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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum Versorgen eines auf Hochspannungspotenzial
angeordneten elektrischen Messgeräts mit elektrischer Energie.
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In
Hochspannungsanlagen ist es für
Schutz- und Messzwecke notwendig, den Strom im auf Hochspannungspotential
befindlichen Leiter zu messen. Aus Kostengründen und für eine störsichere Datenübertragung
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Signal eines Stromwandlers
noch auf Hochspannungspotential zu digitalisieren, und das Messsignal mit
Lichtwellenleitern zur Weiterverarbeitung auf Erdpotential zu übertragen.
Dazu muss jedoch die auf Hochspannungspotential befindliche Elektronik
mit Hilfsenergie versorgt werden. Ebenfalls für Schutz- und Messzwecke ist
es notwendig, die elektrische Spannung des Leiters zu messen. Dazu
werden derzeit getrennte Strom- und Spannungswandler aufgestellt,
wobei Kosten und Installationsaufwand für zwei Geräte anfallen.
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In "Sensors and Actuators
A", Band 25 bis
27 (1991), Seiten 475 bis 480 ist eine Anordnung beschrieben, bei
der Licht einer Lichtquelle, hier einer Laserdiode, zu einem photoelektrischen
Wandler übertragen
wird und dort in elektrische Energie umgewandelt wird. Letztere
dient der Versorgung eines Sensors. Die Messdaten des Sensors werden
ebenfalls optisch über
einen Lichtwellenleiter übertragen. Aufgrund
der verwendeten Spezialkomponenten insbesondere des leistungsstarken
Lasers, des photoelektrischen Wandlers und auch der optischen Steckverbindungen
ist dieses Versorgungssystem jedoch mit einem nicht unerheblichen
Aufwand und Kosten verbunden.
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Bei
der in der
DE 910 925 angegebenen
Anordnung zur Regelung der Ansteuerung von Gas- oder Dampfentladungsstrecken
wird ein hochfrequentes Signal mittels kapazitiver Komponenten übertragen.
Es sind ein erster kapazitiver Teilzweig für die Vorwärtsrichtung und ein zweiter
kapazitiver Teilzweig für
die Rückwärtsrichtung
vorgesehen. Das hochfrequente Signal dient allerdings nicht der
Energieversorgung, sondern vielmehr der Steuerung einer auf Hochspannungspotential
angeordneten Zündschaltung.
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In
DE 29 11 476 A1 wird
eine Anordnung angegeben, die zwei Kondensatorstränge nutzt,
um Hilfsenergie kapazitiv auf ein Hochspannungspotential zu übertragen.
Gleichzeitig wird am Kondensatorfuß ein kapazitiver Teiler zur
Spannungsmessung aufgebaut. Die Aufgabe der Querdrosseln ist es,
den Hochfrequenzgenerator von der Blindleistungsbereitstellung zu
entlasten und zwischen benachbarten Kondensatoren auftretende Isolationsdifferenzen auszugleichen.
Durch die Vielzahl der benötigten Einzelkomponenten
ist die Anordnung jedoch aufwendig in der Realisierung. Ist darüber hinaus
mit dieser Anordnung die Erfassung von Strom- und Spannung beabsichtigt,
müssen
zwei getrennte Messelektronikbaugruppen vorgesehen werden.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Versorgen
eines auf Hochspannungspotenzial angeordneten elektrischen Messgeräts mit elektrischer
Energie anzugeben, die eine möglichst
einfache Energieversorgung gewährleistet
und gleichzeitig eine Platz- und Materialersparnis ermöglicht.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird eine Anordnung zum Versorgen eines auf Hochspannungspotenzial
angeordneten elektrischen Messgeräts mit elektrischer Energie
entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
zum Versorgen eines auf Hochspannungspotenzial angeordneten elektrischen
Messgeräts
mit elektrischer Energie umfasst mindestens:
- – einen
ersten, erdpotenzialseitigen Transformator, der
– eine Primärseite aufweist,
an welche ein Generator zur Erzeugung eines energieversorgenden Speisesignals
angeschlossen ist, und
– eine
symmetrisch unterteilte Sekundärseite
aufweist, deren Unterteilungsstelle auf Erdpotenzial gelegt ist,
- – einen
zweiten, hochspannungspotenzialseitigen Transformator, der
– eine symmetrisch
unterteilte Primärseite
aufweist, deren Unterteilungsstelle auf das Hochspannungspotenzial
gelegt ist, und
– eine
Sekundärseite
aufweist, an die das Messgerät
zur Energieversorgung anzuschließen ist, und
- – ein
symmetrisch aufgebautes potenzialabbauendes Übertragungsglied, das
– zwei parallele
Teilzweige aufweist, die zwischen der Sekundärseite des ersten Transformators
und der Primärseite
des zweiten Transformators verlaufen,
– jeweils zur Spannungsteilung
mindestens zwei Spannungsteilermittel mit dazwischenliegendem Knotenpunkt
aufweisen, und
– über beide
Knotenpunkte über
jeweils eine Leitung mit dem Messgerät zu einer Spannungsmessung
zu verbinden ist.
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Die
Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass bei einer Zusammenführung zweier
Leitungen, die jeweils ein symmetriertes Signal führen, sich die
symmetrierten Signale aufgrund ihrer gegenphasigen Phasenlage gegenseitig
aufheben. Mit der von beiden Teilzweigen ausgebildeten zweigeteilte Übertragungsstrecke
ist es somit möglich,
ein auf Hochspannungspotenzial angeordnetes Messgerät mit einem
Speisesignal, das von einem auf Erdpotential angeordneten Generator
erzeugt wird, zu betreiben und gleichzeitig eine Spannungsmessung,
bei der die Spannung an den beiden Teilzweigen abgegriffen wird,
vorzunehmen, ohne dass diese vom Speisesignal gestört wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Sensorrads gemäß der Erfindung ergeben sich
aus den von Anspruch 1 abhängigen
Ansprüchen.
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Es
ist insbesondere vorteilhaft, dass das Messgerät zum Ermitteln eines elektrischen
Stromes und einer elektrischen Spannung ausgelegt ist. Somit befinden
sich alle Teile des Spannungsteilers in einem Gehäuse und
werden gleichartig hergestellt. Ein möglicherweise vorhandener Temperaturgang
der Komponenten hebt sich damit idealerweise auf. Zudem wird nur
eine Messwerterfassungselektronik benötigt
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Weiter
ist vorteilhaft, dass der Generator derart leistungsarm ausgelegt
ist, dass dem Messgerät mittels
eines Speisesignals eine elektrische Leistung von höchstens
100 mW zuführbar
ist. Die erfindungsgemäße Anordnung
benötigt
somit keine Querdrosseln. Durch einen niedrigen Hilfsenergieverbrauch der
Messelektronik kann die Amplitude und Frequenz der Speisespannung
niedrig gehalten werden. Damit kann mit geringem technischem Aufwand
die Speisespannungsquelle die Blindleistung für die Kondensatoren liefern.
Der Einbau und die Kontaktierung der Querdrosseln in einen Hochspannungskondensator sind
nämlich
aufwendig und verhindern eine weitere Fertigungsvereinfachung der
Kondensatoren. Zudem werden für
Wechselspannungsanwendungen neben den Kondensatoren keine zusätzlichen
Bauelemente im Hochspannungszweig benötigt. Der Kondensator lässt sich
damit wie ein herkömmlicher
Steuerkondensator fertigen, der in großen Stückzahlen hergestellt werden
kann.
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Vorzugsweise
sind die beiden Teilzweige eng benachbart zueinander angeordnet.
Dadurch sinkt der Platzbedarf der Anordnung. Außerdem verhindert die enge
räumliche
Nachbarschaft beider Teilzweige, dass eine an sich unerwünschte Abstrahlung
von Speiseenergie erfolgt. Die beiden jeweils für die Vor wärts- oder Rückwärtsrichtung bestimmten Teilzweige
wirken ähnlich
wie eine bifilare Leiteranordnung, bei der sich eine wechselseitige
Kompensation des Abstrahlverhaltens einstellt.
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Es
ist von Vorteil, dass die beiden Teilzweige nebeneinander in einem
Isolator angeordnet sind. Dadurch werden die Kosten für die Spannungs-Isolierung
der beiden Teilzweige reduziert, denn es kann zumindest ein gemeinsames
Isolatorgehäuse
verwendet werden.
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Insbesondere
weist das Speisesignal eine Speisefrequenz zwischen 1 kHz und 1
MHz auf. In diesem Frequenzbereich kann eine Abstrahlung von Speiseenergie
gut unterbunden werden. Außerdem ist
die genannte Untergrenze weit genug von einer in Einrichtungen der öffentlichen
Energieversorgung eingesetzten Netzfrequenz (DC oder 50 Hz oder
60 Hz) sowie von deren für
Mess- und Auswertungszwecke gegebenenfalls relevanten Oberwellen
entfernt, so dass eine Beeinflussung ausgeschlossen werden kann.
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Es
ist insbesondere vorteilhaft, dass eine zusätzliche, insbesondere optische, Übertragungsstrecke
zur Übertragung
eines vom Messgerät
ermittelten Messsignals vorgesehen ist. Dadurch wird eine besonders
gute Trennung zwischen Speise- und Messsignal erreicht.
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Weiter
ist vorteilhaft, dass die mindestens zwei Spannungsteilermittel
des jeweiligen Teilzweiges mindestens zwei Kapazitäten sind.
Somit lässt sich
auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein Spannungsteiler
aufbauen.
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Es
ist von Vorteil, dass die mindestens zwei Spannungsteilermittel
des jeweiligen Teilzweiges mindestens zwei Parallelschaltungen aus
mindestens einer Kapazität
und mindestens einem Widerstand sind. Damit lässt sich die erfindungsgemäße Anordnung
sowohl in Gleich- als auch in Wechselspannungsanlagen einsetzten.
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Bevorzugte,
jedoch keinesfalls einschränkende
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung
ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und
gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Im Einzelnen
zeigen
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1 eine
Anordnung zum Versorgen eines auf Hochspannungspotenzial angeordneten
elektrischen Strom- und Spannungsmessgeräts mit elektrischer Energie
für den
Einsatz in Wechselspannungsanlagen und
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2 eine
Anordnung zum Versorgen eines auf Hochspannungspotenzial angeordneten
elektrischen Strom- und Spannungsmessgeräts mit elektrischer Energie
für den
Einsatz sowohl in Gleich- als auch in Wechselspannungsanlagen.
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Einander
entsprechende Teile sind in den 1 und 2 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
für eine Anordnung
zum Versorgen eines auf Hochspannungspotenzial angeordneten elektrischen
Strom- und Spannungsmessgeräts 1 mit
elektrischer Energie dargestellt. Das symmetrisch aufgebaute potenzialabbauende Übertragungsglied 90 der
Anordnung weist dabei vier Kapazitäten C1 bis C4 auf, die als Spannungsteiler
vorgesehen sind. Dabei gilt für
die Dimensionierung der Kapazitäten
C1 bis C4: Cl = C2 und C3 = C4, wobei die Kapazitäten C3 und
C4 den 100-fachen bis 10000-fachen Wert der Kapazitäten C1 und
C2 betragen sollten. So sind beispielsweise für die Kapazitäten Cl und
C2 Werte von 0,1 nF bis 10 nF denkbar. Dementsprechend müssen die
Kapazitäten
C3 und C4 einen Wert von 10 nF bis 100 μF annehmen. Der Spannungsabgriff
für die
Spannungsmessung erfolgt auf Hochspannungspotential an den Knotenpunkten
K1 und K2. Die Messelektronik des Messgerätes 1 befindet sich
ebenfalls auf Hochspannungspotential und erfasst gleichzeitig Strom-
und Spannungswerte, digitalisiert diese und überträgt sie über mindestens einen Lichtwellenleiter 2 auf
Erdpotential 20. Die Messelektronik des Messgerätes 1 ist möglichst
sparsam im Hilfsenergieverbrauch ausgelegt, so dass insbesondere
100 mW nicht überschritten
werden. Die Hilfsenergieversorgung erfolgt über zwei Transformatoren T1
und T2. Die Transformatoren T1 und T2 sind über ihre Anschlüsse 15, 16 und 17, 18 mittels
zwei Teilzweige Z1 und Z2 entsprechend miteinander verbunden. Der
Transformator T1 umfasst die Induktivitäten L1, L2 und L3, der Transformator
T2 die Induktivitäten
L4, L5 und L6. Die entsprechenden Induktivitäten L1, L2, L3 bzw. L4, L5,
L6 des jeweiligen Transformators T1 bzw. T2 sind vorzugsweise auf
einem gemeinsamen Kern angeordnet und somit magnetisch eng miteinander
gekoppelt.
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Ein
vom Generator 3 erzeugte Speisesignal Us, das beispielsweise
in einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 1 MHz liegen kann und beispielsweise einen
Spannungswert von 10 V bis 1 kV aufweisen darf, wird über die
Primärseite
des Transformators T1 mit der Induktivität L3 dem Transformators T1
zugeführt.
Das Speisesignal Us wird an der die beiden Induktivitäten L1 und
L2 aufweisenden Sekundärseite des
Transformators T1 in ein symmetriertes Speisesignal Us+ und Us– gewandelt.
Hierzu ist zwischen den beiden Induktivitäten L1 und L2 eine geerdete Unterteilungsstelle
K3 angeordnet. Der zweite Transformator T2 hat eine primärseitige,
zwischen den Induktivitäten
L4 und L5 angeordnete Unterteilungsstelle K4, die mit einem Hochspannungsleiter 7 verbunden
ist. Das der Primärseite
des Transformator T2 zugeführte
symmetrierte Speisesignal Us+ und Us– führt sekundärseitig im Transformator T2
zu einem Speisesignal Uss. Das Speisesignal wird über zwei
mit der Sekundärseite
des Transformators T2 verbundene Speiseleitungen S1 und S2 in die
Energieversorgungseinheit 14 des Messgeräts 1 eingespeist.
Die Sekundärseite
des Transformators T2 weist hierbei die Induktivität L6 auf.
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Für das symmetrierte
Speisesignal Us+ und Us– sind
die Induktivitäten
L1 und L2 bzw. L4 und L5 in Serie geschaltet und haben daher eine
hohe Induktivität
von beispielsweise über
1mH. Die Impedanz liegt somit in einem Bereich von beispielsweise
100 Ω bis
10 kΩ.
Für die
zu messende Hochspannung, die üblicherweise
im Frequenzbereich von 0 Hz (Gleichspannung) bis 500 Hz liegen kann,
sind die Induktivitäten
L1 und L2 bzw. L4 und L5 auf ihrem jeweiligen Kern antiparallel
geschaltet und haben damit eine um den Faktor 10 bis 1000 kleinere
Induktivität,
die in diesem Beispiel zwischen 1 μH und 100 μH betragen kann. Dies hat zur
Folge, dass im Bereich der Frequenz der zu messenden Hochspannung
eine kleine Impedanz von beispielsweise unter 1 Ω vorliegt. Diese Impedanz ist
sehr klein im Verhältnis
zur Impedanz der Kapazitäten
C1 und C2, so dass der Spannungsabfall an den Induktivitäten L4 und
L5 bei der Spannungsmessung vernachlässigt werden kann.
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Die
Erfassung des Stromwertes der Hochspannungsleitung 7 kann
beispielsweise, wie in 1 angedeutet, mit einem induktiven
Stromwandler 6 erfolgen. Andere Strommessmethoden, wie
zum Beispiel die Strommessung mittels eines Shunts, sind ebenfalls
denkbar. Die vom Stromwandler 6 erzeugten Messsignale werden über zwei
Leitungen E3 und E4 an einen als Differenzverstärker geschalteten Operationsverstärker 8 übermittelt,
wobei die Leitung E3 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 und
die Leitung E4 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 verbunden
ist. Ein Widerstand R8, über
welchen beide Leitungen E3 und E4 miteinander verbunden sind, ist
zudem parallel zu den beiden Eingängen des Operationsverstärkers 8 geschaltet.
Der Widerstand R8 hat hierfür
insbesondere einen Widerstandswert im Bereich von 10 mΩ bis 100Ω. Der Ausgang
des Verstärkers
ist mit einem Analog-Digital-Wandler 9 verbunden, der die
vom Operationsverstärker 8 gelieferten
analogen Signale digitalisiert und an einen Übertragungseinheit 10 weiterleitet.
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Zur
Spannungsmessung werden die beiden über die Kapazität C3 und
die Induktivität
L4 bzw. die Kapazität
C4 und die Induktivität
L5 abfallenden und über
die beiden Knotenpunkte K1 und K2 abgegriffenen Spannungen über zwei
Leitungen E1 uns E2 dem Messgerät 1 zugeführt und
dort mittels eines als Addierer geschalteten weiteren Operationsverstärkers 4 addiert.
Dabei sind zum einen der nichtinvertierende Eingang des Operations verstärkers 4 mit dem
Hochspannungsleiter 7 und zum anderen der invertierende
Eingang des Operationsverstärkers 4 über den
Widerstand R6 mit dem Knoten K1 und über den Widerstand R5 mit dem
Knoten K2 verbunden. Darüber
hinaus verbindet ein Widerstand R7 den invertierenden Eingang mit
dem Ausgang des Operationsverstärkers 4.
Der Widerstandswert für
die Widerstände
R5 und R6 liegt insbesondere im Bereich von 100Ω bis 1 MΩ. Für den Widerstand R7 ist auch
ein Widerstandswert im Bereich von 100Ω bis 1 MΩ geeignet. Da das symmetrierte
Speisesignal Us+ und das symmetrierte Speisesignal Us– als zwei
gegenphasige Signale in den beiden Teilzweigen Z1 und Z2 geführt werden,
während
die auf die anliegende Hochspannung zurückzuführenden Spannungen in den beiden
Teilzweigen Z1 und Z2 gleichphasig sind, heben sich am Ausgang des
Addieres bei ideal symmetrischem Aufbau die gegenphasigen Speisesignale
auf, während
sich die Messspannungsabfälle
verdoppeln. Durch Unsymmetrien im Aufbau verbleibende Speisespannungsreste
können
leicht durch ein Tiefpassfilter 5 entfernt werden, da sich
die Frequenzen der Hochspannung und die des Speisesignals um ungefähr eine
Größenordnung
unterscheiden. Der Ausgang des Tiefpassfilters 5 ist mit
einem Analog-Digital-Wandler 11 verbunden,
der die vom Tiefpassfilter 5 gelieferten analogen Signale
digitalisiert und ebenfalls an die Übertragungseinheit 10 weiterleitet.
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Die Übertragungseinheit 10 umfasst
eine Lichtquelle 13, insbesondere eine Leuchtdiode, mit der
die digitalisierten Strom- und Spannungsmesswerte per Lichtübertragung über einen
Lichtwellenleiter 2 an eine vorzugsweise auf Erdpotential 20 angeordnete
Auswerteeinheit 12 gesendet werden können.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im
Wesentlichen dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Es ist jedoch darüber hinaus
für den
Einsatz in einer Gleichspannungsanlage vorgesehen. Dabei sind die
Kapazitäten
C1, C2, C3 und C4 im symmetrisch aufgebauten potenzialabbauenden Übertragungsglied 90 um
entsprechend parallel geschaltete Widerstände R1, R2, R3 und R4 erweitert,
womit ein kompensier ter Spannungsteiler entsteht. Die Widerstände R1 und
R2 weisen jeweils einen um den Faktor 1000 höheren Wert als die entsprechenden
beiden Widerstände
R4 und R5 des jeweiligen Teilzweiges Z1 und Z2 auf. Sind die Widerstände von
R4 und R3 insbesondere im kΩ-Bereich dimensioniert,
so weisen die Widerstände
R1 und R2 demnach Widerstandswerte im MΩ-Bereich auf. R1 und R2 sind
darüber
hinaus insbesondere für
eine Leistung von mindestens 10 W ausgelegt.
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In 1 und
in 2 ist zudem noch zu sehen, dass zur Hochspannungsisolation
das Übertragungsglied 90 mit
den beiden nebeneinander angeordneten Teilzweige Z1 und Z2 in einem
beide Teilzweige Z1, Z2 umfassenden Isolator 80 untergebracht
ist.