DE19653552C2 - Summenstrom-Wandleranordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Summenstrom- Wandleranordnung, die insbesondere zur Erfassung von Differenzströmen, geeignet für Fehlerstromschalter, zu verwenden ist, mit den in Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus "Bulletin des Schweizerisch Elektrotechnischen Vereins und des Verbandes Schweizerischer Elektrizitätswerke", Band 70 (1979), Nr. 5, Seiten 213-218 und aus DE-C-42 15 900 sind Stromwandleranordnungen zur Erfassung von Differenzströmen in den Summenströmen einer Stromleiteranordnung beschrieben. Solche Summenstrom-Wandleranordnungen werden insbesondere für Fehlerstromschalter benutzt, die bereits kleine Unterschiede der Stromstärke zwischen Hin- und Rückstromleiter(n) erfassen können müssen. Bei einer derartigen Verwendung eines solchen Summenstromwandlers kommt es daher entscheidend darauf an, daß nur wirklich auftretende Differenzströme angezeigt werden und nicht etwa aufgrund irgendwelcher Unsymmetrien der Anord­ nung Differenzströme vorgetäuscht werden, die nicht vorhanden sind bzw. tatsächlich auftretender Differenzstrom als solcher nicht erkennbar ist. Fehlfunktion eines solchen Stromwandlers wird durch eine ganze Reihe verschiedener Effekte bewirkt, wie z. B. Bauteil- und Montagetoleranzen, inhomogene Mate­ rialeigenschaften des Ringkernes, Wirbelströme, Eisensätti­ gung und Hysterese und dergleichen. Allein schon axialer Ver­ satz in der Symmetrie von Hin- und Rückleiter relativ zum Ringkern kann erhebliche resultierende Sekundärspannung in der Ringkernwicklung bewirken und damit Fehlerstrom vortäu­ schen.

Es sind bereits in verschiedene Richtung gehende Lösungen an­ gegeben worden, solche Fehler einer Summenstrom-Wandleranord­ nung auszuschließen. Entsprechend dem oben genannten Bulletin ist vorgeschlagen worden, Hin- und Rückleiter als koaxiale Leitung auszubilden und einen gemeinsamen Mittelpunkt von Ringkern und dieser Koaxialanordnung vorzusehen. Eine solche Koaxialanordnung läßt sich auch bei beispielsweise Drehstrom- Leiteranordnung ausbilden.

Aus der DE 31 40 866 A1 ist ein Summenstromwandler mit einem Wandlerkern zu entnehmen, um den eine Sekundärwicklung gewic­ kelt ist. Zur Vermeidung von Fehlimpulsen auf diese Sekundär­ wicklung sind Primärleiter des Wandlers so angeordnet, daß zumindest ein Leiter den anderen im Bereich des Wandlerkerns konzentrisch umgreift.

Ferner geht aus der DE 29 06 653 C2 ein Rahmen-Fehlerstrom­ wandler für mehrpolige Schienensysteme hervor, der einen Eisenrahmen zum gemeinsamen Umfassen der Schienen sowie einen inneren Abschirmrahmen aufweist. Auf den Eisenrahmen sollen für jede Schiene jeweils zwei Wicklungen und außerdem seitli­ che Wicklungen aufgebracht sein, wobei alle diese Wicklungen zueinander parallelgeschaltet sind. Dabei ist davon auszuge­ hen, daß die Wicklungen ortsfeste Positionen einnehmen.

Gemäß der DE 42 15 900 C ist vorgesehen, Strom-Hinleiter und Strom-Rückleiter jeweils mehrfach vorzusehen und diese symme­ trisch verteilt innerhalb des Ringkerns zu positionieren. Eine solche Aufteilung führt dazu, daß Null-Leiter und z. B. 3-Phasen-Leiter innerhalb des Ringkerns über die Fläche hin­ weg untereinander symmetrisch zueinander verteilt angeordnet sind.

Diese bekannte Maßnahme kann auch bei der Erfindung angewen­ det werden, der die Aufgabe zugrundeliegt, dennoch vorlie­ gende Unsymmetrien/Inhomogenitäten, die zu noch nicht behobe­ nen Fehlern im Summenergebnis führen, zu beheben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und weitergehend mit speziellen Ausgestaltungen nach den Un­ teransprüchen gelöst.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zugrunde, eine (abgesehen von einer Anisotropie des Leitersystems) bereits vorhandene Anisotropie im System Ringkern-(Abschirmung-) Se­ kundärwicklung und/oder eine bewußt erzeugte "Anisotropie" des Ringkerns und/oder der Sekundärwicklung zu nutzen, um an­ sonsten (noch) vorhandene Anisotropie, die zu unerwünschtem Fehler der Summenbildung führt, zu kompensieren.

Bei der Erfindung kann vorgesehen sein, eine insbesondere im Material des Ringkerns bereits vorhandene Anisotropie bezüg­ lich ihrer Position um die Achse der Leiteranordnung justier­ bar drehbar anzuordnen und/oder hinsichtlich der Sekundär­ wicklung bewußt eine Inhomogenität zu erzeugen, die prinzi­ piell gesehen in örtlich abweichender spezifischer Windungs­ zahldichte gegenüber der wie üblich ansonsten gleichmäßigen Windungsdichte der Sekundärspule besteht. Diese Windungszahl­ dichte-Veränderung kann eine Verkleinerung z. B. bis auf Null (Lücke in der Sekundärwicklung) oder eine Vergrößerung durch z. B. eine zusätzliche (Hilfs-)Wicklung sein.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung werden anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen gegeben, zu denen die jeweilige Figur gehört.

Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt.

Fig. 1a zeigt zur Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt.

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung zur Fig. 1.

Fig. 3 zeigt der Vollständigkeit halber eine Ausführungs­ form, die auf dem Prinzip der Fig. 1 und 2 be­ ruht, jedoch mit Drehstrom-Leitersystem.

Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsformen mit einer bzw. mit mehreren Stellen mit (bis auf Null) verringerter Windungszahldichte.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung nach dem Prinzip der Fig. 4 und 5 für beispielsweise eine Drehstromleiter-An­ ordnung.

Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt, der das we­ sentliche dieser Ausführungsform hervorhebt. Die Fig. 1a zeigt dazu eine geschnittene Seitenansicht aus der die axiale Führung der Stromleiter zu ersehen ist. Die Stromleiter kön­ nen auch symmetrisch verteilt (siehe oben) ausgeführt sein. Mit 11 und 12 sind ein Hinleiter und ein Rückleiter bezeich­ net. Im Falle einer Drehstromanordnung liegen z. B. ein Leiter der einen Art (11) und drei Leiter der anderen Art (12) vor. Hinleiter 11 und Rückleiter 12 können auch in mehrere Einzel­ leiter aufgeteilt symmetrisch untereinander verteilt angeord­ net sein, wie dies in der genannten DE-C-42 15 900 angegeben ist.

Mit 14 ist ein magnetischer Ringkern, vorzugsweise ein Ferri­ tring, bezeichnet. Mit 16 ist (ebenfalls in Schnittdarstel­ lung) die Sekundärwicklung bezeichnet, die zur Abnahme der induzierten Spannung dient. Der Einfachheit halber sind die Außenanschlüsse der Sekundärwicklung 16 nicht angegeben. Die Anordnung arbeitet bekanntermaßen nach dem transformatori­ schen Prinzip und der Ringkern 14 hat vorzugsweise keinen Luftspalt.

Erfindungsgemäß ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, daß die vorzugsweise homogene Windungsdichte aufweisende Se­ kundärwicklung zusammen mit dem Ringkern 14 gegenüber dem Stromleitersystem 11, 12 drehbar angeordnet ist. Die Drehachse fällt mit der Achse A des Stromleitersystems (= Senkrechte zur zeichnerischen Darstellung der Fig. 1) zusam­ men. Mit 114 ist eine Inhomogenität innerhalb des Materials des Ringkerns 14 bezeichnet. Eine solche Inhomogenität kann natürlich vorhanden sein. Sie kann aber auch absichtlich in der einen oder anderen Weise erzeugt sein, wobei die Art und Weise der Erzeugung lokale Wärmebehandlung, mechanische Verformung, Schlitzung oder es auch ein üblicher Ringkern­ spalt sein kann. Wie mit dem Pfeil 17 angedeutet, ist das System Ringkern 14 - Sekundärwicklung 16 in Umfangsrichtung justierbar. Diese Justage erfolgt erfindungsgemäß bis insbesondere Bau- und Bauteiltoleranzen, z. B. Stromlei­ terversatz, Windungs-Inhomogenitäten und dgl. kompensiert sind, so daß Fehlerspannung an den Anschlüssen der Sekundär­ wicklung 16 nur dann auftritt, wenn tatsächlich der Summen­ strom in den Primärleitern 11, 12 verschieden von Null ist, d. h. eine Strom-Differenz vorliegt.

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung zur Fig. 1. Diese Ausfüh­ rungsvariante der Erfindung umfaßt die bereits beschriebenen Einzelheiten mit den bereits angegebenen Bezugszeichen und besitzt außerdem eine Zusatzwicklung 116, zusätzlich zur Se­ kundärwicklung 16. Diese Zusatzwicklung 116 ist auf dem Ring­ kern bzw. der Sekundärwicklung 16 entlang des-/derselben (in Rotation bezogen auf die Senkrechte A der Darstellung der Fig. 2) verschiebbar. Bei einer Ausgestaltung nach Fig. 2 können sowohl das System Ringkern 14 - Sekundärwicklung 16 als auch die Zusatzwicklung 116, auch getrennt voneinan­ der/gegeneinander, gegenüber der Stromleiteranordnung 11, 12 wie beschrieben um die Achse A drehbar ausgeführt sein. Dies insbesondere dann, wenn auch eine Inhomogenität wie die schon beschriebene Inhomogenität 114 vorhanden ist. Die Ausführung nach Fig. 2 kann aber auch so ausgestaltet sein, daß allein - die Zusatzwicklung 116 wie beschrieben justierbar (durch Dre­ hung 117 um die Achse A) verändert justierbar ist.

Fig. 3 zeigt eine noch weitere Ausführungsform, die auf dem Prinzip der Fig. 1 und/oder 2 beruht, jedoch mit Dreh­ strom-Leitersystem. Als vorzugsweise Ausgestaltung sind dort je Stromleiter 11, 12a, 12b und 12c eine Zusatzwicklung 116, 116a, 116b, 116c vorgesehen.

Mögliche Variationen der Ausgestaltung sind, daß diese Zu­ satzwicklungen 116 bis 116c einzeln unabhängig voneinander (117 bis 177c) oder auch gemeinsam justierbar positionierbar sind. Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 3 kann (noch) das System Ringkern-Sekundärwicklung 14 bis 16 für sich ge­ nommen oder zusammen mit den Zusatzwicklungen 116 justierbar positionierbar (17) sein.

Für die Ausführungsform der Fig. 2 und 3 realisieren die Zusatzwicklungen Stellen mit örtlich vergrößerter Windungs­ zahldichte der Sekundärwicklung.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsformen mit einer bzw. mit mehreren Stellen mit (bis auf Null) verringerter Win­ dungszahldichte. Die ansonsten geschlossene Sekundärwicklung (16 in den Fig. 1 bis 3) hat als Sekundärwicklung 216 eine Lücke 215 bzw. in Fig. 5 mit zwei Teilwicklungen 216a und 216b im Ergebnis zwei Lücken 215a, 215b.

Mit Hilfe der erfindungsgemäß justierbaren Positioniermög­ lichkeit der Lücke 215 gegenüber der Stromleiteranordnung 11, 12 kann erfindungsgemäß eine Kompensation von wie beispiels­ weise eingangs bereits angegebenen (störenden) Inhomogenitä­ ten der Summenstrom-Wandleranordnung erreicht werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 kann noch weitergehende Kompen­ sation erzielt werden, nämlich indem (die) Teilwicklungen 216a und 216b außerdem auch noch gegeneinander (117a, 117b) verdreht werden können, d. h. die Lücken 215a und 215b gegen­ einander größer/kleiner gemacht werden.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung nach dem Prinzip der Fig. 4 und 5 für beispielsweise eine Drehstromleiter-Anordnung. Die hier vorhandenen Teil-Sekundärwicklungen 216 bis 216c können insgesamt gegenüber der Stromleiteranordnung 11, 12a bis 12c gedreht werden und/oder auch gegeneinander gedreht werden (mit entsprechender Veränderung der Lücken 215a bis 215d.

Die Kompensation eines Fehlers hinsichtlich der Bildung der Summenspannung bzw. des Differenzstrom-Signals ist für ein Zweileitersystem (z. B. Fig. 1) mit relativ wenig Aufwand vom Fachmann ausführbar. Die Kompensation bzw. der Abgleich bei einem Drehstromsystem wird unter Hinzuziehung von Hilfsmit­ teln erreicht, um den Umstand zu berücksichtigen, daß die Teil-Sekundärwicklungen unterschiedlich stark mit den drei Phasen und dem Null-Leiter magnetisch verkoppelt sind. Durch Ausmessung der Winkelempfindlichkeiten jeder Teil-Sekundär­ wicklung für die vier verschiedenen Anregungen (R₀, S₀, T₀, RST Null) erhält man die 16 Koeffizienten des Gleichungssy­ stems mit dessen Hilfe man die Winkelpositionen der vier Teil-Sekundärwicklungen bestimmt, nämlich daß die Summenspan­ nung der zusammengeschalteten Teil-Sekundärwicklungen für einen Laststrom ohne Fehlerstrom verschwindet.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch für ein Drehstromsystem ohne Null-Leiter (Dreieck-Schaltung), d. h. allein für Stromleiter 12a bis 12c anwendbar ist. Für diesen Fall empfiehlt es sich für ein System entsprechend Fig. 6, eine dreifache Aufteilung der Sekundärwicklung vorzunehmen (soweit mit mehr als einer Lücke der Sekundärwicklung gear­ beitet werden soll).

Claims (8)

1. Summenstromwandleranordnung, insbesondere zur Erfassung von Differenzströmen,
mit einem die Anordnung der Stromleiter (11, 12) umschlie­ ßenden System aus magnetischem Ringkern (14) und Sekundär­ wicklung (16, 216a, . . .) mit gemeinsamer Achse (A),
gekennzeichnet dadurch
daß zur Korrektur fehlerbehafteter Differenzstrombildung wenigstens eine Inhomogenität (114, 116, 215) im System von Ringkern (14) und Sekundärwicklung (16) vorgesehen ist, die gegenüber der Stromleiteranordnung (11, 12) justierbar posi­ tioniert/positionierbar (17, 117) ausgebildet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der dieses System drehbar in Bezug auf die Achse (A) der Stromleiteranordnung (11, 12) ausgeführt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Sekundärwicklung (16, 216) wenigstens eine Inho­ mogenität (116, 215) aufweist und diese gegenüber der Strom­ leiteranordnung (11, 12) justierbar positioniert (117) ausge­ führt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, bei der die Inhomogenität der Sekundärwicklung (16, 216) eine Lücke/eine örtlich verminderte Windungszahldichte aufweisen­ der Anteil (215) der Sekundärwicklung ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, bei der die Sekundärwicklung mehrere solche Lücken/Anteile mit verringerter Windungszahldichte (215a, . . .) aufweist (Fig. 5, Fig. 6).

6. Anordnung nach Anspruch 3, bei der auf dem Ringkern (14) mit Sekundärwicklung (16) we­ nigstens eine Zusatzsekundärwicklung (116) vorgesehen ist, die auf der Sekundärwicklung justierbar verschiebbar (117) angeordnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, bei der, insbesondere bei wenigstens Dreifach-Stromleiteran­ ordnung (Fig. 6), mehrere auf der Sekundärwicklung (16) justierbar positionierte Zusatzwicklungen (116 bis 116c) vorgesehen sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der verschiedene Arten von Inhomogenitäten (114, 215, 116) kombiniert vorgesehen sind.