CN102854363A - 测量装置以及包括该测量装置的电气设备单元 - Google Patents

Abstract

一种测量装置，所述装置被收纳于壳体中，该壳体具有平行六面体的形状并且其宽度大体上与保护设备的宽度相同，并包括一定数量的通过孔，该通过孔形成端子，通过由绝缘材料制成的部件限定，所述通过孔形成端子的数量与设备单元的相数量相关，所述通过孔形成端子被设计成每个通过孔由一个导体穿过，所述导体被设计成通过其一个末端电连接至第一设备单元的端子接触板，并且通过相对的末端连接至位于所述第一设备单元的负载侧或线路侧的设备的电接触板，对于装置的至少一个端子来说，磁芯至少部分围绕所述端子并且包括至少一种气隙，围绕该气隙次级线圈在限定所述气隙的磁芯的两个末端部分之间缠绕，所述线圈传递代表设备中流通的电流的信号。

Description

测量装置以及包括该测量装置的电气设备单元

技术领域

本发明涉及一种装置，该装置用于测量至少一种电量，该电量包括电气设备单元中流通的电流，所述设备单元被收纳于壳体内，并且该壳体被设计成安装在装配支架上，并且涉及包括一个这种装置的电气设备单元。

背景技术

电气保护设备包括功率测量装置，该测量装置被整合在所述设备的壳体内部。

在这些设备中，由于测量装置位于所述设备内部，因此，电流和电压的测量以侵入的方式完成。

发明内容

本发明解决了此问题并且提出一种用于测量电流和电压的装置，该装置设计简单，能够与安装在装配支架上的电气保护设备相关联，例如，DIN导轨类型的电气保护设备，所述装置被集成对保护单元来说在宽度方向上减小的可用容积中，同时满足2级的测量精度目标，电流测量以非侵入的方式完成，而不需要通常将电线直接接近所述设备单元的端子，该设备单元被保护或被限制，且没有增加任何连接，并且提出了一种包括该装置的电气保护设备。

为此，本发明的目的就是提供一种用于测量至少一种电量的装置，该电量包括电气设备单元中流通的电流，所述装置被收纳于壳体内，该壳体被设计安装在装配支架上，该装置的特征在于，其包括一定数量的通过洞(pass-through hole)，所述通过孔形成端子，其由绝缘材料制成的部件所限定，所述通过孔的数量与设备装置中相的数量相对应，所述通过孔形成端子被设计为分别由导体通过，所述导体被设计成通过其中一个末端分别连接至被称为第一单元的设备单元的端子接触板，且通过相对的末端连接至位于所述第一设备单元的负载侧或线路侧的所述设备的电气接触板，对于至少一个所述装置的端子，磁芯至少部分包围所述端子并且包括至少一个气隙，围绕该气隙，被称为次级线圈的至少一个测量线圈在限定所述气隙的磁芯的两个末端部分之间缠绕，所述线圈传递代表设备中流通的电流的信号。

根据一个特定的特征，限定所述通过开口的上述部件呈U形横截面。

根据一个特定的特征，上述磁芯包括两个被气隙分隔开的U形部，次级线圈被放置在两个气隙中的每一个的周围，所述线圈串联连接并且传递代表装置中流通的电流的信号。

根据另一个特征，上述磁性U形部由直径大约为1毫米的冷拉圆钢丝形成。

根据另一个特征，所述磁性U形部由硅铁或镍铁制造而成。

根据另一个特征，所述磁性U形部通过堆叠一定数量的纳米晶体材料层制造而成。

根据另一个特征，所述磁芯由U形部件形成，该U形部件包括被气隙分隔开的两个末端部分，在两个末端部分之间放置用于测量设备装置中流通的电流的次级线圈。

根据另一个特征，所述磁芯由三个相互焊接的分支组成，所述分支由堆叠的金属板形成。

根据另一个特征，所述U形部的分支由含3%硅铁的定向颗粒(orientated grain)组成。

根据另一个特征，上述磁芯由两个相互分离的I形部组成，所述I形部的末端之间形成两个气隙，每个I形部被设计传导磁通量，每个气隙由两个I形部的两个面对的末端部分形成，每个气隙接收次级测量线圈，该次级测量线圈被安置分别属于两个I形部的两个相对的末端部分之间。

根据另一个特征，每个I形部由含3%硅铁的定向颗粒的金属板堆叠而成。

根据另一个特征，I形部的分支末端超过线圈以致于减小了可能存在的外部磁场的影响。

根据另一个特征，所述装置安装在一个被称为第一壳体的壳体内，该第一壳体被设计成以可拆卸的方式固定在被称为设备单元的第二壳体的壳体上。

根据另一个特征，上述被称为第一壳体的壳体包括两个次所述壳体的外部表面突出的销，所述销一方面被设计成通过他们的末端中的被称为第一末端的末端在设备单元的端子接触板上实现电压的分接，另一方面被设计执行将称作第一壳体的壳体与被称为第二壳体的壳体固定，所述销通过他们的相对末端电连接到电压测量装置。

根据另一个特征，所述销电连接至印刷电路卡，该电路卡包括上述电压测量装置。

根据另一个特征，位于称作第一壳体的所述壳体的内部的元件的至少一部分被涂上具有高绝缘强度的树脂，使得所述壳体内部的间隙距离减小。

根据另一个特征，所述设备是一种模块化的电气保护设备，该设备被设计成安装在支撑导轨上。

本发明进一步的目的是提供一种电气保护设备，该电气保护设备包括一种测量装置，该测量装置包括上述特征的单一形式或组合。

附图说明

从下面参照附图仅以示例的方式给出的详细描述中，本发明的其他优点和特点将变得明显，图中：

图1表示准备安装在设备单元上的测量装置的透视图，

图2是类似于前述附图的附图，显示了所述装置内部的特定元件，

图3是表示通过透明的壳体壁更加完整的说明所述装置内部构造的透视图，

图4是类似于图3的视图，但是示出根据本发明的特定实施方式的所述装置的内部涂层，

图5是仅表示图2和图4中展示的内部构造的部分透视图，

图6是表示本发明所述装置的壳体底部的部分透视图，该装置的壳体底部包括两个端子或通过孔，其中一个端子或通过孔配备电流传感器，

图7是仅表示电流传感器的部分视图，该电流传感器包括芯体和两个线圈，

图8是表示所述线圈及其输出导体的部分视图，

图9，图10和图11表示本发明所述电流传感器的三种不同实施方式的透视图，

图12类似于图9，但是通过透明线圈显示了气隙，

图13和图14是表示根据本发明的配备有测量装置的电气设备单元的内部构造部分透视图，分别是导体未***装置所述位置的透视图和导体***装置的位置的透视图。

具体实施方式

在图1至图4中，可见本发明所述的用于测量电流和电压的装置D，该装置D被设计与电气设备单元相关联以致于测量所述设备单元的电流和电压。所述装置被收纳于壳体1中，该壳体1大体具有平行六面体的形状并且宽度与所述保护装置相等，壳体1的高度使其能够集成于安装和接线在配电柜中被标准高度分隔开的导轨上的两排所述设备单元之间。所述壳体1包括两个通过孔形成端子2,3，它们被牢固固定在壳体的底部壁上，所述端子面对壳体底部壁内设置的两个通过孔5定位，所述通过孔5被设计为分别允许两个导体通过（未显示），所述电导体被设计成将所述设备单元的接触板与位于负载侧或线路侧的设备（未显示）的端子相连接。如图1至图8和附图11中特别说明的，所述测量装置包括一个传感器，在这个特别示出的实施方式中，所述传感器通过磁芯8（图2所示）形成，该磁芯由两个I形部9,10组成，该I形部被分开一定的距离，该距离与线圈13,14的支架12的两个部分的长度相对应，每个线圈分别安装在所述I形部的两个相对末端之间。这些次级线圈***金属板之间，优选指向I形部的分支的末端。线圈的测量是在气隙位置处的空气中完成。I形部的分支的末端超过线圈一定长度，该长度比将线圈安装在I形部的分支的末端所需的最小长度要长，以致于减小可能存在的外部磁场影响，该外部磁场会干扰测量。应该注意的是，这种超过量的数量级应有利地是等于磁路的宽度的长度。上述超过部分作用为磁屏蔽以对抗通过传感器的导体外部的磁辐射。上述I形部是金属板，该I形部的功能是将磁通量传导至测量电流所需的气隙，用于在所测电流及其在线圈输出上的映射之间的比率，以在所测电流的最低值和最高值之间，大约100mA至400A或4000A的范围内为线性。这使得所述线圈能够放置在能够容纳它们的具有足够体积的壳体的区域内。但是，在穿过壳体的两个孔的分隔之间仅有1mm的距离。在包括含有气芯的线圈的情况下，不可能用线圈包围所述孔，这是因为保护设备的两个端子的分隔距离太小。每个I形部通过堆叠的金属板形成（例如三个金属板，具有大约0.3mm的厚度），或单一的大块金属板或由烧结材料制成的单一板块。上述材料有利地是3%硅铁定向颗粒。在该实施方式中，由于金属板及其超过部分，这个传感器对外部干扰几乎不敏感。由于具有两个线圈，所述传感器对初级电缆的位置也不敏感。I形部的厚度大约1mm。

根据如附图9和附图12中所述的电流传感器的另一个实施方式，该传感器由两个部分构成。第一部分包括磁芯15，该磁芯15由被气隙分开的两个U形部16,17构成。第二部分包括安装在所述气隙周围的两个测量线圈18,19，所述测量线圈串联连接并且传输一个衍生信号，该衍生信号是初级电流的映射。

为满足几何的要求，可以由直径为1mm的冷拉圆钢丝制成磁性U形部16,17，或其他任何形状，材料的可用类型包括硅铁或镍铁。为提高传感器的线性度，所述磁性U形部可以通过堆叠一定数量的厚度很小的纳米晶体材料层制成。所述实施方式由于线圈下面材料的存在导致大增益，同时由于两个线圈的存在使得这种实施方式对初级电缆的位置不敏感。

根据如附图10中所述的另一个实施方式，所述传感器包括U形磁芯20，该磁芯由三个相互焊接的分支20a,20b,20c组成，所述三个分支本身由堆叠的金属板（例如，厚度为0.3mm的三个金属板）形成，所述材料能够是3%硅铁定向颗粒。U形分支的厚度大约为1mm。

在这种情况下，单独的线圈21是必需的，与前述描述的情况同样，次级线圈21***U形部20的分支的末端，该U形部20具有尽可能小的气隙，U形部的分支的末端必须超出线圈20以减小可能存在的外部磁场影响。

如附图1至附图5和附图13，附图14所述，本发明所述的装置包括两个销22,23，所述销的功能一方面在设备单元的端子位置处分接电压，另一方面在销20,21***端子后执行根据本发明的装置的壳体1相对于设备单元的壳体的固定。这些销因此包括被设计成连接至所述端子的一个末端和被设计成固定并且电连接至数据处理印刷电路卡26的另一末端。

尤其参考附图5和附图8，可见由线圈壳(coil shell)13,14组成的支架12通过与所述线圈支架11,12成一体的螺柱30固定在印刷电路卡26上，并且与印刷电路卡26上设置的开口相互配合。

参考附图5和附图8，可见所述装置也包括元件33,34，用于将线圈13的末端通过电连接至印刷电路卡。

应当注意的是，电容式电源供应和利用电阻分压器测量电压需要EMC等级，因此，需要遵守间隙距离。

此外，为了避免或减小上述间隙距离，所述装置的内部尤其是印刷电路卡已涂上高绝缘强度树脂涂层39（例如19kV/mm），以减小上述距离使其能够集成所有的电气元件和传感器在壳体中，并且在对应于保护设备的宽度的非常小尺寸的装置中执行功率测量，同时能够***两排设备单元之间，该设备单元安装并且连线至配电柜的导轨上。

在附图13和附图14中，本发明所述的电流测量装置安装在设备单元上。在所述位置，固定销22,23***设备单元的端子，并且按压在分别属于两个端子的两个表面35上，以致于执行所述装置D的壳体1相对于设备单元的壳体的固定。在所述位置上，销也与设备单元的端子接触板37电接触，以致于实现电压分接。

在附图13中，没有导体***所述装置，然而在附图14中，导体6通过所述装置以连接至设备单元的端子，因此执行所述设备单元和位于后者（未显示）的负载侧或线路侧的电气设备的电连接。在所述位置，通过磁耦合供电的线圈传递一种衍生信号，该信号与初级电流的映射相关。

所述装置能够测量由开关单元所保护或断开的电气设施的分支（或亏电线）的电流和电压，并能够计算功率。所述产品的总体尺寸非常有限。电流的测量以非侵入的方式完成，即，没有隐藏设备单元的端子或增加连接端子。所述传感器能够***现有的保护或开关设备的电路中，而不必对后者或电气设施进行任何修改，这给予设备单元的生产者和安装者很大的便利。

能够安装在可用容积内的小型传感器通过本发明实现，使得尺寸限制能够被避开并且符合2级测量精度目标（或根据范围甚至是1级或0.5级），电流的变化范围1至4000，传感器相对于该电流变化呈现线性。

本发明通过利用磁性电路使得传感器小型化，该磁性电路使得气隙转移至线圈安装的区域。

应当注意的是，所述装置能够单独安装，与断路器相关联，或集成于断路器。

应当注意的是，所述装置不只局限于电流的测量。该装置也进行电压的测量和功率以及能量的计算。

应当注意的是，U形部的三个分支可以以不同的方式获得，即，在单一的烧结单元中，通过折叠的金属板或焊接的金属板。

应当注意的是，在单相传感器的壳体中，单一传感器（磁芯）将会被安装，然而在传感器的壳体中包括多个相，因为有多个相所以需要安装多个传感器。

因此，本发明尤其适用于配电柜中能量的测量，本发明能够适用于任何设备，用于测量该设备中流通的电流，以及电压和能量。

自然，本发明不只局限于上述仅以举例为目的给出的所描述和说明的具体实施方式。

例如，磁性U形部的分支可以呈现另一种截面，而不是圆形截面，例如，可以是方形，矩形或其他截面。

所述磁性U形部可以由另一种材料而非硅铁或镍铁制成。实际上，后者可以由纳米晶体材料制成。

相反地，根据本发明的精神，本发明可延伸至包括所有的所述方法或组合的技术等价物，如果后者能够实现的话。

Claims (18)

1.一种测量装置，该装置用于测量至少一种电量，该电量包括电气设备单元中流通的电流，所述设备单元安装在装配支架上，其特征在于，所述装置被收纳于壳体（1）中，该壳体（1）具有平行六面体的形状并且其宽度大体上与保护设备的宽度相同，且该装置的高度使其能够集成于两排所述设备单元之间，该设备单元安装并且接线至配电柜中标准高度分隔的导轨上，该装置包括一定数量的通过孔（2,3），该通过孔形成端子，通过由绝缘材料制成的部件限定，所述通过孔形成端子的数量与设备单元的相数量相关，所述通过孔形成端子被设计成每个通过孔由一个导体穿过，所述导体被设计成通过其一个末端电连接至称为第一单元的设备单元的端子接触板（37），并且通过相对的末端连接至位于所述第一设备单元的负载侧或线路侧的设备的电接触板，对于装置的至少一个端子来说，磁芯（8,15,20）至少部分围绕所述端子并且包括至少一种气隙，围绕该气隙，被称为次级线圈的至少一个测量线圈在限定所述气隙的磁芯的两个末端部分之间缠绕，所述线圈传递代表设备中流通的电流的信号。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，限定通过孔的所述部件具有U形横截面。

3.如权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，上述磁芯（15）包括两个被气隙分隔开的U形部（16、17），次级测量线圈（18,19）位于每个气隙周围，所述线圈串联连接并且传递代表设备中流通的电流的信号。

4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，上述磁性U形部（16,17）由直径大约为1mm的冷拉圆钢丝制成。

5.如权利要求3或4所述的测量装置，其特征在于，所述磁性U形部（16,17）由硅铁或镍铁制造而成。

6.如权利要求3至5中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述磁性U形部通过堆叠一定数量的纳米晶体材料层（16,17）构成。

7.如权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述磁芯（20）由U形部件组成，该U形部件包括两个被气隙分隔开的末端部分，在末端部分之间放置用于测量设备设备单元中流通的电流的次级线圈（21）。

8.如权利要求7所述的测量装置，其特征在于，这个磁芯（20）由三个相互焊接的分支（20a,20b,20c）组成，这三个分支由堆叠的金属板组成。

9.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述U形部的分支由含有3%硅铁的定向颗粒制造而成。

10.如权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，上述磁芯（8）由两个分开的I形部（9,10）组成，在I形部的末端处在它们之间形成两个气隙，每个I形部被设计传导磁通量，每个气隙由两个I形部的相对末端部分形成，每个气隙接收次级测量线圈（13,14），该次级测量线圈（13,14）被安置在分别属于两个I形部的两个相对末端部分之间。

11.如权利要求10所述的测量装置，其特征在于，所述每个I形部由堆叠的金属板组成，所述金属板由含有3%硅铁的定向颗粒制造而成。

12.如权利要求10或11所述的测量装置，其特征在于，所述I形部的分支的末端超过线圈以致于减小可能存在的外部磁场的影响。

13.如权利要求1至12中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置安装在被称为第一壳体（1）的壳体内部，并且被设计成以可拆卸的方式固定在设备单元A的被称为第二壳体的壳体上。

14.如权利要求13所述的测量装置，其特征在于，被称为第一壳体的所述壳体包括两个销（22,23），该销从所述壳体的外表面突出，所述销被设计成一方面通过它们的末端中的称为第一末端的末端在设备单元的端子（22）的接触板（37）上完成电压分接，另一方面执行将被称为第一壳体的断路器的壳体（1）与设备单元的被称为第二壳体的壳体相固定，所述销（22,23）通过其相对末端电气连接至电压测量装置。

15.如权利要求14所述的测量装置，其特征在于，所述销（22,23）通过电连接至印刷电路卡（26），该印刷电路卡包括上述电压测量装置。

16.如权利要求13至15中任一项所述的测量装置，其特征在于，位于被称为第一壳体的壳体内部的至少部分元件涂上高绝缘强度的树脂，以减小所述壳体内部的间隙距离。

17.如权利要求1至16中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述装置是模块化的电保护设备，其被设计成安装在支撑导轨上。

18.一种电气保护设备，包括如权利要求1至17中任一项所述的测量装置。

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