DE60008656T2

DE60008656T2 - Induktiver Stromsensor zur Messung des Stroms in einem Leiter

Info

Publication number: DE60008656T2
Application number: DE60008656T
Authority: DE
Inventors: Olivier Pioch; Imad Smirani
Original assignee: Pioch SA
Current assignee: Pioch SA
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2020-08-19
Also published as: DE60008656D1; US6437555B1; FR2798470A1; EP1083432B1; FR2798470B1; JP2001108711A; EP1083432A1; ATE261130T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Sensor zur Messung eines Stroms durch einen Leiter, mit einer Spule, die allgemein die Form eines Ringes aufweist, der die Bahn des Leiters begrenzt, welche Spule sich in homogener Weise über den wesentlichen Teil des Umfangs des Ringes mit Ausnahme eines Teilabschnitts erstreckt, in dem die Spule eine strukturelle Diskontinuität aufweist.
Zur Messung des in einem Leiter fließenden Stroms ist es bekannt, um diesen herum eine Spule mit benachbarten Windungen anzubringen, die in sich geschlossen ist und eine ringförmige Spule bildet. Eine solche Spule ist unter dem Namen Rogowski-Spule bekannt.
Während eines Wechselstroms im Inneren des Leiters wird zwischen den Anschlüssen der Spule eine Spannung induziert. Diese Spannung ist proportional zur Ableitung der Stärke des durch den Leiter fließenden Stroms nach der Zeit. Zur Berechnung des Stroms werden die Anschlüsse der Spule an einen Integrationskreis angeschlossen, der an sich bekannt ist.
Ein solcher Sensor wird üblicherweise an den Eingangs- und/oder den Ausgangsschienen eines Dreiphasen-Transformators verwendet.
Bei diesen bekannten Einrichtungen ist ein Sensor an jeder der vier Schienen angebracht, die die dreiphasige Versorgung sicherstellen. Jeder Sensor umfaßt eine einzige Spule, die von einem unmagnetischen Träger getragen wird, der einen konstanten Querschnitt aufweist, und so in sich geschlossen ist, dass ein Ring gebildet wird. Die Spule umfaßt gleichförmige Windungen, die sich über den unmagnetischen Träger erstrecken. Der unmagnetische Träger weist eine Diskontinuität auf, die durch eine Unterbrechung gebildet wird, die durch die sich gegeneinander erstreckenden Enden begrenzt wird.
Außerdem weist diese Spule in diesem Bereich des nicht magnetischen ringförmigen Trägers eine strukturelle Diskontinuität auf, da die Anzahl der Windungen dort vermindert ist. Im allgemeinen ist der Bereich der Unterbrechung der nicht magnetischen Lagerung derjenige, der von Windungen frei ist. Dieser Bereich entspricht den Enden der Spule, von denen Drähte ausgehen, die die Kontakte der Spule bilden.
Im Bereich der Anbringung des Sensors sind die Schienen zur dreiphasigen Versorgung im allgemeinen nebeneinanderliegend angeordnet. Daher wird jeder der Sensoren durch den Strom beeinflußt, der durch die benachbarten Schienen fließt. Insbesondere kann aufgrund der Diskontinuität in dem toroidalen Aufbau der Spule entsprechend der Lage des Sensors um die Schiene herum und insbesondere aufgrund der Lage in bezug auf die benachbarten Schienen die an den Kontakten erhaltene Spannung signifikant aufgrund des Einflusses der benachbarten Phasen variieren, die durch die benachbarten Schienen strömen.
Daher verleiht im allgemeinen die Asymmetrie des Aufbaus der Spule dem Sensor eine große Empfindlichkeit gegenüber äußeren Magnetfeldern, und diese Empfindlichkeit hängt in besonderer Weise von der Lage des Sensors ab.
Die EP 0 652 441 offenbart eine Spule, die einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet. FR-A-2.559.268 offenbart einen weiteren spulenförmigen Sensor.
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen induktiven Sensor zu schaffen, der wenig empfindlich gegenüber einem magnetischen Störfeld ist, das insbesondere an Stromleiterschienen auftritt, die in der unmittelbaren Nachbarschaft angeordnet sind.
Zu diesem Zweck schafft die Erfindung einen induktiven Sensor gemäß Anspruch 1.
Gemäß den besonderen Ausführungsformen umfaßt die Erfindung eines oder mehrere Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung besser verständlich, die ausschließlich anhand eines Ausführungsbeispiels erfolgt und sich auf die folgenden Zeichnungen bezieht:
1 ist eine perspektivische Ansicht eines zerlegten induktiven Sensor gemäß der Erfindung;
2 ist eine Vorderansicht einer Spule, bevor sie die Form in der Konstruktion einer torischen Spule in einem erfindungsgemäßen Sensor annimmt;
3 und 4 sind Ansprechkurven eines Sensors nach dem Stand der Technik und eines erfindungsgemäßen Sensors bei vorhandenen und nicht vorhandenen Störfeldern.
Der erfindungsgemäße Sensor, der in 1 dargestellt ist, umfaßt insbesondere zwei identische Spulen 10, 12, die koaxial umgekehrt zueinander im Inneren eines Schutz- und Aufnahmegehäuses 14 angeordnet sind. Jede Spule umfaßt einen unmagnetischen Träger oder einen Kern 18, der durch eine geschlossene Schiene gebildet wird, so dass ein Ring gebildet wird. Die Enden des Kerns sind durch einen Zwischenraum 20 mit verminderter Breite gegenüber derjenigen der Spule getrennt.
Im Rahmen dieser Beschreibung bezieht sich der Begriff "Ring" auf das Volumen, das durch die Verschiebung eines um eine Achse geschlossenen Umfangs umschrieben wird, und die Verschiebung des geschlossenen Umfangs erzeugt die gesamte Mantelkurve. Ein solches Volumen wird gelegentlich irrtümlich als Torus bezeichnet.
Über die wesentliche Länge des Kerns 18 jeder Spule ist eine Anzahl von benachbarten Windungen gewickelt, die eine Spule 22 bilden. Die Windungen sind entlang der Länge des Kerns gleichmäßig voneinander beabstandet. Jede Spule umfaßt beispielsweise 1065 Windungen. Der für die Spule verwendete Draht hat einen Durchmesser von 0,25 mm.
Jede Spule umfaßt vorteilhafterweise zwei Lagen von im entgegengesetzten Sinn gewickelten Windungen, die in zwei übereinanderliegenden Schichten verteilt sind. Die zwei Lagen von Windungen haben die gleiche Anzahl von Wicklungen. Außerdem treten die Enden der Spule, die durch die Leitungsdrähte verlängert sind, gegenüber der Spule am gleichen Ende des Kerns hervor.
In 2 ist eine Spule 22 dargestellt, die auf dem Kern 18 angeordnet ist, bevor sie in die Form der Spule gebracht wird. Zur Verminderung der Herstellungskosten der einzelnen Spulen werden diese durch Teilen einer rechteckigen Schiene gebildet, die aus einem nicht magnetischen Material besteht, so dass der Kern 18 gebildet wird. Um diese Schiene sind die zwei Lagen von Windungen gewickelt. Die so gebildete Spule wird anschließend einem Formungsprozeß zur plastischen Verformung des Kerns 18 unterzogen. Diese plastische Deformation besteht in einem Biegen der zwei freien Enden des Kerns gegeneinander, so dass der Spule eine ringförmige Form verliehen wird, wie es in 1 gezeigt ist.
In dem betrachteten Beispiel weist der vorliegende Ring 2 gerade, parallele Hauptflächen 24, 25 auf, die miteinander durch halbkreisförmige Teilstücke 26, 27 verbunden sind. Die Enden des Kerns 18 sind in der Mitte der Fläche 24 gegenüberliegend und durch den Zwischenraum 20 getrennt angeordnet.
Es versteht sich, dass nach der Formgebung die Spule 22 jeder Wicklung eine strukturelle Diskontinuität 28 im Unterbrechungsbereich 20 aufweist. Insbesondere weist dieser Bereich keine Windungen auf.
Erfindungsgemäß umfaßt der Sensor zwei identische Spulen, die koaxial aufeinander auf solche Weise angeordnet sind, dass die strukturellen Diskontinuitäten 28 der Spulen symmetrisch bezüglich der gemeinsamen Achse der Spulen angeordnet sind, wie es in 1 gezeigt ist. Die Spulen sind somit in Serie verbunden und in einer ringförmigen Schutzaufnahme 14 untergebracht. Die Drähte, die die zwei Spulen in Serie verbinden, sind wie in 1 gezeigt angeordnet. Die Verbindungsdrähte der zwei Spulen sind entlang der Spule entlang ihres äußeren Umfangs in der Verbindungsebene der zwei aufeinander angeordneten Spulen angeordnet.
Das Gehäuse 14 ist durch Gießen aus einem Plastikmaterial geformt. Es umfaßt einen Boden 30 mit länglicher Form, der außen durch einen Mantel 32 begrenzt wird, der sich senkrecht zum Boden erstreckt. Im Inneren ist ein innerer Mantel 34 vorgesehen, der sich parallel zum äußeren Mantel 32 erstreckt. Diese begrenzen eine ringförmige Aufnahme 36 zur Aufnahme der Spulen 10 und 12. Die Höhe der Mäntel 30, 34 entspricht im wesentlichen dem Doppelten der Höhe einer Spule 10, 12.
Der innere Mantel 34 begrenzt außerdem einen länglichen Kanal 38 zum Durchlaß einer Führungsstange. Im allgemeinen hat der Kanal eine Form, die dem Schnitt der verwendeten Stange entspricht.
Der Boden 30 weist einen Vorsprung 40 auf, der eine Schräge bildet, die sich entlang der Länge des Gehäuses erstreckt. Dieser wird durch einen Absatz 42 abgeschlossen, von dem aus sich senkrecht eine Hülse 44 zum Durchlaß der zwei Anschlußdrähte der hintereinander geschalteten Spulen 10, 12 öffnet.
Zur Montage des Sensors werden die zwei Spulen 10, 12 im Inneren der ringförmigen Aufnahme 36 angeordnet. Ein einbettendes Harz wie etwa ein Polyurethan-Harz wird in das Gehäuse um die Spule herum eingefüllt. Hierdurch sind die Spulen 22 der Wicklungen in das einhüllende Harz eingebettet, so dass ein Schutz der Spulen gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen und eine Verstärkung der Verbindungen der Anschlußdrähte sichergestellt wird.
Die Anbringung der zwei Spulen in dem Sensor, bei denen die strukturellen Diskontinuitäten der Spulen beiderseits der Spulenachsen verteilt sind, ermöglicht es, den Einfluß dieser strukturellen Diskontinuitäten auf das gemessene Signal zu vermindern, falls äußere Störfelder vorhanden sind.
In 3 ist das Ansprechen eines Sensors nach dem Stand der Technik in Betrieb in seiner Position in bezug auf ein magnetisches Störfeld gezeigt. Der Sensor hat eine ringförmige Form und wird aus einer einzigen Spule gebildet, wie sie in 1 dargestellt ist. Demnach ist der Sensor identisch mit dem erfindungsgemäßen Sensor, abgesehen davon, dass er eine Spule und nicht zwei umfaßt.
Die Messungen wurden bei Abwesenheit eines Störfelds und in Anwesenheit eines Störfelds durchgeführt, und zwar in zwei bestimmten Positionen des Sensors. Die Messungen in Abwesenheit des Feldes sind durch Dreiecke markiert.
Bei vorhandenem Feld ist in einer ersten Position die strukturelle Diskontinuität des Sensors dem Leiter zugewandt, der das magnetische Wirbelfeld induziert. Die Ergebnisse der Messungen sind durch Kreise gekennzeichnet. In der anderen Position, in der die strukturelle Diskontinuität dem Leiter am Ursprung des magnetischen Störfelds gegenüberliegend angeordnet ist, sind die Meßergebnisse durch Quadrate gekennzeichnet.
3 ist zu entnehmen, dass die Ansprechfunktionen des Sensors bei den unterschiedlichen Intensitäten, bei denen die Messungen durchgeführt wurden, durch Geraden repräsentiert werden, deren Richtungskoeffizient der Empfindlichkeit des Sensors entspricht. Wird die Intensität erhöht, neigen die Geraden dazu, um einen erheblichen Betrag voneinander zu divergieren, der auf die Anwesenheit des Störfelds zurückzuführen ist.
In 4 ist die Ansprechfunktion eines Sensors gemäß 1 dargestellt, unter den gleichen Versuchsbedingungen. Es werden die gleichen Symbole verwendet. Dieser Figur ist zu entnehmen, dass die Geraden, die die Empfindlichkeit des Sensors in Abwesenheit und in Anwesenheit des Magnetfelds repräsentieren, sehr nah beieinander liegen, was eine Verminderung der Empfindlichkeit des Sensors gegenüber elektromagnetischen Störfeldern in der Umgebung zeigt.
In der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, umfaßt der Sensor zwei in Reihe geschaltete Spulen. In einer Abwandlung kann jedoch der Sensor mehr als zwei Spulen umfassen, insbesondere vier koaxial angeordnete Spulen, von denen jede Spule eine strukturelle Diskontinuität aufweist. Die strukturellen Diskontinuitäten sind bezüglich ihres Winkels gleichmäßig um die Spulenachse verteilt. Demnach sind die gemessenen Winkelabweichungen entlang der koaxialen Spulenachsen, die die strukturellen Diskontinuitäten trennen, gleich.

Claims

Induktiver Sensor zur Messung eines Stroms in einem Leiter mit einer Spule (10), die allgemein die Form eines Ringes aufweist, der die Bahn des Leiters begrenzt, welche Spule sich in homogener Weise über den wesentlichen Teil des Umfangs des Ringes mit Ausnahme eines Teilabschnitts (20) erstreckt, in dem die Spule eine strukturelle Diskontinuität aufweist, welcher Sensor wenigstens eine komplementäre, im wesentlichen identische Spule (12) umfaßt, welche Spulen (10, 12) koaxial zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (10, 12) derart orientiert sind, dass die strukturelle Diskontinuität der Spulen (10, 12) gleichmäßig im Winkel um die gemeinsame Achse der Spulen auf dem Umfang der Bahn verteilt sind, und dass die Spulen (10, 12) in Serie geschaltet sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Spulen (10, 12) umfaßt, die symmetrisch in Bezug auf ihre gemeinsame Achse angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule auf einen unmagnetischen Kern (18) gewickelt ist, der ringförmig ausgebildet ist.
Sensor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule (10, 12) eine Anzahl von Paaren von Lagen von verbundenen Windungen aufweist, die entlang dem Umfang des Ringes einander überlagert sind, welche Windungen der Lagen ein- und derselben Lage in entgegengesetztem Sinne aufgewickelt sind.
Sensor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen in einem Schutzgehäuse untergebracht sind.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgehäuse (14) eine ringförmige Kammer (36) zur Aufnahme der Spulen (10, 12) begrenzt, in denen die Spulen in einen Harz eingebettet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule (10, 12) auf ihrem Umfang zwei gradlinige, parallele Teilabschnitte (24, 25) aufweist, die miteinander durch zwei halbkreisförmige Teilabschnitte (26, 27) verbunden sind.