罗果夫斯基类型的电流换能器和用于测量电流的布置

摘要

本发明关于罗果夫斯基类型的电流换能器，具有初级导体绕组（具有用于携带要测量的额定电流（IR）的线匝的第一数量（N1）），并且具有次级导体绕组（具有一对第二端子和螺旋形状以及线匝的第二数量（N2）），所述次级导体绕组以环形方式环绕初级导体，由此额定电流电压信号VS在次级绕组的一对第二端子之间被感应，所述额定电流电压信号是额定电流的导数（dIR/dt）的特性，换能器电子设备（IED）配置为接收额定电流电压信号（VS），其特征在于，电流换能器包括具有一对第三端子和线匝的第三数量（N3）的第三导体绕组，由此换能器电子设备（IED）配置为将校准电流信号（ICal）馈送到第三导体绕组，由此响应于校准电流信号的导数（dI-Cal/dt），在第二绕组的一对第二端子之间创建附加的校准信号（Vcal）并且由此换能器电子设备（IED）配置为处理额定电流电压信号（VS）和校准信号（Vcal）来导出具有校准的灵敏度Scal的校正的电压信号（VS,corrected）。

说明书

根据权利要求1的前序，本发明涉及罗果夫斯基（Rogowski）类型的电流换能器，具有初级导体绕组（具有用于携带要测量的额定电流（i_R）的线匝的第一数量（N1）），并且具有次级导体绕组（具有一对第二端子和螺旋形状以及线匝的第二数量），所述次级导体绕组以环形方式环绕初级导体。

根据权利要求6的前序，本发明还涉及用于测量电流的布置，具有罗果夫斯基类型的电流换能器和换能器电子设备。

罗果夫斯基类型的电流换能器（通常被称为罗果夫斯基线圈）并入装置。它被广泛地用作测量交流（AC）或高频电流脉冲的装置。此类型的线圈具有优于其它类型的电流传感器的许多优势。通过在非磁性和不导电载体上应用导电导线来通常构成罗果夫斯基线圈。载体可以是基于塑料或玻璃或陶瓷的结构并且形成闭环或几乎闭环使得形成一种螺旋线圈导线。来自线圈的一端的引线可通过线圈的中心或接近于线圈的中心而返回到另一端，使得两个端子都在线圈的相同端处并且使得螺旋线圈自身不形成闭环。

因为线圈的载体是非磁性的（即其磁化率显著小于1），所以罗果夫斯基线圈属于空芯线圈的类别。载体可以是刚性的或灵活的并且其形状可以是环形、圆环、或其它。

当围绕携带电流的初级导体放置时，罗果夫斯基线圈根据安培定律生成与电流的导数成比例的电压。电压也与每单元长度的匝数的数量和匝数的面积成比例。一个匝数的面积近似等于线圈载体的截面区域。因为在罗果夫斯基线圈中感应的电压与初级导体中的电流的改变的速率成比例，所以线圈的输出通常连接到电子装置（此处被称为换能器电子设备或智能电子装置（IED）），其中信号被整合并且进一步处理以便提供与电流成比例的准确信号。

罗果夫斯基线圈具有优于其它类型的电流测量装置的许多优势，最显著的是由于其非磁芯的杰出线性度，它是不容易有饱和效应。因此，即使当经受大电流时（例如，在电力传送、焊接、或脉冲的功率应用中使用的那些），罗果夫斯基线圈是高度线性的。此外，因为罗果夫斯基线圈具有空芯而不是磁芯，所以它具有低的电感并且可以响应于快速改变的电流。正确形成的罗果夫斯基线圈具有等间隔的绕组，大部分不受电磁干扰的影响。相较于基于传统的基于铁磁芯的电流换能器，罗果夫斯基线圈电流换能器（RCCT）呈现更高的动态范围、更低的重量和大小，以及更低的生产成本。

然而，根据本领域状态的罗果夫斯基线圈电流换能器不幸地仍然遭受中等精度以与高的传统的基于铁磁芯的电流换能器在精度方面竞争，特别地用于计量应用。原因在于当环境状况（例如，温度，机械约束、潮湿、老化等）改变时，罗果夫斯基线圈的灵敏度S的未知改变。因为目前在IED中的电子信号处理中不考虑灵敏度的这些不合意的改变，所以灵敏度中的变更引入测量上的错误。这样的限制阻碍利用罗果夫斯基线圈电流换能器的组合来达到高精度。

在现有技术中已知的补偿罗果夫斯基线圈电流换能器的灵敏度改变的一个解决方案是利用靠近罗果夫斯基线圈放置的温度传感器来测量温度。然后温度用于根据每个罗果夫斯基灵敏度温度分布来补偿灵敏度。在生产结束（所谓校准）时执行的线圈的特性描述期间，测量在周围温度的罗果夫斯基线圈电流换能器灵敏度以及其温度依赖性。系数（它给出多项式校正来应用到换能器电子设备中的信号）存储在放置在传感器壳中的EEPROM中。此解决方案允许温度效应补偿，但是要求附加的生产努力（例如，每个罗果夫斯基线圈电流换能器的校准和温度特性描述）。此外，例如，它不允许机械、潮湿和老化效应的其它补偿。实际上，一旦将传感器交付到消费者，就无法更新校正系数。事实上，为了补偿老化，传统的方法要求维护努力和在消费者工厂上的额定电流测量的中断。必须从工厂提取罗果夫斯基线圈电流换能器并且利用与工厂中的初始校准相同的程序来周期性地重新校准罗果夫斯基线圈电流换能器。

本发明的目标是提供罗果夫斯基线圈电流换能器，具有更简单的能力来离线校准罗果夫斯基线圈灵敏度以及持续地在线校准罗果夫斯基线圈灵敏度（即，没有中断额定电流测量）。

本发明的附加的目标是提供利用罗果夫斯基类型的电流换能器来测量电流的布置，罗果夫斯基类型的电流换能器具有更简单的能力来离线校准罗果夫斯基线圈灵敏度以及持续在线地校准罗果夫斯基线圈灵敏度（即，没有中断额定电流测量）。

根据本发明，由具有权利要求1的特征的罗果夫斯基类型的电流换能器来实现关于改进的罗果夫斯基线圈电流换能器的以上目标。

由具有权利要求6的特征的用于测量电流的布置来实现关于改进的利用罗果夫斯基类型电流换能器来测量电流的布置的以上目标。

根据本发明的电流换能器包括第三导体绕组，具有一对第三端子和线匝的第三数量，其中第三导体绕组适于接收校准电流信号（i_Cal(t)），并且其中次级导体绕组（16）适于在其一对第二端子（17、18）之间感应电压信号V_S'，所述电压信号V_S'是额定电流电压信号（V_S）（有额定电流的导数（di_R(t)/dt）的特性）和响应于校准电流信号（i_Cal(t)）的导数的附加的校准信号（V_cal）的叠加。

根据本发明的用于测量电流的布置包括如以上所描述的具有第三导体绕组的电流换能器，以及适于将校准电流信号馈送到第三导体绕组的换能器电子设备，并且换能器电子设备另外适于接收电压信号V_S'，并且换能器电子设备另外适于处理电压信号V_S'来导出具有校准的灵敏度S_cal的校正的电压信号（V_S,corrected）。

根据本发明的电流换能器提供校准罗果夫斯基线圈的灵敏度的简单方式，仅通过将校准电流馈送到第三绕组。不要求附加的、第二测量技术（例如，根据现有技术状态的温度测量）。罗果夫斯基线圈对第三绕组中的校准电流的响应（在第二绕组的端子处作为附加的电压信号来测量）从物理和测量的观点完全兼容罗果夫斯基线圈对将在第一绕组中测量的额定电流i_r(t)的响应。所以只要求换能器电子设备的轻微适应。对通过第三绕组的校准电流的响应将遭受与对通过第一绕组的额定电流的响应相同或大致相同的漂移和老化影响。相较于通过使用额外的指征参数（例如，温度）的稍间接的校准方法，这使根据本发明的校准方法变得更准确和直接。

取决于设计换能器电子设备的方式和执行校准程序的方式，根据本发明的罗果夫斯基线圈换能器中的第三绕组提供可能性来离线以及在线地校准罗果夫斯基线圈灵敏度。当额定电流测量没有离线运行时（例如，在生产结束时的工厂中、或在场内维护操作期间在安装的换能器处），通过使用第三绕组，可以测量并且校准罗果夫斯基线圈的灵敏度。

第三、附加的绕组也提供可能性来持续地测量罗果夫斯基线圈电流换能器的灵敏度而没有中断额定电流i_r(t)测量。此处本发明的优势是修改原始的罗果夫斯基线圈设计使得它给予IED（智能电子装置）可能性来在线地（即，没有中断额定电流测量）持续地校准罗果夫斯基线圈电流换能器灵敏度。因此，本发明允许设计具有超过磁性线圈电流换能器的性能的精度罗果夫斯基线圈电流换能器并且利用罗果夫斯基线圈电流换能器来达到IEC60044-8标准0.2级或更好的。

在优选实施例中，第三导体绕组布置成靠近次级导体绕组。优选地，稳定和准确的校准电流信号i_Cal(t)被注入通过此第三绕组N3。

在优选实施例中，第三绕组N3覆盖次级导体绕组的全周长。此将准确地考虑用于罗果夫斯基线圈电流换能器灵敏度计算的次级绕组N2的任何可能的局部化非均匀性。

在优选实施例中，电流换能器包括围绕次级绕组的屏蔽并且第三绕组（N3）放置在次级绕组（N2）与屏蔽之间。优势在于由于屏蔽，则校准电流i_Cal(t)可以更小并且在频率区域内不被外部扰动强烈影响。

在优选实施例中，线匝的第三数量N3小于线匝的第二数量N2。然而，线匝的第三数量N3应该优选地足够大来覆盖罗果夫斯基线圈的整个周长。比率N2/N3可以取决于次级绕组N2的绕组均匀性。在优选实施例中，次级绕组线匝与第三绕组线匝之间的比率N2/N3越高，次级绕组N2做得越均匀。

在优选实施例中，换能器电子设备适于馈送具有小于额定电流i_R(t)的幅度的幅度并且具有高于额定电流i_R(t)的频率的频率的校准电流信号i_Cal(t)。校准电流信号i_Cal(t)的更小幅度的优势是换能器电子设备IED中的更低功耗，因为必须在IED中生成i_Cal(t)。如果由于此原因，则需要将校准电流信号i_Cal(t)的幅度I_Cal限制到远小于额定电流I_R(t)的幅度I_R。i_Cal(t)可以应用于高于额定电流信号的频率的10到100倍的频率处。罗果夫斯基线圈电流换能器的典型频域是在10Hz…10kHz之间的范围中。可以假设在此频域中的罗果夫斯基线圈电流换能器的线性形态，所以额定电流i_R(t)与校准电流信号i_Cal(t)之间的频率差异不显著地影响灵敏度估计，然后将在比额定电流的频率高10到100倍的频率处计算灵敏度估计。甚至可能达到更高频率（即，更小的电流幅度）而保持在线性规则中。

在优选实施例中，换能器电子设备适于相继地应用具有多个校准频率的多个校准电流信号。此可被完成以便获得用于校准灵敏度S_cal的更准确值（也称为校准系数）。

在另外优选实施例中，换能器电子设备适于然后获得并且平均用于校准的灵敏度S_cal的值以便获得改进的精度。

在另外优选实施例中，换能器电子设备适于持续地计算校准的灵敏度S_cal。

在又一优选实施例中，换能器电子设备适于在预定的基础上计算校准的灵敏度S_cal。通过持续地或在预定的基础上在IED中计算校准的灵敏度并且将它应用到额定电流信号i_R(t)，这将确保在改变状况（例如，老化、温度、机械压力或潮湿）上的额定电流测量的高精度。

本发明的另一优势是不中断额定电流信号i_R(t)的测量。它不被持续注入的校准电流I_cal而影响。因此，此原理可被称为连续的在线校准。

将参考附图由实施例的描述来更详细地描述本发明，其中

图1示出现有技术状态的罗果夫斯基线圈电流换能器的原理，以及

图2示出根据本发明的罗果夫斯基线圈电流换能器设计的原理。

图1示出现有技术状态的罗果夫斯基 1线圈电流换能器的原理，其中通过在工厂中特性描述传感器来获得校准系数。携带要测量的额定电流i_R(t)的初级导体3通过传统的罗果夫斯基线圈2的中心。在次级导体绕组6的一对次级端子4、5之间有额定电流感应的电压信号V_S，它可以被确定为V_S=S×d（i_R(t)）/dt，其中S是罗果夫斯基线圈的灵敏度。

靠近罗果夫斯基线圈2放置测量温度的温度传感器7。将额定电流电压信号V_S和温度测量馈送到换能器电子设备IED。在IED中，温度测量用于根据每个罗果夫斯基灵敏度温度分布来补偿灵敏度S。将系数（它给出多项式校正来应用到换能器电子设备中的信号）存储在传感器壳中放置的EEPROM 8中。校正的灵敏度S_corrected包括原始线圈灵敏度S与校正多项式(α₁ × T +α₂ × T² + ...)相乘的乘积。然后将校正的额定电流电压信号V_Scorrected计算为

V_Scorrected = S_corrected × d(i_R(t))/dt = (α₁ × T +α₂ × T² + ...)× S× d(i_R(t))/dt。

在线圈的生产结束时执行线圈的特性描述。在此所谓校准期间，测量在周围温度的罗果夫斯基线圈电流换能器灵敏度以及其温度依赖性。此解决方案允许温度效应以及初始错误补偿、初始错误（例如，由于周围温度），但是要求附加的生产努力（例如，每个罗果夫斯基线圈电流换能器的校准和温度特性描述）。

因此包含系数的温度传感器7和EEPROM 8允许在线温度补偿，但是不考虑老化、潮湿或机械效应（因为无法动态地更新系数）。

图2示出根据本发明的罗果夫斯基线圈电流换能器（RCCT）9设计的原理。它包括罗果夫斯基线圈10，其中初级导体14携带要测量的额定电流i_R(t)并且通过具有次级导体绕组16的传统的罗果夫斯基线圈15的中心。

罗果夫斯基线圈电流换能器9包括具有一对第三端子11、12和线匝的第三数量（N3）的第三导体绕组10。

换能器电子设备（IED）13配置为将校准电流信号i_Cal(t)馈送到第三导体绕组10。响应于通过第三导体绕组0的校准电流信号的导数（di_Cal(t)/dt），在第二绕组16的一对第二端子17、18之间创建附加的校准信号（V_cal）：V_cal=N3×dI_cal/d_t。

次级导体绕组16的一对次级端子17、18之间的额定电流电压信号V_S'（它将被馈送到换能器电子设备）可以被确定为V_S'=S×(d(i_r(t)+N3×i_Cal(t))/dt)，S是罗果夫斯基线圈的灵敏度。V_S'可以被理解为额定电流电压信号V_S=d(i_r(t)/dt)和校准电压信号V_cal =N3×dI_cal/d_t的叠加。

换能器电子设备13（IED）配置为处理额定电流电压信号V_S'和校准信号V_cal来导出校正的电压信号

V_S,corrected=S_cal×d(i_R(t))/dt，具有校准的灵敏度S_cal。

因此，为RCCT设计由校准电流馈送的附加的绕组N3。校准电流的频率在要测量的额定电流i_R(t)的频率范围之外。此附加的绕组提供可能性来在换能器电子设备13（IED）内持续地测量校正的RCCT灵敏度S_cal而没有中断额定电流i_R(t)测量。

通过附加的绕组N3注入准确的校准信号i_Cal(t)。精确地知道线匝的数量N3和电流i_Cal(t)（即其幅度和频率），可以分离次级电压内的i_r(t)和i_cal(t)并且检测RCCT灵敏度的任何改变。以此方式，提供方法来校准灵敏度S_cal而没有中断额定电流i_R(t)的测量。

i_cal(t)可以在幅度中远小于i_R(t)（因为可以在电子设备中更容易地生成更小的电流）并且可具有更高的频率。例如，对于I_r=100A（i_R(t)的幅度）和f_r=50Hz的值，可以选择f_cal>5kHz、I_cal=10mA（i_cal(t)的幅度）、N3=100个线匝的组合。以此方式，有d(i_R(t))/dt=N3 di_cal(t)/dt，所以校准电流信号创建与额定电流大致相同的信号幅度。这对于在校准中实现最佳分辨率和精度是有利的。在典型应用中，应该在初级电流的特定带宽外选择f_cal，即高于要测量的最高谐波。

因此，如果需要将电流i_cal(t)的幅度I_cal限制为远小于额定电流i_R(t)的幅度I_R，（因为必须在换能器电子设备IED中生成i_cal(t)，所以是可要求的）。则可以在比额定电流信号高10到100倍的频率处应用i_cal(t)。因为可以假设在其频域中的罗果夫斯基线圈电流换能器（RCCT）的非常线性的形态（它通常是在10Hz与10kHz之间的范围中），所以i_R(t)与i_cal(t)之间的此频率差异不显著地影响灵敏度估计，然后将在比额定电流频率高10到100倍的频率处计算灵敏度估计。甚至可能达到更高频率（即，更小的电流幅度）而保持在线性规则中。

在许多情况下，有围绕罗果夫斯基线圈的电子屏蔽以便保护它不受来自初级导体或来自其它来源的串扰。在此情况下，有利的是在屏蔽与绕组N2之间放置校准绕组，以便保护它不受外部影响，因此使它更容易执行干净的校准。

在绕组N2的非常高的均匀性的情况下，N3可以是只覆盖一部分N2的短圆柱形绕组。

然而，为了准确地考虑用于RCCT灵敏度计算的绕组N2的可能的局部化非均匀性，有利的是绕组N3覆盖线圈的全周长。可以在N2/N3=10与N2/N3=100之间选择线匝比率的合理数量。此线匝的数量也有助于限制必要的电流幅度I_cal(t)。因此线匝的数量N3可以小于线匝的次级绕组数量N2，但是N3应该覆盖整个RCCT周长以便降低绕组非均匀性的效应。比率N2/N3取决于期望的N2绕组均匀性。绕组N2越均匀，N2/N3可越高（更低的N3）。

可以在绕组N2与屏蔽之间放置绕组N3，因此保护它不受外部扰动。

基于频率分离滤波器在换能器电子设备IED中分离校准电流和要测量的电流的信号。从罗果夫斯基线圈传感器的输出信号中移除由校准电流生成的信号。因此，由校准电流感应的信号用于校正罗果夫斯基线圈传感器的输出信号的幅度。

可以相继地使用多个校准频率以便获得更准确的校准系数。备选地，可以平均后续校准系数以便提高精度。

在换能器电子设备IED中持续地或在预定的基础上计算校准的灵敏度S_cal，并且将它们应用到额定信号i_R(t)，确保在改变状况（例如，老化、温度、机械应变或潮湿）上的额定电流测量上的最高精度。如果精确地控制校准电流，则由于这些影响的校准绕组的尺寸改变将不退化校准程序的精度。

额定电流i_R(t)测量可以永不中断。它不受到持续注入的校准电流i_cal(t)的影响。此原理被称为连续在线校准。

为了避免传感器信号的阻尼和相移，应该采取合适的测量来防止初级电流感应校准绕组中的电流。这可以通过将附加的有效阻抗插入到校准电流的路径来完成。这可以利用高通滤波器或利用校准电流的有效控制来实现，其将它变成理想电流源。

明显的是可以在线或离线应用在图2的上下文中的如上所述的校准程序。在离线校准的情况下，换能器电子设备13会连接到离线模式中的罗果夫斯基线圈换能器9，例如，在生产结束时的工厂中、或在场中传感器维护操作期间的现场中。

 

参考符号列表

1  罗果夫斯基线圈电流换能器

2  罗果夫斯基线圈

3  初级导体

4  次级端子

5  次级端子

6  次级绕组

7  温度传感器

8  EEPROM

9  罗果夫斯基线圈电流换能器

10  第三绕组

11  第三端子

12  第三端子

13  换能器电子设备

14  初级导体

15  罗果夫斯基线圈

16  次级绕组

17  次级端子

18  次级端子。