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Stromwandler für Höehstspannungsanlagen.
Es ist in der Starkstromtechnik üblich, Spannung und Strom mit Hilfe von Wandlern zumessen. Bekanntlich werden diese Wandler besonders für Höchstspannungen teuer, weil dann das Isolationsproblem im Vordergrund steht. Stromwandler für die Betriebsspannungen von etwa 150 KV an aufwärts sind besonders kostspielig. Die vorliegende Erfindung, welche einen Stromwandler für Höchstspannungsanlagen betrifft,, ermöglicht es, diesen Stromwandler in besonders einfacher Weise herzustellen. Die Erfindung besteht darin, dass. die Sekundärwicklung des Wandlers eine an sich
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geschlosseneraum und die Wicklungsverteilung wenigstens an- genähert konstant ist, und dass in der Messspule ein Eisenkern angeordnet ist, der durch gleichmässig verteilte Luftspalte unterteilt ist.
Eine solche Messspule 2 (Fig. 1), welche einen Leiter 1 der Höchstspannungsan1age umschlingt, besteht aus einem Ringkern 3 aus Isoliermaterial, auf welchem die Wicklung 4 angeordnet ist. Im einfachsten Falle kann die Messspule Kreisform
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Klemmen tritt eine induzierte Spannung auf, welche verhältnisgleich dem von der Spule umschlungenen Strom ist.
Die Messspule selbst ist so gebaut, dass der Querschnitt über ihre ganze Länge konstant ist und die Wicklung über die ganze Länge mit gleichmässigem Windungsabstand ausgeführt ist. Eine so gewickelt Messspule kann bekanntlich von der Kreisform abweichen und jede Form annehmen, wenn nur dabei der Leiter des zu messenden Stromes ganz umschlungen ist.
Die Messspule lässt sich an äussere konstruktive Gegebenheiten in weiten Grenzen ohne weiteres anpassen. Es ist einzig darauf zu achten, dass der Abstand. der Spulenteile gegenüber dem spannungsführenden Stromleiter mit Rücksicht auf die überschlagsgefahr genügend gross ist. Es lassen sich gemäss Fig. 2 Isolierkörper 12, z. B. in Röhrenform anwenden, wodurch die Abmessungen reduziert werden können. Raum- und kostenmässige Überlegungen sind. dafür massgebend, wie klein die Spule und wie gross die sie vom Leiter trennende Isolation werden soll.
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die Messung einer Spule durch das magnetische Feld der ausserhalb liegenden Stromleitung nicht beeinflusst wird.
Dabei muss nur immer darauf geachtet werden, dass der Querschnitt der Spule konstant und die Windungsverteilung über ihren
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Umfangmisst somit nur den Strom des in ihrem Inneren liegenden Leiters. Es können also zwei oder mehr Spulen nebeneinander angeordnet werden, wobei durch je eine Spule ein Leiter einer Mehrphasenleitung geführt werden kann.
Die Messspulen können z. B. den Leitertrag-
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die Leiter 1 der drei Phasen aufgehängt sind. Die Messspulen 2 der drei Leiter sind als rechteckige Spulen ausgeführt. Die Wicklung selber kann dabei auf einem biegsamen, beispielsweise schlauchartigen Tragkörper gewickelt sein, der leicht in die gewünschte Lage gebracht werden kann. In jeder Krümmung wird der Spulenquerschnitt zwar sich etwas deformieren, jedoch praktisch kaum ändern.
Diese schlauchartige Spule lässt sich im Innern einer Unförmigen Schiene einlegen und erhält so neben dem festen Halt eine Abschirmung gegen Überschläge nach den Nachbarleitem.
Die Messspule 2 (Fig. 2) kann durch einen sie teilweise umschliessenden äusseren Metallmantel 23
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des von der Spule umschlungenen. Raumes kann z. B. ein Metallring zur vollständigen Abschirmung verwendet werden, es muss aber darauf geachtet werden, dass zu den Windungen der Messspule keine sekundären Kurzschlussbahnen entstehen, da sonst eine Fälschung der Messspannung eintritt und die Messspule von den benachbarten Phasenleitern nicht unbeeinflusst bleibt.
Für das einwandfreie Arbeiten der Messspule ist es erforderlich, dass sie nicht, oder nur gering, belastet ist : Es können an sie keine Messgeräte angeschlossen werden, die einen merklichen Strom
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entnehmen. Deshalb müssen die Spulenenden an einen Messverstärker mit möglichst hohem Eingangswiderstand gelegt werden.
Der Eingangsstufe des Messverstärkers folgen eventuell noch weitere Verstärkerstufen sowie eine Ausgangsleistungsstufe. Diese Ausgangsleistungsstufe muss die bei Messwandlern übliche Ausgangsleistung bei Nennstrom aufweisen. Diese beträgt bei Anwendung der üblichen Mess- und Schutzeinrichtungen etwa 20... 40 VA.
Da aber die Messwandler auch Kurzschlussströme von minde- stens etwa dem 20fachen Nennwert übertragen müssen, ergibt sich, dass auch die Endstufe des Messverstärkers für eine entsprechende 202fachen
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kurzener Hilfsspannungsquellen verursacht erhebliche Kosten und steht in keinem rechten Verhältnis zu der Verbilligung, die der Hochspannungsteil des
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StromwandlersDiesem Umstand kann abgeholfen werden, indem zusätzliche Mittel vorgesehen werden, um
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derspule bis zum Ausgangsverstärker und den nachfolgenden Anzeigeinstrumenten und Auslösegerä- ten der Schutzeinrichtungen amplitud & nabhängig zu machen, in dem Sinne,
dass das übertragung-
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ab-Stromstärken unterhalb des 1- bis 2fachen Nenn- werten konstant gehalten werden und darüber bis zu den Kurzschluss-Strömen in der Grösse des etwa 10- bis 20fachen Nennwertes in einem logarithmischen Verhältnis abnehmen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Ausgangsleistung des Ver- starkers ganz erheblich herabgesetzt werden kann, was eine wesentliche Verbilligung der Endstufe des Verstärkers ermöglicht. Es ergibt sich ferner der weitere Vorteil, dass auch bei den Mess- und
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Vereinfachungenximalströme gebaut werden können.
An Stelle einer durchwegs linearen Messwertverteilung an den Mess- und Auslösegeräten erscheinen dann die prozentualen Stromverhältnisse als Mehrfaches des
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nen auch Leistungsmessungen über den Verstärker vorgenommen werden.
In der Fig. 4 ist eine Anzeigecharakteristik I dargestellt, welche die Abhängigkeit des Verstär-
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stellt. Bis zum Nennwert/ des Leitungsstromes verläuft die Charakteristik o bis n linear. Im oberen Messbereich n bis 17 ist sie logarithmisch.
Gleichen Stromverhältnissen von J entsprechen im- mer gleiche Stromunterschiede #J# Der Verlauf des übertraoungsmasses ii des Messverstärkers ist durch die Kurve Il dargestellt.
Aus dem Vergleich der Geraden l mit der Anzeigecharakteristik I ergibt sich, dass im angenommenen Beispiel bei einem 16fachen Leitungsüberstrom eine Reduktion des Ausgangsstromes JA des Verstärkers auf ### eintritt gegenüber dem 4,35 Falle, wo der Verstärker mit konstantem Übertragungsmass arbeitet. Dabei ist willkürlich angenommen, dass dem 8fachen Normalstromwert eine nur 3fache Vergrösserung des Ausgangsstromes Ja entspricht. Bei diesem 16fachen Kurzschluss-Strom ergibt sich somit eine Reduktion der Versterker- Ausgangsleistung gegenüber dem Falle, wo der Verstärker linear arbeiten würde auf etwa Vsa.
Wenn der Verstärker bei der Nennbelastung der Leitung 40 VA abgeben soll, so müsste der Verstärker bei linearer übertragung eine Leistung von 40.162=10,2ka abgeben. Infolge der logarithmischen Übertragung der Überstromwerte reduziert sich somit die Verstärkerleistung auf ca.
500 W. Ein solcher Verstärker ist viel'billiger und gestattet eine wesentliche Senkung der Herstel-
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lers gegenüber der altbekannten transformatorischen Bauart.
Die logarithmische Abhängigkeit des Verstärker-
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haft zur Impedanzmessung z. B. beim Distanzschutz angewendet werden. Zu diesem Zweck sind zusätzliche Mittel vorgesehen, um auch die Spannung derart amplitudenabhängig zu übertragen, dass an einem entsprechenden Ausgangsverstärker eine Spannung UA bzw. Strom J U)Ageliefert wird, welche im praktisch vorkommenden Spannungsmessgebiet nach einem logarithmischem Massstab sich ändert. Bei gleichem Verhältnis der Spannungswerte ergeben sich ebenfalls durchwegs gleiche Spannungs- bzw. Stromunterschie de # J (U)A am Verstärkerausgang. In der Fig. 5 sind diese Verhältnisse für Strom und Spannung einander gegenübergestellt.
Fig. 5a zeigt nochmals die Stromcharakteristik, Fig. 5b zeigt die Spannungscharakteristik im Gebiet der bei vorkommendem Kurzschluss sich einstellenden Spannungsabsenkungen.
Für die Impedanz Z = U : J ergibt sich, da
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sprechend wäre die Summe J(U)A+JA=Js ein Maf für die Scheinleistung U. J. Die beiden Ströme wirken auf ein Differenzstromrelais ein, welches bei Unter- oder überschreiten des Differenzstromes lz und damit des Impedanzwertes Z anspricht. J Z ist, dabei unabhängig von der zufällig vorhan- denen Grösse der Spannung bzw. des Stromes, so, lange diese Werte noch innerhalb des logarithmischen Anzeigebereiches liegen. Das entsprechend Jz sich ergebende Schaltmoment des Relais ist ebenfalls von diesen Grössen unabhängig.
Wird die Anordnung bei einer Distanzschutzeinricbtung angewendet, so ist J z bzw. das Schaltmoment ein Mass für den relativen Abstand des tatsächlichen
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Fehlerortes vom Stufenort, auf den die Impedanzeinstellung vorgenommen ist.
Die Fig. 6 zeigt eine Impeàanz1Relmsanord- nung, in der der erfindungsgemässe Stromwandler mit Verstärker und Amplitudenumformer ange- wendet wird.
Die mit der Leitung 1 gekoppelte Messspule 2 gibt ihre stromproportionale Sekundärspannung an den Vorverstärker 10. In einem nachfolgenden
Amplitudenumformer 11 erfolgt eine logarithmi- sche Umformung der verstärkten Messspannung, z. B. gemäss der Fig. 5a. Danach ändert sich. die
Spannung U proportional dem log U10 und da- mit auch proportional dem log J und zwar für den
Oberstrombereich zwischen Nennwert n und dem maximal möglichen Kurzschlussstrom. Für Ströme unter dem Nennwert n erfolgt die Übertragung linear, damit nachfolgende normale Strommesser 17 und Wattmeter 24 verwendet werden können.
Für die Impedanzbestimmung in einem Kurzschluss- fall spielt dieser nicht logarithmische untere Strombereich keine Rolle, da in diesem Falle die Ströme grösser als der Nennwert sind. U 12 steuert den Endverstärker 12, in dessen Ausgang die Spule 13 des Differentialrelais 16 eingeschaltet ist.
Die Leitungsspannung U wird über einen z. B. kapazitiven Spannungsteiler 30/31 auf die Steuer- spannung ü des Vorverstärkers 20 reduziert.
Dem Verstärker 20, der dem Vorverstärker 10 entspricht, folgt ein Amplitudenumformer 21 mit einer Übertragungscharakteristik gemäss Fig. 5b und darauf ein dem Verstärker 12 entsprechender
Endverstärker 22. Im Ausgang liegt die gagenwir- kende Spule 23 des Differentialrelais 16.
Durch Amplitudenabgleich, zweckmässig in den Vorstufen 10 und 20, kann das Ansprechen des Relais 16 für ein bestimmtes Verhältnis U : J bzw. log U-log J = J (mA-J A eingestellt werden.
Die Amplitudenumfonner 11 und 21 sind
Spannungsteiler mit stromabhängigen Widerstän- den. Dazu eignen sich gegenparallelgeschaltete
Halbleiterzellen, z. B. Kupferoxydulzellen. Damit und durch zusätzliches Anschalten und Abgleichen von korrigierenden Widerständen können mit guter Annäherung Übertragungscharakteristiken nach Fig. 5a und 5b erreicht werden. An Stelle dieses rein ohmschen Spannungsteilers kann auch ein induktiver Spannungsteiler aus Drosselspulen angewendet werden, wobei die Längsdrossel mit einem offenen Kern eine vorwiegend konstante Induktivität hat, während die Querdrossel einen geschlossenen Kern aufweist, deren Induktivität mit zunehmender Amplitude abnimmt. An Stelle der Längsdrossel genügt eventuell ein gegenüber der eisengeschlossenen Drosselspule hoher Widerstand, z.
B. der Innenwiderstand einer Penthode.
Die Amplitudenumformung ist mit einer Verzerrung der Spannungskurve verbunden. Die erstere Bauart bewirkt eine Verflachung, die zweite Art eine Zuspitzung der Spannungskurve. Durch Hintereinanderschalten beider Spannungsteilerarten kann eine gewisse Kompensation der Kurvenverzerrungen und gleichzeitig eine Verlängerung der Aussteuerkennlinie erreicht werden.
Beim Messverstärker wird der Vorverstärker und der Leistungsverstärker je für sich mit Gegenkopplung versehen, um praktisch unabhängig von Schwankungen der Betriebsspannungen und dem Altern der Röhren zu sein. Weiter ist es erforderlich, dass, die Endstufe von der Belastung durch die angeschlossenen Messgeräte und Relais unabhängig ist. Zu diesem Zwecke ist die Endstufe ausser mit der Gegenkopplung, welche den Innenwiderstand reduziert, noch mit einer Stromruckkopplung versehen. Durch die Stromrückkopplung kann der Innenwiderstand der Verstärkerstufe einschliesslich des Ausgangstransformators auf Null kompensiert werden.
Um eine höhere Eingangsspannung am Verstärker zu erhalten, kann der Ringkern der Messspule auch aus einem magnetisch leitenden Material bestehen.
Damit Linearität zwischen Leitungsstrom und Messspannung erreicht wird, muss die Permeabilität un- abhängig von der Amplitude sein. Ein geschlossener Eisenkern kann deshalb nicht verwendet werden. Ein Eisenkern muss vielmehr zahlreiche zwischengeschaltete Luftspalte aufweisen, welche über
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ganze Spulenlänge gleichmässig verteiltdass unkonstante Permeabilitätseinflüsse des Eisens gegenüber dem Einfluss der Luftspalte vernachlässigbar werden, und die resultierende Permeabilität
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konstant ist.
Die Anwendung von Presseisenkemen kommt wegen des vorkommenden Messspulendurch- messeis von 2... 5 m kaum in Frage.
Dagegen kann der Messspulenkern aus durch- wegs gleich langen Blechstreifen in der Weise zusammengesetzt sein, dass diese Blechstreifen unter einem geringen, durchwegs konstanten Winkel von weniger als 60 zur Kernachse angeordnet sind und gegeneinander durch elektrisch und magnetisch nichtleitende Zwischenlagen gleichmässig distanziert sind. Die Bleche und Zwischenlagen können durch Zusammenkleben oder Eingiessen zu einem kom- pakten geschlossenen Ringkern geformt sein.
Das Zusammenhalten kann auch in der Weise erfolgen, dass die Bleche und die Zwischenlagen in ihrer Längsrichtung und zur Mitte symmetrisch liegende Löcher mit gleichverteiltem Abstand aufweisen, durch welche zusammenhaltende Stifte gesteckt sind. In der Fig. 7 ist ein gerade gestrecktes Teilstück eines solchen Kernes, dargestellt.
1 sind die Bleche, die gegen die Achse den Winkel a bilden, zwischen den Blechen befinden sich. die Zwischenlagen 2. Die Bleche und, die Zwischen-' lagen weisen Löcher 3 auf, deren Verteilung aus der Fig. 7a hervorgeht. Beidseitig der Mittellinie im Abstand a/2 sind Rundlöcher 3a vorhanden. De übrigen in gleichen Abständen a liegenden 1 Löcher 3b sind Längslöcher. Die Blechstreifen mit ihren Zwischenlagen sind durch Nieten 4 mit mässigem Druck zusammengehalten. Ein solcher Kern lässt sich in der Zeichnungsebene biegen,
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wobei die Nieten in den Rundlöchern 3a festgehalten und in den Längslöchem 3b sich etwas verschieben können, ohne dass dadurch ein gegenseitiges Sperren der Bleche eintritt. Der Kern lässt sich so zu einem magnetisch homogenen Ring zusammenfügen.
Dabei kann dieser Ring ohne weiteres eine vom Kreis abweichende Form annehmen und gegebenen Raumverhältnissen angepasst werden. Die Nieten 4 durch die Löcher 3a halten die Bleche in gleichmässigem Abstand, wodurch eine Gewähr für genau gleiche Verteilung der Bleche und der Zwischenlagen erreicht wird. Die Forderung gleichen Kernquerschnittes und gleichem ma- gnetischen Widerstandes längs dem Kern bei vielfach unterbrochenem Eisenweg wird damit erreicht bei einer an sich einfachen Herstellungsweise. Da-
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Schichthöhe grösser als 10 anzuwenden. Dadurch wird erreicht, dass die sich über die Fläche bildenden Kurzschlussströme und damit zusätzliche Eisenverluste klein bleiben.
Immerhin bringen diese
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eine grosse Zahl Strombahnen nicht nur allein in Querschnittsflächen, sondern auch über eine beträchtliche Länge des Kernes hin verlaufen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Stromwandler für Höchstspannungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung des Wandlers eine an sich magnetisch geschlossene Spule ist, deren Spulenraum und die
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wenigstens angenähert kon-Luftspalte unterteilt ist.