Die Erfindung betrifft einen Stromwandler für Meß- und Schutzzwecke in Hochoder
Mittelspannungsnetzen mit in Stützisolatoren geführten Stromschienen.
Ein derartiger Stromwandler dient zur Erfassung des über das Leitungsnetz geführten
Stromes, um den Stromverbrauch zu messen oder angeschlossene Komponenten
vor Energiespitzen zu schützen, d.h. er ist als Meß- oder Schutzwandler ausgeführt.
Hierzu ist üblicherweise auch noch ein Spannungsmeßwandler vorgesehen, wobei ein
Meßgerät oder Relais mit den gemessenen Strom- bzw. Spannungswerten versorgt wird.
Dieses Meßgerät bzw. Relais erfaßt dann aus den gemessenen Werten, ob eine
unzulässig hohe Leistung über das Netz geführt wird und verhindert erforderlichenfalls
eine Beschädigung angeschlossener elektrischer Komponenten durch eine Unterbrechung
der Verbindung.
Die herkömmlich hierfür verwendeten Stromwandler sind nach dem Transformatorenprinzip
aufgebaut, d.h. ein solcher Stromwandler weist eine Primär- und eine Sekundärwicklung
auf, wobei in der Sekundärwicklung ein zum Leiterstrom proportionaler
Strom entsteht. Die sich hieraus ergebenden Abgabeleistungen werden dann vom
Relais aufgenommen und zur Beurteilung der momentanen Netzleistung herangezogen.
Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Transformator-Stromwandler liegt
darin, daß sie eine erhebliche Baugröße und ein entsprechendes Gewicht aufweisen. Sie
sind somit während der Montage ungünstig handhabbar und nehmen insbesondere bei
beengten Raumverhältnissen wertvollen Bauraum weg. Darüber hinaus liefern derartige
Transformator-Stromwandler relativ hohe Ausgangssignalleistungen, welche für Relais
neuerer Generationen zu hoch sind. Die Ausgangsleistungen derartiger Meßwandler
werden daher entweder reduziert, indem man die Transformatoranordnung entsprechend
anpaßt, was jedoch zu einer Vergrößerung der Bauweise führt, oder sie werden vor dem
Relais derart ungenutzt beseitigt, daß nur die gewünschte Eingangsleistung am Relais
anliegt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stromwandler für Meßund
Schutzzwecke an Hoch- oder Mittelspannungsnetzen bereitzustellen, dessen Baugröße
gegenüber dem Stand der Technik deutlich verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Stromwandler mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst. Dieser ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromschiene
im Bereich des Kopfes eines Stützisolators mit Abstand von einem nicht geschlossenen
Ring aus magnetisch leitfähigem Material umgeben ist, der innerhalb des Materials des
Stützisolators angeordnet ist, daß im Spalt zwischen den offenen Enden des Rings ein
Magnetfeldsensor ebenfalls innerhalb des Materials des Stützisolators angeordnet ist,
und daß die Anschlußleitungen des Magnetfeldsensors durch den Körper des Stützisolators
bis zu dessen Fuß geführt und dort abgreifbar sind.
Damit wird erfindungsgemäß erstmals eine Bauweise eines Stromwandlers aufgezeigt,
welche sich in einem Körper in Gestalt eines Stützisolators integrieren läßt. Neben
einer besonders kompakten Bauweise wird dabei gleichzeitig noch der weitere
Vorteil erreicht, daß die Anschlußleitungen des Magnetfeldsensors durch die ohnehin
vorhandene Länge des Stützisolators in ausreichendem Isolationsabstand zur Stromschiene
abgegriffen werden, so daß hier eine wechselseitige Beeinflussung ausgeschlossen
werden kann.
Dabei unterscheidet sich der erfindungsgemäß in einem Stützisolatorkörper integrierte
Stromwandler in seiner Bauweise nicht oder nur unwesentlich von herkömmlichen
Stützisolatoren, so daß dieser ebenfalls die übliche Stützfunktion für die Stromschiene
übernehmen kann. Der erfindungsgemäße Stromwandler vereinigt somit die
Funktionalität eines herkömmlichen Stützisolators mit der Meßfunktion für den an der
Stromschiene geführten Strom.
Aufgrund der kleinformatigen Bauweise und insbesondere durch die vergleichbare
Gestalt zu einem herkömmlichen Stützisolator vereinfacht sich zudem die Montage des
erfindungsgemäßen Stromwandlers wesentlich.
Dabei ist von weiterem Vorteil, daß der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor trotz
des zu messenden hohen Stromes ein leistungsarmes Signal liefert, welches in der Regel
unmittelbar durch ein nachgeschaltetes Relais oder eine entsprechende Meßeinrichtung
verarbeitet werden kann. Weitere Anpassungsschritte der Signale an die nachgeschalteten
Meßeinrichtungen etc. sind somit nicht erforderlich.
Der erfindungsgemäße Stromwandler zeichnet sich zudem durch seine hohe
dielektrische Festigkeit aus. Insbesondere ist die Gefahr eventueller Teilentladungen
zwischen dem Ring und der Stromschiene ausgeschlossen, da der Ring nicht direkt auf
der Stromschiene aufliegt. Teilentladungen könnten dagegen zur Zerstörung des
Stromwandlers führen. Dabei wird durch die erfindungsgemäße Bauweise eine erste
Isolierstrecke zwischen der Stromschiene und dem Ring und eine zweite Isolierstrecke
zwischen dem Ring und dem Magnetfeldsensor bereitgestellt. Bei entsprechender geometrischer
Dimensionierung kann somit ein direkter Durchschlag zwischen Stromschiene
und Magnetfeldsensor zuverlässig vermieden werden.
Hierbei ist zwar ein vom Meßprinzip her ähnlicher Stromwandler bereits aus der
DE 44 46 258 A1 bekannt. Bei diesem Stromwandler liegt ein weichmagnetischer, jedoch
elektrisch nicht leitender Kern unmittelbar an einer hochspannungsseitigen Primärwicklung
an. Der Kern ist ringförmig ausgebildet und derart nicht geschlossen, daß
in dem zwischen den Enden vorliegenden Spalt ein magnetfeldabhängiger Sensor angeordnet
ist, mittels dem ein dem geführten Strom analoges Signal erfaßt werden kann. Da
der ringförmige Kern bei dieser bekannten Bauweise unmittelbar an der Primärwicklung
anliegt, müssen diese in ihrer Gestalt exakt aufeinander angepaßt sein, damit beim Eingießen
in Gießharz keine Lufteinschlüsse entstehen, welche wiederum die dielektrische
Festigkeit - Teilentladungen - stark mindern würden. Der Herstellungsaufwand für diesen
bekannten Stromwandler ist daher hoch. Ferner besteht bei dieser Bauweise nur eine
Isolierstrecke zwischen der Primärentwicklung und dem Sensor, da der Kern aufgrund
seiner Materialeigenschaften im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften des
Stromwandlers außer Betracht bleibt. Dieses Dokument sagt zudem nichts darüber aus,
an welcher Stelle und in welcher Weise dieser Stromwandler in einem Hoch- oder Mittelspannungsnetz
angeordnet werden könnte. Insbesondere ist diesem Dokument kein
Hinweis darauf zu entnehmen, daß ein derartiger Stromwandler auch innerhalb der Abmessungen
eines Stützisolators unter Nutzung der hiermit verbundenen zusätzlichen
Vorteile realisierbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der
Unteransprüche.
So ist der Magnetfeldsensor bevorzugt als Hall-Sensor ausgebildet, da dieser über
eine große Bandbreite hinweg ein gut nutzbares Signal für nachfolgende Meßeinrichtungen
liefert. Dabei erfaßt ein Hall-Sensor alle anliegenden Stromstärken in gleicher
Weise, da er keinen Eisenkern aufweist, weshalb kein Sättigungseffekt auftritt. Zudem
kann somit auf eine bewährte Meßeinrichtung zurückgegriffen werden.
Ferner ist es auch möglich, daß der Stützisolator - in an sich bekannter Weise -
am Fuß mit einer Trägerschiene verschraubt ist, wobei die für die Erdung vorgesehene
Anschlußleitung des Magentfeldsensors elektrisch mit der für die Verschraubung vorgesehenen
Schraubbuchse im Stützisolator verbunden ist. Damit wird auf konstruktiv besonders
einfache Weise eine Erdung des Stromwandlers erreicht. Der Montageaufwand
verringert sich dadurch weiter.
Von weiteren Vorteil ist es, wenn die Anschlußleitungen für die Signale des
Magnetfeldsensors seitlich am Fuß des Stützisolators in einem Winkel von 90° zum
Verlauf der Stromschiene abgreifbar sind. Dann kann noch zuverlässiger eine Wechselwirkung
zwischen den Abgriffstellen und der hochspannungführenden Stromschiene
vermieden werden. Die Zuverlässigkeit der Anordnung erhöht sich dadurch weiter.
Wenn der Ring so dimensioniert ist, daß im Meßbereich des Magentfeldsensors
keine magnetische Sättigung auftritt, können der mögliche Einsatzbereich und die Zuverlässigkeit
des erfindungsgemäßen Stromwandlers weiter verbessert werden.
Von weiteren Vorteil ist es, wenn der Abstand des Rings von der Stromschiene in
Abhängigkeit von der Netzleistung und den dielektrischen Eigenschaften des Materials
des Stützisolators gewählt ist. Hierdurch läßt sich die Baugröße des Stromwandlers im
erforderlichen Rahmen halten, ohne daß die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit
des Stromwandlers leidet.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsformen anhand der Figuren der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Stromwandlers; und
- Fig. 2
- eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Stromwandlers.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 2 weist ein Stromwandler 1 einen Körper
in Gestalt eines Stützisolators 2 auf, der einen Kopf 21, einen Körper 22 und einen
Fuß 23 aufweist. Durch den Kopf 21 des Stützisolators 2 ist eine Stromschiene 3 geführt,
welche im elektrisch isolierenden Material des Stützisolators 2 eingegossen ist.
Beabstandet um diese Stromschiene 3 ist ebenfalls innerhalb des Materials des Stützisolators
2 ein Ring 4 aus magnetisch leitfähigem Material angeordnet. Der in Fig. 1 an
sich nicht sichtbare Ring 4 ist schematisch mit einer Kreuzschraffur angedeutet. Da der
Ring 4 nicht im direkten Kontakt mit der Stromschiene 3 steht, kann er auch aus einem
elektrisch leitenden Material ausgebildet sein. Der Abstand zwischen der Stromschiene
3 und dem Ring 4 bestimmt sich dabei aus der über die Stromschiene 3 geführten Netzspannung
sowie den dielektrischen Eigenschaften des Materials des Stützisolators 2,
welches in der Regel Epoxidharz ist.
Der Ring 4 ist in der aus Fig. 1 erkennbaren Weise nicht geschlossen, so daß ein
Spalt zwischen den offenen Enden des Ringes 4 vorliegt. In diesem Spalt ist ein
Magnetfeldsensor 5 angeordnet, der in dieser Ausführungsform als Hall-Sensor ausgebildet
ist. Vom Magnetfeldsensor 5 weg führen Anschlußleitungen 6, wobei in Fig. 2
eine Erdungsleitung 61 und zwei Signalleitungen 62 und 63 gezeigt sind. Die Anschlußleitungen
6 sind im Stützisolator 2 eingegossen und somit darin fixiert, und aus
dem Bereich des Kopfes, in dem der Ring 4 und der magnetfeldabhängige Sensor 5 angeordnet
sind, durch den Körper 22 hindurch bis zum Fuß 23 des Stützisolators 2 geführt.
Daher muß nicht auf eine bestimmte Führung der Anschlußleitungen 6 geachtet
werden.
Am Fuß 23 ist ein Anschlußsockel 24 mit zwei Anschlußbuchsen ausgebildet,
welche mit den beiden Signalleitungen 62 und 63 verbunden sind. Der Anschlußsockel
24 weist dabei seitlich von der Hauptachse des Stützisolators 2 weg und ist um 90° versetzt
zum Verlauf der Stromschiene 3 angeordnet. Die Erdungsleitung 61 ist ferner mit
einer Schraubbuchse 25 verbunden, welche konzentrisch zur Mittelachse des Stützisolators
2 an der Unterseite des Fußes 23 eingebettet ist. Die Schraubbuchse 25 ermöglicht
eine direkte Befestigung des Stützisolators 2 an einer hier nicht dargestellten Trägerschiene
oder dergleichen und stellt gleichzeitig eine Erdungsverbindung her.
Die gesamte Meßsensorik und die Ableitungen sind dabei entsprechend den dielektrischen
Anforderungen dimensioniert bzw. angeordnet und in das Kunstharz des
Stützisolators 2 eingegossen. Der Stromwandler 1 liegt somit als integraler Körper vor,
der in seiner Gestalt nahezu identisch zu einem herkömmlichen Stützisolator ohne Meßfunktion
ausgebildet ist. Hierbei sind im Kopf 21 des Stützisolators nur die Stromschiene
3, der Ring 4, der Magnetfeldsensor 5 und dessen Anschlußleitungen 6 angeordnet,
d.h. es liegen im Kopf 21 keine weiteren metallischen Elemente vor, welche die
Funktion des Stromwandlers 1 beeinträchtigen könnten.
Zur Durchführung der Strommessung wird der Stromwandler 1 in ein Leitungsnetz
eingebunden, d. h. stromführende Schienen werden an die Stromschiene 3 z.B.
durch Verschraubung angeschlossen. Der über die Stromschiene 3 geführte Strom bewirkt
ein zum Stromfluß proportionales Magnetfeld, welches durch den Ring 4 gebündelt
wird. Der Ring 4 lenkt dieses Magnetfeld zu dem im Spalt befindlichen Magentfeldsensor
5, welcher ein dem Magnetfeld und somit auch dem Strom proportionales
Ausgangssignal liefert. Dieses wird über die Anschlußleitungen 6 zum Anschlußsockel
24 abgeführt und kann dort abgegriffen und einem Relais oder dergleichen zugeführt
werden.
Ferner ist die im Querschnitt rechteckige Stromschiene 3 in dieser Ausführungsform
im Bereich des Kopfes 21 derart mit abgerundeten Kanten versehen, daß Korona
bzw. Koronaentladungen vermieden werden. Die Teilentladungseinsetzspannung wird
hierdurch deutlich herabgesetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die abgerundeten
Kanten der Stromschiene 3 durch einen Nachbearbeitungsschritt hergestellt.
Zudem ist es auch möglich, eine Stromschiene mit rundem Querschnitt zu verwenden,
welche jedoch zumeist eine geringere Zugfestigkeit als die erfindungsgemäße, aus einem
flachen Metall hergestellte Stromschiene 3 aufweist.
Ferner können in einer weiteren Ausführungsform mittig in der Stromschiene
Vertiefungen oder Durchgangsöffnungen ausgebildet sein, welche ein Ein- bzw. Durchfließen
des Gießharzes beim Pressvorgang im Zuge der Herstellung des Stützisolators 2
ermöglichen. Hierdurch wird nach dem Aushärten des Gießharzes eine zusätzliche
Fixierung der Stromschiene erzielt. Somit ist eine einseitige Belastung sowie eine beliebige
Einbaulage des Stromwandlers 1 möglich. Ferner wird auf diese Weise auch der
Gefahr begegnet, daß die Stromschiene aus dem Kopf des Stützisolators herausgezogen
werden könnte. Durch diese Art der Lagefixierung bzw. Verankerung ist zudem eine
immer gleiche Lage von Stromschiene gegenüber dem Magnetfeldsensor gegeben, was
zu einer verbesserten Meßgenauigkeit führt.
Die Erfindung schafft somit einen Stromwandler 1 für Meß- und Schutzzwecke in
Hoch- oder Mittelspannungsnetzen mit in Stützisolatoren geführten Stromschienen, bei
dem die Stromschiene 3 im Bereich des Kopfes 21 des Stützisolators 2 mit Abstand von
einem nicht geschlossenem Ring 4 aus magnetisch leitfähigem Material umgeben ist,
der innerhalb des Materials des Stützisolators 2 angeordnet ist, wobei im Spalt zwischen
den offenen Enden des Rings 4 der Magnetfeldsensor 5 ebenfalls innerhalb des Materials
des Stützisolators 2 angeordnet ist, und wobei die Anschlußleitungen 6 des
Magnetfeldsensors 5 durch den Körper 22 des Stützisolators 2 bis zu dessen Fuß 23
geführt und dort abgreifbar sind. Damit wird ein Stromwandler 1 geschaffen, der mit
geringer Baugröße und insbesondere in den Dimensionen eines Stützisolators realisiert
werden kann. Daher kann er auch gleichzeitig die Stützfunktion eines Stützisolators
übernehmen. Zudem liefert er Meßsignale geringer Leistung, die unmittelbar durch ein
Relais oder dgl. weiter verarbeitet werden können.