CH675026A5 - Measurement converter for energy distribution mains - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft einen Messwandler, insbesondere zur Messung an Sammelschienen und Kabeln von Energieverteilungsnetzen, der die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist. 



  Übliche bekannte Messwandler haben den Nachteil, dass sie in der Regel bereits bei der Montage einer Anlage, beispielsweise einer Niederspannungsverteileranlage mit Stromschienen, montiert werden müssen, da eine nachträgliche Montage mit erheblichem Aufwand, insbesondere einem Abschalten und einer teilweisen Demontage der Anlage, verbunden ist. Entsprechendes gilt für Netze mit Kabelsteckern, wie sie vornehmlich in Mittelspannungsverteileranlagen verwendet werden. Auch hier sind die bekannten Messwandler gross, kostspielig und nachträglich nur schwer zu montieren. Hinzu kommt bei den bekannten Messwandlern, dass der Informationsgewinn relativ gering ist und häufig ein erheblicher Aufwand für die weitere Signalauswertung erforderlich ist. 



  Ein bekannter Messwandler der eingangs genannten Art bildet einen Teil einer Vorrichtung zur Fernmessung von Übertragungsdaten einer Hochspannungsleitung (DE-PS 2 918 069). Die Ausgänge des Spannungssensors, des Stromsensors und eines Temperatur sensors sind hierbei mit den Eingängen eines Multiplexers verbunden. An dessen Eingänge sind ferner Elemente zur Effektivwertbildung und zur Ermittlung des Leistungsfaktors aufgrund der Ausgangsgrössen des Spannungssensors und des Stromsensors angeschlossen. Eine Steuervorrichtung, welche einen Mikrorechner enthält, steuert den Multiplexer, einen ihm nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler und einen diesem nachgeschalteten, Ausgangsspeicher für die Fernübertragung der dem Multiplexer zugeführten Grössen.

  Damit es sich bei diesen Grössen um Messwerte handelt, müssen als Spannungssensor und Stromsensor Wandler eingesetzt werden, weshalb auch diese Vorrichtung zur Fernmessung mit den eingangs erwähnten Nachteilen behaftet ist. 



  Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Messwandler der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe löst ein Messwandler mit den Merkmalen des Anspruches 1. 



  Der erfindungsgemässe Messwandler gestattet eine vollständige Erfassung aller wesentlichen Betriebsparameter einer Anlage oder eines Teiles einer Anlage mit einem minimalen Aufwand, da die Signalvorverarbeitungselektronik sowohl Digitalsignale für die weitere Signalverarbeitung durch den Mikrorechner als auch die Messgrössen und die aus ihnen ableitbaren Informationen als standardisierte Analogsignale zur Verfügung stellt und der Mikrorechner nicht nur Messwerte für Strom, Spannung und die unter Berücksichtigung der Phasenlage zu bestimmenden Grössen wie Scheinleistung, Leistungsfaktor cos @, Wirkleistung und Leistungsrichtung zur Verfügung stellen kann, sondern auch dazu verwendet werden kann, Grenzwerte vorzugeben und ihr Erreichen oder ihre Überschreitung zu überwachen und zu melden.

  Die Ausgabe der Messwerte durch den Mikrorechner in Form digitaler Ausgangssignale ist auch insofern vorteilhaft, als hier durch mehrere Messwandler an eine gemeinsame Leitung im Multi-Drop Mode oder Loop-Mode angeschlossen werden können. Weist der erfindungsgemässe Messwandler zusätzlich einen Temperatursensor für die Temperatur des Leiters auf, an dem die Messung durchgeführt wird, dann ist er in der Lage, sämtliche Betriebsparameter zu liefern. Weiterhin ist der erfindungsgemässe Messwandler hinsichtlich der ausführbaren Messverfahren und seiner räumlichen Gestaltung so ausgeführt, dass er für möglichst viele unterschiedliche Problemstellungen einsatzbereit ist, wobei der Aufwand für die weitere Signalverarbeitung stark reduziert ist. 



  Um die räumlichen Abmessungen des Messwandlers klein zu halten, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform die gesamte analoge Signalanpassungs-Elektronik zwischen den eigentlichen Sensoren und dem auswertenden Mikrorechner in einem integrierten Schaltkreis konzentriert. 



  Vorzugsweise sind alle Sensoren in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Enthält dieses gemeinsame Gehäuse auch alle übrigen Teile, dann hat man einen Messwandler, der ohne Schwierigkeiten an der Messstelle angeordnet werden kann. Das gemeinsame Gehäuse für die Sensoren kann aber auch durch eine Kabelarmatur, beispielsweise einen Kabelstecker, gebildet sein. In diesem Falle ist es zweckmässiger, die übrigen Teile ausserhalb des Armaturengehäuses in einem eigenen Gehäuse anzuordnen. 



  Besonders vorteilhaft ist für eine Anwendung als ortsveränderlicher Messwandler, der an beliebig wählbaren Stellen einer Sammelschiene oder eines Kabels angesetzt werden kann, eine Teilung des allen Baugruppen des Messwandlers gemeinsamen Gehäuses in einen U-förmigen Teil, der alle Sensoren und die gesamte Elektronik enthält, und einen zweiten Teil, welcher wie ein Joch mit den freien Enden der beiden Schenkel des U-förmigen Teiles verbindbar ist. Mittels eines solchen Joch-Teiles lässt sich der Wandler in einfacher Weise an einer Sammelschiene oder einem Kabel mechanisch fixieren. Ausserdem kann dieser Joch-Teil als Flussleitkörper für den magnetischen Fluss oder aber auch als Magnetfeldabschirmungskörper dienen. Eine magnetische Abschirmung ist dann von Vorteil, wenn der Stromsensor durch wenigstens eine Luft-Spule  gebildet ist, welche mit dem Magnetfeld des Leiters verkettet ist.

  Um Beeinträchtigungen durch Magnetfelder benachbarter Leiter zu vermeiden, ist es in diesem Falle zweckmässig, den nicht durch die Spule erfassten Teil des magnetischen Feldes durch ein geeignetes Material magnetisch kurzzuschliessen. Besteht hingegen der Stromsensor aus einem Hall-Element, das im Luftspalt eines die Schiene oder das Kabel umfassenden Ringkernes liegt, dann ist der Joch-Teil als Magnetflussleitkörper erforderlich. 



  Im folgenden ist die Erfindung anhand von drei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. 



  Es zeigen 
 
   Fig. 1. eine Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels, 
   Fig. 2 ein Blockschaltbild des ersten Ausführungsbeispiels, 
   Fig. 3 einen schematisch dargestellten Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels, 
   Fig. 4 eine schematisch dargestellte Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels. 
 



   Ein als Ganzes mit 1 bezeichneter Messwandler hat ein aus Kunststoff bestehendes Gehäuse, das, wie Fig. 1 zeigt, geteilt ist. 



  Der grössere Teil 2 ist U-förmig ausgebildet, wobei der Abstand und die Länge der beiden Schenkel so gross gewählt sind, dass zwischen den Schenkeln wahlweise eine Sammelschiene oder ein Kabel eines Energieversorgungsnetzes aufgenommen werden kann. Der kleinere Gehäuseteil 3 bildet ein an die freien Stirnflächen der beiden Schenkel des Gehäuseteils 2 anlegbares und mit dem Gehäuseteil 2 verbindbares Joch. 



  In den beiden Schenkeln des grösseren Gehäuseteils 2 sind im Ausführungsbeispiel einander gegenüberliegend zwei eisenlose Spulen 4 als Stromsensor angeordnet. Neben der im breiteren Schenkel liegenden Spule 4 ist ein Temperatursensor 5 angeordnet, welcher durch einen temperaturabhängigen Widerstand gebildet ist. Im selben Schenkel liegt ferner eine Elektrode 6, welche infolge ihrer kapazitiven Ankoppelung an den zwischen den Schenkeln liegenden Leiter einen Spannungssensor bildet. Um Störfelder von den beiden Spulen 4 fernzuhalten, wie sie durch andere stromführende Leiter hervorgerufen werden könnten, ist sowohl in den grösseren Teil 2  des Gehäuses als auch in den kleineren Teil 3 eine magnetische Abschirmung 7 eingelegt. Schliesslich befindet sich in dem breiteren der beiden Schenkel des grösseren Gehäuseteils 2 eine Leiterplatte 8, zu der hin von aussen her ein Kabel 9 geführt ist.

  



  Die Leiterplatte 8 trägt für jeden der Sensoren eine Signalanpassungsstufe 10. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um je einen Operationsverstärker, an dessen beide Eingänge die beiden Ausgänge der Sensoren oder, bei der Elektrode 6, diese und das Massepotential angeschlossen sind. Die Ausgänge der Signalanpassungsstufen 10 sind an die Eingänge einer ebenfalls auf der Leiterplatte 8 angeordneten Signalvorverarbeitungselektronik 11 angeschlossen. Diese Elektronik 11 erzeugt aus jedem analogen Signal, das von den drei Signalanpassungsstufen 10 kommt, ein standardisiertes Analogsignal von beispielsweise 4 bis 20 mA. An einen Ausgang 11 min  für diese standardisierten Analogsignale ist das Kabel 9 angeschlossen. Die gesamte analoge Signalanpassungsstufe ist in einem integrierten Schaltkreis konzentriert, um die Abmessungen des Messwandlers möglichst klein zu halten. 



  Die Signalvorverarbeitungselektronik enthält alle Komponenten, welche die drei Analogsignale Spannung, Strom und Temperatur, sowie die daraus ermittelte Phasenbeziehung zwischen Spannung und Strom dahingehend aufbereiten, da sie sowohl in Form standardisierter Analogsignale, wie beispielsweise Ausgangsströme von 0...20 mA, zur Verfügung stehen, als auch durch den Mikrorechner direkt weiterverarbeitet werden können. Hierzu sind im Ausführungsbeispiel Analog/Digital-Wandler vorgesehen, welche die drei Analogsignale in entsprechende Digital-Signale umwandeln, und zwar beim Stromsignal und beim Spannungssignal nicht nur hinsichtlich der Amplitude, sondern auch hinsichtlich der Phasenlage. Die digitalisierten Signale werden einem Einchip-Mikrorechner 12 zugeführt, der ebenfalls auf der Leiterplatte 8 angeordnet und an das Kabel 9 angeschlossen ist.

  Dieser Rechner 12 berechnet aus den Signalen für die Spannung und den Strom die Scheinleistung, die Wirkleistung, den Leistungsfaktor cos @ und die Leistungsrichtung. Diese Grössen können ebenso wie der Messwert der Temperatur über das Kabel abgefragt werden. Damit liefert der Messwandler die erforderlichen Angaben über alle Betriebsparameter. 



  Die konstruktive Gestaltung des Messwandlers 1 ermöglicht es, ihn auch nachträglich ohne Abschalten der Anlage durch einfaches Aufstecken zu installieren. Es ist ferner dank der Halbleiter-Mikrochips-Technologie klein und kompakt und kann die konventionelle Wandlertechnik ersetzen. Ferner ergibt sich gegenüber der konventionellen Wandlertechnik eine erhebliche Kosteneinsparung. 



  Schliesslich wird wegen der Erfassung aller Betriebsparameter die Betriebssicherheit erhöht. 



  Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektrode 106 als Spannungssensor, die beiden eisenlosen Spulen 104 als Stromsensor und der Temperatursensor 105 im Inneren eines Kabelsteckers 113 angeordnet, der am einen Ende eines Mittelspannungskabels 114 vorgesehen ist. Der Kabelstecker 113, den die Seele 114 min  des Mittelspannungskabels 114 durchdringt, weist an seinem freien Ende einen zylindrischen Kontaktkörper 115 auf, an den sich ein aus Silikonkautschuk bestehender Isolierkörper 116 anschliesst. Dieser Isolierkörper 116 ist auf einem Teil seiner Länge von einem metallischen Gehäuse 117 umgeben, das an seiner Aussenseite ein Gehäuse 118 trägt, in dem die den Sensoren zugeordneten Signalanpassungsstufen, die Signalvorverarbeitungselektronik und der Mikrorechner enthalten sind.

  Der Platzbedarf des Gehäuses 118 ist so gering, dass es ohne Schwierigkeiten am Kabelstecker 113 angebracht werden kann. 



  Auch bei diesem Ausführungsbeispiel liefert der erfindungsgemässe Messwandler alle Betriebsparameter und zusätzlich als Analogsignale die Werte für den Strom, die Spannung und die Temperatur. 



  Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein U-förmiges Gehäuse 220 aus einem elektrisch isolierenden und nicht magnetisierbaren Kunststoff auf, dessen beide Schenkel den Leiter, an dem Messungen vorgenommen werden sollen, beispielsweise eine Sammelschiene 214, teilweise umfassen. Vom freien Ende erstreckt sich in beide Schenkeln des Gehäuses 220 hinein je ein  Kanal bis zu einer einen magnetischen Kurzschluss bildenden Brücke 207 aus einem magnetisch gut leitenden Material, die im Jochteil des Gehäuses 220 liegt. In den einen Kanal ist das eine Ende eines elektrisch isolierenden, flexiblen, stabförmigen Formteil eingesetzt, in das eine sich über die gesamte Länge des Formteils erstreckende, wendelförmige Luftspule 204 min eingebettet ist.

  Dieses Formteil bildet zusammen mit seiner Luftspule den Stromsensor 204, dessen anderes Ende lösbar in den Kanal des anderen Schenkels eingesteckt ist. Zur Montage des Wandlers brauchen deshalb nur das eine Ende des Stromsensors aus dem Gehäuse 220 herausgezogen, das Gehäuse auf den Leiter aufgesetzt, der Stromsensor um den vom Gehäuse nicht umfassten Teil des Leiters geführt und dann wieder in das Gehäuse gesteckt zu werden. 



   Der Spannungssensor 206 und der Temperatursensor 205 sind im Ausführungsbeispiel im einen Schenkel des Gehäuses 220 zwischen dem Kanal und der dem Leiter zugewandten Aussenfläche angeordnet, könnten aber auch im Jochteil zwischen der Brücke 207 und der dem Leiter zugewandten Aussenfläche liegen. Alle übrigen Schaltungsteile sind auf einer Leiterplatte 209 angeordnet, die im Abstand von der Brücke 207 auf der dem Leiter abgewandten Seite im Jochteil des Gehäuses 220 angeordnet ist. 

Claims (10)

1. Messwandler zur Messung an elektrischen Leitern, insbesondere an Sammelschienen und Kabeln von Energieverteilungsnetzen, mit einem kapazitiv an den Leiter ankoppelbaren Spannungssensor, einem auf das den Leiter umgebende Magnetfeld ansprechenden Stromsensor und einem Mikrorechner, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssensor (6; 106; 206) und der Stromsensor (4; 104; 204) an den Eingang einer Signalvorverarbeitungselektronik (11) angeschlossen sind, die Ausgänge für standardisierte Analogsignale und für Digitalsignale aufweist, und dass der Mikrorechner (12) an wenigstens einen Teil der Ausgänge der Signalvorverarbeitungselektronik (11) für digitale Signale angeschlossen ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Signalvorverarbeitungselektronik (11) Analog-Digital-Wandler integriert sind.

3.

Wandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (5; 105; 205) und einen Eingang der Signalvorverarbeitungselektronik (11) für das Signal dieses Temperatursensors (5; 105; 205).

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem der Sensoren (4, 5, 6; 204, 205, 206) und der Signalvorverarbeitungselektronik (11) eine Signalanpassungsschaltung (10) vorgesehen ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrorechner (12) Ausgänge für die Werte der Spannung, des Stromes und der Wirkleistung hat.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrorechner (12) zusätzliche Ausgänge für die Werte des Leistungsfaktors und/oder die Scheinleistung und/oder der Leistungsrichtung und/oder der Temperatur hat.

7.

Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4, 5, 6) in einem gemeinsamen Gehäuse (2, 3; 118) angeordnet sind, dass das gemeinsame Gehäuse (2, 3) auch alle übrigen Teile (10, 11, 12) enthält, und dass das gemeinsame Gehäuse in einen U-förmigen Teil (2), der alle Sensoren (4, 5, 6) und die gesamte Elektronik (10, 11, 12) enthält, und einen sich vom freien Ende des einen Schenkels des U-förmigen Teils (2) zum freien Ende des anderen Schenkels erstreckenden Verbindungsteil (3) unterteilt ist.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der U-förmige Teil (2) des Gehäuses in jedem seiner beiden Schenkel eine eisenlose Spule (4) des Stromsensores enthält.

9.

Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensoren in einem Kabelstecker (113) und die Signalvorverarbeitungselektronik sowie die Mikrorechner durch die Abschirmung des Kabelsteckers (113) von der Kabelseele (114 min ) getrennt aussen am Kabelstecker angeordnet sind.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (204) als isolierendes, flexibles, eine wendelförmig gewickelte Luftspule (204 min ) enthaltendes Formteil ausgebildet ist, das den Leiter (214), an dem die Messungen durchzuführen sind, auf einem Teil seines Umfanges umfasst und mit seinen beiden Enden an ein Gehäuse (220) des Wandlers anschliesst, das den teilweise vom Stromsensor (204) gebildeten, den Leiter umfassenden Ring schliesst.