AT527388B1 - Shunt mit stromleiter und kühleinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Shunt zur Messung von elektrischem Strom, wobei der Shunt einen Stromleiter (1) s mit zumindest einem Eingangskontakt (3a) und zumindest einem Ausgangskontakt (3b) aufweist, wobei der Stromleiter (1) zumindest eine Messstrecke (6) aufweist und wobei an dem Stromleiter (1) zumindest eine Kühleinrichtung (5) zur Kühlung des Stromleiters (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stromleiter (1) entlang einer Längsachse (A) erstreckt, entlang der Strom im Wesentlichen fließt, dass der Stromleiter (1) zwei Längensegmente (2a, 2b) aufweist, die sich ebenso entlang der Längsachse (A) erstrecken und auf gleicher Höhe entlang der Längsachse (A) angeordnet sind, dass an einem ersten Ende (4a) entlang der Längsachse (A) die Längensegmente (2a, 2b) jeweils eine Kontaktstelle zum Einleiten oder Ausleiten des zu messenden Stroms aufweisen sowie dass die Längensegmente (2a, 2b) an einem zweiten Ende (4b) entlang der Längsachse (A) miteinander elektrisch verbunden sind.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Shunt zur Messung von elektrischem Strom, wobei der Shunt einen Stromleiter zum Leiten des zu messenden Stroms mit zumindest einem Eingangskontakt und zumindest einem Ausgangskontakt aufweist, wobei der Stromleiter zumindest eine Messstrecke aufweist und wobei an dem Stromleiter zumindest eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Stromleiters angeordnet ist.

[0002] Sie betrifft auch ein Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms mit einem Shunt und eine Strommesseinrichtung mit einem Shunt.

[0003] Ein Shunt, auch Nebenschlusswiderstand oder Strommesswiderstand genannt, ist ein elektrisches Bauteil, das für die Messung von elektrischen Strömen, insbesondere größeren Strömen wie beispielsweise im Bereich von über 100 Ampere, verwendet wird. Dazu wird der zu messende Strom durch den Shunt geleitet. Eine Messstrecke des Shunts weist einen definierten Widerstand auf und durch Messung des Spannungsabfalls entlang dieser Messstrecke kann auf die Stromstärke rückgeschlossen werden.

[0004] Dabei leiden solche Shunts unter der durch den hohen Strom bedingten thermischen Belastung, die einerseits eine physische Beanspruchung bedeutet und andererseits auch das Messergebnis verschlechtert, da sich durch die Temperatur auch der Widerstand der Messstrecke ändert. Daher sind viele Shunts oft nur für kleinere Zeiträume, beispielsweise unter zwei Minuten, einsetzbar. Darüber hinaus erzeugen Shunts aufgrund der hohen Stromstärke starke elektromagnetische Felder, die andere Bauteile stören können.

[0005] In der US 6498499 B1 wird eine Messvorrichtung zur Messung der Kapazität von elektrischen Adern offenbart. Dabei wird eine Wasserbad-Kühlvorrichtung an zwei hintereinander angeordneten Messstrecken offenbart. Die Messstrecken befinden sich auf unterschiedlichen Höhen des Kanals. Der Strom wird jedoch nicht gemessen. Eine solche Anordnung eignet sich auch nicht für die Messung hoher Stromstärken und weist die oben angesprochenen Probleme auf.

[0006] In der CN 114878887 A wird ein Sensor zur Messung von Blitzentladungen beschrieben. Diese sind nur kurzen Stromspitzen ausgesetzt und dementsprechend thermisch wenig belastet.

[0007] In der JP S59148878 A wird vorgeschlagen, die Last zwischen zwei Teile eines Sensorelements zu schalten. Dies führt zu einer komplexen Stromführung.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist, einen Shunt, eine Strommesseinrichtung und ein obig genanntes Verfahren bereitzustellen, der eine längere Betriebsdauer bei möglichst geringer elektromagnetischer Störung seiner Umgebung aufweist.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass sich der Stromleiter entlang einer Längsachse erstreckt, entlang der Strom im Wesentlichen geführt ist, dass der Stromleiter zwei Längensegmente aufweist, die sich ebenso entlang der Längsachse erstrecken und auf gleicher Höhe entlang der Längsachse angeordnet sind, dass an einem ersten Ende entlang der Längsachse die Längensegmente jeweils den Eingangskontakt oder den Ausgangskontakt aufweisen sowie dass die Längensegmente an einem zweiten Ende entlang der Längsachse miteinander elektrisch verbunden sind.

[0010] Sie wird auch dadurch gelöst, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen zumindest eines erfindungsgemäßen Shunts oder einer erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung;

Leitung des zu bestimmenden Stroms durch ein erstes Längensegment des Stromleiters des Shunts entlang einer Längsachse und durch ein zweites Längensegment des Stromleiters des Shunts entlang der Längsachse in entgegengesetzte Richtung und auf gleicher Höhe entlang der Längsachse wie das erste Längensegment;

Berechnung des zu bestimmenden Stroms unter Einbeziehung des Spannungsabfalls entlang der Messstrecke, sowie des Widerstands der Messstrecke.

[0011] Die Verfahrensschritte können dabei mitunter auch gleichzeitig oder in anderer Reihen117

folge durchgeführt werden. Es können auch Schritte dazwischen, davor oder danach durchgeführt werden.

[0012] Der elektrische Widerstand der Messstrecke ist in der Regel sehr genau bekannt. So kann unter Verwendung des Ohm’‘schen Gesetzes durch Messung des Spannungsabfalls entlang der Messstrecke auf den fließenden Strom rückgeschlossen werden. Es kann die Berechnung des zu bestimmenden Stroms unter Verwendung der Formel | = U /R erfolgen, wobei | der zu bestimmende Strom, U der gemessene Spannungsabfall und R der elektrische Widerstand der Messstrecke ist.

[0013] Durch die Anordnung der Längensegmente auf gleicher Höhe wird erreicht, dass sich die elektromagnetische Strahlung, die durch die beiden Längensegmente erzeugt wird, gegenseitig zumindest teilweise auslöscht. Dies bedingt eine wesentliche Verringerung der elektromagnetischen Strahlung und damit eine niedrigere Störung der Umgebung. Zusätzlich wird durch die Anordnung der Kühleinrichtung eine wesentlich geringere thermische Belastung erreicht. Beide dieser Wirkungen führen dazu, dass der Shunt auch bei hohen Strömen länger oder gar durchgehend betrieben werden kann.

[0014] Die Messstrecke erstreckt sich entlang zumindest eines Teils des Stromleiters, vorzugweise entlang eines Teils des Stromleiters, sie kann aber auch den gesamten Stromleiter umfassen.

[0015] Der Stromleiter ist dabei ein Teil des Shunts, entlang dessen der zu messende Strom geleitet wird. Er wird entlang des Stromflusses in der Regel durch den Eingangskontakt und den Ausgangskontakt begrenzt und weist die Messstrecke auf. Dabei kann sich die Messstrecke auch über die gesamte Länge des Stromleiters erstrecken.

[0016] Mit Widerstand wird in dieser Schrift der elektrische Widerstand bezeichnet, außer es wird explizit anders erläutert.

[0017] Die Messstrecke weist einen definierten Widerstand auf, damit mittels des Spannungsabfalls zwischen den Messpunkten exakt auf die Strommenge rückgeschlossen werden kann.

[0018] Mit auf gleicher Höhe angeordnet ist dabei gemeint, dass entlang der Längsachse die Längssegmente zumindest teilweise einander überlappen, also zumindest teilweise übereinander angeordnet sind.

[0019] Die Längssegmente erstrecken sich vorzugsweise entlang ihrer Längserstreckung im Wesentlichen in die gleiche Richtung und sind auf gleicher Höhe angeordnet. Die Längserstreckung ist die Erstreckung, entlang derer der Strom fließt. Dabei ist unschädlich, wenn die Längserstreckungen geringe Winkel zueinander aufweisen oder die Längensegmente Unebenheiten wie Wellen in einem Winkel zur Längsachse aufweisen. Wesentlich ist, dass die Hauptrichtung, also die Längserstreckung, der beiden Längensegmente im Wesentlichen die gleiche ist, die eine gegenseitige zumindest teilweise Auslöschung der elektromagnetischen Strahlung bedingt.

[0020] Vorzugsweise werden die Längensegmente jeweils entlang ihrer Längserstreckung vom Strom durchflossen. Durch die Anordnung wie oben beschrieben wird erreicht, dass der Strom eines Längensegments in die entgegengesetzte Richtung fließt wie durch das andere Längensegment.

[0021] Die Längensegmente können aus zwei unterschiedlichen Stücken bestehen oder können einstückig sein. Es kann auch sein, dass die Längensegmente über eine Verbindungseinheit elektrisch an jeweils einem Ende miteinander verbunden sind.

[0022] Zumindest ein Längensegment ist vorzugsweise zumindest entlang des Großteils seiner Längserstreckung mit der Kühleinrichtung verbunden, besonders vorzugsweise im Wesentlichen entlang seiner gesamten Längserstreckung. So kann eine gute Wärmeübertragung erreicht werden.

[0023] Vorzugsweise ist die Messstrecke Teil eines Längensegments und die Kühleinrichtung an einem anderen Längensegment angeordnet.

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[0024] Die Längssegmente sind an einem Ende miteinander elektrisch verbunden. Durch die elektrische Verbindung der beiden Enden der Längensegmente kann erreicht werden, dass der Strom durch die Längssegmente in entgegengesetzte Richtungen läuft.

[0025] Eine Kontaktstelle kann den Eingangskontakt darstellen und/oder eine andere Kontaktstelle kann den Ausgangskontakt des Shunts darstellen. In diesem Sinne ist vorzugsweise vorgesehen, dass an den Enden der Längssegmente, die nicht miteinander elektrisch verbunden sind, der Eingangskontakt und/oder der Ausgangskontakt angeordnet sind.

[0026] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Längensegmente im Wesentlichen die gleiche Längserstreckung aufweisen. Somit befinden sich die nicht miteinander verbundenen Enden auf etwa der gleichen Höhe entlang des Kühlkanals. Vorzugsweise erstreckt sich der Kühlkanal parallel zur Längsachse.

[0027] Weiters kann vorgesehen sein, dass die Längensegmente entlang ihrer Längserstreckung aneinander liegen und vorzugsweise ausschließlich durch einen elektrischen Isolator voneinander getrennt sind. So wird eine kompakte Ausführungsform gefunden, die einen guten Wärmeübergang zwischen den Längensegmenten ermöglicht. Vorzugsweise umfasst der Isolator eine Isolierschicht, die zwischen den Längensegmenten angeordnet ist.

[0028] Weiters ist vorteilhaft, wenn die Messstrecke als Teil von zumindest einem der Längensegmente ausgeführt ist. Dies ermöglicht eine besonders gute Kühlung der Messstrecke. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Messstrecke über mehr als ein Längensegment erstreckt.

[0029] Besonders vorteilhaft ist, wenn vorgesehen ist, dass die Längensegmente zumindest teilweise als Rohre ausgeführt sind, welche im Wesentlichen koaxial angeordnet sind und dass vorzugweise die Messstrecke an dem äußeren Längensegment angeordnet ist. So wird eine besonders gute Auslöschung der elektromagnetischen Strahlung erreicht. Durch die Anordnung der Messstrecke an dem äußeren Längensegment wird der Zugang zu den Messpunkten erleichtert.

[0030] Es kann auch vorgesehen sein, dass die Messstrecke an dem inneren Längensegment angeordnet ist. Dies bedingt eine bessere Kühlung der Messstrecke.

[0031] Weiters wird eine ungewollte Ableitung des Stroms verhindert, wenn vorgesehen ist, dass die Kühleinrichtung gegenüber dem Längensegment, an dem es angeordnet ist, elektrisch isoliert ist und/oder dass der Kühlkanal gegenüber dem Kühlmittel elektrisch isoliert ist.

[0032] Um eine möglichst verlustfreie Messung zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass die Messstrecke einen größeren Widerstand aufweist als der übrige Stromleiter.

[0033] Es kann vorgesehen sein, dass die Messstrecke aus einem anderen Material besteht aus der übrige Stromleiter. Der übrige Stromleiter kann einen geringeren Widerstand aufweisen als die Messstrecke.

[0034] Weiters ist vorteilhaft, wenn vorgesehen ist, dass die Kühlvorrichtung einen Kühlkanal umfasst, der sich entlang zumindest eines der Längensegmente erstreckt und dass vorzugsweise der Kühlkanal gegenüber dem Kühlmittel elektrisch isoliert ist. Der Kühlkanal ist ein von Kühlmittel durchflossener Kanal. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Kühlkanal eine tragende Hülle, beispielsweise in Form eines Rohrs aufweist, das mit dem Längensegment verbunden ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Kühlkanal selbst keine tragende Funktion hat und die tragende Funktion durch das Längensegment zumindest teilweise übernommen wird. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Längensegment als Rohr ausgeführt ist und der Kühlkanal durch eine Innenseite des Längensegments gebildet wird. Somit kann der Kühlkanal von Kühlflüssigkeit durchflossen werden und eine möglichst direkte Kühlung erreicht werden.

[0035] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Kühlkanal in einem der beiden Rohre geführt ist.

[0036] Weiters kann vorgesehen sein, dass an den Enden der Messstrecke jeweils zumindest ein Messpunkt angeordnet ist. So kann der Spannungsabfall entlang der Messstrecke gut bestimmt werden, beispielsweise indem ein Voltmeter mit den Messpunkten verbunden wird.

[0037] Die Erfindung betrifft auch eine Strommesseinrichtung mit einem Shunt zum Durchfließen 317

des zu bestimmenden Stroms, wobei der Shunt erfindungsgemäß ausgebildet ist, und wobei die Strommesseinrichtung ein Voltmeter zur Messung des Spannungsabfalls entlang der Messstrecke aufweist, welches mit Messpunkten des Shunts elektrisch verbunden ist und die Strommesseinrichtung eine Auswerteeinheit zur Berechnung des Stromes, der durch den Shunt fließt, aufweist und dass die Auswerteeinheit mit dem Voltmeter verbunden ist. Diese Verbindung zwischen Voltmeter und Auswerteeinheit ist zur Übermittlung von Messdaten des Voltmeters an die Auswerteeinheit ausgebildet.

[0038] In weiterer Folge wird die Erfindung anhand einer nicht einschränkenden Ausführungsform in der Figur näher erläutert. Es zeigt die Figur einen schematischen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Shunts als Teil einer erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung.

[0039] Die in der Figur gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Shunts weist einen Stromleiter 1 auf, der im Wesentlichen aus zwei Längensegmenten 2a und 2b besteht. Ein erstes Längensegment 2a weist an einem ersten Ende 4a einen Eingangskontakt 3a auf, über den der zu messende Strom eingeleitet wird. Sie erstreckt sich wie ein zweites Längensegment 2b entlang einer Längsachse A. Entlang der Längserstreckung 10a entlang der Längsachse A fließt der Strom dann durch das erste Längensegment bis zu dem zweiten Ende 4b des ersten Längensegments 2a, an dem es mit einem Ende des zweiten Längensegments 2b elektrisch verbunden ist.

[0040] Das erste Längensegment 2a liegt entlang seiner gesamten Längserstreckung 10a an einer Kühleinrichtung 5 an, die ein Kühlrohr 5a und eine Isolierschicht 5b aufweist. Das Kühlrohr 5a bildet dabei in seinem Inneren einen Kühlkanal 5c. Der Kühlkanal 5c wird während des Betriebs mit Kühlflüssigkeit durchflossen.

[0041] Die Längserstreckung 10a des ersten Längensegments 2a erstreckt sich entlang der Fließrichtung des Kühlkanals 5c.

[0042] Das zweite Längensegment 2b erstreckt sich vom ersten Ende 4a entlang des ersten Längensegments 2a bis zu dessen dem ersten Ende 4a gegenüberliegenden zweiten Ende 4b. Damit sind die Längensegmente 2a, 2b auf gleicher Höhe des Kühlkanals 5c sowie auf gleicher Höhe entlang der Längsachse A angeordnet. Auf Höhe des Eingangskontakts 3a endet auch das zweite Längensegment 2b und dieses weist dort einen Ausgangskontakt 3b auf. Die Längensegmente 2a, 2b liegen übereinander, wobei sie durch einen thermisch leitenden Isolator 7 getrennt sind. Vorzugsweise ist der Isolator als Isolierschicht ausgeführt. Diese kann beispielsweise aus Luft, Kunststoff oder einem anderen Material bestehen.

[0043] Das zweite Längensegment 2b weist in einem mittigen Bereich eine Messstrecke 6 auf, die einen definierten Widerstand aufweist. An beiden Enden weist die Messstrecke Messpunkte 6a, 6b auf. Durch Messung des Spannungsabfalls zwischen diesen Punkten kann in einfacher Weise auf die Stromstärke rückgeschlossen werden, unter der Voraussetzung, dass der definierte Widerstand bekannt ist.

[0044] Die Strommesseinrichtung weist neben dem Shunt noch ein Voltmeter 14 auf, das mit den Messpunkten 6a, 6b elektrisch verbunden ist. Das Voltmeter 14 ist weiters mit einer Auswerteeinheit 13 verbunden und dazu eingerichtet, der Auswerteeinheit 13 Daten betreffend den gemessenen Spannungsabfall zu übertragen. Dies kann über Datenleitungen oder auch per Funk oder andere Verbindungsarten erreicht werden. Die Auswerteeinheit 13 kann auf Basis dieser Daten den zu bestimmenden Strom berechnen.

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Claims (12)

Patentansprüche

1. Shunt zur Messung von elektrischem Strom, wobei

der Shunt einen Stromleiter (1) zum Leiten des zu messenden Stroms mit zumindest einem Eingangskontakt (3a) und zumindest einem Ausgangskontakt (3b) aufweist, wobei

der Stromleiter (1) zumindest eine Messstrecke (6) aufweist, und wobei

an dem Stromleiter (1) zumindest eine Kühleinrichtung (5) zur Kühlung des Stromleiters (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass

sich der Stromleiter (1) entlang einer Längsachse (A) erstreckt, entlang der Strom im Wesentlichen geführt ist, dass

der Stromleiter (1) zwei Längensegmente (2a, 2b) aufweist, die sich ebenso entlang der Längsachse (A) erstrecken und auf gleicher Höhe entlang der Längsachse (A) angeordnet sind, dass

an einem ersten Ende (4a) entlang der Längsachse (A) die Längensegmente (2a, 2b) jeweils den Eingangskontakt (3a) oder den Ausgangskontakt (3b) aufweisen sowie, dass

die Längensegmente (2a, 2b) an einem zweiten Ende (4b) entlang der Längsachse (A) miteinander elektrisch verbunden sind.

2. Shunt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längensegmente (2a, 2b) im Wesentlichen die gleiche Längserstreckung (10a,10b) entlang der Längsachse (A) aufweisen.

3. Shunt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längensegmente (2a, 2b) entlang ihrer Längserstreckung (10a, 10b) entlang der Längsachse (A) aneinander liegen und vorzugsweise ausschließlich durch einen elektrischen Isolator (7) voneinander getrennt sind.

4. Shunt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke (6) als Teil von zumindest einem der Längensegmente (2a, 2b) ausgeführt ist.

5. Shunt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Längensegmente (2a, 2b) zumindest teilweise als Rohre (5a) ausgeführt sind, welche im Wesentlichen koaxial angeordnet sind und dass vorzugweise die Messstrecke (6) an dem äußeren Längensegment (2a, 2b) angeordnet ist.

6. Shunt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) gegenüber dem Längensegment (2a, 2b), an dem sie angeordnet ist, elektrisch isoliert ist.

7. Shunt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke (6) einen größeren Widerstand aufweist als der übrige Stromleiter (1).

8. Shunt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) einen Kühlkanal (5c) umfasst, der sich entlang zumindest eines der Längensegmente (2a, 2b) erstreckt und dass vorzugsweise der Kühlkanal (5c) gegenüber dem Kühlmittel elektrisch isoliert ist.

9. Shunt nach Anspruch 8 in Kombination mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (5c) in einem der beiden Rohre (5a) geführt ist.

10. Shunt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der Messtrecke jeweils zumindest ein Messpunkt (6a, 6b) angeordnet ist.

11. Strommesseinrichtung mit einem Shunt zum Durchfließen des zu bestimmenden Stroms, wobei der Shunt nach einem der vorigen Ansprüche ausgebildet ist, und wobei die Strommesseinrichtung ein Voltmeter (14) zur Messung des Spannungsabfalls entlang der Messstrecke (6) aufweist, welches mit Messpunkten (6a, 6b) des Shunts elektrisch verbunden ist und die Strommesseinrichtung eine Auswerteeinheit (13) zur Berechnung des Stromes, der

durch den Shunt (1) fließt, aufweist und dass die Auswerteeinheit (13) mit dem Voltmeter (14) verbunden ist.

12. Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms mit einem Shunt, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen zumindest eines Shunts nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einer Strommesseinrichtung nach Anspruch 11; Leitung des zu bestimmenden Stroms durch ein erstes Längensegment (2a) des Stromleiters (1) des Shunts entlang einer Längsachse (A) und durch ein zweites Längensegment (2b) des Stromleiters (1) des Shunts entlang der Längsachse (A) in entgegengesetzte Richtung und auf gleicher Höhe entlang der Längsachse (A) wie das erste Längensegment (2a); Berechnung des zu bestimmenden Stroms unter Einbeziehung des Spannungsabfalls entlang der Messstrecke (3), sowie des Widerstands der Messstrecke (2).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen