements for current transformers Iron core. The transmission of the transducer according to the invention is linear proportional to the current to be measured.
Die vorliegende Erfindung ist in weitem Anwendungsbereich anwendbar. Für Messungs- und Schutzzwecke weist sie einen einzigen gemeinsamen Ausgang auf, im Gegensatz zu den herkömmlichen Stromwandlern, die für diese Zwecke mit einem separaten Meß-Eisenkern und Relaiskern versehen sein müssen. Der erfindungsgemäße Meßgeber hat einen Ausgang spannungsgeneratorischen Charakters - im Gegensatz zu den herkömmlichen Stromwandlern, die einen Ausgang stromgeneratorischen Charakters aufweisen - infolgedessen sind moderne digitale Meßgeräte und elektronische Schutzrelais besser anpaßbar. Die Gesamtmasse der erfindungsgemäßen Meßspule ist im Vergleich zu den bekannten Lösungen wesentlich kleiner.The present invention is applicable in a wide range of applications. It has a single common one for measurement and protection purposes Output on, unlike the conventional current transformers that are for provide these purposes with a separate measuring iron core and relay core have to be. The transmitter according to the invention has an output voltage generator character - in contrast to the conventional current transformers that have an output generator Character - consequently, modern digital measuring devices and electronic protection relays more adaptable. The total mass of the measuring coil according to the invention is compared to the known solutions much smaller.
Die Erfindung ermöglicht eine problemlose Langstrecken-Signalübertragung. Infolge des praktisch temperaturunabhängigen Spulenwiderstandes ist die Erfindung zwischen extremen Temperaturgrenzwerten benutzbar. Es ist weiterhin vorteilhaft, daß ein Leitungsbruch bei der vorgeschlagenen Lösung keine Gefahr verursacht.The invention enables problem-free long-range signal transmission. Due to the practically temperature independent coil resistance Invention between extreme temperature limits usable. It is further advantageous that a line break in the proposed solution caused no danger.
Der erfindungsgemäße Meßgeber ist einfach und mit verhältnismäßig geringem Aufwand realisierbar.The transducer according to the invention is simple and proportionate realizable with little effort.
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