DE69504700T2 - Stromfühler - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Nachweis elektrischer Ströme und insbesondere auf eine Einrichtung zum Nachweis kleiner elektrischer Ströme.
• Es gibt eine Anzahl von Situationen, in denen es erforderlich ist, elektrische Ströme zum Zwecke ihrer Überwachung nachzuweisen, und so wurden zur Erreichung dieser Zielsetzung eine Anzahl verschiedener Vorschläge unterbreitet. Auf dem Gebiet von Fehlerstromeinrichtungen ist es üblich, ein Ungleichgewicht im Strom, der durch spannungführende Leiter und Nulleiter fließt, dadurch nachzuweisen, daß man die Leiter durch einen Ringkern aus magnetischem Material führt und einen Teil des Ringkerns mit einer Sensorwicklung umgibt. Bei dieser Anordnung besteht im Falle eines Erdschlußfehlers ein Ungleichgewicht zwischen dem im spannungführenden Leiter fließenden Strom und dem im Nulleiter fließenden Strom, und dieses Ungleichgewicht hat zur Folge, daß in der Sensorwicklung ein Strom induziert wird. Diese Wicklung ist zur Anzeige des Fehlerzustandes an eine geeignete Schaltung angeschlossen.
• Fehlerstromeinrichtungen sind in zunehmenden Maße verbreitet, und demzufolge besteht ein fortlaufendes Bedürfnis, derartige Einrichtungen in möglichst effizienter und kostengünstiger Weise herzustellen. Deshalb wurde der Notwendigkeit, eine Sensorspule auf einen Ringkern aufzuwickeln, besondere Beachtung geschenkt, da dies eine relativ kostspielige Operation ist.
• Die europäische Patentanmeldung EP-A-0242560 beschreibt eine Anordnung zur kontaktlosen Messung des elektrischen Stroms in einem Leiter und bezieht sich auf eine Einrichtung, die einen Leiter aufweist, den ein Magnetkern umgibt. In einem Spalt im Magnetkern befindet sich ein Spalt, in dem ein magnetischer Feldsensor positioniert ist. Ziel dieser Erfindung nach dem Stand der Technik ist, die Meßempfindlichkeit der Einrichtung zu erhöhen, und dies wird vorzugsweise durch Verwendung eines Magnetkerns erreicht, dessen Querschnittsfläche sich mit zunehmendem Abstand vom Luftspalt vergrößert.
• Aus dem Artikel "Stromsensor als Mikrosystem" (Elektronik, Heft 42, Nr. 5, Oktober 1993, München, DE; Seite 42-44, XP 000396422; Rühl et al) ist bekannt, daß unterschiedliche Einrichtungen in den Luftspalt eines ringförmig ausgebildeten Elementes eingesetzt werden können, um Ströme nachzuweisen.
• Vorliegende Erfindung schlägt vor, ein Magneto-Widerstandselement als Ersatz für die Sensorspule in z. B. einem RCD-Element zu verwenden. Die Verwendung eines Magneto-Widerstandselementes ist jedoch nicht problemlos, und demzufolge sieht die vorliegende Erfindung ein im allgemeinen ringförmig ausgebildetes Element vor das so angeordnet ist, daß es bei einem vorbestimmten Magnetfluß gesättigt wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung für den Nachweis eines kleinen elektrischen Stroms vorgesehen, die ein im allgemeinen ringförmig ausgebildetes Element aus magnetischem Material mit einem Luftspalt und einen im Luftspalt angeordneten Sensor aufweist, der einen Magnetfluß abtastet, der ein Maß für den Strom in den durch das ringförmige Element geführten Leiteranordnungen ist, dadurch gekennzeichnet daß
• der Sensor ein Magneto-Widerstandselement ist, und
• mindestens ein Teil des ringförmigen Elementes so ausgebildet ist, daß bei einem vorbestimmten Magnetfluß eine Sättigung des Elementes bewirkt wird. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im folgenden eine Ausführungsform anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die die erfindungsgemäße Gesamtanordnung darstellt,
• Fig. 2 eine Ausbildungsform eines ringförmig ausgebildeten Elementes für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung zeigt, und
• Fig. 3 eine alternative Ausbildungsform eines ringförmig ausgebildeten Elementes für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Magnetoresistive Detektoren sind bekannt, und insbesondere wurden Magneto- Widerstandsbrücken hergestellt, die ihren Widerstand in Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld verändern. Ein Merkmal vorhandener Einrichtungen besteht darin, daß sie sich nur in einem kleinen Teil ihres Bereichs linear verhalten, und außerdem muß jeder Widerstand der Brücke mit Hilfe einer Permanentmagnetbeschichtung vormagnetisiert werden. In der Vergangenheit bedeutete dies, daß Magneto-Widerstandseinrichtungen auf Einsätze beschränkt waren, bei denen der nachzuweisende Magnetfluß ausreichend klein war, um eine Zerstörung der Permanentmagnetbeschichtung zu vermeiden, was auftreten könnte, wenn starke Magnetfelder auf die Einrichtung aufgeprägt würden. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn man für Fehlerstromeinrichtungen die Überwachung von Fehlerströmen in Erwägung zieht, die in einem Größenbereich von 30 Milliampere liegen, es ist jedoch durchaus möglich, daß Ströme in der Größenordnung von Ampere durch die Leiter fließen, die ihrerseits sehr starke Magnetfelder auf die Magneto-Widerstandseinrichtung aufprägen würden.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 zeigt diese die allgemeine Anordnung eines Sensors für eine Fehlerstromeinrichtung, und es ist zu sehen, daß sie eine magnetische Feldverbesserungseinrichtung in Form eines ringförmig ausgebildeten Elementes 10 aufweist, durch welches Leiter 12 verlaufen, die an den spannungführenden und den neutralen Anschluß zur Fehlerstromeinrichtung angeschlossen sind. Das ringförmig ausgebildete Element 10 ist mit einem mit Nummer 14 gekennzeichneten Luftspalt versehen, wobei im Luftspalt eine Magneto-Widerstandsbrücke 16 so angeordnet ist, daß sie von dem zwischen den Stirnseiten 14a, 14b des ringförmig ausgebildeten Elementes auftretenden Magnetfluß beeinflußt wird. Dies ist ein notwendiges Merkmal, da das MR-Element ein in-Ebene angelegtes Feld für optimierte Feldabtastung erfordert. Die im Sensor verwendeten MRs sind mäanderförmig ausgebildet, um den Gesamtwiderstand pro Flächeneinheit zu erhöhen. Die Sensoren werden unter Einsatz von HF- Bedampfungs- und Standard-Fotolithografieverfahren hergestellt, wobei der Sensor Leiterbreiten von 110 um mit einem Zwischenelement-Abstand von 2 um aufweist. Die Leiterbreite ist so ausgelegt, daß die Wirkung entmagnetisierender Felder an der Kante der Dünnfilmleiterbahnen reduziert und somit die Empfindlichkeit des Sensors erhöht wird. Die Erhöhung der Empfindlichkeit führt zu einer Verminderung der Sättigungsfelder des Sensors. Dieses Merkmal kann durch die Verwendung unterschiedlicher Leiterbreiten letztendlich für verschiedene Empfindlichkeits- und Sättigungsbereiche ausgelegt werden.
• Wenn im Hauptleiter Strom fließt, wird ein Magnetfeld in der Sensorebene angelegt. Die Feldstärke ist direkt proportional zur Größe und Richtung des Stroms im Draht und im Magnetschaltkreis und verkoppelt sich mit dem durch den Leiter generierten Feld. Die vier Elemente der Brücke sind komplementär in ihren Kennwerten und vermindern so die Temperaturdrift. Die Veränderung im Gesamtwiderstand der MR-Brücke ist eine Funktion des angelegten Feldes. Die Brückensignale können wechselstromgekoppelt zur Nullfehlerreduzierung einem Instrumentenverstärker zugeführt werden. Die Sensoren wurden mit einer rauscharmen, batteriebetriebenen Stromquelle gespeist.
• Vorzugsweise werden die Leiter 12 mindestens im Bereich des ringförmig ausgebildeten Elementes 10 miteinander verdrillt, um den Ausgleich von Strömen zu gewährleisten, wobei die Anordnung derart ist, daß im fehlerfreien Zustand kein Magnetfluß im Luftspalt 14 auftritt. In Gegenwart eines Erdschlußfehlers besteht jedoch ein Ungleichgewicht im Stromfluß durch die Leiter 12, wodurch ein Magnetfluß im ringförmig ausgebildeten Element hervorgerufen wird. Die Magneto- Widerstandsbrücke 16 erkennt das Vorhandensein eines Magnetfeldes im Luftspalt und erzeugt ein Signal, das dann in gewohnter Weise verarbeitet werden kann. Das ringförmig ausgebildete Element 10 ist aus hochpermeablem Material hergestellt, um die notwendige Empfindlichkeit zu gewährleisten, wobei zu beachten ist, daß die zur Induzierung eines Magnetfeldes verwendeten Fehlerströme im Bereich von 30 Milliampere oder darunter liegen. Zusätzlich ist das ringförmige Element 10 so ausgebildet, daß seine Sättigung bewirkt wird, und dies wird am einfachsten dadurch erreicht, daß man, wie durch den Buchstaben A in Fig. 2 oder Fig. 3 angedeutet, einen im Vergleich zur Querschnittsfläche der Stirnseiten 14a und 14b reduzierten Querschnittsflächenabschnitt herstellt. Es ist zu sehen, daß die reduzierte Querschnittsfläche vom Luftspalt entfernt angeordnet ist. Durch sorgfältige Bemessung der reduzierten Querschnittsfläche ist es möglich, den Magnetfluß im Luftspalt soweit zu begrenzen, daß eine Beschädigung der Magneto-Widerstandsbrücke 16 bei allen auftretenden Strömen vermieden wird.
• Es ist vorgesehen, das gesamte Gerät in einem Metallgehäuse unterzubringen, um den Ringkern und die Magneto-Widerstandsbrücke vor elektromagnetischen Streufeldern zu schützen.

Claims (5)

1. Einrichtung für den Nachweis eines kleines elektrischen Stroms bestehend aus einem im allgemeinen ringförmig ausgebildeten Element (10) aus magnetischem Material mit einem Luftspalt (14) und einem im Luftspalt angeordneten Sensor (16), der einen Magnetfluß abtastet, der ein Maß für den Strom in den durch das ringförmige Element (10) geführten Leiteranordnungen (12) ist, dadurch gekennzeichnet daß

der Sensor (16) ein Magneto-Widerstandselement ist, und

mindestens ein Teil des ringförmigen Elementes so ausgebildet ist, daß bei einem vorbestimmten Magnetfluß eine Sättigung des Elementes bewirkt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Elementes (10), das aufgrund seiner Ausbildung die Sättigung des Elementes (10) bei einem vorbestimmten Magnetfluß bewirken soll, ein Abschnitt mit reduzierter Querschnittsfläche (A) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei sich der Abschnitt mit reduzierter Querschnittsfläche (A) nur über einen Teil des ringförmig ausgebildeten Elementes (10) erstreckt, der vom Luftspalt (14) entfernt angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magneto-Widerstandselement (16) in Form einer Brücke ausgeführt ist.

5. Fehlerstromeinrichtung einschließlich einer Einrichtung zum Nachweis von kleinen elektrischen Strömen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.