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Die
Erfindung betrifft eine Toroidspulenbewicklung des Typs Rogowskispule,
ohne Magnetkern, die einen isolierenden Träger und einen leitfähigen Draht
umfasst, der entsprechend einer bestimmten Drehrichtung und von
einem Anfangsende bis zu einem Schlussende des isolierenden Trägers so
auf diesen Träger
gewickelt ist, dass er eine erste Wicklung aus nebeneinanderliegenden
Windungen bildet.
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Eine
solche Rogowskispule wird benutzt, um die Intensität eines
durch einen Leiter fließenden Stroms
zu bestimmen. Dazu muss die Toroidspule – nach einer entsprechenden
Montage – diesen
Leiter umgeben. Dann misst man mit Hilfe eines Integrierers eine
Spannung, die proportional ist zur Intensität des elektrischen Stroms.
Das Fehlen des das System sättigenden
Magnetkerns ermöglicht
eine breite Messdynamik, von einem Ampere bis mehrere zehn Kiloampère.
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Um
eine Messung zu erhalten, die unabhängig ist von der Position des
Leiters im Innenring der Toroidspule und um den Einfluss eines anderen
Leiters, der sich außerhalb
der Toroidspule befindet, zu unterdrücken, ist es einerseits notwendig,
den Draht so um den Kern zu wickeln, dass eine Wicklung aus nebeneinanderliegenden
Windungen entsteht, die homogen auf dem Kern verteilt bzw. angeordnet
sind. Andererseits bildet die Toroidspule selbst eine Störwindung,
die Magnetfelder einfängt,
die entsprechend der zu der Ebene der Toroidspule senkrechten Mittelachse
ausgerichtet sind, und man muss diesen Einfluss auf die Messung
der zum elektrischen Strom des Leiters proportionalen Spannung kompensieren.
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Bekanntlich
realisiert man die Kompensierung der durch die Toroidspule selbst
gebildeten Windung durch eine Rückführung des
leitfähigen
Drahts vom Schlussende zum Anfangsende des Kerns, im Innern der
Windungen der Wicklung. Diese Rückführung des
leitfähigen
Drahts bildet eine Windung, deren Durchmesser gleich dem mittleren
Durchmesser der Toroidspule ist.
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Jedoch
hat dieser Aufbau Nachteile.
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Insbesondere
ermöglicht
die rückgeführte Drahtwindung
die Kompensierung des Störeinflusses der
durch die Toroidspule selbst gebildeten Windung nur dann, wenn sie
auf das Toroidspulenzentrum zentriert ist. In der Praxis wird der
leitfähige
Draht exakt in der Mitte jeder Windung der Wicklung angeordnet,
aber diese Anordnung erfordert eine relativ komplizierte Konstruktion
des isolierenden Trägers,
der zum Beispiel Innenscheiben umfasst, die in ihrer Mitte durchbohrt
sind, um den leitfähigen
Draht zu tragen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des Schutzes einer Wicklung
des Typs Rogowskispule, ohne Magnetkern, gegenüber magnetischen Störfeldern.
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Zu
diesem Zweck hat die Erfindung eine Toroidspulenbewicklung des Typs
Rogowskispule, ohne Magnetkern, zum Gegenstand, einen isolierenden
Träger
und einen leitenden Draht umfassend, der entsprechend einer bestimmten
Drehrichtung und von einem Anfangsende bis zu einem Schlußende des
isolierenden Trägers
so auf diesen gewickelt ist, dass er eine erste Wicklung aus nebeneinanderliegenden
Windungen bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der leitende Draht
sodann wieder mit derselben Drehrichtung vom Schlussende bis zum
Anfangsende auf den isolierenden Trägers gewickelt ist, so dass
er auf der ersten Wicklung eine zweite Wicklung aus nebeneinanderliegenden
Windungen bildet.
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Die
auf der ersten Wicklung angebrachte zweite Wicklung verläuft in umgekehrter
Richtung und ist auf die Toroidspulenmitte zentriert, um die durch
die Toroidspule selbst gebildete Windung zu kompensieren. Das Wickeln
der zweiten Wicklung ist einfach und erfolgt mit denselben Einrichtungen,
mit denen die erste Wicklung hergestellt wird. Der isolierende Träger muss
nicht mit Innenscheiben ausgestattet werden und die beiden übereinanderliegenden
Wicklungen verleihen der Toroidspule eine größere Festigkeit als die Rückführung des
leitenden Drahts in Form einer einzigen Windung.
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Nach
einem ersten Vorteil der Erfindung ist die zweite Wicklung so auf
der ersten angebracht, dass jede Windung der zweiten Wicklung sich
auf zwei nebeneinanderliegenden Windungen der ersten Wicklung abstützt. Diese
Anordnung erhöht
die Bewicklungsstabilität
der beiden Wicklungen und verleiht der Toroidspule eine größere Lebensdauer.
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Nach
einem zweiten Vorteil der Erfindung ist ein zweiter leitender Draht
auf den isolierenden Träger
gewickelt, um auf der ersten und der zweiten Wicklung eine dritte
Wicklung zu bilden. Diese dritte Wicklung bildet eine Testwicklung
und ermöglicht, das
Vorhandensein eines Leiters zu simulieren, der sich im Innenring
der Toroidspule befindet und in dem ein Strom einer bestimmten Stärke fließt.
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Um
die Simulation zu durchzuführen,
speist man in die Testwicklung einen Strom ein, um in der ersten
und der zweiten Wicklung eine Amperewindungszahl zu erzeugen, die
der Stärke
des in dem Leiter fließenden
Stroms entspricht. Die durch die durch die erste und zweite Wicklung
gebildete Messbewicklung gelieferte Spannung ist proportional zu der
durch den Teststrom erzeugten Amperèwindungszahl. Da die Amperèwindungszahl
gleich dem Produkt aus Teststrom und Windungszahl der dritten Wicklung
ist, wird der einzuspeisende Teststrom durch die Windungszahl dividiert,
also ist das Verhältnis
in der Praxis 100 bis 1000 in Bezug auf den durch den Leiter fließenden Strom.
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Die
Simulation ermöglicht
also, die Toroidspule im Laboratorium zu eichen und periodisch mühelos in
situ erneut zu eichen. Sie ermöglicht
auch, die durch die Toroidspule und den Integrieren gebildete Einheit
zu kontrollieren.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung einer
Realisierungsart hervor, illustriert durch die Zeichnungen.
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Die 1 zeigt
einen Längsrichtungs-Querschnitt
einer erfindungsgemäßen Toroidspule.
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Die 2 zeigt
eine Vorrichtung zur Herstellung der in der 1 dargestellten
Toroidspule.
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Die 3 zeigt
eine Schaltung zur Eichung einer erfindungsgemäßen Toroidspule.
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Eine
Bewicklung wie dargestellt in der 1 umfasst
eine Kunststoffrohr, das sich in einer Längsrichtung L erstreckt. Ein
biegsamer Kupferdraht 3 ist in einer Drehrichtung R von
einem Anfangsende 1I bis zu einem Schlussende 1F auf
den isolierenden Träger 1 gewickelt.
Diese Wicklung bildet eine erste Spule 5 von nebeneinander
liegenden Windungen 5A, die homogen in Längsrichtung
auf dem isolierenden Träger 1 verteilt
bzw. angeordnet sind. Man schließt das Rohr ringförmig in
sich selbst, indem man die beiden Enden 1I und 1F in Übereinstimmung bringt
und derart eine Toroidspule des Rogowskispulen-Typs bildet.
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Nach
der Erfindung wird der biegsame Kupferdraht 3 mit derselben
Drehrichtung vom Schlussende 1F bis zum Anfangsende 1I auf
den isolierenden Trägers
gewickelt, so dass sich auf der ersten Wicklung 5 eine
zweite Wicklung 7 bildet. Die Windungen 7A der
zweiten Wicklung 7 liegen nebeneinander und sind gleichmäßig längs des
Kunststoffrohrs 1 verteilt bzw. angeordnet.
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Wie
weiter oben angegeben, ist die auf der ersten Wicklung 5 gebildete
zweite Wicklung 7 eine Rückführung des biegsamen Kupferdrahts 3,
die auf das Zentrum der Toroidspule zentriert ist, um die große Windung
zu kompensieren, welche die Toroidspule selbst bildet. Derart ist
die erfindungsgemäße Toroidspule
unempfindlich gegenüber
magnetischen Störfeldern
senkrecht zur Ebene der Toroidspule. Die zweite Wicklung 7 annulliert
auch den Einfluss der Position eines im Innenring der Toroidspule
angeordneten Leiters auf die Spannung, die durch die Toroidspule
geliefert wird, proportional zu der Stärke des den Leiter durchfließenden elektrischen
Stroms.
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Man
muss auch anmerken, dass die zweite Wicklung die Empfindlichkeit
der erfindungsgemäßen Toroidspule
bei gleicher Baugröße um einen Faktor 2 erhöht.
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Das
Aufwickeln der zweiten Wicklung 7 ist einfach und geschieht
mit denselben Einrichtungen, mit denen auch die erste Wicklung 5 realisiert
wurde. Eine Wickelvorrichtung wie dargestellt in der 2, umfasst
einen Motor 11, um das in zwei Futter 13A und 13B eingespannte
und entsprechend der Längsrichtung
L ausgerichtete Kunststoffrohr 1 in eine Rotation R zu
versetzen.
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Um
ein Zusammendrücken
des Rohrs zwischen den Backen 15A und 15B der
Futter zu vermeiden, steckt man in jedes Ende 1I und 1F des
isolierenden Trägers 1 einen
zylindrischen Körper.
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Eine
Spule 17 liefert den Kupferdraht 3, der abgespult
wird durch die Rotation des Trägers 1,
um diesen zu umwickeln und die erste und die zweite Wicklung 5 und 7 mit
nebeneinanderliegenden Windungen 5A und 7A zu
realisieren. Zu Beginn des Aufwickelns der ersten Wicklung 5 wird
der Kupferdraht mit einem Klebband am Anfangsende 1I des
Trägers 1 festgeklebt.
Um die Windungen aneinanderliegend zu wickeln, wird der Kupferdraht
unter einer leichten Rückwärtsneigung α – bezogen
auf die letzte gebildete Windung – zugeführt.
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Um
die zweite Wicklung 7 auf der ersten Wicklung 5 zu
realisieren, klebt man die letzte Windung der ersten Wicklung mit
einem Klebeband fest und versetzt dann das Rohr 1 wieder
in Rotation, mit derselben Drehrichtung wie für die erste Wicklung 5.
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Das
Zählen
der Windungen 5A und 7A der ersten und der zweiten
Wicklung erfolgt durch einen mechanischen Zähler 19, betätigt durch
einen Schaltstift 21, befestigt mittels eines der Backen 15 eines
der beiden Futter.
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Das
Ende der Wicklung hängt
von der Gesamtzahl der in Bezug auf die Gesamtzahl der erwünschten
Windungen effektiv aufgewickelten Windungen ab.
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Wenn
die zweite Wicklung den Anfang der ersten Wicklung erreicht, ehe
die Gesamtzahl der erwünschten
Windungen erreicht worden ist, dann wickelt man die noch fehlenden
Windungen zur Hälfte auf
jede Wicklung. Wenn die zweite Wicklung den Anfang der ersten Wicklung
nicht erreicht hat, obwohl die Gesamtzahl der erwünschten
Wicklungen schon erreicht worden ist, werden die nicht durch die
zweite Wicklung überdeckten
Windungen der ersten Wicklung zur Hälfte abgewickelt und auf die
zweite Wicklung gewickelt.
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Man
stellt fest, dass die zweite Wicklung auf sichere und einfache Weise
auf der ersten Wicklung zentriert ist. Der isolierende Träger muss
nicht mit Innenscheiben versehen werden und die beiden übereinanderliegenden
Wicklungen verleihen der Toroidspule eine größere Festigkeit als eine Rückführung des
Kupferdrahts in Form einer einzigen Windung.
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Nach
einem ersten Vorteil der Erfindung ist die zweite Wicklung 7 so
auf der ersten angebracht, dass jede Windung 7A der zweiten
Wicklung sich auf zwei nebeneinanderliegenden Windungen 5A der ersten
Wicklung abstützt.
Diese Anordnung erhöht die
Stabilität
der Bewicklung mit den beiden Spulen und verleiht der Toroidspule
eine größere Lebensdauer.
Man erzielt dieses Resultat, indem das Bewickeln mit einer langsameren
Drehgeschwindigkeit als im vorhergehenden Fall durchgeführt wird.
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Nach
einem zweiten Vorteil der Erfindung (1) wird ein
zweiter biegsamer Kupferdraht 4 so um das Kunststoffrohr 1 gewickelt,
dass er eine dritte Wicklung 9 bildet, deren Windungen 9A sich über der ersten
und zweiten Wicklung 5 und 7 befinden.
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Vorzugsweise
sind die zweite 7 und dritte 9 Wicklung durch
einen isolierenden Wärmeschrumpfungsschlauch 10 getrennt,
angebracht nach dem Aufwickeln der ersten und zweiten Wicklung 5 und 7.
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Das
Aufwickeln der dritten Wicklung 9 erfolgt durch die vorhergehend
beschriebene Vorrichtung entsprechend der ersten und der zweiten
Wicklung. Die Windungen 9A stoßen aneinander oder sind voneinander
beabstandet, wobei angenommen wird, dass die durch die dritte Wicklung 9 erzeugte
Ampèrewindungszahl
nicht von der in die Wicklung eingespeisten Stromstärke und
nicht von der Anzahl der Windungen abhängt. Es ist vorgesehen, zusätzlichen Windungen
auf eine dritte Wicklung 9 aus nebeneinanderliegenden Windungen 9A zu
wickeln, um die Ampèrewindungszahl
zu erhöhen.
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Nach
dem Aufwickeln der dritten Wicklung bringt man einen zweiten Wärmeschrumpfungsschlauch
an und schließt
das Rohr, indem man seine beiden Enden in Übereinstimmung bringt und auf
einem der eingefügten
zylindrischen Körper
festklebt. Man erhält
eine Toroidspule, die man in ein warmaushärtendes Harz eingießt.
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Wie
oben erwähnt,
bildet die dritte Bewicklung 9 eine Testwicklung, die ermöglicht,
einen Leiter zu simulieren, der sich in dem Innenring der Toroidspule
befindet und in dem ein elektrischer Strom mit einer bestimmte Stärke fließt.
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Die
Testwicklung ist besonders vorteilhaft, um die Toroidspule zu eichen.
Durch diese Operation bestimmt man die Proportionalitätskonstante,
welche die durch die Toroidspule gelieferte Spannung mit dem durch
den im Innern der Toroidspule befindlichen Leiter fließenden Strom
verknüpft.
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Üblicherweise
führt man
die Eichung direkt an der Messwicklung aus, mit Hilfe einer Stromquelle,
die einen elektrischen Strom mit einer Stärke erzeugt, die repräsentativ
ist für
die realen Messbedingungen, das heißt zum Beispiel mehrere 1000
A bei mittlerer oder hoher Spannung. Man benutzt auch einen Eichstromtransformator
und einen Eich-Nebenschlusswiderstand.
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Bei
der direkten Eichung stellt sich das Problem der Verfügbarkeit
solcher Vorrichtungen mit nicht unerheblichen wirtschaftlichen Konsequenzen. Das
Problem vergrößert sich
noch, wenn man die eingebaute Toroidspule an Ort und Stelle erneut
eichen will. Das Einspeisen eines bekannten Teststroms in den sich
im Innern der Toroidspule befindlichen Leiter mit guter Genauigkeit
erweist sich als schwierig. Zudem erleichtert die Größe des Eichstromtransformators
nicht seine Installation in der Nähe der Toroidspule.
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Eine
Testwicklung ermöglicht,
einen in dem Innenring der Toroidspule befindlichen Leiter mit einer
Stromquelle zu simulieren, die viel schwächer als diejenige ist, die
man für
eine Direkteichung benötigt.
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In
der 3 sieht man eine Schaltung, die ermöglicht,
die Toroidspule zu eichen. Die Messwicklung 5-7 ist durch
einen Integrieren 27 mit einem ersten Kanal 23A eines
Phasenverriegelungsverstärker 25 verbunden,
der eine Spannung liefert, die proportional ist zu dem Strom, der
in dem Leiter fließt,
der sich in dem Innenring der Toroidspule befindet. Ein Widerstand 29 des
Integrierers ermöglicht,
die Verstärkung
des durch die Toroidspule und den Integrieren gebildeten Ganzen
zu regeln.
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Die
Testwicklung 9 ist mit einer Quelle 31 von niedriger
Spannung, zum Beispiel 220 V, verbunden, über einen Alternostat 33,
einen Spannungstransformator 35, zum Beispiel von 220 V
auf 12 V, und einen Regelwiderstand 37. Der Spannungstransformator ist
mit einem zweiten Kanal 23B des Phasenverriegelungsverstärker verbunden.
Ein Nebenschlusswiderstand 39 ist zwischen dem Spannungstransformator und
einer gemeinsamen Masse 23C des Phasenverriegelungsverstärkers und
der Testwicklung der Toroidspule geschaltet.
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Der
Phasenverriegelungsverstärker 25 ermöglicht,
die Spannung, welche die Toroidspule über den Integrierer 27 liefert,
mit der Spannung zu vergleichen von dem Nebenschlusswiderstand 39 stammt.
Man bestimmt die Messgenauigkeit der Toroidspule mittels des Fehlers
bei der Amplitude und der Phase der gelieferten Spannung.
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Nach
der Erfindung simuliert man mit einer Testwicklung von 1000 Windungen
in der Messwicklung 5-7 eine Amperewindungszahl, die 1000
A entspricht, ausgehend von der Einspeisung – in die Testwicklung 9 – eines
Stroms von 1A, geliefert durch die Quelle 31 über den
Spannungstransformator 35. Man berechnet den Nebenschlusswiderstand
so, dass man eine Bezugsspannung erhält, die im Wesentlichen gleich
der durch die Toroidspule gelieferten Spannung ist, was ermöglicht,
auf den Eichstromtransformator zu verzichten. So wird die Eichung oder
die erneute Eichung der Toroidspule vor Ort durch die Testwicklung
erleichtert.
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Festzustellen
ist, dass die Testwicklung ermöglicht,
das durch die Toroidspule und den Integrierer gebildete System zu
eichen. Auf diese Weise hat man direkten und einfachen Zugang zu
der Messgenauigkeit des Systems, so wie es im Betrieb verwendet
wird.
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Die
Testwicklung ist auch vorteilhaft, um vor Ort das gute Funktionieren
einer Kette zu kontrollieren, die durch die Toroidspule, den Integrierer
und zum Beispiel ein Schutzrelais gebildet wird. Wenn das Relais
für einen Überstrom
eingestellt ist, der das 10-fache der Nominalstärke beträgt, testet man den Betrieb
des Relais, indem man in die Testspule einen Strom einspeist, der
in der Messwicklung der 10- bis 12-fachen Stärke des Nominalstroms entspricht.
Der Test des Relais erfolgt also ohne Betriebsunterbrechung.