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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Strom
und ein Verfahren zum Messen von Strom, insbesondere pulsierende Ströme oder
Wechselströme.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Rogowski Spule wurde in den 1880er Jahren von Chattock erfunden
(Chattock A. P. On a magnetic potentiometer Philos Mag., 1887 pp 94–96). Sie
ist eine flexible Zylinderspule mit einem koaxialen Rückleiter
und wird verwendet, um Magnetfelder, welche von einem stromführenden
Leiter erzeugt werden, durch Umfassen des Leiters auf nicht intrusive
Weise zu messen. Die Ausgabegröße der Rogowski
Spule ist eine Spannung, welche zur Ableitung oder Änderungsrate
des zu messenden Stroms proportional ist. Es müssen Mittel zur Verfügung gestellt
werden, um diese Ausgabespannung zu integrieren, um eine Ausgabespannung
zu erhalten, welche proportional zu dem gemessenen Strom ist.
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Basierend
auf Amperes Satz ist, wenn eine Zylinderspule der Länge l mit
N Windungen in der Fläche
A und einer Steigung von n = N/l einen stromführenden Leiter normal zum Leiter
umgibt, mit einem um den genannten Leiter zentrierten Radius R = ½ π, das Magnetfeld
B im Zentrum jeder Windung gegeben durch B = μoi (t)/(2πR). Vorausgesetzt,
dass A<<R2 ist,
ist der Fluss pro Windung durch AB(t) gegeben, was zu der bekannten
Gleichung für
die Ausgabe einer Rogowski Spule führt, welche ist e(t) = –Nd(AB(t)/dt
= –μonAdi(t)/dt
ist.
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Nur
wenn die Spulenanordnung geschlossen ist, integriert die Rogoswki
Spule die Änderungsrate der
Flussdichte B in korrekter Weise. Jede Abweichung dieses geschlossenen
Kreislaufs resultiert in einem unvollständigen Linienintegral, wie
es in Amperes Gesetz definiert ist und daher in einer verminderten
Genauigkeit beim Messen des Stroms.
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Biegsame
Rogowski Spulen aus dem Stand der Technik haben im Allgemeinen,
aufgrund der Beschaffenheit der Bauweisen der Spulenendenkopplung
Stoßfugen
zu verwenden, was zu fehlerbehafteten Messungen führt. Es
werden jedoch auch andere Fugenausbildungen verwendet, wie beispielsweise Rechtwinkelstöße und Parallelstöße. Verbesserungen
der Genauigkeit sind durch das Wickeln von Extrawindungen am Stoßfugenübergang
möglich.
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Industrielle
internationale Sicherheitsstandards, wie beispielsweise IEC 61010
schreiben minimale Kriech- und Luftstreckenabstände vor, welche die Sachlage
in Bezug auf die Messleistung weiter erschweren.
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Der
in einer Rogowski Spule enthaltene Draht wird gewöhnlich mit
einer isolierenden Abdeckung oder Beschichtung versehen. Funktionelle
Isolierung zu Sicherheitszwecken, wie sie in Sicherheitsstandards
beschrieben wird (beispielsweise EN61010-1:2001 Absatz 6.9.1) umfassen, dass
das Folgende nicht als Isolierung für Sicherheitszwecke verwendet
werden soll; (1) Materialien, welche einfach beschädigt werden
können
(beispielsweise physisch beschädigt)
wie z. B. Lack, Email, Oxide, Eloxalschichten und (2) nicht imprägnierte,
hygroskopische Materialien (z. B. ist bevorzugter Weise das Kabel
mit einer funktionellen Isolation zu Sicherheitszwecken ausgestattet
und bevorzugter Weise wie in den entsprechenden Sicherheitsstandards
beschrieben).
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Drei
Rogowski Spulen werden in J. Wapakabulo P. N. Murgatroyd, „Braided
Rogowski Coil",
IEE Electronics letters, 19. August 1999, Vol. 35, Nr. 17 Seiten
1445–1446
beschrieben. Eine „gewöhnliche" Rogowski Spule wird
mit spiralförmigen
Windungen einer axialen Rückleitung
offengelegt. Es wird eine „Schnürsenkel"-Rogowski Spule offengelegt,
mit zwei Spiralen, welche um einen runden Former in entgegengesetzter
Richtung ansteigen. Es wird eine „geflochtene" Rogowski Spule geoffenbart,
umfassend acht Kabelstränge
mit vier Strängen,
die in jede Richtung in einer Spirale aufsteigen, wobei die Stränge in Serie
geschaltet sind.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, wenigstens ein Problem,
das mit dem Stand der Technik verknüpft ist, ob darauf hierin oder
auf andere Weise Bezug genommen wird, zu lösen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum
Messen von Strom zur Verfügung
gestellt, umfassend eine Rogowski Spule, wobei die Rogowski Spule
einen zentralen Leiter und eine Spule umfasst, wobei der zentrale
Leiter und die Spule aus demselben einzelnen isolierten Draht bestehen,
welcher vor Bildung der Rogowski Spule mit Isolationsmaterial überzogen wird.
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In
bevorzugter Weise ist der Draht zu Sicherheitszwecken isoliert.
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In
bevorzugter Weise ist der Draht mit Isolationsmaterial isoliert.
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In
bevorzugter Weise ist das Isolationsmaterial abriebfest.
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In
bevorzugter Weise kann das Isolationsmaterial nicht einfach beschädigt werden
und in bevorzugter Weise kann es nicht einfach materiell beschädigt werden.
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In
bevorzugter Weise umfasst das Isolationsmaterial ein nachgiebiges
Material.
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Aus
Sicherheitsgründen
können
folgende Arten von Material nicht als geeignet angesehen werden:
a) Materialien, welche leicht beschädigbar sind (beispielsweise
Lack, Email, Oxide, Eloxalschichten, etc.); b) nicht imprägnierte
hygroskopische Materialien (beispielsweise Papier, Fasern, Faserstoffe, etc.).
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In
bevorzugter Weise ist die gesamte äußere Oberfläche des Kabels mit einem Isolationsmaterial beschichtet,
welches in bevorzugter Weise Isolation und in besonders bevorzugter
Weise verstärkte
Isolation bietet (in diesem Schriftstück als Isolation bezeichnet).
Die äußere Oberfläche ist
insbesondere nicht bloß beschichtet,
sondern isoliert.
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In
bevorzugter Weise umfasst das Isolationsmaterial eine Umhüllung für das Kabel
oder eine Extrusion für
das Kabel. In bevorzugter Weise wird das Isolationsmaterial nicht
am Kabel (zum Beispiel Lack) angebracht.
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In
bevorzugter Weise umfasst die Rogowski Spule einen einzelnen isolierten
Draht, welcher einen zentralen Leiter und eine Spule bildet und
in besonders bevorzugter Weise umfasst sie einen einzelnen homogenen
isolierten Draht, welcher den zentralen Leiter und die Spule bildet.
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Die
Isolierschicht kann weniger als 0,25 mm betragen und ist in bevorzugter
Weise geringer als 0,175 mm und ist in besonders bevorzugter Weise geringer
als oder gleich 0,125 mm.
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In
bevorzugter Weise wird die Rogowski Spule durch das Bilden eines
geraden zentralen Leiterabschnitts und das Wickeln einer Spule um
zumindest einen Teil des geraden elektrischen Leiterabschnitts gebildet.
Die Rogowski Spule kann eine innere Ummantelung umfassen (z. B.
eine dielektrische Ummantelung) und die Einbeziehung einer solchen
Ummantelung kann von den Anforderungen an die Ausgabecharakteristik
der Rogowski Spule abhängen.
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In
bevorzugter Weise umfasst der Draht einen Kupferdraht.
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In
bevorzugter Weise umfasst die Rogowski Spule ein Ende, wobei das
Ende keine Isolationskappe benötigt.
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In
bevorzugter Weise ist der Draht im wesentlichen über die gesamte Länge isoliert.
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Der
Draht kann eine Mehrzahl von Schichten von Isolationsmaterial aufweisen.
Der Draht kann zwei, drei oder mehrere Schichten Isolationsmaterial umfassen.
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In
bevorzugter Weise umfasst die Rogowski Spule ein erstes Ende und
ein zweites Ende. In bevorzugter Weise ist das erste Ende bei Verwendung so
angeordnet, dass es sich bei Verwendung neben dem zweiten Ende befindet.
In bevorzugter Weise ist ein erstes Endglied bei Verwendung so angeordnet, dass
es in Verwendung mit einem zweiten Endglied, das sich am zweiten
Ende befindet, eingreift.
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In
bevorzugter Weise ist ein erstes Endglied, welches sich an einem
Ende der Rogowski Spule befindet, so angeordnet, dass es bei Verwendung
mit einem zweiten Endglied, welches sich am zweiten Ende der Rogowski
Spule befindet, zusammenwirkt.
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In
bevorzugter Weise ist das erste Ende der Rogowski Spule bei der
Verwendung so angeordnet, dass es sich bei Verwendung mit einem
zweiten Endglied, welches sich am zweiten Ende der Rogowski Spule
befindet, befindet (oder mit ihm zusammenwirkt oder eingreift),
um eine geschlossene Schleife oder einen geschlossenen Kreis zu
bilden.
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In
bevorzugter Weise ist das erste Ende der Rogowski Spule angeordnet,
dass es magnetisch mit dem zweiten Ende der Rogowski Spule zusammenwirkt
und bilden in bevorzugter Weise eine geschlossene Schleife oder
einen geschlossenen Kreis.
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In
bevorzugter Weise befindet sich ein erstes Endglied an einem oder
in Richtung eines ersten Endes der Rogowski Spule und ein zweites
Endglied an einem oder in Richtung eines zweiten Endes der Rogowski
Spule.
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Das
erste Endglied kann ein weibliches Glied umfassen und das zweite
Endglied kann ein männliches
Glied umfassen. In bevorzugter Weise ist zumindest ein Teil des
männlichen
Glieds so angeordnet, um sich bei Verwendung auf einem Teil des
weiblichen Glieds zu befinden.
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Das
erste Endglied kann ein magnetisches Glied umfassen.
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Das
zweite Endglied kann ein magnetisches Glied umfassen.
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Das
zweite Endglied kann ein Metall umfassen.
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Das
zweite Endglied kann eine Platte oder ein ebenes Glied umfassen.
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In
bevorzugter Weise ist das erste Endglied so angeordnet, um bei Verwendung
nur durch Magnetkraft an dem zweiten Endglied gesichert zu sein.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer Vorrichtung zum Messen von Strom zur Verfügung gestellt,
umfassend die Bildung einer Rogowski Spule, wobei das Verfahren
das Bilden einer Spule um den zentralen Leiterabschnitt unter Verwendung eines
einzelnen Drahtes umfasst, welcher vor Bildung der Rogowski Spule
mit Isolationsmaterial ummantelt wird.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Messen von Strom zur Verfügung
gestellt, umfassend die Verwendung der Vorrichtung zum Messen von
Strom gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Messen von Strom zur Verfügung
gestellt, umfassend die Verwendung einer Vorrichtung zum Messen
von Strom, welche gemäß dem dritten
Aspekt der vorliegenden Erfindung gebildet wurde.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen
lediglich beispielhaft beschrieben, in welchen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Teils einer Rogowski Spule aus dem
Stand der Technik darstellt,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Teils eines Endes einer Rogowski Spule
aus dem Stand der Technik mit einer Endkappe darstellt,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Teils einer bevorzugten Ausbildung
einer Rogowski Spule entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Teils einer bevorzugten Ausbildung
eines isolierten Drahts für
die Verwendung in einer bevorzugten Ausbildung einer Rogowski Spule
darstellt,
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5 eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausbildung einer Rogowski
Spule in Verwendung darstellt,
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6 einen
seitlichen Schnitt eines ersten Endes und eines zweiten Endes einer
Rogowski Spule aus dem Stand der Technik darstellt,
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7 eine
Seitenansicht einer bevorzugten Ausbildung eines ersten Endes und
eines zweiten Endes einer Rogowski Spule vor der Verwendung darstellt,
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8 eine
Seitenansicht einer bevorzugten Ausbildung eines ersten Endes und
eines zweiten Endes einer Rogowski Spule bei der Verwendung darstellt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausbildung
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Wie
in 3 gezeigt umfasst eine bevorzugte Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Messen von elektrischem Strom eine Rogowski
Spule 20, welche einen Draht oder Leiter, der eine Spule 22 formt,
umfasst, und welcher durch die Spule 22 als zentraler Leiter 24 zurückführt. Die
Spule 22 und der zentrale Leiter 24 werden von
einem einzigen Leiter oder Draht gebildet und es ist daher keine
elektrische Verbindung (z. B. Lötverbindung
oder Klemmverbindung) am Ende der Rogowski Spule 20 notwendig. Solche
Verbindungen sind bei Rogowski Spulen im Stand der Technik notwendig.
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Wie
in 4 gezeigt, wird der Draht 28, der zur
Bildung der Spule 22 und des zentralen Leiters 24 verwendet
wird, vor Bildung der Rogowski Spule 20 isoliert. Der Draht
ist mit der notwendigen Menge an Isolation 30 oder Isolationsmaterial
umhüllt.
Der Draht ist nicht bloß mit
einem Beschichtungsmaterial beschichtet, da dies nicht die notwendigen
Isolationseigenschaften ergeben würde. Die isolierte Beschichtung 30 am
Draht stellt eine bessere Isolation zwischen den einzelnen Spulen
zur Verfügung
und hilft auch dabei, einen gleichmäßigeren Abstand zwischen den
einzelnen Spulen zu bieten bei dem jeweiligen ZurVerfügung-Stellen von Isolationsummantelungen
oder Hülsen.
Der Draht besteht aus Kupfer und ist an seiner äußeren Oberfläche über seine
Länge komplett
beschichtet. Das Ende des Drahts erlaubt es jedoch, den Draht elektrisch
mit der Messvorrichtung verbunden zu werden, um dem induzierten
Strom in der Rogowski Spule zu messen und dadurch den elektrischen
Strom in einem Leiter 32 zu berechnen.
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Der
Draht ist mit einem zweckmäßigen Isolationsmaterial
für Sicherheitszwecke,
wie sie in Sicherheitsstandards (beispielsweise EN 61010-1:2001
Absatz 9.6.1) beschrieben sind, beschichtet. Solche Standards nehmen
die folgende Isolation zu Sicherheitszwecken aus; (1) Materialien, welche
leicht beschädigt
werden können
(z. B. Lack, Email, Oxide, Eloxalschichten), und (2) nicht imprägnierte
hygroskopische Materialien (beispielsweise Papier und Faserstoffe).
Demgemäß umfasst
das Isolationsmaterial ein unverwüstliches Material, welches
physische Schäden
daran verhindert oder zumindest hemmt. Zusätzlich umfasst das Isolationsmaterial
wasserfestes Material.
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Der
Draht ist durch eine Mehrzahl von Schichten von Isolationsmaterial
beschichtet oder bedeckt und umfasst in der bevorzugten Ausbildung dreifach
isoliertes Material, welches drei konzentrische Schichten Isolationsmaterial
um den Draht besitzt. Insbesondere wird das Isolationsmaterial der vorliegenden
Erfindung eher gewickelt oder extrudiert, als wie Lack aufgetragen.
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Das
Spulenende würde
nur Schutz vor physischer Misshandlung und/oder Schaden benötigen. Das
Spulenende von Rogowski Spulen aus dem Stand der Technik benötigt eine
Isolationskappe 11, um, wie in 2 gezeigt,
das Ende der Rogowski Spule zusätzlich
zu isolieren. Die Spule 22 und der zentrale Leiter 24 der
vorliegenden Erfindung haben in ihrem Aufbau eine natürliche elektrische
Sicherheitsbarriere eingebaut. Zusätzlich gäbe es bei einer Spule, welche
die Verwendung eines vorab isolierten Drahts gebildet ist, keine
weiteren Sicherheitsvoraussetzungen, abgesehen von physischer Misshandlung und/oder
Schaden.
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Die
bevorzugte Ausbildung stellt 600 V Belastbarkeit mit einem dreifach
isolierten Draht zur Verfügung.
Die Isolationsschicht 30 im Kupferdraht 28 ist
im wesentlichen gleich oder geringer als 0,125 mm. Das bedeutet,
dass die radiale Dicke der Isolation gleich oder geringer als 0,125
mm ist. Für
höhere Spannungen
kann die Isolationsschicht dicker sein. Die dielektrische Überschlagsspannung
wäre größer als
1 kV oder wie für
das nötige
Spannungsverhältnis notwendig.
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Dadurch,
dass der Draht, welcher die Spule 22 und den geraden Leiterabschnitt 24 bildet,
vorab isoliert ist, werden die physischen Ausmaße der Rogowski Spule minimiert
und eine Abschlusskappe zur Bereitstellung einer Isolation ist nicht
notwendig. Rogowski Spulen aus dem Stand der Technik sind relativ
sperrig, da sie eine innere dielektrische Ummantelung 12 und
eine äußere Ummantelung 14 oder
Mantel enthalten, welcher Mantel dick genug ist, ihr elektrische
Sicherheit und Schutz vor physischer Misshandlung zu bieten. Wie
in 5 gezeigt, befindet sich die Rogowski Spule 20 bei
Verwendung um den elektrischen Leiter 22, damit die Rogowski
Spule den Strom im elektrischen Leiter 32 misst.
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Die
vorliegende Erfindung resultiert in einer Rogowski Spule, welche
kleiner baut, besser isoliert ist und keine Endisolationskappe für die inhärente Sicherheit
benötigt.
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Die
vorliegende Erfindung kann eine innere dielektrische Ummantelung
beinhalten und die Verwendung einer solchen Ummantelung kann eine
bessere Isolation zur Verfügung
stellen. Die Verwendung einer solchen Ummantelung kann von den Ausgabeeiegenschaften
der Rogowski Spule abhängen.
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Die
Aufmerksamkeit wird auf alle Schriften und Dokumente, welche gleichzeitig
mit dieser oder vor dieser Beschreibung in Verbindung mit dieser
Anmeldung und welche öffentlicher
Einsicht zugänglich sind,
mit dieser Beschreibung gelenkt.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf Details der vorangegangenen Ausbildung(en), da der Umfang
der Erfindung durch die angehängten
Ansprüche
definiert wird anstelle durch die ihnen vorausgehende Beschreibung.