專利名稱：電能表的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電能表及用在這種電能表中的電流探測器。
背景技術：
標準機電式電能表具有下述一些或全部缺點。
這些電能表都需消耗極大量電能來進行操作。用于第II類能量計的IEC標準是＜2瓦。該電能消耗量為所有消耗電能的0.25％至0.5％。因此，因計量產(chǎn)生的損耗極大。
這些電能表在起動時存在著慣性問題；因此，這些電能表必須在起動以顯示之前消耗一定量的電能。
這些電能表只可以由技術人員安裝，且這種安裝是耗時的。機電式能量計需要牢牢固定到平展表面直立位置上。在如前蘇聯(lián)地區(qū)，當首次安裝電能表時，機電式電能表的安裝成本較高。
在傳統(tǒng)的一根導線的電流探測器中(見圖1)，磁材料環(huán)1圍繞著載流導體2，并且包括多匝導線的線圈3纏繞在磁材料環(huán)1上。這類探測器根據(jù)安培定律，安培定律闡述了環(huán)繞一圍著電流源的閉合回路的磁場的積分等于所包圍的電流。
在這類設計得極好的探測器中，由線圈3感生出的電壓或電流不取決于位于由閉合磁芯1圍繞的截面之內(nèi)的源電流(導體2)的位置。此外，來自閉合磁環(huán)芯1中的電流源2的感應電壓或電流的比率與當其位于閉合磁環(huán)芯外部時來自同一電流源的感應電壓或電流相比大很多，例如為1000∶1。
這確保了來自可能位于探測器附近但在磁環(huán)芯外部的干擾電流源的雜散感應不會影響對位于內(nèi)部的所需電流源的測量。
然而，這類探測器的缺點之一是其成本。磁芯必須被制成兩段或多段以允許磁芯打開和關閉，從而導體可以插入。為了進行精確測量，這兩段在閉合時的對準是重要的，如同要求在這兩段之間相交時即使小空氣間隙也是不允許的一樣。
美國專利5,057,769公開了一種在連續(xù)纏繞的非磁芯線圈5內(nèi)具有間隙4以允許電流源插入的探測器(見圖2)。為了保持連續(xù)纏繞閉合的非磁芯5的理想特性，人們已經(jīng)致力于通過在間隙的每一側添加兩個單獨的多匝線圈6，向被移去以形成空氣間隙4的線圈匝數(shù)感應的電壓元件中加入反饋。
即使這些線圈具有正確的匝數(shù)，這只是部分的成功。探測器的電壓感應取決于線圈內(nèi)部橫截面中的源導體的位置。源載流導體越靠近間隙或線圈，間隙越大，感應的變化越大。
此外，對于這種結構，來自在芯間隙橫截面外部區(qū)域7內(nèi)的電流源的感應不再是可忽略不計的，且來自外部電流源的感應隨著間隙增大或隨著外部電流源靠近間隙而增加。這樣就具有了嚴重的限制性，特別是例如在配電盒中進行測量時，在那在有限的空間內(nèi)可能會存在大量承載各種電流的導體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種低成本、低耗能的電能表，其能快速容易安裝，并且若需要的話，可以按照現(xiàn)有的干線按照形式而改型。特別是，本發(fā)明的目的是提供一種電能表，它可以容易地適應本地電力供給。
另一個目的是提供一種改進的探測器，與現(xiàn)有技術相比，其不太受到外部電流源的干擾，而不需求助于昂貴的設計。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電能表，其包括電絕緣外殼用于防護至少兩個各自具有由絕緣材料外鞘包裹的導電芯的主干電纜，該絕緣外殼包括用于刺穿各電纜的絕緣外鞘以與芯接觸的相應的電接觸裝置、用于相對于在至少其中之一電纜中的電流流動提供輸出的傳感裝置、以及用于計算和顯示作為穿過接觸裝置電壓和傳感裝置輸出的函數(shù)的電能的電路裝置。
在另一方面，本發(fā)明提供了用于測量在導體中的電流的電流探測器，包括以大致圍繞其中流動有要被測量的電流的導體布置的串聯(lián)到一起的多個線圈。
優(yōu)選的是，所述線圈以開口環(huán)形式大致等間距隔開，且在環(huán)中兩個線圈之間形成了間隙，所述間隙能夠將導體引入環(huán)的內(nèi)部。
在特別優(yōu)選的電流探測器中，線圈排列成兩個同心的線圈環(huán)，每個環(huán)串聯(lián)，并且各環(huán)在環(huán)中的兩個線圈之間具有間隙，所述間隙能夠將導體引入同心環(huán)的內(nèi)部。
優(yōu)選的是，在該實施例中，也提供了一種電路，其用于根據(jù)各環(huán)的相應尺寸來比較兩個線圈中的每一個所受到的來自外部電流源的感應，并且提供補償該感應的輸出。


現(xiàn)在將用示例的方法，參照附圖來描述本發(fā)明的實施例，附圖中圖1是說明第一種公知的電流探測器的配置；圖2是說明第二種公知的電流探測器的配置；圖3是本發(fā)明的除去前板的能量計的透視圖；圖4是圖5的能量計前板的俯視圖；圖5是能量計的水平剖面圖；圖6說明了用于能量計的防護裝置；圖7是根據(jù)本發(fā)明的電流探測器的視圖，示意性說明了圖3-6的能量計中的線圈配置；圖8是圖3-6中能量計詳細的剖面圖，示出了其中線圈的配置；以及圖9是本發(fā)明另一電流探測器的視圖，其可結合到本發(fā)明的電能表中。
具體實施例方式
在下述說明中，僅為了方便而使用方向性的表示，不用于限制在使用中的電能表取向。
參照圖3-5，示出了電能表，其用于測量并顯示分別由一對主帶電電纜22和中性電纜24提供的能量，主帶電電纜和中性電纜各自具有由絕緣材料外鞘包裹的內(nèi)置導電芯。
電能表包括外殼10，其形成為由電絕緣塑料材料模制而成的兩部分，在此稱作后板12和前板14。后板12為具有平坦后表面16和成形的前表面18的實心塊。后板12具有兩個用于接收諸如螺釘或螺栓(未示出)的固定裝置的孔20，這些固定裝置允許后板固定使其后表面16平展地抵靠在壁或主電纜22、24后面的其它支撐表面(未示出)上。后者在使用中穿過后板12的前表面18而設置，從而各自位于并且沿著表面18中的一對平行的豎直導引溝槽26、28之一上。前表面18也具有一對凹陷30，其緊密設置成各自在容納中性電纜24的溝槽28上端的各側上。
前板14具有成形的后表面36和大致平坦的前表面38，前板是空心以用于容納將要描述的印刷電路板32和LCD計數(shù)器34。后表面36具有一對平行的豎直肋40、42和一對緊密設置成各自在肋42上部各側上的平行突起44。后表面36上的肋40、42和突起44成形并定位成它們大致與后板12前表面18中的溝槽26、28和凹陷30互補。
在使用中，如所描述的，當后板12已經(jīng)固定到壁或其它支撐表面上并使電纜22、24設置在溝槽26、28時，前板14由肋40、42分別與溝槽26、28對齊且突起44與相應的凹陷30對齊而插入后板12，然后前板推向后板，以便肋進入溝槽中并且突起進入凹陷中。在該位置，利用四個螺栓46將前板14卡在后板12上，這四個螺栓46穿過前板并且接合埋置在后板中的各個攻絲襯套，螺栓46被擰緊，直到前板后表面36開始抵靠后板前表面18為止。
從圖5中可見，各溝槽26、28的寬度大致和相應的電纜22或24的直徑相同，而各肋40、42的深度比相應溝槽26、28的深度銷大致等于各自電纜22或24的直徑的距離。因此，如上所述，當兩個板12、14卡在一起時，各電纜22、24緊貼地容納在外殼10中的矩形剖面的各豎直孔50中。
如圖4，各肋40、42在其中牢固嵌有相應的電觸頭52，各觸頭具有從肋的自由端對中伸出的削尖的前端54。因此，當前板12和后板14如上所述卡在一起，則各觸頭52的前端54自動刺入相應電纜22或24的絕緣外鞘中而與導體芯形成電接觸。在使用中，觸頭52引出穿過電纜22、24的瞬時電壓。
除了用于在電纜22和24之間引出電壓的觸頭52之外，前板14還含有一個或多個線圈，該線圈用于通過感應而傳感中性電纜24中的瞬時電流并且提供對應于該電流的輸出信號。在圖3-5的優(yōu)選實施例中，這種傳感受到一系列嵌在突起44之中及位于突起后面以從三側圍繞電纜24的線圈56的影響(在下文針對圖7-9詳細描述)。然而，本領域技術人員將認識到上述能量計的設計可以采用任何合適的電流傳感裝置，而仍具有方便生產(chǎn)和安裝的優(yōu)點。
由觸頭52引出的電壓和電流傳感線圈56的輸出連接到安裝在印刷電路板32上的能量計算電路(未示出)上。該電路可以具有傳統(tǒng)的結構，并且設置成利用公知的方式從引出的電壓和傳感電流來計算由電纜22、24提供的電能量(以kWhr計)。
為了防止竄改電能表，如圖6，至少螺栓46其中一個的頭部46a從前板14前表面38伸出并具有穿孔58。就在這種螺栓每一個的下方有從前表面38伸出并牢固嵌在前表面38中的相應的接頭60，每個接頭具有一孔62。穿過孔58和孔62且在66處封緘的導線64防止螺栓46被充分轉動而將前板14從后板12上拆下。
現(xiàn)在將針對圖7中所示的電流探測器來詳細描述線圈配置。
探測器包括一組N個(在該情況下N＝7)相同的Rogowiski線圈56，這些線圈沿著圓圈的周邊等距間隔。
任何一對相鄰線圈56之間的間隔可以用來插入將要測量的電流導體，從而載流導體局部被線圈環(huán)形陣列圍繞。該配置在一定程度上受到與圖2中的探測器相同的影響(即，探測器的電壓感應取決于線圈內(nèi)剖面之內(nèi)的源導體位置，并且必須考慮來自芯間隙外部的感應)。
在這一點上，與圖2和7所示的探測器性能相比較是有益的。
在圖2的結構中，載流導體距間隙或線圈越近，感應中的變化越大。如所期望的，間隙越大，感應水平的變化越大。然而，該變化可以保持在可接收的范圍之內(nèi)。例如，如果源電流導體限定在長方形區(qū)域8(圖2)中，該區(qū)域起始于距間隙中心距離D(大約10毫米)且中止于距連續(xù)線圈5距離C(仍為大約10毫米)，間隙大約為1.6厘米，則可得到小于±3％的變化。
利用具有上述給定尺寸的圖7的結構，如果電流導體限定在長方形區(qū)域68中，該區(qū)域小于間隙的寬度并且從位于距徑向圓周相對側的距離D(在此D＝10毫米)的虛線處直立伸展，則所得讀數(shù)的變化仍可以小于±3％。該性能極類似于圖2所示的探測器設計。
然而，利用圖7的設計，隨著單個線圈的數(shù)目N的增加，由這些影響導致的測量誤差越小。
然而，隨著線圈數(shù)目N增加，對于給定的圓圈直徑F，單個線圈之間的間隙減小，和可以插入的導體直徑一樣。優(yōu)選的是，將利用仍能容納應用中所需的最大導體直徑的單個線圈最大數(shù)目。例如，如果設計需要14毫米的最大源導體直徑并且線圈設置在直徑為F＝42.5毫米的圓圈中，則可以利用的單個線圈的最大數(shù)目為七。這為單個線圈留出空間2mm的寬度G且封裝厚度為1毫米。
探測器設計的一個極重要的特性是來自距間隙距離X的外部電流源9的感應(見圖2)和來自當它位于測量區(qū)8中時同一電流源感應之間的感應比(pickup ratio)或干擾率。這個比率R應該被最小化。
對于具有圖2結構的一般設計較好的探測器，表1示出了感應比R的計算值，表示成對于毫米表示的X增加值的百分率。在表1的計算中，探測器連續(xù)線圈部分15的尺寸為50毫米長×31毫米寬。這些尺寸一般用于這類探測器。
表1

可以從1表中見到，為了保持由于在電流源測量時同一電流強度的干擾源產(chǎn)生的誤差小于2％，距離x必須大于約12毫米。由于在該設計中D的最大值為10毫米，則干擾源和正在測量的電流源之間的最小間距(x＋D)必須大于22毫米。
例如，在配電盒情況中，很可能干擾源電流為十倍或更大于正在測量的電流。對于十倍差距，距電流源的距離x必須大于34毫米，以保持由于干擾產(chǎn)生的最大誤差小于2％，并因此，正測量的電流源和干擾源之間的間隔必須大于44毫米。
對于圖7中具有42.5毫米直徑F的探測器，如上確定的感應比R在表2(a)中示出。
表2(a)F＝42.5mmN＝7

如果表1和表2(a)進行比較，可以看見對于x值小于6毫米，圖7的系統(tǒng)稍微優(yōu)于圖2的系統(tǒng)。然而，隨著x增加到超過6毫米，圖7的系統(tǒng)在x＝18毫米處好2倍。
圖8詳細示出了這種線圈配置的簡單實施例。在圖8中，可以看見在肋42、突起44和中性電纜24附近的后板12和前板14的一部分。可以看見，中性電纜24被觸頭52的前端刺穿，該觸頭經(jīng)由電壓輸出導體(voltagetake-off conductor)60連接到PCB(未示出)上。帶電導體和中性導體之間的電壓用于驅動PCB測量電路和LCD顯示器。
為了簡便，圖8示出了圍繞圓圈周邊設置的并且串聯(lián)的一組僅五個線圈56。兩個最上面線圈56(如圖8)之間的間隙接納中性電纜24。在該組線圈中產(chǎn)生的電壓經(jīng)由一對導體58承載到PCB，在此，中性導體中的電流由線圈56校準而確定。
當使用這種線圈配置時，等距線圈56數(shù)目越大，及由此產(chǎn)生的相鄰線圈之間間隙越小，裝置越敏感。顯而易見的是，雖然在圖8中為了簡便只示出了5個線圈，人們將致力于通過改變能量計的設計并從而減少間隙尺寸而使與導體直徑一致的線圈數(shù)目最大化。
上述能量計的優(yōu)點在于它可以低成本生產(chǎn)并易于且快速安裝到現(xiàn)有的主干系統(tǒng)上?？梢栽O計使自身耗電小于40毫瓦，小于現(xiàn)存模擬能量計所需電能的2％。它不受慣性影響并比現(xiàn)有能量計將顯示50倍低的大小的電能。
此外，通過利用本發(fā)明電流探測器配置，來自外部電流源的干擾可以顯著降低。
盡管上文已經(jīng)描述了這樣的實施例，其中電能計設計用于一對帶電和中性電纜，但本發(fā)明適用于其它主系統(tǒng)，例如具有三個相電纜和一個中性電纜的系統(tǒng)。
電流探測器可以通過添加第二組線圈而改進。為了理解這種改進是如何完成的，現(xiàn)在檢測與圖7所示的那些線圈相同的一組七個線圈的感應比R，但是其布置在46.5毫米圓圈上而不是在42.5毫米圓圈上。
表2(b)示出了對于作為x函數(shù)的七個線圈的這種配置的感應比R。在該情況中，距離x從較大圓圈的周邊測量。
表2(b)F＝46.5mmN＝7

如果兩組七個線圈的每個直徑差都為4毫米，則在距內(nèi)圓圈周邊距離x處的干擾源將距外周邊距離(x－2)毫米。
如果如表2(a)所示由距離x處的內(nèi)置組感應的感應比R與如表2(b)所示的距離x-2處的外置組由同一感應位置感應的感應比R相比，可以觀察到它們大約相差2倍，外置組感應是內(nèi)置組干擾水平的大約兩倍。為了方便，表2(a)和(b)再次并排列出。
表2(a)F＝42.5mmN＝7

表2(b)F＝46.5mmN＝7

例如，距內(nèi)置線圈距離x＝10mm的電流源將在內(nèi)置線圈組中呈現(xiàn)感應比R＝5.6％。同一電流源距外置線圈8毫米，其中產(chǎn)生了R＝11％的感應比。
對于不同的x值，該2倍仍然幾乎一致。因此，有可能通過將由外置組感應的電壓大約一半從由內(nèi)置組感應的電壓中去掉而消除干擾的大部分，而與距離x無關。
對于內(nèi)置線圈組和外置線圈組直徑之間的較大的差，存在著倍數(shù)的增加，由此來自外置組的感應的干擾大于來自內(nèi)置組的感應。因此，為了補償，必須將外置組感應的較小量從內(nèi)置組感應中除去，以使干擾最小化。在所有距離x處的干擾的最佳抵銷通過使所用的兩組線圈直徑之間的差別最小化而實現(xiàn)。優(yōu)選的是，單個線圈直徑(圖7中的直徑“T”)減小以利于此。
該最小化干擾的探測器的構造在圖9中示出，同時示出的還有前端放大器70。從內(nèi)置組的電壓感應除去的來自外置組的感應電壓倍數(shù)與電阻值比率R1/R2成正比。
表3示出了對于圖9線圈配置的作為x函數(shù)的感應比R。在該表中，x是作為從內(nèi)圓周和外圓周之間中點向外的距離而測量的。示出的結果是對于內(nèi)徑F1＝42.5mm、外徑F2＝47.5mm。R1在該設計中選定為0.52R2，從而有效輸出信號為來自內(nèi)置組的電壓減去來自外置組的感應的0.52倍。
如果將表3的感應比R與表1的感應比R比較(即，將圖9的結構與圖2的結構比較)，可以看見這種新型探測器的感應在距離x處的干擾遠小于傳統(tǒng)探測器的干擾。實際上，干擾在x＝4mm處低最少3.7倍，并增加到在x＝20mm處的33倍。
因此圖9結構示出了優(yōu)于圖2結構的顯著優(yōu)點，即允許使用具有較小干擾的小型探測器。
表3

因此，在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的探測器中，根據(jù)線圈尺寸和數(shù)目的結構變化可以使用圖9的雙線圈配置。
根據(jù)本發(fā)明特別優(yōu)選的能量計結合圖9結構的探測器作為其傳感裝置。
本發(fā)明不局限于在此所述的實施例，其可以在不脫離本發(fā)明范圍的前提下進行改型或變化。
權利要求
1.一種電能表，其包括電絕緣外殼，用于防護至少兩個各自具有由絕緣材料外鞘包裹的導電芯的主干電纜，所述絕緣外殼包括用于刺穿各電纜的絕緣外鞘以與芯接觸的相應的電接觸裝置、用于相對于在至少其中之一電纜中的電流流動提供輸出的傳感裝置、以及用于計算和顯示作為穿過接觸裝置電壓和傳感裝置輸出的函數(shù)的電能的電路裝置。
2.如權利要求1所述的電能表，其特征在于，所述外殼包括第一和第二部分，第一和第二部分可以相對彼此從電纜可以接收進入外殼中的第一位置移動到電纜相對外殼固定的第二位置。
3.如權利要求2所述的電能表，其特征在于，所述外殼部分在第一和第二位置之間的移動導致電接觸裝置自動刺穿電纜。
4.如權利要求2或3所述的電能表，其特征在于，所述外殼部分在第一位置彼此分離，而在第二位置固定到一起。
5.如權利要求2或3所述的電能表，其特征在于，所述外殼部分在開口位置連接在一起以接收第一位置中的電纜，并且在第二位置相對彼此封閉而將電纜固定在其中。
6.如權利要求2所述的電能表，其特征在于，所述第一部分是具有用于接收電纜的裝置的后板，而第二部分是抵靠后板的前板，電纜夾持在二者之間，所述后板和前板的其中之一設置有所述接觸裝置，由此當后板和前板連在一起時，電纜擠壓到所述接觸裝置之上。
7.如權利要求2所述的電能表，還包括用于在第二位置將第一外殼部分和第二外殼部分鎖定在一起的裝置。
8.如權利要求7所述的電能表，還包括與鎖定裝置協(xié)同使用的安全裝置以顯示是否鎖定裝置已經(jīng)被竄改。
9.如上述權利要求中任一項所述的電能表，其特征在于，能量計的全部電能需求來自主干電纜。
10.一種用于測量在導體中的電流的電流探測器，其包括以大致圍繞其中流動有要被測量的電流的導體布置的串聯(lián)到一起的多個線圈。
11.如權利要求10所述的電流探測器，其特征在于，所述線圈為Rogowski線圈。
12.如權利要求10或11所述的電流探測器，其特征在于，所述線圈基本上以開口環(huán)的形式等距間隔，環(huán)中第一線圈和最后線圈之間形成間隙，所述間隙使得主干電纜能夠進入環(huán)的內(nèi)部。
13.如權利要求12所述的電流探測器，其特征在于，所述環(huán)為其中具有間隙的圓圈。
14.如權利要求10或11所述的電流探測器，其特征在于，所述線圈設置成兩個線圈的同心環(huán)，各環(huán)串聯(lián)，并且每個環(huán)在環(huán)中的兩個線圈之間具有間隙，所述間隙能夠將導體引進同心環(huán)的內(nèi)部。
15.如權利要求14所述的電流探測器，還包括電路，其用于基于各環(huán)的相應尺寸比較來自兩個線圈的每一個所受到的外界電流源產(chǎn)生的感應，并且提供補償這種感應的輸出。
16.如權利要求1-9中任一項所述的電能表，其特征在于，所述傳感裝置包括權利要求10-15中任一項所述的電流探測器。
17.一種大致如上述參照附圖中圖3-9所述的電能表。
18.一種大致如上述參照附圖中圖7-9所述的電流探測器。
全文摘要
一種電能表,包括電絕緣外殼(10),用于防護至少兩個各自具有由絕緣材料外鞘包裹的導電芯的主干電纜(22,24)。該絕緣外殼包括:用于刺穿各電纜的絕緣外鞘以與芯接觸的相應的電接觸裝置、用于相對于在至少其中之一電纜中的電流流動提供輸出的傳感裝置、以及用于計算和顯示作為穿過接觸裝置電壓和傳感裝置輸出的函數(shù)的電能的電路裝置。采用的改進電流探測器包括一系列沿著圓圈的周邊等距間隔的Rogowiski線圈,兩個相鄰線圈之間的間隙允許載流導體進入環(huán)中。另一種電流探測器采用了兩個這種同心線圈環(huán),使得能夠補償外部電流源感應的影響。
文檔編號G01R11/04GK1339109SQ00803293
公開日2002年3月6日 申請日期2000年1月28日 優(yōu)先權日1999年1月29日
發(fā)明者邁克爾·麥科馬克, 托馬斯·索倫森 申請人:蘇派魯爾斯有限公司