JP4757721B2

JP4757721B2 - 差動電流を測定する測定装置、１つの該測定装置を備えるトリップモジュール、及び１つの該モジュールを備えるスイッチギヤユニット

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Publication number: JP4757721B2
Application number: JP2006175333A
Authority: JP
Inventors: パトリック、マス; セバスチャン、ビュッファ
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: BRPI0602440B1; EP1736784B1; CN100526888C; DE602006000237T2; FR2887634A1; EP1736784A1; CN1885044A; US7567074B2; DE602006000237D1; FR2887634B1; JP2007017435A; ES2296273T3; ZA200605052B; ATE378604T1; US20060290454A1; BRPI0602440A

Description

本発明は、少なくとも２本の電流線における差動電流を測定する装置に関する。前記装置は、電流線を囲んで変圧器の一次回路を形成するよう設計した第１磁気回路を含むと共に、前記磁気回路の周囲に巻かれて変圧器の二次回路を形成する第１の二次巻線を含む。金属シールドは、第１の二次巻線と磁気回路とを囲む。

電気電流線あるいは導電体２５に流れる差動電流の存在を検出するために、磁気コア１６の周囲に巻かれた第１の二次巻線１１を含む差動センサを使用することは、極めて一般的な方法である。図１及び図２に示すように、詳細には、円形又は矩形である前記磁気コアが電気電流線又は導電体２５を囲む。以下、電気電流線又は導電体を電流線と称する。

磁気コア１６上に巻かれた第１の二次巻線１１は、電流線２５が一次回路を形成する変圧器の二次巻線を形成する。前記二次巻線は、測定信号を供給する。実際には、二次巻線の端部に供給される電圧は、電流線２５に流れる電流の合計の強度に正比例する。差動センサの第１の二次巻線１１は、スイッチギヤ装置５０の処理手段２９に接続するように設計される。詳細には、これら処理手段２９は受け付けた信号を分析して、電気電流線２５上に配置された接点３０を開放するように指示することができる。接点３０の開放は、継電器３１を介して操作機構３２によって行われる。

弱電流を測定するように設計された、このタイプの差動センサ９の感度は大きいため、第１の二次巻線１１は一般にシールド１０内に配置する。

差動センサのシールド１０は、場合によっては差動電流の測定誤差を生じる可能性のある外部擾乱の影響を低減すると共に、負荷電圧が急激に変化した場合には、スプリアストリッピングを引き起こす。

欧州特許(EP)0959484及び国際公開(WO)9119305に記載されているように、差動センサの周囲に配置したシールド１０を使用することは、非常に良く知られている。シールド１０はいくつかの部分、詳細には外部シールド、内部シールド、及び少なくとも１つの側部シールドから構成され得る。

差動電流の測定は一般に、電流線２５にそれぞれ流れる電流の測定と同時に行なわれる。電流線２５にそれぞれ流れる電流を、以下では主電流と称する。

低強度の電流を測定するように設計された差動センサ９は、主電流に関する情報を提供することができない。差動センサは実際に、高強度の電流、詳細には短絡電流が存在すれば、急激に飽和する。

電流の測定は一般に、電流線２５のそれぞれに配置した電流センサ２２によって行われる。図１に示すように、電流センサ２２は従来の方法によりスイッチギヤ装置５０の処理手段２９に接続される。前記センサの目的は、電流線２５に流れている電流の測定であるため、詳細には処理手段２９に情報が送られることで、前記センサが配置されている電流線を保護することが可能となる。

また、これら電流センサ２２は、電源手段２８に接続されて、処理手段２９に電力を供給することができる。よって、電流センサ２２が存在することにより、差動センサ９に付随する処理手段２９への電力供給は、補助的な電源を有することなく実行される。

前記スイッチギヤ装置内で利用できる空間に限りがある場合には、スイッチギヤ装置５０に電流センサ２２，９のセットを配置することが問題となる可能性がある。図１に示すように、スイッチギヤ装置５０が４極又は３極のユニットであり、電流線２５の各々が電流センサ２２を含む場合、及び差動センサ９が電流線２５を囲む場合には、特に上記のことがあてはまる。

EP1045500には、電流センサを３つではなく２つのみ使用して上記問題を解決する方法が詳細に示されている。第３の電流線からの情報の欠落分は、２つの電流センサからの情報を元に、電気処理によって再構成することができる。しかし後者の構造では、電流センサを持たない電流線上で単相の短絡電流が発生した際には保護が実施されない。一般に、数十ミリアンペアの弱い電流を測定するように設計されている差動センサは、その後、短絡電流の存在により飽和してしまい、いかなる情報も提供することができない。

したがって本発明の目的は、従来技術の欠点を改善し、弱い差動電流と強い短絡電流の測定を可能とする幅広い測定範囲を有する差動電流測定装置を提供することにある。

本発明による測定装置は、金属シールドの少なくとも一部を囲むと共に、少なくとも１つの第２電流センサの第２磁気回路を形成する、少なくとも１つの第２の二次巻線を含む。前記第２の電流センサは、少なくとも１本の電流線に流れる電流を表す電気信号を供給するように設計される。

好ましくは、金属シールドは、外部シールド、内部シールド、及び少なくとも１つの側部シールドから構成される。

金属シールドは、２つの側部シールドを有するのが有利である。

特定の実施形態においては、少なくとも１つの第２の二次巻線が、前記外部シールドの少なくとも一部と、前記内部シールドの少なくとも一部と、前記側部シールドの少なくとも一部と、を囲む。前記少なくとも１つの第２の二次巻線が前記シールドを囲むことにより、少なくとも１つの第２電流センサの磁気回路が形成され、各シールドが電流線を囲む。

第２の二次巻線は、金属シールドを完全に囲むことが有利である。

少なくとも１つの第２の二次巻線は、側部シールドのうちの１つの少なくとも一部を囲むことが有利である。

少なくとも１つの第２の二次巻線は、２つの側部シールドのうちの１つを囲むことが有利である。

本発明を発展させると、少なくとも１つの第２の二次巻線が第１側部シールドの少なくとも一部を囲み、少なくとも１つの第２の二次巻線が第２側部シールドの少なくとも一部を囲む。囲まれた前記シールドが、少なくとも２つの第２電流センサの磁気回路を形成する。

特定の実施形態においては、第２の二次巻線によって囲まれたシールドの少なくとも１つは、少なくとも１つのエアギャップを含む。

スイッチギヤ装置に接続されるように設計され、Ｎ本の電流線を有するトリップモジュールは、上記で定義したように差動電流を測定する測定装置を含む。測定装置は、電流線の周囲に配置する。差動電流を測定する装置の第２電流センサは、スイッチギヤ装置の電源手段又は処理手段の少なくとも一方に接続するように設計し、差動電流測定装置の第１の二次巻線は、前記スイッチギヤ装置の処理手段に接続するように設計する。

有利には、磁気回路上に巻き付けられ、スイッチギヤ装置の電源手段に接続するように設計された第１巻線を含む混合流センサを、少なくとも（Ｎ−１）本の電流線のそれぞれに設ける。混合流センサはまた、非磁気回路上に巻き付けられて、スイッチギヤ装置の処理手段に接続するように設計された第２巻線を含む。

少なくともＮ本の電流線を保護するように設計されたスイッチギヤ装置は、電源手段と、処理手段と、電気接点開放機構とを含むと共に、上記で定義したトリップモジュールを含む。スイッチギヤ装置の処理手段は、前記トリップモジュールの差動電流を測定する装置に接続する。

有利には、電源手段は、巻線を介してトリップモジュールの混合流センサに接続すると共に、差動電流を測定する装置の少なくとも１つの第２の二次巻線に接続する。

有利には、処理手段は、巻線を介してトリップモジュールの混合流センサに接続すると共に、差動電流を測定する装置の第１の二次巻線に接続する。

その他の利点及び特徴は、非制限的な例示であると共に添付の図面に示す、以下の本発明の特定の実施形態の記載から、より明らかとなろう。

図３及び図４に示す本発明の好適な実施形態によれば、差動電流を測定する装置９は、略密閉された矩形の輪郭を有する磁気コア１６を含む。前記磁気コアは、結晶又はナノ結晶合金に由来する高浸透性の磁気材料から構成される。磁気コア１６の断面は矩形であり、磁気コア１６は巻線型細片構成、又は複数のプレートを積み重ねた構成とすることができる。差動電流９を測定する装置の感度を最適化するために、磁気コア１６にはエアギャップを設けない。前記磁気コアは、それを囲む電流線２５に適合するように設計する。

電流線２５に流れることが可能な差動電流を測定するように設計した第１の二次巻線１１が磁気コア１６を囲む。磁気コア１６の全周を囲むように、第１の二次巻線１１を配置する。

このようにして、この第１の二次巻線１１は変圧器の二次巻線を形成する。一次回路は、電流線２５によって形成される。第１の二次巻線１１は、連結線１７を介してスイッチギヤ装置５０の処理手段に接続するよう設計する。

差動電流の測定における外部擾乱の影響を制限するために、金属シールド１０を使用する。このシールド１０は、外部シールド１４、内部シールド１３、及び少なくとも１つの側部シールド１２を含む。ここで説明する実施形態では、外部擾乱の影響をできる限り制限するために、２つの側部シールド１２Ａ，１２Ｂを使用する。シールド１０の各部分１２，１３，１４で電流線２５を囲むことが好ましい。シールド１０の各部分１２，１３及び１４の形態は、巻線型細片形状、又はプレート状のものを積み重ねた形状とすることができる。

シールドは、高飽和性と、好ましくは高透磁性とを有する磁気材料から構成される。高飽和性を選択することは、強い主電流の存在下ではシールドが飽和しないことを意味する。

少なくとも１つの第２の二次巻線２は、シールド１０の一部を囲む。図３及び図４で示す本発明の実施形態によれば、第２の二次巻線２は、外部シールド１４の少なくとも一部と、内部シールドの少なくとも一部と、側部シールド１２Ａ，１２Ｂの少なくとも一部とを囲む。シールド１３，１４，１２Ａ，１２Ｂのそれぞれは、電流線２５を囲む。

第２の二次巻線２に囲まれた前記シールドは、第２電流センサの磁気回路を形成する。第２電流センサは、接続線３７を介してスイッチギヤ装置５０の処理手段２９に接続するように設計される。

本願のようなタイプによれば、この第２電流センサは、前記スイッチギヤ装置の処理手段２９又は電源手段２８の少なくとも一方に接続できる。

この第２センサは、差動センサの測定範囲を拡大するべく、高強度の差動電流の測定を行なうよう設計することができる。ここで説明する実施形態によれば、シールドを生成するために使用する材料は、鉄（Ｆｅ）とケイ素（Ｓｉ）の合金である。この合金（ＦｅＳｉ）は、弱い差動電流の測定に十分な透磁性は備えていない。そのため、シールドがエアギャップを含まない場合には、実際には中程度及び強い作動電流、即ち３００ミリアンペア以上の電流を測定することが可能である。

さらに、このセンサはまた、高強度の主電流、詳細には混合流センサ２２が設けられていない電流線上の主電流を測定することができる。電流が流れる時にシールド１０が飽和されないように、シールド１０の少なくとも一部にエアギャップ６０を作製することが不可欠である。

図５で示す本発明の第２の実施形態によれば、少なくとも１つの第２の二次巻線２により、金属シールド１０が完全に囲まれる。

図６で示す本発明の代替的な実施形態によれば、少なくとも１つの第２の二次巻線２は、２つの側部シールド１２Ａ又は１２Ｂのうちの１つの少なくとも一部を囲むことができる。二次巻線２に囲まれたシールド１０の部分は、電流線２５を囲む。

図７に示す本発明のまた別の代替的な実施形態によれば、第２の二次巻線２は、側部シールド１２Ａ，１２Ｂを完全に囲むことができる。

図８から図１０に示す本発明の別の代替的な実施形態によれば、第２の二次巻線２ａが第１の側部シールド１２Ａの少なくとも一部を囲み、第２の二次巻線２ｂが第２の側部シールド１２Ｂを囲むことができる。第２の二次巻線２ａ，２ｂにより前記シールドが囲まれることで、少なくとも２つの第２電流センサの磁気回路が形成される。

別の代替的な実施形態によれば、磁気コア１６の輪郭は、円形、卵形、又は楕円形とすることができる。

詳細には、本発明の異なる実施形態による差動電流測定装置９は、スイッチギヤ装置５０に指示を送るように設計されたトリップモジュール４０と組み合わせるように設計する。トリップモジュール４０は、少なくともＮ本の電流線２５と接続するように設計されたスイッチギヤ装置５０に接続するように設計する。本発明の実施形態による差動電流測定装置９は、Ｎ本の電流線２５の周囲に配置される。

さらに、トリップモジュール４０は、少なくとも１つの電流線２５上に配置した少なくとも１つの混合流センサ２６を含むことが好ましい。前記センサ２６は、磁気回路３３上に巻かれた第１巻線３５を含む混合磁気センサであると共に、スイッチギヤ装置５０の電源手段２８に接続するように設計する。混合流センサ２６は、スイッチギヤ装置５０の処理手段２９に接続するように設計した第２巻線３４を含む。第２巻線３４は、測定すべき電流の流れる電流線２５の周囲に配置された非磁性材料からなる支持体上に巻かれる。第２巻線３４は、前記電流線２５が一次巻線を形成する変圧器の二次巻線を形成する。二次巻線は、電流線２５に流れる電流の強度に正比例する測定信号を供給する。飽和し易い磁気コアがないため、広い測定範囲を実現することができる。アセンブリ３４，２５は、前記センサが設けられた電流線上で単相短絡が発生した際の保護を目的としたロゴスキー型センサを形成する。混合流センサ２６の特徴については、同一出願人により出願された仏国特許出願第0405199号にその全てが記載されている。それらの点については、本願の記載の一部として、かかる特許出願の記載を参照し、その内容を援用する。

実施形態において、（Ｎ−１）本の電流線２５はそれぞれ、混合流センサ２６を有する。

さらに、本発明によるトリップモジュール４０を回路遮断器等の電気的スイッチギヤ装置５０に統合することができる。

回路遮断器５０を、電流線２５上に装備する。トリップモジュール４０の混合流センサ２６の第１巻線３５は、スイッチギヤ装置５０の電源手段２８に接続する。第２巻線３４は、処理手段２９に接続する。処理手段２９には、電源手段２８により電力が供給される。

図１１で示すように、（Ｎ−１）本の電流線２５は、それぞれ混合流センサ２６を含む。

スイッチギヤ装置５０の作用を、以下に示す。差動センサ９が差動電流を検出すると、この情報を受け付けた処理手段２９は、継電器３１を介して接点３０を開放させる指示を開放機構３２に送る。処理手段２９には、（Ｎ−１）個の混合流センサ２２の巻線３５を介して、電源手段２８により電力が供給される。

電流線２５のうちの１つにおいて短絡が検出されると、処理手段２９は継電器３１を介して接点３０を開放させる指示を開放機構３２に送る。

混合流センサ２６を含まない電流線２５上で短絡が生じた場合には、処理手段２９が差動センサ９の第２センサを介して短絡情報を受け付け、それを分析する。処理手段２９は次いで、継電器３１を介して接点３０を開放させる指示を開放機構３２に送る。

このように、この新しい構造では、差動センサ９の第２センサが存在することにより、混合流センサ２６を含まない電流線上に単相短絡が生じても、装置の保護が保証される。さらに、差動センサ９が短絡電流の存在により飽和しても、接点３０を開放させる指示が送られる。

代替的な実施形態によれば、処理手段２９により、電流センサ２６を設けられていない最後の電流線に流れる電流Ｉ２の損失値を、２つ又は３つの混合流センサ２６の測定信号Ｉｓｎ，Ｉｓ１，Ｉｓ３から再構成することができる。

信号Ｉｓｎ，Ｉｓ１，Ｉｓ３は、保護すべき電流線２５に流れる一次電流Ｉｐｎ，Ｉｐ１，Ｉｐ３を表す。この特定の本発明の実施形態によれば、信号Ｉｓｎは中性一次電流Ｉｐｎを表す。さらに、信号Ｉｓ１及びＩｓ３は２位相の一次電流Ｉｐ１，Ｉｐ３を表す。

図１２に示すように、一次電流Ｉｐｎ，Ｉｐ１，Ｉｐ３を表す信号Ｉｓｎ，Ｉｓ１，Ｉｓ３は、処理手段２９の処理回路２９１の入力に供給される。処理回路２９１は、測定と処理を行われた電流を表す信号Ｉｎ，Ｉ１，Ｉ３をトリップユニット２９３に供給する。

処理回路２９１とトリップユニット２９３とに接続された再構成回路２９２は、処理回路２９１により測定と処理が行われた電流を表す信号を受け付ける。差分故障がなければ、全ての電流線に流れる電流のベクトル合計はゼロである。次に再構成回路２９２は、再構成した位相を表す信号Ｉ２を計算して供給することができる。

したがって、トリップユニット２９３は、保護すべき電流線に流れる３つの位相の電流を表す信号を受け付ける。

受け付けた電流信号Ｉｎ，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３が所定時間内にしきい値を超える場合、トリップユニット２９３は、トリッピング機能を実行して継電器３１にトリッピング信号を供給する。詳細には、トリッピング機能は、長い遅延、短い遅延、及び中間的なトリッピング機能等である。継電器３１は、開放機構３２を介して接点３０の開放を指示する。

電流センサと差動センサを一体化した周知のタイプのスイッチギヤ装置の構成を示す図。周知のタイプの遮断された差動センサの概略断面図。本発明の一実施形態による差動電流測定装置を示す図。本発明の一実施形態による差動電流測定装置を示す図。図３及び図４における差動電流測定装置の代替的な実施形態を示す図。図３及び図４における差動電流測定装置の代替的な実施形態を示す図。図３及び図４における差動電流測定装置の代替的な実施形態を示す図。図３及び図４における差動電流測定装置の代替的な実施形態を示す図。図３及び図４における差動電流測定装置の代替的な実施形態を示す図。図３及び図４における差動電流測定装置の代替的な実施形態を示す図。本発明の一実施形態によるトリップモジュールを含むスイッチギヤ装置のブロック線図。図１１におけるスイッチギヤ装置の処理手段の特定の実施形態のブロック線図。

符号の説明

２第２の二次巻線
９差動電流測定装置
１０金属シールド
１１第１の二次巻線
１２Ａ，１２Ｂ側部シールド
１３内部シールド
１４外部シールド
１６第１磁気回路
２５電流線
２６混合流センサ
２８電源手段
２９処理手段
３０電気的接点
３２開放機構
５０スイッチギヤ装置

Claims

２本の電流線（２５）における差動電流を測定するように設計された差動電流を測定する装置（９）であって、
第１の電流センサと第２の電流センサとを含み、
前記第１の電流センサは、
前記第１の電流センサの一次回路としての前記２本の電流線（２５）を囲むように設計された第１の磁気コア（１６）と、
前記第１の磁気コア（１６）の周囲に巻かれ、それによって前記第１の電流センサの二次回路を形成する第１の二次巻線（１１）と、
を備え、
前記第１の電流センサは、前記２本の電流線（２５）における差動電流に対応する電気信号を処理手段（２９）に供給するように設計され、
前記第２の電流センサは、
前記第１の二次巻線（１１）と前記第１の磁気コア（１６）とを囲み、且つ、前記第２の電流センサの一次回路としての前記２本の電流線（２５）を囲むような金属シールド（１０）と、
前記金属シールド（１０）の少なくとも一部に巻かれ、それによって前記第２の電流センサの二次回路を形成する第２の二次巻線（２）と、
を備え、
前記第２の電流センサが、前記２本の電流線（２５）における差動電流に対応する電気信号を前記処理手段（２９）に供給するように設計される、
ことを特徴とする差動電流測定装置。
前記金属シールド（１０）が、外部シールド（１４）と、内部シールド（１３）と、第１側部シールド（１２Ａ）及び第２側部シールド（１２Ｂ）の少なくとも１つとから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の差動電流測定装置。
前記金属シールド（１０）が、前記第１側部シールド（１２Ａ）及び前記第２側部シールド（１２Ｂ）を含むことを特徴とする、請求項２に記載の差動電流測定装置。
前記第２の二次巻線（２）が、前記外部シールド（１４）の少なくとも一部と、前記内部シールド（１３）の少なくとも一部と、前記第１側部シールド（１２Ａ）の少なくとも一部と、前記第２側部シールド（１２Ｂ）の少なくとも一部とを囲むことを特徴とする、請求項３に記載の差動電流測定装置。
前記第２の二次巻線（２）が、前記金属シールド（１０）を完全に囲むことを特徴とする、請求項４に記載の差動電流測定装置。
前記第２の二次巻線（２）が、前記第１側部シールド（１２Ａ）及び前記第２側部シールド（１２Ｂ）のうちの１つの少なくとも一部を囲むことを特徴とする、請求項３に記載の差動電流測定装置。
前記第２の二次巻線（２）が、前記第１側部シールド（１２Ａ）及び前記第２側部シールド（１２Ｂ）のうちの１つを囲むことを特徴とする、請求項３に記載の差動電流測定装置。
複数の前記第２の二次巻線を備え、
少なくとも１つの前記第２の二次巻線（２Ａ）が、前記第１側部シールド（１２Ａ）の少なくとも一部を囲み、残りの前記第２の二次巻線のうちの少なくとも１つの前記第２の二次巻線（２Ｂ）が、前記第２側部シールド（１２Ｂ）の少なくとも一部を囲むことを特徴とする、請求項３に記載の差動電流測定装置。
前記第２の二次巻線（２）によって囲まれた前記金属シールドが、少なくとも１つのエアギャップ（６０）を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか１つに記載の差動電流測定装置。
スイッチギヤ装置（５０）に接続されるように設計されたトリップモジュール（４０）であって、請求項１から９のいずれか１つに記載の前記差動電流測定装置（９）を備え、
前記スイッチギヤ装置（５０）は前記処理手段（２９）を備える
ことを特徴とする、トリップモジュール（４０）。
前記電流線（２５）を保護する前記スイッチギヤ装置（５０）であって、前記スイッチギヤ装置は、電源手段（２８）と、前記処理手段（２９）と、電気的接点（３０）を開放する開放機構（３２）とを含み、且つ、請求項１０に記載の前記トリップモジュール（４０）と接続され、
前記スイッチギヤ装置（５０）の前記処理手段（２９）は、前記トリップモジュールの備える前記差動電流測定装置（９）に接続することを特徴とする、スイッチギヤ装置（５０）。