DE29605606U1 - Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes in einem stromdurchflossenen Leiter - Google Patents

Description

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Beschreibung

Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes in einem stromdurchflossenen Leiter
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Zum Messen elektrischer Ströme in stromführenden Leitern sind Stromsensoren bekannt, die elektrische Meßsignale als Maß für den Strom im stromdurchflossenen Leiter liefern. Beispiele für solche Stromsensoren sind induktive Stromwandler und Meßwiderstände (Shunts).· Jedem Sensor ist in der Regel eine Meßelektronik zugeordnet, die das elektrische Meßsignal des Sensors weiterverarbeitet, beispielsweise verstärkt, digitalisiert und/oder in ein optisches Signal oder Funksignal umwandelt zur potentialfreien Übertragung. Da die Meßelektronik in der Nähe des stromführenden Leiters angeordnet wird, kann das vom Strom erzeugte Magnetfeld die Meßsignalverarbeitung stören.

Aus CH-A-63 0 466 ist eine Strommeßanordnung bekannt mit einem 0 Leiter, in den der zu messende Strom fließt, und einem Hohlleiter. Der Leiter weist eine Verengung auf, um die ein magnetfeldempfindliches Element angeordnet ist. Der Hohlleiter ist unmittelbar neben der Verengung angeordnet und wird von dem Meßstrom durchflossen. In dem Hohlleiter sind eine Meßelektronik und Batterien zur Versorgung der Meßelektronik angeordnet. Die Meßelektronik wandelt das Meßsignal des magnetfeldempfindlichen Elements in ein optische Signal um, das über einen Lichtleiter durch die Wand des Hohlleiters auf Erdpotential geführt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes in einem stromdurchflossenen Leiter mit einem Meßwiderstand als Stromsensor anzugeben, bei der das elektrische Meßsignal des Stromsensors weitgehend ohne Störeinflüsse durch das Magnetfeld des Stromes weiterverarbeitet werden kann.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes oder einer elektrischen Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter enthält neben einem Meßwiderstand als Stromsensor, der ein elektrisches Meßsignal als Maß für den elektrischen Strom erzeugt, und wenigstens einer mit dem Stromsensor elektrisch verbundenen elektronischen Einheit zur Signalverarbeitung des elektrischen Meßsignals des Stromsensors auch einen elektrischen Hohlleiter, in dessen Innenraum die wenigstens eine elektronische Einheit angeordnet ist und der zumindest von einem Teil des im Leiter fließenden Stroms durchflossen wird. Der Innenraum des elektrischen Hohlleiters ist frei vom Magnetfeld des im Hohlleiter fließenden Stromes, so daß ein wirkungsvoller Schutz der Meßelektronik vor dem Magnetfeld des Meßstromes erreicht wird. Außerdem ist ein kompakter Aufbau der Meßvorrichtung möglich.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprü-0 chen.

In einer Ausführungsform besteht der Hohlleiter zumindest weitgehend aus Kupfer. Da Kupfer elektrisch sehr leitfähig ist, sind die elektrischen Verluste im Hohlleiter und damit auch die thermische Belastung der Elektronik im Innenraum des Hohlleiters gering.

In einer einfach zu fertigenden Ausführungsform ist der Hohlleiter aus wenigstens zwei Teilen zusammengesetzt. Ferner ist der Hohlleiter vorzugsweise im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet.

Um die wenigstens eine elektronische Einheit praktisch ringsum vor äußeren elektromagnetischen Feldern zu schützen, ist der Hohlleiter an zwei Stirnseiten vorzugsweise mit jeweils einer Anschlußplatte versehen. Zum Übertragen des elektrischen Meßsignals vom Stromsensor zur wenigstens einen elek-

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tronischen Einheit vorgesehene elektrische Meßkabel können dann durch eine der beiden Anschlußplatten in den Innenraum des Hohlleiters geführt sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wandelt die elektronische Einheit das elektrische Meßsignal in ein optisches Signal um, das potentialfrei zu einer auf anderem elektrischen Potential liegenden Stelle übertragen werden kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

FIG 1 eine teilweise geöffnete Seitenansicht einer Meßvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes, FIG 2 ein Querschnitt durch die Meßvorrichtung gemäß FIG 1, FIG 3 eine um 90° gedrehte Ansicht der Meßvorrichtung gemäß

FIG 1,
FIG 4 und 5 eine weitere Ausführungsform einer Meßvorrichtung in zueinander um 90° gedrehten Ansichten, FIG 6 eine in einem Querschnitt geöffnete Ansicht eines Hohlleiters für eine Meßvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes sowie

FIG 7 eine Vorrichtung mit einem induktiven Stromwandler jeweils schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die FIG 1 bis 3 zeigen eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes I in verschiedenen Ansichten.

Die Vorrichtung gemäß FIG 1 enthält einen Meßwiderstand (Shunt) 2 als Stromsensor für den elektrischen Strom I. Der Meßwiderstand 2 umfaßt einen mittleren Teil 23 aus einem Material mit einem vorgegebenen elektrischen Widerstandswert, beispielsweise Manganin, und an zwei gegenüberliegenden Seiten des mittleren Teils 23 zwei Anschlußplatten 20 und 21, die vorzugsweise aus einem elektrisch sehr leitfähigen Mate-

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rial, beispielsweise Kupfer, bestehen. Zwischen den beiden Anschlußplatten 20 und 21 kann die an dem inneren Teil 23 abfallende elektrische Spannung als Maß für den durch den inneren Teil 23 fließenden elektrischen Strom I abgegriffen werden. Dazu ist an jede der beiden Anschlußplatten 20 und 21 jeweils ein elektrisches Meßkabel 5 bzw. 6 angeschlossen. Das erste Meßkabel 5 wird vorzugsweise von der Anschlußplatte 2 0 elektrisch isoliert durch den inneren Teil 23 und durch die weitere Anschlußplatte 21 zu einer elektronischen Einheit 4 geführt. Das andere Meßkabel 6 ist ebenfalls an die elektronische Einheit 4 angeschlossen. Die elektronische Einheit 4 verarbeitet die zwischen den beiden Meßkabeln 5 und 6 anliegende Potentialdifferenz (Spannung) als Meßsignal für den elektrischen Strom I weiter. Insbesondere kann die elektronisehe Einheit 4 die zwischen den beiden Meßkabeln 5 und 6 anliegende Spannung photoelektrisch in ein optisches Signal umwandeln und dieses in ein Lichtleiterkabel 7 einspeisen. Dies ermöglicht eine potentialfreie Übertragung des Meßsignals zu einer auf einem vom elektrischen Potential des Meßwiderstands 2 verschiedenen elektrischen Potential liegenden Meßwarte.

Das Meßsignal kann von der elektronischen Einheit 4 auch verstärkt werden und/oder mittels einer A/D-Wandlung in ein digitales Signal umgewandelt werden. Auch das digitale Meßsignal kann in ein optisches digitales Signal umgewandelt werden.

Die elektronische Einheit 4 ist im Innenraum 38 eines elektrischen Hohlleiters 3 angeordnet. Zur Befestigung der elektronischen Einheit im Hohlleiter 3 sind der Übersichtlichkeit 0 halber nicht dargestellte elektrisch isolierende Befestigungsmittel vorgesehen, beispielsweise eine Spannvorrichtung. Dem Hohlleiter 3 sind an zwei Stirnseiten jeweils eine Anschlußplatte 30 und 31 zugeordnet. Der Hohlleiter 3 und die Anschlußplatten 3 0 und 31 bestehen aus einem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer. Die Anschlußplatte 3 0 des Hohlleiters 3 ist mit der Anschlußplatte 21 des Meßwiderstandes 2 mechanisch und elek-

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trisch verbunden. Vorzugsweise ist eine lösbare Verbindung vorgesehen, beispielsweise eine Schraubenverbindung.

In FIG 2 ist im Querschnitt die Anschlußplatte 3 0 des Hohlleiters 3 dargestellt mit mehreren, konzentrisch angeordneten Öffnungen 34 zum Befestigen von Schrauben sowie mit einem inneren Spalt 33, durch den die beiden Meßkabel 5 und 6 geführt sind. Vorzugsweise sind die Querschnittsflächen der Anschlußplatten 21 und 3 0 gleich und formschlüssig aneinander angepaßt. Die Anschlußplatten 30 und 31 des Hohlleiters 3 weisen vorzugsweise einen'größeren Durchmesser auf als der Hohlleiter 3. Ebenso weisen die Anschlußplatten 20 und 21 des Meßwiderstands 2 einen größeren Durchmesser auf als der innere Teil 23. Dies erleichtert die Befestigung der Anschlußplatten 21 und 30 miteinander.

Der Meßwiderstand 2 und der Hohlleiter 3 sind somit elektrisch in Serie geschaltet und werden beide von dem elektrischen Strom I durchflossen. Dabei wird ausgenutzt, daß der 0 Innenraum des Hohlleiters 3 aus physikalischen Gründen frei von Magnetfeldern durch den Meßstrom I ist, die die elektronische Einheit 4 störend beeinflussen könnten. Die Tatsache, daß der Hohlleiter 3 von dem Meßstrom I durchflossen wird, erlaubt insbesondere einen kompakten Aufbau der Meßeinrichtung. Das Lichtleiterkabel 7, über den das optische Meßsignal der elektronischen Einheit 4 übertragen wird, ist vorzugsweise durch einen optischen Anschluß 32 in der Anschlußplatte 31 des Hohlleiters 3 geführt. Es kann natürlich auch das Lichtleiterkabel 7 über den optischen Anschluß 32 mit einem weite-0 ren Lichtleiter optisch verbunden werden, der von außen aufgesteckt wird.

An der vom Hohlleiter 3 abgewandte Anschlußplatte 20 des Meßwiderstands 2 ist eine weitere Anschlußplatte 22 befestigt mit einem Anschlußteil 11 zum Anschluß an eine Stromschiene oder eine Stromleitung, in der der zu messende Meßstrom I fließt. Ein entsprechender, weiterer Anschluß 12 ist an der

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Anschlußplatte 31 des Hohlleiters 3 vorgesehen. Über die beiden Anschlußteile 11 und 12 kann beispielsweise durch eine Befestigung mit Schrauben die Reihenschaltung aus Meßwiderstand 2 und Hohlleiter 3 in Serie oder parallel zur Stromleitung oder dem Stromleiter geschaltet werden, in der bzw. dem der Meßstrom I fließt. Entsprechende Schraubenöffnungen in den Anschlußteilen 11 und 12 sind in der um 90° gedrehten Ansicht der Vorrichtung gemäß FIG 3 schematisch dargestellt. Als Anschlußteile 11 und 12 können insbesondere DIN 46206-Fl-Anschlüsse verwendet werden oder auch andere normierte Stromanschlüsse.

In den FIG 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Stromes I in zwei zueinander um 90° gedrehten Ansichten dargestellt. Der Hohlleiter 3 nimmt in dieser Ausführungsform mehrere elektronische Einheiten 4A bis 4E auf, die für unterschiedliche Funktionen, beispielsweise Schutzfunktionen, Überwachungsfunktionen und Meßfunktionen, vorgesehen sind. Jede der elektroni-0 sehen Einheiten 4A bis 4E ist über jeweils zwei Lichtleitfasern mit einem optischen Koppler 9 verbunden, der die Lichtleitfasern mit einem Lichtleiterkabel 7 optisch verbindet. Das Lichtleiterkabel 7 ist vorzugsweise mit einem Strang mehrerer Lichtleitfasern gebildet und wieder durch den optischen Anschluß 32 durch die Anschlußplatte 31 geführt. Der Hohlleiter 3 ist in seiner Länge L der Anzahl der in seinem Innenraum 38 untergebrachten elektronischen Einheiten 4A bis 4E angepaßt. Durch die Anschlußplatte 31 sind wieder vorzugsweise zentrisch die Meßkabel 5 und 6 geführt, die vorzugsweise miteinander verdrillt sind. Der Hohlleiter 3 ist nun über die Anschlußplatte 31 nicht wie in den FIG 1 bis 3 flächig mit der Anschlußplatte 21 des Meßwiderstands 2 verbunden, sondern über einen DIN 46206-Fl-Anschluß. Dieser DIN 46206-FI-Anschluß umfaßt einen der Anschlußplatte 31 des Hohlleiters 3 zugeordneten elektrischen Anschluß 13, der im wesentlichen aus zwei voneinander beabstandeten Platten besteht und einen Anschluß 14 an der Anschlußplatte 21 des Meßwiderstands 2,

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der mit einer Platte gebildet ist, die zwischen die beiden Platten des Anschlusses 13 geführt wird. Die Anschlüsse 13 und 14 werden durch Schrauben miteinander verbunden. In dem plattenförmigen Anschluß 14 ist eine Durchführung vorgesehen, durch die die elektrischen Meßkabel 5 und 6 vom Meßwiderstand 2 elektrisch isoliert durchgeführt sind. Der elektrische Meßstrom I fließt nun von dem Anschluß 12 über die Anschlußplatte 31 durch den Hohlleiter 3 und über die Anschlußplatte 31 und den Anschluß 13, den Anschluß 14 und die Anschlußplatte 21 in den Meßwiderstand 2, um von dort über die Anschlußplatte 22 und den Anschluß 11 wieder zurück in die Stromleitung bzw. den Stromleiter geführt zu werden. Da die elektronischen Einheiten 4A bis 4E sowie die Meßkabel 5 und 6 in einem magnetfeldfreien inneren Volumen dieses elektrischen Stromes angeordnet sind, wird die Messung des Stromes I durch sein eigenes Magnetfeld nicht induktiv gestört.

In FIG 6 ist eine Ausführungsform des Hohlleiters 3 in einem Querschnitt dargestellt. Der Hohlleiter 3 ist hohlzylindrisch 0 ausgebildet, hat also einen kreisringförmigen Querschnitt. In den Hohlleiter 3 ist eine dielektrische Haltevorrichtung 43 gespannt, an der die elektronische Einheit 4 befestigt ist. Vorzugsweise ist die elektronische Einheit 4 im wesentlichen zentrisch innerhalb des Hohlleiters 3 angeordnet aus Gründen der elektrischen Isolation. Die elektronische Einheit 4 weist zwei elektrische Kontaktklemmen 45 und 46 auf. An die erste elektrische Kontaktklemme 45 wird das Meßkabel 5 befestigt und an die zweite Kontaktklemme 46 das Meßkabel 6. Ferner ist die elektronische Einheit 4 über zwei Lichtwellenleiter 47 und 48 mit dem optischen Anschluß 32 verbunden, an dem auch das Lichtleiterkabel 7 optisch angeschlossen ist. Über den Lichtwellenleiter 47 wird das Meßsignal übertragen. Über den Lichtwellenleiter 48 wird die Einheit 4 optisch von einer Lichtquelle mit Energie versorgt. Solche optischen Energie-Versorgungssysteme sind an sich bekannt und umfassen im allgemeinen einen Laser, einen Lichtwellenleiter und einen photoelektrischen Wandler. Anstelle zweier Lichtwellenleiter 47

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und 48 kann auch nur ein Lichtwellenleiter vorgesehen sein, über den Meßsignale und Energie übertragen werden.

Der elektrische Hohlleiter 3 ist mit einer elektrischen Isolierung 35 umgeben. Eine solche elektrische Isolierung kann auch bei allen anderen Ausführungsformen vorgesehen sein.

Als Meßwiderstand 2 kann ein kommerziell erhältlicher Shunt eingesetzt werden, beispielsweise vom Typ WSM 2000/150 mV der Firma HiIo Test.

In FIG 7 ist eine Ausführungsform der Meßvorrichtung dargestellt, bei der anstelle eines Meßwiderstands ein induktiver Stromwandler 2' als Stromsensor vorgesehen ist. Dieser induktive Stromwandler 2' liefert ein Meßsignal für den elektrischen Strom I, das über ein Meßkabel 8 zu dem Hohlleiter übertragen wird. Das Meßkabel 8 wird dabei elektrisch isoliert durch die Anschlußplatte 31 des Hohlleiters 3 geführt und ist an die wenigstens eine elektronische Einheit 4 im 0 Hohlleiter 3 angeschlossen, die nicht dargestellt ist. Es ist ein rohrförmiger Stromleiter 50 dargestellt, in dem der zu messende Strom I fließt. Der induktive Stromwandler 2' ist um diesen Stromleiter 50 angeordnet. Der Hohlleiter 3 ist über zwei L-förmige Anschlußstücke 40 und 41 elektrisch mit dem Stromleiter 50 verbunden und damit mit einem Teil des Stromleiters 50 parallelgeschaltet. Es fließt in dieser Ausführungsform somit nur ein Teil des Meßstroms I durch den Hohlleiter 3. Der andere Teil des Meßstromes I verläuft in dem parallel zum Hohlleiter 3 geschalteten Teil des Stromleiters

50. Durch die Anschlußplatte 31 des Hohlleiters 3 ist ferner ein Lichtleiterkabel 7 geführt, über den das Meßsignal des induktiven Stromwandlers 2' von der elektronischen Einheit 4 aufbereitet als optisches Signal potentialfrei übertragen werden kann.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform ist der Hohlleiter entlang des Umfangs seines Querschnitts nicht

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vollständig geschlossen. Beispielsweise können als teilweise offener Hohlleiter zwei dicht beabstandete Halbschalen oder auch zwei dicht beabstandet angeordnete Platten vorgesehen sein. Der Hohlleiter ist dann aus mehreren, wenigstens zwei Teilen zusammengesetzt. Der Einfluß des Magnetfeldes des Stromes im Leiter auf die Meßelektronik ist auch in dieser Ausführungsform noch deutlich reduziert. Zur Versorgung der elektrischen Einheiten 4 bzw. 4A bis 4E mit elektrischer Energie kann wieder ein an sich bekanntes, nicht dargestelltes optisches Energieversorgungssystem vorgesehen sein.

Claims (9)

GR 96 G 3201 j i 10 Schut zansprüche

1. Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes (I) in einem stromdurchflossenen Leiter (50) mit

a) einem Meßwiderstand (2) zum Erzeugen eines elektrischen Meßsignals (M) als Maß für den elektrischen Strom (I) und

b) wenigstens einer mit dem Meßwiderstand (2) elektrisch verbundenen elektronischen Einheit (4) zur Signalverarbeitung des Meßsignals (M),

wobei

c) die wenigstens eine elektronische Einheit (4) im Innenraum (38) eines elektrischen Hohlleiters (3) angeordnet ist, der wenigstens von einem Teil des im Leiter (50) fließenden Stromes (I) durchflossen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Hohlleiter (3) zumindest weitgehend aus Kupfer besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Hohlleiter (3) aus wenigstens zwei Teilen zusammengesetzt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Hohlleiter (3) im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Hohlleiter (3) an zwei Stirnseiten mit jeweils einer Anschlußplatte (30,31) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der zum Übertragen des elektrischen Meßsignals (M) vom Meßwiderstand (2) zur wenigstens einen elektronischen Einheit (4) wenigstens ein elektrisches Meßkabel (5,6,8) vorgesehen ist, das durch eine der beiden Anschlußplatten (30) in den Innenraum (38) des Hohlleiters (3) geführt ist.

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7 .· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei der die elektronische Einheit (4) das elektrische Meßsignal in ein optisches Meßsignal umwandelt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der zum Übertragen des optischen Meßsignals ein Lichtleiterkabel (7) vorgesehen ist, das durch eine Anschlußplatte'{30, 31) des Hohlleiters (3) geführt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Mittel zur optischen Versorgung der Einheit (4) mit Energie vorgesehen sind.