专利名称：具有茹科夫斯基型绕组的电流互感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括至少两个部分电路的电流互感器，其中每个部分电路都包括一茹科夫斯基(Rogowski)型绕组，每个部分电路都做成环绕互感器之主导体360°的完整电路的角部分的形式。每个部分电路的绕组是由占据部分电路之角范围的去绕组(go winding)和返回绕组(return winding)构成的。完整电路等价于互感器的茹科夫斯基型次级电路。这样，在该次级电路上测量的电压信号与通过主导体传送的电流的导数成正比例。
背景技术：
已经知道，Rogowski线圈(也称为Rogowski环面)通常是采用缠绕在环形线圈架上并且由非铁磁材料做成的导体的形式，由此由于它缺乏饱和而具有良好的线性特性。在借助于茹科夫斯基线圈形式的次级电路或导体对主电流进行测量中的困难之一来自由线圈参数的温度变化，其中该变化可以导致大的测量误差。此外。如果线圈不是准确地轴向对称的，那么主电流之导数的测量取决于穿过环面的主导体的位置，同时也取决于它的方向。众所周知，良好的轴向对称要求导体绕组被做成至少两个绕组，例如，缠绕在去路径上的绕组，接着是缠绕在相反的返回路径上的类似绕组，并且具有在去路径和返回路径上以相同的方向缠绕的线圈匝，使得对于去绕组和返回绕组来说通量是增加的。这种双重去和返回绕组使得线圈不会受到由位于环面外部的电导体所传送的强电流产生的电磁场的影响。
使用包括Rogowski型绕组的部分电路的电流互感器在本技术领域是已知的。专利文件DE4424368公开了一种正方形形状的完整线圈，其相对于穿过其中心的主导体呈现出轴向对称。该绕组由四部分组成，每部分是由包覆在导电材料之第一层中的管状体构造的，所述层被螺旋地蚀刻，以设置形成去绕组的轨道。所述导电材料被包覆在绝缘层和导电材料层的第二层中，其中导电材料的第二层同样被螺旋地蚀刻，以形成返回绕组。四个去轨道通过互连多个管状体的连接元件相互串联在一起，四个返回轨道也是如此连接。完整的去轨道与完整的返回轨道串联在一起，并且以这种方法制作的去和返回(go-andreturn)绕组在一个管状体上给定的位置处被中断，使得形成两个输出终端，在其端子之间可以测量由主电流在线圈中感应的电压。
由角部分形式的部分线圈构造完整Rogowski线圈的原理也应用在专利申请DE10161370或US2003137388A1所公开的实施例中。具体地，公开了一个实施例，其中通过将八个半环形电路部分串联在一起来组成完整的线圈。每个部分是由形成半环的印制电路板(pcb)组成的，以及使四个板子层叠来形成线圈的一半，其中该线圈包括去和返回绕组的两半部分。半环的两个层叠在两个相邻角端分开，使得便于在互感器的主导体周围设置完整的线圈。去绕组和返回绕组的串联位于所述两个相邻角端的第一个处。完整线圈的两个输出终端都位于与第一个角端相邻的第二个角端处。这样，这两个相邻的角端之间没有电性连接，然而仍然实现了360°上的双重去和返回绕组，使得完整绕组能够呈现出轴向对称度。
众所周知，根据如下关系式，通过获得(并且通常也放大)在以360°缠绕主导体的Rogowski类型线圈之端子两端的电动势(emf)信号VS来测量的电压VS取决于主电流iP之代数测量结果的时间导数(1)---VS(t)=D.S(T)·∂iP∂t]]>
其中S(T)表示在测量期间绕组对温度T的灵敏度，常量D表示用于获得emfVS的系统所特定的放大系数。这样，信号VS间接地是主电流的影像(image)。下面，S0表示线圈在给定参考温度T0的敏感度。另外，如果Rogowski型线圈缠绕在圆弧形式的管状体上(也称为“线圈架”，延伸在具有特定角度θ的角扇部分)，则可以将绕组的此部分对温度T0的灵敏度S0定义为等于S0×θ/360，此处θ表示度数，S0是通过延伸均匀地以360°缠绕在线圈架上绕组所外推的完整Rogowski绕组的灵敏度。例如，如果完整绕组是如专利申请DE10161370中所示的将两个半圆形绕组部分串联而构成的，则可以定义每个绕组部分的灵敏度S0等于整个线圈灵敏度S0的一半。
然而，因当注意，利用小于360°的角扇部分上定义的Rogowski类型绕组，主导体中电流的测量结果受到导体相对于绕组之位置的影响，以及如果角扇部分小于180°，则受到强烈的影响。借助于例子，我们使半环形绕组垂直于直线主导体来设置，使得导体与绕组两个末端的距离相等。假设主电流随时间变化是一致的，则从主导体移开绕组的任何偏移(即使非常小)都会导致在绕组终端两端上测量的emf明显地减小。主电流在给定点产生的磁场随着所述点与主导体之间的距离的增加而减小。因而，由于上述偏移，绕组中感应的通量减小，并且这样，所测量的主电流的影像也减弱。
由于这些原因，以及为了能够通过茹科夫斯基类型绕组获得可靠的电流测量，对于绕组，首先必须制作围绕主导体的完整线圈，使得能够呈现精确地轴向对称。换句话说，使互感器的次级电路构成360°环是能够使测量独立于主导体相对于次级导体的位置的其中一个条件。这就是为什么Rogowski型绕组之灵敏度的概念通常只出现在与以下领域相关的文献中，即只是对于环形的绕组或者对于一组串联的绕组使得形成完整线圈的领域。在已知的使用由完整的Rogowski线圈之多个部分组成的绕组的电流互感器设备中，例如专利申请DE10161370中显示的互感器，例如，每一个绕组总是与由另一个线圈部分形成的至少一个类似绕组电性串联，使得这些部分一起形成在缠绕主导体360°的完整的Rogowski线圈。
在具有两个串联的半环形绕组的实施例中，完整环形绕组的灵敏度实际上等于具有相同尺度的单个绕组的灵敏度。此外，提供充分短的串联，以尽可能少地干扰两个绕组之间连接区域中绕组的均匀性，使得保持几乎完美的轴向对称，这样，测量可以保持几乎独立于主导体的位置。与传统的在一个闭合支撑体上的绕组相比，这种基于可分离绕组的实施例所暗含的相对额外成本可以得到以下情况的支持，即具体地，通过完整的绕组可以很容易设置在主导体周围来得到支持。也存在特定的上下文环境，其中优选地，从部分线圈构造完整的Rogowski线圈，并且不需要让两个部分线圈被分开，以便将主导体穿过由完整线圈形成的环中。
正如从专利文档EP0573350所得知的，优选地，由pcb制造Rogowski绕组，其中该pcb基本上是正方形并且设置有用于使主导体穿过的圆形开口。这种类型的绕组表现出良好的轴向对称，以及使得能够利用线圈匝获得去绕组和返回绕组，并具有去绕组和返回绕组加在一起的通量，由此对于线圈获得非常好的灵敏度，也具有非常好的0.1％量级的测量准确度。准确度随着时间而保持不变，因为具体地，其对振动和对影响线圈的温度变化不敏感。通过使用与线圈之输出端并联的电阻器，以及具有被选择作为绕组的各种参数的电阻，来进行实际上与温度无关的测量，正如专利文档EP0587491所教示的那样。
用于制造pcb的机器使得电路板能够以特定尺寸范围被制作。在本专利申请的申请日时，不存在能够获得尺度大于700微米(mm)的pcb的机器。即使这种机器将来应该被产生，但是制造大尺寸pcb成本将明显地大于将多个pcb组装在一起形成大尺寸的pcb的成本。某些利用Rogowski线圈进行的测量(例如，在气体绝缘金属包覆的电齿轮或线路)要求由互感器次级绕组的轨道和的印制穿孔所形成的环的内直径至少为700mm量级。应该注意对于这些直径，优选地，使绕组在pcb的外部，以能够保持测量准确度在0.1％量级，因为传统的用于通过在导体上缠绕来制造线圈的技术不能制造出达到这个精确度级别的线圈。
用于使大尺寸线圈由pcb制成的一个技术方案包括在一个共用平面上将多个pcb组合在一起，每个pcb具有在其上蚀刻的角线圈部分。用于互连完整线圈之多个角部分的第一方法包括经由特别适合此目的的多个导体将它们电性地连结在一起，例如，以与专利文件DE4424368所示在蚀刻的管状体之间所作的连接相同的原理，在两个相邻板之间的每个接合处，在相同去方向或者返回方向上，将绕组串联在一起。例如，可以将完整角线圈的四个圆角部分组合在一起，每个圆角部分由一个正方形pcb构成，正方形pcb的侧面具有等于角线圈外径至少一半的长度。这样，可以使用pcb技术制作外径大约为1400nm的完整线圈，由此超出了金属包覆的最大尺寸，其中利用现有的金属包覆电力齿轮或者线路，围绕所述金属包覆，来设置电流互感器的次级。
这样，由完整角线圈实现的电流互感器的次级电路可以在大气力下设置，例如，围绕双金属外壳，双金属外壳提供两个在压力下充满绝缘气体的金属壳体之间紧密连接，并且从其中通过互感器的主导体。借助于例子，主导体由单相金属包覆线的导体构成。两个外壳借助于提供相对于绝缘气体密封的垫圈连接在一起，垫圈由电绝缘材料做成。这使在金属壳体中流动的返回电流流到角线圈之外，以及这确保了电流测量不受返回电流的影响。
但是，对于传统的环形绕组形成的线圈以及使用印制电路技术形成的角线圈，将完整线圈的多个角部分串联在一起的技术存在以下缺点。首先，经由互连完整线圈的两个相邻部分的电桥的连接在某种程度上干扰了绕组之间的连接区域中线圈匝分布的均匀性。这特别可以从例如专利文件DE10161370的图3中看到。对于以pcb圆角形式实现的角部分，必须提供很短的连接，以便保持完整Rogowski线圈中匝分布的几乎完全均匀性，从而保持0.1％量级的测量精确度。而且，因为这些圆角所受到的振动和拉伸力，两个相邻pcb圆角部分之间的电性和机械连接区域构成了很弱的区域。即使圆角安装在相对柔性的元件上，例如由橡胶做成的元件，为了限制圆角之间连接处的振动和压力的幅度，从而避免互连圆角印制电路的电桥发生断裂的风险(如果桥本身也以硬性形式提供)，因此必须提供柔性电桥。
但是，可以克服在获得机械可靠的并且尽可能少的干扰测量结果两个相邻pcb圆角之间的电连接上的困难，尤其当使用柔性的电桥时。这样，可以获得由pcb圆角构成的大尺寸的完整的Rogowski线圈，以及该完整的Rogowski线圈电性地等效于如专利文件EP0573350所教示的相同尺寸的使用单个pcb构成的线圈。优选地，完整Rogowski线圈的两个电终端位于相邻圆角连接部分旁边的线圈的圆角的一端处，然后，所述连接部分是没有与电桥交叉的唯一连接部分。
当考虑上述使用Rogowski线圈圆角的技术时，特别是对于专利文件EP0573350所教示的pcb技术实施例，需要考虑以下事实在用于气体绝缘金属包覆电齿轮的电流互感器的应用中，由电流互感器的完整线圈形成的环可以具有通常大约700mm的直径。对于完整Rogowski线圈，线圈匝数(每匝由pcb中两个相反的轨道部分和两个电镀通孔形成)。在此阶段，应当知道，对于具有相同匝数密度，大直径的Rogowski线圈的总灵敏度S0与小直径的Rogowski线圈的的总灵敏度S0没有明显的不同，匝数增加所引起的灵敏度增加被线圈进一步远离主导体所产生的较小磁场所抵消，其中主导体的电流将被测量。
这样，甚至对于大直径的线圈，可能与线圈所感应的emf信号感干扰的寄生波动电压信号是相对较大的，因为总的灵敏度S0实际上独立于线圈的直径。由通过互感器测量其主电流ip的线路中的高频电流引起干扰信号。因为emf信号与主电流ip的导数成正比，所以在影响主电流的高频处的任何干扰将不可避免的导致在互感器次级绕组端子处的电压波动。干扰电压波动信号然后必须被用于产生修正信号Vs(该信号通畅被放大)的采集和处理器单元处理，其中修正信号Vs是修正的主电流信号的影像，其中高频电流干扰已经被从修正的主电流信号中过滤掉。
因为它们相对大的幅度，当修正测量信号时，可能很难处理干扰电压波动信号，这将导致较小精确度的测量。即使高性能信号修正处理被应用到Rogowski线圈的端子之间的emf信号，以便获得很高的测量精确度，但是，与在电压波动干扰信号是小幅度的情况中获得同样量级精确度相比较，通常增加了成本。
本发明的主要目的在于提供一种电流互感器，其次级电路包括由多个角线圈部分构成的大直径的Rogowski线圈，多个角线圈部分根据完整线圈的轴向对称性以非常良好的均匀性机械地结合在一起，同时具有用于互感器次级电路的结构，该结构用于限制待处理的干扰电压波动信号的幅度。本发明另一个目的在于提供大直径完整Rogowski线圈的pcb技术实施例，同时省略了构成完整线圈的相邻部分pcb的线圈之间的任何电桥，该实施例应当能够实现至少01％量级的精确度，并且具有优异的温度可靠性发明内容因此，本发明提供一种电流互感器，包括至少两个部分电路，每个部分电路包括一个Rogowski型绕组，所述部分电路的每一个以完整电路的角部分的形式构成，其中完整线圈以360°环绕互感器的至少一个主导体，所述完整线圈具有用于互感器的Rogowski型次级电路的功能，每个部分电路的绕组由延伸在部分电路的角度范围的去绕组和返回绕足构成，其特征在于对于每个部分电路，所述去绕组和返回绕组电性地串联，它们具有在相同方向上缠绕的多个线圈匝，以形成呈现一对相邻电端子的单个绕组，所述绕组的电端子对连接到用于产生完整信号的采集系统，其中完整信号是互感器之主电流的影像。这样，通过结合N个部分电路构成的完整电路呈现相同的N对电端子。正如以下所解释的，在每个部分电路的端子两端所测量emf信号Vs(n)被传送到求和采集系统(通常包括放大)，该求和采集系统被设计来重新产生一个完整信号Vs，Vs在给定参考温度T0下满足以下关系式(2)---vs(t)=K.Σn=1Nvs(n)(t)=K.S0.∂ip∂t]]>其中，K表示求和采集系统的总放大系数，以及S0表示等效完整电路的灵敏度。以下解释如何参数化用于定义总放大系数的电阻器的电阻，使得系数对于温度变化不敏感。应当注意，S0等于完整电路的灵敏度，完整电路正如通过串联多个部分电路的绕组以获得一结构而构成，该结构等效于专利EP0573359中所描述的结构，其中在该结构中，完整电路仅仅呈现两个电端子，用于采集构成主电流之影像的emf信号。
在本发明的电流互感器中，以及当所有的部分电路相同时，完整等效电路的灵敏度S0等于部分电路的灵敏度S0乘以部分电路的数目N。然后，上述公式(2)可以写成
vs(t)=K.N.s0.∂ip∂ti.e.]]>(3)---∂ip∂t=vs(t)K.N.s0]]>并且因此可以通过随着时间来积分正如在Rogowski型次级电路上测量的完整信号Vs来确定互感器的主电流。
优选地，部分电路的该对电终端设置在部分电路的两个角端其中之一处，去和返回绕组的每一个穿过部分电路的角范围，并且在另一角端电性地连接在一起。这种在部分电路一个角端的端子设置尤其对于两个相邻部分电路的端子可以使得并排设置，以便使用相同长度的两个相对较短的屏蔽电缆，用于连接两个电路到信号采集系统。已经发现，电缆相对较短和具有相同长度是很重要的，以便最小化干扰信号，干扰信号可能由邻近电流互感器的主导体中所传送的电流所引起的强电磁场在电缆中产生，以及保持它们降低至没有阻止0.1量级精确度的水平。
在本发明的电流互感器的一个优选实施例中，每个部分电路由平面或者弯曲的pcb实现，pcb在其两个表面的每一个上具有一序列金属轨道，在一个序列上的轨道通过穿过pcb的电镀通孔与另一序列上的轨道电性连接，以形成部分电路的绕组。
在本发明的电流互感器的另一个优选实施例中，每个部分电路的绕组的两个端子其中之一电性地连接到公用参考电势，而另一个端子电性地连接到采集系统的输入，采集系统提供包括至少一个具有反馈回路的运算方放大器的放大功能。优选地，采集系统的每个输入经由电阻器连接到运算放大器，选择该电阻器的电阻器，使得在采集系统的输出上测量的电压信号与互感器之次级电路的温度变化无关。
下面参考附图，更详细地描述本发明、它的特征以及优势。
图1是以使用pcb技术制作的平面环圆角形式的本发明电流互感器之部分电路的示意图图1a是放大的图1部分电路之第一角端的示意图；图1b是放大的图1部分电路之第二角端的示意图；图2是本发明的电流互感器的透视图，其中电流互感器包括通过结合四个部分电路形成的完整环形电路，四个部分电路形成具有交替表面的相同的圆角并且形成互感器的次级电路；图2a是部分电路示意图，该部分电路形成了构成图2所示完整电路的一个圆角；图2b是显示图2a的部分电路的一个角端的一个表面的示意图，显示了在所述表面上的一序列金属轨道；图2c是显示图2b的部分电路的角端的另一个表面的示意图，显示了在所述表面上的一序列金属轨道，显示了它的一序列金属轨道；图3是本发明的电流互感器的次级电路的示意性刨面图，包括相互平行设置的两个完整电路；图4是本发明的电流互感器的另一个次级电路的示意性刨面图；图5是本发明的电流互感器的另一个次级电路的示意性刨面图，由单个完整电路构成，其中每个部分电路包括两个叠置的pcb；图5a是图5所示的部分电路以及它的支撑体的示意性平面图；图6是本发明的电流互感器的透视图，包括完整的管状环形电路，其通过结合形成相同圆角的四个部分电路构成；图6a是形成构成图6的完整电路的圆角之一的部分电路的两个表面的示意图；图7是本发明的电流互感器的电路图，包括通过结合四个交错相同部分电路而构成的完整电路，以及还包括求和采集系统；图8是本发明的电流互感器的电路图，包括相互平行设置的两个完整电路，以及还包括具有两级放大的求和采集系统；以及、图9是本发明的电流互感器的示意图，应用于检测在三相线中任何可能的剩余电流。
具体实施例方式
在图1中，以使用pcb技术制成的平面环形圆角的形式示意性地显示了用于本发明的部分电路CBn。根据专利文件EP0573350，可以知道制作pcb Rogowski绕组之线圈匝的方法，其中允许设置在印制电路两个表面上的直线金属轨道被设置在半径上，该半径当延伸时，穿过环形圆角的中心O。在这种情况中，部分电路的角范围θn等于90°，使得通过在一个公共平面上相互结合四个相同部分电路从而构成Rogowski型互感器的次级导体而形成完整电路。下面，术语“次级电路”用于表示本发明的电流互感器的次级导体，尤其当使用pcb技术制作时。可以使用在其最大尺度为大约700mm长的矩形pcb，来制成占有大约500mm外半径的环形圆角的部分电路。
这样，在本例子中，通过正如专利EP0573350所描述的环形次级电路的圆角来形成部分电路CBn。但是，它并不是电性等于在上述现有技术中仅仅通过切割构成Rogowski线圈的印制电路所获得的圆角。正如在图1b所看到的，在第一角端E1n每个部分电路CBn具有构成单个连续绕组Cn之两个端部的一对相邻电端子T1n和T2n。覆盖部分电路之角范围的去绕组和返回绕组Cn0和Cn1在电路的第二角端E2n处电性地串联，使得在由终端T1n和T2n构成的两个端子之间线圈Cn是连续的。连续线所示的金属轨道形成在部分电路的一个表面，而虚线所示的轨道形成在电路的另一表面。
正如在图1a和图1b中所看到的，用于本发明的电流互感器的部分电路CBn的两个角端E1n和E2n没有包括任何用于连接另一个部分电路的电桥，因为部分电路CBn的绕组Cn与在360°上完整的电路的其它部分电路的绕组是无关的。如图1b所示，emf信号Vs(n)可以在端子之间测量，所述端子由每个部分电路的两个终端T1n和T2n构成。
为了简化图1a和图1b的图示，显示了去绕组和返回绕组Cn0和Cn1，好像连续的绕组由缠绕环的导线形成。但是，事实上，缠绕方法不适用于本发明的电流互感器的部分电路，即使它满足避免在去绕组和返回绕组之间跨接导线的需要。正如图1a所看到的，去绕组Cn0与返回绕组Cn1具有在相同方向上缠绕的线圈匝。更具体地，当去绕组CnO的线圈匝在对于观察者来说朝向图1a的右边转向的逆时针方向前进时，返回绕组Cn1对于同一观察者来说在顺时针方向前进。因此，缠绕方法不能实现在去绕组和返回绕组之间增加通量，以及必须使用另一方法，以做出部分电路的特定缠绕，用于本发明的电流互感器。例如，当使用pcb技术时，可以采用交错去线圈匝和返回线圈匝的缠绕方法，其被描述在专利文件EP0573350中，并参考该文件图2B所示的金属轨道的结构。
图2是显示通过结合四个部分电路所构成的完整环形电路的示意性透视图，这些部分电路本身使用pcb技术制作。完整电路构成了本发明电流互感器的次级电路，在这种情况中，互感器的次级导体由穿过环的轴Z的棒10构成，优选地，棒10垂直穿过环并且经过环的中线0。四个部分电路构成了具有交替表面A和B的多个相同圆角，其中多个相同圆角安装在共平面的环形框架15上，使得部分电路相邻的角端彼此保持在一起。设置具有弹性返回属性的扣件16，以将两个相邻的角端保持在一起。框架15的膨胀系数优选地等于pcb衬底的膨胀系数，以便避免在温度变化期间出现在两个相邻部分电路之间的松弛和过量压力。
这样，四个相同的部分电路CB1到CB4被组合在环形框架15上，完整的电路被保持在框架上，例如借助于从印制电路之外边缘穿过径向凸出的圆孔。然后，必须设置这些孔，使得以很小的间隙穿过相应的圆柱形螺栓，其中螺栓被固定在框架上，并且使用两个圆柱形螺栓就足以将部分电路安装在框架上。在由相同部分电路制成的完整环形电路的该实施例中，当从环的同一侧看时，两个相邻的部分电路具有交替的表面A和表面B，使得它们各自的两对端子并排设置。以下参考图8所示实施例来解释这种设置的优点。
在图2a中示意性地示出了图2所示完整电路CB的部分电路CB1。在这种情况中，在环形圆角的第一角端E11处，印制电路的两个端子T11和T21位于形成pcb的衬底的单层3的一个表面A上。所述两个端子隔开一距离，该距离通常为十分之几毫米，使得它们例如通过焊接分别连接到在采集系统中止的两条电缆，采集系统用于测量电路CB1的emf Vs(1)。优选地，所述两个端子由穿过板3厚度的电镀通孔构成，并且其构成了部分电路CB1之绕组的终端T11和T21。在这种方式下，用于上述电缆的焊接可以在电路的两个表面A和B任何一个上做出。特别地，在图2看得见的部分电路CB2设计成与电路CB1相同，但是对于测量电路的emf Vs(2)的两条电缆做在其表面B上。在这种方式下，来自部分电路的电缆对可以都设置在完整电路CB的同一侧，例如，图2可以看见的一侧上。
在图2b中，示意性地示出了图2a的部分电路CB的第二角端E21，显示了在该表面上的一序列金属轨道31。去绕组C10的轨道和返回绕组C11的轨道交错并且几乎相互平行，这样使得轨道密度尽可能高，从而赋予对于部分电路之绕组更高的灵敏度。所述第二角端E21的表面B以及它的一序列金属轨道32示意性地显示在图2c中。电镀通孔6在轨道的端部穿过电路的衬底，用作互连给定去绕组C10或者返回绕组C11的轨道，以便形成如专利文件0573350中所述的Rogowski绕组的线圈匝。
图3是次级电路的示意性刨面图，包括两个相互平行设置的完整电路。为了简化起见，仅仅示出了部分电路CBn和CBn+4。以与专利文件EP0573350所描述的相同的原理，并且参考该文件的图3，优选地，叠置多个Rogowski线圈，以便相应地倍增全部次级电路的灵敏度。在这种情况中，设置每个完整线圈，使得通过固定到环形框架15的棒保持在原位。环形金属屏蔽层17设置在两个线圈之间，并且用作支撑体，用于保证部分电路CBn+4是平面的。该屏蔽层以相对于由环形框架15形成的主支撑体形成电容器的方式工作，其中，在这种情况中，它由金属做成。两个叠置的金属框架15和17通过固定到框架15上的棒条以轴向对准的方式保持。这样，可以形成由pcb和金属屏蔽层17做成的Rogowski线圈之交替层的层叠。优选地，聚酯薄膜层可以设置在屏蔽层17的每个表面和保持压住该表面的完整线圈的印制电路之间。
图4是另一个次级电路的示意性刨面图，包括相互平行设置的两个完整电路。在这种情况中，除了移去电容性屏蔽之外，该次级电路电性等效于图3的次级电路。树脂或者一些其它绝缘材料层5设置在每个部分电路CBn和叠置在其上的部分电路CBn+4之间，使得每组叠置的部分电路形成两个pcb的层叠。分开两个pcb的绝缘层5的材料必须具有接近于或者等于pcb衬底的膨胀系数，以及优选地，它也具有将pcb结合在一起的功能。在图1种仅仅显示了一组，但是，应当理解，次级电路由设置在同一环形框架15上的四组叠置部分电路组成。
图5是本发明电流互感器的另一个次级电路的示意性刨面图，在这种情况中，它由单个完整线圈组成。完整线圈的每个部分电路包括两个叠置的印制电路圆角，它们被绝缘材料层5分开。在这种情况中，形成圆角的每个pcb以这种的方式蚀刻，即由pcb形成的绕组由单个去绕组或者返回绕组构成。例如，如果去绕组从由在圆角的一个角端处的终端T1n构成的端子开始蚀刻在pcb 3上，那么在相对角端进行电连接，以与蚀刻在板4上的返回绕组连接。必须设置返回绕组的轨道，使得线圈匝的绕组方向与去绕组的方向相同，以便去绕组和返回绕组的对应通量相加。返回绕组的端子T2n可以位于非常靠近端子T1n的位置，它们通过绝缘层5的厚度分开。优选地，该厚度被限定为十分之几毫米。
图5a是沿着虚线箭头所示方向看去部分电路的示意性平面图。以已经的方式，在板4的两个表面上蚀刻的两个轨道序列41和42通过穿过pcb厚度的电镀通孔来互连。这同样适用于板3的两个表面上蚀刻的两个轨道序列51和52。绝缘层的厚度优选地小于pcb 3或者4的厚度。
图6是特定结构的本发明的另一电流互感器的透视图。互感器的次级由完整的管状环形电路形成，所述完整的管状环形电路通过结合形成相等圆角的四个部分电路做成，该完整的电路固定到环形框架15上。这样，弯曲每个pcb，使得具有管状环之角部分的形状，所述管状环的对称轴基本上与互感器的主导体10的轴Z重合。正如从图6a所看到的，部分电路的表面A和B每一个的金属轨道平行于所述对称轴。部分电路的每个角端E1n或者E2n位于沿着形成电路的弯曲pcb的直线边缘的位置。
图7显示了本发明电流互感器的电路图。借助于例子，互感器对应于图2所示的互感器，并且它包括通过利用交替平面结合四个相等部分电路所做成的完整次级电路CB。互感器的次级电路电性连接到采集系统7，在这种情况中，采集系统7同时用作求和以及放大，并且为此目的，包括具有反馈回路的运算放大器8。对于每个部分电路CBn，绕组的两个端子T1n和T2n其中之一连接到公用参考电势G，而另一端子电性连接到采集系统的输入En。
例如，部分电路CB1的端子T11连接到地电势，而另一端子T12连接到采集系统7输入处的电阻R1。正如图中示意性示出的，每个部分电路CBn必须使得它的线圈匝在去路径和返回路径上分别以相同的方向缠绕，使得去绕组和返回绕组Cn0和Cn1之间具有相加的通量。例如，正如所看到的，在从端子C11到端子C12上，去绕组C10和返回绕组C11具有它们以相同方向缠绕的线圈匝，其中方向是逆时针。
优选地，以对于相邻部分电路的两个端子T1n+1和T2n+1交替的方式，部分电路的两个端子T1n和T2n分别接地和连接到采集系统7的输入E1到E4其中之一。
在这种方式下，部分电路的输出电压信号Vs(1)到Vs(4)由求和系统同相求和。避免这些信号以相位相反的方式求和是很重要的，因为在求和系统的输出端11处测量的电压信号Vs将基本上为零。因为部分电路利用它们成对交替的表面如图2所示结合在一起，所以在这种结构中，必须交替部分电路的端子与求和系统的输出之间连接极性。这样，电压信号的同相求和被应用到运算放大器8的反相输入9。
当电流互感器具有p个相互平行设置的完整电路时，图7电路所示的求和放大原理也被应用。参考图3和4，上面说明书了完整电路的这种设置。运算放大器8的输入9经由电阻器R1连接到构成p个完整电路的每个部分电路CBn的一个端子。如果，每个完整电路包括四个部分电路，则到求和系统具有4p个输入电阻器。
如下所述，假如采集系统的输入电阻器R1满足以下关系式书(9)，则采集系统7的输出处测量的信号Vs与温度变化无关。
正如上面所显示的，定义部分电路的灵敏度s，使得在部分电路的端子两端测量的emf信号Vs满足以下关系式(4)---vs=s.∂ip∂t]]>而且，在本身公知的以下关系式的应用中，部分电路的绕组的内部电阻r随部分电路的温度T线性地变化(5)r＝r0(1+β.δT)其中δT＝T-T0，其中β是对于构成绕组之材料的电阻律的温度系数，以及其中T0是参考温度。例如，如果材料是铜，则β为大约3900每摄氏温度百万分率(ppm/°c)。
类似地，部分电路的灵敏度s随衬底的温度T线性地变化，这是因为衬底的膨胀增加了部分电路的线圈匝的截面，所述截面与衬底的厚度成正比，这个关系式写作如下(6)s＝s0(1+αz.δT)其中α是在垂直于衬底表面的方向衬底的线性膨胀系数。在图2所示的实施例中，这个方向对应于轴z。根据所用的材料，系数αz通常40ppm/℃到60ppm/℃。
假如放大器是理想的，则运算放大器8的反相输入9处的电流是零，这样Kirchoff原理导致以下关系式Σn=1N[vs(n)r(n)+R1]+vsR2=0]]>其中N是部分电路的数目。考虑关系式(4)，获得以下关系式(7)---vs=-R2.Σn=1N[s(n).∂ip∂tr(n)+R1]]]>
因为N个部分电路被假定相同并在相同的温度T，所以可以假设绕组都具有相同的内部电阻r和相同的灵敏度s，在所述温度T，内部电阻r和灵敏度s分别满足(5)和(6)。这样，关系式(7)变为vs=-R2r0(1+β.δT)+R1.N.s.∂ip∂t]]>i.e.vs=-R2[(r0+R1)[1+r0.β.δTr0+R1]].N.s0.(1+α2.δT).∂ip∂t]]>或者(8)---vs=-R2r0+R1.s0.∂ip∂t.[1+αz.δT[1+r0.β.δTr0+R1]]]]>可以看到，如果值R1被选择使得满足关系式αz=β.r0r0+R1]]>即(9)---R1=r0(βαz-1)]]>则关系式(8)可以写为
(10)---vs=-R2r0+R1.s0.δipδt]]>这样，参考关系式(2)，求和采集系统7的总放大系数满足关系式(11)---K=-R2(r0+R1)]]>或者，代替R1作为关系式(9)的函数K=-R2αzr0β]]>在绝对项，电阻R1和R2不完全随温度变化是稳定的。但是实际上，首先，每个电阻的温度系数可以选择为很小(例如对于NiCr做的电阻小于5ppm/0C)，然后，作为温度函数的各个电阻R1和R2的微小变化一起发生并且在同一方向上，使得比率R2(r0+R1)]]>可以被认为对于温度是完全稳定的。这样，系数K以及所测量的信号Vs与温度变化无关。这样，信号Vs是由主导体10所承载的电流ip的非常准确的影像。
图8是本发明电流互感器的电路图，其中正如上述参考图3和4所解释的那样设置相互平行的两个完整电路。每个完整电路是上述参考图2所解释的那种完整电路。应当理解，所示的用于在互感器的次级电路和求和采集系统之间电连接的原理可以应用到大于2的p个完整电路中。求和采集系统7’包括两级放大。在这种情况中，第一放大级包括两个运算放大器8，每个处理部分电路的emf信号Vs(n)的一半。这样，第一放大级由两个相同的放大子组合71和72构成，每个放大子组合类似于图7所示的采集系统7的电路。在第一级中来自每个放大器7的输出连接到用于产生完整信号(Vs)的第二求和级，完整信号是主电流的影像。所述第二级包括具有反馈回路的运算放大器8’，用于放大由第一放大级所产生的信号总和。
所述采集系统7’的主要优势与电流互感器之部分电路的端子的位置相关联。不管完整电路的数目，获得两组直径相反的端子。例如，部分电路CB1、CB2、CB5、和CB6的端子相互靠近，形成第一组，而其余部分电路的端子形成直径相反的第二组。每组端子电性连接到放大子组合71或者72，以及如果每个子组合71或者72设置在它自己的端子组旁边时，构成总电缆的相同长度电缆的长度可以特别短。这样，可以实现每个电缆以及分配给端子组的每个放大子组合的有效屏蔽，而没有任何大的困难，使得分别在采集系统7’的输入E1到E4以及E5到E8的两组信号Vs(n)不受在相邻于电流互感器的主导体重流过的电流所产生的电磁场的干扰。
由第一放大级所产生的信号V71和V72满足以下关系式(12)---v71=-R2.Σn=3,4,7,8[s(n).∂ip∂t(r+R1)]]]>(13)---v72=-R2.Σn=1,2,5,6[s(n).∂ip∂t(r+R1)]]]>
完整信号Vs满足以下关系式vs=-R4R3.(v71+v72)=R2.R4R3(r+R1).[Σn=14s(n)+Σn=58s(n)].∂ip∂t]]>即(14)---vs=R2.R4R3(r+R1).2S.∂ip∂t]]>考虑到完整电路的灵敏度S和部分电路的内部电阻分别满足以下关系式-s＝s0(1+αz.δT)和r＝r0(1+αz.δT)所以可能选择R1，使得满足关系式(9)，从而来自采集系统7’的输出电压Vs与完整电路的温度T无关。
然后，关系式(14)变为vs=R2.R4R3(r0+R1).2S0.∂ip∂t]]>可以选择使得电阻R3和R4相同，从而第二放大级只对来自第一和第二级71和72的输出电压进行求和。然后，上述关系式写为(15)---vs=2R2r0+R1.S0.∂ip∂t]]>比较关系式(10)和(15)，清楚地显示了等效于并联的两个相同完整电路的灵敏度等于一个完整电路的灵敏度S0的两倍。另外，具有多个平行设置的完整电路的优势也在于能够增加用于采集系统之输出信号Vs的信噪比。用于p个相同完整电路的信噪比比用于单个完整电路的信噪比大p倍。
对于由本发明电流互感器的次级电路所提供的信号采集系统来说，使用运算放大器不是必需的。次级电路的每个部分电路的灵敏度足以获得在电阻R1两端之间满意的电压信号Vs(n)，其中电阻R1满足关系式(9)并且互连部分电路的两个相邻的点终端T1n和T2n。然后可以分别获得N个信号Vs(n)，以及每个可以被传送到求和系统(具有或者没有放大)，以便重新产生由N和部分电路形成的完整电路的次级信号。例如，在电阻R1两端之间的每个电压信号Vs(n)可以通过模数转换器获得，并且数字信号然后优选地被传送到求和系统，求和系统可以处于远离次级电路的位置。
可以省略图7所示的采集系统7’的第二放大/求和级中的运算放大器8’。模数转换器可以被提供在来自第一放大器级之两个放大组合71和72的每一个的输出处，以及两个数字信号然后例如优选地被传送到数字求和系统，用于重新产生信号Vs。
这样，本发明的电流互感器可以用于检测任何剩余电流。图9是互感器的示意图，其次级电路通过将三个部分电路组合在一起以便围绕三相线的三个主导体10A、10B和10C。然后部分电路CB1到CB3的三个输出电压Vs(1)到Vs(3)应当由采集系统同相求和，以便获得总的主电流影像ip，例如由在三个主导体中的三个电流的矢量和构成的剩余电流影像。在没有任何故障电流时，该矢量和为零，以及这样来自求和系统的输出产生基本上为零的电压信号。但是，在接地故障出现的情况下，矢量和不再为零，以及然后采集系统获得剩余电流的影像。虽然测量系统的精确度没有上述具有完整环形线圈的好，但是它可以毫无困难的满足，因为测量剩余误差通常用于触发保护动作。在这种情况下，没有必要具有0.1％量级的测量精确度。
权利要求
1.一种电流互感器，包括至少两个部分电路(CB1、CB2、...、CBn、...、CBN)，其中每一个部分电路包括一茹科夫斯基型绕组(C1、C2、...、Cn、...、CN)，所述部分电路的每一个都被做成完整电路(CB)之角部分的形式，所述完整电路在360°上环绕所述互感器的至少一个主导体(10、10A、10B、10C)，所述完整电路具有用于所述互感器的Rogowski型次级电路的功能，每一个部分电路(CBn)的绕组(Cn)由延伸在所述部分电路(CBn)之角范围(θn)上的去绕组(Cn0)和返回绕组(Cn1)构成，其特征在于对于每一个部分电路(CBn)，所述去绕组和返回绕组(Cn0、Cn1)是电性串联的，所述去绕组和返回绕组(Cn0、Cn1)都具有以相同方向缠绕的线圈匝，使得形成具有一对相邻电终端(T1n、T2n)的单个绕组(Cn)，所述绕组(Cn)的该对电终端(T1n、T2n)连接到用于产生完整信号(VS)的采集系统(7、7′)，其中所述完整信号(VS)是所述互感器之主电流(iP)的影像。
2.根据权利要求1的电流互感器，其中，部分电路(CBn)的一对电终端(T1n、T2n)设置在所述部分电路之两个角端(E1n、E2n)的其中之一处，所述去绕组和返回绕组(Cn0、Cn1)每一个都沿着所述部分电路(CBn)的所述角范围(θn)延伸，并且在所述部分电路的另一角端处被电性串联。
3.根据权利要求1或权利要求2的电流互感器，其中，每一个部分电路(CB1、CB2、...、CBN、)都被以平面或者弯曲pcb的形式做成，所述pcb在其两表面的每一个上都具有金属轨道序列(31、32)，一个序列(31)的轨道经由穿过所述Pcb的电镀通孔(6)电性连接到另一个序列(32)的轨道，以形成所述部分电路(CBn)的所述绕组(Cn)。
4.根据权利要求3的电流互感器，其中，所述pcb包括在金属轨道的两个序列(31、32)之间的具有恒定厚度的衬底层，每一个序列中的轨道的第一半用于所述去绕组(Cn0)，而另一半用于所述部分电路的返回绕组(Cn1)。
5.根据权利要求1或权利要求2的电流互感器，其中，每一个部分电路(CB1、CB2、...、CBN、)是由两个衬底板(3、4)做成的，每一个板都在其两表面的每一个上设置有金属轨道的一个序列(41、42；51、52)，在一个板上的一个序列(41、51)的轨道经由电镀通孔与相同板上另一序列(42；52)的轨道电性连接，以形成所述部分电路(CBn)的去绕组(Cn0)或者返回绕组(Cn1)。
6.根据权利要求4的电流互感器，其中，每一个部分电路(CB1、CB2、...、CBN)都是平面环之角部分的形式，以便形成完整的环形电路(CB)，以及pcb之金属轨道上的每一个序列(31、32)是由基本上沿半径直线延伸的轨道构成的，其中所述半径被延伸时穿过一轴(Z)，该轴(Z)在所述环的中心垂直于所述环。
7.根据权利要求4的电流传感器，其中，每一个Pcb是管状环之角部分的形式，所述管状环的对称轴与所述互感器之主导体的轴(Z)重合，以及其中，所述印制电路的金属轨道都平行于所述主导体的所述轴(Z)。
8.根据权利要求4的电流互感器，其中，所述完整电路设置在具有至少一个垂直穿过其中的所述互感器的主导体(10)的平面框架(15)上，以及其中，提供具有弹性返回特性的扣件(16)，用于使所述pcb的相邻角端相互靠紧。
9.根据权利要求6的电流互感器，结合权利要求2，其中，所述完整的环形电路(CB)由至少四个相同的部分电路(CB1、CB2、CB3、CB4、)组成，所述至少四个相同的部分电路在所述环之一侧上的表面(A、B)成对交替，使得第一部分电路之绕组的一对电终端(T1n、T2n)紧挨着所述两个部分电路中与所述第一部分电路相邻的一个部分电路的另一对电终端设置。
10.根据任意一个前述权利要求的电流互感器，其中，对于每一个部分电路(CBn)，所述绕组的两个电终端(T1n、T2n)中的一个被电性连接到公共参考电势(G)，而另一个终端电性连接到采集系统(7、7′)的输入端(En)，所述采集系统具有求和以及放大功能并且包括至少一个运算放大器(8)。
11.根据权利要求10的电流互感器，其中，所述部分电路(CBn)是相同的，并且所述采集系统(7、7′)的每一个输入端(En)经由电阻为R1的电阻器连接到所述运算放大器(8)的输入端(9)，选择所述R1以满足以下关系式R1=r0(βαz-1)]]>其中，αz是由所述绕组(Cn)形成的Rogowski线圈之灵敏度(Sn)的温度系数，β是构成所述部分电路(CBn)之绕组(Cn)的材料的电阻率的温度系数，以及r0是所述绕组(Cn)在给定参考温度(T0)下的内部电阻；在这种方式下，来自所述完整电路(CB)并且经由所述采集系统(7、7′)放大的信号与所述互感器的温度(T)变化无关。
12.根据权利要求10或权利要求11的电流互感器，其中，由所述部分电路输出的电压信号(VS(n))通过所述采集系统(7、7′)被同相求和。
13.根据任何一个前述权利要求的电流互感器，其特征在于它包括多个(P)互相平行设置的完整电路(CB)。
14.根据权利要求13的电流互感器，结合权利要求11或权利要求12，其中，所述采集系统(7)包括具有一运算放大器(8)的放大器电路，所述运算放大器的一个输入端(9)连接到构成所述完整电路(CB)的每一个部分电路(CBn)。
15.根据权利要求13的电流传感器，结合权利要求11或权利要求12，其中，所述采集系统(7′)包括具有至少两个运算放大器(8)的第一放大级(71、72)，所述第一级的每一个放大器(8)的输出端连接到用于产生所述完整信号(VS)的求和第二级。
16.根据权利要求15的电流互感器，其中，所述求和第二级包括具有反馈回路的运算放大器(8′)，用于对由所述第一放大级产生的信号和进行放大。
全文摘要
本发明公开了一种电流互感器，包括至少两个部分电路(CB
文档编号G01R15/00GK1783372SQ200510068779
公开日2006年6月7日 申请日期2005年5月10日 优先权日2004年5月10日
发明者让-皮埃尔·迪普拉, 利昂内尔·吕科, 奥利维耶·许尼奥德, 贝尔纳·雷尼耶 申请人:阿雷瓦T&D股份公司