DE19941169A1

DE19941169A1 - Stromsensor

Info

Publication number: DE19941169A1
Application number: DE1999141169
Authority: DE
Inventors: Richard Bloch; Werner Buser; Beat Kramer; Philippe Pretre
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2001-03-01

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes in einem Leiter 1 misst ein Sensor 3 das vom Strom im Leiter 1 erzeugte Magnetfeld 7 und gibt ein entsprechendes Signal an eine Auswerteelektronik 4 ab. Die Auswerteelektronik 4 wird von einer den stromführenden Leiter umgebenden, um einen ringförmigen, hochpermeablen Kern 5 gewickelten Stromwandlerspule 2 mit Energie versorgt. Die Stromwandlerspule 2 umfasst den Sensor 3, wodurch der Kern 5 dem Sensor 3 als Abschirmung gegen fremde Magnetfelder dient. DOLLAR A Auf diese Weise kann der Platzbedarf dieser Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen reduziert werden, da auf eine zusätzliche Abschirmung für den Sensor verzichtet werden kann.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Eine solche Vorrichtung wird in Überstromschutzschaltern zum Schutz von unter Niederspannung stehender Leitungen, Motoren, Apparaten und Anlagen vor den Folgen von Überlastströmen verwendet.

STAND DER TECHNIK

Ein strombegrenzender Schalter mit einem elektronischen Überlastungsschutz ist in DE 197 21 591 A1 beschrieben. Die Elektronik zur Auswertung des Messwerts benötigt keine zusätzliche Speisequelle, da durch einen Stromwandler sichergestellt ist, dass die von der Elektronik bei Bedarf benötigte Energie aus dem zu begrenzenden Strom entnommen werden kann. Als Sensor zur Erfassung des Stromes wird eine Rogoswki-Spule, ein magnetfeldabhängiger Widerstand oder ein Hallelement eingesetzt.

Wird ein magnetfeldabhängiger Sensor zur Erfassung des Stromes verwendet, muss besonders auf dessen Abschirmung gegen fremde Magnetfelder geachtet werden.

Diesem Problem kann mit geeigneten, hochpermeablen magnetischen Abschirmungen entgegengetreten werden. Allerdings beanspruchen solche Abschirmungen in Form zylinderförmiger Magnetkörper wertvollen Platz und verursachen zudem eine Kostensteigerung.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes in einem Leiter zu schaffen, deren Platzbedarf gegenüber herkömmlichen Anordnungen reduziert ist.

In der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes in einem Leiter umfasst ein hochpermeabler, ringförmiger Kern eines Stromwandlers einen das Magnetfeld des Stromes erfassenden Sensor. Der Kern schirmt den Sensor gegenüber fremden Magnetfeldern ab. Dadurch kann auf die Verwendung einer zusätzlichen Abschirmung des Sensors verzichtet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform überragt der Kern den Sensor in Richtung des Leiters beidseits. Somit liegt der Sensor vollständig im Innern des Kerns, wodurch eine besonders günstige Abschirmwirkung erzielt wird.

Auf diese Weise kann der Platzbedarf der Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes in einem Leiter nach der Erfindung gegenüber herkömmlichen Anordnungen reduziert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von einer Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Stromes mit integrierter magnetischer Abschirmung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Querschnitt durch ein Stromwandlerspule der Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem Kern, mit äusserem Querstörfeld,

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Längsschnitt durch eine Stromwandlerspule der Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem Kern, mit äusserem Längsstörfeld,

Fig. 4 ein Diagramm mit dem Feldverlauf des äusseren Querstörfelds nach Fig. 2 im Innern des Kerns der Stromwandlerspule,

Fig. 5 ein Diagramm mit dem Feldverlauf des äusseren Längsstörfelds nach Fig. 3 im Innern der Kerns der Stromwandlerspule, und

Fig. 6 ein Diagramm mit der Abschirmwirkung des Kerns der Stromwandlerspule in Funktion des Verhältnisses der Länge zum Innendurchmesser des Kerns der Stromwandlerspule der Vorrichtung nach Fig. 1 für verschiedene Frequenzen des Stromes.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht der Vorrichtung gemäss der Erfindung. An einem geraden, stromdurchflossenen Leiterabschnitt 1a eines elektrischen Leiters 1 ist ein Sensor 3 entweder aufgeklebt oder mittels einer nichtmagnetischen, nichtleitenden Halterung 11 angebracht. Er misst das vom Strom im Leiterabschnitt 1a erzeugte magnetische Feld 7 und gibt die Messwerte an die Auswertelektronik 4 weiter. Die Auswertelektronik 4 wird von einer Stromwandlerspule 2 mit Energie versorgt. Die Stromwandlerspule 2 besteht aus einem hochpermeablen Kern 5 (Ringbandkern, Schnittbandkern, etc.) und einer zu dem Leiterabschnitt 1 parallelen Wicklung 6 deren Anschlüsse mit der Auswertelektronik 4 verbunden sind.

Der Kern 5 umschliesst gemäss Fig. 2 den Leiterabschnitt 1 und den Stromsensor 3. Aus Fig. 3 geht hervor, dass der Kern in Richtung des Leiterabschnitts den Stromsensor 3 beidseitig überragt. Damit schirmt der Kern 5 den Stromsensor 3 gegenüber fremden Störfelder 9 und 10 ab.

Die Abschirmwirkung, die das Verhältnis von Feldstärke ausserhalb des Kerns zur Feldstärke im abgeschirmten Raum wiedergibt, ist durch die geometrischen Verhältnisse und die Materialwahl des Kerns gegeben.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen den Feldverlauf im Innern des Kerns für zwei technisch wichtige Fälle, ein abzuschirmendes Quer- und Längsstörfeld 9 und 10 bei 50 Hz. Wird als Stromsensor 3 ein Hallsensor verwendet, sind Längsstörfelder unproblematisch, da der Hallsensor in der Vorrichtung nach der Erfindung nur auf Querstörfelder sensitiv ist. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass der Stromsensor 3 im Vergleich zur Länge L des Kerns 5 möglichst kurz sein sollte, da die Abschirmwirkung des Kerns gegen die Mitte zunimmt.

Zusammen mit der in Fig. 6 dargestellten Abschirmwirkung des Kerns in Funktion des Verhältnisses Länge zu Innendurchmesser L/D_i wird ersichtlich, dass in einer vorteilhaften Ausführung das Verhältnis Länge zu Innendurchmesser L/D_i des Kerns möglichst gross ist. Das Verhältnisses Länge zu Innendurchmesser L/D_i sollte als untere Grenze 0.5 nicht unterschreiten. Für diesen Grenzwert ergibt sich gemäss Fig. 6 für ein Querstörfeld 9 mit einer Frequenz von maximal 50 Hz immer noch ein Abschirmfaktor von 8-10. Ein besonders vorteilhaftes Verhältnis Länge zu Innendurchmesser L/D_i ist 1, mit einem Abschirmfaktor im Bereich von 30-50.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung dient die Vorrichtung der Überwachung eines Stromes in einem Überstromschutzschalter (ISS). Die Auswertelektronik steuert dabei einen Schalter 8, der den Strom im Leiter 1 ausschalten kann.

Typische Dimensionen für Innendurchmesser D1, Aussendurchmesser und Länge L von in ISS verwendeten zylinderrohrförmigen Stromwandlerspulen mit einem hochpermeablen Kern sind 10 × 17 × 5 mm (L/D_i = 0.5).

Bezugszeichenliste

1

Primärleiter

1

a gerader Leiterabschnitt

2

Stromwandlerspule

3

Stromsensor

4

Auswertelektronik

5

Hochpermeabler Kern

6

Wicklung der Spule

7

Magnetfeld im Innern des Kerns

8

Gesteuerter Schalter

9

Querstörfeld

10

Längsstörfeld

11

Halterung für Stromsensor
L Länge des Kerns
D_i

Innendurchmesser des Kerns

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines in einem Leiterabschnitt (1a) geführten Stromes, mit einem Sensor (3) zum Erfassen des vom Strom erzeugten Magnetfelds, einer Auswertelektronik (4) zum Auswerten des Signals vom Sensor (3) und einer den Leiterabschnitt (1a) umschliessenden Stromwandlerspule (2) mit einem ringförmigen, hochpermeablen Kern (5) zum Versorgen der Auswertelektronik (4) mit Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (5) den Sensor (3) derart umfasst, dass er für den Sensor (3) als Abschirmung gegen fremde Magnetfelder (9, 10) dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (5) den Sensor (3) in Richtung des Leiterabschnitts (1a) beidseits überragt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) auf dem Leiterabschnitt (1a) befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) auf dem Leiterabschnitt (1a) angeklebt oder mittels einer Halterung (11) daran befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) ein Hallsensor ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertelektronik (4) einen Schalter (8) ansteuert, der den Strom im Leiter (1) unterbricht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Verhältnis der Ausdehnung (L) in Richtung des Leiterabschnitts (1a) zum Innendurchmesser (D_i) des Kerns (5) mindestens 0.5 ist.

8. Vorrichtung nach dem Anspruch 6, bei der das Verhältnis der Ausdehnung (L) in Richtung des Leiterabschnitts (1a) zum Innendurchmesser (D_i) des Kerns (5) mindestens 1 ist.