KR20190040198A - 고전류 범위의 전류를 측정하기 위한 측정 장치 - Google Patents

고전류 범위의 전류를 측정하기 위한 측정 장치 Download PDF

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KR20190040198A
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율리히 헤?러
미첼 폴만
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이자벨렌휘테 호이슬러 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 고전류 범위의 전류(I), 특히 1 kA 이상의 전류 범위의 전류(I)측정을 위한 측정 장치(12)에 관한 것으로, 측정 장치(12)는 4 개의 도체 기술에 따라 전류를 측정하기 위한 전류 감응 저항기(1) 및 이 전류 감응 저항기(1)를 가로지르는 전압 낙차를 측정하기 위한 물리적으로 통합된 측정 회로(17)를 가진다. 본 발명은 저항 요소(4)를 가로질러 떨어지는 전압을 측정하기 위한 몇 쌍의 전압 탭을 제공하며, 전압 탭 쌍은 측정 회로(17)에 연결된다. 본 발명은 2 개의 모선(15, 16)에 연결하기 위한 2 개의 모선 연결부(13, 14)를 아울러 제공한다. 온도 계수, 전류 전압 및 오프셋의 보정과 높은 샘플링 속도 및 분해능은 높은 AC 전류에서 DC 전류의 고해상도 측정을 허용한다.

Description

고전류 범위의 전류를 측정하기 위한 측정 장치
본 발명은 고전류 범위, 특히 1 kA 이상의 전류 범위에 있는 전류를 측정하기 위한 측정 장치에 관한 것이다.
예를 들어, EP 0 605 800 A1에서, 4 선식 기술에 따라 저 임피던스 전류 감응 저항기("션트 (shunt)")를 사용하여 전기 전류를 측정하는 것이 알려져 있다. 여기에서 측정할 전류가 저 저항 전류 감응 저항기를 통과하여 측정 저항을 가로지르는 전압 강하를 측정한 다음 옴의 법칙에 따라 전기 전류를 측정한다.
또한, WO 2014/127788 A1에서 4 선식 기술은 중간 전압 및 고전압 시스템에서의 전류 측정에도 사용될 수 있음이 공지되어 있다. 그러나, 이 공보는 아직 저항기 설계와 고압 시스템 또는 고전압 시스템에 대한 전류 감응 저항기의 전기적 연결을 위한 만족스러운 솔루션을 제공하지 못하고 있다.
또한, US 2007/0177318 A1은 4 선식 기술에 따른 전류 측정을 가능하게 하는 전류 감응 저항기를 제공한다. 그러나, 이 공지의 전류 감응 저항기는 인쇄 회로 기판에 장착되도록 설계되었기 때문에 고압 또는 고압 시스템의 전류 측정에는 적합하지 않다. 그러나, 이 공지의 전류 감응 저항기는 전류 감응 저항기의 저항 요소 양단의 전압 강하를 측정하는 측정 회로를 이미 가지고 있기 때문에 측정 회로는 전류 감응 저항기의 상단에 꽂은 다음 스냅 인(snap-in) 연결로 전류 감응 저항기에 연결될 수 있다. 중압 또는 고압 시스템에서 고전류 측정을 위한 적합성이 부족하다는 것은 측정 회로가 구조적으로 통합되지 않아 차폐되어 있지 않기 때문이다. 그리고 중전압 시스템 또는 고전압 시스템에서 고전류 측정을 하는 동안 측정 회로의 전자 부품은 방해받을 수 있다.
또한, 본 발명의 일반적인 기술 배경과 관련하여, US 6 801 118 B1, WO 2013/037677 A1 및 US 3 245 021 A에 대한 참고사항들이 또한 이용된다.
본 발명은 개선된 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 과제는 메인 청구항 및 종속 청구항에 따른 측정 장치에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 측정 장치는 먼저 공지된 4 선식 기술에 따라 전류를 측정하기 위해 이 분야 기술에 따른 저 임피던스 전류 감응 저항기를 포함한다. 전류 감응 저항기는 본질적으로 전류 감응 저항기로 측정될 전류를 도입하기 위한 도체 재료(예: 구리)로 만들어진 제 1 연결부, 상기 전류 감응 저항기로부터 측정될 전류를 전환하기 위한 도체 재료(예: 구리)로 만들어진 제 2 연결부 및 상기 2 연결부 사이에 전기적으로 연결되어 이를 통해 측정될 전류가 흐르게 되는 저항 재료로 만들어진 저항 요소(예컨대, Manganin®)로 이루어진다. 이러한 저 저항 전류 감응 저항기는 일반적으로 EP 0 605 800 A1에 공지되어 있지만, 이들의 저항 값, 치수 및 형상은 측정될 전류의 크기 및 고객의 요구에 맞게 조정되어야 한다.
또한, 본 발명에 따른 측정 장치는 저항 요소를 가로지르는 전압 낙차를 측정하는 구조적으로 통합된 측정 회로를 포함한다. 예를 들어, 이 측정 회로는 맞춤형 집적 회로(Application-Specific Integrated Circuit: ASIC)로 설계될 수 있다. 그러한 ASIC는 예를 들어, EP 1 363 131 A1에 공지되어 있으므로, 이 공보의 내용은 측정 회로의 구조 및 기능과 관련하여 본 설명에 완전히 이용된다. 그러나 통합 측정 회로는 바람직하게는 16 비트 측정 값 획득을 갖는다는 것을 언급해야 한다.
본 발명에 따른 측정 장치는 전류 감응 저항기의 저항 요소를 가로 질러 떨어지는 전압이 한 쌍의 전압 탭에 의해 측정되는 것이 아니라 측정 회로에 연결되어 있는 몇몇 쌍의 전압 탭에 의해 측정된다는 것이다. 이것은 저 저항 전류 감응 저항기의 저항 요소의 전류 밀도가 공간 상으로 일정하지 않기 때문에 유리하다. 결과적으로, 저항 요소를 통과하는 전압의 측정 값은 전압 탭의 공간적 위치에 따라 달라지므로 측정 오류가 발생하게 된다. 다른 한편으로, 공간적으로 분포된 여러 쌍의 전압 탭을 갖는 본 발명에 따른 측정 장치를 사용하면, 측정 회로가 여러 쌍의 전압 탭에서 측정된 여러 전압 측정 값을 평가할 수 있다. 예를 들어, 측정 오류를 최소화하는 서로 다른 전압 측정 값에서 평균값을 계산할 수 있다는 것이다. 이것에 대한 자세한 내용은 WO 2014/161624 A1에서 알 수 있으므로 본 공보의 내용은 본 발명의 설명에서도 완전히 이용된다.
또한, 본 발명에 따른 측정 장치는 측정 장치를 모선(busbar)과 연결할 수 있도록 2 개의 모선 연결부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 제 1 모선 연결부(바람직하게는 상하로 배치된 3 개의 모선과의 접촉을 위해)는 저 임피던스 측정 저항기의 제 1 연결부에 전기적으로 접속되고, 제 2 모선 연결부는 비 저항 측정 저항기의 제 2 연결부에 전기적으로 접속된다. 따라서, 본 발명에 따른 측정 장치는 고전류 구성의 모선과의 간단하고 신뢰성있는 전기 접속을 허용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 2 개의 모선 연결부는 각기 도체 재료로 제조된 몇 개의 평행한 연결 판을 상하층으로 갖는다. 이는 서로 위로 배치된 3 개의 모선을 사용하여 접촉을 가능하게 하고, 측정될 전기 전류가 분할되어 다양한 연결판을 통해 흐르므로, 높은 고전류 측정 동안에도 전류 밀도가 비교적 낮은 범위에 머무르게 되고 그리고 모선 연결부들의 전류 운반 용량을 초과하지 않게 된다.
2 개의 모선 연결부는 모선에 나선 장착을 위해 설계되는 것이 바람직하다는 것을 언급한다. 이를 위해 모선 연결부에는 예를 들어 나사 연결용 구멍이 있을 수 있다.
또한 모선 연결부는 환경에 대한 내성을 향상시키기 위해 니켈도금, 주석도금, 은도금 또는 금도금이 바람직하다는 것도 언급한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 측정 장치는 측정될 전류가 개별 전류 감응 저항기를 통해 흐르는 몇개의 부분 전류로 분할되도록 전기적으로 병렬로 연결된 몇몇 저 저항 전류 감응 저항기를 갖는다. 전류 감응 저항기들은 각각의 평면에서 서로의 상단에 배치될 수 있다. 또한 여러 전류 감응 저항기들이 각 평면에서 서로 나란히 배치될 수 있다. EP 0 605 800 A1에 따라 복합 재료 스트립으로부터 저 저항 전류 감응 저항기를 제조할 때, 여러 전류 감응 저항기에 대한 이러한 세분은 길이 방향으로 주행하고 서로 전류 흐름 방향에 대해 횡 방향으로 서로 인접하여 배열된 저항 재료 스트립에 여러 개의 슬롯을 개재하여 달성할 수 있다. 그런 다음 슬롯은 복합 재료 스트립과 그에 따른 전류 감응 저항기에서 몇 개의 인접한 저항 요소들을 서로 분리시킨다.
본 발명의 특별한 특징은 전압 탭에 근접하여 있는 션트(shunt)에 대한 완전한 측정 및 평가 전자 장치의 통합이다. 전압 탭과 측정 변압기(예 : ASIC) 사이의 연결은 스트립라인 테크놀로지(stripline technology)의 유연한 라인을 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다. 2 가지 방법(숏 라인 및 스트립라인 기술)은 거의 간섭이 없는 측정 장치(매우 작은 안테나 영역)를 유도한다.
또한, 션트에 설치하는 경우, 본 발명에 따른 측정 장치의 전자 부품(예를 들어, 측정 회로, 데이터 인터페이스)은 도체 재료로 제조된 전기 차폐부 내에 캡슐화된다. 그렇지 않으면 측정되어야 할 전류에 의한 전자 부품의 방해가 고전류 측정을 통해 가능할 수 있기 때문에 이는 의미가 있다. 전기 차폐부는 모선 연결부, 모선 연결부와 도체 재료로 제조된 측면의 전기적으로 절연된 보강 판 사이의 스페이서에 의해 형성된다. 강자성 재료로 만들어진 추가 차폐 판이 한면에 전기적으로 절연되어 있는 상면 및 하면에 장착된다.
바람직하게는, 측정 장치는 또한 고객에 의해 제공된 평가 장치로 데이터를 송신하기 위해 그리고/또는 외부로부터의 데이터를 수신하기 위한 구조적으로 통합된 데이터 인터페이스를 포함한다. 일측의 측정 장치와 타측의 평가 장치는 보통 다른 전위에 놓여 있기 때문에 데이터 인터페이스는 갈바닉 분리를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 갈바닉 절연은 예를 들어 광 커플러와 광섬유로 실현될 수 있다. 이러한 데이터 인터페이스의 기술적 구현을 위한 세부 사항은 예를 들어, WO 2014/127788 A1에 공지되어 있으며, 따라서 이 공보의 내용은 본 설명에서도 완전히 이용될 수 있다.
또한, 저 저항 전류 감응 저항기의 저항 요소의 저항 재료는 그 저항 값의 온도 의존성이 매우 낮지만, 매우 정밀한 측정이 요구된다면 이 값은 무시할 수 없다는 것을 언급해야 한다. 이 온도 의존성을 보상하기 위해, 측정 장치는 저 저항 전류 감응 저항기의 저항 요소의 온도를 측정하고 온도 의존적인 보정 특성에 따라 저항 요소를 가로 질러 떨어지는 전압의 측정 값을 보정하는 하나 이상의 온도 센서를 가질 수 있다.
또한, 저 저항 전류 감응 저항기의 저항 요소의 저항 재료는 특정한 열적인 힘을 가지며, 이 힘은 일측의 저항 요소와 타측의 연결부들 사이의 온도 차가 존재한다면 특정 열전기 전압(thermoeletric voltage)을 발생시킨다. 이 열전기 전압은 저항 요소의 측정 대상 전류에 의해 생성된 전압에 중첩되어 측정 오차를 유발한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 보상 요소는 2 개의 연결부에 열적으로 연결되고 따라서 동일한 온도에 노출되는 저항 요소를 가로 질러 떨어지는 열전기 전압을 보상하기 위해 제공되는 것이다. 저항 요소와의 차이. 일측의 보상 요소와 타측의 연결부들 사이에 온도차가 있으면, 보상 요소는 특정 열전기 전압을 발생한다. 보상 요소와 저항 요소는 전압 측정 회로에서 직렬로 전기적으로 연결되어, 일측의 저항 요소와 타측의 보상 요소의 열전기 전압이 적어도 부분적으로 서로 보상하도록 한다. 이러한 열전기 전압 보상의 세부 사항은 독일특허출원 제 10 2016 008 415.4 호에 설명되어 있으며, 이 특허출원의 내용은 본 명세서에서도 완전히 이용된다. 이 보상 요소 이외에도, 온도 차는 각 전압 측정 지점에서 측정하는 것이 바람직하므로 열전기 전압의 불완전한 보정이 발생하는 경우 수학적 보정을 수행할 수 있다.
측정 장치는 전류 감응 저항기를 가로지르는 전압 낙차를 가볍게 태핑(tapping)하기 위한 전압 탭을 가지고 있다고 이미 위에서 언급한 바 있다. 이러한 전압 탭은 전류 감응 저항기의 전체 표면에 전기적으로 접촉되는 리본 케이블에 바람직하게 집적될 수 있다. 이러한 리본 케이블은 바람직하게는 다중 층이며 스트립라인을 형성하여, 상기 언급된 온도 센서 및 온도차 센서가 리본 케이블에 부착될 수 있다. 또한 열전기 전압을 보상하는 역할을 하는 위에 언급된 보상 요소를 리본 케이블에 부착할 수도 있다.
리본 케이블을 저 임피던스 전류 감응 저항기에 직접 납땜(솔더링)하는 것은 일반적으로 구리의 열 발산이 매우 좋고 리본 케이블의 제한된 온도 저항으로 인해 불가능하다. 따라서 리본 케이블과 전류 감응 저항기 사이에는 도체 재료(예: 구리)로 만들어진 판이 있는 것이 바람직하고, 그에 의해 이 판은 납땜, 소결, 용접 또는 전도성 접착제 결합으로 전류 감응 저항기에 연결된다(즉, 전기적으로 전도성인 접착제 연결을 생성). 리본 케이블의 전기적 접촉을 위해, 이 판은 구부릴 수 있는 연결 핀을 가지고 있으며 그 후에 판의 연결 핀을 리본 케이블의 해당 전기 접점에 연결(납땜, 용접 또는 접착제로 접착)할 수 있다. 리본 케이블과 전류 감응 저항기 사이의 판은 리본 케이블과 전류 감응 저항기 사이의 연결을 용이하게 한다.
본 발명의 변형예에서, 전자 부품의 전력 공급을 위한 측정 장치는 고전압 변압기를 포함한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 변형예에서, 광원(예를 들어, 레이저 또는 LED)에 의해 조사되어 광 가이드를 통해 전기를 생성하는 전력 공급을 위한 광전지가 제공된다. 이러한 유형의 발전에 대한 세부 사항은 예를 들어, WO 2014/127788 A1에서 알 수 있으므로, 이 공보의 내용은 본 설명에서 완전히 이용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 전류 감응 저항기는 EP 0 605 800 A1에 공지된 것과 같은 몇 개의 편평한 복합 판을 가지며, 이러한 복합 판은 저항 요소와 연결부를 포함한다. 복합 판은 바람직하게는 서로의 상부에 서로 평행하게 배열된다. 인접한 복합재료 판은 연결부에서 전기적 및 기계적으로 연결되고, 인접한 복합재료 판은 절연 간격에 의해 저항 요소의 영역에서 서로 전기적으로 분리된다. 측정될 전류는 분할되어 중첩된 복합재료 판의 인접한 저항 요소를 통해 개별적으로 흐르게 된다.
그러나, 전류 분배는 수직 방향뿐만 아니라 수평 방향, 즉 복합 판 내에서도발생할 수 있다. 이 목적을 위해, 복합 판은 전류 흐름의 방향을 따라 그리고 전류 흐름의 방향을 가로 질러 서로 나란히 배열되는 다수의 슬롯을 가질 수 있고, 각각의 복합 판의 슬롯은 다수의 저항 요소를 서로 분리시킨다.
예를 들어, 전류 감응 저항기는 1μΩ - 1mΩ 범위의 저항 값을 가질 수 있다.
예를 들어, 전류 감응 저항기의 저항 재료는 Cu86Mn12Ni2와 같은 구리-망간-니켈 합금일 수 있다. 대안으로, 저항 재료는 Cu90,7Mn7Sn2,3과 같은 구리-망간-주석 합금 또는 니켈-크롬 합금, 특히 Ni74,5Cr20Al13,5Si1Mn0,5Fe0,5와 같은 니켈-크롬-알루미늄 합금일 수 있다 .
도체 재료는 구리 또는 구리 합금인 것이 바람직하다. 도체 재료는 저항 요소의 저항 재료보다 더 낮은 저항을 갖는 것이 바람직하다는 것을 알아야 한다.
또한, 측정 장치에는 높은 전류가 바람직하게 부하될 수 있음을 언급해야 한다. 예를 들어, 단기 최대 전류는 최소 10kA, 25kA, 50kA, 100kA, 200kA 또는 심지어 500kA 일 수 있다. 다른 한편, 연속 전류 전달 용량은 적어도 1kA, 2kA, 5kA, 10kA, 20kA 또는 심지어 적어도 30kA 인 것이 바람직하다.
또한, 저항 요소는 바람직하게는 전류 흐름의 방향에 있어서 상대적으로 짧은 길이, 바람직하게는 50mm, 25mm, 10mm, 7mm 또는 심지어 5mm보다 작다는 것을 언급해야 한다.
또한, 측정 장치는 바람직하게는 0.1%, 0.05%, 0.01% 또는 심지어 0.005%보다 작은 매우 낮은 선형 오차를 갖는 것으로 언급되어야 한다.
측정 회로는 바람직하게는 오프셋이 없으며 바람직하게는 500Hz, 1kHz, 2kHz 또는 4kHz 이상의 샘플링 속도를 갖는다.
측정 장치의 가장 중요한 장점은 예컨대 20kA의 높은 AC 전류(AC : 교류 전류)에서 dPzjseo, 20mA의 매우 낮은 DC 전류(DC : 직류)A 를 적은 암페어로 측정할 수 있다는 것이다. 이는 트랜스듀서의 높은 분해능, 오프셋 자유도, 높은 선형성 및 극도로 낮은 노이즈로 가능하다. 또한, 개별 측정 채널(스크래치가 제거된 시스템에서 8 개의 채널)의 절대적인 동기식 샘플링은 결정적으로 중요하다. 이 동시 측정은 평균값의 노이즈를 다시 약 70% 감소시킨다.
전류 감응 저항기의 형상과 관련하여, 예를 들어, EP 0 605 800 A1에서 공지된 바와 같이, 저항 소자 및/또는 연결부는 바람직하게는 평판(플레이트) 형상이며, 그에 의해 저항 소자 및 연결부들은 평평하거나 곡선이 될 수 있다.
또한, 전류 감응 저항기는 바람직하게는 1 K/W, 0.5 K/W, 0.1 K/W, 0.05 K/W 또는 0.02 K/W 미만의 낮은 내부 열 저항을 갖는다.
측정 회로는 바람직하게는 연속 전류 검출을 위한 제 1 측정 채널과 과전류 검출을 위한 더 높은 샘플링 속도를 갖는 별도의 제 2 측정 채널을 포함하는 몇몇 측정 채널을 갖는다는 것을 언급해야 한다.
본 발명의 다른 유리한 추가 변형은 종속항에 나타나거나 도면에 의해 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명과 함께 아래에서 보다 상세하게 설명된다.
본 발명에 따른 측정 장치는 전류 감응 저항기의 저항 요소를 가로 질러 떨어지는 전압이 측정 회로에 연결되어 있는 몇몇 쌍의 전압 탭에 의해 측정됨으로써, 측정 회로가 여러 쌍의 전압 탭에서 측정된 여러 전압 측정 값을 평가할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 측정 장치는 측정 장치를 모선(busbar)과 연결할 수 있도록 2 개의 모선 연결부를 포함함으로써, 고전류 구성의 모선과의 간단하고 신뢰성있는 전기 접속을 허용한다.
도 1a는 구리 판 및 가요성 케이블을 갖는 측정 장치의 일부의 사시도이고,
도 1b는 도 1a의 확대도,
도 2는 본 발명에 따른 측정 장치의 구조 및 기능을 도시하는 블록도,
도 3a는 본 발명에 따른 측정 장치의 단면도이고,
도 3b는 도 3a에 따른 측정 장치의 전류 감응 저항기의 단면도이다.
도 1a 및 도 1b는 잘 알려진 4-선 기술에 따라 전류 측정을 위한 4 개의 저 임피던스 전류 감응 저항기(1) 중 하나를 갖는 측정 장치의 일부 영역에 대한 상이한 도면을 도시하며, 이에 따라 전류 감응 저항기(1)는 예를 들어 1kA 이상의 고전류 범위에서 전류 측정에 적합하다.
전류 감응 저항기(1)는 먼저 전류 저항기 (1)에 측정 전류를 공급하기 위해 제 1 연결부(2)를 갖는다.
또한, 전류 감응 저항기(1)는 전류 감응 저항기(1)로부터 측정될 전류를 다시 유도하기 위해 제 2 연결부(3)를 갖는다.
2 개의 연결부(2, 3) 사이에는 Manganin®, Zeranin® 또는 Isaohm®과 같은 저항 재료로 만들어진 저항 요소(4)가 배열되어 있다. 저항 요소(4)는 그 길이 방향의 가장자리를 따라 인접한 연결부(2, 3)에 용접 조인트로 전기적 및 기계적으로 접합된다.
전류 감응 저항기(1)에는 전류 흐름 방향을 따라 뻗어 있고 서로 인접하여 배열된 다수의 슬롯(5)이 있고, 이 슬롯(5)은 전류 감응 저항기(1)의 여러 저항 요소(4)를 각각 전기적으로 분리시킨다. 따라서, 측정될 전류는 전류 감응 저항기(1) 내에서 분할된 다음, 슬롯(5)에 의해 서로 분리된 인접한 저항 요소(4)를 통해 병렬로 흐른다.
플랫 리본 케이블(6)은 저항 요소(4)를 가로지르는 전압 낙차를 측정하는데도 사용되는 전류 감응 저항기(1)의 상부 측(일 실시예로서 단지 하나의 측정 지점으로 도시됨) 상에 배열된다. 그러나, 전류 감응 저항기(1)가 측정 장치의 모선 연결부에 연결되어 매우 높은 열전도율을 가지기 때문에 그리고 리본 케이블(6)의 온도 저항 제한적이기 때문에 전류 감지 레지스터(1)에 대한 리본 케이블(6)의 직접적인 납땜은 불가능하다. 따라서, 각각의 플랫 리본 케이블(6)과 전류 감응 저항기(1) 사이에 구리 판(7)이 배치되며, 이 구리 판은 전류 감응 저항기(1)와 먼저 접촉(예를 들어, 납땜)되고 전압 강하를 측정하기 위해 전압 탭을 형성한다. 구리 판(7)은 도면에 도시된 바와 같이 상방으로 구부러진 연결 핀(8)과 맞물린다. 리본 케이블(6)은 연결 핀(8)에 간단히 납땜될 수 있다.
리본 케이블(6)에는 저항 요소(4)의 저항 재료의 온도 의존성에 의해 야기되는 측정 오차를 보상하기 위해 저항 요소(4)의 온도를 측정하는 작업을 하는 온도 센서(9)가 있다.
또한 복합 재료 판 형태의 보상 요소(10)는 열전기 전압을 보상하기 위해 리본 케이블(6) 상에 배열된다. 이 열전기 전압 보상의 세부 사항은 독일 특허 출원 10 2016 008 415.4에 기술되어 있다.
또한 그리고 선택적으로, 온도차를 측정하기 위한 열전대(11)가 수학적으로 열전기 전압을 보상하기 위해 리본 케이블(6) 상에 배열될 수 있다.
상기 전류 감응 저항기 (1) 에 더하여, 전류 감응 저항기(1)는 아래에 자세히 설명된 바와 같이 조립된 상태에서 모선 연결부에 연결되어 있음을 언급해야 한다.
도 2는 전류 감응 저항기(1)를 갖는 본 발명에 따른 측정 장치(12)의 회로도를 도시한다. 이 회로도에는, 측정 장치(12)를 모선(15, 16)에 연결시키는 역할을 하는 모선 연결부(13, 14)가 개략적으로 도시되고, 그에 의해 모선(15, 16)도 개략적으로 도시되어 있다.
회로도는 또한 옴의 법칙에 따라 전류 감응 저항기(1) 위의 전기 전압 낙차를 측정하여 전류 감응 저항기(1)로부터의 전기 전류를 계산하는 측정 회로(17)를 도시한다.
또한, 측정 회로(17)는 온도 센서(9), 보상 요소(10) 및 열전대(11)에 연결된다. 온도 센서(9)와의 연결은 저항 요소(4)의 저항 재료의 특정 전기적 저항의 온도 의존성의 보상을 허용하며, 반면에 보상 요소(10)와의 접속은 열전기 전압의 보상을 허용한다. 이 목적을 위해, 보상 요소(10)는 전압 측정 회로의 전류 감응 저항기(1)와 직렬로 연결되어, 한편으로는 전류 감응 저항기(1) 위의 그리고 다른 한편으로는 보상 요소(10) 위의 열전기 전압 10)이 적어도 부분적으로 균형을 이루도록 한다. 열전대(11)는 선택적이며, 온도차를 측정함으로써 열전기 전압의 수학적 보정을 가능하게 한다.
또한, 이 회로도는, 예컨대 WO 2014/127788 A1에서 기술된 바와 같이, 고압 변압기 또는 광전지로 구현될 수 있는 전원 공급원(18)을 도시한다.
또한, 측정 장치(12)는 데이터가 광섬유(20)를 통해 외부 평가 장치로 전송될 수 있도록 옵토커플러(optocoupler)를 갖는 데이터 인터페이스(19)를 가지며, 이로써 옵터커플러 및 광섬유는 효과적인 갈바닉 분리를 형성한다.
도 3a 및 도 3b는 상기 실시예에 부분적으로 대응하는 측정 장치(12)의 단면도를 도시하며, 대응하는 세부 사항에 대해 반복을 피하기 위해 동일한 참조 부호를 사용하여 상기 설명이 참조된다.
이 측정 장치(12)는 하나의 도체 재료(예를 들어, 구리)로 만들어진 몇 개의 연결 판(21-26)를 가지며, 이에 의해 연결 판(21-26)은 3 개의 평행 한 평면으로 서로 위에 배치된다. 연결 판(21-26) 사이 또는 연결 판(21, 24)의 상부면에는 도체 재료(예를 들어, 구리)로 이루어진 몇 개의 스페이서(27-32)가 있다.
연결 판(21-26)은 모선 연결부(13, 14)의 일부로서 나사 장착을 위해 설계된다. 연결 판(21-26) 각각은 이 목적을 위해 관통 구멍(33)을 갖는다.
측정 장치(12)는 도 3b에 상세히 도시된 2 개의 전류 감응 저항기(1) (각각 2 개의 개별 저항기로 구성됨)를 갖는다.
전류 감응 저항기(1)는 전류의 도입을 위한 2 개의 연결부(2.1, 2.2)와, 각각이 다른 하나에 연결된 전기 전류의 전환을 위한 2 개의 연결부(3.1, 3.2)를 갖는다. 그 사이에는 저항 재료로 만들어진 2 개의 저항 요소(4.1, 4.2)가 있다. 측정할 전류는 전류 감응 저항기(1)에서 분할되어 2 개의 저항 요소(4.1, 4.2)를 통해 개별적으로 흐른다.
측정 장치(12)는 또한 측정 회로(17), 전원 공급원(18) 및 데이터 인터페이스(19)를 갖는 인쇄 회로 기판(34)을 포함한다.
인쇄 회로 기판(34)은 리본 케이블(6)을 통해 2 개의 전류 감응 저항기(1)에 연결되며, 리본 케이블(6)은 도 3a 및 도 3b에는 도시되지 않았다.
상부 측에서, 측정 장치(12)는 커버(35)에 의해 폐쇄되고, 하부 측에는 베이스(36)가 측정 장치(12)를 폐쇄한다. 커버?(35)와 베이스(36)는 전기 절연 재료로 제조되거나 적어도 하나의 전기적으로 절연되는 시드(sheath)를 가져서 커버(35) 또는 베이스(36)를 가로지르는 불필요한 단기 회로(short circuit)를 방지한다. 커버(35)및 베이스(26)는 전기적으로 전도성인, 바람직하게는 강자성 차폐 재료를 포함하며, 이 차폐 재료는 적어도 측정 장치로부터 한쪽 측면에서 절연되어 있다.
기계적 보강 판이 도 3의 전방 및 후방 측면(즉, 도면 평면의 전방 및 후방)에 적용되며, 이는 측정 장치의 일측에서 절연되고 구리 연결 판(21-26)에 나사 결합된다. 이들 보강 판은 도 3에는 도시되어 있지 않다.
본 발명은 상술한 바람직한 실시예에 한정되지 않는다. 오히려, 많은 변형 및 수정이 가능하며 이는 또한 의도적인 아이디어를 사용하는 것도 보호의 범위에 포함된다. 특히, 본 발명은 또한 각각의 경우에 언급된 보호 범위와는 독립적으로, 그리고 메인 청구항 및 종속청구항의 특징들을 청구한다. 예를 들어, 본 발명은 또한 메인 청구항의 특징을 갖지 않는 본 발명에 따른 변형예들도 포함한다.
1 : 측정 장치의 일부인 전류 감응 저항기
2, 2.1, 2.2 : 전류 통전을 위한 연결부
3, 3.1, 3.2 : 전류 전환을 위한 연결부
4, 4.1, 4.2 : 저항 소자
5 : 저항 요소를 분리하기 위한 5 개의 슬롯
6 : 리본 케이블
7 : 구리 판
8 : 구리 판 연결 핀
9 : 온도 센서
10 : 복합 재료 판으로서의 보상 요소
11 : 열전대
12 : 전류 측정을 위한 측정 장치
13 : 모선 연결부
14 : 모선 연결부
15, 16 : 외부 모선
17 : 측정 회로
18 : 전원 공급원
19 : 옵토 커플러를 구비한 데이터 인터페이스
20 : 광원 가이드
21-26 : 구리 연결 판
27-32 : 구리 스페이서
33 : 나사 장착용 연결 판 구멍
34 : 인쇄 회로 기판
35 : 전기 차폐용 커버
36 : 전기 차폐용 베이스
I : 전류

Claims (15)

  1. 고전류 범위, 특히 1kA 이상의 전류 범위의 전류(I)를 측정하기 위한 측정 장치(12)가,
    a) 4 선식 기술에 따라 전류 측정을 위한 것으로, 하기 a1) - a3)를 구비한 저 저항 전류 감응 저항기(1),
    a1) 전류 감응 저항기(1)에 측정 대상 전류(I)를 도입하기 위한 도체 재료로 이루어지는 제 1 연결부(2),
    a2) 전류 측정용 전류 감응 저항기(1)로부터 측정 대상 전류(I)를 전도하는 도체 재료로 이루어지는 제 2 연결부(3), 및
    a3) 저항 재료로 만들어지고, 제 1 연결부(2)와 제 2 연결부(3) 사이에 전기적으로 접속되어 측정 대상 전류(I)가 그것을 통해 흐르는 저항 요소(4),
    b) 저항 소자(4)를 가로지르는 전압 낙차를 측정하기 위한 것으로, 구조적으로 통합된 측정 회로(17), 특히 특정 용도의 집적 회로, 특히 16 비트 측정 값 획득과 같은 측정 회로(17),
    c) 저항 소자(4)를 가로지르는 전압 낙차를 측정하기 위한 것으로, 상기 측정 회로(17)에 접속된 복수 쌍의 전압 탭,
    d) 제 1 모선(15)에 전기적 및 기계적으로 연결하기 위한 도전 재료로 제조된 것으로, 전류 감응 저항기(1)의 제 1 연결부(2)에 전기적으로 연결되는 제 1 모선 연결부(13), 및
    e) 제 2 모선(16)에 전기적 및 기계적으로 연결하기 위한 도체 재료로 제조된 것으로, 전류 감응 저항기(1)의 제 2 연결부(3)에 전기적으로 연결되는 제 2 모선 연결부(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전류 범위의 전류(I)를 측정하기 위한 측정 장치(12).
  2. 제 1 항에 있어서,
    a) 제 1 모선 연결부(13)가 서로 상하로 배치되고 도체 재료로 제조된 복수의 평행 연결 판(24, 25, 26)을 가지며,
    b) 제 2 모선 연결부(14)가 서로 상하로 배치되고 도체 재료로 제조된 복수의 평행 연결 판(21, 22, 23)을 가지는 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  3. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 제 1 모선 연결부(13) 및/또는 제 2 모선 연결부(14)가 나사 장착을 위해 설계되고, 그리고/또는
    b) 제 1 모선 연결부(13) 및/또는 제 2 모선 연결부(14)가 적어도 부분적으로 니켈 도금되는 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  4. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 측정 장치(12)가 전기적으로 병렬로 연결된 다수의 저 저항 전류 감응 저항기(1)를 가져서, 측정하고자 하는 전류가 각각의 전류 감응 저항기(1)를 통해 흐르는 다수의 부분 전류들로 분할되도록 하고, 그리고/또는
    b) 전류 감응 저항기(1)가 복수의 평면에서 서로 상하로 배치되고, 그리고/또는
    c) 각 케이스의 각의 평면에서 복수의 전류 감응 저항기(1)가 서로 후속하여 나란히 배열된 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  5. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 측정 장치(12)가 데이터를 송신 및/또는 수신하기 위한 구조적으로 통합된 데이터 인터페이스(19)를 가지며, 그리고/또는
    b) 데이터 인터페이스(19)가 옵토커플러를 포함하고, 그리고/또는
    c) 광섬유(20)가 옵토커플러(19)에 연결되고, 그리고/또는
    d) 데이터 인터페이스(19)가 광섬유(20)와 함께 전기적 절연을 형성하는 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  6. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 측정 회로(17) 및/또는 데이터 인터페이스(19)가 도체 재료로 제조된 전기 차폐부에 캡슐화되고, 그리고/또는
    b) 전기 차폐부는 모선 연결부(13, 14)로부터 그리고/또는 모선 연결부(13, 14) 사이에 도체 재료로 제조된 스페이서(27-32)로부터 그리고/또는 도체 재료로 만들어진 보강 판으로부터 적어도 부분적으로 형성된 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  7. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 전압 탭 쌍들이 전류 흐름의 방향에 대해 횡방향으로 서로 인접하여 배치되고, 그리고/또는
    b) 측정 회로(17)가 높은 샘플링 속도, 바람직하게는 적어도 4 kHz의 샘플링 속도로 동기식으로 전압 탭 쌍에서의 전압 낙차를 측정하고, 그리고/또는
    c) 측정 회로(17)가 전압 탭들의 쌍들에서 측정된 전압들로부터 평균 값, 특히 가중된 평균값을 계산하고, 그리고/또는
    d) 측정 회로(17)가 상기 전압 탭들의 쌍들에서 측정된 전압들과 온도 및 온도차에 대한 값들로부터 직류를 계산하는 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  8. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 적어도 하나의 온도 센서(9)가 전류 감응 저항기(1)에서의 온도 측정을 위해 제공되고,
    b) 측정 회로(17)가 온도 센서에 연결되고,
    c) 전류 감응 저항기(1)가 온도 의존성 저항 값을 가지며,
    d) 측정 회로(17)가 온도 센서(9)에 의해 측정된 온도에 따라 저항 값의 온도 의존성을 보상하는 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  9. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 전류 감응 저항기(1)의 저항 요소(4)가 일측의 저항 요소(4)와 타측의 연결부 사이의 온도차의 경우 특정 열전기 전압을 발생시키는 특정 열전기 힘을 가지며,
    b) 저항 요소(4)를 가로질러 떨어지는 열전기 전압을 보상하기 위한 보상 요소(10)가 제공되고,
    c) 보상 요소(10)는 2 개의 연결부(2, 3)에 열적으로 연결되고 따라서 저항 요소(4)와 동일한 온도차로 노출되고,
    d) 보상 요소(10)가 일측의 보상 요소(10)와 타측의 연결부(2, 3) 사이의 온도차의 경우 특정 열전기 전압을 발생시키고,
    e) 보상 요소(10)와 저항 요소(4)가 전압 측정용 측정 회로에서 직렬로 전기적으로 접속되고 측정 회로(17)에 접속되어, 일측의 저항 요소(10)의 열전기 전압 및 타측의 보상 요소(10, 11)의 열전기 전압이 적어도 서로 부분적으로 보상하도록 한 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  10. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 저항 요소(4)를 가로지르는 온도차를 측정하기 위해, 열전대(11)가 저항 요소(4)에 대해 발생하는 열전기 전압을 계산적으로 보상할 목적으로 제공되고,
    b) 측정 회로(17)가 열전대(11)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  11. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 전압 탭이 전류 감지 저항 양단에 걸리는 전압을 감지하기 위한 제공되고, 그리고/또는
    b) 전압 탭은 평평한 리본 케이블(6)에 집적되고, 그리고/또는
    c) 플랫 리본 케이블(6)이 전류 감응 저항기(1)에 납땜되고, 그리고/또는
    d) 리본 케이블(6)이 다층 구조이고, 그리고/또는
    e) 플랫 리본 케이블(6)이 스트립 도체를 형성하고, 그리고/또는
    f) 온도 센서가 리본 케이블(6)에 장착되고, 그리고/또는
    g) 열전기 전압을 보상하는 역할을 하는 보상 요소가 플랫 리본 케이블(6) 상에 장착되고, 그리고/또는
    h) 온도차 측정에 사용되는 열전 요소(11)가 플랫 리본 케이블(6)에 장착된 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  12. 제 11 항에 있어서,
    a) 도체 재료, 상세하게는 구리로 만들어진 판(7)이 플랫 리본 케이블(6)과 전류 감응 저항기(1) 사이에 배치되고, 그리고/또는
    b) 판(7)이 납땜, 소결, 용접 또는 전도성 접착 결합에 의해 전류 감응 저항기(1)에 연결되고, 그리고/또는
    c) 판(7)이 플랫 리본 케이블(6)과 전기적으로 접촉하기 위한 연결 핀(8)을 가지며, 그리고/또는
    d) 판(7)의 연결 핀(8)이 플랫 리본 케이블(6)의 전기 접점에 연결, 특히 납땜, 접착 또는 용접에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  13. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 측정 장치(12)가 측정 회로(17)에 전력을 공급하기 위한 고전압 변압기(18)를 가지며, 또는
    b) 측정 회로(17)에 전력을 공급하기 위한 측정 장치(12)가 광원 가이드 (light guide)를 통해 전류를 생성하기 위해 광원, 특히 레이저에 의해 조사되는 광전지 셀(18)을 가지는 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  14. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 전류 감응 저항기(1)가 각각 저항 요소(4) 및 연결부(2, 3)를 포함하는 다수의 평면 복합 재료 판을 가지며,
    b) 복합 재료 판이 서로 평행하게 배열되고,
    c) 인접한 복합 재료 판들이 연결부에서 서로 전기적 및 기계적으로 연결되고,
    d) 저항 요소(4)의 영역에서의 인접한 복합 재료 판들이 절연 갭에 의해 서로 전기적으로 분리되고, 그리고/또는
    e) 복합 재료 판이 각각 전류 흐름의 방향에 대해 길이 방향으로 이어지고 전류 흐름의 방향을 가로 질러 서로 인접하여 배열되는 복수의 슬롯 (5)을 가지며, 이들 슬롯은 복합 재료 판에서, 각각 복수의 저항 요소(4)를 서로 분리시키는 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).
  15. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 전류 감응 저항기(1)가 1mΩ, 500mΩ, 250mΩ, 100mΩ, 50mΩ, 25mΩ, 10mΩ, 5mΩ, 2mΩ 또는 1mΩ 이하의 저항 값을 가지며, 그리고/또는
    b) 전류 감응 저항기(1)의 저항 재료는 다음의 b1)- b3) 중 하나이며,
    b1) 구리-망간 니켈 합금, 특히 Cu86Mn12Ni2,
    b2) 구리-망간-주석 합금, 특히 Cu90,7Mn7Sn2,3,
    b3) 니켈-크롬 합금, 특히 니켈-크롬-알루미늄 합금, 특히 Ni74,5Cr20Al3,5Si1Mn0,5Fe0,5, 및/또는
    c) 도체 재료가 구리 또는 구리 합금이고, 그리고/또는
    d) 도체 재료가 저항 재료보다 낮은 저항성을 가지며, 그리고/또는
    e) 측정 장치(12)가 펄스, 특히 100ms의 펄스 지속 시간과 관련하여 적어도 10kA, 25kA, 50kA, 100kA, 200kA, 500kA의 단기 최대 전류로 펄스 로딩될 수 있으며, 그리고/또는
    f) 측정 장치(12)가 적어도 1kA, 2kA, 5kA, 10kA, 20kA 또는 30kA의 연속 전류로 로딩될 수 있고, 그리고/또는
    g) 저항 요소(4)가 50㎜, 25㎜, 10 ㎜, 7 ㎜ 또는 5 ㎜를 초과하지 않는 전류 흐름 방향의 길이를 가지며, 그리고/또는
    h) 측정 회로(17) 및 데이터 인터페이스(19)가 전기적 차폐부 내에 배치되고, 그리고/또는
    i) 측정 장치(12)가 0.1%, 0.05%, 0.01%, 0.005% 미만의 직선성 오차를 가지며, 그리고/또는
    j) 측정 회로 (17)가 오프셋(offset)이 없으며, 그리고/또는
    k) 측정 회로(17)가 적어도 500Hz, 1kHz, 2kHz 또는 적어도 4kHz의 샘플링 속도를 가지며, 그리고/또는
    l) 전류 감응 저항기(1)의 저항 요소(4)가 판형이고, 그리고/또는
    m) 전류 감응 저항기(1)의 제 1 연결부 및/또는 제 2 연결부는 판형이고, 그리고/또는
    n) 측정 장치(12)가 1K/W, 0.5K/W, 0.1K/W, 0.05K/W 또는 0.02K/W보다 작은 저 내부 열 저항을 가지며,
    o) 측정 회로(17)가 연속적인 전류 검출을 위한 제 1 샘플링 속도를 갖는 제 1 측정 채널 및 과전류 검출을 위한 높은 제 2 샘플링 속도를 갖는 별도의 제 2 측정 채널을 가지며, 그리고/또는
    p) 저항 요소(4)가 용접 조인트에 의해, 특히 전자빔 용접에 의해 제 1 연결부 및 제 2 연결부에 연결되고, 그리고/또는
    q) 전류 감응 저항기(1)가 전류 흐름 방향에 대해 종방향으로 이어지고 전류 흐름 방향을 가로질러서는 서로 후속하여 배치되고 그리고 복수의 저항 요소를 서로서로 분리시키는 복수의 슬롯을 가져서 측정하고자 하는 전류가 분할되어 개별적인 저항 요소(4)를 통해 흐르도록 한 것을 특징으로 하는 측정 장치(12).


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