DE4215900C1 - Anordnung zum Erfassen von Differenzströmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erfassen von Differenzströmen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anordnung ist aus der DE-OS 20 59 054 bekannt.

Bei dieser bekannten Anordnung sind vier Stromleiter eines dreiphasigen Leitungsabzweigs durch den magnetischen Kern eines Summenstromwandlers hindurchgeführt, und dieser Kern ist mit zwei diametral zueinander angeordneten Spal­ ten versehen. In einem der beiden Spalte ist zur Messung des Magnetfeldes innerhalb dieses Spaltes eine Magnetfeld­ sonde angeordnet, vorzugsweise ein magnetfeldabhängiger Widerstand wie beispielsweise ein Hallgenerator, eine Feldplatte oder auch ein Magnettransistor. Ist nun der Summenstrom aller in den Stromleitern fließenden Ströme nicht null, so wird in dem Spalt ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld wird von der Magnetfeldsonde detektiert. Der andere Spalt ist mit einem magnetisch gut leitenden Werkstoff, beispielsweise Mu-Metall, ausgefüllt. Eine solche Anordnung ist zum Erfassen von glatten Gleichfeh­ lerströmen wie auch Wechselfehlerströmen und pulsierenden Gleichfehlerströmen geeignet (DE-OS-20 59 054). Das Ma­ gnetfeld im Spalt mit der Magnetfeldsonde hängt jedoch stark vom Abstand zwischen dem Spalt und den verschiedenen Leitern ab, so daß auch bei Summenstrom Null ein Magnet­ feld vor allem von den dem Spalt am nächsten liegenden Leitern im Spalt erzeugt wird.

Es ist auch ein Summenstromwandler mit einem geschlossenen magnetischen Ringkern bekannt. Durch den Ringkern sind vier Primärstromleiter geführt, und um den Ringkern ist eine Sekundärwicklung gewickelt zum induktiven Erfassen des Summenstroms aller vier Primärstromleiter. Zur Ver­ meidung von Summationsfehlern wegen lokaler Sättigung des Ringkerns durch zu starke Nahfelder der Primärstromleiter können die Primärstromleiter koaxial zueinander angeordnet werden, oder es wird eine magnetische Abschirmung für die Primärstromleiter vorgesehen. Diese Abschirmung verringert auch die Empfindlichkeit auf fremde Störfelder ("Bulletin des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins und des Verbandes Schweizerischer Elektrizitätswerke", Band 70 (1979), Nr. 5, Seiten 213 bis 218).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die aus DE-OS 20 59 054 bekannte Anordnung zum Erfassen sowohl von Wechseldifferenzströmen und pulsierenden Gleichdifferenz­ strömen als auch von glatten Gleichdifferenzströmen zu verbessern. Es soll eine Anordnung für eine Gleich- oder Wechselstromversorgung mit wenigstens drei Stromleitern angegeben werden, die insbesondere bei einem hohen Nenn­ strom und einem hohen elektromagnetischen Störpegel be­ trieben werden sowie auch kleine Differenzströme erfassen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkma­ len des Anspruchs 1. Der Ringkern eines Summenstromwand­ lers ist mit zwei Spalten mit einer gemeinsamen Symmetrie­ achse versehen, in denen jeweils wenigstens ein Magnetfeld­ sensor angeordnet ist. Die durch den Ringkern geführten wenigstens drei Stromleiter L_j werden symmetrisch derart angeordnet, daß sich die von den in den Stromleitern L_j fließenden Strömen erzeugten Magnetfelder in jedem Spalt dann wenigstens annähernd kompensieren, wenn die Summe dieser Ströme null ist. Die Symmetrie einer solchen Leiteranord­ nung ist insbesondere abhängig von der Zahl n_j der Teil­ leiter Ln_j je Stromleiter L_j.

Es sind folgende Fälle der Symmetrie möglich:

• i) Die Stromschwerpunkte von jeweils zwei Teilleitern eines Stromleiters sind im Querschnitt spiegelsym­ metrisch zur Symmetrieachse des Spaltes angeordnet und ihr gemeinsamer Stromschwerpunkt liegt im Mit­ telpunkt des Ringkerns.
• ii) Die Stromschwerpunkte von jeweils zwei Teilleitern eines Stromleiters sind im Querschnitt auf der Symmetrieachse angeordnet und der gemeinsame Strom­ schwerpunkt dieser beiden Teilleiter liegt im Mit­ telpunkt des Ringkerns.
• iii) Der Stromschwerpunkt wenigstens eines Teilleiters eines Stromleiters liegt im Querschnitt im Mittel­ punkt des Ringkernquerschnittes und eine gegebenen­ falls verbleibende geradzahlige Anzahl von Teil­ leitern dieses Stromleiters wird so symmetrisch angeordnet wie im Fall (i) oder im Fall (ii).
• iv) Die Teilleiter aller Stromleiter sind im Querschnitt als konzentrische Kreisringe um den Mittelpunkt des Ringkerns ausgebildet.
• v) Die Stromschwerpunkte einer geradzahligen Anzahl von Teilleitern eines ersten Stromleiters sind paarweise punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des Querschnitts des Ringkerns angeordnet, und jedem dieser Teil­ leiter ist genau ein Teilleiter eines zweiten Strom­ leiters spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse zuge­ ordnet.

Der Querschnitt ist dabei als ein Schnitt durch den Sum­ menstromwandler definiert in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse des Ringkerns, und der Mittelpunkt des Quer­ schnitts des Ringkerns ist definiert als Schnittpunkt dieser Ebene mit der Mittelachse des Ringkerns.

In jedem der fünf Fälle und in möglichen Mischformen dieser Fälle wird eine Symmetrierung der Magnetfeld­ linien erreicht, die zur gegenseitigen Kompensation der Magnetfelder in jedem Spalt führt, wenn die Summe der diese Magnetfelder induzierenden Ströme in allen Strom­ leitern null ist.

Ein Vorteil dieser Ausführungsformen mit zwei Spalten ist die Unterdrückung von äußeren Störmagnetfeldern bei der Auswertung der Meßsignale der beiden Magnetfeldsensoren.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen eine im Quer­ schnitt vorzugsweise ringförmige Abschirmung vorgesehen, die alle Stromleiter umschließt. Diese Abschirmung bewirkt auch eine zusätzliche Symmetrierung der Magnetfeldlinien zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Leiteranordnung.

Die Symmetrierung der Magnetfeldlinien konnte durch numerische Berechnungen mit Hilfe einer Finite-Elemente- Methode gezeigt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­ nung Bezug genommen, in deren Figuren Ausführungsformen gemäß der Erfindung schematisch dargestellt sind.

Fig. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele mit einem Spalt im Ringkern für einen vierphasigen Leitungsabzweig.

Fig. 6 ist eine Darstellung eines vierphasigen Summenstromwandlers mit zwei Spalten im Ringkern.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform mit einer konzentrischen Leiteranordnung im Querschnitt.

Der Ringkern des Summenstromwandlers kann auch in den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 5 mit zwei Spalten versehen sein, obwohl nur jeweils ein Spalt dargestellt ist.

Die Fig. 1 bis 7 zeigen Ausführungsformen für einen Dreh­ stromleitungsabzweig mit vier Stromleitern, nämlich den drei stromführenden Phasen L1, L2 und L3 und dem Nulleiter L4.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind für jeden Strom­ leiter L1 bis L4 jeweils vier Teilleiter 10A bis 10D bzw. 20A bis 20D bzw. 30A bis 30D bzw. 40A bis 40D vorgesehen. Jeweils zwei Teilleiter jedes Stromleiters, beispielsweise die Teilleiter 20A und 20D sowie 20B und 20C des Stromlei­ ters L2, sind bezüglich ihrer Stromschwerpunkte spiegel­ symmetrisch zur Symmetrieachse 8 des Spaltes 4 angeordnet. Bei den dargestellten, annähernd rechteckigen Querschnit­ ten der Teilleiter und einer homogenen Stromverteilung in den Teilleitern liegen die Stromschwerpunkte in den Mit­ telpunkten der Rechtecke, die sich als Schnittpunkte der Diagonalen ergeben. Die Stromschwerpunkte der Teilleiter der Stromleiter L2, L3 und L4 sind bezüglich ihrer Strom­ schwerpunkte außerdem paarweise punktsymmetrisch zum Mit­ telpunkt M des Ringkerns 2 auf verschiedenen Seiten der Mittelachse 8 angeordnet und bilden deshalb die Eckpunkte eines Rechtecks mit dem Mittelpunkt M. Die Stromschwer­ punkte der Teilleiter des Stromleiters 10 sind dagegen auf einer Achse 9 angeordnet, die durch den Mittelpunkt M ver­ läuft und orthogonal zur Symmetrieachse 8 ist. Somit liegt für jeden Stromleiter L1, L2, L3 und L4 der gemeinsame Stromschwerpunkt seiner Teilleiter 10A bis 10D, 20A bis 20D, 30A bis 30D bzw. 40A bis D im Mittelpunkt M.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Teilleiter 10A bis 10D, 20A bis 20D und 30A bis 30D der Stromphasen L1, L2 und L3 genauso angeordnet wie in der Ausführungs­ form gemäß Fig. 1, jedoch ist für den Nulleiter L4 nur ein einziger Leiter 40 vorgesehen, der im Querschnitt als Kreisscheibe mit Mittelpunkt M ausgebildet ist.

In Fig. 3 sind jeweils vier Teilleiter 10A bis 10D, 20A bis 20D und 30A bis 30D von drei Stromleitern L1, L2 und L3 sowie ein Leiter 40 des vierten Stromleiters L4 mit jeweils kreisscheibenförmigem Querschnitt dargestellt. Die Stromschwerpunkte der Teilleiter 10A bis 10D, 20A bis 20D und 30A bis 30D, die bei homogener Stromverteilung im Mittelpunkt ihrer Kreisquerschnitte liegen, sind auf einem Kreis um den Mittelpunkt M rings um den Nulleiter angeord­ net. Die Stromschwerpunkte der Teilleiter L1, L2 und L3 liegen paarweise spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse 8, beispielsweise die Teilleiter 30A und 30D sowie 30B und 30C des Stromleiters L3, und bilden die Eckpunkte eines Rechtecks, dessen Mittelpunkt als Schnittpunkt der Diago­ nalen mit dem Mittelpunkt M des Ringkerns 2 zusammenfällt.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, in der die Teilleiter 20A bis 20D und 40 angeordnet sind wie in Fig. 3. Die Stromschwerpunkte der Teilleiter 10A und 10B sind auf der Achse 9 spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse 8 angeord­ net. Die Stromschwerpunkte der Teilleiter 30A und 30B liegen anders als in den bisher beschriebenen Ausführungs­ formen auf der Symmetrieachse 8 punktsymmetrisch zum Mit­ telpunkt M.

In allen Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 bis 4 liegt somit der gemeinsame Stromschwerpunkt der Teilleiter jedes Stromleiters im Mittelpunkt M des Ringkerns 2. Außerdem ist die Summe aller Ströme in den Leitern für jeden Quadranten der inneren Kreisscheibe des Querschnitts des Ringkerns 2 gleich Null. Ein Quadrant ist dabei defi­ niert als ein von dem inneren Rand des Ringkerns 2, der Symmetrieachse 8 und der Achse 9 berandetes Gebiet des Querschnitts durch den Summenstromwandler. Durch diese beiden Symmetrieeigenschaften wird auch bei einem Dreh­ stromnetz das Magnetfeld im Spalt bei Summenstrom Null stark reduziert und damit eine störungsfreie Differenz­ strommessung ermöglicht.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist jeweils ein Leiter 10, 20, 30 und 40 für jeden Stromleiter L1 bzw. L2 bzw. L3 bzw. L4 vorgesehen. Der innere Leiter 40 hat einen kreisscheibenförmigen Querschnitt mit Mittelpunkt M, während die anderen Leiter 10 bis 30 als konzentrische Kreisringe um den gemeinsamen Mittelpunkt M des Quer­ schnitts des Summenstromwandlers ausgebildet sind. Diese Anordnung der Leiter hat eine hohe Symmetrierung der Magnetfeldlinien zur Folge.

Eine Ausführungsform ist in Fig. 6 darge­ stellt. Außer dem Spalt 4 mit seinem Magnetfeldsensor 6 ist ein zweiter Spalt 5 vorgesehen, dessen Symmetrieachse mit der Symmetrieachse 8 des Spaltes 4 zusammenfällt. In dem Spalt 5 ist ebenfalls ein Magnetfeldsensor 7 angeord­ net. Durch die Verwendung eines zweiten Spalts 5 kann die Leiteranordnung wie dargestellt vereinfacht werden. Für die Stromleiter L1 bis L3 sind jeweils nur zwei Teilleiter 10A und 10B bzw. 20A und 20B bzw. 30A und 30B vorgesehen. Die Stromschwerpunkte der Teilleiter 10A und 10B sind wieder wie in Fig. 4 angeordnet, während die Stromschwer­ punkte der Teilleiter 20A und 20B sowie 30A und 30B punkt­ symmetrisch zum Mittelpunkt M des Ringkerns 2, aber nicht spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse 8 angeordnet sind. Den Teilleitern 20A und 20B des Stromleiters L2 sind je­ weils die Teilleiter 30A bzw. 30B spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse 8 zugeordnet. Zwar heben sich nun die Ma­ gnetfelder der beiden Teilleiter der Stromleiter L2 und L3 in einem einzelnen Spalt 4 oder 5 auch bei einer Stromsumme Null nicht auf, doch sind die entstehenden Magnetfelder in den Spalten 4 und 5 gleich stark und entgegengesetzt gerichtet und heben sich bei der Auswer­ tung der Meßsignale der beiden Magnetfeldsensoren 6 und 7 gerade heraus.

Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform ist die Unterdrückung äußerer Störmagnetfelder. Ein äußeres homo­ genes Magnetfeld durchdringt die Spalte 4 und 5 in der gleichen Richtung. Das durch einen zu erfassenden Diffe­ renzstrom erzeugte Magnetfeld im Spalt 4 ist entgegen­ gesetzt gerichtet zu dem Magnetfeld im Spalt 5 und beide sind bei gleicher Spaltlänge betragsmäßig gleich groß sowie außerdem nur halb so groß wie bei einer Ausführungs­ form mit nur einem Spalt. Bildet man nun die Differenz der Meßsignale der beiden Magnetfeldsensoren 6 und 7, so er­ gibt sich ein Meßsignal derselben Stärke wie bei nur einem Spalt und die durch das äußere Magnetfeld verursachten störenden Signale heben sich gerade heraus.

Als zusätzlicher Schutz vor elektromagnetischen äußeren Störeinflüssen ist eine ringförmige Abschirmung 12 vorgesehen, die alle Stromleiter umschließt. Eine solche Abschirmung 12 kann auch bei allen anderen Ausführungsformen vorgesehen sein und ist vorzugsweise zur Vermeidung von Wirbelstromver­ lusten mit einem vorzugsweise innen umlaufenden Schlitz versehen. Ein zusätzlicher Effekt dieser Abschirmung 12 besteht in der weiteren Symmetrierung der Magnetfeld­ linien zum Ausgleich von Abweichungen der vorgegebenen Leiterabstände bei der Fertigung.

Als Magnetfeldsensoren können Hallsonden, Feldplatten oder auch magnetoresistive Sensoren vorgesehen sein.

Die Stromleiter und ihre entsprechenden Teilleiter können in allen Ausführungsformen einzeln isoliert sein, oder es kann eine gemeinsame Isolierung vorgesehen sein.

In Fig. 7 ist eine Ausführungsform mit einer konzentri­ schen Leiteranordnung im Längsschnitt dargestellt. Die einzelnen Leiter 10, 20, 30 und 40 der Stromphasen L1, L2, L3 und L4 sind als voneinander isolierte, konzentrisch ineinandergesteckte Zylinderrohre ausgebildet, die durch den Ringkern 2 des Summenstromwandlers geführt sind. Die Zylinderrohre sind um so länger, je weiter innen sie liegen und sind somit stufenförmig versetzt angeordnet. Die Leiter 10, 20 und 30 sind in ihren freiliegenden Be­ reichen über Querverbindungen 15, 25 bzw. 35 an entspre­ chende Stromanschlußschienen 18, 28 bzw. 38 angeschlossen.

Der innerste Leiter 40 kann vorzugsweise direkt an die entsprechende Stromanschlußschiene 48 angeschlossen wer­ den. Dadurch erhält man eine platzsparende Anordnung.

Claims (9)

1. Anordnung zum Erfassen von Differenzströmen mit einem Summenstromwandler, dessen Ringkern (2) mindestens drei parallel zu seiner Mittelachse angeordnete Stromleiter Lj umgibt und mit einem ersten Spalt (4), in dem wenigstens ein Magnetfeldsensor (6) angeordnet ist, sowie einem zwei­ ten Spalt (5) versehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• a) auch in dem zweiten Spalt (5) wenigstens ein Magnet­ feldsensor (7) angeordnet ist;
• b) die Stromleiter Lj bezüglich einer gemeinsamen Symme­ trieachse (8) der beiden Spalte (4 und 5) und eines Mittelpunktes (M) des Querschnittes des Ringkerns (2) derart symmetrisch zueinander angeordnet sind, daß die von den in ihnen fließenden Strömen erzeugten Magnet­ felder sich in jedem Spalt (4) des Ringkerns (2) dann wenigstens annähernd aufheben, wenn die Summe dieser Ströme null ist, wobei der Querschnitt des Ringkerns (2) als ein Schnitt durch den Ringkern (2) in einer Ebene senkrecht zu seiner Mittelachse, der Mittelpunkt (M) des Querschnitts des Ringkerns (2) als Schnittpunkt dieser Ebene mit der Mittelachse des Ringkerns (2) definiert sind und die gemeinsame Symmetrieachse (8) der Spalte (4 und 5) durch den Mittelpunkt (M) des Querschnitts des Ringkerns (2) verläuft;
• c) die Stromleiter Lj in den Ringkern (2) räumlich derart angeordnet sind, daß der Stromschwerpunkt jedes Strom­ leiters Lj wenigstens annähernd im Mittelpunkt (M) des Querschnitts des Ringkerns (2) liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stromleiter Lj wenig­ stens teilweise aus Teilleitern Lnj bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• a) bei einer Anzahl von wenigstens zwei Teilleitern Lnj wenigstens eines Stromleiters Lj die Stromschwerpunkte von jeweils zwei dieser Teilleiter Lnj wenigstens an­ nähernd punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunktes (M) als Symmetriezentrum angeordnet sind und
• b) jedem dieser Teilleiter Lnj ein einziger Teilleiter Lmj eines weiteren Stromleiters Lm zugeordnet ist, derart, daß die Stromschwerpunkte dieser beiden Teilleiter der beiden Stromleiter Lj und Lm wenigstens annähernd spie­ gelsymmetrisch zur Symmetrieachse (8) angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einer Anzahl von wenigstens zwei Teilleitern Lnj wenigstens eines Strom­ leiters Lj die Stromschwerpunkte von jeweils zwei dieser Teilleiter Lnj wenigstens annähernd spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse (8) angeordnet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stromschwerpunkt wenigstens eines Teilleiters wenigstens eines der Stromleiter Lj wenigstens annähernd im Mittel­ punkt (M) des Querschnitts des Ringkerns (2) liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch eine koaxiale Anordnung der Stromleiter Lj bezüglich der Mittelachse des Ringkerns.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• a) die Stromleiter (10, 20, 30, 40) umso länger sind, je weiter innen sie liegen;
• b) die Stromleiter (10, 20, 30, 40) im Bereich ihrer frei­ liegenden Enden an entsprechende Stromanschlußschienen (18 bzw. 28 bzw. 38 bzw. 48) angeschlossen sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• a) der innerste Stromleiter (40) direkt an die zugeordnete Stromanschlußschiene (48) angeschlossen ist;
• b) die anderen Stromleiter (10, 20, 30) über Querverbin­ dungen (15, 25, 35) an die zugeordneten Stromanschluß­ schienen (18, 28, 38) angeschlossen sind.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stromleiter Lj wenigstens eine gemeinsame Abschirmung (12) vorgesehen ist.