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Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung zum Schutz eines Transformators, einer Wechselstromquelle und/oder einer Wechselstromsenke, mit einem Transformator, dessen eine Wicklung über eine erste und zweite Leitung mit einer Wechselstromquelle oder einer Wechselstromsenke verbunden ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schutz eines über eine erste und eine zweite Leitung an eine Wechselstromquelle oder Wechselstromsenke angeschlossenen Transformators, und/oder zum Schutz der Wechselstromquelle bzw. Wechselstromsenke.
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Wenn ein Transformator an einer Wechselstromquelle oder einer Wechselstromsenke betrieben wird, tritt häufig auch ein Gleichstromanteil auf. Dieser Gleichstromanteil kann dazu führen, dass der Transformator in die Sättigung gelangt. Verluste steigen durch den Gleichstromanteil im Transformator auch bereits an, ehe dieser in die Sättigung gelangt. Dies gilt es zu verhindern. Durch den Gleichstromanteil und durch den in der Sättigung betriebenen Transformator kann auch die Wechselstromquelle oder Wechselstromsenke beschädigt werden.
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Es wurden Ansteuerverfahren entwickelt, mit denen der Gleichstromanteil durch eine steuerbare Wechselstromquelle oder -senke einstellbar ist. Allerdings ändert sich der Gleichstromanteil oftmals schwer vorhersehbar durch externe Einflüsse, wie z.B. Laständerung, Temperatur etc. Vorteilhaft wäre eine Regelung des Gleichstromanteils, also eine Steuerung in Abhängigkeit eines Messwerts des Gleichstromanteils. Je höher die Anforderungen an eine Verringerung der Verlustleitung sind, desto genauer sollte eine solche Regelung sein.
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Es ist daher notwendig, den Gleichstromanteil mit ausreichender Genauigkeit messen zu können. Hierfür ist z.B. bei einem Transformator für 500 A Wechselstrom bei 50 bis 100 KHz eine Allstrommessung (Messung des Wechselstrom- und Gleichstromanteils gemeinsam) nur dann ausreichend, wenn diese in der Lage ist, mit hoher Genauigkeit auch kleine Gleichströme zu detektieren, da ein solcher Transformator bereits bei sehr geringen Gleichströmen (1 bis 5 Ampere) in die Sättigung gelangen kann.
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Bei herkömmlichen Stromwandlern (Strommesseinrichtungen), die zur Allstrommessung geeignet sind, liegt jedoch der Offset bereits im Bereich von wenigen Ampere. Sie sind demnach für eine Gleichstrommessung im Bereich 1 bis 5 Ampere nicht ausreichend genau.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung zum Schutz eines Transformators, einer Wechselstromquelle und/oder einer Wechselstromsenke bereitzustellen, mit der Gleichstromanteile hinreichend genau gemessen werden können, um diese dann ausregeln zu können.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Schutzanordnung zum Schutz eines Transformators, einer Wechselstromquelle und/oder -senke, mit einem Transformator, dessen eine Wicklung über eine erste und eine zweite Leitung mit einer Wechselstromquelle oder einer Wechselstromsenke verbunden ist, wobei zu einer der Leitungen eine DC-Messanordnung elektrisch parallel geschaltet ist, deren Induktivitätswert größer ist als der Induktivitätswert der ersten oder der zweiten Leitung und die eine DC-Strommesseinrichtung aufweist. Parallel zur niederinduktiven Hauptstromführung über die erste und zweite Leitung wird demnach eine hochinduktive DC-Strommesseinrichtung geschaltet. Je nachdem, wie sich deren Gleichstromleitwert zu dem Gleichstromleitwert der Hauptstromführung verhält, wird sich proportional ein Anteil des DC-Gesamtstroms durch diese DC-Strommesseinrichtung bewegen. Es lässt sich also nur ein Anteil des Gleichstroms auskoppeln. Es kann ein Anteil von ca. 10 % des Gesamtgleichstroms über die DC-Strommesseinrichtung geführt werden. Damit ist eine sehr gute Messung des Gleichstromanteils möglich und damit eine sehr gute Regelung des Gleichstromanteils. Da jedoch durch den sehr hohen Wechselstromleitwert kaum Wechselstrom durch diese Strommesseinrichtung fließt, kann nun eine DC-Strommesseinrichtung verwendet werden, die eine hohe Auflösung bei einem kleinen Messbereich aufweist. Der Offsetwert und die Genauigkeit einer solchen DC-Strommesseinrichtung hängen vom Messbereich ab. Da der Messbereich durch die Messanordnung deutlich verkleinert wird, sind die Umstände für die DC-Strommessung wesentlich günstiger als bei bekannten Lösungen. Insbesondere kann so auch die Stromrichtung des Gleichstromanteils sicher bestimmt werden. Das ist für eine exakte und zuverlässige Regelung auf minimalen Strom sehr hilfreich. Als weiterer Vorteil hat sich herausgestellt, dass es mit der erfindungsgemäßen Anordnung nicht mehr notwendig ist, die niederinduktive Hauptstromführung in der ersten oder zweiten Leitung aufzubrechen, um in einer dieser Leitungen eine Strommesseinrichtung vorzusehen. Das war bislang bei der Allstrommessung notwendig und hatte zu einigen negativen Effekten geführt, wie Streuinduktivitäten, Streufelder, Verluste, Wärmeentwicklung, Asymmetrien, etc. Diese Nachteile sind damit auch überwunden. Auf zusätzliche DC-Blockkondensatoren kann verzichtet werden.
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Eine DC-Leitung der DC-Messanordnung kann einen Induktivitätswert aufweisen, der größer ist als der Induktivitätswert der ersten oder der zweiten Leitung. Durch das Vorsehen einer entsprechenden DC-Leitung kann der Induktivitätswert der DC-Messanordnung erhöht werden.
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Eine Wechselstromquelle oder -senke kann eine Brückenschaltung aus Transistoren, insbesondere IGBTs oder MOSFETs, sein, die von einer Steuerung geeignet angesteuert werden. So kann eine solche Brückenschaltung sowohl als Wechselstromquelle als auch als Wechselstromsenke betrieben werden.
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Der Induktivitätswert der DC-Messanordnung kann zumindest um einen Faktor 10, insbesondere zumindest um einen Faktor 100, größer sein als der Induktivitätswert der ersten oder der zweiten Leitung. Je größer der Induktivitätswert ist, desto sicherer kann vermieden werden, dass ein Wechselstromanteil über die DC-Messanordnung fließt.
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Zur Erhöhung des Induktivitätswerts der DC-Messanordnung kann vorgesehen sein, dass die DC-Messanordnung eine Drossel aufweist. Die Drossel kann dabei einen elektrischen Leiter, beispielsweise aus Kupfer, mit einem großen Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt kann insbesondere größer 0,5 mm2, insbesondere größer 1 mm2, insbesondere größer 2mm2 sein. Insbesondere kann der elektrische Leiter einen sehr geringen ohmschen Widerstand aufweisen. Der Ohmsche Widerstand kann insbesondere kleiner 0,1 Ohm, insbesondere kleiner 0,05 Ohm, insbesondere kleiner 25 mOhm sein. Dieser Leiter kann von einem induktivitätserhöhenden Bauelement, insbesondere Eisen oder Ferrit, umgeben sein.
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Die DC-Messanordnung, insbesondere deren DC-Leitung, kann einen Leitwert aufweisen, der größer ist als 1 % des Leitwerts der ersten oder der zweiten Leitung. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein ausreichend großer Anteil des DC-Stroms über die DC-Messanordnung fließt, sodass der gesamte Gleichstromanteil hinreichend sicher ermittelt werden kann, insbesondere die Stromflussrichtung. Der Leitwert der DC-Messanordnung kann dabei um einen Faktor 0,1, vorzugsweise um einen Faktor 10, größer sein als der Leitwert der ersten oder der zweiten Leitung.
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Weiterhin kann eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, die mit der DC-Messanordnung verbunden ist und eingerichtet ist, einen durch die DC-Strommesseinrichtung erfassten Gleichstrom auszuregeln, insbesondere auf Werte betragsmäßig kleiner 1 A, insbesondere kleiner 0,5 A, insbesondere kleiner 0,2 A. Somit kann verhindert werden, dass der Transformator aufgrund eines unerwünschten Gleichstroms in die Sättigung gelangt.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Regeleinrichtung mit einer Wechselstromquelle oder -senke verbunden ist. Dabei kann die Regeleinrichtung mit der Wechselstromquelle oder -senke verbunden sein, die über die erste und zweite Leitung mit einer Wicklung des Transformators verbunden ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Regelanordnung mit einer Wechselstromquelle oder -senke verbunden ist, die mit der anderen Wicklung des Transformators verbunden ist. Die Regeleinrichtung kann derart mit der Wechselstromquelle oder -senke verbunden sein, dass sie diese ansteuern kann. Sie kann den Gleichstrom so ausregeln. Das kann insbesondere durch Pulsweitenmodulierung erfolgen.
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Die DC-Messanordnung kann an zwei Anschlusspunkten mit der ersten oder der zweiten Leitung verbunden sein. Dabei ist der Induktivitätswert der DC-Messanordnung vorzugsweise größer als der Induktivitätswert des Leitungsabschnitts der ersten oder der zweiten Leitung zwischen den Anschlusspunkten. Auch der Leitwert der DC-Messanordnung ist vorzugsweise größer als 1 % des Leitwerts der ersten oder der zweiten Leitung zwischen den beiden Anschlusspunkten. Die Anschlusspunkte können grundsätzlich an beliebigen Stellen entlang der ersten oder zweiten Leitung liegen. Vorzugsweise sind die Anschlusspunkte jedoch im Bereich der Anschlüsse der ersten oder der zweiten Leitung an die Wicklung des Transformators und die Wechselstromquelle oder die Wechselstromsenke.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zum Schutz eines über eine erste und eine zweite Leitung an eine Wechselstromquelle oder Wechselstromsenke angeschlossenen Transformators, sowie zum Schutz der Wechselstromquelle oder Wechselstromsenke, bei dem ein zwischen Transformator und Wechselstromquelle oder Wechselstromsenke fließender DC-Strom zumindest teilweise ausgekoppelt wird, indem eine DC-Leitung zu der ersten oder der zweiten Leitung elektrisch parallel geschaltet wird und der DC-Strom in der DC-Leitung gemessen wird. Dadurch ist es möglich, sehr genaue Informationen über den DC-Strom zu erhalten und bei Bedarf rechtzeitig eingreifen zu können, um eine Sättigung des Transformators zu verhindern.
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Eine Sättigung des Transformators kann insbesondere dadurch vermieden werden, dass der zwischen Transformator und Wechselstromquelle oder Wechselstromsenke fließende DC-Strom zumindest teilweise ausgeregelt wird, indem die Ansteuerung der Wechselstromquelle oder -senke in Abhängigkeit des in der DC-Leitung gemessenen DC-Stroms verändert wird. Das kann insbesondere durch Pulsweitenmodulierung erfolgen.
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Um sicherzustellen, dass ein hinreichend kleiner Anteil des AC-Stroms durch die DC-Leitung fließt, kann die Induktivität der DC-Leitung erhöht werden, indem eine Drossel in die DC-Leitung eingefügt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der schematischen Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine stark schematisierte Darstellung einer Schutzanordnung zum Schutz eines Transformators;
- 2 eine Übersichtsdarstellung, wie eine Schutzeinrichtung als Teilkomponente der Schutzanordnung auf einer Leiterkarte realisiert werden kann;
- 3 eine Lage einer Leiterkarte, auf der die Schutzeinrichtung realisiert ist.
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Die 1 zeigt eine Schutzanordnung 1 mit einem Transformator 2, dessen Wicklung 3 über eine erste Leitung 4 und eine zweite Leitung 5, die dazu eingerichtet sind, ein Wechselstromsignal zu übertragen, mit einer Wechselstromquelle 6 bzw. einer Wechselstromsenke 6 verbunden sind. Parallel zur ersten Leitung 4 ist eine DC-Messanordnung 7 geschaltet. Die DC-Messanordnung 7 umfasst dabei eine DC-Leitung 8, die an Anschlusspunkten 9, 10 mit der ersten Leitung 4 verbunden ist.
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Die Leitungen 4 und 5 können dabei möglichst bifilar geführt sein, um möglichst geringe Streufelder zu erzeugen und eine möglichst geringe Induktivität zu realisieren. Induktivitäten kleiner 10 µH haben sich als erforderlich erwiesen. Insbesondere können sie auf einer Leiterkarte (PCB) in parallelen Ebenen größtenteils deckungsgleich geführt sein. So lassen sich Induktivitäten kleiner 2 µH erzielen, was noch vorteilhafter ist. Sie sollten auch einen möglichst geringen ohmschen Widerstand aufweisen, um Verluste gering zu halten. Deswegen können sie einen möglichst großen Querschnitt aufweisen. Das kann bei einer Leiterkarte unter anderem durch eine flächenmäßig möglichst breite Leiterbahn, insbesondere möglichst die gesamte Breite der Leiterkarte ausfüllende Leiterbahn, realisiert werden. Für die DC-Messanordnung 7 bleibt dann nur noch begrenzt Raum auf der Leiterkarte. Trotzdem sollte der Leitwert auch für die DC-Messanordnung 7 nicht zu gering sein, weil sich der Gleichstrom entsprechend der Leitwerte auf die Leitung 4 und DC-Messanordnung 7 aufteilt. Wenn ein Anteil von ca. 10 % des Gesamtgleichstroms über die DC-Messanordnung 7 geführt wird, ist eine sehr gute Messung des Gleichstromanteils möglich und damit eine sehr gute Regelung des Gleichstromanteils. Dazu sollte der Leitwert der DC-Messanordnung 7 etwa 10 % des Leitwerts der Leitung 4 betragen.
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Die DC-Messanordnung 7 umfasst weiterhin eine Drossel 11, durch die der Induktivitätswert der DC-Messanordnung 7 erhöht wird. Zudem umfasst die DC-Messanordnung 7 eine DC-Strommesseinrichtung 12. Der Strom über die DC-Messanordnung 7 ist gleich dem Strom über die Drossel 11 und über die DC-Strommesseinrichtung 12. Diese ist mit einer Regelanordnung 13 verbunden, die anhand des gemessenen DC-Stromwerts die Wechselstromquelle oder -senke 6 steuern kann, sodass der DC-Strom, der über die DC-Messanordnung 7 fließt, ausgeregelt (reduziert) werden kann.
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Dadurch, dass der Induktivitätswert der DC-Messanordnung 7 sehr viel größer ist als der Induktivitätswert der ersten Leitung 4, kann der Wechselstromanteil gegenüber dem Gleichstromanteil in der DC-Messanordnung 7 verringert werden. Mit einem Induktivitätswert der DC-Messanordnung 7, der mindestens um den Faktor 100 größer ist als der Induktivitätswert der ersten Leitung 4, können schon sehr gute Ergebnisse erzielt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Induktivitätswert der DC-Messanordnung 7 um den Faktor 1000 größer als der Induktivitätswert der ersten Leitung 4. Der Induktivitätswert wird dabei maßgeblich durch die Drossel 11 beeinflusst.
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Die Wechselstromquelle bzw. Wechselstromsenke 6 arbeitet typischerweise bei Frequenzen größer 10 kHz, außerhalb des für Menschen hörbaren Bereichs. Bevorzugt ist eine Frequenz von ca. 50 kHz. Der Transformator ist ausgelegt für Ströme größer 200 A Wechselstrom. Bevorzugt ist der Transformator ausgelegt für Ströme größer 500 A Wechselstrom. Bei solchen Frequenzen und Strömen sind kostengünstige Bauteile mit niedrigem Gewicht und niedrigen Verlusten einsetzbar.
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Über die DC-Messanordnung 7 fließt bei geeigneter Einstellung des Induktivitätswerts der DC-Messanordnung 7 ein Wechselstrom, der kleiner als 500 mA ist.
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Weiterhin ist der Leitwert der DC-Messanordnung größer als zumindest 1 % des Leitwerts der ersten Leitung 4, insbesondere zwischen den Anschlusspunkten 9, 10, so dass sichergestellt ist, dass ein signifikanter Gleichstromanteil über die DC-Messanordnung 7 und nicht über die erste Leitung 4 fließt. Auf diese Art und Weise kann ein Anteil des Gleichstroms, der zwischen der Wechselstromquelle bzw. Wechselstromsenke 6 und Transformator 2 fließt, ausgekoppelt werden.
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In der 2 ist eine Schutzeinrichtung 1' als Teil der Schutzanordnung 1 gemäß der 1 auf einer Leiterkarte 20 realisiert dargestellt. Für die Wechselstromquelle oder -senke 6 als Schaltbrücke mit vier schaltenden Elementen 6a bis 6d sind geeignete Anschlusspunkte vorgesehen. Die Anschlusspunkte der Schaltbrücke und damit der Wechselstromquelle oder - senke 6 sind über eine Leitung 21 an einen positiven DC-Anschluss 22 und über eine Leitung 23 an einen negativen DC-Anschluss 24 angeschlossen.
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Die erste Leitung 4 und die zweite Leitung 5 sind mit dem Anschlusspunkt 9 verbunden, wobei der Anschlusspunkt 9 auch den Anschluss des Transformators 2 darstellt, der nicht dargestellt ist und möglichst induktivitätsarm mit der Leiterkarte 20 am Anschlusspunkt 9 verbunden werden kann.
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Parallel zur ersten Leitung 4 ist die DC-Messanordnung 7 angeordnet, die die DC-Leitung 8 umfasst, die am Anschlusspunkt 10, der in diesem Fall noch innerhalb der Wechselstromquelle oder -senke 6 liegt, mit der ersten Leitung 4 verbunden ist.
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Anstatt die DC-Messanordnung 7 parallel zu der ersten Leitung 4 anzuordnen, ist es natürlich genauso möglich, die DC-Messanordnung 7 parallel zur zweiten Leitung 5 anzuordnen. Im vorliegenden Beispiel wäre das unter Umständen sogar zu bevorzugen, da die zweite Leitung 5 einen ohnehin etwas längeren Weg von den vier schaltenden Elementen 6a bis 6d zu dem Anschluss 9 aufweist.
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Die Drossel 11 umfasst eine Brücke 11a, die insbesondere als Kupferleiter mit großem Querschnitt ausgebildet ist, und einen diese umgebenden Ferrit 11b. Der Ferrit 11b ist dabei vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Der Induktivitätswert der Drossel 11 wird dabei maßgeblich durch die Eigenschaften des Ferrits 11b beeinflusst. Zum Einsatz kann ein Ferrit kommen, der den Induktivitätswert bei der typischen Schaltfrequenz der Wechselstromquelle oder -senke 6 von 50 kHz auf Werte größer 0,1 µH, insbesondere größer 1µH, anhebt. Weiterhin ist zu erkennen, dass eine DC-Strommesseinrichtung 12 vorgesehen ist.
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Die 3 zeigt eine Lage der Leiterkarte 20 der Schutzeinrichtung 1'. Insbesondere ist hier zu erkennen, dass die erste Leitung 4 sehr breit ausgebildet ist. Die parallel dazu verlaufende DC-Leitung 8 ist schmaler ausgebildet. Schematisch sind weiterhin die Elemente DC-Anschluss 22 und DC-Anschluss 24, Wechselstromquelle oder -senke 6, Drossel 11, DC-Strommesseinrichtung 12 und Anschlusspunkt 9 dargestellt. Der zweite Anschluss des Transformators ist in einer anderen Lage deckungsgleich zum Anschlusspunkt 9 vorgesehen. Die DC-Anschlüsse 22, 24 befinden sich in einer Innenlage der Leiterkarte 20 und sind möglichst vollflächig ausgebildet. Die zweite Leitung 5 kann ebenfalls in einer weiteren, nicht dargestellten Innenlage der Leiterkarte 20 vorgesehen und im Wesentlichen deckungsgleich zur ersten Leitung 4 ausgebildet sein. Weiterhin können in weiteren nicht dargestellten Innenlagen der Leiterkarte 20 Steuerleitungen vorgesehen sein. Durchkontaktierungen von der in der 3 gezeigten Lage, die eine Innenlage der Leiterkarte 20 darstellt, können die erste Leitung 4 mit weiteren Innenlagen oder einer Außenlage der Leiterkarte 20, z.B. einer Bestückungsseite, verbinden. Die Durchkontaktierungen von einer anderen Innenlage, auf der sich die zweite Leitung 5 befindet, können die zweite Leitung 5 mit weiteren Innenlagen oder der anderen Außenlage der Leiterkarte, z.B. der Unterseite, verbinden. Die Durchkontaktierungen können so ausgestaltet sein, dass sie nicht durch alle Lagen gehen. Es werden dann sogenannte Sacklochbohrungen verwendet. Dadurch ergibt sich ein besonders induktionsarmer Aufbau und eine bifilare Ausführung der Leitungen 4, 5.
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Die oben beschriebene Aufgabe lässt sich demnach auch lösen durch eine Schutzeinrichtung 1' zum Schutz eines Transformators 2 sowie einer Wechselstromquelle 6 oder -senke 6, mit einer ersten und einer zweiten Leitung 4, 5, die von einem Anschlusspunkt 9 zur Verbindung einer Wicklung 3 des Transformators 2 mit einer Wechselstromquelle 6 oder einer Wechselstromsenke 6 eingerichtet sind, wobei zu einer der Leitungen 4, 5 eine DC-Messanordnung 7 elektrisch parallel geschaltet ist, deren Induktivitätswert größer ist als der Induktivitätswert der ersten oder der zweiten Leitung 4, 5 und die eine DC-Strommesseinrichtung 12 aufweist. Die oben beschriebene Schutzanordnung 1 weist zusätzlich den Transformator 2 und die Wechselstromquelle 6 oder -senke 6 auf. Alle oben beschriebenen Ausgestaltungen für die Schutzanordnung 1 gelten auch einzeln oder in Kombination für die Schutzeinrichtung 1'.
