JP2010539451A - 電流の強度の測定装置および同等の装置を包含する電気器具 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、エネルギーの測定と保護および計量を組み合わせた応用と両立できる大きな測定範囲を提供する、電流の簡単で経済的な強度の測定装置に関しており、本発明は、擾乱磁場および測定する伝導体の位置に特に影響されず、その設置が容易になるために開くことができる。
【解決手段】本測定装置（１）は、同測定する電流で誘発される磁場の磁力線の流通のための閉鎖路（Ｃ）が伝導体（２）の周囲に画定されており、同閉鎖路は、測定する電流の強度（Ｉ）の導関数に比例する電圧を出すために対照的に配設してあり、数珠繋ぎに接続してあり、同等の２のコイル（４）で閉鎖されている幅の広い２の磁極間隙で隔離されている高い透磁率の２の磁盤（３０）からなる。同測定装置（１）は、どの型の電気器具にも容易に組み込める、嵩ばらないコンパクト性を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定する電流によって伝導体の周囲に誘発される磁場を誘導するために、測定する電流が貫流する伝導体に近接して配設してある少なくとも１の磁気回路、測定する電流の強度の導関数に比例する電圧を出すために同磁気回路に配設してある少なくとも１のコイル、ならびに測定された強度の値を提示するための同電圧の少なくとも１の処理用モジュールを含む電流の強度の測定装置に関する。本発明はまた、同種の装置を装備した電気器具にも関しており、同電気器具は、中性線付きまたは無しの単相か多相の断流器、断続器、遮断器または同等の装置であることができる。

伝導体を貫流する交流の強度を測定することのできる装置の型は幾つもある。最も一般的なのは、変圧器の一次コイルになる各伝導体に取り付けてある電気コア、ならびに変圧器の二次コイルになり、測定する強度に比例する電圧信号を出すために、コアの周囲に巻きつけてあるコイルを利用する電流の変圧器であるに違いない。しかしながら、同電流の変圧器は、特殊な製造法を必要とする。同変圧器は、比較的嵩張り、測定範囲が限られている。

流動する電流の強度の測定のために伝導体が巻きつけてある磁気回路の狭い磁極間隙内に配設してある、ホール効果型またはそれに類似する誘発センサーを利用する他の装置がある。測定する電流で誘発された磁場が貫流されると、この型のセンサーは、同電流の強度を表す電圧信号を放出する。しかしながら、同誘発センサーは、近隣の磁場すなわち擾乱磁場に特に影響されやすく、その作用で強度の測定がずれてくる。磁気回路の断面積を大きくすることによって、この欠点を排除できるが、嵩張りが増大する難点がある。更に、この型のセンサーは、開ループ形態で利用されているとき、測定範囲が非常に限定される。この範囲は、閉ループ形態を利用することによって、補償巻線が磁極間隙を無くすることができ、補償巻線を貫流する電流が一次電流の形になるので、確かに改善される。しかしながら、この型のセンサーは、補償電流が出せるために、比較的強い給電を必要とする。

別の装置は、測定する電流が貫流する伝導体の周囲に位置づけてある、宙に浮かしたコイルからなるロゴスキー原理を利用しており、同コイルは、１または数珠繋ぎにした複数の電気コイルからなることができる。飽和状態になる恐れのある磁気芯の欠如で、大幅な測定範囲を可能にしている。しかしながら、良質のロゴスキーコイルの工業生産は、同コイルが一定の線密度のスパイラルおよびスパイラルの一定の断面積を必要とするので、非常に複雑で費用が多く掛かり、均一生産が困難である。更に、開放式、すなわち既存の伝導体の周囲に容易に取り付けられるために２の部分からなる測定装置の実現も、均一なコイル巻きがこの種の装置の質の重要な要素であるので、同じく繊細である。

また、EP 0 438 616号およびEP 1 450 176号に公表されている装置のような別の装置は、厚さの大きい磁気回路の狭い磁極間隙内における局限的磁場の測定で強さの測定が行える。

技術のこの状態から、電流の強度を測定するための装置は、例えば切断器のような規格型電気器具の限定された規格寸法内に組み込むことのできる形状を有するものが全然ない。この種の方式では、機械に出し入れする伝導体との間で利用できる間隔は、例えば約15ないし30mmと比較的少ないので、存在する測定装置を各伝導体に設置するのは不可能になる。更に、伝導体が近接しているので、擾乱磁場が必然的に誘発されて、測定が狂ってくる。他方では、既存の装置は、特定の測定用途に当てられているので、限定された測定範囲しかない。したがって、測定強度範囲が少なくとも比率が10倍になるエネルギーの計量および／または過電流に対する保護の補足的応用に利用できない。

EP 0 438 616号 EP 1 450 176号

本発明は、多目的に使用できるとともに、必要に応じて、エネルギーの測定と計量および／または過電流に対する保護ができるために大きい測定範囲を有し、どの型の電気器具にも容易に組み込める、嵩張らない、経済的で簡単な設計の電流強度の測定装置を提案することによって、この問題の解決策をもたらすことを狙いとしており、本装置は、擾乱磁場および測定する伝導体の位置に影響されず、その設置を容易にする少なくとも２の部分からなることができるように考案してある。

この目的で、本発明は、磁気回路が開ループで、それぞれがコイルで閉鎖されている幅の広い少なくとも２の磁極間隙を画定していて、それによって同磁気回路と同コイルが磁場の流動のための閉鎖路を画定しており、同磁極間隙が磁気回路の厚さの少なくとも２倍の巾を有することを特徴とする、前述の種類の測定装置に関する。

本発明の好ましい形態では、閉鎖路は、ほぼ平行四辺形を呈し、磁気回路は、伝導体の両側に配設してある２の磁気要素および同伝導体の両側に配設してある磁気要素の磁極間隙内に配設してある２のコイルからなる。

別の実施態様では、閉鎖路は、ほぼ平行四辺形を呈することができ、磁気回路は、同伝導体の周囲に配設してある個数Ｎ個の磁気要素および同伝導体の周囲に磁気要素の磁極間隙内に配設してある個数Ｎ個のコイルからなる。

コイルは、同等のものであることで有利であり、対照的に組み立てられていて、数珠繋ぎに連結してあるので、その有効磁場が加わりあって、擾乱磁場が消滅する。各コイルは、プリント回路の形で製作してあることが好ましい。この場合、コイルのスパイラルは、相互に平行するスパイラルになるようにプリントされた回路の基板に刻んであってもよく、各スパイラルが平行する直線状の少なくとも１の上方細線および少なくとも１の下方細線を含んでおり、各スパイラルの少なくとも１の細線は、スパイラルを相互に連結するために同細線に対して傾斜している端部の短幹を含んでいる。変形態様では、本装置は、同コイルを製作するために利用するプリント回路に組み立てた、抵抗ブリッジまたはコンデンサによる電圧の測定装置を含むことができる。

好ましい実施態様では、磁気回路は、高い透磁率の強磁性材料で製作してあるので、測定する電流で誘発された磁場がコイル内の磁場に対して、同磁気回路内では無視できる。

同装置は、有利なことに、磁気回路とコイルが上に組み立ててある少なくとも１の支承用ベースプレートを含んでおり、同支承用ベースプレートは、伝導体を通すための少なくとも１の開口部およびコイルを処理用モジュールに接続するための少なくとも１の連結用電気回路を含んでいる。

好ましい方法で、本装置は、複数の伝導体を流れる電流の強度を個別的に測定するために配置され、この場合、それぞれが少なくとも１の磁気回路と少なくとも２のコイルを含む同等の複数の測定用構造体を含んでおり、支承用ベースプレートが測定用構造体集団に共用であることができる。

同測定装置は、伝導体が通される単一部材、または有利なことに、電気装置内に設置するときの伝導体の周囲に組み合わせる２の部材からなることができる。

本発明はまた、同装置に電力を供給する少なくとも１の伝導体内の電流の強度を測定するために配置してあることを特徴とする、上記に明示した少なくとも１の測定装置を含む電気器具にも関する。

本発明およびその利点は、添付図に照らして、限定的でない例として示す複数の実施態様の下記記述で、よりよく表れるだろう。すなわち、
本発明による測定装置の図式化した原理を示している。 本発明による測定装置を装備した電気器具の例の単純化斜視図である。 図２の測定装置の断面図である。 図３の測定装置のIV-IV における断面図である。 図３の測定装置の一部の斜視図である。 コイルの例の拡大斜視図である。 本発明による測定装置の変形態様の正面図である。 本発明による測定装置の変形態様の側面図である。 本発明による測定装置の変形態様の上面図である。

以後伝導体２と呼ぶ、電気の伝導体２すなわち電線を貫流する電流の強度Iを測定できる本発明による測定装置１の原理は、図1に示してある。同測定装置は、測定する電流Iにより、伝導体２の周囲に誘発される磁場を利用している。本発明では、同磁場の磁力線の流動は、スパイラルが閉鎖路Ｃの３分の１以上を占めており、同磁場の流動の方向に垂直に方向付けてある、以後、コイル４と呼ぶことにする、少なくとも２の電気用コイルで閉鎖されている少なくとも２の磁極間隙Ｅを画定する開放磁気回路３においてコントロールされている。宙に浮いているコイル４の中を流動する磁場と磁気回路３の中を流動する磁場を分析することによって、閉鎖路Ｃにアンペアの定理を適用する。高い誘磁率の磁気回路３を選択すれば、同磁気回路内を流動する磁場の成分は、コイル４の中を流動する磁場の成分に比して無視できる。この事実から、コイル４の端子における電圧は、測定する電流の強度Iの導関数に比例する。したがって、測定装置１の性能を左右するのは磁気回路３の質である。この目的で、磁気回路３は、鉄、ニッケルまたは類似金属をベースにした合金のような透磁率の高い強磁性材料で製作する。したがって、磁気回路３は、磁場を集中させるためでなく、その磁力線の配分を調節し、コイル４が占めていない区域で、同磁場の影響を制限するために利用する。コイル４の応答の最適化と、外部擾乱磁場に影響されない測定装置１が同時に得られる。

図１に示した測定装置１では、磁気回路３は開かれており、幅の広い２の磁極間隙Ｅで隔離されている、伝導体２の両側に配置してある、ほぼ平行の平らなまたは平らでない磁盤３０の形の２の磁気を帯びた要素を含んでいる。磁場の磁力線は、同磁盤３０に平行な、ほぼ直線的な閉鎖路Ｃにしたがって、同磁盤３０内を流動する。磁極間隙は、通常利用されている磁気回路の既知の「狭い」磁極間隙に比して、「広い」と形容できる。同磁極間隙Ｅは、それぞれ磁盤３０の厚さeの少なくとも２倍以上あり、コイル４を受け入れるのに十分に広い。用途に応じて、例えば15 mmないし150 mmの大きさであることができる。

同測定装置１は、空いている空間を残すことなく磁場の閉鎖路Ｃを閉じるために、２の磁盤３０間で各磁極間隙Ｅの内側に伸びている、伝導体２の両側に配置してある、ほぼ平行な２のコイル４も含んでいる。磁場の磁力線は、同コイルのスパイラルに垂直なほぼ直線的な閉鎖路Ｃにしたがって、コイル４の中を流動する。同２のコイル４は、測定する電流の強度Ｉの導関数に比例する出力電圧Ｕ（ｔ）をその端子に出すために数珠繋ぎに電気的に連結してある。同コイルは、有効な磁場が加重され、擾乱磁場を無視できるために、逆方向に巻いてある、同数のスパイラルを含んでいる。したがって、この構造で定めた閉鎖路Ｃは，ほぼ平行四辺形を呈する。

擾乱磁場と伝導体２の位置に対する測定装置１の影響の受けやすさは、コイル４の有効な表面積の大きさ、すなわちスパイラルの数掛ける各スパイラルの表面積と、擾乱磁場の表面積、とりわけ復行程コイルの表面積の大きさの割合に左右される。本発明で、どのようなコイル４をも利用できるとしても、プリント回路上に製作してあるコイル４が、この用途に特に適している。この技術は、確かに、コイルの形状と均一性の調整が非常に良好で、0.1 mmないし0.2 mm間隔のトラックの製作を可能にしている溝切りの精巧さによって、復行程コイルのレベルで擾乱磁場の表面積が著しく減少される。

擾乱磁場に対する耐性がコイル４の構造と配置で得られるので、磁気回路３の断面を著しく減少でき、したがって、測定装置１全体の嵩を著しく減少できる。更に、磁極間隙Ｅが広いことから、測定装置１は同磁極間隙の大きさの変化に影響されにくくなる。

更に、広い磁極間隙Ｅは、磁気材料内への誘発を限定し、したがって、狭い磁極間隙による現在行われている解決策に比して広範な測定範囲が可能になる。したがって、６３Ａないし１６０Ａ用の直径で、例えば１Ａから１６００Ａまでの範囲の大きな測定範囲の測定装置１が得られるので、エネルギーの測定と保護および計量の複合用途が可能になる。

上記に明示した通りの構造は、例として図２から図４までを参照しながら提示した電気器具１０に完全に組み込められる、非常に狭く、コンパクトな測定装置１が容易に製作できる。必要に応じて、伝導体２を通す、分解できる（少なくとも２の部材製）形式の測定装置１を提案することができる。

本発明による測定装置１は、測定する強度Ｉの数値を出すために、コイル４の出力電圧Ｕ（ｔ）の処理用モジュール（図示されていない）で補完される。伝統的に、同処理用モジュールは積分器であり、安定性を改善するために、出力のオフセットと騒音を無くするために、容量の連結と共に位相の補正段をそれに加えることができる。同処理用モジュールまたは同等のその他のモジュールは、本発明の対象ではないので、詳述しないことにする。

本発明による測定装置１はまた、後ほど説明するように、コイル４の製作に利用するプリント回路４０に組み立てる抵抗ブリッジ７１またはコンデンサの端子に測定手段７を補足できる。したがって、例えばエネルギー計量器、電力変換器または回路網の監視に利用する電流／電圧の複合制御装置を製作する目的で、伝導体２を貫流する電流の強度と同時に同伝導体の電圧を測定できる同じ測定装置１で、強度／電圧の複合センサーが得られる（図７Ｂで、点線で表してある）。抵抗ブリッジ７１またはコンデンサは、接続区域７２で、一方では、支承用ベースプレート５を経て処理用モジュール（図示されていない）に、他方では、有線の連結（図示されていない）または類似の連結で伝導体２自体に接続される。

図示していない別の変形態様では、本発明による測定装置１は、複数の磁極間隙Ｅを有する、別の形状を呈する開いた磁気回路３を含むことができ、各磁極間隙は、コイル４で閉鎖されて、多角形閉鎖路Ｃを画定している。

（本発明を実施するより良い方法）
図３と図４は、図２に示したように、電気器具１０に取り付けるために配置した、本発明による測定装置１の好ましい例を示している。同電気器具１０は、例えば、中性線付きまたは無しの単相または多相の断流器、断続器、遮断器または類似装置であることができる。図示の例では、電気器具１０は、４の伝導体２を含んでおり、内、３の位相と1の中性線を含んでいる。隣接する２の伝導体２間の間隔Ａは、例えば器具のタイプに応じて15 mmないし50 mmで、比較的短く、各伝導体に測定装置１を配置するのに、利用できる空間が少ない。同様に、利用できる高さＨは、前方および／または後方で、他の回路または電気器具への接続の制約に限定されているので、例えば30 mmないし80 mmである。

電気器具１０に取り付けてある測定装置１は、伝導体と同数の同等の測定用構造体１’を含んでいる。各測定用構造体１’は、各伝導体２の周囲に、図１に示した原則にしたがって、磁極間隙Ｅに配設してある２のコイル４に平行している２の磁盤からなる閉鎖路Ｃを含んでいる。各測定用構造体１’は、コイル４を処理用モジュール（図示されていない）に接続するための連結用電気回路（図示されていない）を含んでいる支承用ベースプレート５上に組み立ててある。同支承用ベースプレート５は、各伝導体のために、通路になる開口部５０を含んでいる。同測定装置１は、絶縁ケース６に格納してある。

特に図５を参照すると、各コイル４は、プリント回路４０の形で製作してある。同コイルは、測定する電流で誘発される磁場の磁力線が利用する閉鎖路Ｃに対して直交する、相互に平行しているスパイラル４１を含んでいる。２のコイル４は、前に説明したように、対置してあり、数珠繋ぎに接続してある。プリント回路４０の製作に利用する基質は薄く、約１ないし３mmである。基質の厚さは、スパイラルの線密度と同厚さとの比率を最適にするように選定するが、同厚さは、標準型技術で製作するプリント回路では、例えば1.6 mmに等しい。

スパイラル４１のコイルの図の例は、理解しやすいように比率を意図的に変えて拡大モードで図６に示した。基質に刻んだ各スパイラル４１は、直線状の細線４１a、基質に垂直な第一の連結用孔部で基質を貫通する第一の戻りループ４１ｂ、上方細線４１aに平行な直線状の下方細線４１ｃ、および基質に垂直な第二の連結用孔部４３を貫通する第二の戻りループ４１ｄを含んでいる。相互に平行なスパイラル４を製作するには、各スパイラルの上方細線４１aは、隣接する連結用孔部４３内にその戻りループ４１を開始できるように、同ループに比して傾斜している端短幹を含んでおり、以下同様で、傾斜端短幹４１eは、相互に平行している。もちろん、同等の他の図も適することができる。

図７Ａ，図７Ｂおよび図７Ｃは、本装置を電気設備内に設置するとき、はめ込み式ではなく、開放式で、伝導体３に組み立てることができるための本発明による測定装置１の「開放できる」形式を示している。この例では、磁気回路３の形状は逆である。すなわち、磁盤３０は、支承用ベースプレート５に平行しており、コイル４は、同ベースプレートに垂直である。支承用ベースプレート５は、磁盤３０の第１組およびコイル４を担持しており、同コイルは、相互に直接、同ベースプレート５に用意してある連結用電気回路に連結してある。同測定装置１は、容易に開放できる。支承用ベースプレート５と向かい合わせになる第２組の磁盤をケース６の可動性または取り外しできる部分に取り付けるだけで足りる。

この記述で、本発明が、決めておいた目標を達成することができ、電気的および電子的付属品の製造分野の既知の生産技術を活用することによって、工業的に実施できることは明白である。

本発明は、記述した実施態様例に限定されているのではなく、添付した特許請求の範囲に留まりながら、当業者にとって当然な変更および変形態様に及んでいるものとする。

１．測定装置
２．伝導体
３．磁気回路
４．コイル
５．ベースプレート
６．ケース
７．電圧測定手段
１０．電気器具
３０．磁盤
４０．プリント回路
４１．スパイラル
４１ａ．細線
４１ｂ．第一の戻りループ
４１ｃ．下方細線
４１ｄ．第二の戻りループ
４１ｅ．傾斜端短幹
４３．第二の連結用孔部
５０．開口部
５１．抵抗ブリッジ
７２．接続区域
Ａ．間隔
Ｃ．閉鎖路
Ｅ．磁極間隙
Ｈ．高さ
Ｉ．強度
Ｕ．出力電圧
ｅ．厚さ

Claims (17)

1. 測定する電流によって伝導体の周囲に誘発される磁場を誘導するために、測定する電流に貫流される伝導体（２）に近接して配設してある少なくとも１の磁気回路（３）、測定する電流の強度（Ｉ）の導関数に比例する電圧を出すために同磁気回路（３）に配設してある少なくとも１のコイル（１）および測定する強度の値を出すために同電圧の少なくとも１の処理用モジュールを含む、電流の強度（Ｉ）の測定装置（１）であり、同磁気回路（３）が開いていて、少なくとも２の巾広い磁極間隙（Ｅ）を画定しており、各磁極間隙がコイル（４）で閉鎖されているので、同磁気回路（３）と同コイル（４）が、同磁場の流動のために閉鎖している閉鎖路（Ｃ）を画定することを特徴とする装置。
2. 同閉鎖路（Ｃ）がほぼ平行四辺形を呈していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 同磁気回路（３）が、同伝導体（２）の両側に配設してある２の磁盤（３０）および同伝導体（２）の両側の磁極間隙（Ｅ）に配設してある２のコイル（４）からなっていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 同閉鎖路（Ｃ）が、ほぼ平行四辺形を呈していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 同磁気回路（３）が、同伝導体（２）の周囲に配設してある個数Ｎ個の磁盤（３０）、ならびに同伝導体（２）の周囲の同磁盤の磁極間隙（Ｅ）内に配設してある個数Ｎ個のコイル（４）からなっていることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 同コイル（４）が同等のものであり、その有効な磁場が加重され、擾乱磁場が消滅するように、同コイルが対照的に組み立ててあり、電気的に数珠繋ぎに接続してあることを特徴とする、請求項３または請求項５に記載の装置。
7. 各コイル（４）がプリント回路（４０）の形で製作してあることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１の請求項に記載の装置。
8. コイル（４）のスパイラル（４１）が相互に平行なスパイラル（４１）になるようにプリント回路（４０）に溝切りしてあり、各スパイラル（４１）が直線状の平行している少なくとも１の上方細線（４１ａ）と１の下方細線（４１ｂ）を含んでおり、少なくとも各スパイラル（４１）が、平行で直線状の少なくとも１の上方細線（４１ａ）と１の下方細線（４１ｃ）を含んでおり、各スパイラルの少なくとも１の細線（４１ａ、４１ｃ）が、スパイラルを相互に連結するために、同細線に対して傾斜している端短幹（４１ｅ）を含むことを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 同コイル（４）を製作するために利用する同プリント回路（４０）に組み立てておく、抵抗ブリッジ（７１）またはコンデンサに記載の電圧測定手段（７）を含むことを特徴とする、請求項７に記載の装置。
10. 同磁極間隙（Ｅ）の巾が、同磁気回路（３）の厚さ（ｅ）の２倍以上であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
11. 同磁気回路（３）が、強力な透磁率の強磁性材料で製作してあることにより、測定する電流で誘発された磁場が、同コイル（４）の磁場に対して、同磁気回路（３）内で無視できることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか1の請求項に記載の装置。
12. 同磁気回路（３）と同コイル（４）が上に組み立ててある少なくとも１の支承用ベースプレート（５）を含んでいて、同支承用ベースプレート（５）が、同伝導体（２）を通すための少なくとも１の開口部（５０）、ならびに同コイルを同処理用モジュールに接続するための少なくとも１の連結用回路を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
13. 複数の伝導体（２）内を流れる電流の強度（Ｉ）を個別的に測定するために配置してあり、それぞれが少なくとも１の磁気回路（３）と少なくとも２のコイル（４）を含む同等の測定用構造体（１’）を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. 同測定用構造体（１’）に共通な支承用ベースプレート（５）を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
15. 同伝導体（２）が中に通されるモノブロック部材からなることを特徴とする、請求項１〜１４にいずれか1の請求項に記載の装置。
16. 同伝導体（２）の周囲に組み立ててある少なくとも２の部材からなることを特徴とする、請求項１から請求項１４までのいずれか１の請求項に記載の装置。
17. 少なくとも１の同伝導体（２）の電流の強度（Ｉ）を測定するために配置してある、請求項１〜１６のいずれか1の請求項に記載の少なくとも１の測定装置（１）を含んでおり、同装置が少なくとも２の幅の広い磁極間隙（Ｅ）を画定する少なくとも１の開いた磁気回路（３）を含んでおり、各磁極間隙がコイル（４）で閉鎖されており、同磁気回路（３）と同コイル（４）が同磁場の貫流のための閉鎖している閉鎖路（Ｃ）を画定することを特徴とする、少なくとも２の伝導体（２）で給電されている電気器具（１０）。

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