DE19527974A1 - Magnetische Abschirmung von elektrischen Anlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Abschirmung von elek­ trischen Kabeleinrichtungen Umspannungsanlagen Schaltanlagen und/oder Verteilungsanlagen.

In Wohngebieten wird Elektrizität über mittlere Entfernungen mit einer Spannung von etwa 10-30 kV transportiert. Diese sogenannte Mittelspannung ist einerseits niedrig genug, um ohne großen Aufwand die Isolierung zu ermöglichen, und andererseits hoch genug, um Leitungsverluste zu minimieren. Für den Nahbereich muß die Mittelspannung auf die an den Hausanschlüssen vorgesehene Niederspannung transformiert werden, also üblicherweise auf 400 V-Drehstrom (drei Phasen von je 230 V gegen Erde). Die dazu er­ forderlichen Umspannungsanlagen mit zugeordneten Schaltanlagen und Verteilungsanlagen befinden sich häufig in Kellern von Wohn­ gebäuden.

In der Vergangenheit haben die magnetischen Streufelder, die von diesen Umspannungsanlagen, Schaltanlagen, Verteilungsanlagen und den dazwischen angeordneten Kabeleinrichtungen, durch die auf der Niederspannungsseite hohe Ströme fließen können, ausgehen, nicht zu nennenswerten Problemen geführt. Bei der zunehmenden Verwendung von Computern kommt es jedoch immer häufiger vor, daß ein hochauflösender Bildschirm in einem Raum steht, der sich unmittelbar über einem Kellerraum mit einer Umspannungsanlage mit zugeordneten Komponenten des beschriebenen Typs befindet. Wenn keine Maßnahmen ergriffen werden, können in 10 m Entfernung von der Anlage durchaus Magnetfelder von 1 bis 3 µ-Tesla auf­ treten. Computerbildschirme, insbesondere hochauflösende Bild­ schirme, aber auch Fernsehgeräte werden dadurch deutlich sicht­ bar gestört.

Durch feldarme Bauformen lassen sich die magnetischen Felder reduzieren. Wenn beispielsweise an der Niederspannungsseite des Transformators für jede Phase mehrere Kabel vorgesehen sind, können durch geschickte geometrische Anordnungen der einzelnen Kabel in einem Kabelstrang die im Außenbereich auftretenden magnetischen Felder reduziert werden. Das Umklemmen der Kabel am Transformator führt allerdings zu unübersichtlichem Verlauf der Kabel und ist daher in der Praxis unerwünscht. Man kann auch den üblicherweise an der Kellerdecke verlegten Kabelstrang, der den Transformator mit der Niederspannungsverteilung verbindet, auf den Kellerboden umlegen, um so den Abstand des Kabelstrangs zu den über dem Keller befindlichen Räumen zu vergrößern. Dies ist jedoch aufwendig und teuer. Man hat daher nach Möglichkeiten gesucht, die von den genannten Anlagen ausgehenden magnetischen Felder zumindest teilweise abzuschirmen.

Es ist bekannt, daß sich eine hochwertige magnetische Abschir­ mung mit Hilfe von sogenanntem My-Metall, einem Material sehr hoher magnetischer Permeabilität, erreichen läßt. Dazu muß die Anlage, von der die störenden Magnetfelder ausgehen, vollständig mit Blechen aus My-Metall umgeben werden. Als Alternative könnte auch der zu schützende Gegenstand, z. B. ein Bildschirm, durch praktisch vollständiges Abschirmen mit My-Metall vor den stören­ den magnetischen Feldern geschützt werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig und erfordert große Sorgfalt, da My-Metall sehr weich ist und durch unbeabsichtigtes Verbiegen seine günstigen magne­ tischen Eigenschaften verliert.

Man hat auch versucht, z. B. Kabelstränge in metallischen Kanälen zu führen, wodurch sie elektrisch abgeschirmt werden. In der Wandung solcher Kanäle werden durch die beim Stromfluß erzeugten magnetischen Felder Wirbelströme induziert, die den ursprüng­ lichen magnetischen Feldern teilweise entgegenwirken. Während sich im mittleren Bereich der Kanäle tatsächlich eine Reduzie­ rung der außen auftretenden magnetischen Felder nachweisen läßt, führen starke Randeffekte am Ende der Kanäle zu hohen magneti­ schen Feldern, so daß diese Möglichkeit in der Praxis unbrauch­ bar ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine magnetische Abschirmung von elektrischen Kabeleinrichtungen, Umspannungsanlagen, Schalt­ anlagen und/oder Verteilungsanlagen zu schaffen, die kostengün­ stig und mit einer für die Praxis ausreichenden Wirkung erstellt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine magnetische Abschirmung mit den Eigenschaften des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist die abzuschirmende Einrichtung oder Anlage von mindestens einem in Längsrichtung hochpermeablen Abschirm­ band umgeben. Dabei sind benachbarte Abschnitte desselben Ab­ schirmbandes oder verschiedener Abschirmbänder auf Zwischenraum angeordnet.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß mit Hilfe der in Längsrichtung hochpermeablen Abschirmbänder außerhalb der Ab­ schirmung eine für die Praxis brauchbare Reduzierung der magne­ tischen Felder erzielbar ist, obwohl zwischen den Abschirmbän­ dern bzw. deren Abschnitten erhebliche Zwischenräume bestehen können.

Die erfindungsgemäße magnetische Abschirmung ist kostengünstig, da keine lückenlose Flächendeckung erforderlich ist. Aus diesem Grunde wird auch die freie Konvektion der Umgebungsluft nur geringfügig behindert, so daß die beim Betrieb der abgeschirmten Einrichtung oder Anlage auftretende Verlustwärme ohne weiteres abgeführt werden kann und keine besonderen Kühlmaßnahmen erfor­ derlich sind.

Vorzugsweise weist ein Abschirmband einen oder mehrere überein­ ander angeordnete Streifen aus kornorientiertem Transformatoren­ blech auf. Dieses Material ist leicht erhältlich und führt nur zu geringen Verlustleistungen in der Abschirmung.

Vorzugsweise sind die verwendeten Abschirmbänder isoliert und geerdet. Dadurch lassen sich eindeutige Erdungsverhältnisse erreichen. Insbesondere können Erdschleifen durch den isolierten Aufbau der Abschirmung und einseitige Erdung vermieden werden. So lassen sich durch geeignete Wahl des Materials für die Ab­ schirmbänder und die Isolierung der Abschirmbänder Wirbelströme in der Abschirmung minimieren. Neben einer geringen Verlustlei­ stung wird dadurch auch erreicht, daß an den Enden der Abschir­ mung signifikante Effekte in Form unerwünscht hoher Magnetfelder durch Wirbelströme nicht auftreten.

Die magnetische Abschirmung für einen als Kabeleinrichtung die­ nenden Kabelstrang weist vorzugsweise ein Abschirmband auf, das direkt um den Kabelstrang oder auf einen um den Kabelstrang an­ geordneten Träger gewickelt ist. Die Breite des Zwischenraums zwischen benachbarten Abschnitten des Abschirmbandes kann minde­ stens 80% der Breite des Abschirmbandes betragen, was ein Bei­ spiel dafür ist, daß die freiliegende Fläche zwischen den Ab­ schirmbändern vorzugsweise mindestens 80% der von den Abschirm­ bändern eingenommenen Fläche beträgt. Bei derart abgeschirmten Kabelsträngen treten an den Enden der Abschirmung keine uner­ wünscht hohen magnetischen Felder auf.

Ein als Umspannungsanlage dienender Transformator ist vorzugs­ weise in Längsrichtung von mindestens einem Abschirmband und quer dazu von mindestens zwei auf Abstand zueinander angeord­ neten Abschirmbänden umgeben. Die freiliegende Fläche zwischen den Abschirmbändern kann dabei erheblich mehr als 80% der von den Abschirmbändern eingenommenen Fläche betragen. Eine derarti­ ge magnetische Abschirmung erlaubt einen freien Zugang zu dem Transformator und seinen Anschlüssen sowie eine ausreichende Kühlung durch die Umgebungsluft. Trotz des geringen Einsatzes an Abschirmbändern wird eine für die Praxis ausreichende Wirkung erzielt. Hier sind die Abschirmbänder vorzugsweise jeweils an den Enden metallisch überlappend zusammengefügt und an jeweils einer Stelle geerdet.

Es empfiehlt sich, die Abschirmbänder in Abstimmung auf die abzuschirmende Einrichtung oder Anlage so zu dimensionieren und anzuordnen, daß keine Sättigung des in Längsrichtung des Ab­ schirmbandes hochpermeablen Materials auftritt.

Die erfindungsgemäße magnetische Abschirmung läßt sich ohne weiteres nachträglich an vorhandenen Einrichtungen oder Anlagen anbringen, wobei in der Praxis gut reproduzierbare Eigenschaften erzielt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Abschirmband,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Abschirmband aus Fig. 1 entlang der Linie II-II,

Fig. 3 die magnetische Abschirmung eines Kabelstrangs mit Hilfe eines Abschirmbandes,

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV aus Fig. 3,

Fig. 5 eine Stirnansicht eines mit einer magnetischen Ab­ schirmung versehenen Transformators und

Fig. 6 eine Seitenansicht des Transformators mit der magneti­ schen Abschirmung aus Fig. 5.

Ein Beispiel für eine Vorrichtung, die sich mit Hilfe der erfin­ dungsgemäßen magnetischen Abschirmung abschirmen läßt, ist eine Umspannungsstation im Keller eines Gebäudes. Dabei wird Mittel­ spannung von zum Beispiel 10 kV an einen Transformator herange­ führt, gegebenenfalls über eine Mittelspannungsschaltanlage. An der Oberseite des Transformators befinden sich die Mittelspan­ nungsanschlüsse. An der Ausgangsseite des Transformators sind mehrere Anschlüsse für die Niederspannung angeordnet, im Aus­ führungsbeispiel je drei Anschlüsse für jede der drei Dreh­ stromphasen (230 V gegen Erde). Die dort angeklemmten Kabel sind in einem Kabelstrang von zum Beispiel 5 m Länge, durch den hohe Ströme fließen, zu einer Niederspannungsverteilung geführt. Von dort gehen eine größere Anzahl von Niederspannungsleitungen geringeren Querschnitts ab, die unterirdisch zu den Gebäuden in der Umgebung führen.

Zur magnetischen Abschirmung der einzelnen Komponenten dient ein Abschirmband 1, das in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Das Abschirmband 1 enthält zwei übereinander angeordnete Streifen 3 aus kornorientiertem Transformatorenblech, das in Längsrichtung hochpermeabel ist. Vorzugsweise wird "Transformatorenblech IV" verwendet. Die Breite jedes der Streifen 3 beträgt beispiels­ weise ca. 100 mm und die Stärke beispielsweise jeweils ca. 0,35 mm. Die Länge des Abschirmbandes 1 richtet sich nach dem jewei­ ligen Anwendungsfall und beträgt zum Beispiel 5 m bis 10 m.

Je größer die Stärke des verwendeten Abschirmmaterials ist, d. h. bei einer mehrlagigen Ausführung, je größer die Anzahl der ver­ wendeten Streifen 3 ist, umso größer ist der Faktor, um den das unerwünschte magnetische Feld abgeschirmt wird. Dabei besteht näherungsweise ein linearer Zusammenhang. In der Praxis haben sich Abschirmbänder I mit ein bis neun übereinander angeordneten Streifen 3 mit jeweils einer Stärke von ca. 0,35 mm bewährt.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die beiden übereinander angeordneten Streifen 3 von einer gemeinsamen Isolierung 5 umgeben. Es ist auch denkbar, für jeden Streifen 3 eine separate Isolierung vorzusehen. Im Ausführungsbeispiel besteht die Isolierung aus einem wärmegeschrumpften Schlauch. Da die Streifen 3 scharfkan­ tig sind, empfiehlt es sich, entlang den Längsseiten und gegebe­ nenfalls auch entlang den Schmalseiten einen Kantenschutz 7 vorzusehen, etwa ein reißfestes Klebeband, das verhindert, daß die Isolierung 5 beim Aufschrumpfen einreißt.

An einem Ende des Abschirmbandes 1 ist ein Erdungsanschluß 10 angebracht, der aus einem Erdungskabel 11, einem Kabelschuh 12, einer Schraube 13 und einer Mutter 14 besteht. Der Kabelschuh 12 ist elektrisch leitend mit den Streifen 3 verbunden. Wie Fig. 2 zeigt, umgibt die Isolierung 5 auch den Kabelschuh 12, die Schraube 13 und die Mutter 14.

In den Fig. 3 und 4 ist die magnetische Abschirmung eines Kabelstrangs 20 dargestellt, der den Transformator mit der Nie­ derspannungsverteilung verbindet. Der Kabelstrang 20 besteht aus neun Einzelkabeln 21, siehe Fig. 4. Zur magnetischen Abschir­ mung dient ein Abschirmband 1 der zuvor beschriebenen Art, das hier mit 22 bezeichnet ist. Das Abschirmband 22 ist wendelförmig um den Kabelstrang 20 gewickelt. An einem Ende befindet sich ein Erdungsanschluß 23. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Breite des Abschirmbandes 22 ca. 100 mm, und die Zwischenräume 24 zwi­ schen benachbarten Abschnitten des Abschirmbandes 22 sind so gewählt, daß sie senkrecht zu den Längskanten des Abschirmbandes 22 gemessen ebenfalls ca. 100 mm breit sind. Die freiliegende Fläche ist daher ungefähr genauso groß wie die von dem Abschirm­ band 22 eingenommene Fläche.

Bei der Anordnung gemäß den Fig. 3 und 4 wird der Zutritt von Kühlluft nicht unzulässig behindert. Eine noch bessere Konvek­ tion ergibt sich, wenn das Abschirmband 22 nicht (wie in den Fig. 3 und 4) direkt um den Kabelstrang 20 gewickelt ist, sondern auf einen den Kabelstrang 20 umgebenden Träger. Ein solcher Träger kann aus beliebigem Material bestehen, z. B. aus Aluminium oder Kunststoff, und er kann zum Erhöhen der Konvek­ tion mit Aussparungen versehen sein. In den meisten Fällen ist ein Abstand zwischen dem Abschirmband 22 und dem nächst benach­ barten Einzelkabel 21 von ca. 50 mm ausreichend.

Die gute Scherung der Eisenkennlinie bei offenen Eisenwegen gewährleistet einen Betrieb des Abschirmbandes 22 unterhalb des Sättigungsbereichs des Transformatorenbleches.

Wenn ein einzelnes zur Verfügung stehendes Abschirmband zu kurz ist, um den Kabelstrang 20 zu umwickeln, können solche Abschirm­ bänder als Teilstücke an ihren Enden metallisch überlappend zusammengefügt werden, um ein längeres Abschirmband 22 zu bil­ den.

Ein Beispiel für die Wirksamkeit der magnetischen Abschirmung des Kabelstrangs 20 geben die folgenden Zahlenwerte: Bei einem längeren Kabelstrang 20 beträgt in dessen mittlerem Bereich der Abschirmfaktor für das magnetische Feld etwa 5, gemessen in 2 m Entfernung vom Kabelstrang 20. Dabei ist die magnetische Ab­ schirmung so aufgebaut, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, d. h. insbesondere werden zwei Streifen 3 aus Transformatorenblech IV von je 0,35 mm Dicke verwendet. In der Nähe der Enden des Kabelstrangs 20 ändert sich das magnetische Feld, ebenso wie es bei kürzeren Kabelsträngen entlang deren Längsrichtung generell stärkeren Schwankungen unterworfen ist. Trotzdem läßt sich auch in diesen Fällen mit Hilfe der beschrie­ benen Anordnung des Abschirmbandes 22 eine für die Praxis aus­ reichende magnetische Abschirmung erzielen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen die magnetische Abschirmung eines Transformators 30, der sich auf einer fahrbaren Plattform 31 befindet und an seiner Oberseite Mittelspannungsanschlüsse 32 aufweist. Die magnetische Abschirmung besteht hier aus einem längs verlaufenden Abschirmband 34, einem ersten quer verlaufen­ den Abschirmband 35 und einem zweiten, auf Abstand dazu angeord­ neten quer verlaufenden Abschirmband 36. Die Abschirmbänder 34, 35 und 36 haben jeweils einen Aufbau, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, wobei jeweils mehrere Streifen aus Transformatorenblech IV übereinander angeordnet sind. Im Gegensatz zu der Abschirmung des Kabelstrangs 20 (siehe Fig. 3 und 4) überlappen die Abschirmbänder 34, 35, 36 jeweils an ihren Enden metallisch, so daß jeweils geschlossene Eisenwege entstehen. Außerdem ist jedes der Abschirmbänder 34, 35, 36 zur Vermeidung von Erdschleifen jeweils an einer Stelle geerdet (in den Fig. 5 und 6 nicht eingezeichnet).

Die Abschirmbänder 1 sind so weich, daß sie sich beispielsweise als Abschirmband 22 ohne Mühe um den Kabelstrang 20 wickeln lassen. Die den Transformator 30 umgebenden Abschirmbänder 34, 35, 36 müssen daher auf einem Träger angeordnet sein, damit sie einen ausreichenden Abstand zu dem Transformator 30 einhalten, insbesondere zu den Mittelspannungsanschlüssen 32. Als Träger können beispielsweise Abstandshalter oder Rahmen für die einzel­ nen Abschirmbänder 34, 35, 36 dienen. Das Material dafür ist beliebig; zum Beispiel sind Aluminium oder Kunststoff geeignet.

Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführung beträgt der Abstand der Abschirmbänder 34, 35, 36 zu dem Transformator 30 an den Seiten jeweils ca. 10 cm, an der Oberseite dagegen ca. 30 cm.

Obwohl von den Abschirmbändern 34, 35, 36 nur ein geringer Teil der den Transformator 30 umgebenden Fläche abgedeckt ist, wird eine in der Praxis ausreichende Abschirmwirkung erzielt. Bei neun übereinander angeordneten Streifen aus Transformatorenblech IV von je 0,35 mm Dicke beträgt der Abschirmfaktor in einer Höhe von ca. 2 m über der Oberseite des Transformators 30 ca. 2 bis 3. Da die in dem Transformator 30 entstehenden magnetischen Felder geringer sind als die von dem Kabelstrang 20 ausgehenden, reicht es in der Praxis vielfach aus, den Transformator 30 weni­ ger stark abzuschirmen als den Kabelstrang 20.

Generell gilt, daß die magnetische Abschirmung umso besser wird, je größer die Gesamtdicke des in Längsrichtung hochpermeablen Materials ist und je dichter das Abschirmband oder die Abschirm­ bänder angeordnet sind. In der Praxis wird man sich an einem Kompromiß zwischen dem an einem gegebenen Ort noch akzeptablen magnetischen Feld und dem für die magnetische Abschirmung erfor­ derlichen Aufwand orientieren. Dabei lassen sich günstige Anord­ nungen durch Versuche ermitteln. Dies gilt auch für die magneti­ sche Abschirmung von gegebenenfalls vorhandenen Mittelspannungs­ schaltanlagen und für die von Niederspannungsverteilungen. Um eine Niederspannungsverteilung können Abschirmbänder in ähnli­ cher Weise wie um den Transformator 30 angeordnet werden. Bei größeren Stromstärken ist jedoch der Materialaufwand höher.

Claims (11)

1. Magnetische Abschirmung von elektrischen Kabeleinrichtungen (20), Umspannungsanlagen (30), Schaltanlagen und/oder Ver­ teilungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabelein­ richtung (20), Umspannungsanlage (30), Schaltanlage und/ oder Verteilungsanlage von mindestens einem in Längsrich­ tung hochpermeablen Abschirmband (1; 22; 34, 35, 36) umge­ ben ist, wobei benachbarte Abschnitte desselben Ab­ schirmbandes (22) oder verschiedener Abschirmbänder (34, 35, 36) auf Zwischenraum (24) angeordnet sind.

2. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens ein Abschirmband (1) einen oder mehrere übereinander angeordnete Streifen (3) aus korn­ orientiertem Transformatorenblech aufweist.

3. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschirmband (1) eine Isolierung (5) aufweist.

4. Magnetische Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschirmband (1) geerdet ist.

5. Magnetische Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegende Fläche zwi­ schen den Abschirmbändern (1) mindestens 80% der von den Abschirmbändern (1) eingenommenen Fläche beträgt.

6. Magnetische Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Kabeleinrichtung die­ nender Kabelstrang (20) von einem gegebenenfalls in Längs­ richtung aus mehreren Teilstücken zusammengefügten Ab­ schirmband (22) umwickelt ist.

7. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Breite des Zwischenraums (24) zwischen benachbarten Abschnitten des Abschirmbandes (22) mindestens 80% der Breite des Abschirmbandes (22) beträgt.

8. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmband (22) an einem Ende geerdet ist.

9. Magnetische Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Umspannungsanlage die­ nender Transformator (30) in Längsrichtung von mindestens einem Abschirmband (34) und quer dazu von mindestens zwei auf Abstand zueinander angeordneten Abschirmbändern (35, 36) umgeben ist.

10. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abschirmbänder (34, 35, 36) jeweils an den Enden metallisch überlappen und an jeweils einer Stelle geerdet sind.

11. Verwendung eines Blechstreifens (3) aus kornorientiertem Transformatorenblech zum magnetischen Abschirmen.