Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Strommeßverfahren für Energieversorgungsnetze zu schaffen, das
sowohl für Nenn- wie auch für Kurzschlußströme verwendbar
ist und eine hohe Langzeitstabilität aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1.
Zur Messung von Nenn- und Kurzschlußstrombereich kann
nunmehr die selbe Rogowskispule benutzt werden. Es wird
die Tatsache ausgenutzt, daß eine Rogowskispule keinen
Eisenkern und deshalb keine Sättigungserscheinungen
aufweist. Die von der Rogowskispule abgegebene, dem
Differential des Meßstromes proportionale Spannung ist deshalb
linear von der Größe des Meßstromes abhängig.
Eine hohe Langzeitstabilität wird durch die Verwendung
einer digitalen, auf numerischen Rechenvorgängen
beruhenden Integration erreicht. Zur Durchführung dieser
Berechnungen wird eine digitale Recheneinheit verwendet, die
schnelle aritmethische Operationen ausführen kann.
Integriert werden die Werte z. B. mit der Rechteck- bzw.
Trapezregel oder einem anderen Integrationsverfahren
(siehe Bronstein, Semendjajew - Taschenbuch der
Mathematik, 20. Auflage, Harri Thun 1983, Seite 799 ff).
Der zur Digitalisierung der in der Rogowskispule
induzierten Spannung benötigte Analog-Digital-Wandler (AD-
Wandler) muß den gesamten gewünschten Dynamikbereich
überdecken. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine
vom Rogowskispulensignal gesteuerte
Eingangsbereichsumschaltung vor dem AD-Wandler eingefügt wird. Die
Weitergabe der integrierten Werte erfolgt entweder über einen
Digitalausgang direkt an die entsprechend ausgerüstete
Sekundärtechnik oder über einen Digital-Analog-Wandler
(DA-Wandler) als Spannungs- oder Stromsignal.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Rechner, der
die Integration durchführt, auch für die Aufgaben der
Schutztechnik zu verwenden.
Anhand einer beiliegenden Zeichnung, in der ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt wird, sollen die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und
Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert und
beschrieben werden.
Dargestellt ist ein Ersatzschaltbild einer Meßanordnung,
mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen
läßt. Die Meßanordnung ist aus sechs Teilsystemen (I, II,
III, IV, V, VI) aufgebaut, nämlich der Rogowskispule I,
dem Vorverstärker und der Bereichsumschaltung II, der
Digitalisierungsvorrichtung III, der Recheneinrichtung zur
Integration und Steuerung der Bereichsumschaltung IV, der
Digital-Analog-Wandlereinheit V sowie einer
Ausgangsbereichsumschaltung VI.
Die Rogowskispule besteht aus einem lackisolierten Draht,
der zu einer kreisförmigen Spule 2 auf einem nicht
leitenden und nicht magnetischem Spulenträger (z. B.
Kunststoff) aufgewickelt ist.
Zur Abschirmung von elektrischen Störfeldern ist die
Spule 2 mit einer am Umfang geschlitzten nicht
magnetischen Metallabschirmung (nicht dargestellt) umgeben. Der
Schlitz in der Abschirmung verhindert die Ausbildung
störender Wirbelströme und der daraus resultierenden
Magnetfelder. Der Leiter 1, dessen Strom I gemessen werden
soll, wird durch die Mitte der ringförmigen Spule 2
geführt.
Der Einfluß magnetischer Fremdfelder wird durch eine
Kompensationswicklung (nicht dargestellt), die in der
Spulenachse liegt und mit der kreisförmigen Spule 2 in Reihe
geschaltet ist, verringert. Parallel zur Spule 2 ist über
die Verbindung 3 ein Widerstand 4 angeschlossen, an dem
eine Spannung Ur abfällt, die vom Teilsystem II
weiterverarbeitet wird.
In dem Teilsystem II wird die in der Rogowskispule
induzierte Spannung an den Eingangsbereich des AD-Wandlers
durch eine Bereichsumschaltung, die durch die
nachgeschaltete Recheneinheit steuerbar ist, angepaßt.
Die am Widerstand 4 abfallende Spannung wird entweder
über den Verstärker 5 oder über die Verbindung 3 - also
unverstärkt - an einen Umschalter 6 geführt, je nachdem
ob der Umschalter 6 in Position 15 oder 16 gebracht ist.
Gesteuert wird der Umschalter 6 von der Recheneinheit 8;
diese Teile sind über die Steuerleitung 13 miteinander
verbunden. Der AD-Wandler 7 wandelt die vom Teilsystem II
erhaltenen Signale (Spannungen oder Ströme) in einen
digitalen Zahlenwert im Binärsystem um. Der AD-Wandler
übergibt über die Verbindung 18 das Ergebnis der
AD-Wandlung als Digitalwert an die Recheneinheit 8. Über die
Verbindung 17 wird eine Eingangsbereichsüberschreitung
des AD-Wandlers 7 an die Recheneinheit 8 gemeldet.
Das Teilsystem IV besteht aus der Recheneinheit 8,
nämlich einem Digitalrechner, vorzugsweise einem schnellen
Signalprozessor, der in der Lage ist, aritmethische
Operationen mit hoher Geschwindigkeit auszuführen. Die
Recheneinheit 8 führt den Integrationsalgorithmus
(Rechteck-, Trapez-, Simpsonregel) mit dem vom AD-Wandler
7 kommenden digitalen Werten aus und steuert gleichzeitig
die Umschalter 6 sowie 12 über die Steuerleitungen 13 und
14.
Bei der Ausführung des Integrationsalgorithmus ist die
Behandlung des Einschaltvorganges bei dem hier zu
messenden quasi stationären Strömen so durchzuführen, daß sich
ein mittelwertfreies integriertes Signal ergibt. Die
Ergebnisse der Integration (das integrierte Signal) werden
als Digitalwort an einen DA-Wandler 10 (Digital-Analog-
Wandler) über die Verbindung 19 weitergegeben.
Mit dem DA-Wandler 10 werden die von der Recheneinheit 8
berechneten integrierten Digitalwerte wieder in eine
Analog-Spannung umgewandelt.
Die Ausgangsspannung des DA-Wandlers 10 wird über einen
Verstärker 11 oder direkt an den Ausgang 21 ausgegeben.
Der Verstärker 11 hat die gleiche Verstärkung wie der
Verstärker 5 an der Eingangsseite, und der Umschalter 12
wird von der Recheneinheit über die Verbindung 14
gesteuert. Das von der Recheneinheit 8 integrierte Signal kann
auch direkt auf digitaler Ebene an den Ausgang 9 gegeben
werden und dort weiter verarbeitet bzw. einer digitalen
Anzeigevorrichtung zugeführt werden.
Die Wirkungsweise der Meßanordnung ist wie folgt:
Ein Strom I induziert in der Spule 2 (Rogowskispule)
einen zum Differential des Stromes I proportionale
Spannung, die über die Verbindung 3 an den Widerstand 4
gelangt. Danach liegt diese Spannung Ur 20 am Verstärker 5
und direkt am Umschalter 6 des Teilsystems II an.
Diese Spannung wird vom Verstärker an den Eingang des AD-
Wandlers 7 angelegt. Die Recheneinheit 8, die den Vorgang
steuert, schaltet über die Verbindung 6a den Umschalter 6
in die entsprechende Position. Der AD-Wandler 7 wandelt
die an seinem Eingang anliegende Spannung in ein
Digitalwort um oder meldet eine Bereichsüberschreitung über die
Verbindung 17 an die Recheneinheit 8. Sollte eine
Bereichsüberschreitung erfolgen, so wird von der
Recheneinheit 8 der Umschalter 6 so geschaltet, daß die
unverstärkte Spannung Ur 20 am Eingang des AD-Wandlers 7
anliegt.
Bei der dynamischen Umschaltung der
Eingangsempfindlichkeit muß das Signal immer zuerst mit der hohen
Empfindlichkeit (Umschalter 6 in Position 16) digitalisiert
werden. Ergibt diese Digitalisierung einen Überlauf, so wird
die nächste Digitalisierung mit der niedrigen
Empfindlichkeit durchgeführt und deren Ergebnis verwendet.
Die Erfassung eines Wertes erfolgt also in n
Empfindlichkeitsstufen in n Schritten.
Dieser Zeitverlust kann durch die Verwendung mehrerer
parallel arbeitender AD-Wandler mit verschiedenen
Empfindlichkeitsbereichen vermieden werden.
Nach der Umwandlung in ein Digitalwort führt die
Recheneinheit 8 den zur Integration notwendigen Algorithmus mit
dem Digitalwort durch. Das Ergebnis dieser Integration
wird als Digitalwort über die Verbindung 19 entweder
direkt an den Ausgang 9 oder über einen DA-Wandler 10 an
die nachfolgende Sekundärtechnik ausgegeben.
Der Umschalter 12 ist mit dem Ausgang des DA-Wandlers 10
verbunden und wird synchron zum Umschalter 6 von der
Recheneinheit 8 gesteuert. Der gesamte Vorgang wird ständig
mit einer festgelegten Frequenz wiederholt. Diese
Frequenz sollte mindestens zehnfach höher sein als die
höchsten im Meßstrom I vorkommenden Frequenzanteile.
