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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung
von Messsystemen welche sich auf Hochspannungspotential befinden.
Diese Messsysteme finden insbesondere Anwendung in elektrisch betriebenen
Schienenfahrzeugen, die ihre Antriebsenergie aus einer Hochspannungsleitung
in Form einer Fahrleitung beziehen.
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Elektrisch
betriebene Schienenfahrzeuge greifen ihre Antriebsenergie über einen
Stromabnehmer aus der Fahrleitung ab, wobei sich der Stromabnehmer
in einem schleifenden Kontakt mit der Fahrleitung befindet. Die
Fahrleitung kann hierbei entweder oberhalb des Schienenfahrzeuges
als sog. Oberleitung oder neben dem Schienenfahrzeug als sog. Stromschiene
angeordnet sein.
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Eine
bei der Deutschen Bahn AG üblicherweise
verwendete Oberleitung befindet sich gegenüber dem Erdpotential auf einem
Hochspannungspotential mit 15 kV und 16 2/3 Hz. Aus dieser Oberleitung
beziehen Schienenfahrzeuge mit einer elektrischen Leistung im Bereich
mehrerer MW elektrische Ströme
bis zu mehreren 100 A. Eine Rückleitung
des elektrischen Stromes erfolgt über Schienen auf Erdpotential,
auf denen sich das Fahrzeug bewegt.
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Insbesondere
für bestimmte
Mess- und Überprüfungsaufgaben
werden Messsysteme im Bereich des Stromabnehmers und somit auf Hochspannungspotential
eingesetzt. Bei diesen Mess- und Überprüfungsaufgaben handelt es sich
insbesondere um eine Ermittlung einer Kontaktkraft zwischen Fahrleitung
und Stromabnehmer, eine Überprüfungen eines
Kontaktes des Stromabnehmers mit der Fahrleitung bei hohen Geschwindigkeiten
oder um eine Inspektion der Fahrleitung.
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Diese
Messsysteme müssen
mit elektrischer Energie und Daten zur Steuerung und Regelung versorgt
werden und müssen
wiederum Daten insbesondere an Messwerterfassungs- und Messwertauswerteanlagen
weiterleiten, die sich im Innenraum des Schienenfahrzeuges und somit
auf Erdpotential befinden.
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Gemäß dem Stand
der Technik wird die Energieversorgung von Messsystemen auf Hochspannungspotential
wie folgt realisiert:
- • mittels einer Batterie oder
eines Akkumulators, der sich ebenso wie das Messsystem auf Hochspannungspotential
befindet und direkt mit dem Messsystem über elektrische Leitungen verbunden
ist. Nachteil hierbei ist jedoch, dass die Batterie oder der Akkumulator
regelmäßig durch
Personal gewartet, getauscht oder geladen werden muss. Hierfür muss die
Fahrleitung spannungsfrei geschaltet und geerdet werden, um ein
gefahrloses Arbeiten des Personals zu ermöglichen.
- • mittels
einer Solarzelle, die sich ebenso wie das Messsystem auf Hochspannungspotential
befindet und direkt mit dem Messsystem über elektrische Leitungen verbunden
ist. Nachteil hierbei ist jedoch eine sehr geringe Energieausbeute
derzeit verfügbarer
Solarzellen. So ist bei schlechten Lichtverhältnissen kaum eine Energieversorgung möglich. Desweiteren
führt eine
Verschmutzung der Solarzelle zu einer Beeinträchtigung der Energieausbeute.
- • mittels
eines Windrades, das mechanisch mit einem Generator verbunden ist
und sich ebenso wie das Messsystem auf Hochspannungspotential befindet
und direkt mit dem Messsystem über elektrische
Leitungen verbunden ist. Nachteil hierbei ist jedoch, dass keine
Versorgung bei einem Zughalt möglich
ist. Desweiteren sind bei Hochgeschwindigkeitszügen sehr große Windstärken und dadurch
hervorgerufene sehr große
Kräfte
am Windrad bei der Auslegung des Windrades zu berücksichtigen.
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Aus
DE 10044553 ist ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern
in Fahrzeugen mittels eines Luftmotors bekannt, wobei sich die elektrischen
Verbraucher insbesondere auf Hochspannungspotential befinden. Der
Luftmotor wird über
eine Druckluftversorgung angetrieben, setzt die Strömungsenergie
in Rotationsenergie um und ist durch Mittel zur Kraftübertragung mit
einem Generator verbunden, der die Rotationsenergie in elektrische
Energie umwandelt. Nachteil hierbei ist jedoch, dass zum Antrieb
des Luftmotors aufwändige
und störanfällige Mechanik
sowie eine aufwändige
Ankopplung an die Druckluftversorgung des Fahrzeuges erforderlich
ist. Zusätzlich
haben Luftmotoren einen unbefriedigenden Wirkungsgrad. Desweiteren
wird hierdurch keine autarke Versorgung ermöglicht, da ständig Druckluft
von einem Triebfahrzeug benötigt
wird.
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Alle
Systeme zur Energieversorgung gemäß dem Stand der Technik weisen
des Weiteren den Nachteil auf, dass die Energieversorgung und Datenübertragung
nicht gemeinsam in einer Komponente erfolgt.
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Eine übliche Datenübertragung
gemäß des Standes
der Technik erfolgt insbesondere über Lichtwellenleiter, die "fliegend" auf der Außenhaut
eines Fahrzeuges verlegt und mit Klebeband oder Kabelbindern an
dem Fahrzeug befestigt sind. Nachteil ist hierbei jedoch, dass bei
dieser Befestigung eine starke mechanische Beanspruchung der Lichtwellenleiter
durch aerodynamische Kräfte
erfolgt, die zu Beschädigungen
der Lichtwellenleiter oder zu Störungen
bei der Datenübertragung
führen
kann. Des weiteren können
hierdurch keine definierbaren Kriechstrecken hergestellt werden.
Besonders nachteilig ist, dass eine Gefahr eines elektrischen Überschlages
bei direkter Verlegung der Lichtwellenleiter zwischen dem Hochspannungspotential
und dem Erdpotential besteht, so dass eine Gefährdung von Bedienpersonal nicht
ausgeschlossen werden kann.
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Aus
DE 100 05 164 A1 ist
eine Durchführung für eine Hochspannungseinrichtung
bekannt, bei der ein Stromleiter durch einen Isolator in eine Hochspannungseinrichtung
geführt
wird. Es wird somit Strom durch einen elektrischen Leiter direkt
vom Niederspannungs- in das Hochspannungspotential übertragen.
Im Störungsfall,
wenn der Leiter im Hochspannungspotential mit der Hochspannung in
Kontakt gerät,
wird demzufolge diese Hochspannung auch direkt in den Bereich des
Niederspannungspotentials übertragen
und gefährdet
dort Personen.
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Aus
DE 42 36 378 C1 ist
ein Hochspannungstransformator mit Messmitteln zur Bestimmung der
Stromstärke
an der Primär-
und der Sekundärseite
bekannt. Diese Messmittel bestehen insbesondere aus zwei elektrooptischen
Stromsensoren.
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Aus
DE 38 12 054 A1 ist
ein Verfahren zur Messwertübertragung
zwischen einem Koppelstützisolator
und einem Auswertegerät
bekannt. Eine Potentialtrennung erfolgt hierbei in einem externen
Isolierverstärker.
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Des
Weiteren ist aus
DE
295 10 901 U1 ein piezoelektrischer Übertrager bekannt, der eine
potentialgetrennte Energieübertragung
in Schaltungen ermöglicht.
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Aus
DE 24 07 152 A1 ist
eine Schaltungsanordnung zur Messung von Gleichströmen hohen
Potentials bekannt, wobei das Anzeigegerät von der Hochspannung galvanisch
getrennt ist.
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Aus
DE 196 49 910 C2 ist
eine induktive Kopplung und Energieübertragung an einer drehenden
Lenksäule
bekannt.
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Ein
Schutz vor Kriechströmen
ist jedoch durch keine dieser Maßnahmen gegeben. Zwar wird eine
direkte Energieübertragung
induktiv oder mittels Optokoppler durchgeführt und sind somit Primär- und Sekundärseite elektrisch
getrennt, Kriechströme
können
jedoch bei genügend
hoher Potentialdifferenz trotzdem diese nur geringe Trennung überwinden oder
an Kabelummantelungen entlanglaufen.
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In
WO 99/05554 A1 ist
ein Lichtwellenleiter zur Übertragung
von Informationen über
eine elektrische Potentialdifferenz hinweg innerhalb einer isolierenden
Hülle verlegt.
Die Hülle
ist dabei flexibel gestaltet, und umlaufende Schirme aus einem Isoliermaterial
verlängern
den Kriechweg. Die Schirme können
auch unmittelbar auf den Lichtwellenleiter aufgegossen sein.
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Es
ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die
die Stromversorgung und Datenübertragung
von Messsystemen, die sich auf Hochspannungspotential befinden,
zu Systemen, die sich auf Erdpotential befinden, und umgekehrt ermöglicht und
mit der die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik
behoben werden. Insbesondere sollen Daten über Lichtleiter von Hochspannungsseite
auf Erdpotential und umgekehrt ohne eine Gefährdung von Bedienpersonal übertragen
werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Ein
Transformator mit einer Primärseite
und einer Sekundärseite überträgt elektrische
Energie, und mindestens ein Lichtwellenleiter mit einer Primärseite und
einer Sekundärseite überträgt Daten zwischen
einer Steuerungs- und/oder Versorgungs- und/oder Auswerteeinheit
und mindestens einem Messsystem.
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Die
Primärseiten
von Transformator und Lichtwellenleiter sind hierbei an eine Steuerungs- und/oder
Versorgungs- und/oder Auswerteeinheit angeschlossen und befinden
sich auf Erdpotential. Die Sekundärseiten von Transformator und
Lichtwellenleiter sind an das Messsystem angeschlossen und befinden
sich auf Hochspannungspotential.
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Sowohl
der Transformator als auch der Lichtwellenleiter sind gemeinsam
und formschlüssig
in ein Gehäuse
eingegossen. Vorteil dieser Vorrichtung ist, dass ein genau definierter
Kriechweg sowie eine Verlängerung
des Kriechweges erreicht wird. Insbesondere ändert sich der Kriechweg nicht
durch eine Verschmutzung auf der Oberfläche des Gehäuses. Durch die formschlüssige Verbindung
zwischen Gehäuse
und Transformator bzw. Lichtwellenleiter kann kein Schmutz oder
keine Feuchtigkeit in das Gehäuse
eindringen, so dass der Kriechweg durch Schmutz oder Feuchtigkeit
nicht beeinträchtigt
wird.
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Vorteil
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
insbesondere
- • deren mechanisch stabiler
und kompakter Aufbau,
- • dass
sie eine kostengünstige
und wirtschaftliche Lösung
zur Verfügung
stellt, die einen geringen Wartungsaufwand erfordert,
- • dass
eine autarke und stabile Energieversorgung des Messsystems zur Verfügung gestellt wird.
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Desweiteren
erfüllt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
einschlägige
Hochspannungsnormen und Gesetze, die europaweit für Messwandler
gelten, insbesondere Einhaltung der Anforderungen bezüglich Luftstrecke,
Hochspannungsfestigkeit, Kriechweg, Isolation und Teilentladung.
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Insbesondere
kann die Erfindung auch in Umspannwerken mit elektrischen Spannungen
von mehreren 100 kV angewendet werden.
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Der
Transformator ist mit mindestens einer Wicklung auf der Primärseite und
mindestens einer Wicklung auf der Sekundärseite ausgeführt. Die
Energieübertragung
wird hierbei für
unterschiedliche Frequenzen und Spannungen erreicht. Dieser Transformator
kann sowohl primärseitig
als auch sekundärseitig
mehrere Wicklungen aufweisen. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht,
dass eine elektrische Leistung mit geringen Verlusten übertragen
wird, insbesondere mit einem Wirkungsgrad von mehr als 99%.
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Ist
der Transformator ein 1:1-Übertrager,
d.h. die Eingangsspannung ist gleich der Ausgangsspannung, wird
bei einer Eingangsspannung im Bereich von 0 V bis 30 V, insbesondere
24 V, vorteilhaft eine Gefährdung
von Bedien- und Wartungspersonal auch auf der Sekundärseite des
Transformators vermindert.
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Die
Daten werden durch mindestens einen Lichtwellenleiter von der Hochspannungsseite
zur Niederspannungsseite und umgekehrt übertragen. Vorteil ist hierbei,
dass eine Datenübertragung
auch mit Frequenzen im MHz- oder
GHz-Bereich erfolgen kann. Des Weiteren können über Multiplexer mehrere Datenkanäle über einen
Lichtwellenleiter übertragen
werden, so dass die Anzahl von Lichtwellenleitern reduziert werden
kann.
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Durch
die Unterbringung sowohl des Transformators als auch des mindestens
einen Lichtwellenleiters in einem gemeinsamen Gehäuse wird
vorteilhaft eine besonders kompakte und raumsparende Bauweise erreicht.
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Nach
Anspruch 2 ist die Primärseite
des Transformators galvanisch getrennt von der Sekundärseite des
Transformators.
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Nach
Anspruch 3 erfolgt eine Umwandlung der Signale des Lichtwellenleiters
in elektrische Signale in einer primär- und/oder einer sekundärseitigen Anschlussbox
der Übertragungseinrichtung.
Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass keine optischen Steckverbindungen
erforderlich sind, die mit einer hohen Störempfindlichkeit verbunden
sind, sondern lediglich insbesondere elektrische Steckverbindungen
verwendet werden.
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Nach
Anspruch 4 besteht das Gehäuse
aus Gießharz.
Vorteil dieser Vorrichtung ist, dass ein genau definierter Kriechweg
sowie eine Verlängerung des
Kriechweges erreicht werden. Insbesondere ändert sich der Kriechweg nicht
durch eine Verschmutzung auf der Oberfläche des Gehäuses.
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Nach
Anspruch 5 ist mindestens ein Messsystem auf der Übertragungsvorrichtung
montiert. Hierdurch werden keine weiteren Halterungen für das Messsystem
erforderlich. Des Weiteren kann hierdurch die Übertragungsvorrichtung mit
dem Messsystem mit geringerem Aufwand von einem Messobjekt zu einem
anderen Messobjekt transportiert werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels mit einer Zeichnung
mit vier Figuren erläutert.
Die Zeichnung zeigt in
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1 schematisch
ein elektrisch betriebenes Triebfahrzeug mit einer Messanlage, einem Übertrager
und einer Steuer- und Auswerteanlage,
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2 schematisch
einen Isolator, in den ein Transformator sowie ein Lichtwellenleiter
integriert sind,
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3 schematisch
einen Transformator.
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Auf
einem Dach eines elektrisch betriebenen Triebfahrzeuges 1 aus 1 befindet
sich eine Messanlage 3. Die Messanlage 3 wird
von einer Steuer- und Auswerteanlage 4 im Innenraum des Triebfahrzeuges 1 gesteuert
und mit elektrischer Energie versorgt. Desweiteren speichert die
Steuer- und Auswerteanlage 4 Messsignale der Messanlage 3 und
wertet diese aus.
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Das
Triebfahrzeug 1 bezieht seine Energie aus einer Fahrleitung 2,
die sich auf einem Hochspannungspotential 9 mit insbesondere
15 kV befindet. Der Bereich des Daches des Triebfahrzeuges 1 befindet
sich somit auf dem Hochspannungspotential 9, wohingegen
sich der Innenraum des Triebfahrzeuges auf einem Erdpotential 8 mit
insbesondere 0 V befindet.
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Zwischen
dem Dach und dem Innenraum des Triebfahrzeuges herrscht somit eine
Potentialdifferenz von 15 kV.
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Zwischen
der Messanlage 3 und der Steuer- und Auswerteanlage 4 befindet
sich eine Übertragungsvorrichtung 5,
um einen Spannungsüberschlag vom
Hochspannungs- zum Erdpotential über
Verbindungsleitungen zwischen Messanlage 3 und Steuer- und
Auswerteanlage 4 zu verhindern. Hierdurch wird eine Gefährdung von
Bedienpersonal im Innenraum des Triebfahrzeuges vermieden.
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Gemäß 2 besteht
die Übertragungsvorrichtung
aus einem Transformator 6 und einem Lichtwellenleiter 7,
die sich in einem gemeinsamen Gehäuse 12 befinden.
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An
einer Sekundärseite
der Übertragungsvorrichtung
ist die Messanlage 3, an einer Primärseite der Übertragungsvorrichtung die
Steuer- und Auswerteanlage 4 angebracht. Über den
Lichtwellenleiter 7 liefert die Messanlage 3 Messdaten
zur Steuer- und Auswerteanlage 4 und wird über den
Transformator 6 mit elektrischer Energie versorgt.
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An
einer Seite des Gehäuses 12,
die sich auf Erdpotential 8 befindet, ist eine Anschlussbox 14 angebracht
mit einem Anschluss 10 für eine Energieversorgung bzw.
einem Anschluss 11 für
eine Datenübertragung
zu der einer Steuer und Auswerteanlage. An einer Seite des Gehäuses 12,
die sich auf Hochspannungspotential 9 befindet, ist eine
Anschlussbox 13 angebracht mit einem Anschluss 15 für eine Energieversorgung
bzw. einem Anschluss 16 für eine Datenübertragung
zu einem Messsystem.
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Gemäß 3 befinden
sich eine Primärseite 17 des
Transformators auf dem Erdpotential 8 und eine Sekundärseite 18 auf
dem Hochspannungspotential 9. An der Primärseite 17 befinden
sich Anschlüsse 10 sowie
an der Sekundärseite 18 Anschlüsse 15 für die Energieversorgung.
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- 1
- elektrisch
betriebenes Triebfahrzeug
- 2
- Fahrleitung
- 3
- Messanlage
- 4
- Steuer-
und Auswerteanlage
- 5
- Übertragungsvorrichtung
- 6
- Transformator
- 7
- Lichtwellenleiter
- 8
- Erdpotential
- 9
- Hochspannungspotential
- 10
- Anschluss
für Energieversorgung
- 11
- Anschluss
für Datenübertragung
- 12
- Gehäuse
- 13
- Anschlussbox
auf Hochspannungspotential
- 14
- Anschlussbox
auf Erdpotential
- 15
- Anschluss
für Energieversorgung
- 16
- Anschluss
für Datenübertragung
- 17
- Primärseite des
Transformators
- 18
- Sekundärseite des
Transformators