DE102007048276A1

DE102007048276A1 - Niederspannungsnetzwerk für Gebäude

Info

Publication number: DE102007048276A1
Application number: DE102007048276A
Authority: DE
Inventors: Franz Daiminger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-08
Filing date: 2007-10-08
Publication date: 2009-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Niederspannungsnetzwerk für Gebäude, bei dem eine an Masse gespiegelte Spiegelspannung eingesetzt wird und die Leitungen der Kabel eine Symmetrie aufweisen. Die Kabel sind mit einer Abschirmung versehen. Da die Wechselspannungspotentiale an Masse gespiegelt sind und die Leitungen im Kabel eine Symmetrie aufweisen, werden die in der Abschirmung induzierten Spannungen durch lokale Ströme ausgeglichen. Vorzugsweise sind die Leitungen mit einem geringen Widerstand und die Spannungsquellen mit einem geringen Innenwiderstand ausgebildet, was in Verbindung mit einer Spiegelspannung den Einfluss von Störsignalen aufgrund von Netzrückwirkungen gering hält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Niederspannungsnetzwerk für Gebäude.
Die elektrotechnische Ausrüstung von Gebäuden ist in den letzten Jahren aufgrund der Informationstechnik und anderer elektronischer Geräte stark angestiegen. Die Anforderungen an die Stromversorgung haben sich dadurch geändert. Insbesondere Netzrückwirkungen wie Oberwellen stellen durch die zunehmende Anzahl von nichtlinearen Lasten (NLL) ein immer größer werdendes Problem in der Stromversorgung von Gebäuden dar. NLL sind alle nicht ohmschen elektrischen Komponenten eines Netzwerkes, deren Übertragungsfunktion für Strom und Spannung einer nicht linearen Funktion folgt.
Die NLL erzeugen Oberwellen. Dadurch ergibt sich eine steigende Belastung der Elektroinstallation in Unternehmen und Haushalten. Durch Abstrahlung nimmt auch die elektromagnetische Belastung von Gebäuden zu. Dies führt z. B. im Bereich der Computer- oder Videotechnik zu erheblichen Störungen, die durch den Einsatz von Filter nur teilweise verhindert werden können.
Die im Versorgungsnetz entstehenden Oberwellen bewirken zusätzliche Verlustleistungen und einen hohen Stromfluss auf den Nullleitern. Dies bedeutet eine zusätzliche Erwärmung der Leitungen, die im schlimmsten Fall zu Kabelbränden führen kann. Außerdem werden durch den Oberwellenanteil sämtliche Schutzleiter, Schirme aber auch Armiereisen in Gebäuden elektromagnetisch belastet. Durch die elektromagnetische Belastung werden Ströme in diese Bauteile induziert. In vielen Fällen ist dadurch ein störungsfreies Arbeiten an elektronischen Geräten nicht mehr möglich. Es können sogar empfindliche Bauelemente zerstört werden.
Netzrückwirkungen verursachen Probleme wie Bildfehler oder Tonstörungen in der Audio und Videobearbeitung, Fehler in empfindlicher Mess- oder Produktionsumgebung oder aber auch Datenfehler in IT-Netzwerken.
Bei einer Verschaltung mehrerer Geräte mit Signalleitungen fließt ein Teil des Filterableitstroms und die, in den Gehäusen induzierten Ströme über die Schirme der Signalleitungen und nicht über den eigentlich dafür vorgesehenen Erdungsanschluss der Geräte. Dies führt zu erheblichen Störungen der Signale.
Aus den eben beschriebenen Problemen ergibt sich ein steigender Leistungsverlust und eine damit verbundene Erwärmung von Kabeln und Leitungen. Die elektromagnetische Belastung eines Gebäudes kann über eine Messung des Ableitstromes in in den Schirmen von Signalleitungen, in Erdungsleitungen von Gehäusen und Verteilern aber auch in Armiereisen des Stahlbetons nachgewiesen werden.
Außerdem bewirken NLL bei dreiphasigen Stromnetzen Verzerrungen des sinusförmigen Stromes. Dadurch heben sich die Ströme in den Aussenleitern, auch bei ideal gleichmäßiger Belastung, nicht mehr auf. Der erforderliche Ausgleich erfolgt über den Nulleiter in dem dann zusätzlich hohe Ausgleichsströme fließen.
Als Gegenmaßnahmen sind eine Erhöhung der Leistung der Spannungsversorgung und der Leitungsquerschnitte bekannt. Durch die verringerte Netzimpedanz reduziert sich so zwar der Klirrfaktor und die Wärmeverluste in den Kabeln können verringert werden. Durch die Senkung des Klirrfaktors ist aber die elektromagnetische Belastung des Gebäudes nicht behoben. Im Gegenteil, ein niederohmiger Schutzleiter verstärkt die elektromagnetische Belastung der Umgebung noch, da die Ableitströme vergrößert werden.
Eine andere Lösung der genannten Probleme sieht den Einsatz von Netzfiltern vor. Diese können in mehreren Stufen die Oberschwingungsenergie in der Elektroinstal lation kompensieren. Diese Lösung kann die Probleme aber auch nur teilweise lösen, da die Oberwellen nur zu einem gewissen Teil kompensiert werden und die Filter nicht uneingeschränkt auf eine Veränderung der Verbraucherkonstellation angepasst werden können (siehe z. B. Fachzeitschrift „de 5/2006" Eine Kompensation mit Netzfiltern bis zu 50% und mehr ist möglich.). Je nachdem wie die Filterstruktur, global oder dezentral aufgebaut ist, wirkt diese nur teilweise und bleibt in der vorgelagerten Installation unwirksam.
In J. Blasczok, EMV in der Gebäudetechnik", Ausgabe 7/2002 der Zeitschrift TAB (Technik am Bau) sind auf Seite 56 nichtlineare Lasten (NLL) beschrieben. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften generieren nichtlineare Lasten Netzrückwirkungen und daraus resultierende Sekundäreffekte wie z. B.:

– eingeprägte Oberschwingungsströme,
– Resonanzerscheinungen (u. a. Spannungserhöhungen),
– vorzeitige Sättigung von Induktivitäten,
– Verzerrung der sinusförmigen Grundschwingung,
– Neutralleiterüberlastung,
– Oberschwingungsströme im Erdungssystem und auf Kabelschirmungen,
– Betriebsstörungen/-unterbrechungen,
– Zerstörung empfindlicher Bauteile, und
– Reduktion der Lebensdauer elektrischer Komponenten.

Zu den nichtlinearen Lasten gehören insbesondere:

– Stromrichtergeregelte/frequenzgeregelte Antriebe,
– unterbrechungsfreie Stromversorgungs(USV)-Anlagen, und
– einphasige Gleichrichternetzteile der EDV.

Die nichtlinearen Lasten verursachen leitungsgeführte Störgrößen in Form eingeprägter Oberschwingungsströme und verzerren den sinusförmigen Verlauf der Wechselspannungen.
Zu berücksichtigen sind insbesondere die 3., 5. und 7. Oberschwingung. Diese dominieren durch die üblich verwendeten Bauarten der Stromrichter und Gleichrichter netzteile. In 3-Phasensystemen könne insbesondere die 3. und die 9. harmonische Schwingung bei ungünstiger Verteilung auf die drei Außenleiter im Neutralleiter zu Summierungseffekten führen und diesen überlasten.
In den meisten technischen Vorgängen sind nur Oberschwingungen ungerader Ordnungszahl enthalten. Folglich ist die 3. Harmonische mit 150 Hz die niedrigste Fremdfrequenz, die im System vorliegt und meist auch die mit der größten Amplitude. Die Amplituden nehmen in der Regel zu höheren Ordnungszahlen bzw. Frequenzen hin ab.
Die Probleme, die Oberwellen verursachen, können wie folgt zusammengefasst werden.
Neutralleiter werden heiß und geraten im Extremfall in Brand. Außerdem führen die Oberwellen dazu, dass die Leistung von PC-Netzwerken und sonstige Datensystemen abnimmt und diese häufiger abstürzen. Die durch die Oberwellen erzeugten Ableitströme bewirken magnetische Streufelder in Datenleitungsschirmen, Potentialausgleich-/Schutzleitungssystemen durch die der Datenfluss gehemmt und gestört wird. In elektrischen Betriebsmitteln werden Fehlfunktionen hervorgerufen. Oberwellen verursachen hohe Verzerrungsblindleistung und bewirken dadurch einen schlechten Leistungsfaktor. In Maschinen wie z. B. Drehstrommotoren können Gegendrehmomente und/oder Torsionsmomente auftreten. Weiterhin führen die Oberwellen zu Fehlsteuerungen bei netzgetakteten Schaltungen, zu Funkstörungen und haben Rückwirkungen auf die Versorgungsnetze von Energieversorgungsunternehmen.
Oberwellen verursachen Korrosion an Blitzableitern, an Fundamenterdern, an Gas- bzw. Wasserrohren und an Betonstahl, wie z. B. Armiereisen. Durch die durch Induktion im Kabelsystem hervorgerufenen Ableitströme werden Streufelder in Potentialausgleich-/Erdungssystemen generiert.
Aus der US 5,640,314 , der US 6,060,876 und der US RE 39 108 E geht eine Stromversorgung für empfindliche elektronische Geräte hervor. Diese Stromversorgung weist zwei Potentiale auf, die symmetrisch zu einer Masse sind. Sie wird deshalb auch als symmetrische Spannungsversorgung („symmetrical power”) bezeichnet. Wesentlich ist, dass keines der beiden Potentiale auf Masse gesetzt ist, wie es bei herkömmlichen Stromversorgungen der Fall ist. Dieser symmetrischen Stromversorgung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Störsignale sich gleichermaßen auf beide Potentiale auswirken, so dass die Potentialdifferenz der beiden Potentiale immer konstant bleibt. Hierdurch ist es möglich, empfindliche elektronische Geräte mit einer Spannung zu versorgen, die von Außen nicht gestört werden kann.
Zum Bereitstellen der symmetrischen Spannung werden Transformatoren und Generatoren vorgeschlagen, die jeweils eine ausgangsseitige Spule aufweisen, in welche die Spannung induziert wird. Diese ausgangsseitige Spule ist in ihrer Mitte mit Masse verbunden, so dass an den beiden Enden der Spule jeweils das zur Masse symmetrische Potential erzeugt wird.
Diese symmetrische Spannung kann zum Schwächen von Spannungsstörungen verwendet werden, die durch Leuchtstoffröhren und Netzteilen von Computern verursacht werden, indem Störströme sich auf Masse aufheben.
In http://www.equitech.com/support/BPSpecs.doc sind unter dem Titel „BALANCED POWER SYSTEM" Hinweise veröffentlicht, die bei der Installation eines Netzwerkes mit symmetrischer Spannung zu berücksichtigen sind. Hierbei wird vorgeschlagen, die symmetrische Spannung mit drei Leitungen für die beiden Potentiale und die Masse zu den Verbrauchern zu führen.
Im US-Standard 2005 National Electrical Code, Artikel 647, ist die Verwendung einer symmetrischen Spannung für Netzwerke mit empfindlicher elektronischer Ausrüstung definiert.
Im europäischen Sprachgebrauch ist der Begriff „symmetrische Spannung" mit einer Gleichspannungsanwendung belegt, weshalb im Folgenden die Bezeichnung „Spiegelspannung" für eine zur Masse symmetrischen Wechselspannung bzw. einer an Masse gespiegelten Spannung verwendet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Niederspannungsnetzwerk für Gebäude zu schaffen, das gegenüber Netzrückwirkungen neutral ist und eine wesentlich geringere EMV-Belastung als herkömmliche Netzwerke verursacht.
Das erfindungsgemäße Niederspannungsnetzwerk umfasst

– eine Spiegelspannungsquelle mit zwei an Masse gespiegelten Wechselspannungspotentialen,
– Kabel, die eine geradzahlige Anzahl Leitungen zum Leiten der beiden Spiegelpotentiale aufweisen, wobei die Leitungen symmetrisch angeordnet und abwechselnd zum Leiten der beiden Spiegelpotentiale ausgebildet sind, und
– die Kabel eine die Leitungen umhüllende elektrisch leitende Abschirmung aufweisen.

Da die beiden Potentiale elektrisch an der Masse gespiegelt sind, erzeugen die Leiter zueinander komplementäre elektromagnetische Felder, die sich zum Großteil gegenseitig aufheben, so dass lediglich geringe resultierende elektromagnetische Felder verbleiben. Diese resultierenden Felder sind wegen der symmetrischen Anordnung der die Potentiale führenden Leitungen und der alternierenden Potentiale in den Leitungen rotationssymmetrisch zur Längsachse des Kabels oder spiegelsymmetrisch zu einer die Längsachse des Kabels beinhaltenden Ebene. Dies bedeutet, dass zu einem bestimmten Potential ein im Betrag gleiche aber entgegengesetzte Polung aufweisendes Potential in Umfangsrichtung an der Abschirmung vorhanden ist. Auf der Abschirmung werden somit von den resultierenden Feldern Spannungen induziert, wobei entgegengesetzte Spannungen mit gleichem Betrag an einer hierzu in Umfangsrichtung versetzten Stelle erzeugt werden. Diese Spannungen werden lokal durch in Umfangsrichtung fließende Ströme ausgeglichen, so dass nach Außen keinerlei elektromagnetische Felder treten. Da der Ausgleich der resultierenden elektromagnetischen Felder lokal erfolgt, ist im Idealfall keine Verbindung der Abschirmung zur Masse erforderlich, um eine vollständige Abschirmung zu erhalten.
Die Kombination aus symmetrischer Anordnung der die Potentiale führenden Leitungen im Kabel und das Vorsehen von Spiegelpotentialen bewirkt somit den lokalen Ausgleich der in der Abschirmung induzierten Spannungen.
Jedoch ist eine Verbindung der Abschirmung nach IEC/DIN VDE mit dem Schutzleitungssystem erforderlich, um im Fehlerfall keine unzulässigen Körperspannung auftreten zu lassen.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Stromverteilerschiene für ein Niederspannungsnetzwerk mit einer Spiegelspannungsquelle mit zwei an Masse gespiegelten Wechselspannungspotentialen vorgesehen. Diese Stromverteilerschiene weist zwei parallel angeordnete Metallschienen zum Führen jeweils eines der Spiegelpotentiale auf und die beiden Schienen sind mit einer elektrisch leitenden Abschirmung versehen. Auch hier erzeugen die beiden elektrisch an der Masse gespiegelten Potentiale zueinander komplementäre elektromagnetische Felder, die sich aufgrund der parallelen Anordnung der Schienen zum Großteil gegenseitig aufheben, so dass lediglich geringe resultierende elektromagnetische Felder verbleiben. Diese resultierenden Felder sind wegen der parallelen Anordnung der Schienen und der alternierenden Potentiale in den Leitungen rotationssymmetrisch zu einer mittig zwischen den beiden Schienen angeordneten koplanaren Linie, so dass die durch die resultierenden elektromagnetischen Felder in der Abschirmung induzierten Spannungen durch lokale Ströme ausgeglichen werden. Dieser Stromverteilerkasten beruht somit auf dem gleichen Wirkprinzip wie das oben erläuterte Niederspannungsnetzwerk.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Niederspannungsnetzwerk für Gebäude vorgesehen, das eine Spiegelspannungsquelle mit zwei an Masse gespiegelten Wechselspannungspotentialen zur Abgabe einer vorbestimmten Nennspannung aufweist. Die Spiegelspannungsquelle ist ein Transformator oder ein Generator, der eine ausgangsseitig Spule aufweist, die an zwei Anschlüssen endet, an welchen die beiden gespiegelten Potentiale anliegen. Der Widerstand dieser Spule ist derart bemessen, dass bei einem Kurzschluss zwischen diesen beiden Anschlüssen eine Spannung an der Spule abfällt, die kleiner als 3% der Nennspannung ist. Vorzugsweise ist die beim Kurzschluss an der Spule abfallende Spannung kleiner als 2% bzw. kleiner als 1% der Nennspannung. Die zu wählende Kurzschlußspannung ist abhängig von der anlagenspezifischen Laststruktur und Ausdehnung des Niederspannungsnetzwerkes.
Üblicherweise sind Transformatoren und Generatoren derart ausgebildet, dass an der ausgangsseitigen Spule bei einem Kurzschluss eine Spannung von etwa 4–6% der Nennspannung abfällt.
Transformatoren und Generatoren sind Spannungsquellen, die das Netzwerk mit einer vorbestimmten Wechselspannung versorgen. Nichtlineare Lasten verursachen im Netzwerk Ströme, deren zeitlicher Verlauf stark von dem Verlauf der Spannungsquelle abgegebenen Spannung abweicht. Im Extremfall verursachen nichtlineare Lasten nur sehr kurze Strompulse mit hoher Amplitude, die um eine Zeitdauer voneinander beabstandet sind, die einem Vielfachen der Halbwertsbreite der Strompulse entspricht.
Diese Strompulse können auch als Grundschwingungen und Oberschwingungen dargestellt werden. Sie wirken auf das Netzwerk zurück, indem sie an den Widerständen des Netzwerkes, insbesondere am Transformator bzw. Generator einen Spannungsabfall verursachen. Je geringer der Widerstand der ausgangsseitigen Spule des Transformators bzw. Generators ist, desto geringer sind die durch die Netzrückwirkungen verursachten Spannungsabfälle an der ausgangsseitigen Spule. Der Spannungsabfall aufgrund der Oberschwingung der Netzrückwirkungen bewirkt eine Blindleistung. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Niederspannungsnetzwerks kann somit die Blindleistung aufgrund von Netzrückwirkungen vermindert werden.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das eine Spiegelspannungsquelle aufweisende Niederspannungsnetzwerk aus Leitungen ausgebildet, deren Leitungswiderstand nur halb so groß oder kleiner ist, als dies nach IEC/DIN VDE bezogen auf das vorgeschaltete Leitungsschutzorgan und den anlagenspezifischen Parameter vorgeschrieben ist. Dieser geringe Leitungswiderstand hat die gleiche Wirkung wie der geringe Widerstand der ausgangsseitigen Spule der Spannungsquelle, welche zusammen mit allen übrigen niederohmig ausgelegten Komponenten des Netzwerkes einen niedrigen Schleifenwiderstand ergeben, so dass die durch die Rückwirkung der nichtlinearen Lasten abfallenden Spannungen gering gehalten werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein eine Spiegelspannungsquelle aufweisendes Niederspannungsnetzwerk mit Masseleitungen versehen, welche parallel zu Datenleitungen und/oder Stromversorgungsleitungen zwischen Nichtlinearen Lasten (NLL) verlaufen, wobei der Widerstand der Masseleitungen geringer als eine mit Masse verbundene Abschirmung der Datenleitungen und/oder Masseleitungen ist. Hierdurch werden Störpotentiale in der Nähe der NLLs auf Masse abgeleitet und nicht über die Abschirmungen der Signalleitungen bzw. der Stromversorgungsleitungen übertragen. Die Störsignale stören somit nicht die über die Signalleitungen zu übertragenden Nutzsignale.
Es gibt zwar Anregungen im Stand der Technik bei herkömmlichen Niederspannungsnetzwerken den Leitungswiderstand zu verringern, um die Auswirkungen von Netzrückwirkungen abzuschwächen. Bei herkömmlichen, nicht mit symmetrischen Spannungspotentialen ausgebildeten Netzwerken, besteht jedoch der Nachteil, dass bei geringen Leitungswiderständen der Erdungsleitung verstärkt Ableitströme gegen Erde abfliesen. Die Ableitströme entstehen durch erhöhte Filterableitströme und durch erhöhte induzierte Ströme in dem gesamten Niederspannungsnetzwerk (z. B. Gehäuse der Verteiler) und in den Gehäusen der Verbraucher. Diese abgeleiteten Ströme besitzen beträchtliche Anteile an Oberschwingungen, wodurch die Leitungen nach Masse oftmals als abstrahlende und induzierende „Antennen" wirken. Dies ist insbesondere nachteilig, wenn sie in der Nähe von Armierungseisen in Bauwerken verlaufen, da sie hier eine erhebliche Korrosion der Armierungseisen verursachen können. In der Nähe von Signalleitungen können diese Masseleitungen aufgrund der Abstrahlung die Signale stören. Bei herkömmlichen Niederspannungsnetzwerken wird die Ableitung bei niederohmigen Masseverbindungen derart gesteigert, dass die durch NLL verursachten Probleme weiter zunehmen.
Da bei der Erfindung zwei an Masse gespiegelte Potentiale verwendet werden, erzeugen die Rückwirkungen von nicht-linearen Lasten in der Regel auf den gespie gelten Potentialen komplementäre Störpotentiale. Diese heben sich bei der Ableitung auf Masse auf. Bei der vorliegenden Erfindung sind diese Störpotentiale nicht immer exakt komplementär. Dies hat unterschiedliche Ursachen. Zum einen ist die Symmetrie der gespiegelten Potentiale nicht immer exakt perfekt. Zum anderen kann die Rückwirkung auch eine gewisse Unsymmetrie aufweisen, insbesondere wenn die Spiegelpotentiale nicht exakt symmetrisch sind. Aber da in einem Netzwerk in der Regel mehrere nichtlineare Lasten angeordnet sind, die auf beiden symmetrischen Potentialen sowohl positive als auch negative Störpotentiale erzeugen, kompensieren sich diese Störpotentiale in statistischen Mittel zum größten Teil, so dass der auf Masse abgeleitete resultierende Strom äußerst gering ist. Da bei herkömmlichen Niederspannungsnetzwerken lediglich ein einziges „Nutzpotential" verwendet wird, kann hier keine Kompensation zwischen mehreren Störpotentialen erfolgen.
Aus der eingangs diskutierten US 6,060,876 geht eine Spannungsquelle mit gespiegelten Potentialen hervor. Bei dieser Spannungsquelle wird versucht, die Störungen der Rückwirkungen möglichst gering zu halten, indem die beiden Potentiale möglichst exakt gespiegelt werden. Hierzu wird beispielsweise die ausgangseitige Spule des Transformators bifilar gewickelt. Eine derartige bifilare Wicklung erzeugt sehr exakt gespiegelte Potentiale. Jedoch begrenzt die bifilare Wicklung die Stärke der verwendeten Leitungen und erfordert eine größere Länge an Leitungen, wodurch der Widerstand der ausgangseitigen Spule des Transformators nicht klein gehalten werden kann. Zusätzlich ist die Induktivität eines bifilar gewickelten Transformatoren deutlich geringer als bei nicht bifilar gewickelten Transformatoren.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein anderer Weg eingeschlagen. Es wird durch Verwendung eines nicht bifilar gewickelten Transformator ein gewisser Qualitätsverlust bezüglich der Symmetrie der beiden gespiegelten Potentiale in Kauf genommen. Jedoch werden durch den geringen Widerstand der Leitungen, Stromschienen und/oder der Spiegelspannungsquelle und/oder der Masseleitungen, die durch die Rückwirkung verursachten Spannungsabfälle gering gehalten, so dass die Blindleistungen gering gehalten werden können. Zusätzlich bewirkt die Induktivität des nicht bifilar gewickelten Transformators eine deutlich verbesserte Kompensation der Netzrückwirkungen. Hierdurch kann der Gesamt-Klirrfaktor (Total Harmonic Distortion THD-R) gering gehalten werden, selbst wenn viele nichtlineare Lasten im Netzwerk angeordnet sein sollten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Spannungswandler zum Wandeln einer nicht gespiegelten Spannung in eine gespiegelte Spannung vorgesehen, der einen Elektromotor aufweist, der von der nicht gespiegelten Spannung angetrieben wird. Der Elektromotor treibt einen Generator zur Erzeugung einer gespiegelten Spannung an. Hierdurch kann ein Netzwerk mit einer nicht gespiegelten Spannung galvanisch von einem Netzwerk mit gespiegelter Spannung getrennt werden, so dass Störpotentiale nicht zwischen den beiden Netzwerken übertragen werden können. Mit einem solchen Spannungswandler kann ein Niederspannungsnetzwerk mit gespiegelter Spannung versorgt werden, die völlig frei von Einflüssen außerhalb des Niederspannungsnetzwerkes ist und dahin auch keine Rückwirkungen überträgt
Der Widerstand der Generatorwicklung ist derart bemessen, dass bei einem Kurzschluss zwischen diesen beiden Anschlüssen eine Spannung an der Spule abfällt, die kleiner als 3% der Nennspannung ist. Vorzugsweise ist die beim Kurzschluss an der Spule abfallende Spannung kleiner als 2% bzw. kleiner als 1% der Nennspannung. Die zu wählende Kurzschlußspannung ist abhängig von der anlagenspezifischen Laststruktur und Ausdehnung des Niederspannungsnetzwerkes. Falls als Spannungsquelle ein Transformator verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn dessen Ausgangsspule einen entsprechend kleinen Widerstand aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen beispielhaft näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
1 schematisch ein Niederspannungsnetzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 einen Verteiler aus 1 in vergrößerter Darstellung,
3A, 3B eine Stromschiene in Front- und Querschnitt,
4A, 4B, 4C eine weitere Stromschiene in Front- und Querschnitt,
5A–5D Kabel für ein erfindungsgemäßes Niederspannungsnetzwerk jeweils im Querschnitt,
6 eine alternative Spannungsquelle für das Niederspannungsnetzwerk nach 1,
7 schematisch einen Verteiler mit mehreren Verbrauchern gemäß 1,
8 einen weiteren Verteiler mit weiteren Verbrauchern gemäß dem Niederspannungsnetzwerk nach 1.
9 schematisch einen Filter,
10 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Niederspannungsnetzwerkes, und
11 eine alternative Spannungsquelle für das Niederspannungsnetzwerk nach 10.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Niederspannungsnetzwerkes schematisch dargestellt. Dieses Niederspannungsnetzwerk weist als Spannungsquelle 1 eine Kombination aus einer rotierenden, unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) 2 und einem Transformator 3 auf. Die rotierende USV 2 weist einen 3-phasigen Eingang für einen 3-phasigen Drehstrom auf. Sie besitzt einen Motor, der von dem Eingangsstrom angetrieben wird und der wiederum einen Generator (nicht dargestellt) antreibt, mit dem ein 3-phasiger Drehstrom erzeugt wird. Dieser 3-phasige Drehstrom liegt am Ausgang der rotierenden USV 2 an. Durch die Kopplung der Eingangsseite und der Ausgangsseite mittels eines Motors ist die Ausgangsseite der rotierenden USV galvanisch von der Eingangsseite getrennt und es können keine Störwellen von dem an der Eingangsseite anliegenden Versorgungs netzwerk auf die Ausgangsseite und damit auf das erfindungsgemäße Niederspannungsnetzwerk übertragen werden. Ebenso erfolgt keine Übertragung vom erfindungsgemäßen Niederspannungsnetzwerk zum Versorgungsnetzwerk.
Die rotierende USV 2 ist mit einem Kabel 5 zur Übertragung von Drehstrom mit der Eingangsseite des Transformators 3 verbunden. Der Transformator 3 weist drei Ausgangsspulen 4 auf, welche jeweils an eine von einer der drei Phasen des Drehstroms beaufschlagten Eingangsspule gekoppelt ist.
Eine jede Ausgangsspule 4 ist an ihren beiden Enden jeweils mit einem Anschluss ausgebildet, an dem jeweils ein gespiegeltes Potential anliegt. In der Mitte einer jeden Ausgangsspule 4 ist ein Anschluss angeordnet, der mit Masse verbunden ist. Hierdurch sind die beiden Potentiale L, L' an den beiden Enden der Ausgangsspule 4 um die Masse M gespiegelt.
Es ist ein niederohmiges Massenetzwerk vorgesehen, das zumindest einen Erdungsanschluss 6 aufweist, der mit einer ersten Masseschiene 7 verbunden ist. Die Masseschiene 7 ist eine Metallschiene aus einem gut elektrisch leitendem Metall mit einem zu vernachlässigenden elektrischen Widerstand. Im Massenetzwerk können eine oder mehrer weitere Masseschienen 7, 7/1 vorgesehen sein, die als Verteiler der Masse auf mehrere Masseleitungen 8a–8d dienen.
So sind entsprechende Masseleitungen 8a zwischen den mittigen Anschlüssen der Ausgangsspulen 4 und einer der Masseschienen 7 angeordnet. Die Enden der Ausgangsspulen 4 sind mit Potentialleitungen 9 verbunden zum Leiten jeweils eines der beiden gespiegelten Potentiale L, L'. Von den Ausgangsspulen 4 führen die beiden jeweils mit einer Ausgangsspule 4 verbundenen Potentialleitungen 9 zu einem Leitungsschutzorgan bzw. einer Sicherung 10, um bei Überlast und Kurzschluss die Leitung im Niederspannungsnetzwerk zu unterbrechen. Diese Leitungsschutzorgane oder Leistungsschalter 10 sind derart ausgebildet, dass wenn auf einer der beiden Potentialleitungen 9 eine Überlast oder ein Kurzschluss vorliegt, beide Leitungen sofort unterbrochen werden, so dass die Leitungen beider Potentiale unterbrochen sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Leitungsschutzorgane des Typs z. B. Leistungsschalter Moeller electric, Typ NZM verwendet.
Der Transformator 3 ist derart ausgebildet, dass die beiden Potentiale L, L' eine Wechselspannung im Bereich 110 V bis 1000 V bilden, wobei der Spannungswert an die entsprechende, lokal geltende Norm anzupassen ist. Die Spannung eines einzelnen Potentials beträgt die Hälfte der Gesamtspannung bezüglich der Masse. Da die beiden Potentiale entgegengesetzte Polung aufweisen, addieren sich die Spannungsbeträge der beiden Potentiale zur Gesamtspannung.
Von den Leitungsschutzorganen und Leistungsschaltern 10 führen Kabel 11 zu einem oder mehreren Verteilern 12. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind ein Hauptverteiler 12/1 und zwei Endverteiler 12/2 vorgesehen.
Es werden Kabel 11 verwendet, die eine geradzahlige Anzahl Leitungen zum Leiten der beiden Spiegelpotentiale aufweisen, wobei die die Spiegelpotentiale leitenden Leitungen symmetrisch angeordnet und abwechselnd zum Leiten der beiden Spiegelpotentiale ausgebildet sind, und die Kabel eine die Leitung umhüllende elektrisch leitende Abschirmung aufweisen. Die Leitungen können rotationssymmetrisch zur Längsachse des Kabels und/oder spiegelsymmetrisch zu einer die Längsachse des Kabels beinhaltenden Ebene angeordnet sein.
5A zeigt ein erstes bevorzugte Ausführungsbeispiel eines solchen Kabels 11 in einer Schnittdarstellung. Dieses Kabel 11 weist vier Leitungen 13/1, 13/2, 13/3, 13/4 auf. Diese vier Leitungen 13/1 bis 13/4 sind um die Längsachse des Kabels 11 rotationssymmetrisch angeordnet. Sie sind in Umlaufrichtung abwechselnd mit den Potentialen L und L' belegt. Die Leitungen 13 sind von einer Abschirmung 14 umhüllt. Die Abschirmung 14 ist von einer elektrischen Isolierung 15 umgeben. Vorzugsweise sind die Leitungen 13 entlang der Längsrichtung verdrillt.
Da die beiden Potentiale elektrisch an der Masse gespiegelt sind, erzeugen die Leitungen zueinander komplementäre elektromagnetische Felder, die sich zum Großteil gegenseitig aufheben, so dass lediglich geringe resultierende elektromagnetische Felder verbleiben. Diese resultierenden Felder sind wegen der symmetrischen Anordnung der die Potentiale führenden Leitung und der alternierenden Potentiale in den Leitungen rotationssymmetrisch zur Längsachse des Kabels oder spiegelsymmetrisch zu einer die Längsachse des Kabels beinhaltenden Ebene. Dies bedeutet, dass zu einem bestimmten Potential ein im Betrag gleiches, aber entgegengesetzte Polung aufweisendes Potential in Umfangsrichtung an der Abschirmung vorhanden ist. Auf der Abschirmung werden somit von den resultierenden Feldern Spannungen induziert, wobei entgegengesetzte Spannung mit gleichem Betrag an einer hierzu in Umfangsrichtung versetzten Stelle erzeugt werden. Diese Spannungen werden somit lokal durch in Umfangsrichtung fließende Ströme ausgeglichen, so dass nach außen keinerlei elektromagnetische Felder treten. Da zum einen die resultierenden Felder gering sind und zum anderen der Ausgleich der resultierenden elektromagnetischen Felder lokal erfolgt, werden die elektromagnetischen Felder sehr effizient abgeschirmt. Hierdurch ist es an sich nicht notwendig, die Abschirmung mit Masse zu verbinden. Um jedoch den Vorschriften der IEC/DIN VDE zu entsprechen, sollten die Abschirmungen über Masseleitungen 8d mit Erdpotential verbunden werden, um im Fehlerfall eine Abschaltung der Leitungsschutzorgane zu bewirken. Die Masseleitungen 8d erfüllen somit die Funktion einer Schutzleitung (Kurzschlußschutz, Überlastschutz, Körperschutz). Außerdem wird hierdurch sichergestellt, dass im gesamten Netzwerk das gleiche Massepotential zur Verfügung steht und zudem geringe Restströme sicher abgeleitet werden.
Dieses Kabel ist auch im Hinblick auf die von nicht linearen Lasten erzeugten Netzrückwirkungen vorteilhaft, da die Netzrückwirkungen in der Regel symmetrisch auf den beiden Potentialen L und L' sind. Netzrückwirkungen verursachen bei herkömmlichen Niederspannungsnetzwerken oftmals eine erhebliche induktive Belastung der sich in der Umgebung befindenden elektrisch leitenden Materialien. Beim erfindungsgemäßen Niederspannungsnetzwerk mit gespiegelten Wechselspannungspotentialen und einer symmetrischen Anordnung der Leitungen 13 kompensieren sich auch die durch die NLL verursachten Oberwellen zum Großteil, so dass die resultierenden elektromagnetischen Felder zuverlässig abgeschirmt werden können.
5B zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kabels mit zwei Leitungen 13 für die beiden Wechselspannungspotentiale L, L' und eine Abschirmung 14 und eine Isolierung 15. Die beiden Leitungen 13 sind spiegelsymmetrisch zu einer Ebene 16, die zwischen den beiden Leitungen 13 hindurch verläuft und die Längsachse des Kabels 11 beinhaltet. Auch bei dieser Anordnung der Leitungen 13 erfolgt eine Kompensation der elektrischen Felder aufgrund der entgegengesetzten Polaritäten der Potentiale, wobei die resultierenden elektromagnetischen Felder Spannungen in der Abschirmung verursachen, die lokal ausgeglichen werden. Die in 5A gezeigte Ausführungsform mit vier Leitungen 13 ist jedoch effizienter, da hier eine stärkere Kompensation der elektromagnetischen Felder erzeugt wird.
Gemäß einer Abwandlung des Kabels 11 aus 5B kann auch eine Leitung 17 vorgesehen sein, die mit Masse verbunden ist. In entsprechender Weise kann das Kabel 11 gemäß 5A durch eine mit Masse verbundene Leitung 17 ergänzt sein, die mittig im Kabel angeordnet ist (5D).
Die Abschirmungen der oben gezeigten Kabel erfüllen die gleiche Symmetrieeigenschaft wie die Leitungen 13 zum Führen der gespiegelten Potentiale L, L'.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Leitungen 13 und/oder 17 derart ausgebildet, dass deren Leitungswiderstand etwa halb so groß oder kleiner als der durch die aktuell (Jahr 2007) gültigen Normen (IEC/DIN VDE) vorgegebene Leitungswiderstand ist. Dies ist insbesondere in Verbindung mit Ausgangsspulen 4 der Spannungsquelle vorteilhaft, die einen geringen Widerstand aufweisen. Der Widerstand dieser Ausgangsspulen ist vorzugsweise so gewählt, dass bei einem Kurzschluss zwischen den beiden endseitigen Anschlüssen der Spule eine Spannung an der Spule 4 abfällt, die kleiner als 3% der Nennspannung ist. Vorzugsweise ist diese bei einem Kurzschluss an der Spule abfallende Spannung kleiner als 2% bzw. kleiner als 1% der Nennspannung.
Durch den geringen Widerstand der Leitungen 13 und/oder der Ausgangsspule 4 ist der Spannungsabfall aufgrund der Netzrückwirkung gering, so dass die durch die Netzrückwirkung verursachte Blindleistung gering gehalten werden kann. Hierdurch wird der Klirrfaktor des gesamten Netzwerkes im Vergleich zu herkömmlichen Niederspannungsnetzwerken erheblich reduziert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 werden als Kabel 11 diejenigen gemäß 5A verwendet, wobei die Abschirmungen 14 der Kabel 11 über Masseleitungen 8d mit jeweils einer Masseschiene 7 verbunden sind.
Der Hauptverteiler 12/1 weist drei Verteilerschienen 18 auf, die jeweils mit einem vom Transformator 3 kommenden Kabel 11 verbunden sind. Eine solche Verteilerschiene 18 weist zwei Stromschienen 19 auf, die mit etwas Abstand parallel zueinander angeordnet und von einer Abschirmung 20 bereichsweise umgeben sind. (3A, 3B). Die Abschirmung 20 überdeckt die Stromschiene 19 an ihrer Vorder-, Ober- und Rückseite und bildet somit eine nach unten offene U-Schiene. Die Abschirmung 20 ist mit einer Schirmschiene 21 verbunden, die wieder parallel zu den Stromschienen 19 verläuft. Die beiden Stromschienen 18, 19 sind jeweils mit einer der beiden Potentiale L, L' führenden Leitungen 13 des Kabels 11 und die Schirmschiene 21 ist mit der Abschirmung 14 elektrisch verbunden.
Im Bereich zwischen den Stromschienen 19 ist eine Isolierung vorgesehen, die vorzugsweise aus Kunststoff und insbesondere aus Kunststoffbeton ausgebildet ist, in dem die Stromschienen 19 eingegossen sind. Kunststoffbeton ist zum einen elektrisch isolierend und bietet zum anderen eine hohe mechanische Festigkeit, um den durch die in den Schienen auftretenden Ströme ausgeübten Kräften Stand halten zu können. Die Kurzschlussfestigkeit ist insbesondere im Bereich von 6 kA bis 150 kA. An den Schienen 19, 21 sind nach unten führende Kontaktlaschen 22 angeordnet, die mit den Schienen 19, 21 einstückig verbunden sind. Diese Schienenanordnung befindet sich in einem Gehäuse 23, wobei die Kontaktlaschen 22 am Gehäuse 23 nach unten vorstehen. Die Kontaktlaschen der drei Schienen 19, 21 sind jeweils in Sätzen von drei Laschen angeordnet, wobei jeder Satz eine Kontaktlasche, die mit der Schiene mit dem Potential L, eine Kontaktlasche, die mit der Schiene mit dem Potential L', und eine Kontaktlasche, die mit der Schiene mit Schirm S verbunden ist, aufweist (3A). Bei einem Prototypen wurden folgende Dimensionen verwendet: Nennstrom 600 A, Kurzschlußfestigkeit 100 kA, Schienenquerschnitt 80 × 110 mm. Die Länge kann entsprechend der anlagenspezifischen Anzahl der Abgänge frei gewählt werden.
Durch die parallele und damit spiegelsymmetrische Anordnung der Stromschienen 19 kompensieren sich wiederum die elektromagnetischen Felder zu einem Großteil und die resultierenden elektromagnetischen Felder erzeugen in der Abschirmung 20 Induktionsspannungen, die lokal ausgeglichen werden.
Die 4a, 4b bzw. 4c zeigen eine alternative Ausführungsform der Verteilerschienen 18, mit wiederum zwei Stromschienen 19 und einer Schiene 21. Diese Ausführungsform bietet das Gehäuse 23, die Abschirmung 20 und ist aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet. Das Gehäuse 23 befindet sich in beabstandeten Rahmenfamilienhalterungen 23/1, die aus einem Kunststoffmaterial, wie z. B. PVC, ausgebildet sind. Zwischen den Schienen 19, 21 und dem Gehäuse 23 sind Kunststoffplatten zur Isolierung der Schienen 19, 21 und des Gehäuses 23 angeordnet. Die Kunststoffplatten sind beispielsweise aus PVC ausgebildet. 4b zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Schienen 19, 21 von allen Seiten mit entsprechenden Kunststoffplatten 23/2 abgedeckt sind. Bei Ausführungsform nach 4c sind die Schienen 19, 21 an ihrer Unterseite frei.
Anstelle der Abschirmung 20 kann auch das Gehäuse 23 elektrisch leitend ausgebildet sein. Hier erfolgt dann der Spannungsausgleich der induzierten Spannungen über das Gehäuse.
Bei jeder Verteilerschiene 18 ist an einem Satz Kontaktlaschen 22 ein eingehendes Kabel 11 angeschlossen und an den weiteren Sätzen Kontaktlaschen 22 kann jeweils ein ausgehendes Kabel angeschlossen sein. An den ausgehenden Kabeln ist jeweils ein Leitungsschutzorgan oder Leistungsschalter 10 in unmittelbarer Nähe zum Verteilerschiene 18 vorgesehen, wobei eine Verbindungsleitung von der jeweiligen Schirmschiene 21 am Leitungsschutzorgan 10 vorbeigeführt wird und dann mit der Abschirmung von dem vom Leitungsschutzorgan 10 wegführenden Abschnitt des Kabels 11 verbunden ist. Ein Verteilerkasten, in dem eine oder mehrere derartige Verteilerschienen 18 und entsprechende Leitungsschutzorgane oder Leistungs schalter 10 angeordnet sind ist vorzugsweise aus einem elektrisch leitendem Gehäuse ausgebildet, da die Abschirmung 20 nicht die ungeschirmten Anschlussstellen im Bereich der Kontaktlaschen 22 und die Anschlussstellen der Leitungsschutzorgane oder Leistungsschalter 10 umfassen.
Die Endverteiler 12/2 sind in entsprechender Weise wie der Hauptverteiler 12/1 ausgebildet, wobei einer der beiden Endverteiler wiederum drei Verteilerschienen 18 und der andere lediglich einen einzige Verteilerschiene 18 aufweist.
An den Endverteilern 12/2 sind wiederum mittels Leitungsschutzorganen 10 Kabel 11 angeschlossen, die zu Verbrauchern 24 führen. Da die Endverteiler 12/2 unmittelbar vor den Verbrauchern angeordnet sind, werden sie als Endverteiler bezeichnet. Diese Endverteiler 12/2 können in Gebäuden räumlich weit voneinander beabstandet angeordnet, wie z. B. in unterschiedlichen Stockwerken, um jeweils eine Gruppe von Verbrauchern 24 lokal mit elektrischem Strom zu versorgen.
Nachfolgend wird das Massenetzwerk näher erläutert:
Die Masseleitungen 8a sind Leitungen von der Erdungsschiene 7 zum Gehäuse 18 des Hauptverteilers 12/1, zu den Mittelanzapfungen der Ausgangsspulen 4, zu dem Gehäuse des Transformators 3 und zu dem Gehäuse der USV 2 und zwischen der Erdungsschienen 7 zur Erdung 6. Sie sind als Schutzleitungssystem entsprechend IEC/DIN VDE ausgebildet.
Die Masseleitungen 8b sind Leitungen von den Erdungsschienen 7 zu den Erdungsschienen 7/1 der Endverteiler 12/2. Sie sind als Schutzleitungssystem entsprechend IEC/DIN VDE ausgebildet. Vorzugsweise ist der Widerstand dieser Leitungen nur halb so groß oder kleiner als dies nach IEC/DIN VDE für das Schutzleitungssystem vorgeschrieben ist.
Die Masseleitungen 8c sind Leitungen von den Erdungsschienen 7/1 der Endverteiler 12/2 zu den Verbrauchern 24 für das Schutzleitungssystem entsprechend IEC/DIN VDE. Der Widerstand dieser Leitungen ist vorzugsweise nur halb so groß oder kleiner als dies nach IEC/DIN VDE für das Schutzleitungssystem vorgeschrieben ist.
Die Masseleitungen 8b, 8c dienen auch als Masse-Bypass. Dies wird unten näher erläutert. Der Leitungswiderstand dieser Leitungen ist deshalb sowohl durch die Funktion der Leitungen als Schutzleiter als auch durch den Widerstand der Abschirmungen der Signalleitungen und/oder Stromversorgungsleitungen abhängig von anlagenspezifischen Laststruktur und Ausdehnung des Niederspannungsnetzwerkes bestimmt.
Die Masseleitungen 8d sind Leitungen von den Zentralanschlüssen des gesamten Schirmungssystems der Abschirmungen der Kabel 11 zur Erdungsschiene 7 als Schutzerdung mit einem Widerstand entsprechend IEC/DIN VDE und zum Potentialausgleich der einzelnen Schirmstränge untereinander.
Eine erste Gruppe von Verbrauchern 24/1 umfasst mehrere Datenverarbeitungsgeräte, die über Datenleitungen 25 miteinander verbunden sind. Die Netzteile von Datenverarbeitungsgeräten sind bekanntlich nicht lineare Verbraucher, die erhebliche Netzrückwirkung verursachen (1, 7). Bei dieser Gruppe von Verbrauchern 24/1 ist zu jedem Verbraucher von der Masseschiene 7/1 eine separate Masseleitung 8c geführt, die zumindest mit dem Gehäuse und mit der Abschirmung der mit dem jeweiligen Verbraucher 24/1 verbundenen Datenleitung 25 elektrisch verbunden ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass eventuelle Störsignale über die Masseleitung 8c abgeleitet und nicht auf die Datenleitung eingeprägt werden. Hierbei ist insbesondere von Vorteil, wenn der elektrische Widerstand der Masseleitung 8c zur nächsten Masseschiene 7 geringer ist als der elektrische Widerstand der Abschirmung der entsprechenden Datenleitung(en) zwischen den Verbrauchern, die Nichtlineare Lasten darstellen.
Nach einer anderen Ausführungsform können eine Gruppe von Verbrauchern 24/2 mit einer separaten Masseschiene 26 bzw. einer niederohmigen Masseleitung 26 gemeinsam auf Masse gelegt sein. Diese Masseschiene 26 ist wiederum über eine Masseleitung 8c mit einer weiteren Masseschiene 7/1 eines der Endverteiler 12/2 verbunden. Auch bei dieser Verschaltung der Masse ist der Widerstand der Verbraucher zur Masse geringer zu halten, als der elektrische Widerstand der Abschirmung der Datenleitung 25 zwischen den Verbrauchern. Dies bedeutet, dass der elektrische Widerstand von den Verbrauchern 24/2 zu der Masseschiene 26 und auf der Masseschiene 26 geringer sein sollte als der elektrische Widerstand des entsprechenden Abschnittes der Datenleitung 25. Hierdurch wird sichergestellt, dass Störsignale nicht über die Abschirmung in dem Abschnitt zwischen den beiden Verbrauchern 24/2, sondern über die Masseschiene 26 übertragen werden, die einen Art Masse-Bypass zu dem korrespondierenden Abschnitt der Abschirmung der Datenleitung 25 bildet. Weiterhin bilden die Masseleitung 8c zwischen der Masseschiene 26 und der Masseschiene 7/1, die Masseschiene 7/1, die Masseleitung 8b zwischen den Masseschienen 7/1 und 7 einen Masse-Bypass zu der Masseverbindung von einem der Verbraucher 24/2 zur Masseschiene 7, die über die Abschirmungen 14 der Kabel 11, den entsprechenden Verteilerschienen 18 und der entsprechenden Masseleitung 8d verläuft. Auch dieser Masse-Bypass sollte einen geringeren Widerstand als die parallele Masseverbindung aufweisen, um zu verhindern, dass Störpotentiale über die Abschirmungen der Kabel 11 übertragen werden.
Zum Abschnitt der Datenleitung zwischen den Verbrauchern 24/1 und 24/2 ist ein weiterer Masse-Bypass über die Masseleitungen 8c, Masseschienen 7/1, Masseleitungen 8b und der Masseschiene 7 ausgebildet, dessen Widerstand wiederum geringer als der des korrespondierenden Abschnittes der Datenleitung 25 sein soll.
Es ist vor allem von Vorteil, wenn zu Datenleitungen Masse-Bypässe vorgesehen werden, da Datenleitungen am empfindlichsten gegenüber Störpotentialen sind. Derartige Masse-Bypässe sind jedoch auch bzgl. der Stromversorgungsleitungen (= Kabel 11) zweckmäßig.
Diese Masse-Bypässe haben vorzugsweise einen elektrischen Widerstand, der nicht größer als 50% und insbesondere nicht größer als 30% bzw. 10% des entsprechenden Abschnittes der geerdeten Abschirmung der Datenleitungen ist.
Es ist selbstverständlich möglich, dass unterschiedlich an Masse angebundene Verbraucher an eine gemeinsame Datenleitung angeschlossen sind.
Eine weitere Gruppe von Verbrauchern 24/3 ist mit einem Filter an jeweils eines der Kabel 11 angeschlossen, wobei die Abschirmung des Kabels 11 auf Masse gelegt ist und mit dem Masseanschluss am Filter 27 vorbeiführend verbunden ist. Dieser Filter ist schematisch in 9 gezeigt. Er umfasst vier Kondensatoren 28 und zwei induktive Widerstände 29. Es sind jeweils zwei Kondensatoren C1, C2 und C3, C4 in Reihe zwischen den Leitungen der beiden Potentiale L, L' geschaltet. Die Verbindungsstelle zwischen den beiden Kondensatoren ist jeweils mit einer Leitung auf Masse gelegt. Die Widerstände 29 befinden sich in den Leitungen der Potentiale L, L' im Bereich zwischen den beiden Reihenschaltungen der Kondensatoren. Diese Art von Filter sind an sich bekannt. Erfindungsgemäß sind die Filter auf das Oberwellenspektrum der Verbraucher und insbesondere auf die Spiegelspannung abgestimmt. Insbesondere sind die Filter auf die dritte, fünfte und siebte Oberwelle abgestimmt, da diese Oberwellen bei nicht linearen Verbrauchern aktuell am intensivsten auftreten. Diese entsprechenden Oberwellen werden über die Kondensatoren auf Masse abgeleitet. Sind die Störsignale zur Masse gespiegelt, was häufig der Fall ist, dann kompensieren sich die Störsignale auf Masse und der resultierende Strom in der Masseleitung ist Null bzw. sehr gering.
Es kann auch zweckmäßig sein, eine solche Filteranordnung unmittelbar nach der Spannungsquelle vorzusehen, wobei die Störsignale im Wesentlichen ungefiltert von den Verbrauchern bis zu den Filtern gelangen. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, wenn eine Vielzahl von Verbrauchern vorgesehen ist, können die einzelnen Oberwellen der unterschiedlichen Verbraucher sich im statistischen Mittel an dem jeweiligen Filter kompensieren, wobei der Reststrom auf Masse abgeführt wird. Da mit den erfindungsgemäßen Kabeln auch bei der Übertragung von höherfrequenten Oberschwingungen praktisch keine Abstrahlung erfolgt, stellt es für das erfindungsgemäße Niederspannungsnetzwerk kein Problem dar, diese "Störsignale" von den Verbrauchern bis zu den Filtern zu übertragen. 6 zeigt eine alternative Spannungsquelle für das Niederspannungsnetzwerk nach 1, die ein motorgetriebener symmetrischer Spannungswandler 30 ist. Dieser Spannungswandler 30 weist einen Elektromotor (nicht dargestellt) auf, der über die Eingangsseite des Spannungswandlers von einem Drehstrom gespeist wird. Der Motor treibt einen in den Spannungswandler integrierten Generator an, der zumindest eine (hier drei) Ausgangsspule aufweist, die zur Abgabe einer gespiegelten Wechselspannung ausgebildet ist. Die beiden Wechselspannungspotentiale L und L' liegen an den Enden der Ausgangsspulen 4 an. Die Mitten der Ausgangsspulen 4 sind jeweils mit Masse verbunden, so dass die beiden Potentiale L und L' an Masse gespiegelt sind. Mit einem derartigen Spannungswandler wird das Niederspannungsnetzwerk, das an den Ausgangsspulen 4 angeschlossen ist, galvanisch von der Eingangsseite des Spannungswandlers 30 getrennt.
Bedarfsweise ist der Spannungswandler mit einer Batteriepufferung ausgebildet, die bei einem Ausfall der Spannungsversorgung auf der Eingangsseite den Generator eine vorbestimmte Zeitdauer weiter betreibt. Hierdurch übernimmt der Spannungswandler auch die Funktion einer unterbrechungsfreien Spannungsquelle.
10 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Niederspannungsnetzwerkes, wobei hier anstelle einer Spannungsquelle mit drei Ausgangsspulen eine Spannungsquelle mit lediglich einer einzigen Ausgangsspule verwendet wird, so dass hier lediglich ein Paar an Masse gespiegelter Wechselspannungspotentiale L und L' zur Verfügung steht. Hier ist auch lediglich ein einziger Verteiler mit einer einzigen Verteilerschiene vorgesehen.
11 zeigt einen motorgetriebenen symmetrischen Spannungswandler, der eingangsseitig einen einphasigen Anschluss (z. B. L/N = 230 VAC)- oder zwei-phasigen Anschluss aufweist (L1/L2 = 400 VAC) und an der Ausgangsseite ist lediglich eine einzige Ausgangsspule 4 zur Erzeugung zweier an Masse gespiegelter Spannungspotentiale vorgesehen. Der Spannungswandler kann auch einen dreiphasigen Eingang aufweisen. Gleichermaßen kann ein symmetrischer Transformator ein-, zwei- oder dreiphasig ausgebildet sein.
Die Erfindung kann folgendermaßen kurz zusammengefasst werden:
Die Erfindung betrifft ein Niederspannungsnetzwerk für Gebäude, bei dem eine an Masse gespiegelte Spiegelspannung eingesetzt wird und die Leitungen der Kabel eine Symmetrie aufweisen. Die Kabel sind mit einer Abschirmung versehen. Da die Wechselspannungspotentiale an Masse gespiegelt sind und die Leitungen im Kabel eine Symmetrie aufweisen, werden die in der Abschirmung induzierten Spannungen durch lokale Ströme ausgeglichen.
Vorzugsweise sind die Leitungen mit einem geringen Widerstand und die Spannungsquellen mit einem geringen Innenwiderstand ausgebildet, was in Verbindung mit einer Spiegelspannung den Einfluss von Störsignalen aufgrund von Netzrückwirkungen gering hält.

1: Spannungsquelle
2: Rotierende USV
3: Transformator
4: Ausgangsspule
5: Kabel
6: Erdungsanschluss
7: Masseschiene
8: Masseleitung
9: Potentialleitung
10: Leitungsschutzorgan
11: Kabel
12: Verteiler
12/1: Hauptverteiler
12/2: Endverteiler
13: Leitung
14: Abschirmung
15: Isolierung
16: Ebene
17: Leitung
18: Verteilerkasten
19: Stromschiene
20: Abschirmung
21: Schirmschiene
22: Kontaktlasche
23: Gehäuse
24: Verbraucher
24/1: digitales Datenverarbeitungsgerät
24/2: digitales Datenverarbeitungsgerät
24/3: Verbraucher
25: Datenleitung
26: Masseschiene
27: Filter
28: Kondensator
29: Widerstand
30: Motor getriebener symmetrischer Spannungswandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5640314 [0019]
- US 6060876 [0019, 0039]
- US 39108 E [0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Fachzeitschrift „de 5/2006" [0010]
- J. Blasczok, EMV in der Gebäudetechnik", Ausgabe 7/2002 der Zeitschrift TAB (Technik am Bau) [0011]
- http://www.equitech.com/support/BPSpecs.doc [0022]
- US-Standard 2005 National Electrical Code, Artikel 647 [0023]

Claims

Niederspannungsnetzwerk für Gebäude umfassend – eine Spiegelspannungsquelle (1) mit zwei an Masse gespiegelten Wechselspannungspotentialen, – Kabel (11), die eine geradzahlige Anzahl Leitungen (13) zum Leiten der beiden Spiegelpotentiale aufweisen, wobei die Leitungen (13) symmetrisch angeordnet und abwechselnd zum Leiten der beiden Spiegelpotentiale ausgebildet sind, und die Kabel (11) eine die Leitungen (13) umhüllende elektrisch leitende Abschirmung (14) aufweisen.
Niederspannungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (13) verdrillt sind.
Niederspannungsnetzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (14) mit Masse verbunden ist.
Niederspannungsnetzwerk für Gebäude umfassend eine Spiegelspannungsquelle (1) mit zwei an Masse gespiegelten Wechselspannungspotentialen zur Abgabe einer Nennspannung wobei die Spiegelspannungsquelle (1) einen Transformator oder einen Generator aufweist, der eine ausgangsseitige Spule (4) aufweist, die an zwei Anschlüssen endet, an welchen die beiden gespiegelten Potentiale anliegen, und der Widerstand der Spule (4) derart bemessen ist, dass bei einem Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen eine Spannung an der Spule abfällt, die kleiner als 3% der Nennspannung ist.
Niederspannungsnetzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bei einem Kurzschluss an der Spule abfallende Spannung kleiner als 2% der Nennspannung und vorzugsweise kleiner als 1% der Nennspannung ist.
Niederspannungsnetzwerk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist.
Niederspannungsnetzwerk für Gebäude umfassend – eine Spiegelspannungsquelle (1) mit zwei an Masse gespiegelten Wechselspannungspotentialen, Kabel (11) mit Leitungen (13) für die beiden symmetrischen Wechselspannungspotentiale, deren Leitungswiderstand nur halb so groß oder kleiner ist, als dies nach IEC/DIN VDE bezogen auf das vorgeschaltete Leitungsschutzorgan und den anlagenspezifischen Parametern vorgeschrieben ist
Niederspannungsnetzwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Niederspannungsnetzwerk für Gebäude, das eine Spiegelspannungsquelle aufweist und mit Masseleitungen (8b, 8c, 26, 7/1) versehen ist, welche parallel zu einem Abschnitt einer Datenleitung (25) und/oder einer Stromversorgungsleitung (11) verlaufen, wobei der Widerstand der Masseleitungen (8b, 8c, 26, 7/1) geringer als eine mit Masse verbundene Abschirmung der Datenleitungen (25) und/oder der Stromversorgungsleitungen (11) dieses Abschnittes ist.
Niederspannungsnetzwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand der Masseleitungen nicht mehr als 70% und vorzugsweise nicht mehr als 50% der mit Masse verbundenen Abschirmung der Datenleitungen (25) und/oder der Stromversorgungsleitungen (11) dieses Abschnittes beträgt.
Niederspannungsnetzwerk nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zu allen Abschnitten der Datenleitungen (25) zwischen zwei Nichtlineare Lasten (24) jeweils eine solche parallele Masseleitung (8b, 8c, 26, 7/1) vorgesehen ist.
Niederspannungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu den mit Masse verbundenen Abschirmungen (14) aufweisenden Stromversorgungsleitungen (11) paralleles Massenetzwerk mit zu den Abschirmungen (14) zusätzlichen Masseleitungen (8b, 8c, 26, 7/1) vorgesehen ist.
Niederspannungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zu allen Abschnitten der Datenleitungen und der Stromversorgungsleitungen parallele Masseleitungen vorgesehen sind, deren Widerstände geringer als eine mit Masse verbundene Abschirmung der Datenleitungen (25) und/oder der Stromversorgungsleitungen (11) dieser Abschnitte sind.
Stromverteilerschiene für ein Niederspannungsnetzwerk mit einer Spiegelspannungsquelle mit zwei an Masse gespiegelten Wechselspannungspotentialen, wobei die Stromverteilerschiene (18) zwei parallel angeordnete elektrisch leitende Stromschienen (19) zum Führen jeweils eines der Spiegelpotentiale auf weist und die beiden Stromschienen (19) mit einer elektrisch leitenden Abschirmung (20) versehen sind, und an jeder Stromschiene (19) mehrere Anschlusslaschen (2) zum Anschließen von Leitungen (13) des Niederspannungsnetzwerkes angeordnet sind.
Stromverteilerschiene nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stromschienen (19) ein Isolationsmaterial angeordnet ist.
Stromverteilerschiene nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienen (19) in Kunststoffbeton eingegossen sind.
Stromverteilerschiene nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Schiene (21) zum Anschluss von Masse vorgesehen ist, die mit mehreren Anschlusslaschen (22) zum Anschließen jeweils einer Masseleitung (8) versehen ist.
Stromverteilerschiene nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienen (19) von einer Abschirmung umgeben sind.
Stromverteilerschiene nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung ein Gehäuse der Stromverteilerschiene bildet.
Stromverteilerschiene nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung mit Masse verbunden ist.
Stromverteilerschiene nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstand der Stromverteilerschienen nur halb so groß oder kleiner ist, als dies nach IEC/DIN VDE bezogen auf das vorgeschaltete Leitungsschutzorgan und den anlagenspezifischen Parametern vorgeschrieben ist
Verteilerkasten, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkasten ein elektrisch leitendes Gehäuse und zumindest eine Stromverteilerschiene nach einem der Ansprüche 14 bis 21 aufweist.
Spannungswandler zum Wandeln einer nicht gespiegelten Spannung in eine gespiegelte Spannung mit – einem Elektromotor, der von der nicht gespiegelten Spannung angetrieben wird, und – einem Generator zur Erzeugung einer gespiegelten Spannung, wobei der Generator an den Elektromotor gekoppelt ist.
Spannungswandler nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler eine Batterieeinheit zum Puffern eines Spannungsausfalls der nicht gespiegelten Spannung.
Spannungswandler nach Anspruch 23 oder 24 dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (30) Bestandteil eines Niederspannungsnetzwerkes nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ist.