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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Isolator, insbesondere einen
Muffenisolator mit einem Primärleiter,
der mittig durch den Körper
des Isolators geführt
ist, und von dem wenigstens eines seiner Enden bestimmte Außenabmessungen
hat, mit einem Strommesselement, welches um den Primärleiter
herum angeordnet ist, und mit wenigstens einem Spannungsmesselement,
welches auf Spannungsteilung basiert und ebenfalls um den Primärleiter
herum angeordnet ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft demzufolge einen Muffenisolator,
der hauptsächlich
für den Gebrauch
in Mittelspannungsanlagen geeignet ist. Im Inneren des Isolators
sind Sensoren zur Messung von Strom und Spannung und, falls notwendig,
ein Spannungsdetektor. Der Primärleiter
eines Muffenisolators wird üblicherweise
dadurch hergestellt, dass von einem runden Kupferstab ein geeignetes
Stück abgeschnitten
wird, dessen eines Ende mit einer Gewindebohrung versehen wird,
in welcher ein Stift, typischerweise ein Stahlstift angeordnet werden
kann, um den Isolator an der Kupferschiene der Anlage zu befestigen
und dessen anderes Ende mit einer Gewindeöffnung versehen ist, um einen
Kabelanschluss oder alternativ ein Schnelltrenn-Federfitting zu
befestigen.
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Die äußeren Abmessungen
eines Isolators müssen
für gewöhnlich erhöht werden,
wenn Strom- und Spannungsmess-Sensoren im Inneren des Isolators
angeordnet werden. Dies deshalb, weil sowohl der Strommess-Sensor
als auch der Spannungsmess-Sensor typischerweise axial bezüglich einander
angeordnet sind, wobei der Primärleiter
sie koaxial durchläuft.
Die Außenabmessungen
des Isolators müssen
sowohl in Durchmesser- als auch Längsrichtung des Isolators erhöht werden,
um auch in der Lage zu sein, ausreichende Mengen an Isoliermaterial
um diese Sensoren herum anzuordnen. Es wäre jedoch bevorzugt, den Isolator
in üblicher
Größe zu verwenden,
wodurch die Größen der
Anlagen gegenüber
vorhandenen nicht vergrößert werden müssten und
ein üblicher
Isolator bei Bedarf durch einen Isolator mit Strom- und Spannungsmess-Sensoren
ersetzt werden könnte,
ohne dass Änderungen an
den Isolierabständen
und dem Rest des Aufbaus des Gerätes
nötig sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Isolator, insbesondere
einen Muffenisolator bereit zu stellen, bei dem die obigen Probleme gelöst sind,
d. h. einen Isolator bereit zu stellen mit Strom- und Spannungsmess-Sensoren
und mit Außenabmessungen,
welche denjenigen herkömmlicher
Isolatoren entsprechen, die solche Sensoren nicht aufweisen. Eine
primäre
Lösung
des obigen Problems erfolgt durch die Anordnung der Erfindung, welche
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Außenabmessungen des Primärleiters
zumindest an dem Abschnitt, der von dem Spannungsmesselement umgeben
ist, eine wesentlich, z. B. wenigstens 5 % kleinere Querschnittsfläche definieren
als die Querschnittsfläche,
die von den Außenabmessungen
des Primärleiters
an seinem Ende hiervon definiert ist.
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Die
Hautpidee des Isolators der Erfindung ist, dass an einem Punkt zwischen
seinen Enden der Durchmesser des Kupferstabs, der als Primärleiter verwendet
wird, beispielsweise durch Drehen wesentlich verringert werden kann,
vorausgesetzt, dass jeder Punkt in der Querschnittsfläche der
Schiene so verbleibt, dass die Gesamterwärmung, die für den Primärleiter
erlaubt ist, im normalen Gebrauch nicht überschritten wird. Das Ende
des Primärleiters
ist typischerweise mit einem Stift von der Gewindeöffnung am
Ende des Leiters her mit der Busschiene verbunden. In diesem Fall
ist der Bereich der Verbindungsoberfläche des Primärleiters
durch die Differenz zwischen dem Außendurchmesser des Primärleiters und
der Gewindeöffnung
definiert, die hierin ausgebildet ist, verkleinert durch kleine
Abfasungen auf Seiten sowohl der Gewindeöffnung als auch der Außenkante
des Primärleiters.
Da der Stift zum Eintreiben in die Gewindeöffnung typischerweise aus Stahl gemacht
ist, also einem Material mit erheblich schlechterer elektrischer
Leitfähigkeit
als Kupfer, wird die elektrische Leitfähigkeit des Stifts typischerweise ignoriert,
wenn die effektive Verbindungsoberfläche bestimmt wird. Da die Querschnittsfläche des
Primärleiters
zwi schen den Enden nicht größer als
an der Verbindungsoberfläche
sein muss und teilweise sogar kleiner sein kann, vorausgesetzt,
dass die Gesamterwärmung
des Primärleiters
dies erlaubt, dann kann die Querschnittsfläche des Primärleiters
zwischen seinen Enden wesentlich verkleinert werden, beispielsweise
bis zu 40 %, ohne dass dies Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften
des Isolators hat. Eine solche kleinere Querschnittsfläche bedeutet
einen wesentlich kleineren Durchmesser des Hauptleiters, was wiederum
zu einem entsprechend kleineren Durchmesser des Spannungsmess-Sensors
führt,
der um den Primärleiter
herum angeordnet ist. Typischerweise beträgt der Abstand zwischen dem
Primärleiter
und dem Spannungsmess-Sensor bei beispielsweise 24 kV-Muffenisolatoren
10 mm. Mit anderen Worten, ein kleinerer Primärleiterdurchmesser schlägt sich
unmittelbar als identische Abnahme des Durchmessers des Spannungsmess-Sensors
nieder, was sich wiederum im Außendurchmesser
des Isolators wiederspiegelt.
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Wenn
der Isolator weiterhin zur Spannungsidentifikation ein zweites Spannungsmesselement aufweist,
welches im Wesentlichen axial zu dem Spannungsmesselement verschoben
ist, ist es vorteilhaft, wenn die Außenabmessungen des Primärleiters
an dem Abschnitt, der von dem zweiten Spannungsmesselement umgeben
ist, ebenfalls eine wesentlich, z. B. wenigstens 5 % kleinere Querschnittsfläche als
die Querschnittsfläche
definiert, die von den Außenabmessungen
des Primärleiters
an dem Ende hiervon definiert ist. Der verringerte Abschnitt des
Primärleiters
deckt somit bevorzugt den Bereich aller Strom- und Spannungsmess-Sensoren
ab, um einen kleineren Außendurchmesser
des Isolators durch alle Sensoren zu ermöglichen.
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Die
axiale Länge
des Isolators kann wiederum verkürzt
werden, indem das Strommesselement konzentrisch um das Spannungsmesselement
herum angeordnet wird.
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Damit
die Außenabmessungen
des Isolators hinsichtlich des Durchmessers so gering als möglich bleiben,
muss der Durchmesser des Strommess-Sensors ebenfalls so klein wie
möglich
sein. In einer bekannten Lösung
wird ein Rogowski-Sensor, der eine toroidale Wicklung aus einer
ringförmigen Spule
ist, als Strommess-Sensor verwendet, um den nur eine Schicht einer
lackisolierten Kupferwicklung gelegt ist. Diese Art von Wicklung
fordert, dass der Toroidalkern einen ausreichend großen Durchmesser
und eine Querschnittsfläche
hat, um eine ausreichend hohe Ausgangsspannung vom Rogowski-Sensor
sicher zu stellen, wobei die Spannung direkt proportional zum Querschnitt
einer einzelnen Schlaufe und der Anzahl von Schlaufen (= Windungen)
ist. Eine Toroidalwicklung ist auch zeitaufwändig, was den Zusammenbaupreis
erhöht.
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Die
US-PS 4,709,205 beschreibt ein Prinzip, bei dem ein Rogowski-Sensor
aus separaten Spulen gebaut werden kann, welche um gerade Spulenkerne
auf übliche
Weise anstelle einer Toroidal-Wicklung gewickelt werden können. Die
Spulen werden um den Primärleiter
herum angeordnet, an einer gedruckten Karte befestigt und elektrisch
in Serie verbunden. Obgleich die Querschnittsfläche der innersten Windungen
klein ist, können
doch genügend
Windungen in der Spule angeordnet werden, um ein ausreichendes Ausgangssignal
sicher zu stellen.
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Die
obige Lösung
erlaubt, dass ein Rogowski-Sensor in dem Isolator der Erfindung
aus einer Mehrzahl von zylindrischen Spulen gebildet wird, wobei
die Längen
und Durchmesser einzelner Spulen minimal gehalten werden können. Dies
wiederum erlaubt, dass der Rogowski-Sensor so dimensioniert wird,
dass aufgrund des großen
Innendurchmessers ein kapazitiver Spannungsmess-Sensor hierin angeordnet
werden kann, wobei der Außendurchmesser jedoch
ausreichend klein für
diese eingebetteten Sensoren verbleibt, um in einen Muffenisolator
mit kleinem Durchmesser zu passen. Im Vergleich zu einer üblichen
Installationsweise schafft die eingebettete Anordnung der Sensoren
gemäß der Lösung der Erfindung
einen kurzen Muffenisolator.
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Der
Isolator der Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass
die Spulen des Rogowski-Sensors in einem Gehäuse aus einem leitfähigen Material
angeordnet sind, welches zwei Hälften aufweist,
welche zusammengefügt
sind, ohne dass ihr Querschnitt eine geschlossene Hülle bildet.
Einerseits schützt
das Gehäuse
den Sensor vor Effekten externer elektrischer Felder und andererseits
können sich
die Sensorspulen an dem Gehäuse
abstützten, so
dass die Spulen in exakt gleichen Abständen am Umfang eines Kreises
angeordnet werden können und
an Ort und Stelle bleiben, bis der gesamte Sensor in Harz eingegossen
worden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Nachfolgend
wird der Isolator der Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die
beigefügte Zeichnung
beschrieben, in der:
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1 eine
Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform des Isolators der
Erfindung ist, wobei der innere Aufbau des Isolators mit gestrichelten
Linien dargestellt ist,
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2 den
Isolator von 1 in Axialrichtung des Isolators
zeigt, und
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3 den
Aufbau eines Strommess-Sensors, der im Isolator der Erfindung angeordnet
wird, sowie dessen Anordnung bezüglich
des Primärleiters und
des Spannungsmess-Sensors zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 ist
eine Seitenansicht eines Beispiels einer Ausführungsform des Isolators der
Erfindung, wobei der innere Aufbau des Isolators mit gestrichelten
Linien dargestellt ist. Der Isolator ist ein langgestreckter Rotationskörper und
weist einen Körper 2 aus
Gussharz und einen Primärleiter 1 auf,
der sich in Axialrichtung von einem Ende zum anderen Ende erstreckt.
Der Primärleiter 1 ist
aus einem runden Kupferstab gebildet, dessen eines Ende mit einer
Gewindebohrung 4 zur Anbringung an einer Kupferschiene
durch einen Isolatorstift, typischerweise einen Stahlstift, versehen
ist. In diesem Fall ist das zweite Ende des Primärleiters ebenfalls mit einer
Gewindeboh rung 3 versehen, um einen Kabelanschluss anzubringen.
Gemäß der Erfindung
ist der Durchmesser des Primärleiters 1 in
der Mitte des Isolators beispielsweise durch Drehen verringert,
um die Durchmesser von Strom- und Spannungsmess-Sensoren 6 bis 8,
die konzentrisch um diesen Punkt herum angeordnet sind, so klein
als möglich
zu machen.
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An
besagtem Punkt kann der Durchmesser des Primärleiters 1 um einige Prozent,
beispielsweise bis 25 % verringert werden, wodurch sich seine Querschnittsfläche um bis
zu 40 % verringert. Ein anderer Ausgangspunkt bei der Dimensionierung
der Verkleinerung des Primärleiters
ist, die Querschnittsfläche
des Primärleiters
an jedem Punkt nicht kleiner als die effektive Verbindungsoberfläche des
Primärleiters
werden zu lassen. Besagte Verbindungsoberfläche wird definiert durch die
Differenz zwischen dem Außendurchmesser
des Primärleiters 1 und
der Gewindeöffnung 4,
verkleinert durch die kleinen Abfasungen sowohl an der Kante der
Gewindebohrung als auch dem Umfang des Endes des Primärleiters. Diese
Verbindungsoberfläche
ist in 1 mit Bezugszeichen 5 bezeichnet. Vorausgesetzt,
dass diese Verbindungsquerschnittsfläche größer oder gleich der Fläche der
Verbindungsoberfläche
bleibt, kann der Durchmesser des Primärleiters frei verringert werden
und die Durchmesser der um ihn herum angeordneten Sensoren können entsprechend
derart klein gemacht werden, dass der Außendurchmesser des gesamten
Isolators gleich demjenigen eines Isolators bleibt, in welchem die
Gesamtlänge
des Primärleiters
den gleichen Durchmesser hat und der Isolator nicht mit Strom- oder
Spannungsmess-Sensoren
ausgestattet ist. Wenn im Gegensatz zu der beschriebenen Ausführungsform
der Primärleiter
unmittelbar nachdem das Ende des Primärleiters und dem hierin ausgebildeten
Verbindungsquerschnitt erweitert wird, d.h. im Fall, dass bei einem
runden Primärleiter
sein Durchmesser erhöht
wird, kann der reduzierte Abschnitt sogar kleiner als der Durchmesser entsprechend
dem Verbindungsquerschnitt sein. Diese beruht auf der Tatsache,
dass Kupfer eine derart gute Wärmeleitfähigkeit
hat, dass der Abschnitt mit dem erweiterten Durchmesser und folglich
der Abschnitt, der aufgrund des im Primärleiter fließenden Stromes
auf einen geringeren Grad erwärmt
wird, in der Lage ist, Wärme
von dem Abschnitt des Primärleiters
aufzunehmen, der weniger erwärmt
wird, d. h. von dem verringerten Abstand, so dass sich die Temperatur über die
Gesamtlänge
des Primärleiters
hinweg auf einen erlaubbaren Wert ausgleicht. Infolge dessen kann
die Gesamterwärmung
des Primärleiters
ein primärer
Punkt sein, der berücksichtigt
wird, wenn die maximal erlaubbare Verringerung angestrebt wird.
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1 zeigt,
wie ein zylindrischer Spannungsmess-Sensor 7 um den Primärleiter 1 herum angeordnet
wird, wobei der Betrieb des Sensors in per se bekannter Weise auf
einer kapazitiven Spannungsteilung basiert. Axial zu dem Spannungsmesselement 7 ist
ein zweiter Spannungsmesszylinder 8 angeordnet, der für eine Spannungsidentifikation
verwendet wird. Mit anderen Worten, der Sensor 8 ist in der
Lage, zu erkennen, wenn der Isolator mit Energie versorgt ist und
der Sensor 7 dient dazu, die Größe dieser Spannung zu messen.
Die Aufbauten der Sensoren sind im Stand der Technik bekannt und
werden daher hier nicht näher
erläutert.
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Eine
Spule 6 eines Rogowski-Sensors, der als Strommess-Sensor
verwendet wird, ist konzentrisch um den Spannungsmesszylinder 7 herum
angeordnet. Der genaue Aufbau der Spule ist in 3 gezeigt.
In der beschriebenen Ausführungsform
ist der Strommess-Sensor aus einer Mehrzahl von zylindrischen Spulen 10 gebildet,
welche auf separate Kerne 9 gewickelt und in der gleichen
Ebene senkrecht zur Axialrichtung des Isolators in Form eines Polygons
angeordnet sind, wobei die Spulen in Serienverbindung sind. Das
Arbeitsprinzip eines solchen Rogowski-Sensors ist bereits oben erläutert und auch
in der US-PS 4,709,205 und der FR-PS 2507811 offenbart. Das Arbeitsprinzip
des Sensors wird daher hier nicht näher erläutert. Wie sich aus 3 erschließt, weist
der Rogowski-Sensor 6 sechs Spulen 10 auf, die
in Form eines Sechsecks angeordnet sind. Bei dem Isolator der Erfindung
sind die Spulen 10, welche den Rogowski-Sensor bilden,
in einem Schutzgehäuse 11 aus
dünnem
Aluminium angeordnet, um Störungen
aufgrund externer elektrischer Felder zu dämpfen. Dieses Schutzgehäuse 11 ist
bevorzugt aus zwei Hälften
gebaut und so geformt, dass die Spulen 10 mit exakt gleichen
Abständen
an den Umfängen
eines Kreises liegen und an Ort und Stelle verbleiben, bis der gesamte
Sensor in Harz eingegossen ist. Die Hälften des Schutzgehäuses 11 sind
so gestaltet, dass der Querschnitt des Gehäuses keine geschlossene Hülle bildet.
Dies würde
den Betrieb des Sensors hemmen, da das Feld nicht in der Lage wäre, in den
Sensor einzutreten und in den Sensorspulen die Spannung zu erzeugen,
welche bei der Strommessung notwendig ist.
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Eine
sehr kompakte Größe ist ein
Vorteil des Isolators der Erfindung und, wie oben erläutert, kann die
Größe des Muffenisolators
mit den Sensoren gleich derjenigen eines herkömmlichen Muffenisolators ohne
Sensoren sein. Dies macht es möglich,
einen eingebauten herkömmlichen
Muffenisolator bei Bedarf durch den Muffenisolator der Erfindung
mit den Sensoren zu ersetzen. Kleine Baugröße und geringes Gewicht bringen
auch Einsparungen bei der Herstellung und bei den Frachtkosten.
Weiterhin ist der Aufbau des Rogowski-Sensors im Vergleich zu einer
herkömmlichen
Toroidalspule bei der Herstellung vorteilhaft. Der einzige Nachteil
des Muffenisolators der Erfindung ist der eine zusätzliche
Arbeitsschritt bei der Herstellung des Kupferstabs, der den Hauptleiter
bildet. Dieser zusätzliche
Schritt kann jedoch problemlos mit der Bohrung der Gewindebohrungen
in der Schiene kombiniert werden.
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Die
Positionierung der Spulen des Rogowski-Sensors zur Verwendung in
dem Isolator der Erfindung ist wichtig, beispielsweise um den Fehler zu
minimieren, der durch benachbarte Phasen im Messergebnis bewirkt
wird. Die Rogowski-Sensorspulen
können
auch durch Anordnen eines Kunststoffgusspassteils in dem Aluminiumgehäuse positioniert
werden, mit welchem die Spulen in gleichen Abständen angeordnet werden.
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Der
Isolator der Erfindung wurde oben mittels nur eines Ausführungsbeispiels
beschrieben und es versteht sich, dass Abwandlungen hiervon gemacht
werden, ohne vom Umfang abzuweichen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.