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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf die Gestaltung eines elektrischen Schaltkreises
zur gleichzeitigen Prüfung
von Elektrizitätszählern mit
gegenseitig verknüpften
Strom- und Spannungskreisen.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein
Prüfen
von Elektrizitäts-
bzw. Stromzählern
mit gegenseitig verknüpften
Strom- und Spannungskreisen, d.h. geschlossenen I-P Verbindungen, stellt
ein erhöhtes
Erfordernis für
Zählerhersteller
und Zählerbediener
dar.
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Die
Zähler,
bei denen es nicht möglich
ist, die Verbindungen zwischen den Strom- und Spannungsmesskreisen
(I-P-Verbindungen) zu Test- oder Kalibrierzwecken zu öffnen, werden
immer mehr verwendet. Es gibt mehrere Gründe für dieses, aber der Wichtigste
für Hersteller
sind die niedrigeren Herstellkosten von einzelphasigen Zählern durch
Verwenden von resestiven Messwiderständen zur Strommessung. Ein
Bereitstellen der Möglichkeit,
den Strom- und Spannungspfad dieser Zähler zu isolieren, würde zu signifikant
höheren
Herstellkosten führen. Während eines
normalen Betriebes wäre
diese Isolation nicht einmal technisch durchführbar. Ein Grund zum Verwenden
von Zählern
mit nicht entfernbaren I-P-Verbindungen
ist, dessen falsche Anwendung, die zu Fehlern führt, zu verhindern. Ein weiterer Grund
für Prüfzähler mit
gegenseitig verknüpften Strom-
und Spannungskreisen kann die Reduktion von zusätzlicher Arbeit sein, die zum
Manipulieren der Verbindungen vor und nach einem Testen benötigt wird,
d.h. eine Erhöhung
einer Testkapazität,
und eine Reduktion von Kosten bei Testanlagen mit hohem Durchsatz.
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Während eines
Zählerprüfens wird
die Quelle normalerweise als eine Phantomlast verwendet, um Testströme und Spannungen,
die sowohl dem in der Prüfung
befindlichen Zähler
und dem Referenzzähler
zugeführt
werden, bereitzustellen. Der in den Stromanschluss fließende Strom
wird separat von der benötigten
Testspannung zugeführt.
Eine solche Anordnung ist ein Gegenstand des
US-Patents 2599378 . Elektronenzählerprüfaufbauten,
die auf diese Weise aufgebaut sind, ermöglichen ein gleichzeitiges
Prüfen
einer beliebigen Anzahl von Zählern, was
nur durch eine mechanische- und eine Leistungskapazität des Prüfsystems
beschränkt
wird. Die Separierung von Strom- und Spannungsmessschaltungen in
jedem Zähler
wird durch Abklemmen von Verbindungen in dem Anschlussblock (I-P-Verbindungen)
erreicht. Ein Abklemmen verhindert eine Beeinflussung von Strom-
und Spannungsschaltungen, und daher einen großen unvorhersehbaren Messfehler,
der in dem in
US-Patent 2989696 gezeigten
Aufbau auftreten kann.
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Wenn
der sich in der Prüfung
befindliche Zähler
geschlossene I-P-Verbindungen aufweist, sollte die Abhängigkeit
zwischen einer Spannungs- und Stromschaltung eliminiert werden.
Das Prinzip eines Prüfens
mit geschlossenen I-P-Verbindungen basiert auf ein Isolieren der
individuellen Spannungs- und Stromquellen jedes Zählers, anstatt
eines Isolierens der Spannungs- und Stromschaltungen des Zählers.
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Wenn
das Prüfsystem
nur für
Einzelphasenzähler
gedacht ist, kann die Isolation jedes Zählers entweder durch Verwenden
von individuellen isolierter Spannungsquellen oder durch Verwenden
individueller isolierten Stromquellen für jeden installierten Zähler realisiert
werden.
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Die
Spannungsquellenisolation kann sowohl durch Verwenden von individuellen
Präzisionsspannungstransformatoren,
vorzugsweise mit einem 1:1-Verhältnis
bei jedem Zähler,
oder durch Verwenden eines speziellen gemeinsamen Spannungstransformators
mit separaten Ausgangsspannungswicklungen für jeden Zähler gelöst werden. In diesem Fall muss
die Prüfbank
mit mehreren Spannungsverdrahtungsnetzwerken für eine individuelle Verbindung von
Spannungsanschlüssen
von jedem Zähler
zu entsprechenden Wicklungen zu dem gemeinsamen Transformator (der
Transformator ist im Allgemeinen als ein Mehrfach-Sekundärspannungsisolationsspannungstransformator
oder MSIVT bekannt) ausgestattet sein. Die Anzahl von Sekundärwicklungen ist
mindestens gleich der Anzahl von sich in der Prüfung befindlichen Zählern plus
einer zusätzlichen
für die
Referenzzählerverbindung.
Diese Transformatoren sind speziell für diesen Zweck hergestellt
und kalibriert, und die Wicklungen stimmen typischerweise innerhalb
0,1 % überein.
Der zusätzliche
durch den Transformator eingebrachte Fehler hängt von der durch die Spannungsschaltung
des geprüften
Zählers
erzeugten Lastimpedanz ab. Wenn die Spannungsschaltungsimpedanz
eines Elektronenzählers nicht
Gegenstand einer messtechnischen Spezifikation ist, ist der Fehler
der individuellen Wicklung des Isolationstransformators unvorhersehbar,
insbesondere beim Prüfen
verschiedener Zähler.
Eine solche Anordnung ist in dem
US-Patent
5539304 in
11 gezeigt.
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Die
benötigte
Isolierung kann durch Verwenden von Transformatoren in den Stromschaltungen erreicht
werden, wobei ein Stromtransformator pro Phase für jede Prüfposition verwendet wird. Auf
diese Weise wird jeder der sich in der Prüfung befindlichen Zähler mit
isolierten Testströmen
versorgt. Diese Transformatoren weisen vorteilhafterweise ein Stromverhältnis von
1:1 auf, und sollten Amplituden- und Phasenfehler über den
benötigten
Strombereich aufweisen, die klein genug sind, um nicht signifikante zusätzliche
Fehler einzubringen. Der Stromtransformator sollte so ausgelegt
sein, um einen relativ großen
(ungefähr
5 Dekaden) Bereich von zum Zählerprüfen verwendeten
Strom zu übertragen.
Die Größe, das
Gewicht und die Kosten eines solchen Transformators sind bei einer
Kalkulation maßgeblich,
wobei die maximale übertragene
Leistung sowie ein im Vergleich mit einem verwendeten Präzisionsreferenzzähler vernachlässigbarer
Phasenfehler zu beachten sind.
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In
einer klassischen Annäherung
der Nichtlinearität,
die diesen Transformatoren anhaftet, wird die Gesamtgenauigkeit
des Systems bei niedrigen Strömen
vermindert.
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Daher
ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine neue und verbesserte
Anordnung einer Prüfschaltung
mit einer Isolieranordnung bereitzustellen, wobei die die Größe und Kosten
bei hoher Präzisionsfähigkeit
reduziert werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Gestaltung eines Schaltkreises zur gleichzeitigen Prüfung von
Elektrizitätszählern mit gegenseitig
verknüpften
Strom- und Spannungskreisen besteht aus einer Summe der genannten
Elektrizitätszähler, bei
denen sämtliche
Spannungsklemmen der gleichen Phase zugewiesen sind und parallel
an die zugehörige
Spannungsquelle angeschlossen sind, wobei jedes von den Elektrizitätszähler-Stromklemmenpaaren
an den Ausgang eines individuellen Nullfluss-Stromwandlers angeschlossen ist.
Die Eingänge
von diesem Nullfluss-Stromwandler und die Ausgänge, von welchen der gleichen
Phase der einzelnen Elektrizitätszähler zugewiesen
sind, sind in Serie mit der zugehörigen Stromquelle geschaltet.
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Der
Nullfluss-Stromwandler besteht aus einer Eingangswicklung, einer
Ausgangswicklung, einer Lesewicklung, einer Erregerwicklung, einem
Lesekern, einem Erregerkern und einem Verstärker. Die Erregerwicklung umschließt nur den
Erregerkern, und die Eingangswicklung, die Ausgangswicklung und
die Lesewicklung umschließen
den Lesekern sowie auch den Erregerkern. Die Lesewicklung ist mit dem
Eingang des Verstärkers
verbunden, und die Erregerwicklung ist mit dem Ausgang mit niedriger
Impedanz des Verstärkers
verbunden.
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In
einer möglichen
alternativen Gestaltung eines Schaltkreises umfasst die Erregerwicklung
nur den Erregerkern, die Lesewicklung umfasst nur den Lesekern,
und die Eingangswicklung und die Ausgangswicklung umfassen sowohl
den Lesekern als auch den Erregerkern. Die Lesewicklung ist mit
dem Eingang des Verstärkers verbunden,
und die Erregerwicklung ist mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung:
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1 stellt
ein Beispiel einer Anordnung zum gleichzeitigen Prüfen zweier
einzelphasiger Zähler
mit geschlossenen Verbindungen dar.
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Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Die
Funktion der Schaltungsanordnung ist anhand eines Beispiels von
zwei einzalphasigen Zählern
mit geschlossenen Strompotentialverbindungen IPL gezeigt. Dieses
Beispiel kann einfach auf mehrere Zähler durch Hinzufügen weiterer
Zähler und/oder
weiterer Phasenspannungs- und Stromschaltkreisen in die Zähler mit
der gleichen Konfiguration des Stromseparierpfads erweitert werden.
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Die
Spannungsanschlüsse
des Zählers,
die der gleichen Phase zugehörig
sind, werden parallel mit einer entsprechenden Spannungsquelle U
verbunden. Die Stromanschlusspaare des Zählers werden mit der Ausgangswicklung
OW eines individuellen Nullfluss-Stromwandlers
ZFCT verbunden. Die Eingänge
des Nullfluss-Stromwandlers
ZFCT, die durch die Eingangswicklungen IW erzeugt werden, werden
in Serie mit einer Stromquelle I verbunden.
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Die
Erregerwicklung DW des Nullfluss-Stromwandlers ZFCT umfasst nur
einen Erregerkern DC. Die Eingangswicklung IW, die Ausgangswicklung
OW und die Lesewicklung SW umfassen sowohl einen Lesekern SC als
auch einen Erregerkern DC. Die Lesewicklung SW ist mit dem Eingang des
Verstärkers
A verbunden, und die Erregerwicklung DW ist mit dem Ausgang des
Verstärkers
A verbunden. Wenn die Anzahl von Wicklungen sowohl der Erregerwicklung
DW als auch der Lesewicklung SW gleich sind, ist das Verhältnis, d.h.
die Verstärkung
des Verstärkers
H, einheitlich.
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Die
Anordnung ermöglicht
einen magnetischen Nullfluss in der Lesewicklung SW durch Aufzwingen
der gleichen induzierten Spannung pro Wicklung an der Erregerwicklung
DW als die Summe von induzierten Spannungen pro Wicklung an sowohl die
Erregerwicklung DW als auch die Lesewicklung SW. Auf diese Weise
wird die induzierte Spannung der Lesewicklung SW gleich Null. Die
Stromübertragung
von der Eingangswicklung IW zu der Ausgangswicklung OW ist folglich
praktisch nur durch das Wicklungsverhältnis bestimmt. Die Stromübertragung
ist dann von magnetischen Eigenschaften und Erregungszuständen des
Kerns unabhängig,
und daher ebenso von der Amplitude des übertragenen Stroms.
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Der
magnetisierende Strom des Erregerkerns DC wird von dem Verstärker A zugeführt. Aufgrund
einer signifikanten Amplituden- und Phasenfehlerreduktion des Nullfluss-Aufbaus im Vergleich zu
einem einfachen Stromwandler, ermöglicht der Schaltkreis gemäß der Erfindung
eine signifikante Reduktion des Volumens des magnetischen Kerns mit
dem Vorteil eines signifikanten Abfalls der Kernmagnetisierungsenergie.
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In
einer angewandten Prüfschaltung
kann ein auf einem einfachen Schwachstromoperationsverstärker basierten
Folger anstatt des Verstärkers
A bis zu Prüfströmen einer
Ordnung von 100 Ampere mit einer Übertragungsgenauigkeit einer
Ordnung von 0,01 % bei einem Bruchteil des Gewichts und Kosten im
Vergleich zu klassischen Stromwandlern verwendet werden.
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Der
Aufbau, bei dem die Lesewicklung nur den Lesekern umfasst, funktioniert
gleichermaßen. Der
Verstärker
mit hoher Verstärkung
steuert direkt den Nullfluss-Zustand des Lesekerns.