DE102019213152A1

DE102019213152A1 - Rogowski-Transformator

Info

Publication number: DE102019213152A1
Application number: DE102019213152.2A
Authority: DE
Inventors: Johannes Nestler; Michael Stehle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rogowski-Transformator für einen Niederspannungs-Leistungsschalter, aufweisend eine Rogowski-Spule, einen aus Kunststoff bestehenden, als geschlossenes Profil mit ovaler Form ausgestalteten Spulenträger, der die Rogowski-Spule trägt. Der Querschnitt des Spulenträgers weist ebenfalls eine ovale Form auf. Die obere und untere schmale Seite des Spulenträgers weist jeweils eine Nut auf, die den Querschnitt des Spulenträgers reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rogowski-Transformator für einen Niederspannungs-Leistungsschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, einen Spulenträger für eine Rogowski-Spule, einen Niederspannungs-Leistungsschalter zur Unterbrechung eines Niederspannungsstromkreises und ein Messwandler-Modul für einen Niederspannungsleistungsschalter.
Leistungsschalter sind Schutzgeräte, die ähnlich wie eine Sicherung funktionieren. Leistungsschalter überwachen den durch sie mittels eines Leiters hindurchfließenden Strom und unterbrechen den elektrischen Strom bzw. Energiefluss zu einer Energiesenke bzw. einem Verbraucher, was als Auslösung bezeichnet wird, wenn Schutzparameter, wie Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch Kontakte des Leistungsschalters, die geöffnet werden. Im Unterschied zu einer Sicherung sind diese Schutzparameter bzw. Ansprechwerte bei einem Leistungsschalter einstellbar, beispielsweise mittels einer Steuereinheit, wie einer elektronischen Auslöseeinheit.
Insbesondere für Niederspannungsstromkreise bzw. -netze gibt es abhängig von der Höhe des vorgesehenen elektrischen Stromes im elektrischen Stromkreis verschiedene Typen von Leistungsschaltern. Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Schalter gemeint, wie sie in Niederspannungsanlagen für Ströme von 63 bis 6300 Ampere eingesetzt werden. Spezieller werden geschlossene Leistungsschalter für Ströme von 63 bis 1600 Ampere, insbesondere von 125 bis 630 oder 1200 Ampere eingesetzt. Offene Leistungsschalter werden insbesondere für Ströme von 630 bis 6300 Ampere, spezieller von 1200 bis 6300 Ampere verwendet.
Offene Leistungsschalter werden auch als Air Circuit Breaker, kurz ACB, und geschlossene Leistungsschalter als Moulded Case Circuit Breaker oder Kompaktleistungsschalter, kurz MCCB, bezeichnet.
Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind ferner Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung mit Werten von 50 Volt Wechselspannung oder 120 Volt Gleichspannung sind.
Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Leistungsschalter mit einer Steuereinheit, wie einer elektronischen Auslöseeinheit, auch als Electronic Trip Unit, kurz ETU, bezeichnet, gemeint. Die Steuereinheit überwacht die Höhe des durch Sensoren, wie einem Rogowski-Transformator (Rogowskispule), gemessenen elektrischen Stromes bzw. zusätzlich in analoger Weise der Spannung oder/und anderer Parameter des elektrischen Stromkreises und bewirkt eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, wenn Schwellwerte überschritten werden. Für den Betrieb der Steuereinheit wird elektrische Energie benötigt, die durch einen Energiewandler respektive Stromwandler-Transformator zur Verfügung gestellt wird. Dieser ist primärseitig mit dem zu schützenden elektrischen Stromkreis und sekundärseitig mit der Steuereinheit verbunden.
Die Energiewandler dienen zur so genannten Eigenenergieversorgung von Leistungsschaltern. Sie basieren auf dem Prinzip der magnetisch gekoppelten Leistungsübertragung, wodurch Energie für die Steuereinheit, wie eine elektronische Auslöseeinheit zur Verfügung gestellt wird.
Häufig bildet hierbei ein Leiterabschnitt respektive Leiter des elektrischen Stromkreises die Primärseite respektive Primärspule des Energiewandlers, was auch als Primärleiterabschnitt bzw. Primärleiter bezeichnet wird. Als Leiter wird in der Regel der Phasenleiter des Stromkreises verwendet, beispielsweise in einem Einphasenstromkreis mit Phasen- und Neutralleiter bzw. in einem Dreiphasenwechselstromkreis mit drei Phasenleitern und ggfs. Neutralleiter.
D.h. ein Leiterabschnitt (respektive Leiter) ist die Primärspule des Energiewandlers.
Leistungsschalter der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus den nachfolgenden Patentanmeldungen bekannt: DE 10 2014 217 292 A1 ; DE 10 2014 217 332 A1 ; DE 10 2015 217 108 A1 ; DE 10 2014 218 831 A1 ; DE 10 2014 218 910 A1 ; DE 10 2016 201 651 A1 ; DE 10 2015 226 475 A1 ; DE 10 2015 216 981 A1 ; DE 10 2016 202 827 A1 ; DE 10 2016 201 659 A1 ; DE 10 2015 210 479 A1 ; DE 10 2014 224 173 A1 ; DE 10 2015 216 023 A1 ; DE 10 2016 217 425 A1 ; DE 10 2016 205 196 A1 ; DE 10 2016 221 093 A1 ; DE 10 2017 211 900 A1 ; DE 10 2017 201 239 A1 ; DE 10 2017 205 003 A1 ; DE 10 2017 205 004 A1 ; DE 10 2017 212 477 A1 ; DE 10 2017 214 903 A1 ; DE 10 2017 214 907 A1 ; DE 10 2017 215 820 A1 .
Um eine Strombegrenzung bei hohen Primärströmen zu erreichen, wird neuerdings eine Drossel zwischen Stromwandler-Transformator (Energiewandler) und Steuereinheit des Leistungsschalters geschaltet.
Wie erwähnt werden zur Strommessung, d.h. zur Ermittlung der Höhe des Stromes eines Leiters, häufig Rogowski-Transformatoren (Rogowskispulen) gemäß dem Stand der Technik verwendet. Bei einem Rogowski-Transformator handelt es sich um eine Spule ohne magnetischen Kern, die entlang der magnetischen Feldlinien eines primären Stromleiters (Primärseite) ausgerichtet ist. Der die Querschnittsfläche der Spule durchflutende magnetische Fluss induziert eine Sekundärspannung über der Rogowskispule (Sekundärseite). Diese Spannung ist proportional zum Stromtransienten dI/dt, zur Querschnittsfläche A, zur Windungszahl N sowie reziprok proportional zur mittleren Spulenlänge 1. Bei gleichbleibenden konstruktiven Maßen kann die induzierte Spannung nach Integration zur Messung des Primärleiterstroms angewendet werden.
Um eine konstante Empfindlichkeit des Rogowski-Transformator über der Temperatur zu erreichen, werden üblicherweise spezielle Kunststoffe als Kern- bzw. Spulenträgermaterial ausgewählt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rogowski-Transformator für einen Niederspannungs-Leistungsschalter eingangs genannter Art weiter zu verbessern, insbesondere die Temperaturempfindlichkeit weiter zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch einen Rogowski-Transformator für einen Niederspannungs-Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Spulenträger für eine Rogowski-Spule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, einen Niederspannungs-Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 oder ein Messwandler-Modul für einen Niederspannungsleistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
Um den Temperatureinfluss zu minimieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Querschnittsflächen des Spulenträgers durch Nuten zu minimieren. Dafür weist der Spulenträger insbesondere zwei, beispielsweise symmetrisch angeordnete, Nuten entlang der Oberkante des Kernmantels auf. Diese können beispielsweise auf der Ober- und Unterseite des Spulenträgers angeordnet sein. Beispielsweise auf der schmalen Seite des Spulenträgers.
Vorteilhafterweise bilden die Nuten Luftspalte im Querschnitt und führen auf diese Weise zur Reduzierung des Verhältnisses zwischen Querschnittsfläche im Kunststoff zur magnetisch flussbehafteten Querschnittsfläche.
Damit wird vorteilhafterweise die Volumenausdehnung des gesamten Spulenträgers durch verkleinertes Kunststoffvolumen minimiert. Damit verbunden ist eine Reduzierung der Temperaturempfindlichkeit des Rogowski-Transformators.
Insbesondere wird ein aus Kunststoff bestehender, als geschlossenes Profil mit ovaler Form ausgestalteten Spulenträger, der die Rogowski-Spule trägt, vorgeschlagen.
Mit Profil ist ein Spulenträger gemeint, dessen Querschnitt über seine gesamte Länge gleich ist. Dem steht ein im Wesentlichen gleicher Querschnitt gleich.
Mit geschlossenem Profil ist ein ringartiges Profil gemeint, wobei dies kein Kreisring sein muss, sondern eine ovale Form aufweisen kann.
Ferner weist das geschlossene Profil als Ring mit ovaler Form einen ovalen Querschnitt auf.
Mit oval ist eine rundliche konvexe Form gemeint. Sie umfasst Kreise und Ellipsen als Spezialfälle, wobei ein beliebiges Oval im Gegensatz zu diesen keine Symmetrieachse besitzen muss.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Spulenträger einen H-förmiger Querschnitt auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass einerseits ein kleiner Querschnitt erzielt wird und andererseits zwei Nuten vorliegen. Wird ein Draht in einer Nut zurückgeführt, so können die Teile ohne spezielle Orientierung in die Wickelmaschine gelegt werden, da die Nut auf beiden Seiten des Spulenkörpers (symmetrisch) angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Spulenträger rechteckförmig mit abgerundeten Ecken.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders praktikable Form für eine Rogowski-Transformator vorliegt, die gut in ein Gehäuse einlegbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Spulenträger die Form einer Superellipse auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Rogowski-Transformator auf einer planen Fläche (wackelnd) stabil aufrecht stehen kann, was in der Fertigung von Vorteil ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Superellipse in einem kartesischen Koordinatensystem als Menge aller Punkte x, y durch die Formel: ${(| \frac{x}{a} |)}^{n} + {(| \frac{y}{b} |)}^{n} = 1$
gekennzeichnet ist, mit a und b als Werte für die Halbachsen und n als Wert für die Form, wobei n größer als 2 ist.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine definierte Form für die Fertigung gegeben ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Nuten symmetrisch angeordnet.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Spulenträger z.B. ohne spezielle Orientierung in einer (Wickel-)Maschine gelegt werden kann, wenn beispielsweise ein Draht der Rogowski-Spule in einer Nut zurückgeführt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in einer der beiden Nuten der Draht der Rogowski-Spule vom Ende der Rogowski-Spule zum Anfang der Rogowski-Spule geführt. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Drahtrückführung die Fremdfeldempfindlichkeit der Rogowski-Spule für magnetische Felder entlang des Primärstromleiter, d.h. quer zur umschlossenen Fläche, minimiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Spulenträger ein Vollkörper.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Herstellung eines Vollkörpers, verglichen mit einem Hohlkörper, besonders einfach ist. Beispielsweise kann ein Vollkörper gegossen bzw. aus Stangenmaterial (Profil) in seine endgültige Form gebogen werden. Eine Nut auf dem Vollkörper ist auf ihrer gesamten Länge zugänglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Tiefe der Nut etwa ein Drittel der Höhe des Spulenträgers beträgt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine gute Minimierung des Querschnittes bei gleichzeitig symmetrischer Aufteilung zwischen Nuten und Material erzielbar ist.
Erfindungsgemäß wird ferner ein vorteilhafter Spulenträger für eine Rogowski-Spule; ein Niederspannungs-Leistungsschalter zur Unterbrechung eines elektrischen Niederspannungsstromkreises bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitspannen-Grenzwerten mit einem vorteilhaften Rogowski-Transformator; Messwandler-Modul für einen Niederspannungsleistungsschalter mit einem vorteilhaften Rogowski-Transformator vorgeschlagen und beansprucht.
Der vorteilhafte Niederspannungs-Leistungsschalter zur Unterbrechung eines elektrischen Niederspannungsstromkreises bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitspannen-Grenzwerten weist ein Leistungsschalter-Gehäuse auf. In diesem sind angeordnet:

- ein erfinderischer Rogowski-Transformator, der einen Leiter des Niederspannungsstromkreises umgibt und mit einer Steuereinheit des Leistungsschalters verbunden ist, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Leiters,
- ein Stromwandler-Transformator, dessen Primärseite den Leiter des Niederspannungsstromkreises aufweist (insbesondere umgibt) und sekundärseitig eine Energieversorgung für die Steuereinheit zur Verfügung stellt,
- eine Drossel, die zwischen sekundärseitigem Ausgang des Stromwandler-Transformator und Steuereinheit geschaltet ist. Der Stromwandler-Transformator, der Rogowski-Transformator und die Drossel sind in einem Messwandler-Modul-Gehäuse angeordnet.

Der Einsatz einer Rogowski-Spule zur Strommessung vermeidet den negativen Einfluss von magnetischen Sättigungseffekten auf die Strommessung. Zusammen mit der Kombination des Stromwandlers-Transformator und Drossel lässt sich erfindungsgemäß ein kompakter Leistungsschalter bzw. ein kompaktes Messwandler-Modul erzielen. Durch dieses Design ist eine gute Integration im gegebenen Modulbauraum möglich.
Das Messwandler-Modul für einen Niederspannungsleistungsschalter, aufweisend einen:

- Stromwandler-Transformator zur Energieversorgung des Niederspannungsleistungsschalters, insbesondere einer Steuereinheit des Niederspannungsleistungsschalters,
- einem erfindungsgemäßen Rogowski-Transformator,
- wobei Stromwandler-Transformator und Rogowski-Transformator übereinanderliegend in einem Messwandler-Modul-Gehäuse mit einer Öffnung für einen Leiter des Niederspannungsstromkreises angeordnet sind, hat den besonderen Vorteil, dass dieses einerseits einfach montiert und andererseits einfach über einen Leiter geschoben werden kann. Damit ist eine Energieversorgung und Strommessung möglich.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Messwandler-Modul-Gehäuse eine Führung auf, mit der der Stromwandler-Transformator und der Rogowski-Transformator in das Messwandler-Modul-Gehäuse eingelegt werden können. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine schnelle und einfache Montage ermöglicht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Stromwandler- und der Rogowski-Transformator untereinander und gegenüber dem Messwandler-Modul-Gehäuse durch Dämpfungselemente getrennt.
Die Dämpfungselemente können aus Schaumstoff bestehen. Beispielsweise aus Melanin. Die Dämpfungselemente können als Einlegemattenteile ausgestaltet sein.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass insbesondere beim Einsatz nanokristalliner oder Ferritkernen für den Stromwandler-Transformator eine erhöhte Stoßempfindlichkeit vorliegt. Mit den Dämpfungselementen können die Transformatoren schwingungsgedämpft im Gehäuse platziert werden. Ein vergleichbarer Vorteil ergibt sich bei Temperaturwechselbelastung, da diese durch materialspezifische Ausdehnungskoeffizienten zu mechanischen Zug- und Druckspannungen im Verbund führt. Mit den zwischen den Gehäusewänden, dem Stromwandler- und dem Rogowski-Transformator jeweils liegenden (weichen) z.B. Schaumstoffmatten aus z.B. Melanin, formen sich diese Schaumstoffmatten entlang der Komponenten und dämpfen mechanische Stöße oder Vibrationen sowie Ausdehnungsbewegungen durch Temperaturwechsel. Melanin hat zudem den Vorteil, dass es silikonfrei ist und Kostenvorteile gegenüber anderen Schaumstoffen oder Elastomeren hat.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Gehäusedeckel vorgesehen, der den Stromwandler- und den Rogowski-Transformator ins Messwandler-Modul-Gehäuse drückt, insbesondere dass die Dämpfungselemente sich unter dem Druck verformen und die Transformatoren durch die Ausformung der Dämpfungselemente in ihrer Position gehalten werden.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die äußere Begrenzung des Einbauvolumens durch Gehäuseboden, Stromwandler-, Rogowski-Transformator und Gehäusedeckel zu einer vordefinierten Kompression der Dämpfungselemente / Schaumstoffmatten im Verbund führt. Damit werden Stromwandler- und Rogowski-Transformator ohne mechanische Halterung im Gehäuse fixiert. Die verbleibende Kompressionsfähigkeit der Schaumstoffmatten dämpft mechanische Stöße und Vibrationen durch plastische Verformung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine zur Sekundärseite des Stromwandler-Transformators in Serie geschaltete Drossel vorgesehen ist, die im Messwandler-Modul-Gehäuse seitlich am Gehäuserand stehend angeordnet ist.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein kompaktes Modul mit Strombegrenzung bei hohen Primärströmen und integrierter Drossel bei kleinem Bauraum gegeben ist.
Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf die unabhängigen Patentansprüche als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Rogowski-Transformators / Spulenträgers / Leistungsschalters bzw. Messwandler-Moduls.
Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
Dabei zeigt die Zeichnung:

1 ein Schaltbild zur Erläuterung der Erfindung,
2 einen erfindungsgemäßen Spulenträger,
3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Spulenträgers,
4 ein Messwandler-Modul in einer Explosivdarstellung,
5 eine Detaildarstellung des Messwandler-Moduls.

1 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung der Erfindung. Eine als Energiequelle dienende Wechselstromquelle AC versorgt einen als Energiesenke dienenden Energie-Verbraucher Load. Ein (Phasen-)Leiterabschnitt respektive (Phasen-)Leiter dieses Stromkreises, beispielsweise eines Niederspannungs-Dreiphasenwechselstromkries, bildet die Primärseite PS eines Stromwandler-Transformators (bzw. Energiewandlers) CT, auch als Primärleiterabschnitt bzw. Primärleiter bezeichnet. Dabei kann die Primärseite PS, die eine Primärspule bzw. Primärwicklung aufweist, durch eine oder mehrere Windungen des Leiters bzw. Leiterabschnittes ausgestaltet sein. In einer üblichen Ausgestaltung kann lediglich der Leiterabschnitt respektive Leiter gerade durch bzw. an einen Kern 40 bzw. Trafokern 40 des Stromwandler-Transformators CT durch- oder vorbeigeführt sein (Windungszahl gleich eins).
Der Kern 40 des Stromwandler-Transformators CT weist dabei ferner eine Sekundärseite SW auf, die durch eine oder mehrere Windungen einer Sekundärwicklung bzw. -spule gebildet ist. Die beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung SW bilden den sekundärseitigen Ausgang des Stromwandler-Transformators CT, der eine Energieversorgung für die beiden Eingänge der mindestens einen Steuereinheit ETU des nicht dargestellten Leistungsschalters zur Verfügung stellt.
Jeweils ein Ausgang ist mit einem Eingang elektrisch verbunden. In mindestens einer Verbindung zwischen Aus- und Eingang ist eine Drossel 50 vorgesehen, d.h. in Serie zur Sekundärwicklung SW geschaltet.
Der Stromkreis kann eine Niederspannungsstromkreis sein.
Ein Rogowski-Transformator 30 umgibt den Leiter, beispielsweise parallel zur Primärseite PS. Der Rogowski-Transformator 30 ist mit der Steuereinheit ETU verbunden. Die genannten Elemente sind in einem Leistungsschalter-Gehäuse GEH angeordnet, die einen Leistungsschalter bilden. Der Leistungsschaltet weist üblicherweise Kontakte zur Unterbrechung des Stromkreises / Leiters auf, die in 1 nicht eingezeichnet sind. Die Unterbrechung des Stromkreises / Leiters durch die Kontakte wird durch die Steuereinheit ETU bewirkt.
2 zeigt einen Spulenträger 31 für einen Rogowski-Transformator 30. Der Spulenträger 31 ist ringartig bzw. hat die Form eines geschlossenen Ringes, wobei der Ring / Spulenträger 31 eine ovale Form aufweist. Im Beispiel die einer Superellipse bzw. Lamesches Oval. Die Superellipse ist in einem kartesischen Koordinatensystem als Menge aller Punkte x, y durch die Formel: ${(| \frac{x}{a} |)}^{n} + {(| \frac{y}{b} |)}^{n} = 1$
gekennzeichnet. Hierbei sind a und b die Werte für die Halbachsen und n ist ein Wert für die Form, wobei n größer als 2 ist. Im Beispiel ist n=5 oder n=7. Ebenso ist n=9 möglich. In einer einfachen Ausführung hat der Spulenträger 31 die Form eins Rechtecks mit abgerundeten Ecken.
Der Spulenträger 31 besteht aus Kunststoff.
3 zeigt einen Spulenträger 31 gemäß 2, mit dem Unterschied, dass eine Querschnittsdarstellung bzw. ein Schnitt durch den Spulenträger gezeigt ist.
Der Spulenträger 31 weist einen Querschnitt ebenfalls mit einer ovalen Form auf. Zur ovalen Form des Querschnittes gilt das vorher zur ovalen Form des Spulenträgers gesagte.
D.h. im Beispiel kann der Querschnitt die Form einer Superellipse bzw. Lamesches Oval aufweisen, beispielsweise mit n=5 oder n=7. In einer einfachen Ausführung hat der Querschnitt des Spulenträges 31 die Form eins Rechtecks mit abgerundeten Ecken.
Der Spulenträger 31 weist auf der oberen und unteren schmalen Seite des Spulenträgers 31 jeweils eine Nut 32 auf, die den Querschnitt des Spulenträgers reduziert.
Dadurch kann sich ein H-förmiger Querschnitt ergeben, wie dargestellt. Im Beispiel gemäß 3 sind die Nuten symmetrisch angeordnet. Die Tiefe der Nut kann etwa ein Drittel der Höhe des Spulenträgers betragen.
In einer der beiden Nuten kann vorteilhafterweise der Draht der Rogowski-Spule vom Ende der Rogowski-Spule zum Anfang der Rogowski-Spule geführt sein.
Der Spulenträger 31 kann ein Vollkörper sein, wie dargestellt.
4 zeigt ein Messwandler-Modul für einen Niederspannungsleistungsschalter, aufweisend einen:

- Stromwandler-Transformator mit Kern 40 zur

Energieversorgung des Niederspannungsleistungsschalters, insbesondere einer Steuereinheit des Niederspannungsleistungsschalters,

- einem erfindungsgemäßen Rogowski-Transformator 30,
- wobei Stromwandler-Transformator / Kern 40 und Rogowski-Transformator 30 übereinanderliegend (bzw. hintereinander) in einem Messwandler-Modul-Gehäuse 10 mit einer Öffnung für einen Leiter des Niederspannungsstromkreises angeordnet sind. Das Messwandler-Modul-Gehäuse 10 weist einen Gehäusedeckel 20 auf.

10

40

30

10

40

30

80

40

10

20

90

30

10

70

Dass Messwandler-Modul weist ferner eine Drossel 50 auf, die im Messwandler-Modul-Gehäuse 10 seitlich am Gehäuserand (stehend) angeordnet ist.
Die Drossel 50 kann durch ein viertes Dämpfungselement 60 getrennt bzw. gehalten sein.
Das Messwandler-Modul im Gehäuse 10 ist bzw. kann ein Modul eines Leistungsschalters sein, dass z.B. im Gehäuse GEH angeordnet ist.
Das Messwandler-Modul mit Modul-Gehäuse 10 und Gehäusedeckel 20 weist eine Öffnung 100 auf, durch die der Leiter des zu schützenden Stromkreises eingeführt werden kann. Im Betriebsfall ist der (stromführende) Leiter im Messwandler-Modul, wodurch der Stromwandler-Transformator Energie für die Steuereinheit (ETU) erzeugen und der Rogowski-Transformator die Höhe des Stromes für die Steuereinheit ermitteln kann.
5 zeigt eine Darstellung eines Details des Messwandler-Moduls gemäß 4, in einem Schnitt. 5 zeigt das Messwandler-Modul-Gehäuse 10 mit einem Gehäusedeckel 20.
Im Messwandler-Modul-Gehäuse 10 ist zwischen Rogowski-Transformator 30 und Messwandler-Modul-Gehäuse 10 das dritte Dämpfungselement 70 angeordnet.
Zwischen Rogowski-Transformator 30 und Stromwandler-Transformator 40 ist das erste Dämpfungselement 80 angeordnet. Zwischen Stromwandler-Transformator 40 und Messwandler-Modul-Gehäuse 10, im Beispiel spezifischer zwischen Stromwandler-Transformator 40 und Gehäusedeckel 20 des Messwandler-Modul-Gehäuses 10, ist das zweite Dämpfungselement 90 angeordnet.
Das Messwandler-Modul-Gehäuse 10, spezifischer der Gehäusedeckel 20, ist derart geformt, dass auch zwischen Rogowski-Transformator 30 und Gehäusedeckel 20 das erste Dämpfungselement 80 angeordnet ist.
Das Messwandler-Modul-Gehäuse 10 im Zusammenwirken mit seinem Gehäusedeckel 20 ist derart ausgestaltet, dass der Gehäusedeckel 20 den Stromwandler-Transformator 40 und den Rogowski-Transformator 30 ins Messwandler-Modul-Gehäuse 10 drückt, was durch einen Kraftpfeil F angedeutet ist. Insbesondere, dass die Dämpfungselemente sich unter dem Druck verformen und die Transformatoren 40, 30 durch die Ausformung der Dämpfungselemente 70, 80, 90 in ihrer Position gehalten werden, wie in 5 dargestellt bzw. angedeutet.
Im Folgenden soll die Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben und ihre Vorteile dargestellt werden.
Eine temperaturstabile Empfindlichkeit wird durch eine Minimierung der Querschnittsflächen und Längenänderungen über Temperatur erreicht. Dies wird durch eine Reduzierung des Kunststoffvolumens im Spulenträger 31 erreicht. Dafür weist der Spulenträger 31 zwei symmetrisch angeordnete Nuten 32 entlang der Oberkante des Spulenträgers / Kernmantels 31 auf. Die Nuten 32 bilden Luftspalte im Querschnitt und führen auf diese Weise zur Reduzierung des Verhältnisses zwischen Querschnittsfläche im Kunststoff zur magnetisch flussbehafteten Querschnittsfläche.
Dadurch ergeben sich die folgenden Vorteile.

1. Minimierung der Volumenausdehnung des gesamten Spulenträgers 31 durch verkleinertes Kunststoffvolumen. Damit verbunden ist eine Reduzierung der Temperaturempfindlichkeit des Rogowski-Transformators.
2. Der Spulenträger / Kunststoffkörper 31 ist günstig herstellbar. Keine Einlegeteile in der Form.
3. In einer der beiden Nuten 32 kann der Wickeldraht zum Spulenanfang zurückgeführt werden. Die Drahtrückführung kann die Fremdfeldempfindlichkeit der Rogowski-Spule für magnetische Felder entlang des (Primärstrom-)Leiter, d.h. quer zur umschlossenen Fläche, minimieren.
4. Wird der Draht, beispielsweise Cu-Lackdraht, in einer Nut 32 zurückgeführt, so können die Spulenträger 31 ohne spezielle Orientierung in eine Wickelmaschine gelegt werden, da die Nut 32 auf beiden Seiten des Spulenträgers / Spulenkörpers 31 symmetrisch angeordnet ist.
5. Zugspannungen im Draht (z.B. Cu-Lackdraht), die durch den Wickelprozess oder thermische Längenänderung verursacht werden, können durch die plastische Verformung des Spulenträgers / Kunststoffträgers 31 im Bereich der Nuten 32 aufgefangen werden. Damit wird die Lebensdauer unter Temperaturwechselbelastungen deutlich erhöht.

Erfindungsgemäß ergibt sich der Aufbau eines Messwandler-Moduls mit den folgenden Punkten:

1. Die Sekundärstrombegrenzung wird durch eine im Modul integrierte separate Drossel 50 erreicht, die in Serie zur Sekundärwicklung SW des Stromwandler-Transformators CT geschaltet ist.
2. Stromwandler- und Rogowski-Transformator sind übereinanderliegend (hintereinander) in einer Führung im Messwandler-Modul-Gehäuse 10, 20 eingelegt. Die Drossel 50 ist seitlich am Gehäuserand (stehend) angeordnet.
3. Stromwandler- und Rogowski-Transformator werden untereinander und gegenüber dem umgebenden Modul-Gehäuse 10, 20 durch Dämpfungselemente 70, 80, 90 getrennt, z.B. weiche Einlegemattenteile aus Schaumstoff.
4. Der Gehäusedeckel 20 drückt den Stromwandler- und den Rogowski-Transformator ins Modul-Gehäuse 10. Die dazwischen liegenden Dämpfungselemente (z.B. Schaumstoffmatten) 70, 80, 90 verformen sich unter dem Druck in einem gewissen Maße und halten durch die Ausformung entsprechend der Umgebung alle Teile am Platz.

Das erfindungsgemäße neue Design wurde speziell unter dem Aspekt hoher Belastung mit Stromoberschwingungen und Temperaturwechsel entwickelt. Im Einzelnen ergeben sich folgende positive Effekte bzw. Vorteile.

1. Die Aufteilung des magnetischen Designs zur Strombegrenzung in Stromwandler mit serieller Drossel 50 vereinfacht das Design und die Herstellbarkeit, da kommerziell erhältliche Katalogkomponenten (Drosseln) zum Einsatz kommen können. Dies führt zu niedrigeren Herstellungskosten.
2. Das vereinfachte magnetische Design unterstützt eine gute Integration im gegebenen Modulbauraum.
3. Transformatoren bzw. deren Kerne können eine hohe Stoßempfindlichkeit aufweisen. Daher werden die Teile schwingungsgedämpft 70, 80 ,90 im Modul-Gehäuse 10, 20 platziert. Eine vergleichbare Forderung ergibt sich aus der Temperaturwechselbelastung, da diese durch materialspezifische Ausdehnungskoeffizienten zu mechanischen Zug- und Druckspannungen im Verbund führt. Erfindungsgemäß liegen zwischen den Gehäusewänden, dem Stromwandler- und dem Rogowski-Transformator jeweils Dämpfungselemente 70, 80, 90, z.B. in Form von weichen Schaumstoffmatten z.B. aus Melanin. Diese Schaumstoffmatten formen sich entlang der angrenzenden Bauteile und dämpfen mechanische Stöße oder Vibrationen sowie Ausdehnungsbewegungen durch Temperaturwechsel. Melanin ist silikonfrei und hat Kostenvorteile gegenüber anderen Schaumstoffen oder Elastomeren.
4. Die äußere Begrenzung des Einbauvolumens durch Gehäuseboden, Stromwandler-, Rogowski-Transformator und Gehäusedeckel führt zu einer vordefinierten Kompression der Schaumstoffmatten im Verbund. Damit werden Stromwandler- und Rogowski-Transformator ohne mechanische Halterung im Modul-Gehäuse fixiert. Die verbleibende Kompressionsfähigkeit der Schaumstoffmatten dämpft mechanische Stöße und Vibrationen durch plastische Verformung.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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DE 102016202827 A1 [0008]
DE 102016201659 A1 [0008]
DE 102015210479 A1 [0008]
DE 102014224173 A1 [0008]
DE 102015216023 A1 [0008]
DE 102016217425 A1 [0008]
DE 102016205196 A1 [0008]
DE 102016221093 A1 [0008]
DE 102017211900 A1 [0008]
DE 102017201239 A1 [0008]
DE 102017205003 A1 [0008]
DE 102017205004 A1 [0008]
DE 102017212477 A1 [0008]
DE 102017214903 A1 [0008]
DE 102017214907 A1 [0008]
DE 102017215820 A1 [0008]

Claims

Rogowski-Transformator (30) für einen Niederspannungs-Leistungsschalter, aufweisend: - eine Rogowski-Spule, - einen aus Kunststoff bestehenden, als geschlossenes Profil mit ovaler Form ausgestalteten Spulenträger (31), der die Rogowski-Spule trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Spulenträgers (31) ebenfalls eine ovale Form aufweist, dass die obere und untere schmale Seite des Spulenträgers jeweils eine Nut (32) aufweist, die den Querschnitt des Spulenträgers (31) reduziert.
Rogowski-Transformator (30) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger (31) einen H-förmiger Querschnitt aufweist.
Rogowski-Transformator (30) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger (31) rechteckförmig mit abgerundeten Ecken ist.
Rogowski-Transformator (30) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger (31) die Form einer Superellipse aufweist.
Rogowski-Transformator (30) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Superellipse in einem kartesischen Koordinatensystem als Menge aller Punkte x, y durch die Formel: ${(| \frac{x}{a} |)}^{n} + {(| \frac{y}{b} |)}^{n} = 1$
gekennzeichnet ist, mit a und b als Werte für die Halbachsen und n als Wert für die Form, wobei n größer als 2 ist.
Rogowski-Transformator (30) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (32) symmetrisch angeordnet sind.
Rogowski-Transformator (30) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der beiden Nuten (32) der Draht der Rogowski-Spule vom Ende der Rogowski-Spule zum Anfang der Rogowski-Spule geführt ist.
Rogowski-Transformator (30) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger (31) ein Vollkörper ist.
Rogowski-Transformator (30) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nut (32) etwa ein Drittel der Höhe des Spulenträgers beträgt.
Spulenträger (31) für eine Rogowski-Spule nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
Niederspannungs-Leistungsschalter zur Unterbrechung eines elektrischen Niederspannungsstromkreises bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitspannen-Grenzwerten, - mit einem Leistungsschalter-Gehäuse (GEH), - mit einem Rogowski-Transformator (30) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 9, der einen Leiter des Niederspannungsstromkreises umgibt und mit einer Steuereinheit (ETU) des Leistungsschalters verbunden ist, zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Leiters, - mit einem Stromwandler-Transformator (CT), dessen Primärseite (PS) den Leiter des Niederspannungsstromkreises aufweist und sekundärseitig eine Energieversorgung für die Steuereinheit (ETU) zur Verfügung stellt, - mit einer Drossel (50), die zwischen sekundärseitigem Ausgang des Stromwandler-Transformator und Steuereinheit (ETU) geschaltet ist, - wobei Stromwandler-Transformator (CT), Rogowski-Transformator (30) und Drossel (50) in einem Messwandler-Modul-Gehäuse (10, 20) angeordnet sind.
Messwandler-Modul für einen Niederspannungsleistungsschalter, aufweisend einen: - Stromwandler-Transformator (CT) zur Energieversorgung des Niederspannungsleistungsschalters, insbesondere einer Steuereinheit (ETU) des Niederspannungsleistungsschalters, - einem Rogowski-Transformator (30) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 9, - wobei Stromwandler-Transformator (CT) und Rogowski-Transformator (30) übereinanderliegend in einem Messwandler-Modul-Gehäuse (10, 20) mit einer Öffnung (100) für einen Leiter des Niederspannungsstromkreises angeordnet sind.
Messwandler-Modul nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messwandler-Modul-Gehäuse (10) eine Führung aufweist, mit der der Stromwandler-Transformator (CT) und der Rogowski-Transformator (30) in das Messwandler-Modul-Gehäuse eingelegt werden können.
Messwandler-Modul nach Patentanspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler- (CT) und der Rogowski-Transformator (30) untereinander und gegenüber dem Messwandler-Modul-Gehäuse durch Dämpfungselemente (70, 80, 90) getrennt sind.
Messwandler-Modul nach Patentanspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungselemente (70, 80, 90) aus Schaumstoff bestehen, dass die Dämpfungselemente (70, 80, 90) insbesondere als Einlegemattenteile ausgestaltet sind.
Messwandler-Modul nach Patentanspruch 12, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäusedeckel (20) vorgesehen ist, der den Stromwandler- (CT) und den Rogowski-Transformator (30) ins Messwandler-Modul-Gehäuse drückt, insbesondere dass die Dämpfungselemente (70, 80, 90) sich unter dem Druck verformen und die Transformatoren durch die Ausformung der Dämpfungselemente (70, 80, 90) in ihrer Position gehalten werden.
Messwandler-Modul nach Patentanspruch 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Sekundärseite des Stromwandler-Transformators (CT) in Serie geschaltete Drossel (50) vorgesehen ist, die im Messwandler-Modul-Gehäuse seitlich am Gehäuserand stehend angeordnet ist.