DE102004040575A1

DE102004040575A1 - Einrichtung zum Messen von elektrischem Strom, Spannung und Temperatur an einem aus starrem Material bestehenden elektrischen Leiter

Info

Publication number: DE102004040575A1
Application number: DE200410040575
Authority: DE
Inventors: Klaus-Georg MÜLLER
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2004-08-21
Filing date: 2004-08-21
Publication date: 2006-02-23
Also published as: US20080246462A1; ZA200701134B; NO20071166L; EP1782081A1; WO2006021389A1; CN101006349A; US8947097B2

Abstract

Es wird eine Einrichtung zum Messen von elektrischem Strom, Spannung und Temperatur in einem aus starrem Material bestehenden Leiter, vorzugsweise in einer elektrischen Niederspannungsanlage, beschrieben, bei der ein Leiter (10) aus zwei Leiterabschnitten (13, 14) gebildet ist, zwischen denen ein elektrisches Widerstandselement (23) aus einem Material mit gegenüber dem Material der Leiterabschnitte höheren Widerstand vorgesehen ist. Im Bereich des Widerstandselementes (23) ist eine Abflachung mit einer Vertiefung (26) vorgesehen, über die brückenartig eine Messanordnung (29) gelegt ist, durch die ein Teil des den Leiter (10) durchfließenden Stromes fließt. Die Messanordnung (29) ist nahe einem Verbindungskontaktstück (15) angeordnet, mit dem der Leiter (10) mit einem weiteren Leiter (19) in elektrisch leitende Verbindung bringbar ist, so dass die an der Kontaktstelle entstehende Wärme gemessen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Spannungs- und Strommessungen in Niederspannungsschaltanlagen werden überwiegend mit induktiven Wandlern oder Halssensoren realisiert, um eine notwendige galvanische Trennung zwischen der Mess- und Auswertestelle zu gewährleisetn. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, eine solche galvanische Trennung mittels Optokopplern vorzunehmen, die die von Messelementen erzeugten Signale zu einer Verarbeitungseinheit weiter leiten.

Zur Strommessung oder Spannungsmessung können auch Widerstandselemente verwendet werden, die allerdings wegen der hohen Verlustleitung in Widerstandselement und fehlender galvanischer Trennung kaum eingesetzt werden.

In einer Niederspannungsschaltanlage verlaufen zur Stromzufuhr Sammelschienen horizontal, wobei den Sammelschienen senkrecht bzw. vertikal verlaufende Verteilerschienen zugeordnet sind. Die einzelnen Steuer-, Schalt- und Regelgeräte befinden sich in Einschüben, wobei an den Einschüben Kontaktelemente vorgesehen sind, die maulförmig die Verteilschienen umfassen. Im Falle unsachgemäßer Wartung oder aus anderen Gründen besteht die Gefahr, dass an diesen Kontaktstellen bedingt durch hohe Stromdichten schon kleine Abweichungen in den Kontaktkräften zu einem hohen Temperaturanstieg führen. Die Folgen können Kabelbrände und die Zerstörung der Anlage sein. Aufgrund des hohen messtechnischen Aufwandes wird die Temperatur von derartigen Sammelschienenkontakten in Niederspannungsschaltanlagen nicht serienmäßig überwacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, mit der auf einfache Weise sowohl der elektrische Strom, die Spannung und die Temperatur der Kontaktstücke gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß also ist der Leiter aus zwei Leiterabschnitten gebildet, zwischen denen ein elektrisches Widerstandselement aus einem Material mit gegenüber dem Material des Leiters höheren Widerstand vorgesehen ist, wobei im Bereich des Widerstandselementes eine Abflachung mit einer Vertiefung angeordnet ist, über die brückenartig eine Messschaltanordnung gelegt ist, durch die ein Teil des den Leiter durchfließenden Stromes fließt, und dass die Messanordnung nahe einem Verbindungskontaktstück angeordnet ist, mit dem der Leiter mit einem weiteren Leiter in elektrisch leitende Verbindung bringbar ist, so dass die an der Kontaktstelle entstehende Wärme gemessen wird.

Aus dem Automobilbereich, im Batteriemanagement 12/24V, ist zur Strommessung der ASIC IHM-A-1500 der Firma Isabellenhütte entwickelt worden, der sich durch hohe Empfindlichkeit auszeichnet.

Dieser Schaltkreis kann verwendet werden zur Strom-, Spannungs- und Temperaturmessung in dem Leiterabschnitt, der mit dem oben genannten Mauskontaktstück unmit telbar in Verbindung steht oder dieses trägt, so dass dort entstehende Wärme direkt von dem Schaltkreis gemessen werden kann.

Als Leiter kann entweder ein Flachbandleiter verwendet werden, der zwei Abschnitte aufweist, zwischen denen sich das elektrische Widerstandselement befindet; es besteht natürlich auch die Möglichkeit, einen Runddrahtleiter zu verwenden, der mit einer Abflachung versehen ist, in deren Bereich sich die Vertiefung und damit auch das Widerstandselement befinden.

Der Strom fließt dabei über das Widerstandselement und parallel dazu über den Messschaltkreis.

Dabei kann das Widerstandselement aus Manganin hergestellt sein, welches gegenüber Kupfer einen um 20-fach erhöhten Widerstand aufweist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen
1 eine perspektivisch Ansicht auf ein Leiterstück
2 das Leiterteilstück gemäß 1, fertig mit Messeinrichtung montiert, in Seitenansicht,
3 eine perspektivische Ansicht eines abgewinkelten Kontaktstücke und
4 eine Schaltungsanordnung zur Messeinrichtung.
Die 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Leiter 10, an dessen einem Ende ein Crimp-Anschluss für einen Anschlussleiter aufweist, der mittels einer Schraubverbindung 12 mit dem Leiter 10 verbunden ist. Der Leiter 10 ist zusammengesetzt aus einem ersten Leiterteilstück 13, an dem der Crimp-Anschluss 11 befestigt ist, sowie einem zweiten Leiterabschnitt 14, an dem ein Kontaktstück 15 mit zwei Kontaktzungen 16 und 17 mittels einer Nietverbindung 18 angeschlossen ist. Dieses Kontaktstück 15 gelangt mit einem senkrecht verlaufenden Leiter 19 in Verbindung, indem der Leiter 10 mit dem Kontaktstück 15 über den senkrecht verlaufenden Flachbandleiter 19 geschoben wird, so dass sich der Flachbandleiter 19 in dem Zwischenraum 20 zwischen den Zungen 16 und 17 befindet. Die Einschieberichtung ist durch den Pfeil P dargestellt. Lediglich zur Ergänzung sei ausgeführt, dass an den freien Enden der Kontaktzungen 16 und 17 nach innen weisende Vorsprünge 16a und 17a vorgesehen sind, deren Abstand voneinander etwas kleiner ist als die Dicke des zweiten Leiters 19. Zur Erhöhung der Kontaktkraft der Kontaktzungen 16 und 17 ist eine Schenkelfeder (siehe 3) mit Schenkeln 21 und 22 vorgesehen, die die Kontaktzungen 16, 17 aufeinander zu drücken.
Zwischen dem ersten Leiterabschnitt 13 und dem zweiten Leiterabschnitt 14 ist ein Widerstandselement 23 vorgesehen, welches an den Berührungsstellen 24 und 25 mit den beiden Leiterabschnitten 13 und 14 festgelötet ist. Bei der in 1 dargestellten Ausführung ist die Dicke des Widerstandselementes 23 geringer als die Dicke der Leiterabschnitte 13 und 14, so dass eine Vertiefung 26 gebildet ist. Das Widerstandselement kann beispielsweise aus Manganin bestehen, welches einen Widerstandswert aufweist, der 20 mal höher liegt als der Widerstandswert der beiden Leiterabschnitte 13 und 14, die aus Kupfer hergestellt sind.
Auf der dem Betrachter zugewiesenen Fläche der beiden Leiterabschnitte 13 und 14 ist eine Leiterplatte 27 aufgelötet auf die ein Messschaltkreis 28 fixiert ist; die Leiterplatte 27 zusammen mit dem Messschaltkreis 28 bildet eine Messanordnung zur Messung des Stromes und insbesondere der Temperatur, welche Messanordnung, wie eingangs erwähnt, an sich bekannt ist. Aufgrund der gegenüber der Dicke d₁ der beiden Leiterabschnitte 13 und 14 verringerten Dicke d2 des Widerstandselementes 23 fließt der Strom sowohl über das Widerstandselement als auch über die Messanordnung, wobei dies hier nicht näher dargestellt ist. Die Platine 27 ist auf den Abschnitten 13 und 14 aufgelötet.
Die Messeinrichtung oder Messanordnung, die in ihrer Gesamtheit die Bezugsziffer 29 erhält, befindet sich auf Netzpotential, d.h. auf einem Potential bis 1000 V. Am Ausgang dieser Messanordnung 29 stehen digitale Signale an, die, wie weiter unten erläutert, über Optokoppler einem Microprozessor zugeführt werden, um hier eine Potentialtrennung zu erzielen.
Es sei nun Bezug genommen auf die 3.
Dort ist ein Leiter 30 dargestellt, der aus zwei Leiterabschnitten 31 und 32 zusammengesetzt ist, zwischen denen sich in der gleichen Weise wie bei der Ausführung gemäß 1 ein Widerstandselement befindet, welches dem Widerstandselement 23 gleicht. Ebenso ist zwischen diesen beiden Leiterabschnitten 31 und 32 eine Vertiefung vorgesehen, auf der eine Leiterplatte 33 aufgelötet ist, in gleicher Weise wie auf den Abschnitten 13 und 14. Auf der Leiterplatte selbst befinden sich zwei Schaltkreise 34 und 35, von denen der Schaltkreis 34 dem Schaltkreis 28 entspricht.
In der 2 ist dargestellt, dass auf der der Leiterplatte 27 entgegengesetzt liegenden Seite der Abschnitte 13 und 14 das Kontaktstück 15 befestigt ist. In gleicher Weise ist an dem Leiterabschnitt 31 auf der der Platine 33 entgegengesetzten Seite ein Kontaktstück 36 festgenietet, welches nicht flach eben wie das Kontaktstück 15 ist, sondern Z-förmig gebogen. Der eine Schenkel 37 befindet sich an dem Leiterabschnitt 31 und der andere, parallel dazu verlaufende Schenkel 38 trägt Kontaktzinken 39 und 40, die mittels einer Kontaktdruckfeder 51 miteinander verbunden sind, die als U-förmige Kontaktdruckfeder ausgebildet ist, wobei eine erste U-Form 42 und eine parallel dazu verlaufende U-Form 43 vorgesehen sind, die mittels Verbindungselementen 44 und 45 miteinander verbunden sind, wobei die beiden U-Formen 42 und 43 über das Kontaktstück gesteckt werden, wobei die Federkraft der Schenkelpaare 42, 43 aufeinander zu über die Verbindungsabschnitte 44, 45 auf die Kontaktzungen 39 und 40 aufgebracht wird. Auch eine solche Kontaktanordnung ist an sich bekannt.
Die 4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl von Leiterplatten 50, 51 und 52, auf denen jeweils ein den Schaltkreisen 28 und 34 entsprechender Asic-Schaltkreis 53, 54 und 55 aufgebracht sind, die mit einem ersten Microprozessor 56, 57 und 58 verbunden sind, in denen die Signale der Schaltkreis 53 bis 55 in einem ersten Schritt verarbeitet werden. Die Ausgangssignale der Microprozessoren 56, 57 und 58 werden über Optokoppler 59, 60, 61 einem Microprozessor 62 zugeführt, in der die Signale der Microprozessoren 56 bis 58 weiter verarbeitet werden.
Am Ausgang des Microprozessors 62 schließen Steuereinrichtungen 63 für eine Schaltgerätesteuerung sowie für eine Anzeigeeinrichtung 64 an. Die Stromversorgung erfolgt über eine Zuführungsleitung 65, der eine Leitung 66 für eine Steuerspannung zugeführt wird, die über drei isolierte Stromversorgungseinrichtungen 67, 68 und 69 die Energieversorgung sicherstellen und steuern.
Die 1 zeigt ein Leiterteilstück 10, das an seinem einen Ende eine Crimp- Aufnahme 11 für einen Anschlussleiter aufweist. Dieser Crimp-Anschluss 11 schließt an einem ersten Leiterteilstück 12 an. An diesem Leiterteilstück 12, an dessen dem Crimpansatz 11 entgegengesetzten Stirnkante 13 ist ein resistives Widerstandselement 14 angeschlossen, beispielsweise angeschweißt oder angelötet, an dessen freier Stirnkante 15 sich ein Kontaktstück 16 anschließt, das in einer Gabelform 17 mit zwei Gabelzinken 18 und 19 endet. Nicht dargestellt sind Federelemente, die die beiden Gabelzinken 18 und 19 gegeneinander drücken. Die Öffnung 20 zwischen den beiden Gabelzinken 19 und 18 wird über eine vertikal verlaufende Verteilerschiene 21 gesteckt. Die gesamte Leiteranordnung 10 dient dazu, im Inneren einer Schaltanlage befindliche Schalt-, Steuer- und Regelgeräte mit Strom zu versorgen. Die Verteilschienen 21, die vertikal in der Schaltanlage verlaufen, sind mit horizontal verlaufenden Sammelschienen verbunden, die hier nicht näher dargestellt sind.
Die Dicke D₁ des Abschnittes 12 bzw. 16 ist größer als die Dicke D₂ des Widerstandselementes, so dass sich in dem Bereich des Widerstandselementes eine Vertiefung 22 bildet. Diese Vertiefung 22 ist von einem elektrischen Schaltkreis 23 überdeckt, wobei der Schaltkreis 23 eine Leiterplatte 24 umfasst, auf der Messelemente 25 für elektrischen Strom, Spannung und Temperatur aufgebracht sind.
Wenn nun Strom durch die Anordnung 10 hindurchfließt, dann wird ein Teil des Stromes über das Widerstandselement 14 und ein weiterer Teil über die Messeinrichtung 23 fließen, wobei der dort fließende Strom gemessen werden kann. Darüber hinaus kann auch die Spannung gemessen werden und die Temperatur, die insbesondere durch schlechte Kontaktübergänge und damit hohe Kontaktwiderstände zwischen den Kontaktgabeln 18, 19 und der Verteilschiene 21 entstehen können.
Am Messelement 23 sind Anschlussleiter vorgesehen, die mit einem Mikroprozessor verbunden sind, in dem die von der Messeinrichtung 23 herkommenden Signale weiter verarbeitet werden können. Wesentlich für die Verwendung der Messeinrichtung 23, die an sich bekannt ist, im Niederspannungsbereich bis 1000V ist die Verteilung des durch das Widerstandselement 14 und die Messeinrichtung 23 durchfließenden Stromes.
Nachzutragen ist, dass die Platine auf den Abschnitten 12 und 16 aufgelötet ist.
Die Messeinrichtung befindet sich auf Netzpotential, d. h. auf einem Potential bis 1000V. Am Ausgang der Messeinrichtung 23 stehen digitale Signale an, über Potentialtrennung z.B. Optokoppler dem Mikroprozessor zugeführt werden.

Claims

Einrichtung zum Messen von elektrischem Strom, Spannung und Temperatur in einem aus starrem Material bestehenden Leiter, vorzugsweise in einer elektrischen Niederspannungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (10) aus zwei Leiterabschnitten (13, 14) gebildet ist, zwischen denen ein elektrisches Widerstandselement (23) aus einem Material mit gegenüber dem Material der Leiterabschnitte höheren Widerstand vorgesehen ist, wobei im Bereich des Widerstandselementes (23) eine Abflachung mit einer Vertiefung (26) vorgesehen ist, über die brückenartig eine Messanordnung (29) gelegt ist, durch die ein Teil des den Leiter (10) durchfließenden Stromes fließt, und dass die Messanordnungen (29) nahe einem Verbindungskontaktstück (15) angeordnet ist, mit dem der Leiter (10) mit einem weiteren Leiter (19) in elektrisch leitende Verbindung bringbar ist, so dass die an der Kontaktstelle entstehende Wärme gemessen wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement aus Manganin besteht.
Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (23) zwischen die Leiterabschnitte (13, 14) gelötet ist, wobei sich in diesem Bereich eine Vertiefung (26) befindet, über die die Messanordnung (29) gelegt ist.
Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine Leiterplatte (27) und einen Messschaltkreis (28) trägt.
Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (50, 51, 52) der Messschaltkreis (53, 54, 55) sowie ein erster Microprozessor (56, 57, 58) befinden, der die von dem Messschaltkreis (53, 54, 55) herkommenden Signale vorverarbeitet.
Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur galvanischen Trennung der ersten Microprozessoren (56, 57, 58) und einem zweiten Microprozessor (62) Optokoppler (59, 60, 61) vorgesehen sind.