JP7032445B2 - 導体上または導体付近の電流を検出するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、導体上または導体付近の電流を検出するための装置であって、導体を通って大きな電流が流れるときに、生じた磁場によってスイッチがトリガされ、スイッチに接続された評価電子機器が起動するように、導体の近くに配置された磁気応答スイッチとしての少なくとも１つのリードスイッチを有する請求項１に記載の装置、ならびに請求項１４に記載の雷電流イベントおよび過電流イベントを検出および分類するためのそのような装置の使用に関する。

独国特許第２８２６２４７号明細書から、電気ラインの短絡インジケータが既知である。

短絡インジケータは、電気ラインの磁場によって制御されるリード接点と、電子自己保持回路とを有する。自己保持回路は、電子カウンタおよびクロック発生部の両方を制御するフリップフロップ回路として構成される。クロック発生部は、閃光信号発生部を作動させる。電子カウンタは、時間が経過したときにフリップフロップ回路をリセットし、クロック発生部を停止させる。

採用されるリード接点は、短絡の瞬間に、対応する大きな磁場が発生してリード接点に作用し、少なくとも短時間の間リード接点を閉じるように、導体と平行な平面に配置される。

したがって、供給電圧がフリップフロップ回路の入力に到達し、フリップフロップ回路が自己保持位置に移行する。

リード接点をハウジングの仮想の長手軸を中心にしてねじることにより、その感度が低下する。これにより、短絡インジケータを、例えば２００～４００Ａの範囲の所定の大小のトリップ電流へと、工場において設定することができる。

独国特許第１０３２９２２３号明細書において、リード接点を短絡電流の磁場の力を利用して閉じる短絡センサが開示されており、リード接点は、０～９０°の間の回転によって所定のトリップ電流へと設定することができるように回路基板に取り付けられる。

独国特許出願公開第２７００９９５号明細書は、電流が流れる電気負荷の監視システムに関する。

負荷は、とくには自動車のブレーキランプまたはテールランプの形態である。負荷の供給ラインを通って流れる電流が発生させる磁場内に、表示装置へとつながる磁場依存スイッチが配置される。とくには、リード接点がスイッチとして使用される。

好ましい実施形態において、スイッチは、負荷の供給ラインによって形成されるコイルの内側に配置され、各々の単一の導体を囲む磁場が、隣接するコイル巻線と重なり合うことで、充分な応答感度が得られる。

ここでの教示の構成において、コイルおよび磁場の関数として作動させることができるスイッチは、負荷の供給ラインへとループさせることができる構造単位として組み合わせられる。

カスケード接続され選択的に切り換え可能な保護スイッチを選択的にトリップさせるための構成において、短絡の影響を直接受ける保護スイッチが、独国特許出願公開第１９９３００８９号明細書に記載のトリップシステムへとブロック信号を出力し、保護管接点が、後続の保護スイッチの各々の主電流経路に磁気的に結合し、上流の保護スイッチのトリップシステムに電気的に接続される。

好ましくは、保護管接点は、保護スイッチの接続端子の近くに配置される。

上述の技術水準のソリューションは、リード接点がスイッチの基礎を構成し、スイッチが磁場によって動作可能であるという共通点を有する。充分な磁気エネルギが存在する場合、それ自体は知られているリードスイッチの接点舌部が接点閉鎖位置になり、結果として、スイッチが位置する電気回路が閉じられる。そのようなリードスイッチの利用に基づいて、電気回路を監視し、その機能を信号で知らせることが可能である。さらに、短絡電流を、短絡電流自体をその磁場によってリード接点、すなわちスイッチを閉じることができるしきい値として定めることによって、識別することが可能である。

以上から、本発明の目的は、磁気応答スイッチとしての少なくとも１つのリード接点を有する、導体上または導体付近の電流を検出するための装置であって、導体における所定の電流の達成時にスイッチング状態を定めることができるだけでなく、いわゆる雷カウンタの場合のような複雑な電子の、したがって高価であって故障の多い回路を必要とせずに、電流パルス、したがってサージ電流を検出して評価することもできるさらに発展した装置を提案することである。

この目的の達成は、請求項１の特徴の組み合わせによる装置、および請求項１４による教示の本発明による使用によって果たされ、従属請求項が、少なくとも適切な構成およびさらなる発展を表す。

広範な研究の結果として、驚くべきことに、複数のリード接点を配置し、その配置を、擬似的に空間的に互い違いにし、１つの導体に対して間隔を空け、および／またはその感度をスケーリングすることにより、サージ電流変数の判断および区別が可能であることが明らかになった。この場合に、きわめて驚くべき様相で、長期パルス電流を識別できるだけでなく、短期パルス電流も評価できることが示された。本発明による装置は、この場合に、荒い環境ならびに機械的な衝撃および振動の影響下においても故障のない様相で機能し、これも例えば風力タービンにおける落雷の監視などの特定の用途に関して驚くべきことである。

リード接点は、その構成ゆえに、本質的に機械的慣性を有し、したがって、きわめて短期のパルス負荷において再現性のある応答を期待することができない。部分的にすでにパルスのプロセスの最中に、高感度の接点の決定および定義された応答は、さらなる影響磁場の存在しないパルス負荷後も依然として顕著な低感度または大きな機械的慣性の接点のやはり再現可能な応答とちょうど同じように、予測不可能である。さらに、とくには高感度のリード接点の過負荷抵抗は驚くべきものである。１００Ａより小さいパルス電流および小さな長期電流の両方を確実に検出することができる。応答電圧を１０００倍以上も上回る磁場負荷の最大２５０ｋＡの著しく大きいパルス負荷の場合に、それぞれのリード接点の機械部品は、大きな動的な力によって機械的に破壊されたり、損傷したりすることがなく、したがって、そのような複数の負荷の後でもパルス電流の再現性のある検出が可能である。

それぞれのリード接点の本発明による配置およびほとんどループのない端子の供給により、接点の経路への電流の不都合な結合を、きわめて小さなスイッチング電流を有する必要な高感度の接点が、遮断スパークを防止することにより閉鎖時に生じる電流およびおそらくは高周波の反射によって損傷しない程度まで減らすことができる。リード接点の追加の回路により、スパークの形成を防ぐことができる。能動または受動の過電圧保護手段により、リード接点の接続ループへの望ましくない電流の結合を減らすことができる。

リード接点を使用しながら電流を検出するための本発明による装置は、雷イベントを評価できるように、いわゆるインテリジェント避雷針に組み込むことができ、あるいはそのような避雷針の一体の一部分を構成することができる。

さらなる応用例によれば、電流を検出するための本発明による装置は、構造設備の一体の一部分であり、ＥＮ ６２３０５－３に記載の避雷装置として使用されるそのような導体において使用することができる。リード接点を、導電性コンポーネント上またはその付近に設置することもでき、これらのコンポーネントは、原則として、避雷用ではないが、部分的な雷電流が流れる可能性がある。例として、索道のホイストケーブル、クレーンの保持ケーブル、などが参照される。この点で、部分的な雷電流によってそのようなケーブルに生じ得る損傷を早い段階で識別し、例えば損傷したケーブルの交換など、適切な処置を開始することができる。

リード接点の使用からもたらされる雷電流が流れる放電ラインからの装置およびその電子部品の電気的絶縁および離間が、メンテナンスの費用を必要としない長期間にわたるトラブルのない動作を可能にする。

同様に、本発明による装置は、本発明による装置を過電圧避雷器に割り当てられた対応する電流経路に実際に統合することにより、過電圧避雷器の一体の一部分であってよく、あるいは過電圧避雷器の負荷の評価に使用され得る。

したがって、本発明による装置は、例えばいわゆるロゴスキーコイルを使用するときに通常は用いられる複雑な測定システムに対する費用効率の高い代案を呈する。

その使用において、本発明による装置は、一方では例えば雷イベントに基づく寄生電流パルスを検出し、これらがパルスの形状およびパルスの持続時間だけでなく電流の大きさに関しても弁別可能であることにより、二重機能の達成を可能にする。

したがって、導体上または導体付近の電流を検出するための本発明による装置は、磁気応答スイッチとしてのリード接点に基づき、そのような磁気応答スイッチとしてのリード接点が、導体を通って大きな電流が流れるときに、生じた磁場によってスイッチがトリガされ、スイッチに接続された評価電子機器が起動するように、導体の近くに配置される。

本発明によれば、サージ電流変数を検出し、一方では長期パルス電流と他方では短期パルス電流とを区別するために、複数のリード接点が、導体からの所定の異なる増加する距離に配置される。

評価電子機器が、それぞれのリード接点の応答およびスイッチング時間を決定する。サージ電流変数を、決定された値のそれぞれのリード接点との関連、その空間配置、および導体からの距離から取得または決定することができ、スイッチング時間からパルス形状を好ましくはマイクロコントローラを使用しつつ取得または決定することができる。

本発明によれば、閉鎖機能を備えたリード接点以外も使用可能である。開放リード接点を使用する選択肢も存在する。対応する開放接点を、接点の応答挙動が設定可能であるように永久磁石と組み合わせて実現することができる。

したがって、本発明の意味において、それは空間的に間隔を空けた構成だけでなく、さらなる基準を使用することによっても、電流の区別に関する応答挙動を設定することである。それぞれのリード接点の応答挙動の限界を設定するために、シールドを適用することができる。このシールドを、金属スリーブまたは金属層として実現することが可能である。例えば、高周波プロセスに対抗するために、銅またはアルミニウム材料に基づく渦電流を発生させる金属製のスリーブまたは層が適切である。低周波プロセスの場合に感度を下げるために、例えば軟磁性鋼などの高透磁率の材料を使用することができる。

両方の効果を利用するために、高い透磁率を有し、例えば銅などの導電性コーティングをさらに有する材料を、使用することができる。強い磁場の場合、高い透磁率を有する材料は飽和するため、それぞれのリード接点を囲むそれぞれの遮蔽材料のスケーリングが有利である。

結果として、遮蔽が、同じ感度および同じ設計を有する標準のリード接点の使用が最終的に可能になるように、リード接点の感度を個別に設定および変更することを可能にする。

導体からのリード接点の異なる空間間隔の限界ゆえに、異なる反対のフィールド接点を有する同じレイアウトの開放接点を、代替または追加として使用することができる。距離とは別に、磁場の影響に対してさらに遮蔽されている閉鎖装置を使用することも、やはり可能である。

本発明の一実施形態において、導体は、雷電流避雷器ライン、避雷針、または雷電流が原理的に流れ得る導電性部品の一体の一部分である。

本発明のさらなる実施形態において、導体は、サージ電流を流す過電圧避雷器の一体の一部分である。

好ましいマイクロコントローラとは別に、評価電子機器は、データ記憶部をさらに備える。

記憶したデータを、パルス状のサージ電流または長期電流の長期分析のための上位ユニットへと、無線または有線で、例えば光ファイバ（ＦＯ）によって伝送することができる。

これにより、例えば、本発明による複数の装置を複雑な建物に統合して、過電流イベントに関する負荷を検出し、サイトまたはリスク分析のためにそれらを記憶および評価することが可能になる。

装置の永続的なメンテナンスフリーの使用を保証するために、装置は長期の電流供給源を備える。

本発明による装置は、通常はいわゆるスリープモードにあり、過電流イベントが発生したときにのみ作動するため、きわめて低いスタンバイ電流だけしか生じず、したがって電池または蓄電池を交換することなく所望の長い動作時間がもたらされる。

本発明の構成において、本発明による装置は、電流を流す導体が通常接続される主電源からエネルギを得ることもできる。

パルスの記録または評価回路の動作に必要なエネルギを、実際の干渉または測定信号、すなわちパルス自体から得ることができる。

動作電力を得るための他の選択肢は、いわゆる環境発電である。この場合、光起電力素子の使用による運動などからのエネルギ生成を実現することができる。

本発明のさらなる発展において、装置は、データ伝送のための無線モジュールを備え、本発明によれば、データ伝送は、最後のサージ電流パルスが消滅してから所定の時間が経過した後にのみ開始される。このようにして、トラブルのないデータ伝送が保証される。

本発明の一実施形態においては、少なくともリード接点が、例えば銅被覆回路基板などの平坦な配線キャリア上に固定され、第１群のリード接点が、配線キャリアの面のうちの第１の面に配置され、第２群のリード接点が、第１の面の反対側の配線キャリアの第２の面に配置される。

この場合、第１群が例えば２つのリード接点を含み、第２群が例えば１つのリード接点を含む。

本発明の好ましい構成においては、再現性のある測定結果を達成するために、導体に対するリード接点群の角度位置が固定的に指定され、可変ではない。

さらに、本発明によれば、装置のコンポーネントを収容するハウジングが形成され、ハウジングは、位置のマーキングおよび／または導体の取り付けのための手段が設けられた前面または側面を有する。

このようにして、装置が導体上または導体付近で使用され、あるいは導体上または導体付近に取り付けられたときに、電流が流れる場合に導体の周囲に形成される磁場とハウジング内に存在するリード接点との間の正しい割り当てが保証される。

ハウジングに導体を受け入れ、あるいは通過させるための開口部が不要であるため、ハウジングを、最も高度な保護、すなわち屋外での使用または厳しい環境条件に合わせて設計することができる。

本発明による装置は、その特定の変種において、風力タービンにおけるロータブレードの避雷器ロープ上またはその付近に配置されるように設計される。下流のカウント装置によって、雷電流イベントの回数だけでなく、強度およびパルス形状も検出することができ、それらから、風力タービンのロータブレードの表面に存在するいわゆるレセプタがすでに過度の負荷を被り、あるいは溶融している可能性を判断し、保守の割り当てまたは修理を計画することができる。

さらに、本発明による装置は、例えば索道のホイストケーブルにおいて生じ得る落雷の監視および評価にも利用することができる。ホイストケーブル内の雷電流の検出は、説明される教示の意味で、リード接点を備えた対応する配置および設計のセンサによって実現される。雷電流または部分的な雷電流が検出されると、上位の検査装置へレポートが作成される。これにより、ホイストケーブルの管理の必要性を判断することができ、必要に応じて、動作の中断を指示することができる。長期電流の検出は、このような用途においてとくに問題である。長期電流は、とくには冬期の雷雨において考えられるホイストケーブル上で生じる溶融プロセスについて重要である。

供給ネットワークへの電気的接続を持たない本発明による検出装置の提案されたエネルギ自給機能モードは、測定装置からの分離距離を観察する必要がないという利点を有する。

提示された装置の本発明の使用は、雷および過電流イベントを、たとえ雷電流によって引き起こされたものでなくても、５０Ａを超えて最大２００ｋＡまでの範囲内のサージ電流特性を有していれば、検出および分類することを目的とし、Ｔ≧１０ｍｓの長期パルスとしてのパルス形状ならびに１０／３５０μｓおよび８／２０μｓの形態のパルス形状のイベントを検出することを目的とする。

本発明を、例示的な実施形態および図面に基づいて、以下でさらに詳しく説明する。

この場合において例えば導体から所定の距離に３つのリード接点を有する本発明による装置の主な構成を示す。 それぞれのリードセンサ４、５、６の下流に配置されたローパスフィルタ９を備えており、このローパスフィルタ９のそれぞれの出力が、出力側の無線インターフェース１１に接続されたマイクロコントローラ１０につながっている評価電子機器の簡単なブロック図である。 ＲＣローパスフィルタ９に接続されたリードセンサ４、５、６に基づくブロック図である。

それぞれのリードセンサ４、５、６のスイッチング時間を決定するために、ローパスフィルタが、比較器１２の入力にそれぞれ接続され、比較器１２の出力が、記憶ユニットに加えて、マイクロコントローラ１０につながっている。

この点で、比較器１２の比較入力につながる時間モジュール１３が存在する。図１に関連してすでに説明した電池５が、電圧供給に使用される。時間モジュール１３およびマイクロコントローラ１０によって、それぞれのリードセンサまたはリード接点４、５、６のスイッチング時間から検出されるパルス形状を、信号処理方法で決定することができる。

アセンブリ１１および１４は、無線インターフェースを形成し、検出されたサージ電流変数の無線データ伝送を保証する。

さらなる信号処理および制御ユニット１５が、例えばＧＳＭによるクラウド接続を保証するために通信コンポーネント１６に接続される。代案として、データ評価および長期分析のための古典的なインターネット接続を、コンポーネント１６によって実現してもよい。

図１の例示的な実施形態による装置は、無線モジュールを備える評価ユニット２と、電池３の形態の長期安定性の電源とを含む回路基板１に基づく。

回路基板１または配線キャリアの平坦な側方部分に、３つの間隔を空け位置するリード接点４、５および６が、互いに実質的に平行に配置される。

回路基板１のいわばストッパエッジ７に、導体８が適用される。これは、例えば、風力タービンのロータの避雷器ケーブルであってよい。

避雷器ケーブル８を通ってサージ電流が流れると、避雷器ケーブルの周囲に磁場が形成され、間隔を空け位置するリード接点４、５、６を異なる強度で貫く。

例として、リード接点４が導体から５ｍｍの距離を有し、リード接点５が導体から１５ｍｍの距離にあり、リード接点６が導体から１０５ｍｍの距離にあると仮定する。

リード接点４は、Ｉｍｉｎ≧５０ＡかつＴ≧１０ｍｓのパルス持続時間の長期パルスを検出することができる。同様に、避雷器ケーブル８から最も近い距離にあるリード接点４は、Ｉｍｉｎ≧６０Ａの１０／３５０μｓのパルス形状のサージ電流パルスを検出することができ、Ｉｍｉｎ≧７０Ａの８／２０μｓのパルス形状のサージ電流パルスを検出することができる。

リード接点５は、Ｉｍｉｎ≧２００Ａの１０／３５０μｓのパルス形状のパルス電流を検出することができ、Ｉｍｉｎ≧７５０Ａの８／２０μｓのパルス電流を検出することができる

避雷器ケーブル８から約１０５ｍｍの距離にあるリード接点リレー６は、Ｉｍｉｎ≧４．５Ａの１０／３５０μｓのパルス形状のパルスを検出することができ、Ｉｍｉｎ≧６７Ａの８／２０μｓのパルス形状のパルスを検出することができる。

装置に統合された評価電子機器によって、パルス形状に応じてリード接点の異なるスイッチング時間を検出および評価することができ、どれがどのパルス持続時間を有するパルス形状であるかを識別することができる。好ましくは、図３による回路の構成が、この目的のために使用される。

同様に、約６０Ａから最大２５０ｋＡまでの範囲における区別を、対応するサージ電流の場合におけるリード接点の選択的応答によって実行することができる。

雷またはサージ電流イベントの場合に、これは、最初に、少なくとも１つのリード接点が応答することによって検出されると考えられる。その後に、単一のリード接点の応答挙動による測定された電流強度の区別が行われる。記録されたデータ項目は、後のイベントまでの時間経過および時間差をそれぞれ考慮しつつ保存され、さらなる評価に利用可能である。

試験場において試験された本発明による装置において、検出可能な最小電流強度は、約４５Ａである。例えば、３つのリード接点を使用することで、３つのパルスしきい値を指定および評価することができる。評価に使用されるマイクロコントローラのさらなる拡張により、本発明の基本原理から逸脱することなく、さらなる多様化を実行することができる。

おそらくは必要となる検出値の長期記憶および分析のためのコンポーネントを、本発明による装置から空間的に離して、ＥＭＶ保護空間に設置することができる。これは、好ましくは装置による測定値の提供が下流に配置された評価ユニットへの無線伝送にて行われ、この伝送を最後のトラブルイベントが消滅した後にのみトリガされることができるからである。

発生する雷イベントとイベントプロトコルの送信との間の固定的に設定される遅延時間により、ミリ秒の精度での時間割り当て、またはミリ秒の精度でのタイムスタンプを実現することができる。

テストを実施した後に、リード接点の以下の例示的なトリガしきい値が得られた。

リード接点のトリガしきい値は、接点の間隔および種類によって大きく異なる可能性がある。これらのトリガしきい値において、Ｉ_{ｃｃ ｏｎｌｙ}と短期パルスとの間で区別することができる。第３のリード接点がより高い電流強度でトリガされるべきである場合には、距離をさらに増やすことができる。さまざまな避雷器ケーブル（９５ｍｍ^２、Φ＝１１ｍｍ、絶縁壁の厚さ＝２．５ｍｍ；５０ｍｍ^２、Φ＝８ｍｍ、絶縁壁の厚さ＝２．５ｍｍ）において、１０Ａのトリガしきい値の偏差を観察できる。１０／３５０のパルスにおいて、トリガしきい値は、８／２０のパルスと比べて著しく低い。

避雷器ケーブルからの特定の距離に関する応答の以下の依存性が、とりわけ８／２０および１０／３５０のパルスのリード接点のトリガしきい値の間で認められる。

Claims (13)

1. 導体上または導体付近の電流を検出するための装置であって、導体を通って大きな電流が流れるときに、生じた磁場によってスイッチがトリガされ、スイッチに接続された評価電子機器が起動するように、前記導体付近に配置された磁気応答スイッチとしての少なくとも１つのリード接点を備える装置であって、
   サージ電流変数を検出し、一方では長期パルス電流と他方では短期パルス電流とを区別のために、複数のリード接点（４；５；６）が、前記導体（８）からの所定の異なる増加する距離に配置され、前記評価電子機器が、前記それぞれのリード接点（４；５；６）の応答およびスイッチング時間を決定し、決定された値と前記それぞれのリード接点との関連から、前記サージ電流変数を決定し、前記スイッチング時間から、パルス形状を決定する、ことを特徴とする装置。
2. 前記導体は、雷電流避雷器ラインまたは避雷針の一体の一部分である、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記導体は、サージ電流を流す過電圧避雷器の一体の一部分である、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記評価電子機器（２）は、マイクロコントローラおよびデータ記憶部を備える、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。
5. 記憶されたデータ項目が、パルス状のサージ電流の長期分析のための上位ユニットへと、無線または有線で伝送される、ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. データ伝送のための無線モジュールが備えられ、前記データ伝送は、最後のサージ電流パルスが消滅してから所定の時間が経過した後にのみ開始される、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の装置。
7. 前記装置は、自給長期電源（３）を備える、ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
8. 少なくとも前記リード接点（４；５；６）が、平坦な配線キャリア上に固定され、第１群のリード接点が、前記配線キャリア（１）の面のうちの第１の面に配置され、第２群のリード接点が、第１の面の反対側の前記配線キャリア（１）の第２の面に配置される、ことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記リード接点（４；５；６）群の角度位置が、前記導体（８）に対して固定的に指定される、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記装置のコンポーネントを収容するハウジングが形成され、前記ハウジングは、位置のマーキングおよび／または前記導体の取り付けのための手段が設けられた前面または側面を有する、ことを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記装置は、風力タービンにおけるロータブレードの避雷器ケーブル上またはその付近にそれぞれ配置される、ことを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の装置。
12. パルスイベントとデータ伝送との間の所定の時間または設定可能な時間の経過後に、タイムスタンプが生成され得る、ことを特徴とする請求項１～１１のいずれか一項に記載の装置。
13. ５０Ａを超えて最大２００ｋＡまでの範囲内のサージ電流特性と、Ｔ≧１０ｍｓの長期パルスとしてのパルス形状ならびに１０／３５０μｓおよび８／２０μｓのパルス形状とを有する雷および過電流イベントを検出および分類するために、請求項１～１１のいずれか一項に記載の装置の使用。
    

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