DE60002319T2

DE60002319T2 - Elektrischer stromsensor

Info

Publication number: DE60002319T2
Application number: DE60002319T
Authority: DE
Inventors: Nicolas Karrer; Patrick Hofer-Noser
Original assignee: Arbeitsgemeinschaft Prof Hugel AGPH
Current assignee: Arbeitsgemeinschaft Prof Hugel AGPH
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2020-05-26
Also published as: AU4604400A; US6624624B1; EP1183543A1; ATE238562T1; EP1183543B1; DE60002319D1; WO2000072027A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Stromfühler, insbesondere zur Messung eines zeitlich veränderlichen elektrischen Stromes in einem Leiter.
Ein bekanntes Mittel der Messung eines durch einen Primärleiter fliessenden elektrischen Stromes besteht in der Messung des erzeugten Magnetfeldes mit einem magnetischen Feldfühler, der um den Primärleiter oder in dessen Nähe angeordnet ist. Zeitlich veränderliche elektrische Ströme werden gewöhnlich mit einer als Rogowski-Spule bekannten Spule gemessen, die um den Primärleiter herumgebogen wird. Das variable magnetische Feld induziert eine Spannung zwischen Enden des Spulenleiters, die der Veränderungsgeschwindigkeit des Stromes (di/dt) im Primärleiter proportional ist. Das Ausgangssignal der Rogowski-Spule in herkömmlichen Auslegungen wird daher integriert, um eine Ablesung für den Primärstrom zu erhalten. Es gibt verschiedene, bekannte Möglichkeiten, Rogowski-Spulen bereitzustellen, zum Beispiel in Gestalt von gewundenen Luftspulen oder von Spulen, die durch Leiterbahnen auf einer Leiterplatte gebildet werden. Beispiele von Rogowski-Spulen des Standes der Technik werden von Murgatroyd, P. N., Making a Rogowski coil (Herstellung einer Rogowski-Spule), Sci. Technol. 2 (1991) Seiten 1218– 1219; von Ray, W. F., und Murray, K. D., The use of Rogowski coils for current wave-form measurement in power electronic circuits (Einsatz von Rogowski-Spulen für die Messung von Strom-Wellenformen in Schaltkreisen der Leistungselektronik), EPE (1991), Seiten 3379–3383; von Heumann, K., Magnetischer Spannungsmesser hoher Präzision, Elektrotechnische Zeitschrift, A83 (1962), Seiten 349–356; oder in den US-Patenten Nr. 5 442 280 und 5 414 400 beschrieben.
Herkömmliche Rogowski-Spulenstromfühler haben typischerweise Spulen mit einer grossen Anzahl von Windungen, zum Beispiel ist die in der US-Patentschrift 5 414 400 beschriebene Rogowski-Spule mit etwa 250 Windungen versehen, um die Empfindlichkeit für Magnetfelder zu erhöhen und die Auswirkungen eines nicht zentrischen Primärleiters zu verringern. Solche Fühler arbeiten ziemlich gut innerhalb eines kleinen, definierten Frequenzbandes, wenn sie einen verhältnismässig grossen Abstand von anderen Leitern haben, die magnetische Störfelder erzeugen. Des Weiteren sind solche bekannte Rogow ski-Spulenfühler auf die Messung zeitlich veränderlicher elektrischer Ströme begrenzt, die Frequenzen bis hinauf zu einer Grössenordnung von 10³–10⁶ Hz haben. Diese Merkmale herkömmlicher Stromfühler sind bis zur vorliegenden Erfindung als technische Grenzen der Strommessung mit Rogowski-Spulen akzeptiert worden.
Bestimmte Vorrichtungen und insbesondere elektrische Leistungsumformer und Stromrichter können im Zeitbereich grosse Unstetigkeiten in der Stromsteigung erzeugen, die von den Schaltvorgängen herrühren, die Frequenzen im Frequenzbereich bis hinauf zu etwa 10⁸ Hz verursachen. Herkömmliche Stromfühler vom Typ der Rogowski-Spulen sind nicht in der Lage, solche schnellen Stromveränderungen genau und zuverlässig zu messen. Des Weiteren sind herkömmliche Stromfühler des vorerwähnten Typs gegen magnetische Störfelder empfindlich, die wegen der Nähe von Leitern in heutigen Leistungsschaltern, bei deren Konstruktion die Messung des Stromes oft nicht von primärer Bedeutung ist, oft sehr schwer zu vermeiden sind.
Im Dokument: Patent Abstracts of Japan, Band 007, Nr. 075 (P-187), 29. März 1983 (1983-03-29), sowie JP 58 005 668 A (Fujitsu K. K.), 13. Januar 1983 (1983-01-13) wird eine Rogowski-Spule beschrieben, die eine spiralförmige Drahtspule sowie eine Spule einer Windung mit der gleichen Fläche in der Richtung des zu messenden Stromes besitzt, so dass Geräuschkomponenten in der Stromrichtung sich ausheben.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen vielseitigen, jedoch genauen Fühler für die Messung von in einem Leiter fliessenden, zeitlich veränderlichen elektrischen Strömen zur Verfügung zu stellen.
Es ist besonders vorteilhaft, einen Fühler für Messungen über einen weiten Frequenzbereich zur Verfügung zu stellen, insbesondere einen Frequenzbereich, der sich in den Bereich von 10⁶ bis 10⁸ Hz hinein erstreckt.
Es ist weiter besonders vorteilhaft, einen Stromfühler mit einer verringerten Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern zur Verfügung zu stellen.
Es ist weiter von Vorteil, einen Stromfühler zur Verfügung zu stellen, der kompakt und preiswert ist und ohne Unterbrechung des Primärleiters implementiert werden kann.
Es ist weiter von Vorteil, einen preiswerten Stromfühler mit einer hohen Empfindlichkeite gegenüber dem zu messenden Feld und mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis zur Verfügung zu stellen.
Ziele dieser Erfindung sind erreicht worden, indem der Fühler gemäss Anspruch 1 zur Verfügung gestellt wurde.
Vorteilhafterweise wird die Wirkung von magnetischen Störfeldern, insbesondere von Fremdleitern in der Nähe des Fühlers, aufgehoben oder auf ein Minimum verringert, indem die vom Fühlerleiter umschlossene Fläche verringert wird, die den Wirkungen von magnetischen Störfeldern und insbesondere der magnetischen Feldkomponente orthogonal zur Mittelebene ausgesetzt ist.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in den Ansprüchen dargelegt oder aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen offensichtlich werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden, in denen
1 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Spulensensors ist;
2 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer herkömmlichen Rogowski-Spule;
3 ist eine Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Fühlers;
4 ist eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
5 ist eine Ansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
6 zeigt Bode-Diagramme (Absolutwert und Phase der Impedanz) gegen die Frequenz für einen Fühler, der ähnlich wie die Ausführungsform der 5 ausgelegt ist;
7 ist eine Ansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
8 ist eine Ansicht einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
9 ist eine Ansicht einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
10 ist eine auseinandergezogene Detailansicht eines Teiles eines erfindungsgemässen Fühlers;
11a ist eine Ansicht einer siebenten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
11b ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 11b-11b der 11a;
12a ist eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines Teiles eines Fühlers gemäss einer achten Ausführungsform;
12b und 12c sind schematische, perspektivische Diagramme, die die Verdrahtung der Ausführungsform von 12a zeigen;
12d ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 12d-12d der Ausführungsform von 12a;
13a ist eine Ansicht einer neunten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
13b ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 13b-13b des montierten Fühlers nach 13a;
14 ist eine Ansicht einer zehnten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
15 ist eine Ansicht einer elften Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
16 ist eine Ansicht einer zwölften Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
17a ist eine Ansicht einer dreizehnten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers;
17b ist eine Ansicht in Richtung des Pfeils 17b der 17a; und
18 ist eine perspektivische Ansicht eines Fühlers, der Fühlerelemente gemäss der Ausführungsform der 17a und 17b enthält.
Zuerst auf 1 Bezug nehmend, besteht ein herkömmlicher Fühler zur Messung des Stromes I_m in einem Primärleiter 1 aus einem Leiter 2' mit Enden 3', 4' zum Anschluss an eine Signalverarbeitungsvorrichtung sowie N Windungen 5', die einen Spulenabschnitt 6' bilden, der einen Hohlraumabschnitt 7' umgibt, durch den sich ein Teil des Primärleiters erstreckt. Jede Windung 5' definiert eine projizierte Messfläche A_m in einer Ebene, die orthogonal zum Magnetfeld H_m ist, das vom Primärleiter I_m erzeugt wird.
In einer Ebene orthogonal zum Primärleiterabschnitt 1, d.h. parallel zu einer Mittelebene durch die Mittelpunkte 8' der Windungen 5', kreist der Leiter 2' eine projizierte Fläche A_s ein, die magnetischen Störfeldern unterliegt und im Falle der 1 fast ebenso goss wie die Fläche des Kreises ist, der vom kreisförmigen Aussenumfang 10' des Leiters 2' begrenzt wird. Ein magnetisches Störfeld H_s und insbesondere die zur Fläche A_s orthogonale Komponente induziert eine Spannung im Fühlerleiter und verfälscht somit die Messung des Primärleiterstromes. Das magnetische Störfeld H_s kann zum Beispiel durch einen Fremdleiter 9 erzeugt werden, der einen Strom I_s führt und nahe dem Fühler angeordnet ist.
In bestimmten herkömmlichen Rogowski-Spulenfühlervorrichtungen wird der Leiter in Windungen zurückgeführt, die eine zweite Spule bilden, was ebenfalls die Anzahl N von Windungen des Fühlers und somit die Empfindlichkeit gegenüber den zu messenden Magnetfeldern erhöht. Die vom Leiter eines bekannten Fühlers dieses Typs umschlossene, projizierte Fläche A_s ist kreuzweise schraffiert in 2 gezeigt. Die Fläche A_s wird vom Leiter 2'' völlig umschlossen und unterliegt daher der Wirkung von magnetischen Störfeldern H_s. Der erste Spulenabschnitt 6'' ist am Punkt 14'' mit dem zweiten Spulenabschnitt 11'' verbunden.
Der nachteilige Einfluss der den Wirkungen von magnetischen Störfeldern H_s ausgesetzten Fläche A_s wird in herkömmlichen Vorrichtungen teilweise verringert, indem eine grosse Anzahl von Windungen vorhanden ist, so dass die Summe der Messflächen der Windungen (N × A_m) verhältnismässig gross oder zumindest grösser als die Fläche A_s ist. Die grosse Anzahl von Windungen hat aber nachteilige Auswirkungen auf die Leistung der Spule, indem die Bandbreite und insbesondere die obere Frequenzgrenze herabgesetzt wird, die durch die erste Resonanzfrequenz des Fühlerkreises bestimmt wird. Es wird angenommen, dass das hauptsächlich wegen der vergrösserten Länge des Leiters erfolgt, die die Selbstinduktivität erhöht und kapazitive Kopplung zwischen dessen Abschnitten herbeiführt.
Die Impedanz-Übertragungsfunktion einer Luftspule kann durch die folgende Gleichung angenähert werden:

die nur bis einschliesslich der ersten Resonanzfrequenz gültig ist und worin s der Laplace-Operator, L und R die Reihen-Selbstinduktivität und der Reihenwiderstand und C die Parallelkapazität der Spule sind. Aus dieser Gleichung kann man somit ableiten, dass die Resonanzfrequenz mit einer Vergrösserung des Gliedes s²LC abnimmt, also mit einer Vergrösserung der Selbstinduktivität und der Kapazität der Spule.
In bestimmten Anwendungen wie Leistungsumformern und Stromwandlern können sehr hohe Ströme raschen Veränderungen unterliegen, die in der Grössenordnung einiger tausend Ampere pro Mikrosekunde (kA/μs) liegen, was Frequenzkomponenten bis ungefähr 10⁸ Hz entspricht, die wegen der begrenzten Bandbreite von herkömmlichen Fühlern vom Typ einer Rogowski-Spule nicht gemessen werden können.
In einer herkömmlichen Rogowski-Spule des in 2 gezeigten Typs ist die den magnetischen Störfeldern H_s ausgesetzte Fläche A_s 100 bis 200 Mal grösser als die Messfläche A_m einer Windung. Da aber 200 oder mehr Windungen vorhanden sein können, kann die gesamte Messfläche geringfügig grösser als die den Störfeldern ausgesetzte Fläche sein, wodurch ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht wird.
Die vorerwähnte Beschränkung von herkömmlichen Fühlern und die damit zusammenhängenden Probleme sind, soweit bekannt, nicht angesprochen worden. In Fühlern gemäss der vorliegenden Erfindung ist die den magnetischen Störfeldern ausgesetzte Fläche A_s gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen signifikant herabgeetzt worden bzw. der Rückleiter kreuzt, wie in der Ausführungsform der 4, den ersten Spulenabschnitt, so dass den Störfeldern ausgesetzte, benachbarte Flächen einen Stromfluss in entgegengesetzten Richtungen haben, der sich gegenseitig aufhebt. Bevorzugt werden wie in der Ausführungsform der 4 beide Massnahmen in den erfindungsgemässen Fühler eingeführt. Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf 3 bis 17 in grösseren Einzelheiten beschrieben werden.
Auf 3 Bezug nehmend, enthält ein Stromfühler einen Fühlerleiter 2 mit Enden 3, 4 zur Verbindung mit einem Signalverarbeitungskreis sowie einer Mehrzahl von Windungen 5, die einen ersten Spulenabschnitt 6 bilden, der um eine Öffnung 7 herum angeordnet ist, die einen Abschnitt 1 eines Primärleiters 1 aufzunehmen bestimmt ist, in dem ein Strom I_m fliesst, der ein Magnetfeld H_m um den Leiter herum erzeugt. Der erste Spulenabschnitt 6 ist am ersten seiner Enden 12 mit dem ersten Fühlerleiterende 3 und am zweiten Ende 13 mit einem zweiten Leiterabschnitt 11 am Verbindungspunkt 14 verbunden, während der zweite Leiterabschnitt 11 an seinem anderen Ende mit dem Fühlerleiterende 4 verbunden ist. In
3 stellen die durchgezogenen Linien des Leiters Leiterbahnen oder Verdrahtung auf einer Oberseite einer Leiterplatte 15 dar, die gestrichtelten Linien stellen Leiterbahnen oder Verdrahtung auf einer Unterseite der Leiterplatte dar. Die die Windungen 5 bildenden leitenden Bahnen sind im Wesentlichen in Ebenen (radialen Ebenen) parallel zum Primärleiterabschnitt 1 angeordnet, so dass die projizierte Fläche jeder Windung in einer zum Primärleiterabschnitt orthogonalen Ebene null oder nahezu null ist. Des Weiteren ist der zweite Leiterabschnitt 11, der vom zweiten Ende des ersten Spulenabschnitts zu dessen ersten Ende zurückführt, so nahe wie praktisch möglich am Aussenumfang 16 des ersten Spulenabschnitts ausgelegt, so dass die von den Fühlerleiterabschnitten 11, 16 umschlossene Fläche 17 in ihrer Projektion auf eine zum Primärleiterabschnitt orthogonalen Ebene so klein wie praktisch möglich ist. Der Abstand des zweiten Leiterabschnitts 11 vom Aussenumfang 16 ist von Herstellungstoleranzen sowie der Notwendigkeit bestimmt, einen bestimmten isolierenden Abstand zwischen den Leiterabschnitten zu wahren, um Kurzschlüsse oder einen Durchschlag des Dielektrikums zu vermeiden.
Der Einfluss von zum Primärleiterabschnitt 1 im Wesentlichen parallelen magnetischen Störfeldkomponenten H_s ist somit gegenüber herkömmlichen Fühlern in der vorliegenden Erfindung signifikant verringert. Da die Beziehung zwischen der Messfläche A_m einer Windung, d. h. der projizierten Fläche einer Windung in einer zu dem zu messenden, erzeugten magnetischen Feld H_m orthogonalen Ebene, wesentlich grösser als die projizierte Störfeldfläche A_s ist, die den Fühler in Gegenwart von Störfeldern nachteilig beeinflussen kann, ist der vorliegende Fühler gegenüber herkömmlichen Fühlern stark verbessert, und die Anzahl N der Windungen kann verringert werden, so dass sich auch die Bandbreite des Fühlers wegen der erhöhten Resonanzfrequenz verbessert. Die Resonanzfrequenz wird insbesondere wegen der kürzeren Leiterlänge, die die Selbstinduktivität verringert, sowie des grösseren Abstandes zwischen den Windungen, der die kapazitiven Effekte zwischen den Windungen verringert, erhöht. Es sei bemerkt, dass die Abhängigkeit der Strommessung von der Platzierung des Primärleiters in der Mitte der Öffnung 7 oder an einer anderen Position, für die der Fühler kalibriert wird, nicht vernachlässigt werden kann, wenn zu wenige Windungen vorgesehen sind, und daher wird eine optimale Anzahl von Windungen benötigt, die einen Kompromiss zwischen dem Positionierfehler des Fühlers relativ zu einem Leiter, der den zu messenden Strom führt, und der Bandbreite, insbesondere der oberen Frequenzgrenze, darstellt.
Um die Resonanzeigenschaften zu verbessern, kann die Dielektrizitätskonstante zwischen Windungen der Wicklung durch Anbringen von Einschnitten 18 oder Einbringen von Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten zwischen die Windungen angepasst werden.
In Ausführungsformen der Erfindung ist gefunden worden, dass für einen Fühler mit einem Aussendurchmesser D_o von 65 mm und einem Innendurchmesser D_i von 23 mm 40 Windungen genügen, um genaue Messungen ausführen zu können, während die Auswirkungen der Positionierung des Primärleiters innerhalb der mittleren Öffnung vernachlässigbar sind. Es sei bemerkt, dass die optimale Anzahl von Windungen vom Aussen- und Innendurchmesser, D_o und D_i, des Fühlers abhängt.
Der Fühlerleiter 2 kann in Gestalt von Leiterbahnen in oder auf einer Leiterplatte oder in Gestalt von Draht vorliegen, der um eine Platte oder einen anderen Träger herumgewickelt ist, er kann auch mit verschiedenen anderen herkömmlichen Verfahren der Spulenherstellung gefertigt werden.
Auf 4 Bezug nehmend, wird hier eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Fühlers gezeigt. Im Folgenden werden sehr ähnliche oder identische Konstruktionsmerkmale mit den gleichen Bezugszahlen wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen bezeichnet und daher nicht weiter beschrieben.
In der Ausführungsform gemäss 4 kreuzt der zweite Leiterabschnitt 111, der sich entlang des Aussenumfangs 16 des ersten Leiterabschnitts 6 erstreckt, zwischen benachbarten Windungen 5 den ersten Leiterabschnitt, so dass der zweite Leiterabschnitt und der Aussenumfang 16 des ersten Leiterabschnitts umeinandergeschlungen sind. Die Leiterbahnen auf der Unterseite der Leiterplatte 15 können mit Bahnen auf der Oberseite der Leiterplatte zum Beispiel durch Durchgangslöcher oder Durchkontaktierungen 19 verbunden sein, wie es zum Beispiel von herkömmlichen Konstruktionen her bekannt ist. Die Verschlingung der peripheren Abschnitte des ersten und zweiten Leiterabschnitts erzeugt erste und zweite, benachbarte Störfeldflächen 20, 21 in der Projektion auf eine zum Primärleiterabschnitt orthogonalen Ebene, die von Abschnitten 22, 23 des Leiters 2 umschlossen werden, die kreisende Abschnitte des Störfeldstromes definieren. Die Leiter haben eine effektive Verschlingung, die so wirkt, dass Spannungen, die in einem Teil induziert werden, exakt durch Spannungen in angrenzenden Teilen kompensiert werden können. In der Praxis kann dies durch Betrachtung eines fiktiven Stromes und seiner Drehrichtung um die kompensierenden Flächen bewiesen werden. Ein durch ein zu den Störfeldflächen 20, 21 orthogonales Magnetfeld H_s induzierter elektrischer Strom fliesst in entgegengesetzten Richtungen; zum Beispiel fliesst ein im kreisenden Abschnitt 23 induzierter Strom im Gegenuhrzeigersinn, währen der im kreisenden Abschnitt 22 induzierte Strom im Uhrzeigersinn fliesst. Wenn die Flächen 20, 21 von im Wesentlichen der gleichen Grösse sind, werden Spannungen gleicher Grösse, aber umgekehrten Vorzeichens durch das magnetische Störfeld H_s in den kreisenden Abschnitten induziert, wodurch die Wirkung des magnetischen Störfelds aufgehoben wird. Die Fläche 17 der Ausführungsform der 3, die einer nichtkompensierten Störfeldfläche entspricht, die zwischen dem ersten und zweiten Leiterabschnitt gebildet wird, ist somit in der Ausführungsform der 4 im Wesentlichen durch Kompensation beseitigt, und zwar mit Ausnahme der Eckflächen 24, 25 an den Enden 12, 13 des ersten Spulenabschnitts 6, die nicht kompensiert sind.
In Fühlern gemäss dieser Erfindung wird bevorzugt, die Leiterenden 3, 4 an eine sehr hohe Impedanz im Bereich von 10³ Ω anzuschliessen, um einen sehr kleinen induzierten Strom zu erhalten, während die Signalmessung der zwischen den Leiterenden 3, 4 induzierten Spannung entspricht.
Um die kapazitiven Effekte zwischen den Durchkontaktierungen 19 nahe dem Innenumfang zu verringern, kann ein leitender Abschirmring 26 mit sich radial erstreckenden Abschirmbahnen 27, die zwischen benachbarten Windungen 5 angeordnet sind, vorgesehen werden. Der Abschirmring kann elektrisch mit dem ersten oder zweiten Leiterabschnitt verbunden werden.
Auf 5 Bezug nehmend, wird hier eine weitere Ausführungsform gezeigt, die sich von der Ausführungsform der 4 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der zweite Leiterabschnitt 211 in Gestalt eines zweiten Spulenabschnitts vorliegt, der den ersten Spulenabschnitt 206 durchschiesst. Wie in 5 zu sehen, sind die Aussenumfangsabschnitte 216 des ersten Spulenabschnitts 206 auf der Oberseite der Leiterplatte 15 angeordnet, die Aussenumfangsabschnitte 216' des zweiten Spulenabschnitts 211 sind auf der Oberseite, und sie überlappen einander, um in der Projektion auf eine zum Primärleiterabschnitt orthogonalen Ebene eine Mehrzahl von im Gegenuhrzeigersinn kreisenden Abschnitten 222 des Störfeldes sowie eine Mehrzahl von im Uhrzeigersinn kreisenden Abschnitten 223 des Störfeldes zu erzeugen, die die induzierte Spannung eines magnetischen Störfeldes H_s ausheben. Des Weiteren werden für die aushebende Wirkung die Störfeldflächen 220, 221, die in die kreisenden Abschnitte 222, 223 eingeschlossen sind, so klein wie praktisch möglich gemacht, ohne eine kapazitive Kopplung zum Beispiel zwischen Durchkontaktierungen und angrenzenden Leitern zu bewirken, die die Resonanzfrequenz des Fühlers verringern könnte.
Auf 6 Bezug nehmend, die Bode-Auftragungen der Impedanz gegen die Frequenz für einen Fühler ählicher Konstruktion wie der Ausführungsform der 5 zeigt, wo der Innendurchmesser D_i 23 mm, der Aussendurchmesser D_o 65 mm und die Gesamtzahl N von Windungen des ersten und zweiten Spulenabschnitts 45 beträgt. Die Bode-Auftragungen der 6 zeigen, dass die erste Resonanzfrequenz des Fühlers gerade über 34 MHz liegt, was signifikant höher als die Resonanzfrequenz herkömmlicher Fühler ist, die, soweit bekannt, wenige MHz nicht übersteigt. Des Weiteren entspricht die nichtkompensierte Störmessfläche der Fühler-Ausführungsform der 5 den projizierten Flächen 224, 225, die in ihrer Grösse vergleichbar (d. h. weniger als zehnmal so gross wie) oder kleiner als die Messfläche Am einer Windung sind, während in einer herkömmlichen Konstruktion die Störfeldfläche, wie schon erwähnt, etwa 100 bis 200 Mal grösser als die Messfläche einer Windung sein kann.
In einem Fühler gemäss 7 hat der erste Leiterabschnitt Windungen 305, die am Rückverbindungspunkt 14 mit dem zweiten Leiterabschnitt 311 verbunden sind, der sich nur auf der Unterseite der Platte 15 erstreckt. Der überlappende erste und zweite Leiter abschnitt bildet im Gegenuhrzeigersinn kreisende Störfeldabschnitte 322 und im Uhrzeigersinn kreisende Störfeldabschnitte 323, die jeweils Störfeldflächen 320 bzw. 321 von ähnlicher Grösse einschliessen, so dass die durch ein magnetisches Störfeld H_s induzierte Spannung im Wesentlichen aufgehoben wird. Es sei bemerkt, dass die Flächen 320, 321 in dieser Ausführungsform nicht identisch sind, da sie unterschiedliche mittlere Abstände vom Rand 26 der Platte 15 haben, wobei sich die Wirkung eines magnetischen Störfeldes H_s, das durch einen Störstrom I_s in einem Leiter 9 erzeugt wird, wie 1/r verringert, wo r der radiale Abstand von der Mitte des Leiters 9 ist.
In einem Fühler gemäss 8, der mit einem ersten Leiterabschnitt 406 mit Windungen 405 versehen ist, die am Rückverbindungspunkt 14 mit einem zweiten Leiterabschnitt 411 verbunden sind, der konzentrisch um den Innenumfang nahe einer mittleren Position zwischen dem Innen- und Aussenumfang des ersten Spulenabschnitts auf einer Oberseite der Platte 15 zum Leiterende 4 zurückkehrt. Die Leiterabschnitte der Windungen 405 auf der Oberseite werden durch Lücken 27 unterbrochen, neben denen Oberflächen-Anschlusspunkte 28 für den Anschluss von Impedanzen über die Lücken, zum Beispiel von auf die Oberfläche aufgesetzten Widerständen, liegen. Die Impedanzen können so gewählt werden, dass die Leistung des Fühlers verbessert wird, zum Beispiel durch Dämpfung der ersten Resonanzfrequenz. Wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen der 4 bis 7 haben im Uhrzeigersinne und im Gegenuhrzeigersinne kreisende Störfeldabschnitte 422, 423 eine aufhebende Wirkung. Die kreisenden Abschnitte 422 auf der radial gesehen inneren Seite des zweiten Leiterabschnitts 411 haben aus den bereits erwähnten Gründen eine grössere projizierte Fläche 420 als die Fläche 421 des kreisenden Störfeldabschnitts 423 auf der radial gesehen äusseren Seite des zweiten Leiterabschnitts 411, d. h. um die unterschiedlichen Abstände von einem ein magnetisches Störfeld erzeugenden Leiter in Rechnung zu ziehen.
Im Fühler gemäss 9 hat sowohl der erste Leiterabschnitt 506 als auch der zweite Leiterabschnitt 511 Windungen, die durch Lücken 27, 29 unterbrochen werden, neben denen sich Oberflächen-Anschlusspunkte 28, 30 befinden, wo die Windungen sich durch die Lücken 27, 29 hindurch überkreuzen. Wie in der vorangehenden Ausführungsform überbrücken Impedanzen die Anschlusspunkte 28, 30. Benachbarte kreisende Störfeld abschnitte 522, 523 haben einander entgegengesetzte Kreisrichtungen, wodurch die Wirkung der magnetischen Störfelder H_s aufgehoben wird.
Auf 10 Bezug nehmend, können, während die vorher angeführten Ausführungsformen Spulenabschnitte in Gestalt von Luftspulen aufwiesen, die Spulenabschnitte auch mit einem Kern 31 versehen sein, der eine magnetische Durchlässigkeit von mehr als 1 besitzt, um das magnetische Feld in den Spulenabschnitten und somit die Grösse des Ausgangssignals zu erhöhen, obwohl die durch Hysterese des Kerns eingeführte Nichtlinearität in Betracht gezogen werden muss. Der Kern 31 kann zum Beispiel aus Ferrit bestehen und in einer Schicht 32 einer Mehrschichtenplatte oder eines Stapels von Platten untergebracht sein, wobei die obere und untere Schicht 33, 34 mit den Leiterbahnen 35, 36 der Windungen versehen ist, die zum Beispiel durch Durchkontaktierungen 37 miteinander verbunden sind. Schichten oder Platten können auch gestapelt werden, um die Messfläche Am der Windungen und somit die Grösse des Ausgangssignals zu erhöhen.
In einem Fühler gemäss 11a und 11b, der eine Mehrschichtenplatte oder gestapelte Platten 615 mit zumindest drei Schichten 633, 632, 634 umfasst, sind die Windungen 605 des ersten Leiterabschnitts 606 auf der Ober- und Unterseite der oberen bzw. unteren Schicht 633, 634 angebracht, während die Windung 605' des zweiten Leiterabschnitts 611 auf der Ober- und Unterseite der Innenschicht 632 angebracht ist, die zwischen der oberen und unteren Schicht 633, 634 angeordnet ist. Der überlappende erste bzw. zweite Spulenabschnitt 606, 611 definiert aneinander angrenzende, im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn kreisende Störfeldabschnitte 622, 623 von im Wesentlichen der gleichen Fläche 620, 621, wodurch die durch ein magnetisches Störfeld H_s induzierte Spannung aufgehoben wird.
Auf die Ausführungsform der 12a bis 12d Bezug nehmend, die eine Zweischichtenplatte bzw. gestapelte Platten mit den Schichten 733, 734 mit einer dazwischenliegenden isolierenden Schicht 732 zeigt. Die Windungen 705 des ersten Leiterabschnitts 706 sind auf der oberen Schicht 733, die Windungen 705' des zweiten Leiterabschnitts 711 sind auf der unteren Schicht 734 angeordnet. Die Windungen sind so angeordnet, dass die Leiterbahnen der entsprechenden Abschnitte der Windungen direkt darüber bzw. darunter und miteinander ausgerichtet positioniert sind, wie am besten in den schematischen Zeichnungen der 12b und 12c zu sehen. So definieren der obere Zweig 38 und der untere Zweig 39 sowie die orthogonalen Endzweige 41, 42, 43, 44 zusammen eine Messwindung mit einer Messfläche A_m, während der untere Zweig der oberen Windung und der obere Zweig der unteren Windung, 45 bzw. 46, in denen Strom in entgegengesetzten Richtungen fliesst, einander ausheben. Durch diesen Ausbau werden Flächen orthogonal zur Richtung des zu messenden primären Stromes, die der Wirkung von magnetischen Störfeldern unterliegen, ausgeschaltet, ausgenommen die Fläche 724 an der Verbindung der Leiterenden 3, 4 mit dem ersten bzw. zweiten Leiterabschnitt 706, 711.
In 12c sind der erste und zweite Leiterabschnitt am Rückverbindungspunkt 714 an den Durchkontaktierungs-Grenzflächen 714', 714'' der oberen bzw. unteren Schicht 733, 734 miteinander verbunden.
In der Ausführungsform der 13a ist der Fühler mit zwei getrennten Fühlerleitern 802, 802' versehen, die Leiterenden 804, 803 bzw. 804', 803' für einen Anschluss an einen Signalverarbeitungskreis besitzen. Die zwei getrennten Leiter 802, 802', die auf trennbaren Plattenhälften 815, 815' angebracht sind, ermöglichen die Positionierung um den Primärleiter 1 herum. Die Windungen des ersten und zweiten Leiterabschnitts können im Wesentlichen die gleichen wie die der anderen Ausführungsformen sein, zum Beispiel wie die der Ausführungsform der 5, ausser dass der Rückverbindungspunkt 814, 814' ungefähr halb herum gelegen ist, d. h. 180° von den Leiterenden 803, 804 bzw. 803', 804'.
Wie in 13b gezeigt, können die Platten 815, 815' überlappend sein, wobei die Verschiebung einer Platte relativ zur anderen in der Richtung des Stromflusses eine vernachlässigbare Wirkung hat.
Im Wesentlichen das gleiche Prinzip wird in der Ausführungsform gemäss 16 wiederholt, wo die beiden Hälften 915, 915' um einen Angelpunkt 47 offen geschwenkt werden können, indem die Fingergriffe 48 zusammengedrückt werden, die von einer Feder 49 auseinandergehalten werden.
Wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform sind die ersten und zweiten Leiterabschnitte 906, 911, 906', 911' an den Rückverbindungspunkten 914 bzw. 914' verbunden. Es kann bei der Ausführungsform der 16 bemerkt werden, dass der Fühler Öffnungen verschiedener Gestalt haben kann, zum Beispiel die längliche Öffnung 907, um die rechteckigen Primärleiter 1' aufnehmen zu können, wie sie typischerweise in Starkstromleitungen mit hoher Amperezahl verwendet werden.
Die ersten Spulenabschnitte 906, 906' der beiden Hälften 915, 915' sind am Angelpunkt 47 miteinander verbunden, so dass die beiden Enden 903, 904 der zweiten Leiterabschnitte 911' bzw. 911 die Leiterenden für den Anschluss des Signalverarbeitungskreises bilden.
In der Ausführungsform der 16 werden die zweiten Leiterabschnitte 911, 911' von den peripheren Abschnitten 916 der entsprechenden ersten Spulenabschnitte gekreuzt, so dass aneinander angrenzende, im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn kreisende Störfeldabschnitte 922, 923 gebildet werden, die wie in vorher beschriebenen Ausführungsformen die Wirkungen der magnetischen Störfelder H_s ausheben.
15 zeigt eine Ausführungsform, die in ihrem Ausbau der Ausführungsform von 16 sehr ähnlich ist, ausser dass der Fühler mit einem offenen Ende 50 versehen ist und daher den Primärleiter 1' nicht völlig umgibt, weshalb diese Ausführungsform nicht auseinanderklappbar sein oder anderweit getrennt werden muss. Jedoch muss die Gegeninduktivität zwischen dem Primärleiter und den Fühlerspulenabschnitten bestimmt werden, da die Spule den Primärleiter nicht völlig umgibt. Es sei bemerkt, dass in anderen hier beschriebenen Ausführungsformen der Träger bzw. die Platte 15 biegsam sein kann, so dass er/sie aus seiner/ihrer Ebene herausgebogen werden kann, um einen Schlitz 57 zwischen den Enden 12, 13 der Spulenabschnitte zu öffnen (siehe 3) und den Fühler um den Primärleiter zu positionieren.
Auf 17a und 17b Bezug nehmend, wird hier ein Fühler nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung zur Messung von zeitlich variablen Strömen zwischen einem entsprechenden Paar von Primärleitern 1', 1'' in Gestalt von flachen Starkstromleitern oder Blechsammelschienen gezeigt. Der Fühler umfasst einen Leiter 1002 zum Beispiel in Gestalt von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte 1015, wobei der Leiter aus einem ersten Leiterabschnitt 1006 mit einer Mehrzahl von Windungen 1005 besteht, der an seinem zweiten Ende 1013 beim Verbindungspunkt 1014 mit einem zweiten Leiterabschnitt 1011 verbunden ist, der den Leiter zum ersten Ende 1012 des ersten Spulenabschnitts zurückführt, sowie das Verbindungsende 4 zum Anschluss an einen Signalverarbeitungskreis. Eine Isolierschicht 51 ist auf beiden Seiten der Platte 1015 vorgesehen, um den Fühler bezüglich der Primärleiter 1', 1'' zu isolieren. Das zu messende Magnetfeld H_m, das von den Primärströmen I_m und -I_m erzeugt wird und zwischen den Leitern kreist, ist gut definiert und im Wesentlichen konstant über die Länge und Höhe des Fühlers, so dass der zu messende Strom präzise bestimmt werden kann. Ein bedeutender Vorteil dieser Ausführungsform ist ihre Kompaktheit und die Möglichkeit, sie leicht zwischen Paaren von Starkstromleitern zu positionieren, und zwar an vielen verschiedenen Positionen entlang dieser Leiter, in überfüllten Umgebungen oder wo Leiter schwer zugänglich sind.
Der Fühler der 17a und 17b kann aber auch ein Element einer Kette von Fühlerelementen, zum Beispiel in Gestalt eines Gürtels sein, der um einen der Starkstromleiter herumgeklemmt werden kann, wodurch das Messprinzip eines Rogowski-Spulenfühlers verwendet wird. Der erste bzw. zweite Leiterabschnitt 1006, 1011 hat eine Auslegung, die den entsprechenden Abschnitten der Ausführungsform der 15 oder 16 ähnlich ist, wodurch kreisende Leiterabschnitte, die magnetischen Störfeldern ausgesetzt sind, auf ein praktisches Minimum verringert (wobei der erforderliche dielektrische Abstand und die Herstellungstoleranzen in Rechnung gezogen werden) und mit kreisenden Abschnitten 1022, 1023 versehen werden, die sich gegenseitig kompensieren.
Zu 14 zurückkehrend, ist hier eine Fühler-Ausführungsform gezeigt, die der von 5 ähnlich ist, ausser dass die Windungen 205 des ersten und zweiten Spulenabschnitts als durch Zwischenräume 53 getrennte Pakete 52 zur Verfügung gestellt werden, um die Resonanzfrequenz zu erhöhen, und zwar aus ähnlichen Gründen wie die Bereitstellung von Windungspaketen in Transformatoren.

Claims

Stromfühler zur Messung eines zeitlich veränderlichen elektrischen Stromes (I_m) in einem Primärleiterstück (1, 1', 1''), wobei der Fühler einen Träger bzw. eine Platte sowie einen Fühlerleiter in Gestalt von leitenden Bahnen darauf oder darin einschliesst, mit einem ersten und zweiten Ende (3, 4, 803, 804, 803', 804', 903, 904) zum Anschluss an einen signalverarbeitenden Schaltkreis, wobei sich ein erster Leiterabschnitt vom ersten Ende aus erstreckt und eine Mehrzahl von Windungen (5, 205, 305, 405, 605, 705, 705', 1005) besitzt, um einen ersten Spulenabschnitt zu bilden, der sich von einem ersten Spulenabschnittsende zu einem zweiten Spulenabschnittsende erstreckt, und ein zweiter Leiterabschnitt vom zweiten Spulenabschnittsende zu einer Stelle nahe dem ersten Spulenabschnittsende und zum zweiten Ende zurückkehrt, wobei die jeweiligen Mittelpunkte der Windungen eine mittlere Spulenebene definieren, die im Wesentlichen parallel zu dem magnetischen Feld (H_m) verläuft, das durch den zu messenden, zeitlich veränderlichen Strom (I_m) erzeugt wird, wobei sich der erste und zweite Leiterabschnitt in der Projektion auf die mittlere Ebene überkreuzen, um eine Mehrzahl von Störfeldflächen zu definieren, die von einer Mehrzahl von im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn kreisenden Abschnitten des Störfeldfeldstromes (22, 23, 222, 223, 322, 323, 422, 423, 522, 523, 622, 623, 922, 923, 1022, 1023) umschlossen werden, deren Oberflächen und deren Anordnung so sind, dass die durch eine magnetische Störfeldkomponente (H_s) senkrecht zur mittleren Ebene in den im Uhrzeigersinn kreisenden Abschnitten des Störfeldes induzierte Spannung im Wesentlichen durch die in den im Gegenuhrzeigersinn kreisenden Abschnitten des Störfeldes induzierte Spannung aufgehoben wird.
Fühler gemäss Anspruch 1, worin sich der zweite Leiterabschnitt (11, 111, 911, 911', 1011) dem Aussenumfang (16, 916, 1016) des ersten Spulenabschnitts entlang erstreckt.
Fühler gemäss Anspruch 2, worin sich der Aussenumfang (16, 916, 1016) und der zweite Leiterabschintt (111, 911, 911', 1011) in regelmässigen Abständen kreuzen, um aufeinanderfolgende, im Uhrzeigersinne und im Gegenuhrzeigersinne kreisende Abschnitte des Störfeldes zu bilden.
Fühler gemäss Anspruch 3, worin der zweite Leiterabschnitt den Aussenumfang des ersten Leiterabschnitts an einer Stelle zwischen benachbarten Windungen kreuzt.
Fühler gemäss Anspruch 1, worin der zweite Leiterabschnitt eine Mehrzahl von Windungen umfasst, um einen zweiten Spulenabschnitt zu bilden.
Fühler gemäss Anspruch 1, worin die Windungen des zweiten Spulenabschnitts (211, 511, 611) zwischen den Windungen (205, 605) des ersten Leiterabschnitts (206, 506, 606) angeordnet sind.
Fühler gemäss Anspruch 6, worin sich die Windungen (205) des ersten und zweiten Leiterabschnitts (206, 211) an Abschnitten des Aussenumfangs (216, 216') kreuzen, so dass benachbarte aufeinanderfolgende, im Uhrzeigersinn und Gegenuhrzeigersinn kreisende Abschnitte des Störfeldes (222, 223) am Aussenumfang der Spulenabschnitte gebildet werden.
Fühler gemäss Anspruch 6, worin sich die Windungen des ersten und zweiten Leiterabschnitts (506, 511; 606, 611) an einer Stelle zwischen dem äusseren und inneren Umfang der Spulenabschnitte kreuzen, so dass benachbarte aufeinanderfolgende, im Uhrzeigersinne und im Gegenuhrzeigersinne kreisende Abschnitte des Störfeldes (522, 523; 622, 623), die sich vom inneren zum äusseren Umfang erstrecken, gebildet werden.
Fühler gemäss Anspruch 5, worin der erste und zweite Spulenabschnitt (606, 611; 706, 711) auf verschiedenen Schichten oder Platten (633, 632, 634; 733, 732) ausgelegt sind.
Fühler gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Fühler trennbare Teile für einen Zusammenbau um den Primärleiter herum enthält, wobei jeder Teil den genannten ersten und zweiten Leiterabschnitt aufweist, die miteinander an den Rückverbindungspunkten (814, 814'; 914, 914') verbunden sind.
Fühler gemäss dem vorangehenden Anspruch, worin die Rückverbindungspunkte an Stellen etwa 180° entgegengesetzt zu den Leiterenden (803, 804; 803', 804'; 903, 904) angeordnet sind.
Fühler gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, worin Leiterabschnitte von zumindest einigen der benannten Windungen von Lücken (27, 29) unterbrochen sind, die durch Impedanzen überbrückt werden.
Fühler gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Fühler ein im Wesentliches flaches Elemententhält, das einen geraden Abschnitt der benannten ersten Spule (1006) trägt, die zwischen ein entsprechendes Paar von Primärleitern (1', 1'') in der Gestalt von flachen Stromleitern eingeschoben werden kann.
Fühler gemäss dem vorangehenden Anspruch, worin der Fühler eine Mehrzahl der benannten flachen Elemente aufweist, die in Gestalt eines Gürtels zur Anordnung um den Primärleiter (1) herum ausgelegt sind.
Fühler gemäss einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin ein Kern (31) mit einer magnetischen Durchlässigkeit von mehr als 1 zwischen den oberen und unteren leitenden Abschnitt (35, 36) der Windungen eingesetzt ist.