测量大测量摆幅的直流电流的设备、包括该测量设备的电子脱扣器和具有该电子脱扣器的切断设备

摘要

一种直流测量设备(1)，包括至少一个第一磁传感器(4A)和至少一个第二磁传感器(4B)，所述磁传感器易受由流经导体(3)的电流(I)产生的磁场的影响。该测量设备包括处理单元，该处理单元(7)连接到磁传感器(4A，4B)并且被设计来生成取决于由磁传感器(4A，4B)提供的测量信号的输出信号(S)。所述处理单元(7)包括选择部件(13)，对于弱电流(I)提供取决于来自至少一个第一磁传感器(4A)的第一测量信号(SA)的输出信号，对于强电流(I)提供取决于来自至少一个第二磁传感器(4B)的第二测量信号(SB)的输出信号。

说明书

技术领域

本发明涉及包括至少一个第一磁传感器和至少一个第二磁传感器的直流测量设备，所述磁传感器易受由导体中流动的电流产生的磁场的影响。该直流测量设备包括处理单元，该处理单元连接到磁传感器并且被设计来生成取决于由磁传感器提供的测量信号并且表示导体中流动的所述电流的输出信号。

本发明也涉及一种电子脱扣器(electronic trip unit)，包括连接到被设计来发送脱扣命令(tripping order)的脱扣部件(trip means)的转换卡。最后，本发明也涉及一种开关单元(switchgear unit)，该开关单元包括用于打开电触点的打开机构和连接到根据本发明的电子脱扣器的控制继电器。

背景技术

直流测量设备的使用尤其在船舶或者航海应用中非常广泛。

如专利US4625166和EP1030183中所描述的，直流测量设备使用磁传感器。该磁传感器通常是霍耳效应传感器或者磁控电阻器。磁传感器被几何地布置在其中电流流动的导体周围。该磁传感器易受由导体中流动的电流感应的磁场的影响。传感器检测与电流的强度成比例的磁场，并且发出与流经传感器的电流成比例的电信号。

磁传感器通常与处理部件相连接。所述处理部件提供表示导体中流动的电流值的信息。而且，该处理部件可以在先地影响由每个磁传感器发出的信号的加权系数。该加权系数尤其可以取决于每个磁传感器相对于导体的相对位置。处理部件也可以确定由所有磁传感器发出的信号的和。

霍耳效应传感器可被集成在围绕直流电流流动的导体周围放置的磁结构中。该电流感应磁场，并且在磁结构中会观察到磁通量的循环。具有流经其中的磁通量的霍耳效应传感器然后产生表示从它们相对于导体的位置观察到的磁场的信号。

具有磁结构的磁传感器的构造通常对于弱电流会观察到良好的灵敏度。该磁结构通常由呈现高导磁系数的铁磁材料制成。由于所述磁结构的高导磁系数，低密度的磁通量可以在其中流动。由磁传感器发出的信号的强度然后根据导体中流动的电流的强度而线性地变化。强度的变化遵循直线的剖面(profile)，其导向(directing)系数取决于磁导系数。磁导系数越大，则线的导向系数越大。

然而，当电流超过某一强度时，测量设备的响应不再遵循先前的线性响应曲线。在尤其是磁结构和/或磁传感器和/或测量通道中观察到饱和现象之后，测量设备响应变得不正确。例如，在最大感应磁通量之上，铁磁结构可能开始饱和。

因此，强电流的流动、尤其短路电流，使测量设备饱和。由磁传感器分别发送的信号不再与导体中流动的电流强度成比例，并且由测量设备提供的信号不正确。使用这种类型的测量设备不能测量高强度电流。应当注意，材料的磁导系数越大，则到达饱和级别就越讯速。

在现有领域的文档EP1030183中解决了有关磁结构的饱和或者加热的问题。霍耳效应传感器实际上被布置在非磁结构上。然而，这种类型的解决方案出现对低强度电流不太灵敏的缺陷。在这种类型的传感器中，由于所述传感器不包含磁电路，因此磁传感器测量的磁场较弱。

发明内容

因此本发明的目的是弥补现有技术的缺陷，从而提供一种提供了宽测量范围的灵敏的直流测量设备。

根据本发明的直流测量设备的处理单元包括：第一输入端，用于接收来自至少一个第一磁传感器的第一测量信号；第二输入端，用于接收来自至少一个第二磁传感器的第二测量信号；选择部件，对于弱电流(I)提供取决于第一测量信号的输出信号，并且对于强电流(I)提供取决于第二测量信号的输出信号。

根据本发明的发展模式，处理单元包括用于比较至少一个第一测量信号和第一设定点的比较部件，如果第一测量信号低于所述第一设定点，则输出信号取决于第一测量信号。

根据本发明的发展模式，处理单元包括用于比较至少一个第二测量信号和第二设定点的比较部件，如果第二测量信号低于所述第二设定点，则输出信号取决于第一测量信号。

根据本发明的发展模式，处理单元包括用于将第一测量信号与第二测量信号之间的比率和第三设定点进行比较的比较部件，如果所述比率大于或等于该第三设定点，则输出信号取决于第一测量信号，对于弱电流，该第三设定点等于第一测量信号与第二测量信号之间的理论比率。

有利地，第一设定点低于饱和阈值，引起等于第一设定点的第一测量信号的第一电流低于饱和电流的值。

有利地，引起等于第二设定点的第二测量信号的第二电流等于第一电流的值。

有利地，对于弱电流，第三设定点等于第一测量信号和第二测量信号之间的理论比率。

在特定实施例中，直流测量设备包括：至少三个通过高导磁系数的第一部分相互连接的第一磁传感器，以便形成被设计来围绕电导体的第一磁剖面，至少三个第二磁传感器，其被布置在所述至少一个低导磁系数的第二部分上，以便形成被设计来围绕电导体的第二磁剖面，求和部件，用于获得第一测量信号的第一总和和第二测量信号的第二总和。

如果第一测量信号的第一总和低于第四设定点，则输出信号取决于第一测量信号。

如果第二测量信号的第二总和低于第五设定点，则输出信号取决于第一测量信号。

如果第一总和与第二总和之间测量的比率大于或等于第六设定点，则输出信号取决于第一测量信号。

有利地，对于弱电流，该第六设定点等于第一测量信号的第一总和与第二测量信号的第二总和之间的理论比率。

有利地，第一磁传感器被布置在第一平面中距导体的中央轴的相同距离处。

第一磁传感器由三个围绕中央轴彼此相距120°布置的霍耳效应传感器组成。

有利地，第二磁传感器被布置在第二平面中距导体的中央轴的相同距离处。

第二磁传感器由三个围绕中央轴彼此相距120°布置的霍耳效应传感器组成。

有利地，第一磁传感器和第二磁传感器被放置在距导体的中央轴相同距离处。

有利地，第一平面和第二平面相对于中央轴偏移。

电子脱扣器包括连接到脱扣部件的转换卡，所述脱扣部件被设计来发送脱扣命令。转换卡被设计来转换来自如上定义的直流测量设备的处理单元输出信号，并且将AC控制信号提供给脱扣部件。

有利地，转换卡将与由测量设备的处理单元发送的直流成比例的场的DC均方根值转换为相同均方根值的AC信号。

一种开关单元包括用于打开电触点的打开机构和连接到如上定义电子脱扣器的控制继电器。所述控制继电器接收来自电子脱扣器和/或来自电磁脱扣器(electromagnetic trip unit)的脱扣命令。

有利地，电磁脱扣器包括：围绕电线或者导体形成变压器的主电路的磁电路；盘绕在磁电路的一部分上的次级绕组，其直接连接到控制继电器。

附图说明

通过附图中描绘的并仅作为非限制性示例给出的本发明的特定实施例的下列描述，其他优点和特征将变得更加清楚明显，其中：

图1描绘了根据本发明第一实施例的直流测量设备的示意图；

图2描绘了根据本发明第二实施例的直流测量设备的示意图；

图3和图4描绘了根据图1和2的直流测量设备的磁传感器的结构示意图；

图5描绘了根据本发明第三实施例的直流测量设备的示意图；

图6和图7描绘了根据图6的替换实施例的磁传感器的结构示意图；

图8描绘了由根据图1和2的磁传感器发出的信号的两条曲线；

图9描绘了由根据图5的磁传感器发出的信号的两条曲线；

图10描绘了根据本发明实施例的开关单元的一般方框图。

具体实施方式

根据本发明的第一实施例，直流测量设备1包括磁传感器4A、4B，其易受由导体3中流动的电流I产生的磁场的影响。这些磁传感器最好是霍耳效应传感器。然而，可以设想使用磁控电阻器。

如图3和图4所描绘的，这些磁传感器被布置在两个剖面55、6上。

至少一个第一磁传感器4A被集成在被设计来围绕电导体3的第一磁剖面55中。该第一磁剖面包括至少一个由高导磁系数的铁磁材料制成的延长部分5。该部分被配置成使得这两末端彼此相对放置。在这两末端之间存在一空间。该空间形成气隙5A，该气隙5A中放置了磁传感器4A。根据本实施例示例，第一磁传感器4A被布置在第一平面X1Y1中。第一磁传感器4A易受由导体3中流动的电流I的流动产生的磁场的影响。所述传感器被设计来提供表示磁场的第一DC测量信号SA。第一测量信号SA的均方根值取决于第一磁传感器4A接收的磁场。由于磁场取决于导体3中流动的DC电流，因此所述均方根值与所述直流成比例。

至少一个第二磁传感器4B被布置在至少一个低导磁系数的部分6上。该部分6基本上担当第二传感器或者传感器4B的机械支撑，并且形成被设计来围绕电导体3的第二剖面。根据该实施例示例，可以认为，部分6具有基本等于空气的导磁系数的导磁系数。根据本发明的该实施例，第二磁传感器4B被布置在第二平面X2Y2中，第二磁传感器4B易受由导体3中电流[的流动产生的磁场的影响。所述传感器被设计来提供表示磁场的第二测量信号SB。第二测量信号SB的均方根值取决于传感器接收的磁场。由于磁场取决于导体3中流动的DC电流，因此所述均方根值与所述直流成比例。

根据该实施例，第一磁传感器4A和第二磁传感器4B被放置在距导体3的中央轴Z的相等距离处。该第一平面X1Y1和第二平面X2Y2沿着轴Z偏移。

图8描绘了分别由第一磁传感器4A和第二磁传感器4B发出的第一测量信号SA和第二测量信号SB的第一曲线A和第二曲线B。在该类测量设备1中使用的第一磁剖面55包括饱和阈值Qs。该饱和阈值Qs取决于第一磁剖面55的物理和几何特性以及称作饱和电流的电流Is。饱和电流Is对应于在由第一磁传感器4A发出的第一测量信号SA以上的电流，并且不再符合线性响应曲线。部分5的形状和横切面以及用于制造所述部分5的材料的本质使得能够确定第一磁剖面55的导磁系数。

如图1和图2所描绘的，测量设备1包括处理单元7，该处理单元7通过第一输入端11和第二输入端12分别连接到磁传感器4A、4B。处理单元7被设计来生成表示导体3中流动的电流I的输出信号S。

在分别接收到来自第一磁传感器4A和第二磁传感器4B的第一测量信号SA和第二测量信号SB之后，处理单元7的选择部件13生成输出信号S，对于弱电流I，该输出信号S取决于第一测量信号SA的值，对于强电流I，该输出信号S取决于第二测量信号SB的值。

根据本发明的该实施例，当电流I的值低于使第一磁剖面55饱和的饱和电流Is的值时，该电流[被认为较弱。而且，对于该类测量设备，当电流的值大于使第一磁剖面55饱和的饱和电流Is的值时，该电流被认为较强。

由于第一磁剖面55的高导磁系数，在霍耳效应传感器中观察到磁通量的放大和良好分布。低强度电流感应的磁通量然后可以被第一磁传感器4A检测。因此第一磁传感器4A的灵敏度对于弱电流是足够的。

在存在高强度电流I时，第一传感器4A发出的第一测量信号SA不再可用。第一磁剖面55和/或第一磁传感器4A和/或处理单元7实际上饱和，并且第一测量信号SA不再与导体3中流动的电流I成比例。

如图8所示，因为强电流的存在，低导磁系数的部分6和第二磁传感器4B仍不易受饱和现象的影响。因此，第二磁传感器4B可以仍旧提供与电流(不管它们的强度如何)直接成比例的第二测量信号SB。

由于组合第一磁传感器4A和第二磁传感器4B提供的信息，测量设备1因此呈现宽的测量范围，同时对于测量低强度电流保持高灵敏度。

根据图2中描绘的本发明的情况(development)，直流测量设备1的处理单元7包括比较部件14。该比较部件14将测量信号4A、4B中的至少一个与至少一个设定点Q1、Q2、Q3进行比较。

如果第一测量信号SA低于第一设定点Q1和/或如果第二测量信号SB低于第二设定点Q2，则输出信号S取决于第一测量信号SA。

根据该情况，第一设定点Q1低于饱和阈值Qs。换句话说，引起等于设定点Q1的第一测量信号S八的第一电流I1低于饱和电流Is。而且，如图9所描绘的，引起等于设定点Q2的第二测量信号SB的电流I2最好等于第一电流I1。

而且，比较部件14将第一测量信号SA和第二测量信号SB与第三设定点Q3进行比较。对于弱电流I，第三设定点Q3等于第一测量信号SA与第二测量信号SB之间的理论比率。如果第一测量信号SA和第二测量信号SB之间测量的比率SA/SB大于或者等于第三设定点Q3，则输出信号S取决于第一测量信号SA。

通过根据优选实施例的使用测量设备1测量电流I的方法如下。

第一测量信号SA和第二测量信号SB分别与第一设定点Q1和第二设定点Q2进行比较。另外，第一测量信号SA和第二测量信号SB之间的比率SA/SB与第三设定点Q3进行比较。选择部件13生成表示导体3中流动的电流的输出信号S。

当下列情况时：

·第一测量信号SA低于第一设定点Q1

和/或

·第二测量信号SB低于第二设定点Q2，

和/或

·第一测量信号SA与第二测量信号SB之间的比率SA/SB大于或等于第三设定点Q3，所述比率SA/SB对于低于饱和电流Is的电流值基本恒定，

所述输出信号取决于第一测量信号SA。

当下列情况时：

·第一测量信号SA高于第一设定点Q1

·和/或

·第二测量信号SB高于第二设定点Q2，

·和/或

·第一测量信号SA与第二测量信号SB之间的比率SA/SB低于第三设定点Q3。所述比率SA/SB对于高于饱和电流Is的电流值趋向于减小，

所述输出信号S取决于第二测量信号SB。

根据本发明的另一实施例，测量设备包括至少三个第一磁传感器4A和至少三个第二磁传感器4B。如图6和图7所描绘的，第一磁传感器和第二磁传感器以两个组布置。根据该实施例，三个第一磁传感器4A通过第一部分5彼此连接。这些第一部分5由高导磁系数的铁磁材料制成。每个第一磁传感器4A被放置在两个部分5之间存在的气隙5A中。第一部分5和第一磁传感器4A的组形成被设计来围绕电导体3的第一磁剖面55。第一磁传感器4A被布置在第一平面X1Y1中距导体3的中央轴Z的相同距离处。第一磁传感器4A在所述轴Z周围遵守均匀的角度分布。它们最好由三个在轴Z周围彼此120°布置的霍耳效应传感器组成。通过获得由第一磁传感器4A的组提供的第一测量信号SA的矢量总和，三个第一磁传感器4A的该特定布置使得能够避免受外部或相邻磁场的影响。

三个第二磁传感器4B被布置在至少一个低导磁系数的第二部分6上，该第二部分6充当机械支撑。根据本发明的该替换实施例，第二磁传感器4B被布置在第二平面X2Y2中距导体3的中央轴Z的相同距离处。而且，第二磁传感器4B在所述轴Z周围遵守均匀的角度分布。它们最好由三个在轴Z周围彼此120°布置的霍耳效应传感器组成。通过获得由三个第二磁传感器4B的组提供的第二测量信号SB的矢量总和，三个第二磁传感器4B的该特定布置使得能够避免受外部或相邻磁场的影响。

如图5所描绘的，直流测量设备1的处理单元7最好包括求和部件15。所述部件获得来自第一磁传感器4A的第一测量信号SA的第一总和∑SA与来自第二磁传感器4B的第二测量信号SB的第二总和∑SB。

根据该实施例，处理单元7的比较部件14可以将第四设定点Q11与第一信号SA的第一总和∑SA进行比较以及将第五设定点Q22与第二信号SB的第二总和∑SB进行比较。而且，处理单元7可以将第六设定点Q33与第一测量信号SA的第一总和∑SA和第二测量信号SB的第二总和∑SB之间的比率SA/SB进行比较。

根据该替换实施例，其中放置每个磁传感器4A的气隙5A包括磁分路(magnetic shunt)。

根据第二替换实施例，第一磁传感器4A和第二磁传感器4B的霍耳效应磁传感器是可编程的。因此，可以根据测量设备1的等级(rating)来调节每个霍耳效应传感器的增益。可以将第一加权系数应用于由每个磁传感器发出的每个测量信号SA、SB。因此，对于不同的测量等级可以使用相同的测量设备。

根据另一替换实施例，第一磁传感器4A和第二磁传感器4B被放置在距导体3的中央轴Z的不同距离处。

第二加权系数使得由于每个磁传感器对于导体3的不正确定位引起的测量误差能够得以校正。实际上，在使用之前，每个测量设备1可以在实际的操作条件下被校准。由于每个传感器与导体分离的几何分布和距离，因此所有传感器理论上应当提供相同的信号。然而，由于在导体相对于传感器的中心调整和定方位中可能发生稍微的不准确，并且由于环境引起的可能干扰，会观察到每个传感器的测量信号强度变动。该第二加权系数因而使得能够补偿这些差异以均衡(equal out)由传感器提供的测量信号。

根据本发明不同实施例的直流测量设备1尤其被设计来与电子转换卡21结合。

转换卡21被包含在电子脱扣器20中，该电子脱扣器20被设计来命令打开诸如断路器(circuit breaker)40的开关单元。转换卡21连接到电子脱扣器20的脱扣部件22。

转换卡21被设计来转换来自测量设备1的处理部件7的DC输出信号S并且将AC命令信号提供给电子脱扣器20的脱扣部件22。

与由测量设备1的处理部件7发送的直流成比例的磁场的DC均方根值被转换成具有相同均方根值的50Hz AC信号。

根据信号的线性通过该转换卡21来进行长延迟或者短延迟测量范围的选择。转换卡21不管断路器40的等级如何都是相同的。

该电子脱扣器20尤其用于电子断路器。如果电子脱扣器20从直流测量设备1接收至少一个电导体或者线25上存在的故障的信息，则触点30的命令可以通过脱扣部件22来发送。所述命令被发送到控制继电器31，该控制继电器31通过操作机构32来打开触点30。所述触点30与电线或者电导体25串联布置。

第一DC电源部件50A可以连接到电子脱扣器20。对于开关单元最好是内部的该第一DC电源部件50A直接连接到至少一个电线或者导体25。

根据第一替换实施例，辅助的第二电源部件50B也可以连接到电子脱扣器20。对于断路器是外部的该第二电子电源部件被设计来在第一电源部件50A中可能发生故障、尤其在电线25上短路的情况下对电子脱扣器20供电。如果大的短路发生，则电源系统电压可以下降，并且导致第一DC电源部件50A提供的电压下降。这样的下降可能造成脱扣部件22发生故障，再也不能对控制继电器31供电以打开断路器40。

根据第二替换实施例，断路器40包括电磁脱扣器50C，当未经由内部电源50A或者辅助的外部电源50B对断路器40供电时，该电磁脱扣器50C执行自我保护。这种类型的脱扣单元在由于短路而存在故障时提供瞬时保护。根据该替换实施例，电磁脱扣器50C包括具有可移动部分和固定部分的磁电路。该磁电路围绕电线或者导体25形成变压器的主电路。次级线圈被盘绕在磁电路的一部分上。该次级绕组直接连接到控制继电器31。

可移动部分具有第一打开机构位置，该第一打开机构位置以大长度的气隙打开磁电路。而且，可移动部分具有第二闭合位置，该第二闭合位置以小气隙或者零气隙闭合磁电路。当电线或者导体25中流动的初级电流超过预设值时，所述可移动部分从第一打开机构位置移动到第二闭合位置。

初级电流的大变化伴随着磁电路中产生的磁通量的大变化。该磁通量变化在次级绕组中感应出次级电流。该次级电流对断路器40的控制继电器31供电以便造成触点32的断开。短路的这种脱扣仅在高初级电流漂移值以上发生。在中请人提交的公开号EP0841670的欧洲专利中公开了这种类型的脱扣单元。在此引用所述专利的描述用于参考目的。

在存在辅助内部电压或者外部电压的情况下，电磁脱扣器50C最好失效。电子脱扣器20控制的开关24使得电磁脱扣器50C的次级绕组与控制继电器31之间的电连接中断。