DE3707707A1 - Messwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßwandler, insbesondere zur Messung an Sammelschienen und Kabel von Energieverteilungsnetzen, der die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.

Bei einem bekannten Meßwandler dieser Art (US-PS 35 24 133) ist in die Isolation eines mit einem Metallmantel versehenen Kabels eine die Kabelader im Abstand konzentrisch umgebende Ringelektro­ de als Spannungssensor eingebettet. In axialem Abstand von diesem Spannungssensor ist der Metallmantel mit zwei im axialen Abstand von einander in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitzen versehen und um den zwischen diesen Schlitzen liegenden Steg eine Spule als Stromsensor gelegt. Die vom Spannungssensor gelieferte Span­ nung wird zum Betrieb von Glimmlampen, der vom Stromsensor gelie­ ferte Strom zur Steuerung eines Reed-Schalters verwendet. Abgese­ hen davon, daß dieser Meßwandler keine Meßwerte liefert, sondern nur dem Betrieb einer Anzeigeeinrichtung dient, ist vor allem nachteilig, daß der Einsatz dieses Wandlers eine aufwendige Prä­ parierung des Kabels erforderlich macht.

Übliche bekannte Meßwandler haben den Nachteil, daß sie in der Regel bereits bei der Montage einer Anlage, beispielsweise einer Niederspannungsverteileranlage mit Stromschienen, montiert werden müssen, da eine nachträgliche Montage mit erheblichem Aufwand, insbesondere einem Abschalten und einer teilweisen Demontage der Anlage, verbunden ist. Entsprechendes gilt für Netze mit Kabel­ steckern, wie sie vornehmlich in Mittelspannungsverteileranlagen verwendet werden. Auch hier sind die bekannten Meßwandler groß, kostspielig und nachträglich nur schwer zu montieren. Hinzu kommt bei den bekannten Meßwandlern, daß der Informationsgewinn relativ gering ist und häufig ein erheblicher Aufwand für die weitere Signalauswertung erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe löst ein Meß­ wandler mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Dank seiner Signalvorverarbeitungselektronik und seines Mikro­ rechners ist der erfindungsgemäße Meßwandler nicht nur in der Lage, Meßwerte für Strom und Spannung zu liefern, sondern auch Meßwerte, welche durch Strom und Spannung gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Phasenlage, bestimmt sind, also die Schein­ leistung, der Leistungsfaktor cos ϕ, die Wirkleistung und die Leistungsrichtung. Weist der erfindungsgemäße Wandler zusätzlich einen Temperatursensor für die Temperatur des Leiters auf, an dem die Messung durchgeführt wird, dann ist er in der Lage, sämtliche Betriebsparameter zu liefern. Selbstverständlich ist es mit Hilfe des Mikrorechners auch möglich, Grenzwerte vorzugeben und ihr Er­ reichen oder ihre Überschreitung zu überwachen und zu melden. Ein weiterer Vorteil der Ausgabe der Meßwerte durch den Mikrorechner in Form digitaler Ausgangssignale besteht darin, daß mehrere Meß­ wandler an eine gemeinsame Leitung im Multi-Drop-Mode oder Loop- Mode angeschlossen werden können. Schließlich ermöglicht die Sig­ nalvorverarbeitung auch eine Ausgabe der Meßwerte als standisier­ te Analog-Signale.

Der erfindungsgemäße Meßwandler gestattet also eine vollständige Erfassung aller Betriebsparsmeter einer Anlage oder von Teilen derselben. Er ist ferner hinsichtlich der ausführbaren Meßver­ fahren und seiner räumlichen Gestaltung so ausgeführt, daß er für möglichst viele unterschiedliche Problemstellungen einsatzbereit ist, wobei der Aufwand für die weitere Signalverarbeitung dadurch stark reduziert ist, daß er die direkten Meßgrößen und die aus ihnen abgeleiteten Informationen als standartisierte Signale zur Verfügung stellt.

Um die räumlichen Abmessungen des Meßwandlers klein zu halten, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform die gesamte analoge Signalanpassungs-Elektronik zwischen den eigentlichen Sensoren und dem auswertenden Mikrorechner in einem integrierten Schalt­ kreis konzentriert.

Vorzugsweise sind alle Sensoren in einem gemeinsamen Gehäuse an­ geordnet. Enthält dieses gemeinsame Gehäuse auch alle übrigen Teile, dann hat man einen Meßwandler, der ohne Schwierigkeiten an der Meßstelle angeordnet werden kann. Das gemeinsame Gehäuse für die Sensoren kann aber auch durch eine Kabelarmatur, beispiels­ weise einen Kabelstecker, gebildet sein. In diesem Falle ist es zweckmäßiger, die übrigen Teile außerhalb des Armaturengehäuses in einem eigenen Gehäuse anzuordnen.

Besonders vorteilhaft ist für eine Anwendung als ortsveränder­ licher Meßwandler, der an beliebig wählberen Stellen einer Sam­ melschiene oder eines Kabels angesetzt werden kann, eine Teilung des allen Baugruppen des Meßwandlers gemeinsamen Gehäuses in ei­ nen U-förmigen Teil, der alle Sensoren und die gesamte Elektronik enthält, und einen zweiten Teil, welcher wie ein Joch mit den freien Enden der beiden Schenkel des U-förmigen Teiles verbindbar ist. Mittels eines solchen Joch-Teiles läßt sich der Wandler in einfacher Weise an einer Sammelschiene oder einem Kabel mecha­ nisch fixieren. Außerdem kann dieser Joch-Teil als Flußleitkörper für den magnetischen Fluß oder aber auch als Magnetfeldabschir­ mungskörper dienen. Eine magnetische Abschirmung ist dann von Vorteil, wenn der Stromsensor durch wenigstens eine Luft-Spule gebildet ist, welche mit dem Magnetfeld des Leiters verkettet ist. Um Beeinträchtigungen durch Magnetfelder benachbarter Leiter zu vermeiden, ist es in diesem Falle zweckmäßig, den nicht durch die Spule erfaßten Teil des magnetischen Feldes durch ein geeig­ netes Material magnetisch kurzzuschließen. Besteht hingegen der Stromsensor aus einem Hall-Element, das im Luftspalt eines die Schiene oder das Kabel umfassenden Ringkernes liegt, dann ist der Joch-Teil als Magnetflußleitkörper erforderlich.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von drei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen

Fig. 1. eine Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des ersten Ausführungsbei­ spiels,

Fig. 3 einen schematisch dargestellten Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Fig. 4 eine schematisch dargestellte Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels.

Ein als Ganzes mit 1 bezeichneter Meßwandler hat ein aus Kunst­ stoff bestehendes Gehäuse, das, wie Fig. 1 zeigt, geteilt ist. Der größere Teil 2 ist U-förmig ausgebildet, wobei der Abstand und die Länge der beiden Schenkel so groß gewählt sind, daß zwi­ schen den Schenkeln wahlweise eine Sammelschiene oder ein Kabel eines Energieversorgungsnetzes aufgenommen werden kann. Der klei­ nere Gehäuseteil 3 bildet ein an die freien Stirnflächen der bei­ den Schenkel des Gehäuseteils 2 anlegbares und mit dem Gehäuse­ teil 2 verbindbares Joch.

In den beiden Schenkeln des größeren Gehäuseteils 2 sind im Aus­ führungsbeispiel einander gegenüberliegend zwei eisenlose Spulen 4 als Stromsensor angeordnet. Neben der im breiteren Schenkel liegenden Spule 4 ist ein Temperatursensor 5 angeordnet, welcher durch einen temperaturabhängigen Widerstand gebildet ist. Im sel­ ben Schenkel liegt ferner eine Elektrode 6, welche infolge ihrer kapazitiven Ankoppelung an den zwischen den Schenkeln liegenden Leiter einen Spannungssensor bildet. Um Störfelder von den beiden Spulen 4 fernzuhalten, wie sie durch sndere stromführende Leiter hervorgerufen werden könnten, ist sowohl in den größeren Teil 2 des Gehäuses als auch in den kleineren Teil 3 eine magnetische Abschirmung 7 eingelegt. Schließlich befindet sich in dem breite­ ren der beiden Schenkel des größeren Gehäuseteils 2 eine Leiter­ platte 8, zu der hin von außen her ein Kabel 9 geführt ist.

Die Leiterplatte 8 trägt für jeden der Sensoren eine Signalanpas­ sungsstufe 10. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um je einen Operationsverstärker, an dessen beide Eingänge die beiden Ausgänge der Sensoren oder, bei der Elektrode 6, diese und das Massepotential angeschlossen sind. Die Ausgänge der Signalanpas­ sungsstufen 10 sind an die Eingänge einer ebenfalls auf der Lei­ terplatte 8 angeordneten Signalvorverarbeitungselektronik 11 an­ geschlossen. Diese Elektronik 11 erzeugt aus jedem analogen Sig­ nal, das von den drei Signalanpassungsstufen 10 kommt, ein stan­ dardisiertes Analogsignal von beispielsweise 4 bis 20 mA. An ei­ nen Ausgang 11′ für diese standardisierten Analogsignale ist das Kabel 9 angeschlossen. Die gesamte analoge Signalanpassungsstufe ist in einem integrierten Schaltkreis konzentriert, um die Abmes­ sungen des Meßwandlers möglichst klein zu halten.

Die Signalvorverarbeitungselektronik enthält alle Komponenten, welche die drei Analogsignale Spannung, Strom und Temperatur, so­ wie die daraus ermittelte Phasenbeziehung zwischen Spannung und Strom dahingehend aufbereiten, da sie sowohl in Form standardi­ sierter Analogsignale, wie beispielsweise Ausgangsströme von 0...20 mA, zur Verfügung stehen, als auch durch den Mikrorechner direkt weiterverarbeitet werden können. Hierzu sind im Ausfüh­ rungsbeispiel Analog/Digital-Wandler vorgesehen, welche die drei Analogsignale in entsprechende Digital-Signale umwandeln, und zwar beim Stromsignal und beim Spannungssignal nicht nur hinsichtlich der Amplitude, sondern auch hinsichtlich der Phasenlage. Die digitalisierten Signale werden einem Einchip-Mikrorechner 12 zu­ geführt, der ebenfalls auf der Leiterplatte 8 angeordnet und an das Kabel 9 angeschlossen ist. Dieser Rechner 12 berechnet aus den Signalen für die Spannung und den Strom die Scheinleistung, die Wirkleistung, den Leistungsfaktor cosϕ und die Leistungs­ richtung. Diese Größen können ebenso wie der Meßwert der Tempe­ peratur über das Kabel abgefragt werden. Damit liefert der Meß­ wandler die erforderlichen Angaben über alle Betriebsparameter.

Die konstruktive Gestaltung des Meßwandlers 1 ermöglicht es, ihn auch nachträglich ohne Abschalten der Anlage durch einfaches Auf­ stecken zu installieren. Es ist ferner dank der Halbleiter-Mikro­ chips-Technologie klein und kompakt und kann die konventionelle Wandlertechnik ersetzen. Ferner ergibt sich gegenüber der konven­ tionellen Wandlertechnik eine erhebliche Kosteneinsparung.

Schließlich wird wegen der Erfassung aller Betriebsparameter die Betriebssicherheit erhöht.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektrode 106 als Spannungssensor, die beiden eisenlosen Spulen 104 als Stromsensor und der Temperatursensor 105 im Inneren eines Kabelsteckers 113 angeordnet, der am einen Ende eines Mittelspan­ nungskabels 114 vorgesehen ist. Der Kabelstecker 113, den die Seele 114′ des Mittelspannungskabels 114 durchdringt, weist an seinem freien Ende eine zylindrischen Kontaktkörper 115 auf, an den sich ein aus Silikonkautschuk bestehender Isolierkörper 116 anschließt. Dieser Isolierkörper 116 ist auf einem Teil seiner Länge von einem metallischen Gehäuse 117 umgeben, das an seiner Außenseite ein Gehäuse 118 trägt, in dem die den Sensoren zuge­ ordneten Signalanpassungsstufen, die Signalvorverarbeitungselek­ tronik und der Mikrorechner enthalten sind. Der Platzbedarf des Gehäuses 118 ist so gering, daß es ohne Schwierigkeiten am Kabel­ stecker 113 angebracht werden kann.

Auch bei diesen Ausführungsbeispiel liefert der erfindungsgemäße Meßwandler alle Betriebsparameter und zusätzlich als Analogsig­ nale die Werte für den Strom, die Spannung und die Temperatur.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein U-för­ miges Gehäuse 220 aus einem elektrisch isolierenden und nicht magnetisierbaren Kunststoff auf, dessen beide Schenkel den Lei­ ter, an dem Messungen vorgenommen werden sollen, beispielsweise eine Sammelschiene 214, teilweise umfassen. Vom freien Ende er­ streckt sich in beide Schenkeln des Gehäuses 220 hinein je ein Kanal bis zu einer einen magnetischen Kurzschluß bildenden Brücke 207 aus einem magnetisch gut leitenden Material, die im Jochteil des Gehäuses 220 liegt. In den einen Kanal ist das eine Ende eines elektrisch isolierenden, flexiblen, stabförmigen Formteil eingesetzt, in das eine sich über die gesamte Länge des Formteils erstreckende, wendelförmige Luftspule 204′ eingebettet ist. Dieses Formteil bildet zusammen mit seiner Luftspule den Strom­ sensor 204, dessen anderes Ende lösbar in den Kanal des snderen Schenkels eingesteckt ist. Zur Montage des Wandlers brauchen des­ halb nur das eine Ende des Stromsensors aus dem Gehäuse 220 herausgezogen, das Gehäuse auf den Leiter aufgesetzt, der Strom­ sensor um den vom Gehäuse nicht umfaßten Teil des Leiters geführt und dann wieder in das Gehäuse gesteckt zu werden.

Der Spannungssensor 206 und der Temperatursensor 205 sind im Aus­ führungsbeispiel im einen Schenkel des Gehäuses 220 zwischen dem Kanal und der dem Leiter zugewandten Außenfläche angeordnet, könnten aber such im Jochteil zwischen der Brücke 207 und der dem Leiter zugewandten Außenfläche liegen. Alle übrigen Schaltungs­ teile sind auf einer Leiterplatte 209 angeordnet, die im Abstand von der Brücke 207 auf der dem Leiter abgewandten Seite im Joch­ teil des Gehäuses 220 angeordnet ist.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als wei­ tere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den An­ sprüchen erwähnt sind.

Claims (17)

1. Meßwandler, insbesondere zur Messung an Sammelschie­ nen und Kabel von Energieverteilungsnetzen, mit einem kapazitiv an die Sammelschiene oder die Kabelseele ankoppelbaren Spannungs­ sensor und einem auf das die Sammelschiene oder die Kabelseele umgebende Magnetfeld ansprechenden Stromsensor, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er eine Signalvorverarbeitungselektronik (11), an deren Eingang der Spannungssensor (6; 106; 206) und der Stromsen­ sor (4; 104; 204) angeschlossen sind, sowie einen dieser Elektro­ nik nachgeschalteten Mikrorechner (12) enthält.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungselektronik (11′) Ausgänge für standardi­ sierte Analogsignale sowie Ausgänge für den Anschluß des Mikro­ rechners (12) mit vorzugsweise integriertem Analog/Digital-Wand­ ler aufweist.

3. Wandler nach Anpruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (5; 105; 205) und einen Eingang der Sig­ nalvorverarbeitungselektronik (11) für das Signal dieses Tempera­ tursensors (5; 105; 205).

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen jedem der Sensoren (4, 5, 6; 204, 205, 206) und der Signalvorverarbeitungselektronik (11) eine Signalan­ passungsschaltung (10) vorgesehen ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mikrorechner (12) Ausgänge für die Werte der Spannung, des Stromes und der Wirkleistung hat.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner (12) zusätzliche Ausgänge für die Werte des Leistungsfaktors und/oder die Scheinleistung und/oder der Leis­ tungsrichtung und/oder der Temperatur hat.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensoren (4, 5, 6) in einem gemeinsamen Ge­ häuse (2, 3; 118) angeordnet sind.

8. Wandler nnch Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Gehäuse (2, 3) auch alle übrigen Teile (10, 11, 12) enthält.

9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Gehäuse in einen U-förmigen Teil (2), der alle Sensoren (4, 5, 6) und die gesamte Elektronik (10, 11, 12) ent­ hält, und einen sich vom freien Ende des einen Schenkels des U- förmigen Teils (2) zum freien Ende des anderen Schenkels er­ streckenden Verbindungsteil (3) unterteilt ist.

10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsteil (3) einen Magnetflußleitkörper oder einen Magnetfeldabschirmungskörper (7) enthält.

11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Teil (2) des Gehäuses in jedem seiner beiden Schenkel eine eisenlose Spule (4) des Stromsensors enthält.

12. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Teil (2) einen Magnetkern und ein Hall-Element als Stromsensor enthält.

13. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Sensoren in einem Kabelstecker (113) und die Signalvorverarbeitungselektronik sowie der Mikrorechner durch die Abschirmung des Kabelssteckers (113) von der Kabelseele (114′) getrennt außen am Kabelstecker angeordnet sind.

14. Wandler nsch einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor (204) als isolierendes, flexibles, eine wendelförmig gewickelte Luftspule (204′) enthal­ tendes Formteil ausgebildet ist, das den Leiter (214), an dem die Messungen durchzuführen sind, auf einem Teil seines Umfanges um­ faßt und mit seinen beiden Enden an ein Gehäuse (220) des Wand­ lers anschließt, das den teilweise vom Stromsensor (204) gebilde­ ten, den Leiter umfassenden Ring schließt.

15. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (220) des Wandlers U-förmig ausgebildet ist, an dessen beide Schenkelenden der Stromsensor (204) anschließt, der vorzugsweise wenigstens mit dem einen Schenkelende steckbar ver­ bunden ist.

16. Wandler nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (220) des Wandlers alle Sensoren (205, 206) außer dem Stromsensor (204) und die gesamte Elektronik ent­ hält.

17. Wandler nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der im Inneren des Ringes nicht erfaßte Teil des magnetischen Flusses mittels eines Magnetflußkörpers (207) kurzgeschlossen ist.