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DE4204515A1 - Measurement of electric currents esp. in high and medium voltage supply mains - using Rogowski coil with measurements from coil digitised and integrated in computer unit which with over-supply of digital signals reduces signal paths - Google Patents

Measurement of electric currents esp. in high and medium voltage supply mains - using Rogowski coil with measurements from coil digitised and integrated in computer unit which with over-supply of digital signals reduces signal paths

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Publication number
DE4204515A1
DE4204515A1 DE19924204515 DE4204515A DE4204515A1 DE 4204515 A1 DE4204515 A1 DE 4204515A1 DE 19924204515 DE19924204515 DE 19924204515 DE 4204515 A DE4204515 A DE 4204515A DE 4204515 A1 DE4204515 A1 DE 4204515A1
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DE
Germany
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coil
rogowski coil
computing unit
computer unit
converter
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DE19924204515
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German (de)
Inventor
Stephan Dipl Ing Kloska
Dieter Prof Dr Ing Koenig
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ABB Patent GmbH
Original Assignee
ABB Patent GmbH
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/18Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
    • G01R15/181Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using coils without a magnetic core, e.g. Rogowski coils

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  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Abstract

A range changeover results with an oversupply of signal paths to the computer unit (8), causing a redn. in the number of signal paths to the computer unit. The system for carrying out the measurement includes a range change over circuit arranged between the Rogowski coil (2) and an ADC (7), and contains a changeover switch (6), which as required bridges an amplifier in the signal path. Several parallel working ADCs working with different sensitivities are arranged between the computer unit (8) and the Rogowski coil. The ADCs are individually selected by the computer unit and are connectable in the signal path. USE/ADVANTAGE - Rated and short circuit currents. Has long term stability.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 39 41 882 be­ kannt. Hierbei sollen die Teilströme eines Hochspannungs­ trennschalterkontaktes mittels Rogowskispulen gemessen werden. Über die Weiterverarbeitung der von den Rogows­ kispulen gelieferten Signale ist nichts ausgeführt.Such a method is from DE-OS 39 41 882 be knows. Here, the partial currents of a high voltage disconnector contact measured using Rogowski coils will. About the processing of the Rogows The signals supplied to the coils are not executed.

Da die Rogowskispule eine dem Differential des Meßstromes proportionale Spannung liefert, ist es notwendig, diese Spannung zu integrieren, um eine dem Meßstrom direkt pro­ portionale Größe zu erhalten. Since the Rogowski coil is the differential of the measuring current supplies proportional voltage, it is necessary to this Integrate voltage in order to directly measure the measuring current to get proportional size.  

Es ist denkbar zur Integration passive Elemente, wie Spu­ len, Widerstände, Kondensatoren oder aktive Analogschal­ tungen auf der Basis von Operationsverstärkerschaltungen zu verwenden. Diese Elemente können jedoch die Anforde­ rungen hinsichtlich einer gewünschten Langzeitstabilität der Integrationsergebnisse nicht erfüllen. Das Problem der hohen Dynamik des Meßsignals (Nenn- und Kurzschluß­ messung) wird bisher durch die Verwendung von verschie­ denen transformatorischen Stromwandlern, jeweils zu Schutz- und Meßzwecken, gelöst.It is conceivable to integrate passive elements such as Spu len, resistors, capacitors or active analog scarf on the basis of operational amplifier circuits to use. However, these elements can meet the requirement with regard to a desired long-term stability of the integration results do not meet. The problem the high dynamics of the measurement signal (nominal and short circuit measurement) has so far been achieved through the use of various those transformer current transformers, each Protection and measurement purposes, solved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strommeß­ verfahren für Energieversorgungsnetze zu schaffen, das sowohl für Nenn- wie auch für Kurzschlußströme verwendbar ist und eine hohe Langzeitstabilität aufweist.The invention has for its object a current measurement to create procedures for energy supply networks that usable for both nominal and short-circuit currents is and has a high long-term stability.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.This problem is solved with the characteristic ones Features of claim 1.

Zur Messung von Nenn- und Kurzschlußstrombereich kann nunmehr die selbe Rogowskispule benutzt werden. Es wird die Tatsache ausgenutzt, daß eine Rogowskispule keinen Eisenkern und deshalb keine Sättigungserscheinungen auf­ weist. Die von der Rogowskispule abgegebene, dem Diffe­ rential des Meßstromes proportionale Spannung ist deshalb linear von der Größe des Meßstromes abhängig.For measuring the nominal and short-circuit current range now the same Rogowski coil can be used. It will took advantage of the fact that a Rogowski coil had none Iron core and therefore no signs of saturation points. The one given by the Rogowski coil, the Diffe rential of the measuring current is therefore proportional voltage linearly dependent on the size of the measuring current.

Eine hohe Langzeitstabilität wird durch die Verwendung einer digitalen, auf numerischen Rechenvorgängen beruhen­ den Integration erreicht. Zur Durchführung dieser Berech­ nungen wird eine digitale Recheneinheit verwendet, die schnelle aritmethische Operationen ausführen kann. A high long-term stability is due to the use a digital, based on numerical calculations achieved integration. To perform this calculation A digital arithmetic unit is used can perform quick arithmetic operations.  

Integriert werden die Werte z. B. mit der Rechteck- bzw. Trapezregel oder einem anderen Integrationsverfahren (siehe Bronstein, Semendjajew - Taschenbuch der Mathema­ tik, 20. Auflage, Harri Thun 1983, Seite 799 ff).The values are integrated e.g. B. with the rectangular or Trapezoidal rule or other integration method (see Bronstein, Semendjajew - Paperback by Mathema tik, 20th edition, Harri Thun 1983, page 799 ff).

Der zur Digitalisierung der in der Rogowskispule indu­ zierten Spannung benötigte Analog-Digital-Wandler (AD- Wandler) muß den gesamten gewünschten Dynamikbereich überdecken. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine vom Rogowskispulensignal gesteuerte Eingangsbereichsum­ schaltung vor dem AD-Wandler eingefügt wird. Die Weiter­ gabe der integrierten Werte erfolgt entweder über einen Digitalausgang direkt an die entsprechend ausgerüstete Sekundärtechnik oder über einen Digital-Analog-Wandler (DA-Wandler) als Spannungs- oder Stromsignal.The digitization of the indu in the Rogowski coil required voltage required analog-digital converter (AD Converter) must cover the entire desired dynamic range cover up. This object is achieved in that a input range controlled by the Rogowski coil signal circuit before the AD converter is inserted. The next The integrated values are either given via a Digital output directly to the appropriately equipped Secondary technology or via a digital-to-analog converter (DA converter) as a voltage or current signal.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Rechner, der die Integration durchführt, auch für die Aufgaben der Schutztechnik zu verwenden.Another option is to use the calculator that carries out the integration, also for the tasks of Protection technology to use.

Anhand einer beiliegenden Zeichnung, in der ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung gezeigt wird, sollen die Er­ findung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.Using an enclosed drawing, in which an exec Example of the invention is shown, the Er invention and other advantageous embodiments and Improvements and other advantages explained in more detail and to be discribed.

Dargestellt ist ein Ersatzschaltbild einer Meßanordnung, mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen läßt. Die Meßanordnung ist aus sechs Teilsystemen (I, II, III, IV, V, VI) aufgebaut, nämlich der Rogowskispule I, dem Vorverstärker und der Bereichsumschaltung II, der Digita­ lisierungsvorrichtung III, der Recheneinrichtung zur In­ tegration und Steuerung der Bereichsumschaltung IV, der Digital-Analog-Wandlereinheit V sowie einer Ausgangsbe­ reichsumschaltung VI.An equivalent circuit diagram of a measuring arrangement is shown, with which the method according to the invention is carried out leaves. The measuring arrangement consists of six subsystems (I, II, III, IV, V, VI), namely the Rogowski coil I, the preamplifier and the range switch II, the Digita lisierungsvorrichtung III, the computing device for In tegration and control of range switching IV, the  Digital-analog converter unit V and an output empire changeover VI.

Die Rogowskispule besteht aus einem lackisolierten Draht, der zu einer kreisförmigen Spule 2 auf einem nicht lei­ tenden und nicht magnetischem Spulenträger (z. B. Kunst­ stoff) aufgewickelt ist.The Rogowski coil consists of a lacquer-insulated wire, which is wound into a circular coil 2 on a non-conductive and non-magnetic coil carrier (e.g. plastic).

Zur Abschirmung von elektrischen Störfeldern ist die Spule 2 mit einer am Umfang geschlitzten nicht magneti­ schen Metallabschirmung (nicht dargestellt) umgeben. Der Schlitz in der Abschirmung verhindert die Ausbildung stö­ render Wirbelströme und der daraus resultierenden Magnet­ felder. Der Leiter 1, dessen Strom I gemessen werden soll, wird durch die Mitte der ringförmigen Spule 2 ge­ führt.To shield electrical interference fields, the coil 2 is surrounded by a non-magnetic metal shield (not shown) that is slotted on the circumference. The slot in the shield prevents the formation of disturbing eddy currents and the resulting magnetic fields. The conductor 1 , whose current I is to be measured, is passed through the center of the annular coil 2 .

Der Einfluß magnetischer Fremdfelder wird durch eine Kom­ pensationswicklung (nicht dargestellt), die in der Spu­ lenachse liegt und mit der kreisförmigen Spule 2 in Reihe geschaltet ist, verringert. Parallel zur Spule 2 ist über die Verbindung 3 ein Widerstand 4 angeschlossen, an dem eine Spannung Ur abfällt, die vom Teilsystem II weiter­ verarbeitet wird.The influence of external magnetic fields is reduced by a compensation winding (not shown) which lies in the coil axis and is connected in series with the circular coil 2 . In parallel with the coil 2 , a resistor 4 is connected via the connection 3 , to which a voltage U r drops, which is further processed by the subsystem II.

In dem Teilsystem II wird die in der Rogowskispule indu­ zierte Spannung an den Eingangsbereich des AD-Wandlers durch eine Bereichsumschaltung, die durch die nachge­ schaltete Recheneinheit steuerbar ist, angepaßt.In subsystem II, the indu in the Rogowski coil graced voltage to the input area of the AD converter by a range switch, which by the nachge switched computing unit is controllable, adapted.

Die am Widerstand 4 abfallende Spannung wird entweder über den Verstärker 5 oder über die Verbindung 3 - also unverstärkt - an einen Umschalter 6 geführt, je nachdem ob der Umschalter 6 in Position 15 oder 16 gebracht ist. The voltage drop across the resistor 4 is either passed through the amplifier 5 or via the connection 3 - that is to say unreinforced - to a changeover switch 6 , depending on whether the changeover switch 6 is in position 15 or 16 .

Gesteuert wird der Umschalter 6 von der Recheneinheit 8; diese Teile sind über die Steuerleitung 13 miteinander verbunden. Der AD-Wandler 7 wandelt die vom Teilsystem II erhaltenen Signale (Spannungen oder Ströme) in einen di­ gitalen Zahlenwert im Binärsystem um. Der AD-Wandler übergibt über die Verbindung 18 das Ergebnis der AD-Wand­ lung als Digitalwert an die Recheneinheit 8. Über die Verbindung 17 wird eine Eingangsbereichsüberschreitung des AD-Wandlers 7 an die Recheneinheit 8 gemeldet.The changeover switch 6 is controlled by the computing unit 8 ; these parts are connected to one another via the control line 13 . The AD converter 7 converts the signals (voltages or currents) obtained from subsystem II into a digital numerical value in the binary system. The AD converter transfers the result of the AD conversion as a digital value to the computing unit 8 via the connection 18 . An input range violation of the AD converter 7 is reported to the computing unit 8 via the connection 17 .

Das Teilsystem IV besteht aus der Recheneinheit 8, näm­ lich einem Digitalrechner, vorzugsweise einem schnellen Signalprozessor, der in der Lage ist, aritmethische Ope­ rationen mit hoher Geschwindigkeit auszuführen. Die Re­ cheneinheit 8 führt den Integrationsalgorithmus (Rechteck-, Trapez-, Simpsonregel) mit dem vom AD-Wandler 7 kommenden digitalen Werten aus und steuert gleichzeitig die Umschalter 6 sowie 12 über die Steuerleitungen 13 und 14.The subsystem IV consists of the computing unit 8 , namely a digital computer, preferably a fast signal processor which is capable of performing arithmetic operations at high speed. The computing unit 8 executes the integration algorithm (rectangle, trapezoid, Simpson rule) with the digital values coming from the AD converter 7 and simultaneously controls the changeover switches 6 and 12 via the control lines 13 and 14 .

Bei der Ausführung des Integrationsalgorithmus ist die Behandlung des Einschaltvorganges bei dem hier zu messen­ den quasi stationären Strömen so durchzuführen, daß sich ein mittelwertfreies integriertes Signal ergibt. Die Er­ gebnisse der Integration (das integrierte Signal) werden als Digitalwort an einen DA-Wandler 10 (Digital-Analog- Wandler) über die Verbindung 19 weitergegeben.When the integration algorithm is carried out, the treatment of the switch-on process in the case of the quasi-stationary currents to be measured here is to be carried out in such a way that an integrated signal free of mean values results. The results of the integration (the integrated signal) are passed on as a digital word to a DA converter 10 (digital-analog converter) via the connection 19 .

Mit dem DA-Wandler 10 werden die von der Recheneinheit 8 berechneten integrierten Digitalwerte wieder in eine Ana­ log-Spannung umgewandelt.With the DA converter 10 , the integrated digital values calculated by the computing unit 8 are converted back into an analog voltage.

Die Ausgangsspannung des DA-Wandlers 10 wird über einen Verstärker 11 oder direkt an den Ausgang 21 ausgegeben. The output voltage of the DA converter 10 is output via an amplifier 11 or directly to the output 21 .

Der Verstärker 11 hat die gleiche Verstärkung wie der Verstärker 5 an der Eingangsseite, und der Umschalter 12 wird von der Recheneinheit über die Verbindung 14 gesteu­ ert. Das von der Recheneinheit 8 integrierte Signal kann auch direkt auf digitaler Ebene an den Ausgang 9 gegeben werden und dort weiter verarbeitet bzw. einer digitalen Anzeigevorrichtung zugeführt werden.The amplifier 11 has the same gain as the amplifier 5 on the input side, and the changeover switch 12 is controlled by the computing unit via the connection 14. The signal integrated by the computing unit 8 can also be given directly at the digital level to the output 9 and processed there or supplied to a digital display device.

Die Wirkungsweise der Meßanordnung ist wie folgt:The measuring arrangement works as follows:

Ein Strom I induziert in der Spule 2 (Rogowskispule) einen zum Differential des Stromes I proportionale Span­ nung, die über die Verbindung 3 an den Widerstand 4 ge­ langt. Danach liegt diese Spannung Ur 20 am Verstärker 5 und direkt am Umschalter 6 des Teilsystems II an.A current I induces a voltage proportional to the differential of the current I in the coil 2 (Rogowski coil), which reaches the resistor 4 via the connection 3 . Then this voltage U r 20 is present at the amplifier 5 and directly at the changeover switch 6 of the subsystem II.

Diese Spannung wird vom Verstärker an den Eingang des AD- Wandlers 7 angelegt. Die Recheneinheit 8, die den Vorgang steuert, schaltet über die Verbindung 6a den Umschalter 6 in die entsprechende Position. Der AD-Wandler 7 wandelt die an seinem Eingang anliegende Spannung in ein Digital­ wort um oder meldet eine Bereichsüberschreitung über die Verbindung 17 an die Recheneinheit 8. Sollte eine Be­ reichsüberschreitung erfolgen, so wird von der Rechenein­ heit 8 der Umschalter 6 so geschaltet, daß die unver­ stärkte Spannung Ur 20 am Eingang des AD-Wandlers 7 an­ liegt.This voltage is applied by the amplifier to the input of the AD converter 7 . The computing unit 8 , which controls the process, switches the changeover switch 6 into the corresponding position via the connection 6 a. The AD converter 7 converts the voltage present at its input into a digital word or reports an overrange to the computing unit 8 via the connection 17 . If the range is exceeded, the switch 6 is switched by the computing unit 8 so that the unamplified voltage U r 20 is present at the input of the AD converter 7 .

Bei der dynamischen Umschaltung der Eingangsempfindlich­ keit muß das Signal immer zuerst mit der hohen Empfind­ lichkeit (Umschalter 6 in Position 16) digitalisiert wer­ den. Ergibt diese Digitalisierung einen Überlauf, so wird die nächste Digitalisierung mit der niedrigen Emp­ findlichkeit durchgeführt und deren Ergebnis verwendet. When dynamically switching the input sensitivity, the signal must always be digitized first with the high sensitivity (switch 6 in position 16 ). If this digitization results in an overflow, the next digitization with the low sensitivity is carried out and the result is used.

Die Erfassung eines Wertes erfolgt also in n Empfindlich­ keitsstufen in n Schritten.A value is therefore recorded in n Sensitive levels in n steps.

Dieser Zeitverlust kann durch die Verwendung mehrerer parallel arbeitender AD-Wandler mit verschiedenen Emp­ findlichkeitsbereichen vermieden werden.This loss of time can be caused by using multiple parallel working AD converter with different emp sensitivity areas are avoided.

Nach der Umwandlung in ein Digitalwort führt die Rechen­ einheit 8 den zur Integration notwendigen Algorithmus mit dem Digitalwort durch. Das Ergebnis dieser Integration wird als Digitalwort über die Verbindung 19 entweder di­ rekt an den Ausgang 9 oder über einen DA-Wandler 10 an die nachfolgende Sekundärtechnik ausgegeben.After the conversion into a digital word, the computing unit 8 carries out the algorithm required for integration with the digital word. The result of this integration is output as a digital word via the connection 19 either directly to the output 9 or via a DA converter 10 to the subsequent secondary technology.

Der Umschalter 12 ist mit dem Ausgang des DA-Wandlers 10 verbunden und wird synchron zum Umschalter 6 von der Re­ cheneinheit 8 gesteuert. Der gesamte Vorgang wird ständig mit einer festgelegten Frequenz wiederholt. Diese Fre­ quenz sollte mindestens zehnfach höher sein als die höchsten im Meßstrom I vorkommenden Frequenzanteile.The switch 12 is connected to the output of the DA converter 10 and is controlled synchronously with the switch 6 by the processing unit 8 . The entire process is repeated at a fixed frequency. This frequency should be at least ten times higher than the highest frequency components occurring in the measuring current I.

Claims (6)

1. Verfahren zum Messen elektrischer Ströme in Ener­ gieversorgungsnetzen, insbesondere für Hoch- und Mittel­ spannung, mit einer Rogowskispule, dadurch gekennzeich­ net, daß die von der Rogowskispule (2) gelieferten Meßsi­ gnale digitalisiert und in einer Recheneinheit (8) inte­ griert werden, daß die Recheneinheit (8) bei einem Über­ lauf der ihr zugeführten digitalen Signale eine Bereichs­ umschaltung veranlaßt, durch die die Empfindlichkeit des Eingangssignalweges vermindert wird.1. A method for measuring electrical currents in energy supply networks, in particular for high and medium voltage, with a Rogowski coil, characterized in that the measurement signals supplied by the Rogowski coil ( 2 ) are digitized and integrated in a computing unit ( 8 ), that the arithmetic unit ( 8 ) causes an area switchover when the digital signals supplied to it overflow, by means of which the sensitivity of the input signal path is reduced. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsum­ schaltung zwischen der Rogowskispule (2) sowie einem AD- Wandler (7) angeordnet ist und einen Umschalter (6) ent­ hält, der bei Bedarf einen Verstärker (5) im Signalweg überbrückt.2. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that the range circuit between the Rogowski coil ( 2 ) and an AD converter ( 7 ) is arranged and a changeover switch ( 6 ) ent, which, if necessary, an amplifier ( 5th ) bridged in the signal path. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallel arbeitende AD-Wandler mit verschiedenen Empfindlichkeiten zwischen der Recheneinheit (8) und der Rogowskispule (2) angeordnet sind, die einzeln von der Recheneinheit (8) anwählbar und in den Signalweg einschaltbar sind.3. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that a plurality of parallel working AD converters with different sensitivities between the computing unit ( 8 ) and the Rogowski coil ( 2 ) are arranged, which can be individually selected by the computing unit ( 8 ) and in the signal path can be switched on. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (21) der Anordnung sowie einem der Recheneinheit (8) nachgeordneten DA-Wandler (10) eine Be­ reichsumschaltung mit einem Umschalter (12) angeordnet ist und je nach Stellung des Umschalters (12) die Meßsi­ gnale vom DA-Wandler (10) verstärkt oder unverstärkt an den Ausgang (21) gelangen. 4. Arrangement for performing the method according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the output ( 21 ) of the arrangement and one of the computing unit ( 8 ) downstream DA converter ( 10 ) Be a range switch with a switch ( 12 ) is arranged and depending on the position of the switch ( 12 ) the Meßsi signals from the DA converter ( 10 ) amplified or unreinforced to the output ( 21 ). 5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang (9) der Anordnung unmittelbar mit dem Ausgang der Recheneinheit (8) verbunden ist.5. Arrangement for performing the method according to one of claims 1 to 3, characterized in that an output ( 9 ) of the arrangement is connected directly to the output of the computing unit ( 8 ). 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß von der Recheneinheit (8) die Integration der Meßsignale mit Hilfe eines numerischen Integrationsalgo­ rithmus ausgeführt wird.6. The method according to claim 1, characterized in that the computing unit ( 8 ) integrates the measurement signals with the aid of a numerical integration algorithm.
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