Einphasiger Stromwandler der Kerntype für hohe Netzspannungen. Bei Stromwandlern der Kerntype für hohe Betriebsspannungen bereitet es Schwie rigkeiten, bei Einhaltung enger Fehler grenzen grosse Sekundärleistungen zu er halten.
In erster Annäherung ist die Grösse der auftretenden Messfehler eines Stramwand- lers bestimmt durch den Quotienten
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Dabei bedeutet AWm.,ön. : die zur Erzeugung einer ge wünschten Induktion nötigen Amperewin- dungen.
AWrri",;i,: die totale Amperewindungszahl der Primärwicklung.
Je kleiner der Wert des angegebenen Quotienten wird, um so genauer wird der Stromwandler. Es genügt dabei, für die erste Annäherungsrechnung nur die wattlose Komponente des Leerlaufstromes einzusetzen und die bei genauer Rechnung ebenfalls zu berücksichtigende Wattkomponente hier zu vernachlässigen. Die aus diesen angenäher ten Rechnungsresul-b'aten abgeleiteten Über legungen stehen in genügender Übereinstim mung mit denjenigen, die aus einer genauen Rechnung folgen.
Durch Steigerung der Pi@imäramperewin- dungen AWi,r;,u:i, bei konstanten magnetisie renden Amperewindungen AWmagn. kann die Genauigkeit eines Stromwandlers gesteigert werden.
Bei konstant angenommenem Sekun- därstrom wächst dabei die sekundäre Win- dungszahl proportional mit den Primäram- perewindungen. Lässt man den Querschnitt und das Material der Sekundärwicklung un verändert, so steigt mit der Windungszahl ihr Ohmseher Widerstand praktisch propor tional und ihr induktiver Widerstand prak tisch quadratisch.
Besonders der induktive Widerstand er reicht, vornehmlich bei Wandlern für hohe Betriebs- und Prüfspannung, rasch sehr hohe Werte. Die Ohmschen und induktiven Spannungsabfälle der Primärwicklung brau chen nicht berücksichtigt zu werden. Sie haben keinen direkten Einfluss auf die Mess- fehler eines Stromwandlers.
Die Vergrösserung des Ohmschen und vor allem induktiven Abfalles in der Sekundär wicklung mit wachsender Primäramperewin- dungszahl ist bei Kernwandlern so erheb lich, dass ein unverhältnismässig grosser Mehr aufwand an Wicklungs- und magnetischem Material nur noch geringe Fehlerverkleine rungen oder unbedeutende Erhöhungen der sekundären Nutzleistung ergeben.
Auch aus einem andern Grunde ist eine einfache Steigerung der Primäramperewin- dungszahl im allgemeinen bei Kernstrom- wa.ndlern der bisher bekannten Ausführung unerwünscht. Bei hohen Amperewindungs- zahlen treten hohe magnetische Felddichten in dem von den Wicklungen eingenommenen Raum ein. Als Folge davon ergeben sich hohe Stromkräfte im Wandler, sobald in dessen Wicklungen grosse Kurzschlussströme auftreten. Diese Kräfte können zu einer mechanischen mit anschliessend elektrischer Beschädigung führen.
Die Kerntype in ihrer einfachsten Form gilt deshalb bei Stromwandlern für hohe Be triebsspannungen als wenig zweckmässig, so bald hohe Genauigkeit oder grosse Sekundär leistung verlangt werden.
Es ist bekannt, die beschriebenen Nach teile durch verschiedene Mittel zu beseitigen, wie z. B. durch Vormagnetisierung oder partielle Kurzschlusswindungen.
Erfindungsgemäss wird die Lösung dieser Aufgabe bei einem einphasigen Kernstrom wandler dadurch erreicht, dass derselbe min destens zwei magnetisch miteinander ver knüpfte .Säulen aufweist, von denen jede eine Primär- und eine Sekundärwicklung trägt.
In Fig. 1 ist ein Kernwandler bekannter Ausführung, während Fig. 2 ein Beispiel für den Erfindungsgegenstand darstellt.
Es bedeuten 1 den Eisenkern, 2 eine Primärwicklung und 3 eine Sekundärwick lung.
Folgende Beispiele zeigen, welche bea.cht. liehen Vorteile mit der Ausführung der Fig. 2 gegenüber der bisher üblichen nach Fig. 1 erreicht werden können.
Ein Kernwandler mit einer einsäuligen Bewicklung sei so dimensioniert, dass er bei Nennstrom und Belastung mit seiner Nenn bürde eine Induktion von 2000 Gauss in seinem Eisenkörper annehme und hierbei den gestellten Genauigkeitsansprüchen genüge. Für eine Induktion von 2000 Gauss sind etwa 0,22 AW/cm Eisenkreislänge nötig. Werden erfindungsgemäss beide Säulen mit je einer Primärwicklung bewickelt, welche z.
B. in Serie geschaltet sind, so wird bei gleichbleibender Eisenlänge im Kern die dop pelte Amperewindungszahl = 0,44 AW/cm erhalten, denn das Verhältnis von AWm,gn./ AWPhmär ist in beiden Fällen gleich. Die entsprechende Induktion für 0,44 AW/cm ist aber 6000 Gauss.
Die Leistung des Kern- Wandlers gemäss der Erfindung wird dem nach angenähert:
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Die genaue Bestimmung der Leistungs vergrösserung muss die allfällige Vergrösse rung der Länge des magnetischen Kreises berücksichtigen. Da die Primärwicklungen s ungefähr gleiches Potential gegen Eisen auf weisen und dementsprechend nahe aneinan- dergerückt werden können, sind die Abmes sungen des Eisenkernes für einen Wandler gemäss der Erfindung nur wenig oder gar c nicht von einer einsäulig bewickelten Aus führung verschieden.
Die genaue Berech nung hat ferner zu berücksichtigen, da.ss die Abfälle in den beispielsweise ebenfalls in Serie geschalteten Sekundärwicklungen bei- , der Säulen sowohl im Ohmschen als auch induktiven Wert nur doppelt so gross sind als bei der einsäulig bewickelten Kerntype. Die Nutzleistung der zw eisäulig bewickelten Kerntype wird also eher mehr als das Sechs fache einer einsäulig bewickelten Ausführung erreichen.
Die gleiche Wirkung wird erzielt, wenn nur die Primärwicklungen in Serie und die Sekundärwicklungen parallel oder nur die , Sekundärwicklungen in Serie und die Pri märwicklungen parallel oder Primär- und Sekundärwicklung parallel geschaltet sind.
Die Erfindung erlaubt aber auch, die Ge nauigkeit der Kerntypenstromwandler zn , verbessern. Wird der Kern zweisäulig so bewickelt, dass er bei Serieschaltung der Pri märwicklung beispielsweise eine Induktion von 2000 Gauss bei Nennstrom und Nenn bürde aufweist, so steht dafür die doppelt- ; Primäramperewindungszahl zur Verfügung.
Das Verhältnis der magnetisierenden Am perewindungen zu den Primära.mperewindun- gen wird auf die Hälfte verkleinert, die Leistung aber durch die zweisäulige Bewick- , Jung verdoppelt. Es ist demnach möglich, ohne nennenswerten Mehraufwand an Kern material, durch die Erfindung Stromwandler mit doppelter Messleistung bei etwa halben Fehlergrössen zu bauen, verglichen mit Kern- strom-#vandlern einsäuliger Bewicklung.
Die erfindungsgemässe Ausführung des ,Stromwandlers der Kerntype bewirkt ferner auch eine Verbesserung seiner Kurzschluss- eigenschaften. Es ist bekannt, dass Strom wandlerwicklungen sehr hohen Kraftwirkun gen ausgesetzt sind, wenn sie von hohen Kurzschlussströmen durchflossen werden.
Be sonders gefährdet sind Wandler in Zweig leitungen von Hochleitungssammelschienen, weil sie entsprechend einem kleinen Zweig strom viele Primärwindungen erhalten müs sen und trotzdem dem gesamten Kurzschluss- strom des Netzes am Verzweigungspunkt ausgesetzt sind. Zur Erreichung der Kurz- schlussfestigkeit strebt man daher an, den Wandler mit wenig Primärwindungen auszu führen. Dieser Forderung widersprechen die Anforderungen nach hoher Genauigkeit und grosser Sekundärleistung.
Die üblichen bisher bekannten Kernstromwandler konnten diese widerstrebenden Forderungen nur schwierig erfüllen. Bei der erfindungsgemässen zwei- säuligen Primärwicklung werden die Kurz schlussbeanspruchungen wesentlich günstiger.
Wird das Verhältnis der magnetisieren den zu den primären Amperewindungen bei der einsäuligen Bewicklung konstant gehal ten, so haben, wie bereits dargelegt, beide Ausführungen die gleichen.
Fehler bei glei cher Messleistung. Bei der zweisäuligen Be- wicklung hat die Wicklung einer Säule da gegen nur etwa die halbe Primäramperewin- dungszahl. Da die Kurzschlusskräfte der Wicklung quadratisch mit der Amperewin- dungszahl sich ändern,
sinkt die Beanspru ehung der Wicklung bei Kurzschluss in der zweisäulig bewickelten Type auf 1/.1 der Beanspruchung der einsäulig bewickelten Ausführung. Der Wandler mit der erfin dungsgemässen Ausführung kann also den doppelt so hohen Kurzschlussstrom ertragen wie eine normale Kerntype.
Genaue Stromwandler erfordern auch eine genaue Abgleichung der Übersetzung, die z. B. dadurch erreicht wird, dass von einer oder mehreren Windungen der Sekun- därwicklung nur ein Teilfluss des Magnet körpers umschlungen wird. Beim Strom wandler gemäss vorliegender Erfindung lässt sich eine Feinabgleichung auch dadurch er zielen, dass z.
B. beide Sekundärwicklungen in Parallelschaltung ausgeführt werden, wobei die Wicklung der einen Säule mehr Windungen als die Wicklung der andern Säule erhält. Wenn beispielsweise auf der einen Säule 500 Windungen vorhanden sind, auf der andern Säule 499, so entspricht der ySummenstrom mit grosser Annäherung dem Wert, der bei Ausführung einer Wicklung mit 499 Windungen und einer Windung um den halben Fluss erreicht werden kann.
Das fabrikatorisch wenig erwünschte Schlaufen um Kernteile herum fällt bei Ausführung der beschriebenen Anordnung durch Parallel schaltung zweier Säulen mit ungleichen Windungszahlen dahin. Es ist auch möglich, zum Zwecke der Feinabgleichung die Sekun därwicklung beider Säulen in gemischter Schaltung zu verwenden, das heisst in teil weiser Serie- und teilweiser Parallelschal tung. Vielfach genügt es, den grössten Teil der Sekundärwicklungen beider Säulen zu diesem Zwecke in Serie zu schalten und hierzu, ebenfalls noch in Serie, einen Wick lungsstrang anzuschliessen, der aus zwei parallelen Zweigen besteht, wobei jeder Zweig auf je einer Säule angeordnet ist.
Diese beiden parallel geschalteten Zweige erhalten einen passenden Windungszahlenunterschied, womit eine ähnliche Wirkung erreicht wird, wie wenn eine reine Parallelschaltung der beiden Sekundärwicklungen angewendet würde, entsprechend den weiter oben gege benen Erläuterungen.
Single-phase core type current transformer for high line voltages. In the case of current transformers of the core type for high operating voltages, it is difficult to obtain high secondary powers while adhering to narrow error limits.
As a first approximation, the size of the measurement errors occurring in a current transformer is determined by the quotient
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AWm. Means ön. : the ampere turns required to generate a desired induction.
AWrri ",; i ,: the total number of ampere-turns of the primary winding.
The smaller the value of the specified quotient, the more precise the current transformer will be. It is sufficient to use only the wattless component of the no-load current for the first approximation calculation and to neglect the watt component that is also to be taken into account in a more precise calculation. The considerations derived from these approximate calculation results are in sufficient agreement with those that follow from an exact calculation.
By increasing the Pi @ imäramperewindungen AWi, r;, u: i, with constant magnetizing ampere-turns AWmagn. the accuracy of a current transformer can be increased.
If the secondary current is assumed to be constant, the secondary number of turns increases proportionally with the primary ampere turns. If the cross-section and the material of the secondary winding are left unchanged, the higher the number of turns, their ohmic resistance increases practically proportionally and their inductive resistance practically quadratic.
The inductive resistance in particular quickly reaches very high values, especially in converters for high operating and test voltages. The ohmic and inductive voltage drops in the primary winding do not need to be taken into account. They have no direct influence on the measurement errors of a current transformer.
The increase in the ohmic and, above all, inductive drop in the secondary winding with increasing primary ampere turns is so significant in core converters that a disproportionately large increase in the expenditure of winding and magnetic material results in only minor error reductions or insignificant increases in the secondary useful power.
For another reason, too, a simple increase in the primary amperage number is generally undesirable in core current converters of the previously known design. With high ampere-turns, high magnetic field densities occur in the space occupied by the windings. As a result, there are high current forces in the converter as soon as large short-circuit currents occur in its windings. These forces can lead to mechanical and subsequent electrical damage.
The core type in its simplest form is therefore considered to be of little practical use in current transformers for high operating voltages as soon as high accuracy or high secondary power is required.
It is known to eliminate the described after parts by various means, such. B. by premagnetization or partial short-circuit windings.
According to the invention, this object is achieved in a single-phase core current converter in that it has at least two magnetically linked columns, each of which has a primary and a secondary winding.
FIG. 1 shows a core converter of known design, while FIG. 2 shows an example of the subject matter of the invention.
It denotes 1 the iron core, 2 a primary winding and 3 a secondary winding.
The following examples show which ones. borrowed advantages can be achieved with the embodiment of FIG. 2 compared to the previously customary according to FIG.
A core converter with a one-column winding is dimensioned in such a way that it assumes an induction of 2000 Gauss in its iron body at nominal current and load with its nominal load and thereby meets the accuracy requirements. For an induction of 2000 Gauss, about 0.22 AW / cm iron circle length are required. According to the invention, both columns are wound with a primary winding each, which z.
B. are connected in series, the doubled number of ampere turns = 0.44 AW / cm is obtained with the same iron length in the core, because the ratio of AWm, gn. / AWPhmär is the same in both cases. The corresponding induction for 0.44 AW / cm is 6000 Gauss.
The performance of the core converter according to the invention is approximated as follows:
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The exact determination of the increase in power must take into account any increase in the length of the magnetic circuit. Since the primary windings s have approximately the same potential against iron and can accordingly be moved close to one another, the dimensions of the iron core for a converter according to the invention are only slightly or not at all different from a single-column wound execution.
The exact calculation must also take into account that the waste in the secondary windings, which are also connected in series, for example, is only twice as large in the ohmic as well as inductive value of the columns than in the single-column wound core type. The useful output of the core type wound with two columns will therefore achieve more than six times that of a wound version with one column.
The same effect is achieved if only the primary windings in series and the secondary windings in parallel or only the secondary windings in series and the primary windings in parallel or primary and secondary windings are connected in parallel.
However, the invention also allows the accuracy of the core type current transformer to be improved. If the core is wound with two columns so that it has an induction of 2000 Gauss at nominal current and nominal burden when the primary winding is connected in series, then the double; Primary amp turns available.
The ratio of the magnetizing ampere turns to the primary ampere turns is reduced by half, but the power is doubled thanks to the two-column Bewick, Jung. It is therefore possible, without significant additional expenditure on core material, to build current transformers with twice the measuring power with approximately half the error size compared to core current transformers with one-column winding.
The design according to the invention of the core-type current transformer also improves its short-circuit properties. It is known that current transformer windings are exposed to very high force effects when high short-circuit currents flow through them.
Converters in branch lines of high-wire busbars are particularly at risk because, corresponding to a small branch current, they have to receive many primary windings and are nevertheless exposed to the entire short-circuit current of the network at the branch point. In order to achieve short-circuit strength, the aim is therefore to design the converter with few primary turns. This requirement contradicts the requirements for high accuracy and high secondary power.
The usual core current transformers known up to now could only meet these conflicting requirements with difficulty. In the case of the two-column primary winding according to the invention, the short-circuit loads are significantly more favorable.
If the ratio of the magnetizing to the primary ampere turns in the one-column winding is kept constant, then, as already explained, both versions are the same.
Error with the same measurement performance. With the two-column winding, the winding of one column, on the other hand, only has about half the primary amperage. Since the short-circuit forces of the winding change quadratically with the number of ampere turns,
the stress on the winding in the event of a short circuit in the two-column wound type drops to 1 / .1 the stress in the single-column wound version. The converter with the design according to the invention can therefore withstand twice as high a short-circuit current as a normal core type.
Accurate current transformers also require an exact adjustment of the translation, which z. B. is achieved in that one or more turns of the secondary winding only a partial flux of the magnet body is wrapped. When the current converter according to the present invention, a fine adjustment can also be achieved by z.
B. both secondary windings are carried out in parallel, the winding of one column receives more turns than the winding of the other column. If, for example, there are 500 turns on one column and 499 on the other, then the y total current corresponds with a large approximation to the value that can be achieved when executing a winding with 499 turns and one turn around half the flux.
The loops around core parts, which are not very desirable in terms of manufacturing, are eliminated when executing the described arrangement by connecting two columns in parallel with unequal numbers of turns. It is also possible to use the secondary winding of both columns in a mixed circuit for the purpose of fine-tuning, that is to say in some series and some in parallel. In many cases, it is sufficient to connect most of the secondary windings of both columns in series for this purpose and to connect a winding strand, also in series, which consists of two parallel branches, each branch being arranged on one column.
These two branches connected in parallel receive a suitable difference in the number of turns, which has a similar effect as if a pure parallel connection of the two secondary windings were used, according to the explanations given above.