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Die
Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Versorgungs- und Signalleitung
(nachfolgend kurz als Leitung bezeichnet), die insbesondere für den Einsatz
in einem Energiebussystem vorgesehen ist. Als Leitung wird hierbei
ein mehrere gegeneinander isolierte Einzelleiter umfassendes Kabel
bezeichnet.
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Ein
Energiebus ist ein Stromversorgungssystem für elektrische Verbraucher,
das insbesondere im industriellen Bereich eingesetzt wird. Im Gegensatz
zu einer herkömmlichen
Installation, bei der die Verbraucher über zentral in einem Schaltschrank
angeordnete Steuer- und Schutzgeräte geschaltet werden, sind
bei einem Energiebussystem die Steuer- und Schutzgeräte dezentral
am Ort des Verbrauchers angeordnet. Zur Ansteuerung dieser Schalt- und
Schutzgeräte
ist bei einem Energiebussystem in der Regel ein Signalnetz vorgesehen, über welches üblicherweise
mit Kleinspannung Steuersignale übermittelt
werden können.
Die Signalleiter des Signalnetzes sind hierbei entweder unabhängig von
den Versorgungsleitern des Energiebussystemes verlegt oder zusammen
mit den Versorgungsleitern in einer gemeinsamen Versorgungs- und
Signalleitung integriert. Eine solche Leitung ist bisher unter anderem aus
Sicherheitsgründen
zumeist als Flachleitung ausgeführt,
zumal bei einer Flachleitung infolge des räumlichen Abstands der Einzelleiter
das Risiko minimiert ist, dass die Versorgungsspannung in einen
Signalleiter eingekoppelt oder dass die Versorgungsspannung bei
einer Beschädigung
der Leitung in einen der Signalleiter verschleppt wird. Andererseits besteht
in einigen Anwendungsgebieten von Energiebussystemen ein ausgesprochener
Bedarf, Rundleitungen, und nicht Flachleitungen als Busleitung einzusetzen.
Insbesondere ist eine Rundleitung in der Regel widerstandsfähiger gegen
häufige
Torsion, Biegung oder Knickung als eine vergleichbare Flachleitung.
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Für den Einsatz
in einem Energiebus sollte die Leitung insbesondere derart gestaltet
sein, dass eine Einkopplung der Versorgungsspannung in die Signalleiter auf
ein akzeptables Maß reduziert
ist, um Fehlauslösungen
oder eine Zerstörung
von Busgeräten
auszuschließen.
Weiterhin sollten alle Leiter der Leitung unterbrechungsfrei kontaktierbar
sein. Bei einer Verletzung der Leitung, z. B. durch Eindringen einer
Schraube oder durch Quetschen der Leitung sollte eine Spannungsverschleppung
von den Versorgungsleitern in die Signalleiter vermieden sein. Außerdem sollte
die Leitung möglichst
kompakt und somit Raum sparend realisiert sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rundleitung anzugeben,
die nach Maßgabe
der vorstehend genannten Anforderungen für den Einsatz in einem Energiebussystem
geeignet ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist bei einer integrierten
Versorgungs- und Signalleitung mit einer Anzahl von Versorgungsleitern
und mindestens zwei Signalleitern vorgesehen, dass die Signalleiter in
einem zentralen, im Wesentlichen zylindrischen Kern angeordnet sind,
während
die Versorgungsleiter in einem, diesen Kern konzentrisch umgebenden Ringbereich
angeordnet sind. Zwischen dem Kern und dem Ringbereich, und damit
zwischen Signalleitern und Versorgungsleitern, ist eine Abschirmung vorgesehen.
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Indem
Signalleiter und die Versorgungsleiter voneinander getrennt und
gegenseitig abgeschirmt angeordnet sind, ist eine Einkopplung der
Wechselspannung in die Signalleiter wirksam reduziert. Ebenso ist
sichergestellt, dass bei einer Beschädigung einer oder mehrerer
der Versorgungsleiter die Versorgungsspannung nicht in die Signalleiter
verschleppt wird. Wird nämlich
die Isolierung einer oder mehrerer Versorgungsleiter beschädigt, so
kommt der entsprechende Versorgungsleiter zunächst in Kontakt mit der elektrisch
leitenden und geerdeten Abschirmung. Hierdurch wird der beschädigte Versorgungsleiter kurzgeschlossen,
was zum Ansprechen einer Schutzeinrichtung, und damit zur Abschaltung
der Versorgungsspannung führt.
Durch den abgeflachten Leiterquerschnitt der Versorgungsleiter wird
eine besonders kompakte Bauweise der Leitung ermöglicht.
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Zur
Erhöhung
der Widerstandsfähigkeit
der Leitung gegenüber
Biegung, etc. sowie als Schutz vor Beschädigung ist der Ringbereich
mit den darin angeordneten Versorgungsleitern zweckmäßigerweise
mit einem Isoliermantel, insbesondere aus einem Polymermaterial,
umgeben. Durch den Isoliermantel ist zudem eine doppelte Isolierung
der Versorgungsleiter sichergestellt.
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Infolge
seiner abgeflachten Form (insbesondere elliptisch, rechteckig, trapezförmig oder
eine beliebige Mischform) weist die Querschnittsfläche eines jeden
Versorgungsleiters eine ausgeprägte
Längsrichtung
und eine dazu senkrechte Querrichtung auf, in welcher die Stärke des
Leiters besonders groß bzw.
besonders klein ist. Zur weiteren Verringerung der Baugröße der Leitung
ist nun bevorzugt vorgesehen, dass jeder Versorgungsleiter mit der
Längsrichtung
seiner Querschnittsfläche
tangential zu dem Ringbereich ausgerichtet ist. Hierdurch wird erreicht, dass
die (üblicherweise
fünf) Versorgungsleiter
den Ringbereich besonders gut ausfüllen und bei vergleichsweise
großer
Querschnittsfläche
in der Radialrichtung der Leitung eine besonders geringe Ausdehnung
aufweisen. Bevorzugt hat die Querschnittsfläche jedes Versorgungsleiters
eine elliptische Form.
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Als
Abschirmung wird vorzugsweise ein Gestrick mit einer Vielzahl von
Einzellitzen aus feindrähtigem
Kupferdraht herangezogen. Die Abschirmung ist vorteilhafterweise
derart ausgebildet, dass sie unterbrechungsfrei über ein Abmantelmaß der Leitung hinaus
dehnbar ist. Diese Dehnbarkeit wird insbesondere dadurch sichergestellt,
dass die Einzeldrähtchen
der Abschirmung wellenartig nebeneinander und gegebenenfalls einander überlappend
auf dem Umfang des Kerns verlegt werden. Als Abmantelmaß ist die
Länge eines
beliebig wählbaren
Leitungsstücks
bezeichnet, in welchem der Isoliermantel entfernt wurde, so dass
die jeweils einzeln nochmals isolierten Versorgungsleiter offen
liegen. Infolge der Dehnbarkeit der Abschirmung kann diese sowohl
in longitudinaler als auch in radialer Richtung bezüglich der
Leitung aufgeweitet werden. Hierdurch wird die für eine Energiebusleitung besonders
wichtige Eigenschaft erzielt, dass die Abschirmung zerstörungsfrei
um eine Kontaktstelle herumgeführt
werden kann. Innerhalb der Leitung sind die Versorgungsleiter zu
einem ersten Leiterbündel
verseilt und die Signalleiter zu einem innerhalb dieses ersten Leiterbündels geführten zweiten
Leiterbündel
verseilt. Dabei ist die Schlagzahl, d. h. die Anzahl der Leiterwindungen
pro Einheitslänge,
für das
erste Leiterbündel
und das zweite Leiterbündel
verschieden. Auf diese Weise wird die induktive magnetische Einkopplung
der Versorgungsspannung in die Signalleiter weiter reduziert. Die
Schlagzahlen der beiden Leiterbündel
sind insbesondere derart aufeinander abgestimmt, dass sich induktive
Einkopplungen schon nach wenigen Windungen kompensieren. Besonders
zweckmäßig ist
dabei ein ganzahliges Schlagzahlverhältnis der Verseilungen der
Signalleiter und Versorgungsleiter, insbesondere ein Verhältnis 2
: 1.
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Die
Leiterbündel,
also die Versorgungsleiter einerseits und die Signalleiter andererseits,
sind zweckmäßigennreise
gleichsinnig verseilt, so dass die Leitung im Bereich eines entmantelten
Leitungsstücks
derart aufgedrillt werden kann, dass die Versorgungsleiter und die
Signalleiter in einer Ebene ausgebreitet werden können. Die
Abschirmung ist dabei bevorzugt genügend dehnbar ausgebildet, dass
sie über
die aufgedrillte Länge
der Versorgungsleiter und/oder Signalleiter im Bereich des entmantelten
und aufgedrillten Leitungsstücks
hinaus aufgeweitet werden kann. Dies erleichtert wiederum eine unterbrechungsfreie
Kontaktierung der Leitung.
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In
vorteilhafter Dimensionierung beträgt der minimale Durchmesser
eines jeden Versorgungsleiters mindestens 1,5 mm, bevorzugt 1,7
mm. Die Signalleiter sind vorzugsweise in einem Abstand, gemessen
jeweils von Mitte zu Mitte der Signalleiter, von etwa 4 mm angeordnet.
Zur Stabilisierung der Leitung sind die Signalleiter und/oder die
Versorgungsleiter bevorzugt in ein insbesondere elastisches Füllmaterial
eingebettet.
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Die
Signalleiter weisen wahlweise einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt
auf. In der letztgenannten Ausführung
wird dabei wiederum bei besonders geringem Raumbedarf ein vergleichsweise
großer
Leiterquerschnitt erzielt. Im Sinne einer einheitlichen Bauweise
sind hierbei insbesondere die Signalleiter hin sichtlich ihres Querschnitts
an die Versorgungsleiter angepasst. Die Leiterisolierung eines jeden
Versorgungsleiters und Signalleiters ist auf die höchste in
der Gesamtleitung vorkommende Spannung, insbesondere 400 V hin ausgelegt.
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Ebenso
bilden die die einzelnen Kupferlitzen der Abschirmung zusammengenommen
einem Leiterquerschnitt aus, der mindestens dem Leiterquerschnitt
eines Versorgungsleiters entspricht. Hierdurch wird der Leitungswiderstand
der Abschirmung soweit herabgesetzt, dass bei einem Kurzschluss
eines Versorgungsleiters mit der Abschirmung der für die Auslösung eines
Schutzorgans erforderliche Kurzschlussstrom sichergestellt ist.
Die Abschirmung ist somit als vollwertiger Schutzleiter wirksam.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in
einem schematischen Querschnitt eine Versorgungs- und Signalleitung
eines Energiebussystems mit fünf
Versorgungsleitern und zwei Signalleitern,
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2 in
einer Darstellung gemäß 1 eine alternative
Ausführung
der Leitung,
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3 in
schematischer Draufsicht die Leitung gemäß 1 oder 2 mit
einem entmantelten Leitungsstück,
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4 die
Leitung gemäß 3 in
aufgedrilltem Zustand und
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5 die
Leitung gemäß 3 in
einer Anschlussstellung, in der die Versorgungsleiter und Signalleiter
im Bereich des entmantelten Leitungsstücks in einer Ebene ausgebreitet
sind.
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Einander
entsprechende Teile und Größen sind
in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 gezeigte Versorgungs- und Signalleitung, nachfolgend
abkürzend
als Leitung 1 bezeichnet, umfasst fünf Versorgungsleiter 2 sowie zwei
Signalleiter 3.
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Die
Versorgungsleiter 2 sind zur Versorgung einer Anzahl von
(nicht näher
dargestellten) elektrischen Verbrauchern mit einer Versorgungsspannung vorgesehen.
Die Versorgungsleiter 2 umfassen drei Phasenleiter, einen
Nullleiter sowie einen Schutzleiter, die insbesondere für 400 V
AC ausgelegt sind. Die Signalleiter 3 dienen zur Übermittlung
von Mess- und Steuersignalen innerhalb des Energiebussystems. Die
Signalleiter 3 sind insbesondere für Kleinspannung, vorzugsweise
24 V DC, vorgesehen.
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Die
Leitung 1 weist einen zentralen, im Wesentlichen zylindrischen
Kern 4 auf, in welchem die Signalleiter 3 miteinander
verteilt geführt
sind. Zur Stabilisierung sind die Signalleiter 3 in dem
Kern 4 in ein elastomeres Füllmaterial F eingebettet. Der
Kern 4, und damit die Signalleiter 3, sind von
einer Abschirmung 5 konzentrisch umgeben. Die Abschirmung 5 ist
aus einem Gewirk aus feindrähtigen
Kupferlitzen gebildet, die in einem wellenförmigen Muster unverschlauft
dicht nebeneinanander und einander überlappend auf dem Umfang des
Kerns 4 verlegt sind.
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In
einem um die Abschirmung 5 herum angeordneten Ringbereich 6 sind
die Versorgungsleiter 2 geführt. Die Versorgungsleiter 2 sind
in diesem Ringraum 6 wiederum miteinander verteilt und über den Umfang
des Ringbereichs 6 verteilt. Der zwischen den Versorgungsleitern 2 gebildete
Freiraum ist wiederum zur Stabilisierung der Versorgungsleiter 2 mit dem
Füllmaterial
F ausgefüllt.
Der Ringraum 6 ist schließlich umgeben von einem Isoliermantel 7 aus einem
Polymermaterial, der eine schützende
Außenhaut
der Leitung 1 bildet und für eine doppelte Isolierung
der Versorgungsleiter 2 sorgt. Jeder Signalleiter 3 und
jeder Versorgungsleiter 2 ist daneben mit einer separaten
Isolierhülle 8 versehen,
die gleichermaßen für die höchste vorkommende
Spannung (insbesondere 400 V) hinreichend ist.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Leitung 1 weisen
sowohl die Versorgungsleiter 2 als auch die Signalleiter 3 eine
abgeflachte Querschnittsfläche
A in Form einer Ellipse auf. Die Signalleiter 3 können prinzipiell
kleiner dimensioniert sein als die Versorgungsleiter 2,
weisen aber im dargestellten Beispiel aus Gründen der Einheitlichkeit die
gleichen Dimensionen wie die Versorgungsleiter 2 auf.
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Die
Versorgungsleiter 2 sind mit der jeweiligen Längsrichtung
ihrer Querschnittsfläche,
also der durch die lange Ellipsenachse definierten Richtung, tangential
bezüglich
des Ringbereichs 6 angeordnet. Auf diese Weise wird ein
besonders geringer Außendurchmesser
der Leitung 1 erzielt. Gleichzeitig ist durch die elliptische
Form der Versorgungsleiter 2 und Signalleiter 3 ein
vergleichsweise großer
Leiterquerschnitt erzielt. Insbesondere füllen die Versorgungsleiter 2 den
Ringraum 6 vergleichsweise gut aus.
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Die
Abschirmung 5 hat bevorzugt eine radiale Ausdehnung von
etwa 0,3 mm. Insbesondere ist die Querschnittsfläche der Abschirmung 5 derart ausgelegt,
dass sie mindestens dem Querschnitt eines Versorgungsleiters 2 entspricht.
Hierdurch ist sichergestellt, dass bei einem Kurzschluss mindestens eines
der Versorgungsleiter 2 mit der Abschirmung 5 ein
hinreichend großer
Kurzschlussstrom fließt,
um eine Schutzeinrichtung des Energiebussystems auszulösen. Es
wird somit wirksam verhindert, dass bei einer Beschädigung der
Leitung 1 die in den Versorgungsleitern 2 fließende Versorgungsspannung
in die Signalleiter 3 verschleppt werden kann. Die Abschirmung 5 dient
weiterhin als kapazitives Schild gegen die Überkopplung der Versorgungsspannung von
den Versorgungsleitern 2 in die Signalleiter 3.
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Eine
in 2 gezeigte alternative Ausführung der Leitung 1 unterscheidet
sich von der Ausführung
gemäß 1 darin,
dass die Signalleiter 3 mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche ausgebildet sind.
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3 zeigt
in Draufsicht einen Ausschnitt der Leitung 1 gemäß einer
der in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsformen.
Der in 3 gezeigte Ausschnitt der Leitung 1 enthält ein entmanteltes,
das heißt
von dem Isoliermantel 7 befreites Leitungsstück 9.
Erkennbar sind hierin die miteinander verseilten Versorgungsleiter 2 sowie
die in den Zwischenräumen
zwischen den Versorgungsleitern 2 sicht bare Abschirmung 5.
Das Füllmaterial
F ist in der Darstellung gemäß 3 entfernt.
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Die
Länge des
entmantelten Leitungsstücks 9 ist
als Abmantelmaß M
bezeichnet. Bei einer Energiebusleitung ist es häufig notwendig, die Leiter
der Busleitung im Leitungsverlauf (d. h. nicht an einem Leitungsende)
zu kontaktieren. Die Kontaktierung findet dabei insbesondere auch
häufig – z. B.
zu Erweiterungszwecken – an
einem bereits in Betieb genommenen Energiebussystem statt. Wichtig
ist hierbei, dass der Kontaktierungsvorgang ohne Unterbrechung der
Versorgungsleiter 2 und/oder Signalleiter 3 bzw.
ohne Beeinträchtigung
der Funktionalität
der Busleitung geschieht, um das Energiebussystem während des
Anschlusses neuer Komponenten nicht zum Erliegen zu bringen.
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Eine
solche unterbrechungsfreie Kontaktierung ist mit der vorliegenden
Leitung 1 möglich.
Um die Versorgungsleiter 2 und Signalleiter 3 der
Leitung 1 zu kontaktieren, wird zunächst gemäß 3 ein Leitungsstück 9 eines
vorgegebenen Abmantelmaßes
M von dem Isoliermantel 7 befreit, so dass nach Entfernen
des Füllmaterials
F (nicht dargestellt) die Versorgungsleiter 2 freiliegen.
Die Leitung 1 wird danach gemäß 4 aufgedrillt,
so dass die Versorgungsleiter 2 im Wesentlichen entseilt
sind. Die Länge
des Leitungstücks 9 wird
beim Aufdrillen gegenüber
dem Abmantelmaß M
gestreckt. Die Länge
des Leitungstücks 9 im
aufgedrillten Zustand wird als aufgedrillte Länge L bezeichnet. Wichtig ist,
dass die Abschirmung 5 und die Signalleiter 3 den
Aufdrillvorgang zulassen. Hierfür
sind Signalleiter 3 mit den Versorgungsleitern 2 gleichsinnig
verseilt. Allerdings sind die Versorgungsleiter 2 und die
Signalleiter 3 mit unterschiedlicher Schlagzahl, d. h.
mit unterschiedlicher Windungszahl pro Einheitslänge, insbesondere im Verhältnis 1
: 2, verseilt, so dass sich induktive Überkopplungen der Versorgungsspannung
auf die Signalleiter 3 nach einer geringen Leitungslänge kompensieren.
Die Abschirmung 5 ist andererseits derart dehnbar ausgebildet,
dass sie unterbrechungsfrei über
die aufgedrillte Länge
L hinaus aufgeweitet werden kann. Diese Dehnbarkeit wird durch die
wellenartige Verlegung der Kupferdrähtchen der Abschirmung 5 ernöglicht.
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Ist
die Leitung 1 im Bereich des entmantelten Leitungsstücks 9 aufgedrillt,
so werden die Versorgungsleiter 2 und die Signalleiter 3,
wie in 5 dargestellt, in einer Ebene ausgebreitet. Dabei
wird die Abschirmung 5 nicht unterbrochen, sondern lediglich um
die Anschlussstelle herumgelegt. Die Versorgungsleiter 2 und
die Signalleiter 3 können
dann ohne Unterbrechung der Versorgungsleiter 2 und Signalleiter 3,
insbesondere durch Schneid-Klemm-Kontaktierung angeschlossen werden.
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- 1
- Leitung
- 2
- Versorgungsleiter
- 3
- Signalleiter
- 4
- Kern
- 5
- Abschirmung
- 6
- Ringbereich
- 7
- Isoliermantel
- 8
- Isolierhülle
- 9
- Leitungsstück
- F
- Füllmaterial
- A
- Querschnittsfläche
- M
- Abmantelmaß
- L
- Länge