DE69304999T2

DE69304999T2 - Rogowskispule

Info

Publication number: DE69304999T2
Application number: DE69304999T
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre Dupraz; Jean-Paul Gris
Original assignee: GEC Alsthom T&D SA
Current assignee: Grid Solutions SAS
Priority date: 1992-06-05
Filing date: 1993-06-02
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2013-06-03
Also published as: FR2692074B1; EP0573350A1; FR2692074A1; US5414400A; DE69304999D1; EP0573350B1; JP3490737B2; JPH06176947A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rogowski- Spule.
Unter einer Rogowski-Spule, manchmal auch Rogowski- Ring genannt, versteht man eine auf einen torusförmigen Kern aus nicht-ferromagnetischem Material gewickelte leitende Spule, die mangels Sättigung eine hervorragende Linearität besitzt.
Die Rogowski-Spule kann insbesondere für die Messung der Stromstärke bei Netzfrequenz verwendet werden.
Hierzu ist die Spule mit einem Widerstand R hohen Werts verbunden.
Die an den Klemmen der Spule abnehmbare Spannung ist das Bild der ersten Ableitung des Stroms, vorausgesetzt daß R² sehr viel größer ist als r²+ (Lω)², wobei r den ohm'schen Widerstand der Spule, L ihre Eigeninduktivität und ω die Kreisfrequenz des zu messenden Stroms ist.
Man braucht dann nur diese Spannung zu integrieren, um das Bild des Primärstroms zu gewinnen.
Eine Schwierigkeit bei der Strommessung mit Hilfe einer Rogowski-Spule klassischer Art beruht auf den Veränderungen der Parameter der Spule mit der Temperatur, die zu erheblichen Meßfehlern führen.
Eine andere Schwierigkeit beruht auf der Tatsache, daß eine klassische Spule mit einer vollständig axialen Symmetrie schwer herzustellen ist. Wenn aber die Spule nicht vollständig symmetrisch ist, hängt die Messung von der Lage des den Ring durchquerenden Leiters und von seiner Orientle rung ab. Für eine axiale Symmetrie muß die Wicklung zumindest aus einer doppelten Wicklungsschicht hin und zurück bestehen. Dies ist technisch schwer oder gar unmöglich zu realisieren, wenn man den Draht um einen Ring wickelt. In jedem Fall ist eine so hergestellte Spule teuer.
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine gegenüber Temperaturänderungen wenig empfindliche Rogowski-Spule vorzuschlagen.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Spule mit einer praktisch vollkommenen axialen Symmetrie vorzuschlagen. Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine relativ preiswert herzustellende Rogowski-Spule vorzuschlagen.
All diese Ziele werden erfindungsgemäß durch eine Rogowski-Spule erreicht, die mindestens eine Druckschaltungsplatte mit einem kreisförmigen Ausschnitt besitzt, wobei die Spule durch Aufbringen geradliniger Metallbahnen auf die beiden Seiten der Platte gebildet wird und die Bahnen derart radial verlaufen, daß ihre Verlängerung durch den Mittelpunkt des Ausschnitts verläuft, und wobei die elektrischen Verbindungen zwischen den radial verlaufenden Bahnen einer Seite und denen der anderen Seite über metallbeschichtete Löcher erfolgt, die die Platte durchdringen.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die aus den radial verlaufenden Bahnen und den Löchern gebildete Spule eine Wicklung in einer Richtung um den kreisförmigen Ausschnitt herum und eine Wicklung in der anderen Richtung um den kreisförmigen Ausschnitt herum, wobei ein Eingang und ein Ausgang auf einer gemeinsamen Seite der Platte liegen und die einen gegenseitigen Abstand von einigen zehntel Millimetern besitzen.
In einer besonderen Ausführungsform enthält die Spule mehrere Platten in zueinander paralleler, fester Anordnung, wobei die Spulen über elektrische Verbindungen senkrecht zu den Platten in Reihe geschaltet sind.
In einer besonderen Ausführungsform der Spule, die mehrere Platten enthält, sind die Platten quadratisch, wobei der Eingang und der Ausgang der verschiedenen Platten in einem Eck des Quadrats liegen und das erwähnte Eck der Platten so abgeschnitten ist, daß die Abmessungen von einer Platte zur nächsten variieren.
Vorzugsweise trägt eine der Platten die elektronische Schaltung zur Verarbeitung der in der Spule induzierten Signale.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt von oben eine erfindungsgemäße Rogowski-Spule.
Figur 2 zeigt schematisch die Herstellung der Wicklung der erfindungsgemäßen Spule.
Figur 3 zeigt in Perspektive eine Rogowski-Spule mit zwei aktiven Platten und einer Anschlußplatte.
Figur 1 zeigt von oben eine erfindungsgemäße Rogowski-Spule.
Sie enthält eine zweiseitig bedruckte Druckschaltungsplatte, vorzugsweise aus Epoxyharz, das vorzugsweise eine Glasfasermatte enthält und nur geringe thermische Ausdehnungen besitzt. Im Rahmen einer Variante besteht die Platte aus Keramik oder einem beliebigen ähnlichen Material mit einem sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizient.
Die Dicke der Platte beträgt vorzugsweise 1,6 mm.
Die vorzugsweise quadratische Platte enthält ein zentrales Loch 2, durch das das Kabel gesteckt wird, dessen Strom gemessen werden soll.
Die Wicklung besteht aus Kupferbahnen wie z.B. 3, die auf jede der Seiten der Platte aufgebracht sind. Diese Bahnen sind geradlinig und radial ausgerichtet, d.h. daß ihre Verlängerung durch den Mittelpunkt 0 der Platte verlaufen würde. Die Bahnen auf einer Plattenseite sind, wie später erläutert wird, mit den Bahnen auf der anderen Seite über metallbeschichtete Löcher 4 verbunden, die die Platte durchqueren.
Die metallbeschichtete Fläche ist chemisch durch eine Goldschicht kontrollierter Dicke stabilisiert, um den Innenwiderstand der Rogowski-Spule zu beherrschen.
Der Fachmann kann das Gold durch andere geeignete Materialien ersetzen und diese Beschichtungen durch geeignete Techniken schützen, beispielsweise durch Decklack.
Man erkennt in Figur 1 den Eingang 5 und den Ausgang 6 der Spule, die einen Abstand von einigen zehntel Millimeter besitzen, um die Axialsymmetrie der Wicklung nicht zu stören.
Die Bezugszeichen 7 bezeichnen Löcher für die Befestigung an anderen Platten, um eine Rogowski-Spule mit mehreren Platten zu bilden.
Figur 2 dient der Erläuterung des Aufbaus der Spule. Um eine vollkommene axiale Symmetrie zu erreichen, besteht die Spule aus zwei Wicklungen in Reihe, nämlich einer ersten Wicklung 10, die im Uhrzeigersinn verläuft, und einer zweiten Wicklung 20, die entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt ist. Figur 2 zeigt schematisch von oben einen Teil dieser Wicklung, wobei folgende Regeln gelten sollen: Die erste Wicklung 10 ist mit dicken durchgehenden Strichen dargestellt, wenn die Leiterbahn auf der sichtbaren Seite der Platte verläuft, und in unterbrochenen dicken Strichen, wenn die Leiterbahn auf der Rückseite verläuft. Die zweite Wicklung 20 ist mit durchgehenden oder unterbrochenen Doppelstrichen dargestellt, je nachdem, ob die Leiterbahn auf der sichtbaren oder der entgegengesetzten Seite liegt. Wegen der besseren Verständlichkeit der Zeichnung wurden die beiden strahlenartigen Leiterbahnen einer gemeinsamen Windung nebeneinander dargestellt, aber selbstverständlich liegen diese Leiterbahnen genau einander auf den beiden Seiten der Platte gegenüber. Der Pfeil F1 bezeichnet die Wickelrichtung der ersten Wicklung und der Pfeil F2 die der anderen Wicklung. Am Punkt P sind die beiden Wicklungen 10 und 20 in Reihe geschaltet.
Eine Platte mit den Abmessungen der Figur 1 kann etwa 250 Windungen besitzen. Es ist möglich, die Empfindlichkeit der Spule noch zu erhöhen, indem mehrere Platten wie in Figur 1 verwendet werden. Figur 3 zeigt eine Spule mit drei bewickelten Platten 31, 41, 51, die parallel nebeneinander liegen und durch Bolzen 60 aneinander befestigt sind, die durch die Löcher 7 verlaufen. Die Platten 31 und 41 besitzen dreieckige Ausschnitte ungleicher Abmessungen, um die Anschlüsse der Spulen mit Hilfe von nicht dargestellten Leitern zu erleichtern, die die Platten senkrecht zu ihrer Ebene durchqueren.
Die Platte 51 hat keinen Ausschnitt mehr und ist in dem Beispiel der Figur 3 rechteckförmig. Sie trägt die elektronische Schaltung zur Verarbeitung der in die Rogowski-Spule induzierten Signale, wobei diese Schaltung symbolisch durch ein Rechteck 61 angedeutet ist. Auf diese Weise ergeben sich sehr kurze Verbindungen, die keine Störsignale induzieren. Es sei bemerkt, daß die Ausgangsanschlüsse mit Hilfe von Leiterbahnen (Metallbeschichtungen) erfolgen, die auf einer gemeinsamen Seite der Platte liegen, so daß der Einfluß des durch den zu messenden Strom erzeugten Magnetfelds minimiert wird.
Die Erfindung läßt sich preiswert realisieren. Sie ergibt eine hohe Meßgenauigkeit, da durch die Verwendung von Epoxyharz die Veränderung des Widerstands der Spule mit der Temperatur sehr gering ist, in der Größenordnung von 80 10&supmin;&sup6; pro Grad.
Dieser Umstand erlaubt auch eine Überwachung der Qualität der Beschichtung durch einfache Messung des Widerstands der Wicklung.

Claims

1. Rogowski-Spule, die mindestens eine Druckschaltungsplatte (1) mit einem kreisförmigen Ausschnitt (2) besitzt, wobei die Spule durch Aufbringen geradliniger Metallbahnen (3) auf die beiden Seiten der Platte gebildet wird und die Bahnen derart radial verlaufen, daß ihre Verlängerung durch den Mittelpunkt des Ausschnitts verläuft, und wobei die elektrischen Verbindungen zwischen den radial verlaufenden Bahnen einer Seite und denen der anderen Seite über metallbeschichtete Löcher (4) erfolgt, die die Platte durchdringen.

2. Rogowski-Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den radial verlaufenden Bahnen und den Löchern gebildete Spule eine Wicklung (10) in einer Richtung um den kreisförmigen Ausschnitt (2) herum und eine Wicklung (20) in der anderen Richtung um den kreisförmigen Ausschnitt (2) herum enthält, wobei ein Eingang (5) und ein Ausgang (6) auf einer gemeinsamen Seite der Platte liegen und einen gegenseitigen Abstand von einigen zehntel Millimetern besitzen.

3. Rogowski-Spule nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Platten (31, 41, 51) in zueinander paralleler, fester Anordnung besitzt, wobei die Spulen über elektrische Verbindungen senkrecht zu den Platten in Reihe geschaltet sind.

4. Rogowski-Spule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (31, 41) quadratisch sind, wobei der Eingang und der Ausgang der verschiedenen Platten in einem Eck des Quadrats auf einer gleichen Seite der entsprechenden Platte liegen und das erwähnte Eck der Platten so abgeschnitten ist, daß die Abmessungen von einer Platte zur nächsten variieren.

5. Rogowski-Spule nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Platten (51) die elektronische Schaltung (61) zur Verarbeitung der in der Spule induzierten Signale trägt.

6. Rogowski-Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Karte Epoxyharz ist.

7. Rogowski-Spule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz eine Glasmatte enthält.

8. Rogowski-Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Karte einen sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten hat, wie z.B. eine Keramik.

9. Rogowski-Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbeschichtung chemisch stabilisiert ist, beispielsweise durch eine Metallschicht wie z.B. Gold.

10. Rogowski-Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckschaltung eine Schutzbehandlung erfährt, beispielsweise aus einem Deckharz.