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Stromwandler, insbesondere für Hochspannung
Bei den bekannten Stromwandlern mit lamelliertem Eisenkern, der eine Hoch- und eine Niederspannungswicklung trägt. lassen sich die im Betrieb auftretenden Spannungsbeanspruchungen bis zu Spannungen von etwa 30 kV verhältnismässig leicht beherrschen. Bei höheren Spannungen nimmt der Isolationsaufwand stark zu, und man ist meist gezwungen, für die Isolation zusätzlich Öl zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stromwandler, insbesondere für Hochspannung, der zur Vermeidung des vorstehend genannten Aufwandes mit je einem elektrodynamischen System auf der Hochspannungs- und der Erdseite ausgerüstet ist, wobei die beweglichen Spulen über einen isolierenden Kupplungsteil mechanisch miteinander verbunden sind.
Solche Wandler sind an sich bekannt, u. zw. dient bei diesen Wandlern als Übertragungsmittel zwischen den beweglichen Spulen entweder eine Flüssigkeitssäule grosser Masse oder ein isolierendes Übertragungsgestänge, dessen Masse zur Spulenmasse verhältnismässig gross ist. Solche Wandler weisen keine hohe Klassengenauigkeit auf ; denn wenn auch z. B. bei Verwendung eines isolierenden Übertragungsgestänges das bewegliche mechanische System eine möglichst geringe Trägheit besitzt, so ist doch eine starke Dämpfung vorgesehen, um die Amplitude der Schwingung des mechanischen Systems und damit auch die Leistung des auf der Erdseite liegenden elektrodynamischen Systems zu verringern.
Um eine hohe Klassengenauigkeit zu erreichen, ist daher gemäss der Erfindung das bewegliche System unter Verwendung eines sehr leichten Kupplungsteiles praktisch dämpfungsfrei ausgebildet, wobei
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triebsverhaltens mit Ausnahme des Frequenzganges vollkommen mit dem eines klassischen Stromwand- lers mit Eisenkern und Wicklungen übereinstimmt. Insbesondere genügen beide Wandler der Fehlergleichung :
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wobei der Fehlwinkel Cf im Falle des magnetischen Wandlers durch die Beziehung
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beim elektrodynamischen Wandler hingegen durch
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gegeben ist.
In diesen Formeln bedeuten : 27rf die Netzkreisfrequenz in Hz, R den Widerstand der Sekundärwicklung in 12. Rb den Widerstand der Bürde in ss, L2 die Induktivität der Sekundärwicklung in H,
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LängeEin Vergleich der Formeln (2) und (3) zeigt, dass beim magnetischen Wandler der Fehlwinkel som mit steigender Frequenz fällt, während er beim elektrodynamischen Wandler zunimmt. Bei f = 50 Hz ist es jedoch möglich, beispielsweise die der Klasse 1 zugeordneten Fehler einzuhalten.
Als elektrodynamische Systeme können Anordnungen, wie sie z. B. für Lautsprecher gebräuchlich sind, verwendet werden, wobei die isolierende Kupplung beispielsweise über ein dünnwandiges Isolierrohr oder auch über in beiden Richtungen auf Zug beanspruchte Isolierfäden aus Glas, Quarz, vorgerecktem Nylon bewirkt werden kann. Es ist aber auch möglich, elektrodynamische Systeme nach Art der Drehspulinstrumente zu verwenden, wobei die Übertragung dann zweckmässig über eine leichte, jedoch torsionsfeste Isolierwelle erfolgt. Genauere Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die unvermeidliche Elastizität des isolierenden Kupplungsteiles der Phasenfehler zwar geringfügig vergrössert wird, während der Amplitudentehler durch geeignete Anordnung wenigstens teilweise kompensiert werden kann.
In Fig. 1 ist eine beispielsweise Ausführungsform eines Stromwandlers nach der Erfindung dargestellt, während Fig. 2 eine weitere Ausführungsmöglichkeit in schematischer Darstellung zeigt.
In Fig. 1 bedeutet 1 einen Freiluftisolator, der an seinem oberen Ende ein elektrodynamisches System 2 trägt, bestehend aus dem permanenten Magneten 3 mit dem Polschuh 4 und dem magnetischen Rückschluss 5. Das System 2 ist an der Grundplatte 6 befestigt, die zugleich den Kern 7 eines kleinen Strom wandlers trägt : 8 ist seine Primärwicklung, 9 die Sekundärwicklung, die über flexible Leitungen mit der beweglichen Spule 10 des elektrodynamischen Systems 2 in Verbindung steht. Mit 11 ist die am Isolator 1 befestigte Abdeckhaube bezeichnet. Das Isolierorgan 12 ist als dünnwandiges Isolierrohr ausgebildet.
Es trägt an seinem oberen Ende die bewegliche Spule 10', an seinem unteren Ende die entsprechende Spule 13. Die Führung des Isolierrohres 12 erfolgt durch die weichen Blattfedern 14 und 15. Unten auf dem Sockel 16 ist ein genau gleiches elektrodynamisches System 17 befestigt. Die Enden der Wicklung 13 sind zu den Klemmen 18 geführt, an denen die Bürde angeschlossen wird.
Nimmt beispielsweise der Strom in der Primärwicklung 8 zu, so erhöht sich in entsprechendem Masse auch der Sekundärstrom in der Spule 10. Es entsteht beispielsweise eine zusätzliche nach oben gerichtete Kraft, die das bewegliche System, bestehend aus dem isolierenden Kupplungsorgan 12 und den beiden Spulen 10 und 13 beschleunigt. Durch die Bewegung der Spule 13 im Magnetfeld des elektrodynamischen Systems 17 wird dort eine EMK induziert, die einen entsprechenden Strom durch die Bürde treibt. Wie bereits einleitend dargelegt wurde, entspricht der Sekundärstrom auf der Erdseite nach Phase und Amplitude dem Primärstrom in der Wicklung 8.
Durch passende Bemessung der elektrodynamischen Systeme, möglichst kleine bewegte Masse und eine allfällige an sich bekannte Kompensation der noch verbleibenden Phasenverschiebung, beispielsweise durch auf der Sekundärseite eingebaute Kondensatoren, lassen sich die für eine bestimmte Klasse noch zulässigen Fehler einhalten.
Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform, die sich durch besonders kleine Masse des beweglichen Systems auszeichnet. Es bedeuten 21 und 22 die beweglichen Spulen ; sie sind an Glas- oder Quarzfäden 23 und 24 befestigt. Das Magnetsystem für die beiden Systeme 21 und 22 ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, entspricht aber der Ausführung gemäss Fig. 1. Mit 25 und 26 sind zwei um die Achsen 27 und 28 drehbare Schwinghebel bezeichnet. Die Feder 29 bewirkt, dass die isolierenden Fäden 23 und 24 immer straff gespannt sind. An Stelle der Schwinghebel 25 und 26 können auch leichte Rollen vorgesehen werden. Die Wirkungsweise der Anordnung entspricht derjenigen gemäss Fig. l.
Stromwandler nach der Erfindung eignen sich insbesondere für Hochspannung, da, wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, die Isolation nach Erde in einfachster und sehr betriebssicherer Weise ohne Verwendung von Öl ausgeführt werden kann. Zudem ist der Gesamtaufwand für den Wandler sehr gering. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Raum zwischen dem Isolierorgan 12 und der Innenoberfläche des Isolators 1 (vgl. Fig. 1) für die Aufnahme eines ohmschen oder kapazitiven Spannungswandlersausgenützt werden kann, so dass bei etwa gleichen Aussenabmessungen auch ein kombinierter Wandler in einfachster Bauart möglich ist.
Um eine weitere Erhöhung der Genauigkeit zu erzielen, ist das bewegliche System ein mechanisch schwingungsfähiges Gebilde, dessen Eigenfrequenz auf die Nennfrequenz des zu messenden Stromes abgestimmt ist.
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Die theoretischen Untersuchungen eines nach dem Erfindungsvorschlag gebauten Stromwandlers führen zu nachstehenden Beziehungen :
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Darin bedeuten : 11 = Strom in dem elektrodynamischen System auf der Hochspannungsseite,
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nen Bürde, (L2 + LB) = Induktivität des erdseitigen elektrodynamischen Systems und der angeschlossenen Bürde, il, 12 = wirksame Länge des Spulenleiters beim hochspannungsseitigen und erdseitigen elektrody- namischen System, B, B2 = magnetische Induktionen im hochspannungsseitigen und erdseitigen elektrodynamischen
System, m = Masse des bewegten Systems, . k = Federkonstante des bewegten Systems.
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mechanische System auf eine konstante Frequenz, z.
B. 50 oder 16 2/3 Hz, abzustimmen und auch dafür zu sorgen, dass sich seine Eigenfrequenz im Laufe der Zeit praktisch nicht ändert. Hingegen ist bekanntlich die Netzfrequenz nicht exakt konstant, sondern schwankt um beispielsweise * 0, 5 bis'* 1 Hz. bezogen auf 50 Hz. Die vorstehende Formel lässt sich nun bei gewissen zulässigen Vereinfachungen so umformen, dass man den Winkelfehler, der bei einer Abweichung Aw = 2 ! r. A f von der Netzfrequenz auftritt, unmittelbar daraus ablesen kann :
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Ein Vergleich der Formel (6) mit der entsprechenden Formel (3) zeigt weitgehende Übereinstimmung.
Es ist lediglich an Stelle der Kreisfrequenz w die Frequenzabweichung Aw getreten. Die Grösse
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tritt nun als Faktor von. 6. w auf, d. h. der Winkelfehler bei einer Frequenzabweichung wird um so kleiner, je besser der Wandler der Vorschrift gemäss der Erfindung entspricht.
Um einen für die Praxis geeigneten und auch ausreichend robusten Stromwandler zu erhalten, wird man zweckmässig so vorgehen, dass man zunächst versucht, das System gemäss den Anweisungen der Erfindung zu entwerfen, wobei aber hinsichtlich der Verringerung der Gesamtmasse m und der Erhöhung der Luftspaltinduktion B nur so weit gegangen werden sollte, dass einerseits eine genügende mechanische Sta-
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bilität, anderseits eine ausreichende Konstanz der Luftspaltinduktion gewährleistet sind. Dieses an sich bereits brauchbare System wird dann durch Anordnung einer elastischen Rückstel1kraftzu einem Schwin- gungsfähigen Gebilde erweitert, dessen Eigenfrequenz der Netzfrequenz entspricht.
Selbstverständlich wird man dafür sorgen, dass die zusätzliche Masse, bedingt durch die elastische Rückstellkraft, möglichst klein ist.
Auf diese Weise ist es ohne Schwierigkeiten möglich, elektrodynamische Stromwandler, beispielsweise der Genauigkeitsklasse 0, 5 glu und darunter zu bauen. Die möglichst weitgehende Berücksichtigung der Anweisungen gemäss der Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass die Einschwingzeit des Wandlers kurz wird.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines solchen elektrodynamischen Stromwandlers im Schnitt, wäh- rend in den Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsformen mit besonders kleiner Masse des schwingenden Systems schematisch dargestellt sind.
In Fig. 3 bedeutet 101 einen Freiluftisolator, der an seinem oberen Ende ein elektrodynamisches System 102 trägt, bestehend aus dem permanenten Magneten 103 mit dem Polschuh 104 und dem magnetischen Rückschluss 105. Das System 102 ist an der Grundplatte 106 befestigt, die zugleich den Kern 107 eines magnetischen Stromwandlers trägt ; 108 ist sein Primärleiter, 109 die Sekundärwicklung, die über flexible Leitungen mit der beweglichen Spule 110 des elektrodynamischen Systems 102 in Verbindung steht. Mit 111 ist die am Isolator 101 befestigte Abdeckhaube bezeichnet. Das Isolierorgan 112 ist als dünnwandiges Isolierrohr ausgebildet. Es trägt an seinem oberen Ende die bewegliche Spule 110, an seinem unteren Ende die entsprechende Spule 113.
Die Führung des Isolierrohres 112 erfolgt durch die beiden Kegelfedern 114 und 115, die gleichzeitig das aus dem Isolierrohr 112 mit den Spulen 110 und 113 bestehende mechanische System schwingungsfähig machen. Eine genaue Abstimmung der Resonanzfrequenz auf die Frequenz des zu messenden Stromes erfolgt vorteilhaft durch eine variable Einspannung der unteren Windungen der Kegelfedern. Auf dem Sockel 116 ist der Isolator und ein dem System 102 ähnliches elektrodynamisches System 117 befestigt. Die Enden der Wicklung 113 sind zu den Klemmen 118 geführt, an denen die Bürde angeschlossen wird.
Nimmt beispielsweise der Strom in der Primärwicklung 108 zu, so erhöht sich in entsprechendem Masse auch der Sekundärstrom in der Spule 110. Es entsteht beispielsweise eine zusätzliche, nach oben gerichtete Kraft, die das bewegliche System, bestehend aus dem Isolierorgan 112, den beiden Spulen 110 und 113 und den Federn 114 und 115, beschleunigt. Durch die Bewegung der Spule 113 im Magnetfeld des elektrodynamischen Systems 117 wird dort eine EMK induziert, die einen entsprechenden Strom durch die Bürde treibt. Wie bereits einleitend dargelegt wurde, entspricht der Sekundärstrom auf der Erdseite nach Phase und Amplitude dem Primärstrom in dem Leiter 108.
In Fig. 4 sind mit 121 und 122 wieder die auf dem Isolierrohr 123 aufgebrachten Spulen bezeichnet.
Das Isolierrohr 123 weist am oberen Ende die Achse 124, am unteren Ende die Achse 125 auf, die sich in denSteinlagern 126 und 127 weitgehend reibungsfrei bewegen. 128 und 129 sind die Magnetsysteme. Das obere Ende der Achse 124 ist mit der Dreieckfeder 130 über einen kleinen Schlitz 131 verbunden, wodurch die Gradführung des Systems gewährleistet ist. Die Resonanzabstimmung kann auf einfache Weise durch Änderung der freien Länge der Dreieckfeder von der Einspannung 132 bis zur Achse 124erreicht werden. Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 4 entspricht im übrigen derjenigen der Ausführungsform nach Fig. 3.
In Fig. 5 stellen 141 und 142 die auf dem Isolierrohr 143 aufgebrachten Spulen dar. Auf dem Umfang der Rollen 144 und 145 sind Stahldrähte oder Quarzfäden 146 und 147 befestigt, die mit dem Isolierrohr 143 verbunden sind. Die Rollen 144 und 145 sitzen fest auf den Achsen 148 und 149, die ihrerseits nicht drehbar, jedoch zwecks genauer Resonanzabstimmung in der Länge verstellbar in den Lagerböcken 150 und 151 gehalten sind, so dass die Achsen 148 und 149 als Torsionsstabfedern des schwingungsfähigen Systems wirken.
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