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Induktiver, vorzugsweise in den Linienzug der vollständig metallgekapselten und geerdeten Hochspannungsanlage eingebauter Hochspannungswandler
Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven, vorzugsweise in den Linienzug der vollständig metallgekapselten und geerdeten Hochspannungsanlage eingebauten Hochspannungswandler, dessen durch die Wicklungen greifender Kern auf Messpotential steht.
Höchstspannungswandler mit offenem magnetischem Kern, der unter dem Messpotential liegt, sind bekannt. Kern und Wicklungen befinden sich dabei in einem Isoliermantel oder in Luft.
Durch ein Wesensmerkmal der vorliegenden Erfindung, darin bestehend, dass die um den den Primär- leiter koaxial umgebenden Magnetkern gewundenen und auf mehrere Teilspulen aufgeteilten Primärwick- lungen sich ganz im Innern eines reinen Zylinderfeldes befinden, das sich zwischen dem Hochspannung- leiter und einer zu diesem und zur Wicklung koaxialen, mindestens über die ganze von den Primärwindungen beanspruchten Länge leitenden und geerdeten zylindrischer. Hülle erstreckt, werden überraschende Vorteile gewonnen. Die primären Windungen können dabei mehrere Spulen bilden, deren Durchmesser so gestuft sind, dass die radiale Isolationsstärke der von Spule zu Spule und gegen den zentralen Kern wachsenden Spannung und gegen Erde von Spule zu Spule abnehmenden Spannung zu-respektive abnimmt.
Der magnetische Rückschluss eines solchen Spannungswandlers ausserhalb der geerdeten leitenden Hül- le kann, wie in Fig. l dargestellt, durch die Luft erfolgen. Diese Ausführung des Wandlers ist besonders für sehr hohe Spannungen-über etwa 100 kV-vorteilhaft.
In Fig. l bedeutet 1 den Hochspannungs-Stromleiter von vorteilhaft rundem Querschnitt, 2 den offenen Eisenkern, der den Stromleiter koaxial umgibt, 3 - 7 die primären Spulen, 11 die sekundäre Wicklung, 12 den umhüllenden leitenden Mantel. Dieser leitende Mantel muss mindestens im Austrittsbereich des magnetischen Flusses hohen spezifischen Widerstand besitzen.
Der magnetische Rückschluss ausserhalb der geerdeten leitenden Hülle kann aber auch, wie in Fig. 2 dargestellt, durch ein gegen den zentralen Kern isoliertes Joch hoher magnetischer Permeabilität, insbesondere aus Transformatorenblech, erfolgen, dessen Enden polschuhartig so ausgebildet sind, dass der Querschnitt des die Isolierschicht durchdringenden magnetischen Flusses vorzugsweise wesentlich grösser ist als der Querschnitt des zentralen Magnetkerns. Dies ist leicht erreichbar, weil nichts im Wege steht, den zentralen Kern axial wesentlich über die Wicklungsenden vorstehen zu lassen.
Diese Ausführung eignet sich besonders für Nennspannungen von etwa 10 - 80 kV. Die primäre Wicklung ist deshalb hier in der Form einer einzigen Spule gezeichnet, sie kann aber auch zwei oder mehr axial und/oder radial gegeneinander verschobene Teilspulen bilden.
In Fig. 2 ist 1 der Stromleiter, 2 der zentrale Eisenkern, 3 der Rückschlusskern, 4 die primäre Spule, 11 die sekundäre Spule, 12 der umhüllende leitende Mantel.
Durch die beschriebenen Anordnungen ergeben sich ausgezeichnete dielektrische und magnetische Verhältnisse. Das elektrische Feld durchsetzt aLe Spulen und das Dielektrikum radial ; nur zwischen aufeinanderfolgenden Spulen treten noch axiale Komponenten von gut beherrschbarer Grösse auf. Bei Stoss- , pannung ergibt sich so eine vollständig gleichmässige Spannungsverteilung auf alle Spulen. Die radialen Abmessungen sind relativ sehr klein. Die magnetische Kupplung von Primär-und Sekundärwicklung ist
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die denkbar günstigste. Besonders aber kann der Wandler verschiedenste, zum Teil neuartige, im Anlage- bau zweckmässige Formen annehmen, welche weiter unten beschrieben sind.
Für hohe Spannungen können die Prlmärwicklungund derpolschuhartige, radiale Teil des Rückschluss- kerns in mindestens zwei koaxiale, in Reihe geschaltete Stufen unterteilt werden, wobei zwischen den
Stufen des Kerns je eine Isolierschicht liegt. Fig. 7 zeigt einen so aufgebauten Spannungswandler mit drei koaxialen Stufen. Dass die Wicklung selbst räumlich in Stufen unterteilt ist, ist nicht so wesentlich wie die elektrische Unterteilung, derart, dass das Spannungsgefälle der Magnetkernstufen angenähert parallel verläuft wie dasjenige der Wicklungslagen. Dies kann vorteilhaft erreicht werden durch direkte leitende
Verbindungen der Kernstufen mit den entsprechenden Wicklungslagen.
Aber bei geeigneter Bemessung erhalten die Kernstufen auch schon vermöge ihrer kapazitiven Kupplung untereinander das ihrer geometrischen Lage entsprechende Potential. Ein Durchftihrungsisolator, bei hohen Spannungen vorteilhaft eine Kondensatordurchführung, fahrt den Hochspannungspol nach aussen.
In. Fig. 7 ist 1 der zentrale Eisenkern, 2 der Ruckschlusskern mit den radialen Stufen 3,4 und 5. Die entsprechenden Stufen der Primärwicklung sind 6,7 und S. 9 ist die Sekundärwicklung. Ein geerdeter leitender Mantel 10 umhüllt das ganze System. Durch diesen Mantel führt die Kondensatordurchführung 11.
Die Isolierschichten zwischen den Kemstufen sind mit 12 bezeichnet.
Der dargestellte mehrstufige Spannungswandler ergibt nicht eine einzige Stelle, in der das elektrische Feld nicht günstig verläuft. Der Materialaufwand ist relativ sehr klein infolge restloser Ausnützung, weshalb auch die Abmessungen relativ klein sind.
Eine Bauart, die im Prinzip mit derjenigen von Fig. 7 übereinstimmt, die jedoch aus 2 oder mehr koaxialen Teilwandlern besteht, die je selbständig herstellbar und prüfbar sind, und die sich dann ineinanderschieben lassen zu einem einzigen Wandler, ist in Fig. 8 dargestellt. Es bedeuten 1 der zentrale zylindrische Eisenkern, 2 der dazu koaxiale Rückschlusskern, 3 radiale Jochkerne, 4 und 5 primäre Spulen, 6 und 7 die sich auch zwischen die Jochkeme fortsetzende Isolation, 9 die sekundäre Wicklung, 10,11 und 12 sind leitende Überzüge, von denen 10 und 11 kurz geschlossen sind ; 13 und 14 sind Isolationsteile, welche zusammen die isolierende Einführung bilden. Die leitenden Überzüge besitzen hohen spezifischen Widerstand, damit sich keine störenden Wirbelströme bilden.
Es ist zweckmässig, die ineinanderschiebbaren Teilwandler leicht konisch zu begrenzen.
Als Isoliermaterial der zwischen Kern, AussenhllUe und Wicklungen verbleibenden Räume eignen sich besonders die folgenden :
1. Aufgebandeltes Papier, das nach Vakuumtrocknung unter Vakuum mit Öl imprägniert wurde. Dabei sind die einzelnen Spulen je für sich quer zum Draht umbandelt. Der übrige Raum ist koaxial zum Hochspannungsleiter umbandelt. So lässt sich der gesamte zwischen den einzelnen Teilen vorhandene Raum dicht mit Papier so füllen, dass das Papier grösstenteils quer zu den elektrischen Feldlinien liegt, wenigstens überall dort, wo die Feldstärke gross ist. Solche Apparate benötigen ein Ölexpansionsgefäss, das allerdings relativ klein sein soll, weil die Ölmenge klein ist (kleine Abmessungen, Öl nur als Imprägniermittel).
Diese Art der Isolation ist u. a. dann von grösserer Bedeutung, wenn der Spannungswandler in ein Ölkabel eingebaut wird, z. B. als Kabelendverschluss.
2. Aufgebandeltes Papier, vorzugsweise Krepp-Papier, das nach Vakuumtrocknung unter Vakuum mit einem Epoxyharz imprägniert ist. Dies ergibt eine völlig "trockene", dielektrisch und mechanisch vorzügliche Isolation von nahezu isotroper Art.
3. Epoxyharz mit mineralischem Zusatz gibt ebenfalls eine "trockene", dielektrisch und mechanisch gute und praktisch völlig isotrope Isolation.
4. Geeignet sind auch einige Thermoplaste, besonders Polyäthylen, insbesondere vernetztes Poly- äthylen (VerfahrennachZiegleru. ä. ; femerBestrahlungsverfahren).
5. Die wesentliche Isolation kann auch ein Gas hoher dielektrischer Festigkeit sein, wie Pressluft, Schwefelhexafluorid unter erhöhtem Druck etc.
Messtransfbrmatoren der oben beschriebenen Art lassen sich in verschiedenen Formen herstellen, so insbesondere in den folgenden :
Die in Fig. l, 2 und 3 bezeichneten Spannungswandler eignen sich als Teilstück einer isolierten, aussen mit einem Erdbelag versehenen Stromschiene, die sich beidseitig fortsetzt. Auf die isolierte Schiele lassen sich Ringkernstromwandler aufschieben. So ergibt sich insgesamt eine kombinierte Messgruppe aus Spannungswandler und Stromwandler.
In Fig. 3 sind die beiden axialen Enden des Wandlers von Fig. 1 als konische Fugen mit Stecker ausgebildet. Die engen Fugen sind mit einem fliessbaren Dielektrikum in bekannter Weise gefüllt.
In Fig. 4 ist derselbe Wandler am einen Ende geschlossen. Am andern Ende ist die Isolation durch
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Kondensator-Einlagen 14 feldgesteuert. Dieser Spannungswandler kann z. B. als vertikaler Apparat aufge- stellt werden.
In Fig. 5 ist der Stromleiter des Wandlers am einen Ende zu einem Ring ausgebildet, welcher die primäre Wicklung eines Stromwandler enthält.
In Fig. 6 ist das eine Ende des Spannungswandlers so verlängert, dass ein U gebildet wird. Dessen einer
Schenkel bildet den Stromwandler mit dem Ringkern.
In den Fig. 3-6 sind dieselben Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in Fig. l.
Wandler nach Fig. 7 lassen sich ebenfalls analog Fig. 1 - 3 in den Zug von Stromschienen einbauen.
Die Messwandler nach vorliegender Erfindung bieten geradezu überraschende Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Messwandlertechnik : Der Materialaufwand ist relativ klein. Bei Anwendung von öl- imprägniertem Papier als Hauptisolation ist die Ölmenge klein, da das Öl nur Imprägniermittel ist. Die besondere Bauart bietet die Möglichkeit, verschiedene Dielektrika anzuwenden, vor allem auch Trocken- isolation bis zu sehr hohen Spannungen. Vollständige Stossspannungsfestigkeit wird mit einfachsten Mitteln erreicht. Es besteht die höchst einfache, raum- und preisgünstigste Möglichkeit der Kombination mit einem Stromwandler, ferner die Ausführbarkeit in mehreren zweckanpassbaren Bauformen, besonders auch des Einbaues in den Zug isolierter, aussen mit Erdbelag versehener Hochspannungsschienen oder in Kabel, z.
B. als Endverschlufl.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Induktiver, vorzugsweise in den Linienzug der vollständig metallgekapselten und geerdeten Hochspannungsanlage eingebauter Hochspannungswandler, dessen durch die Wicklungen greifender Kern auf Messpotential steht, dadurch gekennzeichnet, dass die um den den Primärleiter koaxial umgebenden Magnetkern gewundenen und auf mehrere Teilspulen aufgeteilten Primärwicklungen sich ganz im Innern eines reinen Zylinderfeldes befinden, das sich zwischen dem Hochspannungsleiter und einer zu diesem und zur Wicklung koaxialen, mindestens über die ganze von den Primärwindungen beanspruchten Länge leitenden und geerdeten zylindrischen Hülle erstreckt.
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Inductive high-voltage converter, preferably built into the line of the completely metal-enclosed and earthed high-voltage system
The present invention relates to an inductive high-voltage converter, preferably built into the line of the completely metal-encapsulated and earthed high-voltage system, whose core, which extends through the windings, is at measurement potential.
Very high voltage converters with an open magnetic core, which is below the measuring potential, are known. The core and windings are in an insulating jacket or in air.
By an essential feature of the present invention, consisting in that the primary windings wound around the magnetic core coaxially surrounding the primary conductor and divided into several sub-coils are located entirely inside a pure cylindrical field that is located between the high-voltage conductor and one to it and cylindrical coaxial to the winding, conductive and grounded at least over the entire length of the primary windings. Extending envelope, surprising advantages are gained. The primary turns can form several coils, the diameters of which are stepped in such a way that the radial insulation strength of the voltage increasing from coil to coil and against the central core and decreasing voltage from coil to coil against earth increases or decreases.
The magnetic return of such a voltage converter outside the earthed conductive sheath can, as shown in FIG. 1, take place through the air. This version of the converter is particularly advantageous for very high voltages - above about 100 kV.
In FIG. 1, 1 denotes the high-voltage current conductor of advantageously round cross-section, 2 the open iron core which coaxially surrounds the current conductor, 3-7 the primary coils, 11 the secondary winding, 12 the surrounding conductive jacket. This conductive jacket must have a high specific resistance at least in the area where the magnetic flux exits.
The magnetic return outside the grounded conductive sheath can, however, also, as shown in FIG. 2, take place through a yoke of high magnetic permeability, in particular made of transformer sheet, which is insulated from the central core and whose ends are designed like pole shoes so that the cross section of the insulating layer penetrating magnetic flux is preferably substantially larger than the cross section of the central magnetic core. This is easily achievable because nothing stands in the way of the central core protruding axially substantially beyond the winding ends.
This version is particularly suitable for nominal voltages of around 10 - 80 kV. The primary winding is therefore drawn here in the form of a single coil, but it can also form two or more partial coils which are axially and / or radially displaced relative to one another.
In FIG. 2, 1 is the current conductor, 2 the central iron core, 3 the yoke core, 4 the primary coil, 11 the secondary coil, 12 the surrounding conductive jacket.
The described arrangements result in excellent dielectric and magnetic conditions. The electric field penetrates all coils and the dielectric radially; Axial components of easily controllable size still occur between successive coils. In the case of surge voltage, this results in a completely even distribution of voltage across all coils. The radial dimensions are relatively very small. The magnetic coupling of primary and secondary winding is on
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the cheapest possible. In particular, however, the transducer can assume the most varied, in part novel, forms that are expedient in plant construction, which are described below.
For high voltages, the primary winding and the pole-shoe-like, radial part of the return core can be divided into at least two coaxial stages connected in series, with between the
Steps of the core each have an insulating layer. Fig. 7 shows a voltage converter constructed in this way with three coaxial stages. The fact that the winding itself is spatially divided into steps is not as important as the electrical subdivision, such that the voltage gradient of the magnetic core steps is approximately parallel to that of the winding layers. This can advantageously be achieved by direct conducting
Connections of the core stages with the corresponding winding layers.
But with a suitable dimensioning, the core stages already receive the potential corresponding to their geometric position by virtue of their capacitive coupling with one another. A bushing insulator, advantageously a capacitor bushing at high voltages, drives the high voltage pole to the outside.
In. Fig. 7 is 1 the central iron core, 2 the yoke core with the radial steps 3, 4 and 5. The corresponding steps of the primary winding are 6,7 and S. 9 is the secondary winding. A grounded conductive jacket 10 surrounds the whole system. The capacitor bushing 11 leads through this jacket.
The insulating layers between the core stages are denoted by 12.
The multi-stage voltage converter shown does not produce a single point in which the electric field does not run favorably. The cost of material is relatively very small due to complete utilization, which is why the dimensions are also relatively small.
A design which in principle corresponds to that of FIG. 7, but which consists of 2 or more coaxial partial transducers, each of which can be produced and tested independently and which can then be pushed into one another to form a single transducer, is shown in FIG. 1 denotes the central cylindrical iron core, 2 the coaxial yoke core, 3 radial yoke cores, 4 and 5 primary coils, 6 and 7 the insulation that continues between the yoke cores, 9 the secondary winding, 10, 11 and 12 are conductive coatings, of which 10 and 11 are short-circuited; 13 and 14 are insulating parts which together form the insulating introduction. The conductive coatings have a high specific resistance so that no disruptive eddy currents are formed.
It is advisable to limit the nested transducers slightly conically.
The following are particularly suitable as insulating material for the spaces remaining between the core, outer shell and windings:
1. Opened paper which, after vacuum drying, was impregnated with oil under vacuum. The individual coils are each wrapped across the wire. The rest of the space is wrapped coaxially with the high-voltage conductor. In this way, the entire space between the individual parts can be tightly filled with paper in such a way that the paper is largely perpendicular to the electrical field lines, at least wherever the field strength is great. Such devices require an oil expansion vessel, which should, however, be relatively small because the amount of oil is small (small dimensions, oil only as an impregnating agent).
This type of isolation is u. a. then of greater importance when the voltage converter is installed in an oil cable, e.g. B. as a cable termination.
2. Rolled-on paper, preferably crepe paper, which is impregnated with an epoxy resin after vacuum drying under vacuum. This results in a completely "dry", dielectrically and mechanically excellent insulation of an almost isotropic type.
3. Epoxy resin with mineral additives also gives a "dry", dielectrically and mechanically good and practically completely isotropic insulation.
4. Some thermoplastics are also suitable, especially polyethylene, especially crosslinked polyethylene (Ziegler method and the like; furthermore irradiation methods).
5. The essential insulation can also be a gas with high dielectric strength, such as compressed air, sulfur hexafluoride under increased pressure, etc.
Measurement transformers of the type described above can be manufactured in various forms, in particular in the following:
The voltage converters indicated in FIGS. 1, 2 and 3 are suitable as a part of an insulated busbar which is provided on the outside with an earth covering and continues on both sides. Toroidal core current transformers can be pushed onto the insulated Schiele. This results in a combined measuring group consisting of a voltage transformer and a current transformer.
In Fig. 3, the two axial ends of the transducer of Fig. 1 are designed as conical joints with a plug. The narrow joints are filled with a flowable dielectric in a known manner.
In Fig. 4 the same transducer is closed at one end. At the other end, the isolation is through
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Condenser inserts 14 field-controlled. This voltage converter can, for. B. be set up as a vertical device.
In Fig. 5, the current conductor of the converter is formed at one end into a ring which contains the primary winding of a current converter.
In Fig. 6, one end of the voltage converter is extended so that a U is formed. One of them
Leg forms the current transformer with the toroidal core.
In FIGS. 3-6, the same parts are denoted by the same reference numerals as in FIG.
Converters according to FIG. 7 can also be built into the train of busbars analogously to FIGS. 1-3.
The measuring transducers according to the present invention offer downright surprising advantages over the previous state of the measuring transducer technology: The cost of materials is relatively small. When using oil-impregnated paper as the main insulation, the amount of oil is small because the oil is only an impregnating agent. The special design offers the possibility of using different dielectrics, especially dry insulation up to very high voltages. Complete shock resistance is achieved with the simplest means. There is the most simple, space-saving and cheapest possibility of combination with a current transformer, also the feasibility in several purpose-adaptable designs, especially the installation in the train of insulated, externally provided high-voltage rails or in cables, z.
B. as Endverschlufl.
PATENT CLAIMS:
1. Inductive high-voltage converter, preferably built into the line of the completely metal-encapsulated and grounded high-voltage system, whose core reaching through the windings is at measuring potential, characterized in that the primary windings, which are wound around the magnetic core coaxially surrounding the primary conductor and divided into several partial coils, are entirely inside a pure cylindrical field which extends between the high-voltage conductor and a cylindrical sheath which is coaxial with this and with the winding and at least over the entire length occupied by the primary windings and which is conductive and earthed.