Strommesseinrichtung an Hochspannungsanlage, mit geradem Primärleiter und mindestens einem benachbarten Stromleiter
Bei den bekannten Stromwandlern, insbesondere in Hoch-und Höchstspannungsleitungen werden an die Isolation zwischen dem Primärleiter und der auf Erdpotential liegenden Sekundärwicklung besonders grosse Anforderungen gestellt. Solche Wandler erhalten deshalb ein beträchtliches Ausmass und bedingen hohe Herstellungskosten. Zur Umgehung dieses Umstandes sind verschiedene Anordnungen bekanntgeworden, bei denen der jeweilige Leitungsstrom auf indirektem Wege kontrolliert wird, z. B. elektromechanisch über ein Isoliergestänge oder mit Hilfe eines vom Leitungsstrom beeinflussten Licht-oder Wärmestrahles.
Der geringere Aufwand ergibt sich hier auf Kosten der Betriebssicherheit und der Mess- genauigkeit.
Eine weitere Möglichkeit zur Messung des Leitungsstromes besteht darin, dass unmittelbar das zirkulare Magnetfeld des Leitungsstromes selbst als Obertragungselement benutzt wird. Bekannt ist hier die Umschliessung des Leitungsdrahtes mit einer homogenen Ringspule, welcher Anordnung jedoch wegen der erforderlichen grossen Abmessungen keine besondere Bedeutung zukommt. Eine besonders einfache Lösung wäre dagegen eine in überschlagsiche- rem Abstande angeordnete Spule, die von mindestens einem Teil des zirkularen Magnetfeldes des Leitungsstromes durchsetzt wird. Im Falle eines einzelnen Stromleiters lässt sich aus der hierin induzierten Spannung leicht ein dem Leitungsstrom proportionaler Messwert gewinnen.
Bei mehrphasigen Leitungssystemen werden aber in einer solchen Spule auch von den Feldern der Nachbarleiter Spannungen induziert, welche bei den praktisch üblichen Leiterabständen noch so gross sind, dass eine genügend genaue Messung des Primärstromes nicht möglich ist.
Der Nachteil einer derartigen Spule wird durch die vorliegende Erfindung vermieden. Sie ermöglicht die Messung des Phasenstromes jedes einzelnen Leiters einer Mehrphasenleitung, ohne dass dabei die vom Primärstrom induzierte Spannung von den Stör- feldern der übrigen Leitungsströme gefälscht wird.
Die Erfindung betrifft eine Strommesseinrichtung an einer Hochspannungsanlage, mit geradem Primär- leiter und mindestens einem benachbarten Stromleiter. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundärspule im Felde dieser Leiter liegt, wobei deren Windungen auf mindestens zwei Teilspulen verteilt sind, welche in der Querrichtung zu einer durch den Primärleiter gelegten, jedoch nicht durch den Nachbarleiter gehenden Bezugsebene in durchschlagsicheremAbstandevonden induzierendenLeitern derart angeordnet und geschaltet sind, dass die durch das Feld des benachbarten Stromleiters in den Teilspulen induzierten Spannungen sich wenigstens angenähert aufheben.
Die Strommessung beruht auf der unterschiedlichen Induktionswirkung der von räumlich verteilt geführten Leitungsströmen erzeugten Magnetfelder auf die von diesen durchsetzten Teilspulen. Eine Sekundärspannung von brauchbarer Grösse tritt nur dann auf, wenn sich der erregende Leiter in der Bezugsebene befindet, während für einen ausserhalb dieser Ebene liegenden Leiter jene um so mehr verschwindet, je grösser die durch die Verteilung und Anordnung der Spulenwindungen bestimmte Selektion der Sekundärspule ist. Die Formgebung der Sekun därspule kann hierbei auf die Entkopplung einzelner Nachbarleiter ausgelegt sein oder sie kann sich auf die Entkopplung einer beliebigen Anzahl in verschiedenen Abständen liegender Nebenleiter beziehen.
Die Querrichtung, in der die Teilspulen angeordnet sind, kann je nach Lage der Nebenleiter gegenüber dem Primärleiter senkrecht oder auch schräg zur Bezugsebene verlaufen. Es kann dabei auch die eine Teilspule in der Bezugsebene selbst liegen, während die andere sich ausserhalb dieser befindet. Erhebliche Vorteile in konstruktiver und wirtschaftlicher Hinsicht ergeben sich, wenn die Teilspulen symmetrisch zur Bezugsebene angeordnet sind.
Anhand der Fig. 1-6 werden als Ausführungs- beispiele der Erfindung Aufbau und Wirkungsweise der Sekundärspule näher erläutert. Dargestellt ist jeweils die vom zirkularen Magnetfeld eines geraden stromführenden Leiters in einer einzelnen Spule oder in einer Spulenkombination induzierte Spannung (auf 1 normiert) in Funktion des Verhältnisses x h. Hierbei bedeuten x = Horizontalabstand des Leiters von der Bezugsebene, welche im allgemeinen zugleich Symmetrieebene ist, h = Vertikalabstand des Stromleiters von der Spulenmitte. Ferner ist angenommen, dass die Abmessungen der Einzelspulen klein sind im Vergleich zum Abstand h, so dass die Feldstärken innerhalb der Spulenflächen jeweils als konstant betrachtet werden können.
Fig la zeigt schematisch die Anordnung einer einzelnen vertikalen Spule S im zirkularen Magnetfeld des Leiters L (Verlauf senkrecht zur Zeichnungsebene), welcher vom Strom I durchflossen wird. Von der im Abstand r auftretenden Feldstärke H fällt für die Grösse der induzierten Spannung nur die Komponente H. in Betracht. Die an den Klemmen der Spule auftretende Spannung verändert sich deshalb umgekehrt proportional zu 1 + (x'h) 2. Der entsprechende Spannungsverlauf ist in Fig. 2, Kurve a, dargestellt.
Im Abstand x= + 2h beträgt die induzierte Spannung noch 20 /o des Wertes entsprechend x = 0, für x = 3 h noch 10 ouzo und für x = 4,5 h noch 4,7 /@. Wie ersichtlich, ist bereits bei einer einzelnen Spule eine gewisse Selektion bezüglich des kreisför- migen Magnetfeldes eines in der Spulenebene liegenden Stromfadens vorhanden, welche aber zur Messung der Leitungsströme in Mehrphasenleitungen infolge der grossen Störwirkung der Nachbarleiter noch keinesfalls genügt.
In Fig. 1 b ist im Felde des Leiters L eine einzelne horizontale Spule angeordnet. Für die induzierte Spannung fällt hier die Komponente Hy in Betracht.
Diese kehrt beim Vorzeichenwechsel von x ihre Richtung um. Die induzierte Spannung ist deshalb eine ungerade Funktion von x'h. Der sich ergebende Spannungsverlauf (auf 115 normiert) zeigt Fig. 2, Kurve b.
In Fig. 1 c sind zwei gleiche vertikale Spulen Si und S2, angeordnet im Abstand A von der Bezugsebene, zu Grunde gelegt. Vom Strom I werden in den Abständen r'und r"die Feldstärken H'und H"er- zeugt. Die für die induzierte Spannung massgebenden Feldkomponenten sind mit 77/und Ht"bezeichnet.
Beide Spulen sind gleichsinnig in Serie geschaltet. Der Spannungsverlauf ist ähnlich wie derjenige bei der Spule nach Fig. la, solange A < h l f 3 ist. Für A ¯ h, f 3, welches Gebiet mit B bezeichnet ist, erhält dagegen das ursprüngliche Maximum in der Symmetrieebene eine zunehmende Einsattelung, so dass schliesslich zwei ausgeprägte Spannungshöcker entstehen. In Fig. 2 orientiert Kurve C über den sich beispielsweise für A = 2 h ergebenden Verlauf der induzierten Spannung (aus später ersichtlichen Gründen auf 1'5 normiert).
In Fig. ld sind zwei gleiche horizontale Spulen Sl und 52 zou Grunde gelegt. Die vom Leiter L in Punkt 2 herrührenden Feldkomponenten H'i, y und H"., v sind in beiden Spulen nach unten gerichtet. Befindet sich jedoch der Leiter L in Punkt 1, so ist die Komponente H"ly in der Spule S. nach oben gerichtet. Schaltet man daher beide Spulen gegensinnig in Serie, so ergibt sich als Klemmenspannung die Summe der induzierten Spannungen, solange-A < x < + A ist, für l x t, welches Gebiet mit C bezeichnet ist, jedoch die Differenz.
In Fig. 2, Kurve d, ist der für beispielsweise A = h ; 2 auftretende Spannungsverlauf aufgetragen.
Die in Fig. 1 dargestellten Spulensysteme sind Grundformen. Wie die entsprechenden Spannungskurven der gewählten Beispiele zeigen (Fig. 2), lassen sich insbesondere mit den Anordnungen c und d die asymptotischen Bereiche der Kurve a, z. B. im Gebiet F x | > 2 h, weitgehend approximieren, wobei die nachgebildete Spannung je nach Lage der Einzelspulen entweder gleichphasig (Kurve c) oder gegenphasig (Kurve d) zur Originalspannung (Kurve a) ist.
Durch Kombination der genannten Spulenelemente kann daher der bei der Einzelspule beidseitig auftretende störende asymptotische Spannungsabfall beliebig genau kompensiert werden, wodurch sich Sekundärspulen ergeben, welche bezüglich dem Ursprung eines zirkularen Magnetfeldes erheblich grö- ssere Selektionen aufweisen, als dies bei der Einzelspule nach Fig. la der Fall ist.
Die Erfindung wird anhand einzelner Ausfüh- rungsbeispiele näher erläutert, und zwar für Fälle, in denen die Teilspulen symmetrisch zur Bezugsebene liegen. Die symmetrische Anordnung hat praktisch die grösste Bedeutung.
In Fig. 3a ist die Einzelspule gemäss Fig. la mit der Doppelspule nach Fig. lc in Differenz geschaltet.
Es sind drei Teilspulen vorhanden. Die Teilspulen 1 und 2 stehen beidseitig symmetrisch zur Bezugsebene, die dritte Spule 3 liegt in der Bezugsebene. Sämtliche Spulenachsen stehen senkrecht zur Bezugsebene. Der entsprechende Spannungsverlauf zeigt Fig. 4a für den Fall, dal3 die Windungszahlen der Teilspulen 1 und 2 zu je 20 ouzo von derjenigen der Teilspule 3 und A = 2h gewählt sind. Die induzierte Summenspannung ist Null bei x= + 2h und bei x= + 3h. Die dazwischenliegenden Maxima betragen noch 2,4 /o. bei x = 2,4h und 1,8 /o bei x = + 4,5 h.
In Fig. 3b ist die Spule gemäss Fig. la mit der Doppelspule nach Fig. ld in Serie geschaltet. Es sind drei Teilspulen vorhanden, deren dritte Spule 3 in der Bezugsebene liegt und ihre Achse senkrecht auf der Bezugsebene steht, während die Achsen der Teil spulen 4 und 5 parallel zur Bezugsebene liegen. Der sich ergebende Spannungsverlauf ist in Fig. 4b für A = h 4 dargestellt. Ausserhalb x = 2,5 h heben sich die induzierten Spannungen durchweg nahezu auf. Das noch verbleibende Maximum liegt bei x = + 3,5 h und beträgt noch 0,6 /o.
Es können aber auch die Spulensysteme der Fig. lc und ld miteinander kombiniert werden. Für den Fall, dass die einzelnen Spulenabstände gleich sind, ergeben sich Kreuzspulen wie in Fig. 3c angedeutet. Die Achsen der Teilspulen 1 und 2 stehen senkrecht zur Bezugsebene. Ferner sind zwei mit ihren Achsen parallel zur Ebene liegende Teilspulen 4 und 5 vorhanden, deren Mittelpunkte mit je einem Mittelpunkt der ersten Teilspulen 1 und 2 zusammenfallen ; sie bilden so zwei Kreuzspulen. Fasst man schliesslich noch die Komponenten der Kreuzspulen zusammen, so können diese, wie Fig. 3d zeigt, auch durch gegen die Bezugsebene schräg stehende Teilspulen ersetzt werden.
Für 0 (und A < h V ist dann der Spannungsverlauf ähnlich demjenigen nach Fig. 2a, fur y = 90 aber ähnlich demjenigen nach Fig. 2d.
Der günstigste Neigungswinkel für optimale Spannungskonvergenz liegt bei der Anordnung nach Fig. 3d, bezogen auf A = h'4, etwa bei ç = 80 . Der den Kombinationen nach Fig. 3c und Fig. 3d entsprechende Spannungsverlauf stimmt für A = h'4 weitgehend mit demjenigen nach Fig. 4b überein.
Durch Zuordnung weiterer Teilspulen kann der restliche Störeinfluss noch mehr vermindert und zugleich das Gebiet der optimalen Spannungskonvergenz noch weiter vergrössert werden. Beispiele dieser Art zeigt Fig. 5. Zum Beispiel zeigt Fig. 5a eine Anordnung, bei der vier Teilspulen 8,4,5,9 vorhanden sind, deren Achsen parallel zur Bezugsebene liegen, wobei eine fünfte Teilspule 3 vorhanden ist, deren Achse senkrecht zur Bezugsebene liegt.
Fig. 5b zeigt eine Anordnung, wo ausserhalb der Kreuzspulen 1 und 4 bzw. 2 und 5 zwei weitere zur Bezugsebene symmetrisch liegende Kreuzspulen 10 und 11 vorhanden sind.
In der Fig. 5c ist eine Anordnung gezeigt, wo bei der Anordnung nach der Fig. 3b zwei weitere symmetrisch und schräg zur Bezugsebene liegende Spulen 12 und 13 vorhanden sind.
In der Fig. 5d ist eine Anordnung dargestellt, wo zu der Anordnung nach Fig. 3d ausser den beiden schrägen Spulen 6 und 7 zwei weitere symmetrisch und schräg zur Bezugsebene liegende Spulen 14 und 15 vorhanden sind.
Die in Fig. 5 dargestellten Anordnungen sind Kombinationen der in den Fig. 1 und 3 enthaltenen Grundformen und weisen wegen der Gleichheit der gewählten Abstände praktisch gleiche Selektionskurven auf, welche in Fig. 6 dargestellt ist. Die induzierte Spannung wird bereits bei x 1, 4h zu Null. Weitere Nullstellen liegen bei x = 2, 5 h und x= + 3,6 h.
Die ersten beiden Zwischenmaxima betragen noch 0,3 ouzo und 0,01 /o bezogen auf Nennstrom. Bei diesen Anordnungen ist ausserhalb x = 2, 5 h die Entkopplung der Nachbarleiter bereits derart gut, dass selbst darin fliessende Kurzschlussströme vom 10-bis 20fachen Nennstrom die Genauigkeit der Strommessung in bezug auf einen in der Spulenebene liegenden Leiter nicht mehr beeinträchtigen können.
Die Selektion der Sekundärspule ist, wie die dargelegten Beispiele zeigen, um so grösser, je ausgedehnter die Sekundärwindungen verteilt sind. Ausserdem kann die von einem ausserhalb der Bezugsebene liegenden Leiter induzierte Sekundärspannung in Funktion seines Abstandes von der Bezugsebene an mindestens zwei Stellen exakt zum Verschwinden gebracht werden. Lage und grösstmögliche Anzahl dieser Nullstellen hängen ab von der Zahl der Teilspulen, ihrer Anordnung in der Querrichtung zur Bezugsebene und der Verteilung der Sekundärwindungen auf die Teilspulen. In der praktischen Anwendung ist jedoch eine ideale Entkopplung zwischen Sekundär- spule und Störleiter nicht erforderlich.
Es genügt, wenn der noch verbleibende Störeinfluss innerhalb der zugelassenen Messunsicherheit liegt. In diesem Falle können die Ausmasse der Sekundärspule verhältnismässig klein gehalten werden. Besonders gün- stige Verhältnisse ergeben sich, wenn man den Spulenaufbau so wählt, dass wenigstens die unmittelbaren Nachbarleiter zumindest angenähert in Nulldurchgänge der entsprechenden Spannungskurve zu liegen kommen. Die wirtschaftlich günstigste Form der Sekundärspule richtet sich somit in erster Linie nach den gestellten Anforderungen an die Messgenauigkeit und nach den Abständen der zu entkoppelnden Nebenleiter vom Primärleiter.
Der praktisch häufigste Anwendungsfall ist die Messung der Phasenströme in mehrphasigen Freileitungen, insbesondere Dreiphasenleitungen für Hochund Höchstspannungen. Die zu entkoppelnden Stör- leiter können dabei dem Leitungssystem des Primärleiters oder auch einem fremden Leitungssystem angehören. Im Falle der Parallelität der Stromleiter wird mit Vorteil ein zur Bezugsebene symmetrischer Spulenaufbau gewählt.
Da aus Sicherheitsgründen die gegenseitigen Leiterabstände, im folgenden mit D bezeichnet, verhältnismässig gross sind, und zudem im Normalbetrieb zwischen Leiter und Erde eine um 1/3mal kleinere Spannung herrscht als zwischen den Leitern selbst, so kann bezüglich des überschlag- sicheren Spulenabstandes h gegenüber dem Primär- leiter mit einem kleinsten Verhältnis von Dlh= 1, 5 bis 2 gerechnet werden. Die Selektionskurve der Se kundärspule muss in diesem Falle im Gebiet M ('-) s Störeinflüsse zumindest auf das zulässige Mass beschneiden oder wenigstens Nullstel- len der induzierten Spannung aufweisen.
Für alle weiter entfernt liegenden Stromleiter, auch bei einer grö- sseren Anzahl, ist dann wegen der starken Konvergenz der induzierten Spannung die erforderliche Entkopplung durchweg immer gewährleistet.
In speziellen Fällen kann die Selektionskurve auch auf die Entkopplung einzelner Stromleiter, welche zum Primärleiter auch schräg verlaufen können, ausgelegt sein. Es kann dann die Sekundärspule unsymmetrisch zur Bezugsebene liegen und die Querrichtung, in der die Teilspulen angeordnet sind, nicht mehr senkrecht zur Bezugsebene stehen. Eine derartige Sekundärspule ergibt sich beispielsweise durch Kombination einer Kreuzspule mit einer neben dieser horizontal angeordneten Teilspule. Die Selektionskurve ist in diesem Fall nach derjenigen Seite hin ausgeprägt, auf der die Teilspule liegt.
Die Fig. 7 und 8 zeigen Anwendungsbeispiele für die Messung der Leitungsströme in Dreiphasenleitungen, und zwar Fig. 7 für geringere Anforderungen an die Messgenauigkeit, das heisst grösseren zugelassenen Störeinfluss der Nachbarleiter, und Fig. 8 für hohe Ansprüche an die Messgenauigkeit. Die gleich ausgeführten Sekundärspulen sind jeweils unterhalb den in einer horizontalen Ebene liegenden Leitern R, S und T im überschlagsicheren Abstand h angeordnet.
Der Leiterabstand D ist zu 2,5h angenommen. Die hierbei erforderliche Geometrie in der Führung der Stromleiter ist in den meisten Fällen schon ohnehin erfüllt.
Bei den obengenannten Spulenkombinationen ist angenommen, dass die Niveaulinien der induzierenden Feldstärken des Primärleiters und der Störleiter stets kreisförmig sind. Dieser Idealzustand ist aber bei Anwesenheit ferromagnetischer Körper in Spulennähe, z. B. allfällige Eisenträger und Eisengestänge, nicht mehr vorhanden. Die hierbei entstehende Felddeformation wirkt jedoch nicht störend und kann bei der Dimensionierung der Sekundärspule unmittelbar berücksichtigt werden. In Fig. 9 ist ein Beispiel dieser Art dargestellt.
Unterhalb der Stromleiter R, S und T ist in überschlagsicherem Abstand quer zu diesen ein homogener Eisenträger G angeordnet, welcher auf der vom Primärleiter ab gewandten Seite liegt. Zur Halterung der Stromleiter dienen Stützisolatoren J.
Der angedeutete Feldverlauf um die Leiter R und S zeigt, dass z. B. die Teilspulen S, und S2 der Sekun därspule M des Primärleiters S von dessen Magnetfeld gegensinnig, vom Störfeld des Leiters R aber gleichsinnig durchflutet werden.
Es bestehen also hier ähnliche Zusammenhänge wie bei der Anordnung nach Fig. 1d. Die gleichen Verhältnisse gelten auch bezüglich der Störfelder in den Sekundärspulen der
Leiter R und T. Ein besonderer Vorteil eines solchen
Gestänges liegt ferner in der beachtlichen Schirm- wirkung gegenüber allfälligen systemfremden Stör- komponenten, insbesondere was den Raum in der näheren Umgebung der Einzelspulen anbelangt. tuber- dies kann durch die Anordnung zusätzlicher Eisen teile im Spulenraum zwecks spezieller Lenkung der einzelnen Feldkomponenten die Selektion der einzelnen Sekundärspulen noch weiter vergrössert werden.
Die vom zirkularen Magnetfeld eines geraden
Leiters in einer kreisförmigen Luftspule induzierte
Spannung berechnet sich für den Fall, dal3 der Strom leiter in der Spulenebene liegt und h > d 2 ist, durch die Formel (%, d) 2 h
Hierin bedeuten : f = Netzfrequenz, h = mittlerer Spulenabstand vom Stromleiter, d = Spulendurchmesser, W = Windungszahl und I Leitungsstrom.
Setzt man beispielsweise : f = 50 Hz, h = 2 m, d = 30 cm, W= 500 Wdg. und I= 1000 A, so beträgt die induzierte Spannung etwa 1 Volt, welcher Betrag zur Steuerung eines Relais oder einer Elektronenröhre oder zur Speisung eines Messinstrumentes genügt.
Der Momentanwert der in der Sekundärspule induzierten Spannung ist bekanntlich proportional der Stromänderung. Mit Hilfe von Netzwerken, z. B. o L R Spannungsteiler, wobei (,,) L > R ist, R sich jedoch aus dieser leicht eine Spannung gewinnen, welche, wie beim konventionellen Stromwandler, proportional dem Momentanwert des Stromes ist. Der hierbei entstehende Spannungsverlust ist nicht kritisch und kann notfalls an irgendeiner Stelle (Windungszahl, Verstärkung) leicht wieder aufgeholt werden.
Die Windungen der Sekundärspule können zu Einzelspulen, wie in obigen Beispielen dargelegt, zu-. sammengefasst oder in der Querrichtung zur Bezugsebene gleichmässig verteilt sein. Um dem Spulenaufbau die nötige Stabilität zu geben, wird zweckmässig ein geeigneter Spulenträger verwendet, durch den die Lage der einzelnen Windungen oder Teilspulen genau vorgegeben ist. Schliesslich sind noch Massnahmen zum Schutze der Sekundärspule gegen Witterungs- einflüsse zu treffen, z. B. Imprägnieren mit Isolierlack, Eingiessen in Kunstharz usw. Nötigenfalls kann auch eine elektrostatische Abschirmung zum Schutze gegen Beschädigungen bei gelegentlichen Überschlä- gen angebracht werden.
Mit der erfindungsgemässen Sekundärspule kön- nen alle Anforderungen bezüglich Messgenauigkeit erfüllt werden. Sie kann auf einfache Weise mit jedem Leitungsdraht, dessen Strom gemessen werden soll, magnetisch gekoppelt werden, ohne dass dabei der jeweilige Leitungszug unterbrochen werden muss. Die Einrichtung ist ausserdem verhältnismässig billig, arbeitet linear, benötigt keine Wartung und besitzt praktisch unbegrenzte Lebensdauer.