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Vorrichtung zur Messung des in einer Leitung fließenden Gleichstromes
Es ist bekannt, daß die Messung des in einer Leitung fließenden Gleichstromes dann
auf Schwierigkeiten stößt, wenn die zu messenden Ströme sehr hoch sind und beispielsweise
über IO 000 Amp. betragen. Die übliche Verwendung von Paralleiwiderständen ist bei
diesen Stromstärken unzuverlässig, so daß mit normalen Instrumenten die Messung
nicht mehr durchführbar ist. Es ist nun .bereits bekannt, zur Messung hoher Gleichströme
Gleichstromwandler zu benutzen. Diese bestehen aus einem den zu messenden Strom
führenden Leiter umgebenden Eisenkern, der mit einer Kompensationswicklung ausgerüstet
ist, die von einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle Igespeist wird. An einer an
sich beliebigen Stelle .ist der Eisenkern zur Aufnahme einer die magnetische Feldstärke
messenden Einrichtung aufgeschnitten, welche üblicherweise einen in Reihe mit der
Kompensationswicklun.g liegenden Widerstand steuert.
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Diese bekannte Anordnung ist hierbei noch so getroffen, Idlaß das
von der Kompensationswicklung im Eisenkern erzeugte Magnetfeld dem vom Leiter erzeugten
Magnetfeld entgegenwirkt. Die Feldstärkemeßeinrichtung verändert nun den Kompensationsstrom
so lange, bis das Magnetfeld im Eisenkern praktisch verschwindet. Die Größe des
sich ergebenden Kompensationsstromes ist also ein unmittelbares Maß für die Größe
des im primären Leiter fließenden Gleichstromes. Durch eine hohe Anzahl von kompensierenden
W,inzungen wird der Kompensationsstrom verhältnismäßig gering, und seine Messung
bereitet keine nennenswerten Schwierigkeiten mehr, wenn auch die Kompensationswicklung
nahezu die gesamte vom Primärleiter erzeugte Amperewindungszahl aufzubringen hat.
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Diese bekannten Gleichstromwandler erfordern aber einen erheblichen
Abstand der beiden den Gleichstrom führenden Leiter, weil sonst der zweite Leiter
die Messung stark beeinflussen würde, da er selbst eine hohe
MMK
erzeugt. Dieser unerwünschte Einfluß des zweiten Leiters verursacht Messungsungenauigkeiten.
die je nach der gewählten Verlegung der Leiter verschieden sind. Eine magnetische
Abschirmung des Stromwandlers gegen den zweiten Leiter ist wegen der starken Magnetfelder
und dem Gewicht der dazu benötigten Eisenmassen praktisch nicht durchführbar. Auch
bei Geräten, die den Strom im Leiter unmittelhar durch das von ihm erzeugte Magnetfeld
messen, ergeben sich dieselben Schwierigkeiten. Man ist deshalb zur Vermeidung dieser
Fehler genötigt, den zweiten Leiter in der Umgebung des Stromwandlers vom ersten
Leiter so weit zu entfernen, bis das von ihm erzeugte Magnetfeld am Orte des Stromwandlers
praktisch unschädlich ist. Bei der Anordnung der Leitung ist daher auf den Stromwandler
Rücksicht zu nehmen, wodurch häufig eine ungünstige Verlegung der Leiter und ein
höherer Raumbedarf nicht zu vermeiden ist. ITngünstig ist ferner, daß aus diesen
Gründen in bereits bestehende Leitungen die bekannten Meßgeräte nachträglich nicht
mehr eingebaut werden können, sofern die beiden Leiter in der üblichen Anordnung
in geringem Abstand voneinander parallel laufen und Platz für eine Verlegung des
einen Leiters nicht vorhanden ist oder wegen der hohen Kosten nicht in Frage kommt.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch,
daß die beiden zur Hin- und zur Rückleitung dienenden Leiter von einem gemeinsamen
Eisenkern umschlossen sind und daß eine an sich bekannte Meßeinrichtung für die
magnetische Feldstärke so an dem Eisenkern angebracht ist, daß sie das von beiden
Leitern erzeugte Magnetfeld mißt. Dabei ist es gleichgültig, ob die Vorrichtung
zur Messung des in der Leitung fließenden Gleichstromes nach Art der Gleichstromwandler,
beispielsweise solcher mit selbsttätiger Kompensation, oder nach Art eines normalen
Meßinstruments arbeitet.
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Bei der Verwen dung als Gleichstromwandler ist es zudem noch möglich,
nur mit einem Bruchteil der von beiden Leitern erzeugten Amperewindungen zu kompensieren,
wodurch auch der Aufbau des Wandlers günstiger wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der
Fig. I und 2 der Zeichnung näher erläutert.
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In der Fig. I ist ein Eisenkern I mit drei Fenstern 2, 3, 4 dargestellt,
bei welchem in dem äußeren Fenster 2 der zur Stromhinleitung dienende Leiter 5 und
in dem anderen äußeren Fenster 4 der zur Stromrückleitung vorgesehene Leiter 6 angeordnet
ist. Im mittleren Fenster 3 ist eine an sich bekannte, die magnetische Feldstärke
messende Einrichtung 7 mittles zweier magnetisierbarer Stege 8 und 9 an Punkte verschiedenen
magnetischen Potentials an den Eisenkern I angeschlossen.
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Bei der Einrichtung 7 kann es sich sowohl um die drehbare Spule eines
meßinstruments mit Anzeigevorricht,ung als auch um das Antriebssystem eines Reglers
handeln, welcher einen oder mehrere Widerstände verändert.
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Diese Widerstände liegen im Stromkreis der Wicklung lO, die, von einer
C;leicllspannungsquelle gespeist, in an sich bekannter Weise als Kompensationswicklunggebraucht
werden kann. In denjenigen Teilen des Eisenkerns 1. welche die Leiter 5 und 6 umgeben,
sind in an sich bekannter Weise Luftspalte 1 1 angebracht, welche so bemessen sind,
daß auch bei den höchsten zur Verwendung kommenden Stromstärken der Eisenkern nicht
gesättigt wird. Auf den Schenkeln I2 des Eisenkerus sind weitere Luftspalte 13 vorgesehen,
mittels welcher erreicht wird, daß in den Stegen 8 und 9 nur ein Bruchteil der von
den beiden Leitern insgesamt erzeugten MMK zur Wirkung kommt. Die Schenkel 12 wirken
somit als magnetischer Nebenschluß und schützen die Einrichtmig 7 vor zu großen
Magnetfeldern. Wird das Gerät als sdhstkoinpensierender Gleichstromwandler unter
Zuhilfenahme der Wicklung 10 betrieben, so ist der benötigte Kompensationsstrom
und dadurch die Leistung der zusätzlichen Gleichspannungsquelle wegen der Wirkung
der magnetischen Shunts nur noch ein nahezu beliebig klein wählbarer Bruchteil desjenigen
Stromes bzw. derjenigen Leistung, die sich bei nicht vorhandenen Stegen 12 ergeben
würde. Elnso wird die Amperewindungszalll, die für die Kompensation aufgebracht
werden muß, um den entsprechenden Wert geringer, so daß nur sehr wenig Wicklungskupfer
notwendig ist.
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Andererseits kann man die Stege 12 auch weglassen und die Kompensationswicklung
in zwei parallel oder in Reihe geschaltete, symmetrisch in bezug auf die Stege 8
und g auf den beiden Hälften des Eisenkerns verteilt angeordnete gleiche Wicklungen
auflösen. Dann muß allerdings von der Kompensationswicklung wieder die gesamte von
den beiden Leitern erzeugte Anzahl Amperewindungen aufgebracht werden; Idafür ist
es aber möglich, den Querschnitt des Eisenkerns zu verringern, so daß der Mehraufwand
an Kupfer durch eine Verminderung des Eisengewichtes wenigstens zum Teil ausgeglichen
wird.
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In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Meßvorrichtung dargestellt,
bei welcher wie in Fig. I die die magnetische Feldstärke messende Einrichtung 7
zur Steuerung eines in den Stromkreis der Kompensationswicklung 10 eingeschalteten
Reglers oder auch zur unmittelbaren Betätigung einer Anzeigevorrichtung dienen kann.
Die Bauart nach Fig. 2
erlaubt, äußerst geringe Abstände zwischen
den beiden Leitern 5 und 6 einzuhalten. Der Eisenkern I bildet zwei nebeneinanderliegende
Fenster 2 und 4, von denen das eine den Hinleiter, das andere den Rückleiter aufnimmt.
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Die beiden Schenkel I2 der Fig. I sind hier zu einem einzigen Schenkel
14 vereinigt. Die die magnetische Feldstärke messende Einrichtung 7 liegt über die
beiden Stege 8 und 9 im Nebenschluß zu dem Schenkel I4, wider einen geeignetbemessenen
Luftspalt 3 besitzen kann.
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Den beschriebenen Vorrichtungen zur Messung hoher Gleichströme ist
der Vorteil gemeinsam, ,daß die bei den bisher bekannten l,ßvorrichtungen auftretenden
Fehlanzeiigen vermieden werden, weil der Strom im Rückleiter und im Hinleiter zur
gleichzeitigen Messung benutzt wird. Dabei ist es gleichgültig, ob die Vorrichtung
als Gleichstromwandler oder als unmittelbares Meßinstrument mit Anzeigevorrichtung
arbeitet. Die Ausführung als Gleichstromwandler wird jedoch bevorzugt, da in diesem
Falle die Anzeigevorrichtung, d. h. das in den Kompensationsstromkreis eingeschaltete
Meßinstrument, sich nicht unbedingt am Orte des .die Leiter umschliesenden Eisenkerns
zu befinden braucht, sondern beispielsweise davon entfernt in einer Schalttafel
angeordnet sein kann. Diese Vorteile werden zum großen Teil durch ,di,e beschriehenen
magnetischen Shunts erreicht, welche bewirken, daß die Anzahl der aufzubringenden
Amperewindungen für die Kompensation nahezu beliebig gering gewählt werden kann
und daher auch nur sehr geringe Ströme notwendig sind. Besonders vorteilhaft ist
es für .diesen Zweck, ,die Kompensationswilcklung in an sich bekannter Weise an
die eine Diagonale und die den Kompensationskreis speisende Gleichspannungsquelle
an die andere Diagonale einer aus Ohmschen widerständen aufgebauten Brückenschaltung
anzuschließen, bei welcher wenigstens einer dieser Widerstände von dem elektromagnetisch
arbeitenden Antriebssystem der die magnetische Feldstärke messenden Einnichtung
so lan.ge geändert wird, bis das in der Meßeinrichtung herrschende resultierende
Feld nahezu verschwindet. In der praktischen Ausführung werden in an sich bekannter
Weise vorzugsweise Regler verwendet, die Kohledriuckwiderstände verändern oder die
die Steuerung der im Kompensatinskreis liegenden Widerstände nach dem Wälzsektorkontaktverfahren
vornehmen.