DC current measurements for circuit breaker applications

ABSTRACT In the design of a measurement system, two aspects have always to be faced: the metrological requirements and the working conditions. Usually the first aspect outweighs the second. In the case of a current transducer for DC or very low frequency applications and for use in electronic circuit breakers, this praxis is completely overturned. In this case, the accuracy requirements are not critical, if compared with the usual industrial measurement standard (where the accuracy class 0.2% is now easily achievable). On the contrary, factors such as measurement range, environmental temperature, thermal drifts, size, reliability etc. are much more stringent and binding on the transducer design. They also limit the possible technologies and methods employable for the construction of the transducer. As a matter of fact, the up‐to‐date solution is still the most traditional and well‐established one, based on the use of a shunt. There are studies and researches aimed at finding alternative solutions but none of them is today really compliance for industrial application. The proposed project starts from the latter observation and it aims to investigate the possibility of reaching the goal through the integration of different, complementary technologies. The first solution is well tailored for measuring currents with amplitude up to the rated uninterruptable value of the breakers and it is based on the replacement of the shunt with the current carrying conductor already present inside of the circuit breaker. Through the measurement of the conductor temperature and a proper numerical processing based on the thermal model of the system, it is possible to correct the current measurement by considering the variations of the conductor resistance with the temperature. The measurement of the high intensity current, like those produced by a short circuit, is instead addressed by means of a solution based on an array of magnetic sensors, placed around the conductor. Under these conditions the magnetic field produced by the current has a high intensity: this implies that the magnetic sensors must not necessarily have high linearity and dynamic. Furthermore, the problem of crosstalk is less critical and therefore an array with few sensors can be used. This complementarily approach ensures a hybrid solution ready for an immediate application. However, it cannot be exclude that the expected improvement in the two employed technologies will open the way to the use of only one of the two approaches for meeting all the requirements.

ABSTRACT Nella progettazione di un sistema di misura , due aspetti sono sempre da affrontare : i requisiti metrologici e le condizioni di lavoro . Solitamente il primo aspetto e’ superiore al secondo. Nel caso di un trasduttore di corrente per DC o applicazioni a frequenza molto bassa e per l'utilizzo in interruttori elettronici , questa prassi è completamente ribaltato . In questo caso , i requisiti di precisione non sono critiche , rispetto allo standard abituale della misura industriale ( dove la classe di precisione 0,2 % è ora facilmente raggiungibile) . Al contrario , fattori come campo di misura , temperatura ambiente , derive termiche , dimensioni , affidabilità ecc sono molto più stringenti e vincolanti per il design del trasduttore . Inoltre limitano le possibili tecnologie e metodi impiegabili per la costruzione del trasduttore . È un dato di fatto , la soluzione fino ad oggi è ancora la più tradizionale e consolidata , basata sull'utilizzo di resistenze in parallelo. Ci sono studi e ricerche volte a trovare soluzioni alternative , ma nessuna di esse è oggi realmente conformità per applicazioni industriali . Il progetto proposto parte da quest'ultima osservazione e si propone di indagare la possibilità di raggiungere l'obiettivo attraverso l'integrazione di diverse tecnologie complementari. La prima soluzione è ben adattato per misurare le correnti di ampiezza fino al valore nominale di continuità degli interruttori e si basa sulla sostituzione delle resistenze in parallelo con il conduttore di corrente già presente all'interno dell'interruttore . Attraverso la misurazione della temperatura del conduttore e una elaborazione numerica adeguata basata sul modello termico del sistema , è possibile correggere la misura della corrente considerando le variazioni della resistenza del conduttore con la temperatura . La misurazione della corrente ad alta intensità , come quelle prodotte da un corto circuito , viene invece indirizzata mediante una soluzione basata su un array di sensori magnetici , disposte intorno al conduttore . In queste condizioni il campo magnetico prodotto dalla corrente ha una alta intensità : ciò implica che i sensori magnetici non devono necessariamente avere elevata linearità e dinamica . Inoltre , il problema della diafonia è meno critica e quindi una matrice con pochi sensori possono essere utilizzati . Questo approccio complementarmente assicura una soluzione ibrida pronta per un immediato applicazione . Tuttavia , non si può escludere che il miglioramento atteso nelle due tecnologie impiegate apriranno la strada per l' uso di una sola delle due approcci per soddisfare tutte le esigenze .