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Die Erfindung betrifft ein eine Vorrichtung zur Isolation von Leitern insbesondere in Stromschienen im Nieder- und Mittelspannungsbereich. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Stromschiene mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Stromschiene.
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Stromschienen, auch als Sammelschienen oder als Leiterschienen bezeichnet, finden beispielsweise in Schaltschränken und im Anlagenbau breite Verwendung. Insbesondere im Mittelspannungsbereich zwischen einem Gleichrichter und einem Umrichter zur Ansteuerung großer Motoren werden häufig Stromschienen verwendet. Da Stromschienen zumeist in Bereichen eingesetzt werden, in denen Leiter und Isolatoren durch Partikelablagerung, wie Staub, Öl und Feuchtigkeit, verschmutzt werden, besteht die Gefahr von Kriechströmen. Diese Kriechströme können ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen. Kriechströme entstehen vorzugsweise durch Staubablagerungen auf Isolatoren, insbesondere begünstigt durch starke elektrische Felder zwischen den Leitern von Stromschienen. Durch Kriechströme können zum Beispiel einzelne Bereiche einer Staubschicht ausgetrocknet werden. Diese Bereiche weisen dann gegebenenfalls hohe elektrische Feldstärken auf. Unkontrollierte Entladungen und somit die Zerstörung von Bauteilen – und somit ein teurer Wartungsaufwand – sowie der Ausfall der angeschlossenen elektrischen Maschinen können die Folge sein.
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Isolatoren, die in ihrem Inneren Leiterschichten aufweisen, finden heute schon in der Hochspannungstechnik Verwendung. Die einzelnen Leiterschichten sind jedoch nicht zugänglich sondern vollständig durch Isolationsmaterial eingeschlossen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels einer verbesserten Isolation Kriechströme auf der Oberfläche des Isolators in Stromschienen zu vermindern.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Leiterschichten zumindest stellenweise aus dem Isolator hinausragen, sowie dass die Leiterschichten untereinander – und/oder mit den Leitern – über Widerstände und/oder Kondensatoren verbunden sind.
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Diese Aufgabe wird weiterhin durch eine Stromschiene gemäß Anspruch 9 sowie durch einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Stromschiene nach Anspruch 10 und 11 gelöst.
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Die Leiterschichten können durch ein aufeinanderlegen von Leiterschichten und Isolatoren dergestalt aufgebaut werden, dass zwischen zwei Isolatoren jeweils eine Leiterschicht eingefügt wird. Eine stabile Verbindung kann durch Verkleben der einzelnen Schichten oder durch ein Gießverfahren realisiert sein. Dabei kann die Leiterschicht entweder bis auf eine Kontaktstelle vom Isolator umfasst sein, ein gleiches Außenmaß aufweisen oder bereichsweise aus dem Isolator herausragen. Die einzelnen Platten können dabei durch ein Netzwerk mittels Widerständen oder Kondensatoren untereinander in Verbindung stehen. Hierbei gibt es mehrere Kombinationsmöglichkeiten: Zunächst können die Leiterschichten jeweils durch einen Widerstand und/oder einen Kondensatoren verbunden werden. Einzelne Leiterschichten können zudem über einen Widerstand und/oder einen Kondensator zum Masseleiter oder dem Gehäuse verbunden werden. Ferner können die so verbundenen Leiterschichten auch über einen Widerstand und/oder einen Kondensator mit einer der Leiter verbunden sein. Diese Anordnung ermöglicht eine Reduktion des elektrischen Feldes innerhalb sowie an der Oberfläche des Isolators. Innerhalb von zwei Leiterschichten wird das elektrische Feld abgeschirmt, solange keine Verbindung zu einem der Leiter steht. Die Potentiale der einzelnen Leiterschichten können durch eine Verbindung der Leitschichten über (hochohmige) Widerstände eingestellt werden. Derartig definierte Potentiale auf einzelnen Leiterschichten, welche zwischen den Leitern positioniert sind, erlauben eine zweckdienliche Modifikation des elektrischen Feldes. Durch die, gegebenenfalls bereichsweise vorliegende, Verminderung der elektrischen Feldstärke werden Kriechströme auf der Oberfläche des Isolators reduziert. Falls die Leiterschichten mit der Masseleitung verbunden sind können eventuell auftretende Kriechströme abgeleitet werden, bevor diese einen Leiter erreichen und gegebenenfalls die Stromschiene derart beschädigen, dass unkontrollierte Entladungen eine Folge sein können. Eine Verbindung einzelner Leiterschichten und/oder Leiter miteinander durch Kondensatoren ist zweckmäßig, falls sich die Spannung, welche an den Leitern der Stromschiene anliegt, zeitlich verändert. Dies gilt insbesondere bei Störsignalen, in diesem Zusammenhang auch als Streuströme bezeichnet. Zudem sind Kondensatoren gegebenenfalls für einen, unten beschriebenen, Messprozess notwendig oder können für eine aktive Steuerung der Verschaltung herangezogen werden.
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Die in den Ansprüchen 10 und 11 beschriebenen Verfahren eignen sich sowohl zur Herstellung neuer Isolatoren, die zum Einbau in Stromschienen Verwendung finden. Ferner eignet sich insbesondere das Verfahren gemäß des Anspruchs 11 für die Erweiterung von Stromschienen, bei denen Leiterschichten innerhalb der Isolation schon vorhanden sind. Diese Leiterschichten können beispielsweise durch eine spanende Bearbeitung zugänglich gemacht werden. Ferner kann auch die bestehende Isolation gegen eine Isolation ersetzt werden, welche Leiterschichten aufweist. Nachfolgend kann der Anschluss der elektronischen Komponenten, wie beispielsweise Widerstände, erfolgen. Einen Einsatz von Isolatoren, der schon Leiterschichten aufweist, lässt sich zudem in einfacher Weise in einen bestehenden Herstellungsprozess einbinden. Die Verbindung der Leiter und/oder der Leiterschichten sind nachfolgend auszuführen. Dieses Verfahren zur Nachrüstung bestehender Stromschienen kann während gewöhnlicher Wartungsarbeiten im Rahmen eines Austausches des Isolators erfolgen. Bei der Herstellung neuer Stromschienen muss das Herstellungsverfahren der Stromschienen nicht wesentlich verändert werden, da nur der Isolator verändert ist. Gegebenenfalls notwendige Zusatzelemente wie Widerstände oder eine Messvorrichtung können nach der Produktion integriert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sind die Leiter über in Reihe geschaltete Widerstände verbunden und jeweils zwischen zwei in Reihe geschalteten Widerständen besteht eine Verbindung zu einer Leiterschicht. Diese Ausgestaltungsform wirkt analog zu einem unbelasteten Spannungsteiler, so dass die Potentiale der einzelnen Leiterschichten durch die Widerstandswerte definiert sind. Auf diese Weise lassen sich die Feldstärken den bereichsweise auftretenden Gefährdungen eines Kriechstroms anpassen. Eine oberflächliche Ablagerung von Partikeln führt so nur noch in vermindertem Maße zu einem Kriechstrom. Überdies wird dieser Kriechstrom in seiner, orthogonal zu den Leitern verlaufenden, Ausbreitungsrichtung gehemmt, falls der Verlauf des Kriechstroms eine Leiterschicht kreuzt, welche die Oberfläche des Isolators berührt. Es bleibt jedoch zu beachten, dass der Widerstandswert zwischen den Leitern so hoch sein muss, dass die auftretende Verlustleistung die Widerständen nicht zerstört. Daher sind Widerstandswerte im Bereich von mindestens einigen Hundert Megaohm bis zu Werten im Gigaohmbereich zu wählen. Werden nur Leiterschichten und/oder eine Masseleitung verbunden, können die Widerstandswerte auch geringer sein. Gegebenenfalls ist eine aktive Steuerung der Widerstände denkbar, um die Widerstandswerte optimal zu gestalten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weisen alle Widerstände den gleichen Widerstandswert auf und die Leiterschichten befinden sich in äquidistantem Abstand zueinander sowie zu den Leitern. Falls alle Widerstände zwischen den Leitern und Leiterschichten den gleichen Widerstandswert aufweisen, so ist die Summe der Potentialdifferenzen zwischen den Leitern und der Leiterschichten minimal. Bei einem jeweils äquidistanten Abstand von elektrisch leitfähigen Elementen, die der Leiter und dazwischen angeordneten Leiterschichten und bei gleichen Widerstandswerten werden die auftretenden elektrischen Felder auf ein Minimum reduziert. In dieser Ausgestaltungsform werden mit der Minimierung des elektrischen Feldes nicht nur Kriechströme vermindert, sondern auch die Neigung einer unkontrollierten Entladung vermindert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform sind die die Widerstände als eine leitfähige Beschichtung der Isolation, beispielsweise als ein leitfähiges Polymer, ausgebildet. Die Beschichtung der Oberfläche des Isolators entspricht der zuvor dargestellten Schaltung eines Spannungsteilers, falls ein Kontakt zwischen den Leitschichten und der leitfähigen Beschichtung besteht. Die leitfähige Beschichtung muss jedoch die Leiterschichten nicht berühren. Dies kann beispielsweise durch eine Aussparung der leitfähigen Beschichtung um die Anschlüsse der Leiterschichten herum sowie eine ansonsten vollständige Umfassung der Leiterschichten durch den Isolator realisiert sein. Es ist in den meisten Fällen ausreichend, nur diejenigen Flächen zu beschichten, welche nicht von einem Leiter bereichsweise überdeckt sind. Die leitfähige Beschichtung kann dabei beispielsweise aus Kunststoffen oder Lacken bestehen, in welche Nanokristalle, beispielsweise Aluminiumcluster, eingebettet sind. Leitfähige Kunststoffen, deren Polymere eine π-konjugierte elektronische Struktur aufweisen, können ebenfalls verwendet werden. Bei der Beschichtung ist darauf zu achten, dass der Widerstandswert zwischen den Leitern mindestens im Gigaohmbereich (~10^9 Ohm) liegt. Neben dem Ausgleich der elektrischen Potentiale auf den Leiterplatten und Leitern kann die aufgebrachte leitfähige Beschichtung, beispielsweise durch eine Variation der Dicke der Schicht, zu einer direkten Steuerung der Feldstärke an der Oberfläche des Isolators dienen. Zudem kann ein gegebenenfalls auftretender Kriechstrom durch die leitende Beschichtung verhindert werden, da aufgrund des geringeren Widerstandes der Beschichtung im Vergleich zur Partikelschicht, die auftretenden Ströme durch die leitfähige Beschichtung abgeleitet werden. So kann eine stellenweise Austrocknung wirksam vermindert werden und so die Gefahr unkontrollierter Entladung erheblich reduziert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Vorrichtung Anschlüsse für ein Messgerät auf, wobei das Messgerät zur Kontrolle des elektrischen Stroms, der Differenz der elektrischen Ladung und/oder der elektrischen Spannung zwischen den Leiterschichten oder zwischen den Leiterschichten und der Masseleitung vorgesehen ist. Neben einer Kontrolle des elektrischen Feldes kann ein gegebenenfalls auftretender Kriechstrom zwischen den Leitern und/oder den Leiterschichten durch den Anschluss eines Messgerätes nachgewiesen werden. Zusätzlich kann die Ladung auf den Leiterschichten bestimmt werden. Das Messergebnis kann in regelmäßigem zeitlichem Abstand erfasst werden. Durch diese Methode kann beispielsweise das optimale Wartungsintervall der Stromschiene ermittelt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist ein Vergleich des Messergebnisses mit einem Sollwert vorgesehen. Bei einer Überschreitung des Sollwertes erfolgt die Auslösung eines vorher festgelegten Ereignisses, beispielsweise eines Alarmsignals. Das Ergebnis eines oben vorgestellten Messprozesses kann nicht nur mit einem festgelegten Sollwert verglichen werden, sondern es kann zusätzlich auch eine zeitliche Veränderung einzelner Größen wie des Widerstandswertes zwischen den Leitern und/oder den Leiterschichten oder die Potentialdifferenz zwischen den Leiterschichten registriert werden. Beim Überschreiten eines bestimmten Wertes dieser Messgrößen und/oder der Veränderung derselben kann beispielsweise auf eine Verschmutzung geschlossen werden. Durch ein Signal, wie beispielsweise das Aufleuchten einer Signalleuchte nahe der Stromschiene oder ein automatische Generierung einer Nachricht kann eine optische Kontrolle erfolgen. Weiterhin kann ein vorhandenes System zur Reinigung der Stromschiene aktiviert – und/oder die Spannungsversorgung der Stromschiene unterbrochen werden, so dass angeschlossene elektronische Geräte nicht gefährdet sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Kriechstrom an der Außenseite des Isolators zur Stromversorgung des Messgerätes vorgesehen. Eine externe Spannungsversorgung eines Messprozesses, wie beispielsweise für einen Operationsverstärker ist nicht gegen Ausfälle gesichert. Zudem ist die Zeitspanne, bis eine Ablagerung von Partikeln zu einer Störung der Stromschiene führt, unter gewöhnlichen Umständen sehr lang. Der Messprozess kann beispielsweise durch eine Leuchtdiode, die über einen Kondensator mit den Stromschienen verbunden ist, erfolgen. Fließt ein Strom zwischen beiden Platten, so erfolgt eine zeitliche Änderung der Potentialdifferenz zwischen den Leiternschichten. Die Spannungsänderung zwischen den Leiterschichten führt zu einem Stromfluss durch den Kondensator und so zu einem Aufleuchten der Leuchtdiode. Dieses Licht wird beispielsweise über einen Leichtleiter zu einem Detektor geleitet werden, der ein Alarmsignal auslöst.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform sind die Widerstandswerte und/oder Kapazitäten durch eine aktive Schaltung den Erfordernissen entsprechend angepasst. Eine aktive Schaltung dient der Anpassung der Widerstandswerte oder Kapazitäten der Bauelemente, welche an den Leitern und/oder den Leiterschichten angeschlossen sind. So kann Rücksicht auf die vorliegenden Einsatzbedingungen genommen werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 den Querschnitt einer Stromschiene mit Leiterschichten, die über Widerstände verbunden sind,
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2 den Querschnitt einer Stromschiene mit zusätzlicher Messvorrichtung, sowie
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3 eine Stromschiene im Querschnitt mit leitfähiger Beschichtung auf einer zugänglichen Oberfläche des Isolators.
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1 zeigt den Querschnitt einer Stromschiene 7 mit Leiterschichten 4, die über Widerstände 5 verbunden sind. Die Stromschiene besteht aus Leitern 1, 2, einem Isolator 3, welcher gegebenenfalls aus mehreren Schichten besteht. In den Isolator 3 eingearbeitet befindet sich Leiterschichten 4, die parallel zu den Leitern 1, 2 liegen. Die einzelnen Leiterschichten 4 sind über Widerstände 5 untereinander und mit den Leitern 1, 2 verbunden. Dabei erfolgt die Verschaltung analog zu einem Spannungsteiler. Die Leiterschichten 4 können beispielsweise durch Verklebung mit den einzelnen Schichten des Isolators 3 verbunden sein. Durch die Widerstände 5 können Ladungen von den Leitern auf die Leiterschichten 4 gelangen. So kann das elektrische Potential der Leiterschichten 4 durch die Widerstandswerte der Widerstände 5 eingestellt werden. Die elektrischen Potentiale sowie der Abstand der Leiterschichten 4 zu den Leitern 1, 2 oder zu den Leiterschichten 4 bestimmen die Feldstärke des elektrischen Feldes. Bei einer äquidistanten Anordnung und gleichen Widerstandswerden (möglichst im Gigaohm-Bereich) wird die elektrische Feldstärke minimal. Somit kann ein Kriechstrom selbst bei einer erheblichen Partikelablagerung auf dem Isolator wirksam gehemmt werden und die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen der Stromschiene 7 durch unkontrollierte Entladungen herabgesetzt werden. Zudem würde ein Kriechstrom, wie oben erwähnt, durch die Widerstände zur Masse abgeleitet.
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2 zeigt den Querschnitt einer Stromschiene 7 mit zusätzlicher Messvorrichtung 8. Wie zuvor besteht die Stromschiene 7 aus den Leitern 1, 2, welche auf der Ober – und Unterseite des Isolators 3 befestigt sind. Im Isolator 3 befinden sich die Leiterschichten 4, an die eine Messvorrichtung 8 angeschlossen ist. Mit dieser Messvorrichtung 8 kann der Widerstand, der Strom und die elektrische Spannung zwischen den Leiterschichten 4 gemessen werden. Dabei entspricht die Messung des Stromflusses einer direkten Messung des Kriechstroms. Eine Messung des Widerstandes entspricht der Messung der Leitfähigkeit der Oberfläche und kann deshalb zu einer Bestimmung des Grades der Verschmutzung der Oberfläche des Isolators 3 durch Partikelablagerung herangezogen werden. Der Widerstand zwischen den Leiterschichten 4 ist im Falle eines Isolators 3 ohne Partikelablagerungen praktisch unendlich. Falls dennoch ein endlicher Widerstand detektiert wird, so kann dies auf eine Verbindung zwischen einem Leiter 1, 2 und einer Leiterschicht 4 hinweisen. Gemäß dem Patentanspruch 6 kann der Messwert mit einem Sollwert verglichen werden und beispielsweise einen Reinigungsprozess oder ein Alarmsignal auslösen.
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3 zeigt eine Stromschiene 7 im Querschnitt mit leitfähiger Beschichtung auf einer zugänglichen Oberfläche des Isolators 3. Analog zu vorhergehenden Figuren begrenzen die Leiter 1, 2 oben und unten den Isolator 3, in den Leiterschichten 4 eingebettet sind. Zusätzlich befindet sich auf der Oberfläche des Isolators 3, auf denen kein Leiter 1, 2 aufliegt, eine leitfähige Beschichtung 9. Diese leitfähige Beschichtung verbindet die Leiter 1, 2 und die Leiterschichten 4. So ist eine, einem unbelasteten Spannungsteiler analoge Vorrichtung realisiert. Zudem ist die leitfähige Beschichtung in der Lage, Kriechströme abzuleiten – die ansonsten in unvorteilhafter Art und Weise die Partikelbeschichtung beeinflussen können. Die leitfähige Beschichtung 9 kann gegebenenfalls auch durch eine Lackierung der zugänglichen Seiten des Isolators 3 erfolgen.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Isolation von Leitern 1, 2 insbesondere in Stromschienen 7 im Mittel- und Niederspannungsbereich. Diese weist mindestens zwei Leiter 1, 2 sowie mindestens einen, zwischen den Leitern 1, 2 befindlichen, Isolator 3, innerhalb dessen sich Leiterschichten 4 befinden, auf. Diese Leiterschichten 4 sind vorzugsweise aus Metall gefertigt. Für eine Verbesserung der Isolation und eine Verminderung von Kriechströmen sieht diese Erfindung vor, dass die Leiterschichten 4 zumindest stellenweise aus dem Isolator 3 hinausragen, so dass sich die Leiterschichten 4 untereinander – und/oder mit den Leitern 1, 2 – über Widerstände 5 und/oder Kondensatoren verbunden sein können. Zusätzlich kann die Spannung, der Stromfluss oder die Ladungsdifferenz zwischen den Leitern 1, 2 und/oder den Leiternschichten 4 mit einer Messvorrichtung 8 gemessen werden.
