CN107015045A - 罗氏线圈型电流测量传感器、保护和测量装置及断路器 - Google Patents

罗氏线圈型电流测量传感器、保护和测量装置及断路器 Download PDF

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Abstract

罗氏线圈型的电流测量传感器、保护和测量装置及包括传感器的断路器，传感器包括由非磁材料制成的载体(1)和缠绕在所述载体(1)上的二次绕组(5)，以输送表示在导电中流动穿过线圈内部的电信号。载体(1)基本上由模制的刚性塑料材料制成，并包括分布在载体本体的长度上的至少一个外部凹槽(2，3)。凹槽(2)包括由隔壁(4)分隔的至少两个沟槽(3)。保护和测量装置以及断路器包括这种电流传感器。

Description

罗氏线圈型电流测量传感器、保护和测量装置及断路器
技术领域
本发明涉及一种罗氏线圈型(Rogowski coil type)的电流测量传感器，其包括由非磁材料制成的架和缠绕在所述架上的二次绕组，以供给电信号，电信号表示在导体中流动穿过线圈内部的电流。
本发明还涉及一种电测量和保护装置和包括这样传感器的断路器。
背景技术
罗氏线圈在装备电子触发器的电源断路器的领域中是公知的。它们因它们的线性度质量和宽测量动态范围而使用，因为它们不包括可被饱和的磁路。因此，精度与绕组的规则性和传感器的横截面直接相关。
专利申请EP2667205A1和US2014132249A1中描述了断路器中使用的罗氏线圈传感器的示例。专利US5982265显示了具有椭圆横截面的另一罗氏线圈传感器。
来自罗氏线圈的输出信号由以下式子给出：
V＝μnSdi/dt
V是由罗氏线圈供给的输出信号的电压，
S是线匝的横截面，
μ0是渗透性，
n是匝数，
di/dt是一次电流相对于时间的导数。
因此，由环形线圈输送的电压是线匝的总表面区域的函数，电压的精度与线圈架的尺寸变化直接相关。
根据制造技术，用于罗氏线圈的绕组架一般由用柔性塑料材料制造的管制成或者通过模制刚性塑料元件而制成。
这些刚性塑料元件的形状是稳定的，且易于适配于大量生产。然而，在不使用校准***的情况下难以达到优于1％的测量精度。
而且，在断路器中可用的空间很少，并且环境温度动态范围十分宽广，例如从-40℃(断路器在诸如高海拔或北极区域的恶劣环境中操作)到180℃(断路器在诸如赤道或热带区域的热环境中在标称电流下操作)。
这种变化产生膨胀效应或改变架的横截面的尺寸，这对输出信号的精度有影响。
此外，在制造期间，在实心架或中空架的情况下难以控制在模制阶段中的收缩。当对于大量生产的环形线圈需求高精度时，这还有助于改变测量。
发明内容
本发明之目的是一种十分精确的罗氏线圈传感器以及一种保护装置和包括这种传感器的断路器，该传感器可大量生产，并且几乎不对温度变化敏感。
根据本发明，罗氏线圈型电流测量传感器包括由非磁材料制成的架和缠绕在所述架上的二次绕组，以供给电信号，电信号表示在导体中流动穿过线圈内部的电流，所述架基本上由模制的刚性塑料材料制成，并包括分布在架的本体的长度或圆周上的至少一个外部切口，所述切口包括由隔壁分隔的至少两个沟槽。
优选地，所述架具有带圆角的四边形形状横截面、内表面、外表面和两个横向表面。
有利地，所述架的各表面中的至少一个包括具有由隔壁分隔的至少两个沟槽的所述切口。特别地，所述架的两个横向表面中的至少一个包括由隔壁分隔的至少两个沟槽。优选地，所述架的两个横向表面包括由隔壁分隔的至少两个沟槽。
优选地，环形线圈架的所述横截面具有带圆角的大致梯形形状。有利地，具有梯形形状的架的内表面和外表面相对于两个横向表面形成直角正负8至20度。
优选地，所述架包括沿沟槽分布的肋，以维持隔壁。
在一个特定实施例中，所述架由具有高于200℃的玻璃化转变温度的无定形树脂构成。优选地，所述树脂填充尺寸小于200μm的珠纤维或玻璃纤维。优选地，所述树脂被填充至20和50％之间。
根据本发明的用于断路器的电测量和保护装置包括用于接收表示电流的信号的处理单元，包括连接到处理单元的如上所述的测量传感器，以供给表示在电导体中流动的电流的电流信号。
根据本发明的断路喊叫包括用于中断电路中的电流的至少一个主触头、用于控制所述电触头的打开的机构以及将控制信号供给到所述控制机构的测量和保护装置，该断路器包括连接到所述测量和保护装置的处理单元的如上所述的测量传感器。
附图说明
从下面对本发明的特定实施例(以非限制性示例呈现，并在附图中示出)的描述中，其它优点和特征会变得更清楚。
图1示出根据本发明的第一实施例的环形线圈架的剖视图；
图2示出根据本发明的第一实施例的变型例的图1的架的顶视图；
图3示出根据本发明的第二实施例的环形线圈的剖视图；
图4和5表示显示根据本发明的第二实施例的图3的架的顶部和底部的透视图；
图6示出包括根据本发明的一个实施例的传感器的断路器的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施例的环形线圈架1的剖视图。该架由诸如模制刚性塑料的非磁材料制成。二次绕组5缠绕在架上，以从罗氏传感器供给电输出信号。绕组覆盖架的整个圆周，然而，为了显示架的结构，图1中仅示出一匝6。所述架1包括分布在架的本体的长度或圆周上的至少一个外部切口。所述切口2包括由隔壁4分隔的至少两个沟槽3。
隔壁4的高度包含在架的横截面的限定中，避免在操作环形线圈时绕组的线被挤压进沟槽中。所述沟槽是明显的空白空间，用于将塑料材料在横制操作期间的收缩局限于对线匝的横截面没有作用的区域内。因此，沟槽允许在模制之后消除塑料材料的收缩效应。利用该切口，极大地减小了模制阶段和成品阶段之间的尺寸变化。
横截面的形状可以是椭圆形、圆形，但是优选地具有对应于四边形的各边的四个表面。该形状便于在将传感器安装进其保护壳体中时操作者操纵环形线圈，并避免挤压二次线圈的绕组的线。优选地，四边形的角部是圆角的，以便于线缠绕在架上。
由于架的横截面具有带圆角的四边形形状，所以所述架具有传感器的内表面7、外表面8以及两个横向表面9和10。
在架具有四边形形状的横截面的情况下，传感器的架的各表面中的至少一个包括具有由隔壁4分隔的至少两个沟槽3的切口。优选地，传感器的架的两个横向表面中的至少一个包括由隔壁分隔的至少两个沟槽。在图1和2中，沟槽位于横向表面9上。为了获得更精确的结果，传感器的架的两个横向表面9和10包括由隔壁4分隔的至少两个沟槽3。图3示出根据本发明的第二实施例的环形线圈架的剖视图，包括位于两个横向表面9和10上的沟槽。图4和5示出根据本发明的第二实施例的架的透视图。在这些图中，架还包括突缘12，当二次绕组5缠绕在架1上时，突缘设置用于保持二次绕组的终端。
在一个特定情况下，具有四边形形状的架1的横截面具有带圆角的大致梯形形状。特别地，考虑到环形线圈在断路器内的位置，梯形形状允许最优化线匝的表面区域。横向表面9和10优选地是平行的。
优选地，梯形形状的架的内表面和外表面相对于横向表面9和10形成90度加减8到20度的直角A或B。具有在5°和20°之间的范围内的角度的梯形形状的环形线圈架的横截面允许在考虑到机械约束的情况下获得线匝的最大可能表面区域。
图2所示架的顶视图显示在横向表面9之一上沿环形线圈的架呈现的两个沟槽3和隔壁4。在该实施例中，架包括沿沟槽3分布的肋11，以维持隔壁4。
除了通过架的形状和所述架的周界周围的外部沟槽的存在来限制材料的收缩，根据本发明的传感器优选地具有由具有高于200℃的玻璃化转变温度(Tg)的无定形树脂构成的架。无定形属性允许显著减小模制的收缩，并促进对模制元件的更好尺寸控制。因此，这种材料提供了在从-40℃到180℃的温度范围内的恒定且可预测的CLTE(线性热膨胀系数)。由于线性热膨胀系数CLTE十分低，接近铜的线性热膨胀系数，所以可保证高测量精度≤1％，即使在温度变化的情况下。
有利地，架的所述树脂填充尺寸小于200μm的珠纤维或玻璃纤维。材料的填充或增强允许减小线性热膨胀系数CLTE，以达到接近铜(用于二次线圈的绕组)的线性热膨胀系数的值。为了获得接近1的形式因子，珠纤维或玻璃纤维是极短的，约50μm至100μm。因此，对于在任意方向上的元件，它们允许获得实际上同向性的线性热膨胀系数CLTE。优选地，所述树脂填充至约20和50％之间，特别优选约30％。
图6示出包括根据本发明的一个实施例的传感器20(与测量和保护装置相关)的断路器20的示意图。断路器20包括至少一个主触头13，用于中断电路中的电流I；机构14，用于控制所述电触头13的打开；以及测量和保护装置，用于将控制信号D供给至控制机构14。断路器还包括电源端子16，用于连接外部电导体与位于主触头13和端子16之间的内部连接导体17。如上所述的至少一个电流传感器21布置在断路器的初级导体17(比如端子16和主触头13之间的连接导体17)周围。电流传感器21连接到测量和保护装置15的处理单元18，以供给表示在初级导体I中流动的电流的信号I-e。因此，处理单元从传感器21接收表示电流的信号I-e，实施对电流信号的处理，执行保护和发信号功能，并在必要时将触发信号或命令D供给至机构14，以断开断路器的触头13。
在图6的断路器中，传感器21具有根据本发明的第二实施例的架1，该架具有位于横向表面9和10上的切口，每个切口包括两个沟槽3和隔壁4。二次绕组5连接到处理单元18的输入，以供给电流测量信号I-e。处理单元还可从初级导体17接收电压测量信号V-e。在该情况下，处理单元还可以十分高的精度实施对能量和/或电能的处理和计算。
在图6中，示出仅具有一个相或极的断路器。然而，本发明还可应用于多极断路器，尤其是三相断路器。在该情况下，每个受保护的极包括如上所述的电流传感器。
包括传感器21和处理单元18的测量和保护装置15可以是用于断路器的电子触发器，但是还可以是继电器或保护模块和/或功率和/或电能测量模块。

Claims (13)

1.罗氏线圈型电流测量传感器，包括由非磁材料制成的架(1)和缠绕在所述架(1)上的二次绕组(5)，以供给电信号，所述电信号表示在导体中流运穿过线圈内部的电流，
其特征在于，所述架(1)本质上由模制的刚性塑料材料制成，并包括分布在所述架的本体的长度或圆周上的至少一个切口(2，3)，所述切口(2)包括由隔壁(4)分隔的至少两个沟槽(3)。
2.如权利要求1所述的电流测量传感器，其特征在于，所述架(1)具有带圆角的四边形横截面、内表面(7)、外表面(8)和两个横向表面(9，10)。
3.如权利要求2所述的电流测量传感器，其特征在于，所述架(1)的表面中的至少一个包括具有由隔壁(4)分隔的至少两个沟槽(3)的所述切口(2)。
4.如权利要求2或3所述的电流测量传感器，其特征在于，所述架的两个横向表面(9，10)中的至少一个包括由隔壁(4)分隔的至少两个沟槽(3)。
5.如权利要求2至4中任一项所述的电流测量传感器，其特征在于，所述架的两个横向表面(9，10)包括由隔壁(4)分隔的至少两个沟槽(3)。
6.如权利要求2至5中任一项所述的电流测量传感器，其特征在于，环形线圈架(1)的横截面具有带圆角的大致梯形形状。
7.如权利要求6所述的电流测量传感器，其特征在于，梯形形状的架的内表面(7)和外表面(8)相对于横向表面(9，10)形成直角正负8至20度。
8.如权利要求1至7中任一项所述的电流测量传感器，其特征在于，所述架(1)包括沿沟槽(3)分布的肋(11)，以维持隔壁(4)。
9.如权利要求1至8中任一项所述的电流测量传感器，其特征在于，所述架(1)由具有高于200℃的玻璃化转变温度的不定形树脂构成。
10.如权利要求9所述的电流测量传感器，其特征在于，所述树脂填充尺寸小于200μm的珠纤维或玻璃纤维。
11.如权利要求9所述的电流测量传感器，其特征在于，所述树脂填充至20和50％之间。
12.用于断路器的电测量和保护装置(15)，包括用于接收表示电流的信号(I-e)的处理单元(18)，其特征在于，电测量和保护装置包括连接到处理单元(18)的根据权利要求1至11中任一项所述的测量传感器(21)，以供给表示在电导体中流动的电流的电流信号(I-e)。
13.断路器(20)，包括至少一个主触头(13)，用于中断电路中的电流；一机构(14)，用于控制电触头的打开；以及测量和保护装置(15)，将控制信号(D)供给到控制机构，其特征在于，所述断路器包括连接到测量和保护装置(18)的处理单元的如权利要求1至11中任一项所述的测量传感器(21)。
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