專利名稱：電流傳感的方法及裝置的制作方法
本申請是一九八七年十二月七日遞交的序號為129，160的“故障探測”申請的部分繼續申請。該申請的內容在此涉及。
本發明涉及電流傳感，特別是涉及高電感區域的電流傳感，在那里電流很大，需要檢測到微小的電流變化。
我們知道把檢測磁場變化作為電流測量指示的不同電流定位器。這些探測器包括位于磁疊片附近具有霍爾效應原理的磁傳感器。裝置通常被夾緊在一個或一個以上的導體周圍，且導體附近的磁場變化由磁疊片傳遞的霍爾效應裝置檢測。這些變化被轉換成電流的大小。裝置通常的形式為兩個半園形的部份。它的開閉在一公共的節點附近，因此它能夠配合周圍的導體。一閉鎖裝置或彈簧裝置將疊片構成的元件卡緊在導體周圍。霍爾效應裝置位于一個半園部份的磁疊片所形成的縫隙中。因此在早期的裝置中，其鐵磁感應器的磁通路上至少存在有三處斷路。這就限制了裝置的磁效應，因此也限制了裝置的電流感應能力和靈敏度。
在另外一種有名的磁定位器中，磁芯是由磁帶狀的疊片構成，磁性材料的帶狀物設置成環繞導體的園形，其方式使得兩端彼此連接。疊片為具有剛性的單組材料且永久地處于環繞的導體之中。磁感應線圈位于疊片之上。預加應力于疊片上，因此存在有結合力以維持接合的端部具有一最小的磁阻。在帶狀芯片中形成縫隙，以形成飽和區用以限制由磁芯引起的磁通量。此外，裝置對高飽和條件敏感，因此，裝置的磁材料具有低的導磁率。
在早期申請的傳感裝置中，磁帶狀物體或疊片的結構具有堅固的特性。因此，不能調整電流傳感裝置以適應相對于放置其周圍的導體結構的最佳磁結構。此外，早期的裝置不包括用于強電感區確定電流靈敏度的裝置，在這些地方具有大的電流且需要克服不必要的鄰近電磁場的影響。因此，有必要提供克服這些困難的電流傳感裝置。
特別是對測量微弱故障電流的需要不斷增長，例如在電力系統中，有很高的電流產生并且可能發生象轉子或與發電機相關聯的勵磁機的微小對地故障的可能性。如此微小的故障電流需要早期并且在其值很低時被發現;以防止整個發電機組的不必要的和損失很大的斷路。
提供確定故障是在發電系統的發電機側或勵磁機側也是需要的。能探測到故障在勵磁機側，則可更容易和損失小地切斷勵磁機而非發電機轉子。相應地就需要有用于發電機故障系統中的地電流定位器，它能夠確定故障位于定位器的哪一側。
在專利申請129，160中，敘述了以高度靈敏的方式檢測故障電流的技術。借助于同步信號和來自于電路的雜散電容的散布，就可感應出小的故障電流。該系統可用在本發明的轉子系統中對地故障電流的檢測。
本發明提供了對在較大電流系統中靈敏電流的探測的裝置和方法。也提供了用屏蔽將電流傳感裝置與不良電磁效應相隔離的系統。
根據本發明，電流傳感裝置致少由二組磁性材料的疊片構成和使兩組疊片之間磁分隔的方法。疊片為具有柔性的材料以適應于纏繞導體。一組疊片較之另一組疊片更靠近導體。柔性材料具有相對的懸空端，當懸空端放置在導體附近支座上時，磁感應器位于一組疊片的相對懸空端之間。提供鎖定的方式以固定支座上疊片的懸空端。
本發明的最佳方案包括三組疊片，分別為用于磁感應的中央或第一組，磁屏蔽的外組和磁過濾或緩沖的內組。借助于內磁組，裝置可在更大的半徑范圍內調整相對于導體的位置，而不影響由第一疊片組的測量疊片所感應出的磁場強度。
對磁組進行磁隔離的方式是由適當的塑料形成的，用電絕緣的塑料材料環繞內組和外組，其寬度超過疊片的寬度。
又依據本發明，電流傳感裝置用于感應數值低于10毫安的轉子對地故障電流，此處的轉子電流約為1000安培。
本發明的進一步說明可參見附圖。
圖1是表示電流感應裝置在電路中的位置及其與轉子對地故障位置關系的基本電路圖。
圖2為簡化的電路框圖，它表示了傳感系統的一些元件。
圖3是電流傳感裝置一端所示的情況，剖面表示了部分固定方式。
圖4是用剖面表示的固定方式的局部側示圖。
圖5是電流傳感裝置的疊片組的視圖。
圖1是表示交流發電機勵磁電路的典型圖。導線10和11為用來輸送90-460V直流電到負載13的匯流條，電纜或電線，負載13代表電刷部件和用負載表示的交流發電機勵磁器的轉子的直流電路。直流電源來自直流電源勵磁發電機。
匯流條10和11為園導體，或一對園導體，或為長方形導體。長方形導體用銅制成，尺寸約為12.5厘米乘2.5厘米，根據所傳送的電流大小的不同，兩導體之間的距離從十幾厘米到40厘米不等或更大。由于園導體的體積很大，因此電感裝置14的一組疊片的內徑約為12.5厘米，所以導體可置于電流傳感裝置14內。
當加大匯流條10和11之間的距離時，磁性材料的疊片組的周長要延長至兩組導體的長度。電流傳感裝置14的外形就不可能成為環繞導體的園形。因此，根據在其中感應電流的導體的類別，裝置14的柔韌性允許這一變化。
在某些情況下，電流傳感裝置14僅環繞匯流條10或11中的一個。這時，電流傳感系統需附加一線圈以模擬流過相對的或反向的匯流條的電流。
電流傳感裝置14實際上與定位器15相連以測出兩匯流條10和11之間的電流差。定位器15包括可選擇聯接到匯流條10和11的電阻網絡，這基本上與在申請號為129，160的專利申請中詳述的切換系統一致，那個申請的內容和采用的技術在說明定位器15確定直流轉子對地故障位置的方式這一點上是一致的。
匯流條10和11傳送1000安培或更大的負載電流，因此產生具有很高電感的強磁場。定位器15通過一斷路器周期性地與地16聯接，因此通過匯流條10和11之間的定位器15中的電阻網絡使匯流條10和11周期性地依次與地16聯接。
定位器15包括同步系統，因此該系統采用了同步信號。因此，當在匯流條10和11中存在有穩定狀態的對地故障電流脈沖時，用于與地18相連的電阻17表示的對地故障的故障電流可被測出。
定位器15也產生副同步信號19，該信號與起動精度約在5毫安以下的人工對地故障電流的外部直流電源20相聯接。如圖所示，對地故障電流通過導線120與匯流條11相連。借助于定位器15中的切換系統，外部直流電源20可交替與匯流條10相連。按此方式，定位器15可確定故障是在轉子電路的負匯流條11上還是在正匯流條10上。即使象圖1那樣分開表示，在某些情況下，外部直流電源20是定位器15的一部份。當勵磁電路不工作時，外部直流電源20用于檢測勵磁器直流電路的故障，即外部直流電源20施加一人為的直流電源以確定電路中對地故障的位置。傳感裝置14測出的故障電流沿導線21傳送給故障定位器15。
定位器15與匯流條10在端子22相連接，與匯流條11在端子23相連接。這是在電源12和電流傳感裝置14之間。類似地，定位器15可連接于傳感裝置14和負載13之間。定位器15的切換能夠造成在電源12和傳感裝置14之間或傳感裝置14和負載13之間的交替連接，因此，帶有定位器15的傳感裝置14能確定故障位于直流電源12，定位器15和負載13之間。因此，如圖1所示，傳感裝置14可確定故障位于定位器15和負載13之間。如將定位器15接于感應裝置14和負載13之間，那么傳感裝置14將確定故障位于電源12和傳感裝置14之間。14和15與電路及負載13和電源12的相互連接關系可選擇通過電子的或手動的切換。
圖2更為詳細地表示了圖1中的對地故障檢測器。自動選擇電路24檢測在匯流條10和11的配電系統上的任何不平衡，選擇電阻25或26中的一個與斷路繼電器27的輸入端交替聯接，以及從斷路繼電器27到與地16相連的功能開關28的交替聯接。傳感裝置14也在圖上示出，且傳感裝置14的輸出端連接到圖2中故障定位器15的輸入電路。振蕩器29與繼電器30相連，這就觸發了與斷路繼電器27相連的斷路電子電路31。振蕩電路29也直接與用于斷路器和判決定時運行的斷路電子電路31相連。電路圖中也表示了雜散電容32和33，盡管這在與直流轉子對地故障檢測的高電壓電路中不是主要因素。圖2中略去了圖1中的外部直流電源20，同步信號線和其它與直流電源有關的導線。
圖3表示了電流傳感裝置14。34，35和36分別為3組磁疊片。34為疊片的外組，35為中央一組，36是內二組。疊片組34保護內組35以防止外部電磁輻射。中央疊片35為磁測量疊片。內部磁屏蔽36提供磁場變化的緩沖和濾除，磁場變化可能發生在傳感裝置14的疊片內或直徑內。例如，這可能由于通過位于電流傳感裝置14的中央疊片44內的匯流條或導線10和11的電流變化引起。疊片34，35和36具有一厚度，標號為100，它小于標號為101的寬度。一般說來，寬度101要對準信號線10和11的縱軸。
固定裝置42包括壓縮彈簧45并且環繞鑼栓47的鑼釘46。當鑼栓47向固定裝置42的元件48的方向按壓且順時針或逆時針方向轉動時，則給予固定裝置14鎖定的特性。鑼栓47安裝在固定裝置42的元件49上。連接器或電子元件50安放在元件48上并在中央疊片35的相鄰端40和41之間與場效應裝置43相連接。來自電子器件50的四根導線從場效應裝置43獲取信號以在感應和定位電路的剩余部份內進行處理。
磁組疊片34，35和36為具有高導磁率的材料，采用精煉并且特殊處理超導磁合金-鎳鐵合金。材料的導磁率很高，在60，000至100，000之間，因此磁耗很低。
內部疊片組36提供了對來自匯流導體10和11的磁場的緩沖。當感應裝置14旋轉大約10°時，由于負載電流的作用，在場效應裝置43上所感應的磁信號略有差異。因此，36有效地作為傳感裝置14的濾磁組。在34組，35組和36組之間有電絕緣材料，它用作34、35和36的磁分隔。絕緣材料39環繞34和36的外層。電絕緣材料39和墊圈37，38超出了34，35和36的寬度101。
34，35和36的疊片材料的形式為帶狀，因此導線10和11可靈活地環繞裝置14。所以，無論導體10和11為園型或長方形，鐵心片均能以靈活的方式達到對通過高電流的導體10和11具有高靈敏度的最有效位置。故障電流靈敏度小于100毫安，實際上當通過導體10和11的負載電流為1000安或更高時，故障電流靈敏度低至10毫安。
霍爾效應裝置43由環氧樹脂固定在中央第一鐵心片組35的懸空端40和41之間的支座的插入位置。因此，如果場效應裝置43發生任何故障，可很容易地將該裝置取下并置換。除了單獨部份外，疊片組34，35和36為一整體或在第一組35的支座端40和41以及外組34和內組36的相同支點上斷開。這將磁泄漏減至最小。鎖定效果保證了疊片片相鄰端處于緊而平滑的位置。
利用本發明的裝置，借助于有效地將電流傳感裝置14連接在圖1和圖2的電路中，可確定發電系統在開機，關機，停機和運行條件下的故障電流。用于檢測的信號是故障信號，由間歇脈沖直流產生。
所述的發明涉及一種特殊的典型的具體設備。也有許多其它的發明形式，每一種在細節上略有不同。例如，磁疊片組的數量不只是2、3組，而是更多組，如5組。這意味著增加內部疊片組以限制負載電流的不良影響，并選放在適當的位置以增加內部的屏蔽。對場效應裝置43，實際上可將其至少部份地圍繞使在相鄰端40和41之間受到保護。除園形感應器外，也有特殊用于長方形匯流條的長方形結構。應該認為本發明應由下面的權利要求所限定。
權利要求
1.一種電流傳感裝置，至少包括兩組磁性材料的疊片，對疊片組進行分隔的裝置，疊片圍繞電導體定位，第二疊片組比第一疊片組更靠近導體，疊片具有相對的懸空端，當懸空端鄰近放置時，磁感應器的位置靠近第一組疊片，以及固定相鄰疊片組懸空端的裝置。
2.如權利要求1所述的裝置，其中一組疊片由具有一定厚度和寬度，其厚度遠小于寬度，寬度與電導體的縱軸大致成一直線的長條形的磁性材料構成。
3.如權利要求2所述的裝置，其中第二組疊片在結構上與第一組磁疊片類似，第二組位于第一組內并作為來自第一組疊片的導體產生的磁場的濾除器。
4.如權利要求3所述的裝置，包括第三組疊片，第三組疊片位于第一組疊片之外，并作為屏蔽外來的指向第一疊片組的磁場。
5.如權利要求4所述的裝置，其中第三組疊片在結構上類似于第一組疊片。
6.如權利要求5所述的裝置，包括對第一和第三疊片組進行磁分隔的裝置。
7.如權利要求6所述的裝置，包括環繞第二和第三疊片組外層的電絕緣材料。
8.如權利要求7所述的裝置，其中磁感應器為對第一組疊片橫向旋轉的場效應裝置。
9.如權利要求8所述的裝置，其中疊片材料為柔性材料，以符合電導體形狀的要求。
10.如權利要求9所述的裝置，其中磁性材料具有比較高的導磁率。
11.如權利要求10所述的裝置，具有在載有高于幾百安培電流的導體上探測低于100毫安電流變化的靈敏度。
12.如權利要求11所述的裝置，其中感應電流約低于10毫安，而導體中的電流至少約為1000安培。
13.如權利要求12所述的裝置，其中固定疊片懸空端的方式為可釋放的鎖定。
14.如權利要求13所述的裝置，其中可釋放的閉鎖器包括一彈簧抵壓的連接鎖。
15.如權利要求14所述的裝置，其中在操作位置上，疊片的懸空端緊貼支座，并且每一組疊片懸空端之間的部分為一整體。
16.如權利要求15所述的裝置，其中電絕緣的寬度超過疊片的寬度。
17.如權利要求16所述的裝置，包括環繞疊片外層的電絕緣材料。
18.如權利要求1所述的裝置，其中磁感應器為位于第一組疊片相對懸空端之間的場效應裝置。
19.如權利要求18所述的裝置，其中場效應裝置插入疊片的一個懸空端內。
20.一種電流傳感裝置，至少包括三組磁性材料的疊片，磁性分隔疊片組的裝置，疊片可靈活的環繞一對電導體，因此第二疊片組比第一疊片組更靠近導體，第三組疊片位于第一組疊片外側，疊片具有相對的懸空端，當懸空端位于環繞導體的支座上時，磁感應器的位置在第一組疊片的相對的懸空端之間，以及以鄰近的方式固定疊片組懸空端的裝置。
21.如權利要求12所述的裝置，其中固定疊片懸空端的方式為包括彈簧抵壓連接鎖的可釋放的鎖定器。
22.一種確定發電系統轉子故障電流的裝置，包括至少三組磁性材料疊片組的電流傳感裝置，磁性分隔疊片組的裝置，疊片組環繞一對電導體，因此第二疊片組比第一疊片組更靠近導體，第三組疊片位于第一組疊片的外側，疊片具有相對的懸空端，當懸空端相鄰并環繞導體時，磁感應器的位置在第一疊片組的相對的懸空端之間，固定相鄰疊片組懸空端的裝置，以及將來自導體的感應磁場變化轉換以提供對地故障電流指示的裝置。
23.如權利要求22所述的裝置，其中磁感應器為橫放于第一疊片組的場效應裝置，疊片具有柔韌性，籍此來適應導體形狀的要求，并且磁性材料具有高的導磁率。
24.如權利要求23所述的裝置，其中定位器在電路中的位置可選擇地聯接在系統的直流電源和感應器之間，或感應器和系統負載之間，因此使故障位置的顯示成為可能。
25.如權利要求24所述的裝置，其中定位器的位置可通過一電阻選接在直流系統的正極或負極側。
26.如權利要求25所述的裝置，包括在直流系統中斷時驅動定位器的一個獨立電源。
27.一種電流傳感方法，包括至少將彼此磁分隔開的兩組磁性材料的疊片組環繞導體定位，以使得第二組疊片較之第一組疊片更靠近導體，當疊片的懸空端相鄰放置并環繞導體時，可感應出第一組疊片相鄰懸空端間的磁場變化，以及固定疊片組懸空端以處于相鄰狀態。
28.如權利要求27所述的方法，包含環繞導體定位的第三個磁分隔的疊片組作為對指向第一疊片組的外界磁場的磁屏蔽，第一疊片組用作磁感應，第二組用作磁過濾。
29.如權利要求28所述的方法，具有在載有超過數百安培電流的導體上探測電流變化小于100毫安的靈敏度。
30.如權利要求29所述的方法，包括固定疊片組的懸空端，使之可釋放地鎖定。
全文摘要
特別用于強電感場中轉子對地故障檢測的電流傳感裝置。它能夠感應并判斷出當導體中負載電流為1000安培以上時的微弱故障電流的位置。磁性材料疊片具有柔韌性，可理想地圍繞導體定位以最靈敏地感應信號并將電磁輻射的影響減至最小。電流感應器由三組疊片構成，它們分別是用于磁感應的中央疊片組，用于濾除磁場的內部疊片組和用于磁屏蔽的外部疊片組。在每個疊片組之間存在有磁分隔。電絕緣材料環繞內、外疊片組。
文檔編號G01R27/18GK1043571SQ8910884
公開日1990年7月4日 申請日期1989年11月29日 優先權日1988年11月29日
發明者胡安·P·洛佩特倫, 奧利弗·瓦爾德斯 申請人:南加利福尼亞愛迪生公司