TWI387757B - 電流測量裝置及包含此種測量裝置之電流感測器、電跳脫單元和斷路裝置 - Google Patents

Description

電流測量裝置及包含此種測量裝置之電流感測器、電跳脫單元和斷路裝置

本發明係關於一種羅哥斯基型式(Rogowski type)之電流測量裝置，其係包含至少三個線圈，其係電性地串聯連接且形成封閉之多邊形外形，其係設計成包圍一導體而執行電流測量。

包含羅哥斯基型式電感性感測器的電流測量裝置之使用廣泛地描述於文獻中。

羅哥斯基型式電流感測裝置係包含一由非磁性材料所製成之支架，其係設置於其中流動有欲測量之電流的電流導體或電線周圍，導線係在該支架上繞成線圈而形成次級繞組；該總成形成一變壓器，其中該電流導體或電線建構一初級繞組以及該次級繞組供應一測量信號，供應於該次級繞組之端子處的電壓直接成比例於該電流導體或電線中所流動之電流密度，沒有易於飽和之磁心的事實使寬廣的測量範圍能予以達成。

為獲得獨立於支架中導體位置的電壓測量以及抑制設置在該支架外面之另一導體的影響，單位長度之匝數必須恆常於線圈之整個長度上且該等匝必須相連。

數個解決方法（US 4,611,191；WO 01/57,543 A1等專利案）係包含環形螺管形式之線圈，電線因而可纏繞於圓形或矩形橫截面之環形非導電性支架之上；雖然它們極具效率，但由於環形之幾何形狀，利用封閉之環形的解決方法對於產業化終屬困難；實際上，環形之繞組依然複雜且當電流測量裝置之大小很小時，此尤屬事實。

為補救該等實現的問題，其他解決方法包含利用串聯地電性連接且以多邊形之外形配置之數個線圈的總成，因此該多邊形之各邊係由線性或準線性線圈予以形成；一般而言，所使用之線圈數目愈大，則該多邊形之大致形狀愈接近於圓筒狀環形之形狀（US 3,262,6291；DE 19,731, 170等專利）。

為了使多邊形之產業達成率最佳化，可使用利用具有四邊之正方形或矩形之多邊形外形的解決方法（EP 209,415；FR 2,507,811；DE 2,432,919等專利）；如第1圖中所示，電流測量裝置1係因此藉串聯電性連接其縱軸Y設置於同一徑向平面中的四個線性線圈2所形成，其上將執行電流測量之初級導體7係以垂直於該電流測量裝置1之該徑向平面的方向設置於電流測量裝置之內部。

然而，該等解決方法有時候會呈現對於該多邊形外面之現象太敏感的缺點，所以會使導體7中所流動之電流的測量錯誤。

確實地，當使用數個線圈2來建構封閉式之多邊形形狀的電流測量裝置時，磁性不連續區域H會存在於兩個線圈間之各連接區域中；不像包含較佳環形形狀之螺管的電流測量裝置一樣地，在該測量裝置之繞組的整個長度上之單位長度的匝數不再是恆常的；由於線圈2之最後的匝並未與直接連接於其之線圈2的第一匝相連，故存在結構上之不連續；在該電流測量裝置與外部電路之間的互感係數MO並不為零。

當該多邊形之兩線圈間所形成之內角α愈小時，則該兩線圈間的結構性不連續會愈大；正方形或矩形多邊形形狀之電流測量裝置的該等線圈間的內角α為90度。

數個先前技術之解決方法(EP 0,838,686)藉配置該四個線圈使得線圈之各末端由毗鄰於其之線圈予以部分地或整個地覆蓋而補償該等不連續，此解決方法並未完全解決有關電流測量上之外部通量影響的問題；此外，將遭遇配裝該等線圈於其支架上的問題。

其他解決方法利用僅設置磁心之元件於該結構性不連續的位準處；雖然其降低了雜散之外部通量的影響，但當存在強電流時，該等磁心最後會飽和；此外，該等磁心之存在會使該等線圈之相互連接更加複雜。

因此，本發明之目的在於解決先前技術之缺點以便提出一種電流測量裝置，其對於外部擾動較不敏感，具有減少的體積，且產業化簡易。

根據本發明之電流測量裝置係包含線圈，該等線圈之至少一末端的局部電感比朝向該等線圈之中央部分的局部電感更高。

較佳地，該等線圈之兩末端處的局部電感比朝向該等線圈之中央部分的局部電感更高。

較佳地，其局部電感比中央部分之局部電感更高的該等線圈之末端包含每單位長度之線匝數目比朝向該等線圈之中央部分的每單位長度之線匝數目更大的數目。

較佳地，該等末端包含線匝之層數比朝向該等線圈之中央部分的線匝之層數更大的數目，該等線匝之繞組節距為常數。

在一特定的實施例中，該等末端包含在一層及同一層之線匝上之該等線匝的繞組節距比朝向該等線圈之中央部分的線匝之繞組節距更小。

較佳地，在該等線圈之兩末端處之線匝數目的變化在該線圈之總長度的百分之十與二十間所包含的距離上完成。

根據本發明之發展，其局部電感比中央部分之局部電感更高的該等線圈之末端係包含比朝向該等線圈之中央部分的線匝長度更大長度的線匝。

在一特定的實施例中，兩線圈之末端的徑向表面係部分地藉相鄰之線圈予以覆蓋。

該電流測量裝置較佳地由四個線圈形成，該四個線圈係配置成形成一封閉之外形。

較佳地，該外形具有正方形或矩形之多邊形形狀。

一種包含具有一線圈纏繞於磁性電路周圍之磁性電流感測器的混合式電流感測器具有如上述所界定之電流測量裝置，以該磁性感測器之初級電路相對應於該電流測量裝置之初級電路的此一方式予以配置。

一種電跳脫單元包含處理裝置，該處理裝置係連接於至少一如上述所界定之電流測量裝置，以接收至少一代表初級電流之信號。

一種斷路裝置係包含一連接於如上述所界定之電跳脫單元之電性接點及斷電器的開啟機制，該電跳脫單元包含一如上述所界定之電流測量裝置。

電流測量裝置1包含至少三個線性線圈2，其係電性地串聯連接且形成一封閉的多邊形外形；根據第2圖中所示之本發明的較佳實施例，電流測量裝置1包含四個線性線圈2，配置於同一平面中，各線圈之縱軸Y垂直於實際地相鄰於其所設置之兩線圈的個別之縱軸。

各線圈包含由非磁性材料所製成且具有圓筒形，正方形，矩形或卵形橫截面之線性形狀的中空，剛性或半剛性之殼體，由銅或銅基合金所製成之金屬線纏繞於該殼體之上。

大致地，熟知之感測器之殼體具有圓形形狀之橫截面；然而，此一形狀並非使得當設定於感測器一邊之空間或體積受限時能具有最大的橫截面；在該實施例中，該等線圈之殼體的橫截面為矩形形狀，兩凸緣3分別地設置於該等線圈2之兩末端處。

該等線圈2係電性地相互串聯連接，各線圈固定於一支撐該四等線圈之組合的底座5上，該底座5配置有一中央開口6，使電流測試執行於其上之電流導體或電線7能貫穿通過；此電流導體或電線7形成電流測量裝置1之初級電路。

在如第8至10圖所示之實施例中，底座5係由印刷電路所形成，此電路因而確保線圈2之機械性固定及其電性互連，該印刷電路亦使外部連接於一連接滙流排10；該四個線圈2分別地具連接接腳9，直接地焊接於該印刷電路的軌跡11之上。

各線圈2包含數個層之線，在任一層上之線的繞組係以恆常之節距執行；換言之，在一層上之每單位長度的匝8數為常數；此外，較佳地，該等匝係相連的。

各線圈2擁有偶數層之線，其中連接接腳9位於線圈殼體之同一側上，或擁有奇數層之線，其中連接接腳位於該殼體之兩側上；在第一種情況中，相鄰線圈之連接接腳9的互連導電軌跡11具有實質相等於該殼體之長度的長度；在第二種情況中，該印刷電路較佳地擁有一實質包圍該中央開口6之中和導電軌跡，此軌跡電性地配置串聯於繞組及磁性地配置相反於該等繞組，以便中和外部磁場之擾動效應。

由於以正方形來配置該四個線圈，結構性不連續之四個區域H潛在地存在其中並無匝之呈現；因此，在該多邊形的該等線圈之間所形成的內角為90度。

理想地，如第3圖中所示意顯示地，匝88應配置於區域H之中以防止感測器之週邊上的任一線圈之不連續性，所以在該等弧形部位上之每單位長度的匝數將維持接近於線性部位上的匝數。

為限制由於缺少線匝於感測器之該等部位上的有害效應，本發明包含定位該等不連續區域之補償裝置於感測器之上，該等補償裝置包含朝向該等線圈之個別末端局部性地改變其電感；實際上，本發明包含局部性地增加線圈2之電感於其末端A處，因此，在末端A之局部電感係比朝向該等線圈2之中央部分B所局部性觀察之電感更大。

所以，根據本發明之較佳實施例，該裝置包含具有互補之線匝繞組於兩末端A上之線圈2；在此實施例中，結構性之不連續係藉電性補償予以緩解，增加於各末端A之匝8數大略等於1/乘以區域H中所缺少之匝數，該過量線圈4係製成盡可能地接近於兩末端A；在該實施例中，過度線圈4製成於一距離D上，較佳地該距離D包含於線圈總長度L的百分之十與二十之間，在各線圈之整體上之線的繞組較佳地以恆常的節距執行，例如具有相鄰的匝。

根據第一選擇性之實施例，該過量線圈之效應係由各線圈2末端處之線繞組節距的變化效應予以取代；實際上，在線之一層及同一層之上，該等線圈之兩末端A處局部性所觀察的繞組節距相異於朝向該線圈之中央部分B局部性所觀察的繞組節距，在該等末端A之纏組節距比朝向該線圈之中央部分B之局部性存在的纏組節距；所以，無需增加層的數目，在該等末端A之局部所觀察之每單位長度的線匝8數目比朝向線性線圈2之中央部分B局部所觀察之每單位長度的線匝數目更大。

根據如第5及6圖中所示之第二選擇性實施例，結構性之不連續可藉改變線圈2末端A之位準處之每線圈線匝的線長而加以補償，則在非磁性殼體上所獲得之各線圈2的橫截面在其總長度L上並非恆常的，朝向兩末端A之殼體的橫截面必須比朝向中央部分B的橫截面更大；可想像的是，殼體係以此一方式由兩個截頭體形狀之體積所構成，即，圓錐體之大的底部相對應於設置在該殼體末端A處的表面之方式；另一種解決方式將包含利用一殼體，該殼體之橫截面隨著一相對應於一部分圓形或拋物線之輪廓而從一末端A變化至另一末端。

根據如第7圖中所示之另一選擇性實施例，初始之結構性的不連續一方面藉增加朝向線圈末端A的局部電感及另一方面藉空間偏置兩線圈而予以補償，因此，電性補償與幾何形狀之補償結合在一起，實際上，此幾何形狀之補償包含以此一方式設置兩個平行線圈，即，其末端A部分地覆蓋相鄰線圈的徑向表面。

自然地，可想像的是，能相互結合本發明之該四個實施例；例如實際上可想像的是提供過量線圈於該等線圈2的末端A處而具有變化節距之繞組，或提供具有變化橫截面及變化節距之繞組的線圈；此外，同一電流測量裝置1可包含分別以上述不同實施例所獲得之線圈。

此外，上述解決方法提供所有該等線圈2之所有該等末端A具大修正之局部電感，因此，在兩線圈2之間的不連續將由於該兩線圈2之個別末端的結構或電性之修正而得以補償；亦可想像的是，能僅只修正該兩線圈2之兩末端A的單一末端；實際上，在該電流測量裝置1之所有線圈2上，僅該兩末端當中的一個末端A具有修正的局部電感。

在一般方式中，當不連續區域H大時，有害的效應或外部的擾動會在電流測量上具有較大的影響；換言之，在兩線圈間之內角α愈小時，例如小於90度時，則結構性之不連續區域H會愈大且將感覺更多的擾動；因此，根據本發明之補償裝置係更特定地設計供具有線圈配置於具有至少八邊之多邊形外形的電流感測器用；對於具有超過八邊的多邊形而言，當不連續區域H相當小之時，則鄰接補償裝置於該處的必要性將因而更少。

根據本發明不同實施例的電流測量裝置1尤其打算結合磁性電流感測器，藉此形成一由磁性感測器與羅哥斯基型式(Rogowski type)電流測量裝置1組成之混合式電流感測器20。

接著，此總成20可積體化於一設計控制諸如電路斷路器50之斷路裝置的電跳脫單元40中，該電路斷路器50安裝於電流導體或電線25上；然後，磁性電流感測器連接於該電跳脫單元的電源供應器單元28；根據本發明之電流測量裝置1連接於處理裝置29，處理裝置29之本體由電源供應器單元28予以供電；如第12圖中所示，裝置之數個電極各可包含根據本發明之羅哥斯基型式電流測量裝置及磁性電流感測器。

若該處理裝置29經由電流測量裝置1接收到呈現於該等線25之至少之一的故障資訊時，接點30之開啟控制順序可經由繼電器31傳送到開啟機制32。

如第11圖中所示，磁性電流感測器主要由配置於磁性電路22上之線圈所組成，藉此形成變流器之次級繞組；初級電路係由其上安裝該總成20之電流導體或電線25所形成，此未圖示之電流導體或電線25係配置於磁性電路22中所配置之開口6內部；此外，根據此實施例，該磁性電流感測器之初級電路相對應於根據本發明之電流測量裝置1的初級電路；串聯安裝且形成正方形之四個線性線圈2實際上配置於其中該電流導體或電線25通過的開口6周圍；扮演該四個線圈之支架的印刷電路5使用於電性連接該等線圈，而且電性連接線圈23；此外，可想像的是，能使用一單一之連接匯流排於該兩感測器。

此架構使該總成之整個大小能大大地降低，且對於安裝此型式之混合式電流感測器於電跳脫單元中有利。

1．．．電流測量裝置

2,23．．．線圈

Y．．．縱軸

7．．．初級導體

MO．．．互感係數

3．．．凸緣

5．．．底座

6．．．開口

8,88．．．匝

9．．．連接接腳

10．．．連接匯流排

11．．．軌跡

A．．．末端

B．．．中央部分

H．．．區域

4．．．過量線圈

D．．．距離

L．．．整個長度

α．．．內角

20．．．混合式電流感測器

40．．．電跳脫單元

50．．．電路斷路器

25．．．電流導體或電線

28．．．電源供應器單元

29．．．處理裝置

30．．．接點

31．．．繼電器

32．．．開啟機制

22．．．磁性電路

其他優點及特性從僅給定為非限制性之實例及以附圖顯示之本發明特定實施例的實施方式中呈現更為明顯，其中：第1圖顯示已知型式之電流測量裝置的俯視圖；第2圖顯示根據本發明較佳實施例之具有四個線圈之電流測量裝置的示意俯視圖；第3圖顯示第2圖之相對應於兩線圈之接合區的放大比例視圖；第4圖顯示根據第2圖之該電流測量裝置的側視圖；第5至7圖顯示根據第2圖之該電流測量裝置的替代性實施例；第8至10圖顯示在支架上之組合過程中之線圈的立體圖；第11圖顯示一特定之實施例，其中根據本發明之電流測量裝置結合有磁性電流感測器；以及第12圖顯示根據本發明之積體有電流感測器之斷路裝置的方塊圖。

1．．．電流測量裝置

2．．．線圈

3．．．凸緣

4．．．過量線圈

5．．．底座

6．．．開口

7．．．初級導體

8．．．匝

A．．．末端

B．．．中央部分

Y．．．縱軸

H．．．區域

Claims (17)

1. 一種混合式電流感測器(20)，其係包含一磁性電流感測器，該磁性電流感測器具有一線圈(23)纏繞於一磁性電路(22)周圍，其特徵在於其包含一電流測量裝置，其係包含至少三個羅哥斯基型式(Rogowski type)線圈(2)，該些線圈係電性地串聯連接且形成一封閉之多邊形外形，其係以該磁性感測器之初級電路(7,25)相對應於該電流測量裝置(1)之初級電路(7,25)的方式予以配置，該等線圈(2)之至少一末端(A)的局部電感比朝向該等線圈之中央部分(B)的局部電感更大。
2. 如申請專利範圍第1項之混合式電流感測器，其中該至少三個羅哥斯基型式線圈(2)固定至一個底座(5)，其係配置一中央開口(6)，其用於初級電路(7,25)之通道，底座(5)係由一印刷電路所形成，其實施線圈(2)之機械性固定及其之電性互連。
3. 如申請專利範圍第2項之混合式電流感測器，其中該至少三個羅哥斯基型式線圈(2)分別具連接接腳(9)，其係直接地焊接於該印刷電路上。
4. 如申請專利範圍第2或3項之混合式電流感測器，其中該底座(5)包含設計成實施該至少三個羅哥斯基型式線圈(2)至一個連接滙流排(10)之外部連接的裝置。
5. 如申請專利範圍第2或3項之混合式電流感測器，其中該底座(5)包含設計成實施線圈(23)之電性連接的裝置。
6. 如申請專利範圍第5項之混合式電流感測器，其中該 底座(5)包含設計成實施所有線圈(2,23)至一個單一連接匯流排(10)之外部連接的裝置。
7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之混合式電流感測器，其中該等線圈(2)之兩末端(A)處的局部電感比朝向該等線圈之中央部分(B)的局部電感更大。
8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之混合式電流感測器，其中其局部電感比中央部分(B)之局部電感更大的該等線圈(2)之末端(A)包含每單位長度之線匝(8)數目比朝向該等線圈之中央部分(B)的每單位長度之線匝(8)數目更大的數目。
9. 如申請專利範圍第8項之混合式電流感測器，其中該等末端(B)包含線匝(8)之層數比朝向該等線圈之中央部分(B)的線匝(8)之層數更大的數目，該等線匝之繞組節距為常數。
10. 如申請專利範圍第8項之混合式電流感測器，其中，在任一層之線匝(8)上，該等末端(A)包含該等線匝的繞組節距比朝向該等線圈之中央部分(B)的線匝之繞組節距更小。
11. 如申請專利範圍第8項之混合式電流感測器，其中在該等線圈(2)之各末端處(A)之線匝數目的變化在該線圈(2)之總長度(L)的百分之十與二十間所包含的距離上完成。
12. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之混合式電流感測器，其中其局部電感比中央部分(B)之局部電感更高的該等線圈(2)之末端(A)包含比朝向該等線圈之中央部分(B) 的線匝長度更大長度的線匝。
13. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之混合式電流感測器，其中一線圈(2)之至少一末端(A)的徑向表面係部分地被相鄰之線圈覆蓋。
14. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之混合式電流感測器，其中該電流測量裝置由四個線圈(2)形成，該四個線圈係以形成一封閉之外形之方式配置。
15. 如申請專利範圍第14項之混合式電流感測器，其中該外形具有一正方形或矩形之多邊形形狀。
16. 一種電跳脫裝置(40)，其係包含處理裝置(29)及一個如上述申請專利範圍中任一項之混合式電流感測器，其特徵在於該處理裝置(29)連接於該混合式電流感測器，以接收至少一代表一初級電流的信號。
17. 一種開關裝置(50)，其係包含一個如申請專利範圍第16項之電跳脫裝置(40)，其特徵在於其包含電性接點(30)及繼電器(31)的一個開啟機制(32)，該開啟機制連接於該電跳脫裝置(40)。