DE10032367C2 - Vorrichtung zur Reduzierung des von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung des von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfeldes.

Stromdurchflossene Leiteranordnungen erzeugen grundsätzlich Magnetfelder, deren physikalische Parameter und deren Aus­ breitung sich im Falle niederfrequenter Magnetfelder (bei­ spielsweise technische Frequenzen von 16 2/3 Hz oder 50 Hz) durch das Gesetz on Biot-Savart beschreiben lassen. In vielen Fällen ist das Auftreten dieser Magnetfelder bzw. deren Wir­ kung jedoch unerwünscht.

Die Erzeugung solcher Magnetfelder mit signifikanten Amplitu­ den ist im Falle einphasig bzw. einadrig gespeister Energie­ systeme, bei denen Hin- und Rückleiter räumlich relativ weit voneinander entfernt sind, besonders ausgeprägt. Ein Beispiel für solche Energiesysteme sind verkehrstechnische Einrichtun­ gen mit der Bahnoberleitung und dem Energiekabel zur An­ triebseinheit als Hinleiter und den Schienen als Rückleiter.

In vielen Fällen kann es zu der Situation kommen, dass sich im unmittelbaren Nahbereich dieser Leiteranordnung Objekte befinden, die damit einem von der stromdurchflossenen Lei­ teranordnung erzeugten Magnetfeld ausgesetzt sind und von diesem gegebenenfalls beeinflusst oder sogar gestört werden können. Unter Objekte sind in diesem Zusammenhang sowohl technische Einrichtungen als auch biologische Systeme, z. B. Lebewesen, zu verstehen.

Um eine solche potentielle Beeinflussung zu vermeiden bzw. nicht aufkommen zu lassen, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Werte für die erzeugten magnetischen Feldstärken in den betreffenden kritischen räumlichen Bereichen auf ein to­ lerierbares Maß zu reduzieren.

Für die Reduzierung der oben beschriebenen Magnetfelder wer­ den derzeit eine Reihe von Lösungen praktiziert:
Zu einer Schirmung wird die das Magnetfeld erzeugende Lei­ teranordnung mit metallischen oder auch permeablen Blechen nahezu vollständig umkleidet. Diese Schirmstruktur bewirkt, dass außerhalb der Schirmung die von der Leiteranordnung er­ zeugten Magnetfelder um einen Schirmfaktor reduziert auftre­ ten. Der Nachteil dieser Maßnahme ist, dass für die Schirmung niederfrequenter Magnetfelder massive Metallbleche, bei­ spielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Stahl, und diese teil­ weise in einer Stärke von bis zu mehreren Millimetern notwen­ dig sind. Nachteilig dabei ist ein beträchtlicher, kostenin­ tensiver Materialaufwand und gegebenenfalls auch ein Ge­ wichtsproblem.

Zu einer Kompensation werden weitere stromdurchflossene Lei­ ter im Bereich des primären Leiters angeordnet. Die Ströme in diesen weiteren sekundären Leitern werden so eingestellt, dass die von ihnen erzeugten Magnetfelder zusammen mit dem Magnetfeld des primären Leiters zu einer teilweisen Auslö­ schung im betrachteten räumlichen Bereich führen. Eine aktive Kompensation, d. h. eine Kompensation, bei der die Ströme in den Sekundärleitungen geregelt werden, benötigt Sensoren zur Überwachung des zu schützenden Bereiches sowie eine entspre­ chende Regelelektronik.

Weiterhin kann zur Vermeidung einer potentiellen Beeinflus­ sung von Objekten durch das Magnetfeld der räumliche Bereich, in dem das Magnetfeld auftritt, derart gekennzeichnet bzw. abgegrenzt werden, dass er für die Aufstellung von Geräten oder für eine mögliche Annäherung von Personen nicht zugäng­ lich ist. Nachteilig dabei ist der damit verbundene Platzver­ lust. So kann beispielsweise im Falle von Personenzügen eine Reduzierung von Passagiersitzplätzen oder -stehplätzen resul­ tieren.

Aus der DE-PS 733 697 ist eine Anordnung zur Unterdrückung des auf die Außenseite des Mantels einer konzentrischen Ultrakurzwellenleitung an einer Unterbrechungsstelle übertre­ tenden Hochfrequenzstroms bekannt, wobei der Kabelmantel von einer Toroidspule umschlossen ist, die mit einer Reihenkapa­ zität auf Resonanz abgestimmt ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Reduzierung des von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfeldes anzugeben, bei welcher die vorstehend genannten Nachteile nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhän­ gigen Patentansprüchen.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass im Vergleich zu einer Schirmung der Materialeinsatz deutlich reduziert ist. Zur Realisierung der Erfindung sind lediglich eine oder mehrere Leiterschleifen aus einem sehr gut leiten­ den Material notwendig, die zumindest teilweise parallel zum stromdurchflossenen Leiter bzw. Primärleiter anzuordnen sind.

Regelungsmechanismen, wie sie bei der bekannten Kompensation des Magnetfeldes vorhanden sind, sind bei der Erfindung nicht notwendig. Der induzierte Strom in der bzw. den Kurzschluss­ schleifen stellt sich in Abhängigkeit von dem Strom durch den stromdurchflossenen Leiter bzw. Primärleiter automatisch ein, so dass immer die gleiche relative Reduzierung auftritt.

Die Kurzschlussschleifen können aus Standardenergiekabeln, beispielsweise NYM-Kabeln, aufgebaut sein. Da diese Kabel selbst keine signifikanten Spannungen führen müssen, müssen im Gegensatz zum Primärleiter keine Mittel - oder Hochspan­ nungskabel verwendet werden.

Weiterhin können zur Ausbildung der Kurzschlussschleifen auch Strukturelemente beispielsweise von Gebäuden, Fahrzeugen oder Geräten verwendet werden. So kann sich der Primärleiter innerhalb einer Wand befinden, beispielsweise der Bordwand ei­ nes Waggons. Diese Wand besitzt notwendigerweise tragende Strukturelemente wie Träger oder Holme, die bei geeigneter Anordnung zur Ausbildung der Kurzschlussschleifen verwendet werden können.

Der sich in den Kurzschlussschleifen ausbildende Strom hängt quantitativ von der zwischen Primärleiter und Kurzschluss­ schleife vorhandenen Gegeninduktivität M und der Eigeninduk­ tivität L der Kurzschlussschleife ab. Durch Variation von Pa­ rametern wie die Größe der Kurzschlussschleife, dem elektri­ schen Widerstand und dem Querschnitt des Leiters der Kurz­ schlussschleife sowie dem Abstand der Kurzschlussschleife zum Primärleiter lassen sich die Werte von L und M steuern, damit auch der in den Kurzschlussschleifen induzierte Strom und da­ mit letztlich das Maß der Reduzierung des ursprünglichen Mag­ netfeldes. Das Ausmaß der Reduzierung kann auch dadurch be­ einflusst werden, dass mehrere Leiterschleifen, gegebenen­ falls auch unterschiedlicher Größe, in der Nähe des Primär­ leiters platziert werden.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand der Fi­ guren. Es zeigen:

Fig. 1 eine Skizze zur Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung,

Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung der Verwendung von Struk­ turelementen zur Ausbildung der Kurzschlussschleifen,

Fig. 3 eine Skizze zur Erläuterung der Wirksamkeit der Er­ findung,

Fig. 4 ein Feldstärkeverteilungsdiagramm ohne Verwendung von Kurzschlussschleifen, und

Fig. 5 ein Feldstärkeverteilungsdiagramm bei Verwendung von Kurzschlussschleifen.

Die Fig. 1 zeigt eine Skizze zur Erläuterung der Funktions­ weise der Erfindung. Der in einem stromdurchflossenen Leiter 1 fließende Strom I_P erzeugt im Bereich um den Leiter ein niederfrequentes Magnetfeld, beispielsweise mit 16 2/3 Hz o­ der 50 Hz, dessen physikalische Parameter und dessen Aus­ breitung sich durch das Gesetz von Biot-Savart beschreiben lassen.

Dieses Magnetfeld induziert Spannungen in Leiterschleifen 2 und 3, die im folgenden als Kurzschlussschleifen bezeichnet werden und welche jeweils einen Abschnitt 2a, 3a aufweisen, welcher in der Nähe des stromdurchflossenen Leiters 1 und pa­ rallel zu diesem angeordnet ist. Diese induzierten Spannungen treiben in den Kurzschlussschleifen Ströme I_S1 und I_S2, die nach dem Induktionsgesetz derart orientiert sind, dass ihre Stromrichtung der Stromrichtung des Stromes I_P im stromdurch­ flossenen Leiter 1 entgegengesetzt ist. Das resultierende Magnetfeld im Bereich A um den stromdurchflossenen Leiter 1 herum ist abhängig von den Beiträgen sämtlicher Ströme I_P, I_S1 und I_S2, d. h. den Strömen im stromdurchflossenen Leiter 1 und den Kurzschlussschleifen 2 und 3. Da letztere entgegenge­ setzt zum Strom im Leiter 1 orientiert sind, kommt es insge­ samt zu einer Reduzierung des Magnetfeldes im Bereich der Fläche A.

Die Erfindung, zu deren Realisierung entweder eine einzige oder mehrere Kurzschlussschleifen verwendet werden können, basiert auf der Erkenntnis, dass es in den meisten Fällen nicht notwendig ist, das vom stromdurchflossenen Leiter er­ zeugte Magnetfeld grundsätzlich, gleichförmig und großräumig zu reduzieren, wie es beispielsweise im Falle einer Schirmung erfolgt. Es ist vielmehr ausreichend, lediglich in denjenigen räumlichen Bereichen, in denen die maximalen Feldstärken auf­ treten, eine Reduzierung herbeizuführen.

Ein typisches Merkmal der Magnetfeldverteilung im Nahbereich von Energiekomponenten, beispielsweise von Energiekabeln, ist, dass diese Verteilung nur lokal, d. h. in der Regel kleinräumig im unmittelbaren Nahbereich der Komponente, im Hinblick auf eine mögliche Beeinflussung kritische Werte be­ sitzt. In einer Vielzahl von Fällen ist es daher ausreichend, nur diese kritischen, kleinräumig auftretenden Feldstärken zu reduzieren.

Durch die beschriebene Installation von Kurzschlussschleifen kommt es zu einer solchen kleinräumig wirkenden Reduzierung, bei welcher letztlich eine Verschmierung der Magnetfeldver­ teilung auftritt. In den kleinräumigen Bereichen relativ ho­ her Feldstärken tritt eine Reduzierung auf mit der Folge, dass in Bereichen, in denen ursprünglich geringere Feldstär­ ken vorlagen, diese nunmehr etwas erhöht werden. Letztlich bedeutet diese Maßnahme eine Art von Mittelung der Magnet­ feldverteilung.

In vorteilhafter Weise können - wie in der Fig. 2 veran­ schaulicht ist - zur Ausbildung der Kurzschlussschleifen 2 und 3 auch Strukturelemente S von Gebäuden, Geräten oder Fahrzeugen verwendet werden. Beispielsweise handelt es sich dort bei dem stromdurchflossenen Leiter 1 um ein Energieka­ bel, welches in einer Wand, wie der Bordwand eines Waggons, verläuft. Diese Wand besitzt notwendigerweise tragende Struk­ turelemente wie Träger und Holme, die zur Ausbildung der Kurzschlussschleifen verwendet werden können. Voraussetzung ist, dass diese Strukturelemente gut leitendes Material auf­ weisen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann zur Ausbildung einer Kurzschlussschleife auch eine Anordnung aus einem oder mehre­ ren Strukturelementen und einem oder mehreren Kabeln dienen.

Die Fig. 3 zeigt eine Skizze zur Erläuterung der Wirksamkeit der Erfindung. Dargestellt ist eine Anordnung mit einem stromdurchflossenen Leiter oder Primärleiter 1, der für eine Spannung von 25 kV ausgelegt ist und eine Querschnittsfläche von 185 mm² hat. Der durch den Primärleiter 1 fließende Strom beträgt 75 A (50 Hz). In der Mitte der Fig. 3 ist eine Ge­ rade G eingezeichnet, die senkrecht zum Primärleiter 1 in ei­ nem Abstand von 0.1 m parallel zu der von den Kurzschluss­ schleifen aufgespannten Fläche verläuft.

In der Fig. 4 ist die resultierende Verteilung der magneti­ schen Feldstärke entlang der in der Fig. 3 gezeigten Gerade G aufgezeigt, wenn keine Kurzschlussschleifen verwendet wer­ den. Der Feldstärkenverlauf entspricht im wesentlichen einer Glockenkurve. Der maximal auftretende Wert der magnetischen Feldstärke beträgt beim gezeigten Ausführungsbeispiel 56,3 A/m.

Nunmehr werden - wie in der Fig. 3 dargestellt - zwei Kurz­ schlussschleifen 2 und 3 angeordnet, die jeweils einen Ab­ schnitt in der Nähe des Primärleiters 1 haben, der parallel zum Primärleiter verläuft. Die Kurzschlussschleifen haben beim gezeigten Ausführungsbeispiel Ausdehnungen von 0,6 m × 2 m und sind mit ihrer dem Primärleiter 1 zugewandten Seite 5 cm von diesem entfernt. Sie bestehen aus üblichem Niederspan­ nungskabel mit einer Querschnittsfläche von 185 mm², bei­ spielsweise einem NYM-Kabel. Es hat sich gezeigt, dass bei den beschriebenen Verhältnissen ein Strom von jeweils 12,3 A in den beiden Kurzschlussschleifen 2 und 3 induziert wird.

Die sich aufgrund dieser beiden Sekundärströme und dem Pri­ märstrom einstellende Verteilung der magnetischen Feldstärke entlang der Geraden G ist in der Fig. 5 dargestellt. Die ma­ ximal auftretende magnetische Feldstärke beträgt nun 44,2 A/m. Damit ist eine Reduzierung um ca. 27% im Vergleich zur ursprünglichen Anordnung erreicht, bei welcher keine Kurz­ schlussschleifen verwendet werden.

Nach alledem wird gemäß der Erfindung eine lokale Reduzierung niederfrequenter Magnetfelder dadurch erreicht, dass parallel zum magnetfelderzeugenden Leiter Kurzschlussschleifen verlegt werden. Dadurch wird erreicht, dass in einem kleinräumigen Bereich relativ hoher Feldstärke eine Reduzierung der Feld­ stärke auftritt mit der Folge, dass in Bereichen, in denen ursprünglich geringere Feldstärken vorlagen, diese nunmehr etwas erhöht werden. Folglich tritt eine Art von Mittelung der Magnetfeldverteilung ein.

Je nach Bedarf können ein oder mehrere Kurzschlussschleifen verwendet werden. Die Kurzschlussschleifen können unter­ schiedliche Größen aufweisen, unterschiedliche Widerstände und/oder unterschiedliche Leiterquerschnitte haben. Sie kön­ nen aus einem Standardenergiekabel bestehen, beispielsweise einem NYM-Kabel.

Die beschriebene Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise Be­ standteil eines Energiesystems, bei welchem Hin- und Rücklei­ ter räumlich weit voneinander beabstandet sind. Der strom­ durchflossene Leiter kann beispielsweise ein zur Antriebsein­ heit eines Schienenfahrzeugs geführtes Energiekabel sein.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur lokalen Reduzierung des von einem strom­ durchflossenen Leiter erzeugten niederfrequenten Magnetfel­ des, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Kurzschlussschleife (2, 3) aufweist und ein Abschnitt (2a, 3a) der Kurzschlussschleife in der Nähe des stromdurchflossenen Leiters (1) und zumindest im wesentlichen parallel zu diesem angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass sie mehrere Kurzschluss­ schleifen (2, 3) aufweist und ein Abschnitt (2a, 3a) jeder der Kurzschlussschleifen in der Nähe des stromdurchflossenen Leiters (1) und zumindest im wesentlichen parallel zu diesem angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Kurzschlussschleifen un­ terschiedliche Größen, unterschiedliche Widerstände und/oder unterschiedliche Leiterquerschnitte aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlußschleife aus einem Standardenergiekabel besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Standardenergiekabel ein NYM-Kabel ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aus­ bildung der Kurzschlussschleife ein Strukturelement (S) oder eine Anordnung von Strukturelementen oder eine Anordnung aus einem oder mehreren Strukturelementen und einem oder mehreren Kabeln dient.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Strukturelement Bestand­ teil eines Gebäudes, eines Fahrzeugs oder eines Gerätes ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Strukturelement ein Trä­ ger oder ein Holm ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Be­ standteil eines Energiesystems ist, bei welchem Hin- und Rückleiter räumlich weit voneinander beabstandet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der stromdurchflossene Leiter (1) ein zur Antriebseinheit eines Schienenfahrzeugs geführtes Energiekabel ist.