EP3479073A1

EP3479073A1 - Messumformer für die hochvolt-messtechnik

Info

Publication number: EP3479073A1
Application number: EP17732108.0A
Authority: EP
Inventors: Jens-Hendrik Schiffer
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2019-05-08
Also published as: WO2018001863A1; US20190250192A1; US10837984B2; CN109416265A; DE102016211755B3; CN109416265B

Abstract

Ein Messumformer für die Hochvolt-Messtechnik umfasst - ein Gehäuse (1) mit einer quaderförmigen Grundkontur, - am Gehäuse (1) angeordnete, Eingangs-Messsignale im Hochvolt- Bereich führende Eingangsanschlüsse (25, 26), - am Gehäuse (1) angeordnete, Ausgangssignale im Niedervolt- Bereich führende Ausgangsanschlüsse (12, 13), - eine im Gehäuse (1) angeordnete, auf mindestens einer Leiterplatte (30) implementierte Messumformerschaltung (29), die mit den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen (12, 13, 25, 26) kontaktverbunden ist, - wobei die quaderförmige Grundkontur des Gehäuses (1) als Hochkant-Bauform ausgelegt ist, - wobei die Leiterplatte (30) mit der Messumformerschaltung (29) hochkant zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden (23, 24) eines im Gehäuse (1) angelegten Doms (22) angeordnet ist, und - wobei die Eingangsanschlüsse (25, 26) einander abgewandt an den Außenseiten (27, 28) der Seitenwände (23, 24) innerhalb der Grundkontur des Gehäuses (1) angeordnet sind, sowie die jeweilige Seitenwand (23, 24) des Doms (22) durchgreifend der Messumformerschaltung (29) auf der Leiterplatte (30) in Kontakt stehen.

Description

Messumformer für die Hochvolt-Messtechnik

Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 21 1 755.6 in Anspruch, deren Inhalt durch Be- zugnahme hierin aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft einen Messumformer für die Hochvolt-Messtechnik mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Zum Verständnis der Erfindung ist deren Hintergrund kurz zu erläutern. So sind die Anwendungsbereiche für Messumformer in der Hochspannungsmesstechnik bzw. Hochvoltmesstechnik (HV-Messtechnik) vielseitig. Liegen die zu messenden Signale in einem Bereich hoher Spannungen - z. B. Stromversorgungen von Produktionsanlagen, Gebäuden, Bahnanlagen - so müssen diese hohen Spannungen von der Steuerungstechnik ferngehalten, also hinreichend galvanisch getrennt werden und in ein für Personen und Anlagen ungefährliches Messsignal umgeformt werden. Die Anmelderin beispielsweise bietet Messumformer für Arbeitsspannungen bis zu 6000 V AC/DC an. Insbesondere bei kleinen Signalen auf hohem Potential muss eine hohe Gleichtaktunterdrückung (CM ) sichergestellt sein, da

Gleichtaktspannungen sonst erhebliche Fehler verursachen können. Unabhängig von der Höhe der zu messenden Spannung können insbesondere bei großen Entfernungen zwischen Signalquelle und Signalsenke Potentialdifferenzen zwischen Messstelle und Steuerungstechnik entstehen, die zu erheblichen Messfehlern führen können. Durch die Potentialtrennung werden die Auswirkungen dieser Potentialunterschiede vollständig eliminiert und Messfehler damit beseitigt. Bekannte Messumformer bieten eine 3- Port-Potentialtrennung, so dass in jedem Fall eine negative Signalbeeinflussung verhindert wird. Ein nahe kommender Stand der Technik ist beispielsweise in der

US 2010/0007358 AI beschrieben, die gemäß der beigefügten, aus dieser Druckschrift entnommenen Fig. 15 einen Messumformer mit folgenden Merkmalen zeigt:

- ein Gehäuse (102) mit einer quaderförmigen Grundkontur,

- am Gehäuse (102) angeordnete, Eingangs-Messsignale im Hochvolt-Bereich führende Eingangsanschlüsse (108),

- am Gehäuse (102) gehaltene, Ausgangssignale im Niedervolt- Bereich führende Ausgangsanschlüsse (1 10, 1 12),

- eine im Gehäuse (102) angeordnete, auf mindestens einer Leiterplatte (124) implementierte Messumformerschaltung mit verschiedenen Komponenten (106 bis 146), die mit den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen (108, 1 10, 1 12) kontaktverbunden ist.

Grundsätzlich sind bei solchen HV-Messumformern mindestens zwei räumlich getrennte Anschlussbereiche, nämlich der erwähnte Eingangsanschlussbereich für den elektrischen Anschluss mindestens eines (Hochspannung führenden) Eingangssignales und der Ausgangsanschlussbereich für die Abnahme mindestens eines galvanisch getrennten Ausgangssignales sowie z.B. für die Zufuhr von elektrischer Hilfsenergie vorhanden.

Die beim Stand der Technik gegebene Problematik ist nun anhand der Fig. 15 näher zu erläutern:

Die Eingangsanschlussbolzen (108) weisen ein Außengewinde auf (z.B M5) und werden durch großvolumige Rippenisolatoren (150) geführt, um eine ausreichend lange Kriechstrecke sowohl zwischen den beiden Eingangsanschlussbolzen (108) selbst als auch zwischen den Eingangsan- schlussbolzen (108) und den Komponenten und Montageflächen in unmittelbarer Nachbarschaft des Montageorts des Messumformers zu erreichen.

Aufgrund der nur geringen Austrittshöhe der Eingangsanschlussbolzen (108) von nur ca. 25mm über der Montagefläche ist die Isolationsluftstrecke zu einer eventuell elektrisch leitenden Montagefläche relativ gering. Die übliche Anschlusstechnik an solche Anschlussbolzen verwendet Kabelschuhe mit einer Bohrung mit einem Durchmesser etwas größer als 5 mm, die auf die Bolzen aufgesteckt und anschließend mit mindestens je- weils einer Mutter fixiert werden. Die Winkelposition der Kabelschuhe auf den Anschlussbolzen ist dabei naturgemäß nicht definiert. Dadurch kann es bei nachlässiger Installation zu verringerten Isolationsluftstrecken kommen, weil die Kabelschuhe sich einander oder dem gegenüberliegenden Anschlussbolzen oder der Montagefläche in unerwünschter Weise annä- hern. Weiterhin können auf die Kabelschuhe durch die Zuleitungen Drehmomente einwirken, die zu einem nachträglichen Verdrehen der Kabelschuhe auf den Anschlussbolzen und sogar zu einer Lockerung der Kabelschuhe führen können. Diese Problematik trifft grundsätzlich auch auf die ausgangsseitigen Anschlussbolzen (1 10, 1 12) zu, die ebenfalls mit einem M5 -Außengewinde versehen sein können. Bei einer elektrisch leitenden Montagefläche ist hiermit auch die Luftstrecke und der Kriechweg zwischen den Eingangsanschlussbolzen (108) und den Ausgangsanschlussbolzen (1 10, 1 12) mög- licherweise verringert.

Bei dem in Fig. 15 dargestellten Hochspannungsmessumformer sind weder für die Eingangs- noch für die Ausgangsanschlussbolzen Schutzabdeckungen vorgesehen. Dadurch besteht die Gefahr, dass äußere Umwelteinflüsse, wie Feuchtigkeit, Staub, Schmutz die Kriechstrecken in ihrer Wirkung beeinträchtigen und die metallischen Kontaktelemente einer erhöhten Korrosion ausgesetzt sein können. Im Übrigen ist auch kein Berührungsschutz gegeben, so dass aktuelle Ansprüche an die Personensicherheit, z. B. im Rahmen von Installations- und Wartungsarbeiten, nicht erfüllt werden.

Auch im Zusammenhang mit den inneren Gehäusemerkmalen sind Defizite festzustellen: Die elektrischen Verbindungen der Anschlussbolzen (108) mit der Leiterplatte werden mit Hilfe von Schaltlitzen (152) realisiert. Die Lage dieser Schaltlitzen ist nicht eindeutig festgelegt. Insbesondere auf der hochspannungsführenden Eingangsseite des Messumformers kann dies zu unerwünschten Beeinflussungen der Signalübertragung und ggf. der Isolation führen. Die folgenden typischen Abmessungen und Abstände kann ein gemäß Fig. 15 aufgebauter Messumformer aufweisen:

Die im Folgenden erwähnte Montagefläche spannt sich zwischen den vier dargestellten Befestigungsauslegern (154) mit den U-förmigen Ausneh- mungen auf. Die Höhe der Anschlussbolzen (108, 1 12, 1 10) über der Mon- tagefläche beträgt ca. 25mm, der Abstand der Bolzen (108) zueinander ca. 70 mm, die Abstände der Ausgangsbolzen (1 12, 1 10) zueinander ca. 12 mm, die Gehäusehöhe über Montageplatte ca. 50 mm, die Gesamtbreite des Messumformers inkl. Befestigungsauslegern ca. 134 mm und die Gesamt- länge des Messumformers inkl. Bolzen (108, 1 10, 1 12) ca. 210 mm.

Zusammenfassend sind bei diesem Messumformer aufgrund der flach- quaderförmigen Gehäusekontur ein relativ großer Flächenbedarf von ca. 280 cm² und begrenzte Abstände der spannungsführenden Teile untereinander und zur Montagefläche zu verzeichnen.

Weitere bekannte Messumformer mit ähnlichen Gehäusekonfigurationen werden von verschiedenen Herstellern auf dem Markt angeboten, wie beispielsweise von der Firma ABB France unter der Bezeichnung„Sen- sor/Capteur VS1500B". Gegenüber dem in Fig. 15 dargestellten Messumformer ist bei diesem Gerät der Abstand der Eingangsanschlussbolzen zu einer Montagefläche zwar größer, da die Eingangsanschlussbolzen auf der Oberseite des Gehäuses angeordnet sind. Die bereits anhand des oben herangezogenen Standes der Technik beschriebenen, problematischen Punkte, die sich nicht auf die Abstände zur Montagefläche beziehen, gelten hier aber ebenso. Zusätzlich können durch die räumliche Nähe eines der Eingangsanschlussbolzen zu den an der Seite des Messumformers befindlichen Ausgangsanschlussbolzen die Kriech- und Luftstrecken bei ungünstiger Ausrichtung des Kabelschuhs bzw. der Anschlussleitungen in nachteiliger Weise verkürzt werden und damit die Isolationsfähigkeit herabgesetzt werden.

Ausgehend von den geschilderten Problemen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Messumformer für die Hochvolt-Messtechnik so zu verbessern, dass er bei verringertem Flächenbedarf hohen Anforderungen an die Isolationseigenschaften und Unempfmdlich- keit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen in besonderer Weise gerecht wird.

Die Grundkonzeption der erfindungsgemäßen Lösung ist im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegeben und wie folgt charakterisiert: die quaderförmige Grundkontur des Gehäuses ist als Hochkant- Bauform mit einer gegenüber der Länge der Bodenfläche kürzeren Breite und einer Höhe ausgelegt ist, die größer als die Breite ist, die Leiterplatte mit der Messumformerschaltung ist hochkant zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden eines im Gehäuse angelegten, isolierenden Doms angeordnet, und

die Eingangsanschlüsse sind einander abgewandt an den Außenseiten der Seitenwände innerhalb der Grundkontur des Gehäuses angeordnet und stehen - die jeweilige Seitenwand des Doms durchgreifend - mit Anschlusselementen der Messumformerschaltung auf der Leiterplatte in Kontakt.

Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal des erfindungsgemäßen Hochspannungsmessumformers ist der Aufbau des Gehäuses als Hochkant- Bauform und die spezielle Anordnung der hochspannungsführenden Eingangsanschlusselemente im Gehäuse, wobei die Eingangsanschlusselemente insbesondere als Eingangsanschlussbolzen mit einem Außengewinde ausgeführt sein können. Weitere Ausführungsformen der Eingangsanschlusselemente können auch Gewindebuchsen oder Klemmanschlüsse sein.

Die Eingangsanschlüsse sind an gegenüber liegenden Langseiten des Gehäuses platziert und zwar am zentralen Dom, der vorzugsweise integraler Bestandteil der erfindungsgemäßen Gehäuseform ist. Im Eingangsanschlussbereich sind das erfindungsgemäße Gehäuse und die hochspannungsführenden Eingangsanschlüsse so ausgeformt, dass die Eingangsanschlüsse nicht über die Gehäusekontur hinausragen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messumformers liegen die Seitenkantenverhältnisse des Gehäuses so, dass das Verhältnis von Breite zu Länge des Gehäuses zwischen 1 :2 und 1 :3 bzw. das Verhältnis von Breite zu Höhe des Gehäuses zwischen 1 : 1,5 und 1 :2,5 liegen.

Aufgrund der Anordnung der Eingangsanschlüsse innerhalb der Grundkontur des Gehäuses kann gemäß einer Weiterbildung eine den Hochspannung führenden Eingangsanschlussbereich voll umschließende Abdeckung in Form einer Schutzhaube aufgesetzt werden, ohne dass die äußere Umrisskontur Messumformers nennenswert vergrößert wird. Diese aufsetzbare Schutzhaube kann mit einer oder mehreren Schrauben mit dem Gehäuse fest verschraubbar und/oder auch durch Rastelemente fixiert werden. Bevorzugtermaßen kann die Schutzhaube unter Einschluss von Dichtelementen am Gehäusesockel befestigt sein, beispielsweise weist sie dabei in bestimmten Abschnitten Ausnehmungen in Form einer Nut auf, beispielsweise zur Aufnahme eines Dichtelastomers, der wiederum mit den in bestimmten Abschnitten des Gehäuses vorhandenen Dichtflächen eine umlau- fende Abdichtung garantiert. Somit ist ein besonders hoher Schutz vor Verschmutzung und eindringender Feuchte gewährleistet. Die Schutzhaube kann zusätzlich als Berührungsschutz dienen, falls bei Wartungsarbeiten entsprechende Anlagenbereiche für Personen zugänglich sind, in denen gefährliche Spannungen und Ströme auftreten können.

Als Zwischenergebnis ist festzuhalten, dass die erfindungsgemäße Ausführung des Messumformers zu einer erheblichen Platz- und Flächeneinsparung auf der Montagefläche gegenüber dem Stand der Technik führt. Dies wird zum einen durch die Hochkant-Bauform mit geringer Grundfläche erreicht, zum anderen durch die Anordnung der Eingangsanschlüsse an den Langseiten am zentralen Dom sowie durch die aufsetzbare Schutzhaube, wodurch ein Montage-Isolationsschutzabstand zu benachbarten Komponenten sehr klein gehalten werden kann. Der durch die Schutzhaube und das Gehäuse mit seinem zentralen Dom gebildete Anschlussraum für die Eingangsanschlussbolzen kann im Übrigen mit Belüftungskanälen ausgestattet sein, so dass dieser Anschlussraum in Richtung zur Bodenplatte hin belüftet werden kann, um einen Klimaausgleich zu erzielen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Gehäuse jeweils seitlich neben dem Dom vorzugsweise in einer vertikalen Seitenwand jeweils eine Durchführungsöffnung zur Durchführung einer eingangsseiti- gen Hochvolt- Anschlussleitung zu den Eingangsanschlüssen angeordnet, wobei Tüllen z.B. aus einem Elastomer in die Durchführungsöffnungen einlegbar sind und als Dichtelemente und Knickschutz wirken können. Vorzugsweise sind diese Durchführungsöffnungen dabei im der Schutzhaube zugewandten Rand des Gehäusesockels als quer zur Durchführungsrichtung der Hochvolt- Anschlussleitungen offene Aussparung angelegt. Damit wird eine sehr einfache Montage der Anschlussleitungen erreicht, die bei abgenommener Schutzhaube von der Seite her gegebenenfalls mit einer Tülle in diese Aussparungen eingeschoben werden und anschließend die Schutzhaube nach dem Befestigen der Kabelschuhe auf den entsprechenden Eingangsanschlussbolzen unter Fixierung der Anschlussleitung mit Tülle auf den Gehäusesockel aufgerastet wird.

Durch diese Führung der Anschlussleitungen ist eine optimale Position deren Kabelschuhe festgelegt und auf die Kabelschuhe wirkende Drehmomente durch die Zuleitungen können insbesondere nach Aufsetzen der Schutzhaube minimiert werden. Durch die aufrechtstehende Bauweise des Gehäuses ist ein maximaler Abstand zur Montagefläche der Anschlussleitungen„automatisch" gewährleistet. Dieser Abstand ist deutlich größer als bei den Messumformern nach dem eingangs geschilderten Stand der Technik.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind am Dom oberhalb der Eingangsanschlüsse auskragende Isolationsdächer und/oder neben den Eingangsanschlüssen verlaufende Isolationsstege angeordnet. Zusätzlich können den Eingangsanschlüssen zugewandte Ober- flächenbereiche des Doms und - falls vorhanden - die Isolationsdächer mit einer oberflächlichen Rippenprofilierung versehen sein.

Durch diese Isolationsdächer und die eventuelle vorhandenen Isolationsstege und Rippenprofilierungen daran wird die Kriechstrecke zwischen den gegenüberliegenden Eingangsanschlüssen verlängert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Eingangsanschlüsse sieht vor, dass diese als Anschlussbolzen ausgebildet sind, die jeweils in Aufnahmen in den Seitenwänden des Doms eingepresst gehalten und durch den Einpress- Vorgang mit elektrischen Kontaktflächen der Messumformerschaltung auf der Leiterplatte elektrisch leitfähig verbunden sind. Es sind daher keine Schaltlitzen zur Verbindung der Eingangsanschlussbolzen mit der Leiterplatte notwendig. Damit werden die eingangs genannten Nachteile vermieden, wie sie bei einer mit Schaltlitzen ausgeführten Verdrahtung bei Mess- umformern nach Stand der Technik entstehen können. Außerdem kann der Einpressvorgang komplett maschinell und automatisiert erfolgen, was bei der Verwendung von Schaltlitzen nur schwer möglich wäre. Zur Verbesserung der funktionalen Aufteilung der Komponenten des Messumformers kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass an einer Außenseite, vorzugsweise einer Schmalseite des Gehäuses ein Ausgangsanschlussbereich vorgesehen ist, der von der Hochvolt-beaufschlagten Messumformerschaltung durch eine Trennwand im Gehäuse separiert ist und in dem die Niedervolt- Ausgangsanschlüsse und gegebenenfalls weitere Hilfsenergieanschlüsse, Bedienelemente und/oder Signalisierungselemente angeordnet sind. Damit ist der Ausgangsanschlussbereich grundsätzlich von dem eigentlichen Hauptbereich der Leiterplatte mit den funktionsgebenden Komponenten der Messumformerschaltung getrennt, was die Basis für eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eröffnet, wonach der Innenraum des Doms mit diesen funktionsgebenden Komponenten durch einen Verguss hermetisch versiegelt werden kann, ohne dass diese Vergussmasse in den Ausgangsan- Schlussbereich eindringt. Die einbringbare Vergussmasse schützt die Elektronik vor schädlichen Umwelteinflüssen, erhöht die Beständigkeit gegen mechanische Belastungen und stellt die elektrische Isolation der verschiedenen Schaltungskreise auf der Leiterplatte gegeneinander sowie zur direkten Montageumgebung des Messumformers sicher.

Gemäß einer weiteren Fortbildung der Erfindung sind in der Trennwand ein zum Boden des Gehäuses offener, vorzugsweise abdichtbarer Schlitz zum Durchtritt der vorzugsweise einstückig ausgebildeten Leiterplatte sowie in der Leiterplatte in Verlängerung des Schlitzes eine zu ihrer vom Bo- den abgewandten Oberkante offene, vorzugsweise abdichtbare Ausnehmung zum Durchtritt der Trennwand vorgesehen. Damit ist eine besonders einfache Montierbarkeit der Leiterplatte im Gehäuse mit der Trennwand erreichbar, wobei durch die Dichtmittel wiederum die Möglichkeit des Vergusses des Innenraums aufrechterhalten bleibt. Beim Einschieben der Leiterplatte in das Gehäuse während der Werksmontage des Messumformers taucht nämlich in diesen Schlitz der Teil der Leiterplatte ein, der den Anschlussbereich mit dem restlichen Teil der Elektronik mechanisch und elektrisch verbindet. Der Schlitz in der Trennwand kann dabei Dichtmittel, z.B. ein Elastomer aufweisen. Die vorstehend beschriebene Ausnehmung in der Leiterplatte ist dabei so geformt, dass die Trennwand beim Einschieben der Leiterplatte in das Gehäuse in diese Ausnehmung der Leiterplatte eintaucht. Nach dem vollständigen Einschieben der Leiterplatte befinden sich die Kontaktstellen der Leiterplatte für die Kontaktierung der später einzubringenden Eingangsanschlussbolzen dann in dem entsprechenden Abschnitt innerhalb des zentralen Doms des Gehäuses.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass außenseitig vor der Trennwand ein Blendenteil im Aus- gangsanschlussbereich zwischen dem dortigen Abschnitt der Leiterplatte und den randseitig an der Leiterplatte angebrachten Niedervolt- Ausgangsanschlüssen und gegebenenfalls weiteren Hilfsenergieanschlüssen, Bedienelementen und/oder Signalisierungselementen angeordnet ist. Dieses Blendenteil dient zur Abdeckung des hinter den Ausgangs- und Hilfsener- gieklemmen sowie Bedien- und Signalisierungselementen gelegenen Leiterplattenbereichs und kann als Sichtblende und Berührungsschutz wirken. Außerdem kann es als Beschriftungsbereich sowie als optische Blende für Signalisierungsmittel wie z.B. LEDs dienen. Ferner kann das Blendenteil als Führungselement für Prüf-und Abgleichkontakte oder Diagnosekontak- te dienen, die z.B. bei einer Werkskonfiguration bzw. bei einem Werksab- gleich verwendet werden können.

Zu guter letzt ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass der Ausgangsanschlussbereich z.B. mit den Ausgangsklemmen und Hilfsenergieklemmen sowie möglichen Bedien- und Signalisierungsele- menten durch eine Schutzkappe vor unmittelbarer Verschmutzung und Spritzwasser geschützt ist. Diese Schutzkappe kann transparent ausgeführt sein, um Signalisierungs- und Bedienelemente auch von außen einsehen zu können. Außerdem sind die Ausgangsklemmen und Hilfsenergieklemmen sowie mögliche Bedien- und Signalisierungselemente dann nur nach Entfernen der Schutzkappe manipulierbar.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 perspektivische Ansichten eines Hochvolt-Messumformers aus zwei unterschiedlichen Richtungen,

Fig. 3 bis 6 Ansichten des Messumformers aus den Pfeilrichtungen

III bis VI gemäß Fig. 1 ,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des Messumformers gemäß Fig. 1 bei abgenommener Schutzkappe für den Ausgangsanschlussbereich,

Fig. 8 eine Ansicht der Schmalseite des Messumformers gemäß Pfeilrichtung VIII nach Fig. 7,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Messumformers ohne

Schutzkappe über den Ausgangsanschlussbereichen und bei abgenommener Schutzhaube für den Eingangsanschlussbereich, Fig. 10 und 1 1 Seitenansichten des Messumformers aus Pfeilrichtung X und XI gemäß Fig. 9, und Fig. 12 bis 14 Schnittdarstellungen des Messumformers gemäß den

Schnittlinien XII-XII, XIII-XIII und XIV-XIV gemäß Fig. 10 und 1 1, sowie eine perspektivische Darstellung eines Messumformers gemäß der US 2010/0007358 AI .

Wie aus den Fig. 1 bis 6 deutlich wird, weist der Messumformer für die Hochvolt-Messtechnik ein Gehäuse 1 aus einem üblichen isolierenden Werkstoff auf, das eine quaderförmige Grundkontur zeigt. Dabei ist eine Hochkant-Bauform gewählt, bei der der Boden 2 des Gehäuses 1 (ohne die Befestigungsaugen 3 zur Montage) eine gegenüber der Länge L deutlich geringere Breite B aufweist. So liegt das Breiten-Längen- Verhältnis des Bodens 2 und damit des Gehäuses 1 bei etwa 1 :2,3. Die Höhe H des Gehäuses 1 ist demgegenüber deutlich größer als die Breite B. So liegt im ge- zeigten Fall das Breiten-Höhen- Verhältnis bei etwa 1 : 1 ,7.

Aufgrund der Quaderform weist das Gehäuse 1 grundsätzlich neben der vom Boden 2 gebildeten Bodenfläche einander abgewandte Breitseitenwände 4, 5, zwei einander abgewandte Schmalseitenwände 6, 7 und eine Deckwand 8 auf. Durch die eine Schmalseitenwand 6 werden die beiden Hochvolt- Anschlussleitungen 9, 10 für den Messumformer hindurchgeführt. Auf der gegenüberliegenden Schmalseitenwand 7 ist der Ausgangsanschlussbereich 1 1 angeordnet, in dem, wie insbesondere aus den Fig. 7 und 8 deutlich wird, Ausgangsklemmen 12 für Niedervoltsignale, wie Nieder- voltmess- oder Hilfssignale (etwa in Form eines Fehlersignals), Hilfsener- gieklemmen 13 sowie Bedien- und Signalisierungselemente 14, beispielsweise in Form von Drehschaltern, Tastern, Kippschaltern oder DIP- Schaltern und LEDs, angeordnet sind.

Das Gehäuse 1 selbst ist in einen Gehäusesockel 15 und einer einen Teil der Deckwand 8 und der beiden Breitseitenwände 4, 5 einnehmenden, vom Gehäusesockel 15 abnehmbaren Schutzhaube 16 gegliedert. Letztere kann über Schrauben 17, beispielsweise unter Verwendung von Siegelplomben, auf dem Gehäuse gesichert sein. Zur Abdichtung des Gehäuseinnenraumes sind dabei in der Schutzhaube 16 umlaufende Elastomerelemente (nicht gezeigt) als Dichtelemente vorgesehen, die mit entsprechenden Dichtkanten 19 am haubenseitigen Rand 18 des Gehäusesockels 15 zusammenwirken.

Die in Fig. 1 bis 4 und 6 gezeigte Schutzkappe 20 an der Schmalseiten- wand 7 des Gehäuses 1 dient zur Abdeckung des Ausgangsanschlussbereiches und der dort angeordneten Elemente. Auch die Schutzkappe 20 kann durch entsprechende Schrauben 21 am Gehäusesockel befestigt werden, wobei nicht näher gezeigte Rastelemente die Montage und Fixierung unterstützen können.

Während der eine Schwerpunkt der Erfindung, nämlich die Hochkant- Bauform des Gehäuses 1 in seiner Grundkontur, aus den Fig. 1 bis 6 deutlich wird, kann der zweite Schwerpunkt, nämlich die Maßnahmen zur Optimierung der elektrischen Isolationseigenschaften, anhand der Fig. 9 bis 14 erläutert werden. So ist innerhalb des Gehäuses 1 ein einstückig mit dem Gehäusesockel 15 ausgebildeter, zentral angeordneter Dom 22 vorgesehen, der zum Boden 2 hin nach unten offen ausgebildet ist. Die den Breitseitenwänden 4, 5 des Gehäuses 1 gegenüberliegenden Seitenwände 23, 24 des Doms dienen in erster Linie zur Aufnahme und Fixierung der in diesen Seitenwänden 23, 24 eingepressten, bolzenförmigen Eingangsanschlüssen 25, 26 des Messumformers. Die Eingangsanschlüsse 25, 26 sind also an einander abgewandten Außenseiten 27, 28 der Seitenwände 23, 24 des Doms 22 innerhalb der Grundkontur des Gehäuses 1 angeordnet, so dass darüber noch die Schutzhaube 16 gesteckt werden kann.

Zwischen den Seitenwänden 23, 24 ist, wie den Schnittdarstellungen gemäß Fig. 12 bis 14 entnehmbar ist, eine die als Ganzes mit 29 bezeichnete Messumformerschaltung tragende Leiterplatte 30 von unten über entspre- chende Führungen 31 eingeschoben und durch die danach aufgesetzte Bodenplatte 2 im Gehäuse 1 fixiert. Die Anbindung der bolzenförmigen Eingangsanschlüsse 25, 26 an entsprechende Kontaktflächen K der Messumformerschaltung 29 auf der Leiterplatte 30 erfolgt nach dem Positionieren der Leiterplatte 30 beim Einpressen, wobei gleichzeitig die Eingangsan- Schlüsse 25, 26 in Kontakt mit diesen Kontaktflächen K gebracht werden.

Wie aus Fig. 9 bis 14 ferner deutlich wird, sind die äußeren Enden der Eingangsanschlüsse 25, 26 als Gewindestifte 32, 33 ausgebildet, auf die entsprechende Kabelschuhe 34, 35 der Hochvolt- Anschlussleitungen 9, 10 aufgesetzt und verschraubt werden können. Die Anschlussleitungen 9, 10 selbst sind, wie insbesondere aus Fig. 9 deutlich wird, durch jeweils seitlich neben dem Dom 22 in der vertikalen Schmalseitenwand 6 des Gehäusesockels 15 angeordnete Durchführungsöffnungen 36, 37 geführt, die jeweils als quer zur Durchführungsrichtung D nach oben offene Aussparun- - lö gen ausgeführt sind. Dadurch können die Anschlussleitungen 9, 10 der in Fig. 9 gezeigten Konfiguration auf sehr einfache Weise - ggf. unter Einbindung von Tüllen 48 als Abdichtung und Knickschutz - in die Durchführungsöffnungen 36, 37 eingelegt und ihre Kabelschuhe 34, 35 mit den Ein- gangsanschlüssen 25, 26 verschraubt werden. Dies vereinfacht die Montage erheblich, führt aber auch zu einer genau definierten Lage der An- schlussleitungen 9, 10.

Wie ferner aus Fig. 9 hervorgeht, ist die Zone an den Seitenwänden 23, 24 des Doms 22 um die Eingangsanschlüsse 25, 26 herum mit einer gebogen verlaufenden Rippenpro filierung 38 versehen, wodurch sich eine Erhöhung der Kriechstrecke zwischen den beiden Eingangsanschlüssen 25, 26 ergibt. Dem gleichen Zweck dienen die am oberen Rand des Doms 25 oberhalb der Eingangsanschlüsse 25, 26 auskragenden, vordachartig geformten Iso- lationsdächer 39, 40 und die neben den Eingangsanschlüssen 25, 26 auf der Seite zum Ausgangsanschlussbereich 1 1 hin verlaufenden Isolationsstege 41, 42. Auch hier sind wieder oberflächliche Rippenprofilierungen 43 zur Kriechstreckenverlängerung vorgesehen. Wie insbesondere aus Fig. 14 hervorgeht, ist die Leiterplatte 30 mit ihrer Messumformerschaltung 29 einstückig ausgebildet und bis in den Ausgangsanschlussbereich 1 1 fortgesetzt, wo die entsprechenden Klemmen 12, 13 sowie Bedien- und Signalisierungselemente 14 angebunden sind. Zwischen der eigentlichen Messumformerschaltung 29 und diesem Ausgangs- anschlussbereich 1 1 ist das Gehäuse 1 allerdings durch eine Trennwand 44 separiert, wobei in den Zeichnungen aufgrund der Schnittlagen nicht näher erkennbare, sich wechselseitig in vertikaler Richtung fortsetzende Schlitze in Leiterplatte 30 und Trennwand 44 dafür sorgen, dass die Leiterplatte 30 von unten in das Gehäuse eingeschoben und sich über diese Trennwand 44 hinwegerstrecken kann. Durch geeignete Dichtmittel, wie Elastomer-Dichtleisten, können diese Schlitze hermetisch abgedichtet werden. Damit ist es dann auch möglich, dass vor dem Einsetzen der eigentlichen Bodenplatte 50 in den umlaufenden Bodenfuß 51 des Gehäusesockels 15 der Innenraum des Doms 22 durch eine in Fig. 12 und 13 durch breite Schraffierung angedeutete Vergussmasse 45 vakuumvergossen wird. Damit ist insbesondere die Messumformerschaltung 29 im Innenraum 46 des Doms 22 versiegelt.

Um den in den Ausgangsanschlussbereich 1 1 ragenden Teil der Leiterplatte 30 vor Berührung zu schützen, ist schließlich außenseitig vor der Trennwand 44 ein Blendenteil 47 im Ausgangsanschlussbereich 1 1 zwischen dem dortigen Abschnitt der Leiterplatte 30 und den randseitig an der Leiterplatte angebrachten Klemmen 12, 13 sowie Bedien- und Signalisie- rungselementen 14 angeordnet.

Der Hochspannungsmessumformer ist z.B. mittels fester Schraubverbindung über die vier seitlich angebrachten Befestigungsaugen 3 oder der unten am Boden 2 angeordneten Hutschienenhaltevorrichtung 49 und einer mit dieser zusammenwirkenden Hutschiene auf einer Montagefläche mon- tierbar.

Zusammenfassend wurde der erfindungsgemäße Hochspannungsmessumformer insbesondere für die Anwendung in der Bahntechnik konzipiert. Er erfüllt die Anforderungen an die Isolationsfestigkeit für Bahnanwendun- gen, wie sie insbesondere in der EN50124-1 festgelegt sind. Daneben erfüllt der Hochspannungsmessumformer auch die Isolationsanforderungen der EN 50178 (Ausrüstung von Starkstromanlagen) der UL347 (Medium- Voltage AC Contactors, Controllers, and Control Centers) und der EN 61010-1 (Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte). Die Kriech- und Luftstrecken sowie feste Isolation sind so ausgeführt, dass auch unter rauen Umweltbedingungen, wie Feuchte, Staub, Verschmutzung und Überspannungsereignissen z.B. durch Blitzeinwirkung ein sicherer Anlagen- und Personenschutz erreicht wird. Der Hochspannungsmessumformer kann bei Potentialen und Messspannungen bis ca. 5000 V eingesetzt werden. Neben weiteren möglichen Einsatzbereichen ist der Hochspannungsmessumformer zur Fahrstromüberwachung in DC-Bahnstromversorgungen, zur präzisen Abbildung des Stromverlaufs zur Kurzschlusserkennung, zur Überwachung von Traktionsumrichtern bzw. der Fahrmotoren, Hilfsbetriebsumrichtern und Akkumulatorbatterien einsetzbar. Aus den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten resultieren hohe Anforderungen an die Funktionalität, an die Gehäusekonstruktion, an die Gehäusematerialien und an die elektromechanischen und -elektronischen Komponenten.

Claims

Patentansprüche

1. Messumformer für die Hochvolt-Messtechnik, umfassend

- ein Gehäuse (1) mit einer quaderförmigen Grundkontur,

- am Gehäuse (1) angeordnete, Eingangs-Messsignale im Hochvolt- Bereich führende Eingangsanschlüsse (25, 26),

- am Gehäuse (1) angeordnete, Ausgangssignale im Niedervolt- Bereich führende Ausgangsanschlüsse (12, 13),

- eine im Gehäuse (1) angeordnete, auf mindestens einer Leiterplatte (30) implementierte Messumformerschaltung (29), die mit den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen (12, 13, 25, 26) kontaktverbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die quaderförmige Grundkontur des Gehäuses (1) als Hochkant- Bauform mit einer gegenüber der Länge (L) der Bodenfläche (2) kürzeren Breite (B) und einer Höhe (H) ausgelegt ist, die größer als die Breite (B) ist,

- die Leiterplatte (30) mit der Messumformerschaltung (29) hochkant zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden (23, 24) eines im Ge- häuse (1) angelegten, isolierenden Doms (22) angeordnet ist, und

- die Eingangsanschlüsse (25, 26)

= einander abgewandt an den Außenseiten (27, 28) der Seitenwände (23, 24) innerhalb der Grundkontur des Gehäuses (1) angeordnet sind, sowie

= die jeweilige Seitenwand (23, 24) des Doms (22) durchgreifend mit Kontaktelementen (K) der Messumformerschaltung (29) auf der Leiterplatte (30) in Kontakt stehen.

2. Messumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das

Verhältnis von Breite (B) zu Länge (L) des Gehäuses (1) zwischen 1 :2 und 1 :3 und/oder das Verhältnis von Breite (B) zu Höhe (H) des Gehäuses (1) zwischen 1 : 1,5 und 1 :2,5 liegen.

3. Messumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsanschlüsse (25, 26) durch eine ein Teil des Gehäuses (1) bildende, abnehmbare Schutzhaube (16) abgedeckt sind, die am restlichen Gehäusesockel (15) vorzugsweise unter Einschluss von Dich- telementen (19) befestigt ist.

4. Messumformer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) jeweils seitlich neben dem Dom (22) vorzugsweise in einer vertikalen Seitenwand (6) jeweils eine Durchführungsöffnung (36, 37) zur Durchführung einer eingangsseiti- gen Hochvolt- Anschlussleitung (9, 10) zu den Eingangsanschlüssen (25, 26) angeordnet ist.

5. Messumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführungsöffnungen (36, 37) im der Schutzhaube (16) zugewandten Rand des Gehäusesockels (15) als quer zur Durchführungsrichtung (D) der Hochvolt- Anschlussleitungen (9, 10) offene Aussparung angelegt sind.

6. Messumformer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Dom (22) oberhalb der Eingangsanschlüsse (25, 26) auskragende Isolationsdächer (39, 40) und/oder neben den Eingangsanschlüssen (25, 26) verlaufende Isolationsstege (41, 42) ange- ordnet sind.

7. Messumformer nach einem der vorgenannten Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Eingangsan- Schlüssen (25, 26) zugewandten Oberflächenbereiche des Doms (22) und - falls vorhanden - die Isolationsdächer (39, 40) mit einer oberflächlichen ippenprofilierung (38, 43) versehen sind.

8. Messumformer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Eingangsanschlüsse (25, 26) als Anschlussbolzen ausgebildet sind, die jeweils in den Seitenwänden (23, 24) des Doms (22) eingepresst gehalten und durch den Einpress Vorgang mit elektrischen Kontaktflächen (K) der Messumformerschaltung (29) auf der Leiterplatte (30) elektrisch leitfähig verbunden sind.

9. Messumformer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Außenseite, vorzugsweise einer Schmalseite (7) des Gehäuses (1) ein Ausgangsanschlussbereich (1 1) vorgesehen ist, der von der Hochvolt-beaufschlagten Messumformerschaltung (29) durch eine Trennwand (44) im Gehäuse (1) separiert ist und in dem die Niedervolt- Ausgangsanschlüsse (12) und gegebenenfalls weitere Hilfsenergieanschlüsse (13), Bedien- und/oder Signalelemente (14) angeordnet sind.

10. Messumformer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (46) des Doms (22) mit der Messumformerschaltung (29) durch einen Verguss (45) versiegelt ist.

1 1. Messumformer mindestens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trennwand (44) ein zum Boden (2) des Gehäuses (1) offener, vorzugsweise abdichtbarer Schlitz zum Durchtritt der vorzugsweise einstückig ausgebildeten Leiterplatte (30) sowie in der Lei- terplatte (30) in Verlängerung des Schlitzes eine zu ihrer vom Boden (2) abgewandten Oberkante offene, vorzugsweise abdichtbare Ausnehmung zum Durchtritt der Trennwand (44) vorgesehen sind.

12. Messumformer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass außenseitig vor der Trennwand (44) ein Blendenteil (47) im Ausgangsanschlussbereich (1 1) zwischen dem dortigen Abschnitt der Leiterplatte (30) und den randseitig an der Leiterplatte (30) angebrachten Niedervolt- Ausgangsanschlüssen (12) und gegebenenfalls weiteren Hilfsenergieanschlüssen (13), Bedien- und/oder Signalisierungselemen- ten ( 14) angeordnet ist.

13. Messumformer nach einem der Ansprüche9 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsanschlussbereich (1 1) durch eine vom Gehäuse (1) abnehmbare, vorzugsweise transparente Schutzkappe (20) ab- gedeckt ist.