УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, ПРОТЕКАЮЩЕГО В БЛОКЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ, ПОЗВОЛЯЮЩЕЕ ОСУЩЕСТВЛЯТЬ ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ И БЛОК ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ, СОДЕРЖАЩИЙ ДАННОЕ УСТРОЙСТВО
DEVICE FOR MEASURING ELECTRIC CURRENT FLOWING IN UNIT OF ELECTRICAL EQUIPMENT, ENABLING MEASUREMENT OF POWER AND UNIT OF ELECTRICAL EQUIPMENT, INCLUDING SAID DEVICE

Область техники
Изобретение относится к устройству для измерения, по меньшей мере, одной электрической величины, содержащей электрический ток, протекающий в блоке электрооборудования, причем блок оборудования размещается в корпусе, выполненном с возможностью установки на монтажной опоре, и к блоку электрооборудования, содержащему одно такое устройство.
Предшествующий уровень техники
Известны устройства электрической защиты, содержащие устройства измерения мощности, встроенные в корпуса упомянутых устройств. В таких устройствах измерение тока и напряжения осуществляется инвазивным способом, поскольку измерительное средство расположено внутри устройств.
Краткое изложение существа изобретения
Изобретение решает данную проблему и предлагает устройство для измерения тока и напряжения, которое имеет простую конструкцию, выполненную с возможностью соединения со стандартным устройством электрической защиты, установленным на монтажной опоре, например, типа «DIN рейки», причем устройство выполнено в доступном объеме, уменьшенном по ширине до ширины блока защиты, при этом удовлетворяя требованиям точности измерения класса 2, при этом измерение тока осуществляется неинвазивным способом без обычного прямого доступа электрических проводов, подключенных к клеммам предохраняемого или ограничиваемого блока оборудования, и без добавления любых подключений, а также устройство электрической защиты, содержащее одно такое устройство.
С этой целью одной задачей изобретения является обеспечение устройства для измерения, по меньшей мере, одной электрической величины, содержащей электрический ток, протекающий в блоке электрооборудования, причем устройство размещено в корпусе, выполненном с возможностью установки на монтажной опоре, причем данное устройство отличается тем, что оно содержит некоторое количество сквозных отверстий, образующих клеммы, ограниченные посредством части, изготовленной из изолирующего материала, причем данное количество соответствует количеству фаз блока оборудования, причем каждое из отверстий, образующих клеммы, выполнено с возможностью пропускания проводника, причем проводники выполнены с возможностью электрического подключения через один из своих концов соответственно к контактным полоскам клемм блока оборудования, называемого первым блоком, и через их противоположный конец к электрическим контактным полоскам устройства, расположенного на стороне нагрузки или на стороне линии от первого блока оборудования и, по меньшей мере, для одной из клемм устройства, магнитный сердечник, по меньшей мере, частично окружающий клемму и содержащий, по меньшей мере, один воздушный зазор, вокруг которого, между двумя концевыми участками магнитного сердечника, ограничивающими воздушный зазор, намотана, по меньшей мере, одна измерительная катушка, называемая вторичной катушкой, причем катушка(и) выдает сигнал, характеризующий ток, протекающий в устройстве.
В соответствии с частным признаком вышеупомянутая часть(и), ограничивающая сквозное отверстие, имеет С-образное поперечное сечение.
В соответствии с частным признаком вышеупомянутый магнитный сердечник содержит две С-образных детали, разделенные двумя воздушными зазорами, причем вокруг каждого из двух воздушных зазоров расположена вторичная измерительная катушка, причем катушки подключены последовательно и выдают сигнал, характеризующий ток, протекающий в устройстве.
В соответствии с другим признаком вышеупомянутые магнитные С-образные детали выполнены с использованием вытянутой проволоки круглого сечения диаметром примерно 1 мм.
В соответствии с другим признаком магнитные С-образные детали изготовлены из FeSi или FeNi.
В соответствии с другим признаком магнитные С-образные детали изготовлены посредством пакетирования некоторого количества слоев нанокристаллического материала.
В соответствии с другим признаком магнитный сердечник образован посредством С-образной детали, содержащей две концевые части, разделенные воздушным зазором, между которыми расположена вторичная катушка для измерения тока, протекающего в блоке оборудования.
В соответствии с другим признаком магнитный сердечник состоит из трех ветвей, сваренных друг с другом, причем данные три ветви образованы посредством пакетирования металлических пластин.
В соответствии с другим признаком ветви С-образной детали изготовлены из ориентированного зернистого 3% FeSi.
В соответствии с другим признаком вышеупомянутый магнитный сердечник состоит из двух отдельных I-образных деталей, образующих два воздушных зазора между ними на их концах, причем каждая из I-образных деталей выполнена с возможностью направления магнитного потока, причем каждый воздушный зазор образован посредством двух противостоящих концевых частей двух I-образных деталей, причем каждый воздушный зазор принимает вторичную измерительную катушку, установленную между двумя расположенными напротив концевыми частями, соответственно принадлежащими двум I-образным деталям.
В соответствии с другим признаком каждая из I-образных деталей образована посредством пакетирования металлических пластин, изготовленных из ориентированного зернистого 3% FeSi.
В соответствии с другим признаком конец участков I-образных деталей перекрывает катушки для того, чтобы минимизировать возможное влияние внешних магнитных полей.
В соответствии с другим признаком данное устройство установлено внутри корпуса, называемого первым корпусом, выполненного с возможностью прикрепления с возможностью удаления к корпусу, называемому вторым корпусом блока оборудования.
В соответствии с другим признаком вышеупомянутый корпус, называемый первым корпусом, содержит два штыря, выступающие от внешней поверхности корпуса, причем штыри выполнены, с одной стороны, с возможностью осуществления отвода напряжения на контактных полосках клемм блока оборудования через один из своих концов, называемых первым концом, а с другой стороны, с возможностью осуществления закрепления корпуса, называемого первым корпусом, относительно корпуса, называемого вторым корпусом, причем штыри электрически подключены через их противоположный конец к средству измерения напряжения.
В соответствии с другим признаком штыри электрически подключены к печатной плате, содержащей вышеупомянутое средство измерения напряжения.
В соответствии с другим признаком, по меньшей мере, часть элементов, расположенных внутри корпуса, называемого первым корпусом, покрыта смолой с высокой диэлектрической прочностью, позволяющей уменьшить промежутки внутри корпуса.
В соответствии с другим признаком устройство представляет собой модульное устройство электрической защиты, выполненное с возможностью установки на опорной рейке.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение устройства электрической защиты, содержащего измерительное устройство, содержащее вышеупомянутые признаки, взятые либо в отдельности, либо в сочетании.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи.
Фиг.1 изображает общий вид, измерительного устройства, готового для установки на блоке оборудования.
Фиг.2 изображает вид, аналогичный предыдущему чертежу, показывающий некоторые элементы внутренних частей устройства.
Фиг.3 изображает общий вид, показывающий внутренние части устройства более подробно посредством прозрачности стенок.
Фиг.4 изображает вид, аналогичный фиг.3, показывающий покрытие внутренних частей устройства в соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения.
Фиг.5 изображает общий вид части устройства, показывающий только внутренние части, показанные на фиг.2 и 4.
Фиг.6 изображает общий вид части устройства, показывающий нижнюю часть корпуса устройства в соответствии с изобретением, содержащую две клеммы или два сквозных отверстия, одно из которых содержит датчик тока.
Фиг.7 изображает вид части устройства, показывающий только датчик тока, содержащий сердечник и две катушки.
Фиг.8 изображает вид части устройства, показывающий катушку и ее выходные проводники.
Фиг.9-11 изображают три разных варианта осуществления датчика тока в соответствии с изобретением в общем виде.
Фиг.12 изображает вид, аналогичный фиг.9, показывающий воздушный зазор посредством прозрачности катушки.
Фиг.13 и 14 изображают общие виды части устройства, показывающие внутренние части блока электрооборудования, содержащего измерительное устройство в соответствии с изобретением, соответственно в положении, в котором проводник еще не вставлен в устройство, и в положении, в котором проводник уже вставлен в устройство.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг.1-4, показано устройство D для измерения тока и напряжения в соответствии с изобретением, выполненное с возможностью соединения с блоком электрооборудования для того, чтобы измерять ток и напряжение в упомянутом блоке оборудования. Данное устройство размещается в корпусе 1, имеющем, по существу, форму параллелепипеда с шириной, по существу, равной ширине устройства защиты, и высотой, позволяющей ему помещаться между двумя линиями блоков оборудования, установленными и соединенными проводами в электрическом шкафу на рейках, разделенных стандартной высотой, причем корпус 1 содержит два сквозных отверстия, образующих клеммы 2, 3, прочно прикрепленные к нижней стенке корпуса, причем клеммы расположены напротив двух отверстий 5, предусмотренных в нижней стенке корпуса, причем отверстия 5 выполнены с возможностью пропускания соответственно двух проводников (не показанных), причем электрические проводники выполнены с возможностью электрического подключения контактных полосок блока оборудования к клеммам устройства (не показанного), расположенного на стороне нагрузки или на стороне линии. Как специально показано на фиг.1-8 и 11, данное измерительное устройство содержит датчик, причем в данном конкретном показанном варианте осуществления упомянутый датчик образован посредством магнитного сердечника 8 (фиг.2), состоящего из двух I-образных деталей 9, 10, разделенных некоторым расстоянием, соответствующим длине двух частей опор 12 двух катушек 13, 14, каждая соответственно установленная между двумя противостоящими концами двух I-образных деталей. Данные вторичные катушки вставлены между металлическими пластинами предпочтительно около концов участков I-образных деталей. Измерение посредством катушки осуществляется в воздухе на уровне воздушных зазоров. Концы участков I-образных деталей перекрывают катушки на большую длину, чем минимальная, требующаяся для размещения катушек на концах участков I-образных деталей, для того, чтобы минимизировать возможное влияние внешних магнитных полей, которое может помешать измерениям. Необходимо отметить, что величина перекрытия предпочтительно по длине должна быть равна ширине магнитной цепи. Данные перекрытия выполняют функцию магнитных экранов от внешнего магнитного излучения по отношению к излучению проводника, проходящего через датчик. Данные I-образные детали представляют собой металлические пластины, которые выполняют функцию направления магнитного потока в воздушные зазоры, необходимые для измерения тока, чтобы обеспечить линейное отношение между измеряемым током и его отображением на выходе из катушки от малого значения измеряемого тока до высокого значения, в диапазоне измерения от примерно 100 мА до 400 А или даже 4000 А. Это позволяет катушкам размещаться в участках корпуса, имеющих достаточный объем для обеспечения их размещения. При этом расстояние между перегородками двух отверстий, проходящих через корпус, равно, по существу, всего 1 мм. В случае варианта осуществления, содержащего катушку с воздушным сердечником, окружить отверстие катушкой невозможно, поскольку расстояние, которое разделяет две клеммы устройства защиты, слишком мало. Каждая I-образная деталь образована посредством пакетирования металлических пластин (например, трех пластин толщиной 0,3 мм), или посредством одной большой металлической пластины или одной пластины, изготовленной из спеченного материала. Данный материал представляет собой предпочтительно ориентированный зернистый 3% FeSi. В данном варианте осуществления данный датчик практически нечувствителен к внешним возмущениям за счет металлических пластин и их перекрытия. Благодаря двум катушкам данный датчик также нечувствителен к расположению первичного кабеля. Толщина I-образных деталей равна примерно 1 мм.
В соответствии с другим вариантом осуществления датчика тока, показанного на фиг.9 и 12, датчик состоит из двух частей. Первая часть содержит магнитный сердечник 15, состоящий из двух С-образных деталей 16, 17, разделенных двумя воздушными зазорами. Вторая часть содержит две измерительные катушки 18, 19, размещенные вокруг воздушных зазоров, причем катушки подключены последовательно и выдают полученный сигнал, который является отображением первичного тока.
Для того чтобы соответствовать геометрическим требованиям, магнитные С-образные детали 16, 17 могут быть изготовлены с использованием вытянутой проволоки круглого сечения диаметром 1 мм или любой другой формы, при этом пригодным материалом является FeSi или FeNi. Для того чтобы улучшить линейность датчика, магнитные С-образные детали могут быть выполнены из нанокристаллических материалов посредством пакетирования некоторого количества слоев нанокристаллического материала, имеющих очень малую толщину. Данный вариант осуществления обеспечивает большую выгоду благодаря наличию материала под катушками и является нечувствительным к расположению первичного кабеля благодаря наличию двух катушек.
В соответствии с другим вариантом осуществления, показанным на фиг.10, данный датчик содержит С-образный магнитный сердечник 20, состоящий из трех ветвей 20а, 20b, 20с, сваренных друг с другом, причем сами данные три ветви образованы посредством пакетирования металлических пластин (например, трех пластин толщиной 0,3 мм), причем пригодным материалом может быть ориентированный зернистый 3% FeSi. Толщина ветвей С-образного сердечника равна примерно 1 мм. В данном случае необходима одна катушка 21 и, так же, как в вышеописанных случаях, вторичную катушку 21 устанавливают на конце ветви С-образного сердечника 20 с воздушным зазором, который является по возможности малым, причем концы участков С-образного сердечника должны перекрывать катушку 20, чтобы минимизировать возможное влияние внешних магнитных полей.
Как показано на фиг.1-5 и 13, 14, устройство в соответствии с изобретением также содержит два штыря 22, 23, которые предназначены, с одной стороны, для отвода напряжения на уровне клемм блока оборудования, а с другой стороны, для осуществления закрепления корпуса 1 устройства в соответствии с изобретением относительно корпуса блока оборудования после того как штыри 22, 23 вставлены в клеммы. Таким образом, данные штыри содержат один конец, выполненный с возможностью подключения к клемме, и один конец, выполненный с возможностью прикрепления и электрического подключения к печатной плате 26 для обработки данных.
Ссылаясь более конкретно на фиг.5 и 8, можно также видеть, что опора 12, образованная посредством корпуса катушки 13, 14, прикреплена к печатной плате 26 посредством выступов 30, выполненных за одно целое с упомянутой опорой 11, 12 катушки и взаимодействующих с отверстиями, предусмотренными на печатной плате 26.
Ссылаясь на фиг.5 и 8, можно также видеть, что устройство также содержит элементы 33, 34 для электрического подключения концов катушки 13 к печатной плате.
Необходимо отметить, что емкостной источник питания и измерение напряжения посредством резистивного делителя требуют обеспечения уровней электромагнитной совместимости и соответственно зазоров.
Таким образом, для того чтобы ликвидировать или, по меньшей мере, уменьшить данные зазоры, внутренние части устройства и, в частности, печатная плата содержат покрытие 39 из смолы с высокой диэлектрической прочностью (например, 19 кВ/мм), позволяющее уменьшить данные зазоры для того, чтобы объединить электронные компоненты и датчик в корпусе и таким образом иметь возможность осуществлять измерение мощности в устройстве, имеющем очень малый размер, соответствующий ширине корпуса устройства защиты, и иметь возможность вставки между двумя линиями блоков оборудования, установленных и соединенных проводами на рейках в шкафу.
На фиг.13 и 14 устройство измерения тока в соответствии с изобретением установлено на блоке оборудования. В данном положении фиксирующие штыри 22, 23 вставлены в клеммы блока оборудования и прижаты к двум поверхностям 35, соответственно принадлежащим двум клеммам так, чтобы осуществить закрепление корпуса 1 устройства D относительно корпуса блока оборудования. В данном положении штыри также находятся в электрическом контакте с контактными полосками 37 клемм блока оборудования, чтобы обеспечить отвод напряжения.
На фиг.13 проводник не вставлен в устройство, а на фиг.14 проводник 6 проходит через устройство с возможностью подключения к клемме блока оборудования, таким образом осуществляя электрическое подключение между блоком оборудования и электрическим устройством, расположенным на стороне нагрузки или на стороне линии от последнего (не показанного). В данном положении катушки, снабжаемые посредством магнитного соединения, выдают полученный сигнал, который соответствует отображению первичного тока.
Устройство позволяет измерять ток и напряжение и вычислять мощность участка (или канала) электрической установки, защищенной или выключаемой посредством коммутационного блока. Общие размеры данного устройства очень ограниченные. Измерение тока осуществляется неинвазивным способом, т.е. без загораживания клемм блока оборудования или добавления клемм подключения. Датчик может быть вставлен в схему любого существующего защитного или коммутационного блока без какого-либо видоизменения последнего или электрической установки, что предоставляет изготовителю и монтажнику блока оборудования большую свободу действий.
Таким образом, посредством изобретения создан миниатюрный датчик, выполненный с возможностью размещения в доступном объеме, способный преодолевать ограничения по размерам и удовлетворяющий требованиям точности измерения класса 2 (или даже 1 или 0,5 в соответствии с диапазоном) для токов, способных изменяться от 1 до 4000 А, при этом датчик имеет линейную характеристику для данного изменения тока.
Изобретение обеспечивает миниатюризацию датчика посредством использования магнитной цепи, которая позволяет переместить воздушный зазор в зону, где могут быть установлены катушки.
Необходимо отметить, что данное устройство может быть установлено отдельно, соединено с прерывателем цепи или встроено в прерыватель цепи.
Необходимо также отметить, что данное устройство не ограничено измерением тока. Оно также осуществляет измерение напряжения и вычисление мощности и энергии.
Необходимо также отметить, что три ветви С-образного сердечника могут быть выполнены разными способами, т.е. в виде единого спеченного блока, посредством согнутых металлических пластин или сваренных металлических пластин.
Необходимо отметить, что в случае однофазного датчика должен быть установлен один датчик (магнитный сердечник), а если датчик содержит несколько фаз, то количество устанавливаемых датчиков должно соответствовать количеству фаз.
Таким образом, изобретение применяется, в частности, для измерения мощности в электрической панели, которая может применяться в любом устройстве, для которого необходимо измерять ток, протекающий через устройство, а также напряжение и мощность.
Изобретение, разумеется, никоим образом не ограничено описанными и показанными вариантами осуществления, которые приведены только для примера.
Так, например, провода магнитных С-образных деталей могут иметь другое поперечное сечени, помимо круглого поперечного сечения, например они могут иметь квадратное, прямоугольное или другое поперечное сечение.
Магнитные С-образные детали могут быть изготовлены из другого материала помимо FeSi или FeNi. Последние могут быть фактически изготовлены из нанокристаллического материала.
Напротив, изобретение распространяется на все технические эквиваленты описанных средств, а также их сочетания, если последние выполнены в соответствии с сущностью изобретения.