SE515103C2 - Aktivt sugtransformatorsystem samt användning av ett sådant - Google Patents

Description

20 25 30 515 103 kan dels gå via nolledaren ln som det är tänkt, dels via skyddsjorden lv och vattenledningen till transformatorns jordpunkt. Om det går ström i vattenledningen alstras det ett magnetfält kring den, men även kring elledningen, då det felar återgångsström, varför magnetfälten fràn elledningen inte längre tar ut varandra. Nettoströmmen i ledningen blir lika stor som lv. Ofta mäter man upp till tiotals ampere i vatten-, gas-, värmeledningar m.m. i hus som har sådana installationer. Då dessa vagabonderande strömmar fortsätter i ledningar under mark får vi även yttre magnetiska fält från dessa ledningar. Det är också vanligt att det går vagabonderande strömmar i datanäten vilket, förutom att alstra magnetfält, ger kommunikationsproblem. Bildskärmsarbete omöjliggörs i rum med förhöjningar över 0,5-1 pT p.g.a. störd bild.

Det bästa sättet att undvika magnetiska fält från vagabonderande strömmar är att installera ett femledarsystem. Här är skyddsjordledaren separerad från nolledaren, varför àtergångsströmmen inte har nàgot val, utan tvingas ta den rätta vägen via elkabeln tillbaka till transformatorn. installation av femledarsystem leder till låga magnetfält i husen och mindre risk för problem med datakommunikation. l sjukhus har det länge varit obligatoriskt med femledarsystem. Byggnadsstyrelsen och andra framsynta fastighetsförvaltare installerar femledarsystem som standard vid nybyggnation, då detta innebär en mycket liten extrakostnad. I befintliga hus kan det vara betydligt mer kostsamt att byta till femledarsystem, då det inte endast är husets elinstallationer som berörs utan även kabeln till elverkets nätstation som behöver bytas till femledare.

I mindre hus som villor kan man ofta hejda de vagabonderande strömmarna genom att bryta upp den alternativa strömvägen, t.ex. genom att byta ut en kort sektion av en metallisk vatten-, gas- eller värmeledning mot ett plaströr. l större hus är detta ingen framkomlig väg. 10 15 20 25 30 515 103 Ett kostnadseffektivt alternativ till att byta till femledarsystem är att i fyrledarsystemet installera en eller flera sugtransformatorer, se figur 2.

Sugtransformatorns princip har under lång tid använts inom den elektrifierade järnvägen för att undvika att ström läcker ut i omgivande mark och ledningssystem. Genom elektromagnetisk induktion tvingas huvuddelen av fasobalansströmmen (I) att gå genom nolledaren och därmed minskas den vagabonderande strömmen (IV). Verkningssättet kan beskrivas som att nettoströmmen (=lv) i kabeln gör att det skapas ett magnetiskt flöde i sugtransformatorn. Flödet inducerar i sin tur en spänning i kabelns alla ledare. Den inducerade spänningen motverkar den potentialskillnad mellan PEN-ledarens båda ändar som beror på dess driftström och resistans.

Därmed minskar den potentialskillnad som driver den vagabonderande strömmen. Dessa sugtransformatorer kan utgöras av ihåliga järnkärnor som monteras direkt på kabeln och där bildar en envarvig transformator med kabelns fyra ledare som lindningar.

En av bristerna med denna teknik är att det krävs en resterande vagabonderande ström (lv) för att det ska bildas ett magnetiskt flöde i cylindern. Därför kan man inte med denna teknik helt eliminera den vagabonderande strömmen utan bara minska den. l vissa situationer är det önskvärt med en mycket liten resterande vagabonderande ström. Då krävs en mycket stor sugtransformator, vilket blir kostsamt och svàrhanterligt.

Ovanstående problem har lösts genom att sugtransformatorn förses med en lindning. Denna ansluts till en förstärkare som styrs av den vagabonderande strömmen. Förstärkaren matar lindningen med en ström som skapar ett magnetiskt flöde i sugtransformatorn. Flödet inducerar in i kabeln en längsspänning (Common Mode-spänning) som motverkar den vagabonderande strömmen, utan att den vagabonderande strömmen i sig själv behöver vara stor nog för att skapa det nödvändiga magnetiska flödet.

Därigenom kan den vagabonderande strömmen genom en sugtransformator minskas ytterligare utan att den görs större. 10 15 20 25 30 515 103 UPPFINNINGENS ÄNDAMÅL OCH VIKTIGASTE KÄNNETECKEN Ändamålet med uppfinningen är att öka det magnetiska flödet hos de anordningar av magnetiskt material som beskrivs ovan och därigenom åstadkomma en effektivare minskning av den vagabonderande strömmen.

Detta uppnås genom att en ström 'matas till en ledare som lindats runt sugtransformatorn, se figur 3. Denna ström skapar ett magnetiskt flöde i sugtransformatorn. Flödet inducerar in i kabeln en längsspänning (Common Mode-spänning) som motverkar den vagabonderande strömmen, utan att den vagabonderande strömmen i sig själv behöver vara stor nog för att skapa det nödvändiga magnetiska flödet.

Strömmen i ledaren alstras genom att ledaren ansluts till utgången på en förstärkare vars utgàngsspänning eller utgångsström styrs så att denna är en avbildning av den resterande vagabonderande strömmen. l det första fallet transformeras till kabeln en nettospänning som motverakr den spänning som driver den vagabonderande strömmen. Detta görs med förstärkare med låg utgàngsimpedans. d.v.s. utgàngsspänningen är i stort sett oberoende av utgångsströmmen. l det andra fallet matas sugtransformatorn med en förstärkt avbildning av den vagabonderande strömmen, vilket gör att det krävs en mindre resterande vagabonderande ström för att få tillräckligt stort magnetiskt flöde i sugtransformatorn för att den vagabonderande strömmen ska motverkas. Detta förutsätter att förstärkaren har hög utgàngsimpedans. d.v.s. utgångsströmmen är i stort sett oberoende av utgångsspänningen. Även förstärkare med måttlig utgångsimpedans kan användas, verkningssättet hos systemet blir då en kombination av de båda ovanstående.

Strömavbildningen uppnås med en sensor för den vagabonderande strömmen. Den monteras på samma kabel som den till förstärkaren anslutna sugrransformatorn. (Det är även teoretiskt möjligt att mäta strömmen på själva sigtransformatorn.) Sugtransformatorn, elsystemet, strömsensorn och 10 15 20 25 30 515 103 förstärkaren utgör tillsammans ett återkopplat system, som regleras till minsta möjliga vagabonderande ström.

Uppfinningen är inte begränsad till enbart sugtransformatorer monterade på kablar, utan kan användas i alla sammanhang där man önskar reducera nettoströmmen genom en ihàlig jäfnkärna. Således kan den användas tillsammans med sugtransformatorer på kabelstegar, rör eller andra ledande föremål, där man vill ha en effektiv minskning av nettoströmmen.

FIGURTEXTER Figur 1 Schematisk bild av ett 4-ledarsystem Figur2 Schematisk bild av ett 4-ledarsystem med en sugtransformator monterad.

Figur3 Figur 4 Schematisk bild av en kabel med sugtransformator och förstärkare Förenklat schema på en prototyp av uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur 4 är ett förenklat kopplingsschema på en fungerande prototyp av den förstärkaranordning som patentet avser. Förstärkaren har hög utgångsimpedans och matar sugtransformatorn med en förstärkt avbildning av den vagabonderande strömmen i kabeln.

På en kabel 1 sitter en järnkärna 2 uppbyggd av laminerad orienterad transformatorplåt. Kärnan har en tvärsnittsarea pà ca 1 cm2. Kärnan är försedd med en lindning 3 bestående av ca 100 varv tunn lackerad koppartråd. I denna induceras en spänning som är proportionell mot tidsderivatan av den nettoström I., som gär i kabeln 1. Spänningen från lindningen förstärks i en variabel ingångsförstärkare 4.

Signalen omvandlas till en avbildning av strömmen i kabeln 1 i integratorsteget 5. Detta steg fungerar samtidigt som ett första ordningens högpassfilter för strömsignalen. Gränsfrekvensen är ca 30 Hz. Signalen 10 15 20 25 30 515 103 6 filtreras sedan i ett första ordningens lågpassfilter med gränsfrekvensen 150 Hz. lntegratorns filterfunktion ihop med lågpassfiltret fungerar som ett bandpassfilter 6 för signalen mellan ingången 4 och slutsteget 7-8. Eftersom bandpassfiitret sänker förstärkningen kraftigt vid låga och höga frekvenser, och där endast ger en fasförskjutning på 90°, gör denna koppling att den innan totala open-loop-förstärkningen kan vara större än 10 ggr fasmarginalen blir så liten att systemet blir instabilt.

Slutsteget hos förstärkaren består av en högeffekts operationsförstärkare 7 för audiobruk. Dess utgång är ansluten till ena änden hos lindningen 9, som sitter på sugtransformatorn 10. Lindningens andra ände är kopplad till jord via en resistor 8 på ca 1 Q. Då operationsförstärkarens inverterande (-) ingång är kopplad till denna resistor kommer utströmmen att styras så att den blir proportionell mot signalen från filterdelen till operationsförstärkarens icke- inverterande ingång (+). Utströmmen är begränsad till knappt 1 A genom att signalen från filterdelen begränsas av två parallella motkopplade kiseldioder som sitter mellan operationsförstärkarens icke-inverterande ingång och jord.

Lindningen 9 består av 24 varv isolerad kopplingstråd virad på sugtransformatorn 10 som sitter på kabeln 1. l prototypen ingår även kretsar för funktionsindikering och strömförsörjning.

Prototypen justeras in genom att förstärkningen hos ingångsförstärkaren 4 höjs så långt det går utan att systemet blir instabilt och självsvänger. Ju högre förstärkning, desto mindre vagabonderande ström. Man måste kontrollera att polariteten är rätt så att det återkopplade systemet inte blir självförstärkande och i stället ökar den vagabonderande strömmen.

Claims (8)

10 15 20 25 30 515 103 PATENTKRAV.

1. Aktivt sugtransformatorsystem med en sugtransformatorkärna (10) av det runt en elektrisk kabel (1) vagabonderande strömmar, där sugtransformatorkärnan (10) är en av slag som anbringas för att reducera magnetiserbart material uppbyggd kropp försedd med en genomgående kanal, avsedd att uppta kabeln, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att systemet innefattar en strömsensor (2,3), som känner av nettoströmmen i kabeln (1), en förstärkarenhet (4-7) vars insignal kommer från strömsensorn (2,3) samt en på sugtransformatorkärnan (10) belägen magnetiseringslindning (9), varvid förstärkarenhetens utgång är anordnad att driva magnetiseringslindningen (9) och därigenom skapa ett magnetiskt flöde i sugtransformatorkärnan (10), vilket flöde i sin tur i kabeln (1) inducerar en längsspänning som motverkar den vagabonderande strömmen.

2. Aktivt sugtransformatorsystem enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n at d ä r a v, att förstärkarenheten (4-7) är uppbyggd så att dess till magnetiseringslindningen (9) kopplade utgång uppvisar en utgångsspänning som är en avbildning av den via sensorn (2,3) avkända, resterande förstärkarenheten har en låg vagabonderande strömmen, dvs. utgångsimpedans.

3. Aktivt sugtransformatorsystem enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n at d ä r a v, att förstärkarenheten (4-7)är uppbyggd så att dess till magnetiseringslindningen (9) kopplade utgång uppvisar en utgångsström som är en avbildning av den via sensorn (2,3) avkända, vagabonderande strömmen, dvs förstärkarenheten har en hög utgångsimpedans.

4. Aktivt sugtransformatorsystem enligt kravet något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att sensorn (2,3) är anordnad vid samma kabel som sugtransformatorn (9,10). 10 15 20 25 30 515 103

5. Aktivt sugtransformatorsystem enligt något av kraven 1-3, k ä n n e - t e c k n a t d ä r a v, att som sensor användes en avkännare som detekterar magnetflödet i sugtransformatorn (1 O).

6. Aktivt sugtransformatorsystem enligt något av kraven 1-5, varvid som givare användes en givartyp (2,3) vars utsignal är proportionell mot derivatan av strömmen, k ä n n e t e c k n at d ä r a v, att förstärkarenheten innefattar ett justerbart förförstärkarsteg (4), ett integratorsteg (5), ett bandpassfiltersteg (6) och ett slutsteg (7).

7. Användning av ett sugtransformatorsystem enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att sugtransformatorns käma är anbringad på flera kablar.

8. Användning av ett sugtransformatorsystem enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att sugtransformatorns kärna (10) är anbringad på den strömbana som leder en vagabonderande ström dvs exempelvis en vattenledning, kabelstege eller annat elektriskt ledande föremål.