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Hochspannungs-Stromwandler Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Hoch- spannungs-Stromwandler mit einem von der Primärwicklung durchsetzten Ringkern, der mit der auf ihn aufgebrachten Sekundärwicklung das Sekundärsystem des Wandlers bildet.
Bei den üblichen Hochspannungs-Stromwandlern wird als Isolation zwischen Primär- und Sekundärwicklung eine von Hand aufgebrachte Papierbandage verwendet, die anschliessend evakuiert und mit hochwertigem Öl getränkt wird. Neuerdings wird als Isolation auch Epoxyharz, meist mit Quarzsand vermengt, verwendet, jedoch eignet sich diese Isolationsart nur für Spannungen bis etwa 100 kV. Bekannte Vorschläge laufen ferner darauf hinaus, anstelle des Öls ein Gas, insbesondere ein elektronegatives Gas, unter überdruck als Isolation zwischen den Wicklungen zu verwenden. Konstruktionen hierfür sind bisher nicht bekannt geworden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Stromwandler der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der einen einfachen, platzsparenden Aufbau besitzt und weitgehend maschinell herstellbar ist. Diese Aufgabe löst ein Hochsspannungs-Stromwand- ler der genannten Art mit dem Kennzeichen, dass erfindungsgemäss die Windungen der Wicklungen höchstens für den Spannungsabfall bei maximalem Kurzschlusstrom isoliert sind, mindestens das Sekundärsystem von einer toroidförmigen, im Querschnitt zumindest annähernd kreisringförmigen metallischen Umhüllung umgeben ist, und dass die Hochspannungsisolation zwischen der Primärwicklung und der metallischen Umhüllung des Sekundärsystems ausschliesslich durch ein,
zweckmässigerweise unter überdruck stehendes, elektronegatives Gas gebildet ist. Sorgfältige Untersuchungen mit elektronegativen Gasen, insbesondere mit SF, haben nämlich gezeigt, dass man bei kleinen Elektrodenabständen dann ausserordentlich hohe Durchschlagsgradienten erreichen kann, wenn die Elektroden toroidförmig ausgebildet und kettenartig angeordnet sind. Aus den in Fig. 1 wiedergegebenen Messergebnissen geht hervor, dass der Durchschlagsgradient bei 4 atü beispielsweise rund 400 kV/cm beträgt, während er bei 8 atü über 600 kV/cm liegt.
Wenn die Primärwicklung mehr als eine Windung aufweist, besitzt sie nicht mehr die Form eines Tor- oids mit kreisförmigem Querschnitt. Dann ist es zur Vermeidung von Feldkonzentrationen zweckmässig, die Primärwicklung von einer toroidförmigen, im Querschnitt zumindest annähernd kreisringförmigen metallischen Umhüllung zu umgeben.
Die metallischen Umhüllungen sowohl der Sekundär- als auch der Primärwicklung können Unebenheiten auf ihren Oberflächen aufweisen, die entweder bei der Herstellung oder aber unbeabsichtigt bei der Montage hervorgerufen worden sind. Diese Unebenheiten stellen Vorsprünge der durch die Umhüllungen gebildeten Elektroden dar und können als solche Anlass zu einer Störung der Feldverteilung geben. Daher verwendet man vorteilhafterweise überzöge, die die Unebenheiten auf den metallischen Umhüllungen beseitigen. Diese überzöge können aus einem elektrisch leitenden Lack oder einem Lack hoher Dielektrizitätskonstante bestehen; es sind aber auch andere Materialien verwendbar.
Verständlicherweise können die metallischen Umhüllungen Schlitze aufweisen, die so angeordnet sind, dass die Umhüllungen keine Kurzschlusswin- dungen für die ihnen zugeordneten Wicklungen darstellen.
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Die Fig.2 und 3 zeigen beispielsweise Ausführungsformen des erfindungsgemässen Stromwandlers, der in Fig.2 als Freiluft-Topfstromwandler und in Fig.3 als Innenraum-Stützerstromwandler ausgebildet ist.
In Fig. 2 bedeuten 1 den ringförmigen Eisenkern, 2 die Sekundärwicklung, die von der toroidförmigen metallischen Umhüllung 3 mit glatter Oberfläche umgeben ist. 4 ist die Primärwicklung, die in diesem Fall nur eine Windung aufweist, bestehend aus einem kreisförmig gebogenen Rundleiter, dessen eines Ende mit dem zentralen Metallrohr 5 verbunden ist, das den Anschluss 6 trägt. Das andere Ende der Primärwicklung steht mit dem im Innern des Rohres 5 liegenden Leiter 7 in Verbindung, der zum Anschluss 8 führt. 9 ist ein Freiluftisolator, der mit Hilfe bekannter Dichtungen 10 an dem Topf 11 befestigt ist.
Die Kappe 12 ist einerseits mit dem oberen Ende des Iso- lators 9 dicht verbunden und weist Durchführungen 13 und 14 für die Anschlüsse 6 und 8 auf. 15 ist eine isolierende Abstützung mit langem Kriechweg, um die Zentrierung des Rohres 5 und der Primärwicklung 4 zu gewährleisten. Das Innere des Topfes 11 und des Isolators 9 ist mit einem elektronegativen Gas 16, insbesondere SFB, unter einem Druck von beispielsweise 4 atü gefüllt. Bei diesem Druck kann der Wandler noch bis zu Temperaturen von -30 C betrieben werden, da hierbei noch keine Kondensation auftritt.
Schliesslich kann zur Spannungsmessung konzentrisch und in kleinem Abstand von der Innen- oberfläche des Topfes 11 noch eine zylindrische Elektrode 17 angeordnet werden, die mit dem Anschluss 18 verbunden ist. Die Enden der Sekundärwicklung sind ihrerseits zu den Anschlüssen 19 und 20 herausgeführt. Sämtliche Anschlüsse befinden sich in dem Anschlusskasten 21.
Aus dem geschilderten Aufbau erkennt man, dass die Primär- und die Sekundärwicklung praktisch aus blanken Kupferleitern bestehen, wobei ledigleich durch einen Lacküberzug dafür gesorgt wird, dass kein Windungsschluss auftritt. Da die Windungsspan- nung im ungünstigsten Fall nur einige Volt beträgt, sind die Ansprüche an die Isolation denkbar gering. Sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklung können im wesentlichen maschinell hergestellt werden. Nach Montage des Wandlers wird die darin befindliche Luft abgesaugt und anschliessend der Wandler mit SF, unter überdruck gefüllt.
Bei der elektrischen Prüfung des Wandlers kann ohne Gefährdung bis zum Überschlag zwischen der Primärwicklung 4 und der metallischen Umhüllung 3 gegangen werden, da der Durchschlag keinerlei schädigende Wirkung auf die Wandlerisolation ausübt. Die Prüfung gibt somit ein eindeutiges Bild über die elektrische Sicherheit des Wandlers.
Fig. 3 zeigt einen Innenraumstromwandler nach der Erfindung in Stützerbauart. Der Eisenkern 31 ist auf einem Sockel 32 befestigt, der mit dem Gehäuse 33 verbunden. ist. 34 ist die Sekundärwicklung, die wieder von einer toroidförmigen Umhüllung 35 um- geben st. Die Primärwicklung 36 mit mehreren Windungen ist in dem Toroid 37 untergebracht, dessen zylindrische Fortsetzung 38 am Deckel aus Isoliermaterial befestigt ist. Die Enden der Primärwicklung sind mit den Anschlüssen 40 und 41 verbunden, während die Enden der Sekundärwicklung zu den Anschlüssen 42 und 43 geführt sind. Der Sockel 32 und der Deckel 39 sind gasdicht mit dem Isolierzylinder 44 verbunden. Das Innere ist wieder mit einem elektronegativen Gas 45 gefüllt.
Der Druck kann hierbei etwas höher gewählt werden, da in Innenraumanlagen kaum Temperaturen unter 0 C auftreten.
Aus Fig. 1 erkennt man, dass beispielsweise für einen 110 kV-Freiluftwandler gemäss Fig. 2 ein lich- ter Abstand zwischen Hoch- und Niederspannung von etwa 25 mm genügt, während der Innenraumstromwandter gemäss Fig. 3 einen Abstand von nur etwa 15 mm benötigt. Die fabrikatorischen Vorteile gemäss der Anordnung nach Fig. 3 sind die gleichen wie beim Topfstromwandler gemäss Fig. 2. Die Bauhöhe kann hingegen kleiner gewählt werden, was insbesondere für Innenraumwandler von Vorteil ist.
Versuche haben gezeigt, dass bei einem Durchschlag zwischen Hoch- und Niederspannungswicklung, sofern der Kurzschlusstrom nach einigen Sekunden unterbrochen wird, keine unzulässige Druckbeanspruchung auftritt, da die Energieumsetzung infolge der sehr kleinen Lichtbogenlänge (1,5 bzw. 2,5 cm) und des niedrigen Lichtbogengradienten in SF, von etwa 50 V/cm auch bei grossem Strom nur gering ist. Als zusätzliche Schutzmassnahmen können in an sich bekannter Weise Berstscheiben aus einem spröden Material, z. B. aus hochausgebackenem harzreichen Hartpapier, verwendet werden.
Es ist aber auch möglich, einen einfachen überbrük- kungsschalter zwischen der Hoch- und der Niederspannungswicklung vorzusehen, der entweder auf unzulässig hohen Druck oder auf zu hohe Temperatur anspricht und den Lichtbogen durch überbrük- kung zum Verschwinden bringt.
Um die Wandler auch zur übertragung sehr hoher Kurzschlusströme verwenden zu können, kann es in an sich bekannter Weise zweckmässig sein, den Eisenkern zweiteilig auszuführen mit je einem Luftspalt von einigen Zehntel-Millimetern. Hierdurch wird die zusätzliche Sättigung infolge Remanenz vermieden. Die zweiteilige Form des Kerns gestattet zudem eine wesentlich einfachere Herstellung der Sekundärwicklung und eine leichtere Montage.
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High-voltage current transformer The subject matter of the invention is a high-voltage current transformer with a toroidal core penetrated by the primary winding, which forms the secondary system of the transformer with the secondary winding applied to it.
With the usual high-voltage current transformers, a hand-applied paper bandage is used as insulation between the primary and secondary winding, which is then evacuated and soaked with high-quality oil. Lately, epoxy resin, mostly mixed with quartz sand, has also been used as insulation, but this type of insulation is only suitable for voltages up to about 100 kV. Known proposals also amount to using a gas, in particular an electronegative gas, under excess pressure as insulation between the windings instead of the oil. Constructions for this have not yet become known.
The invention is based on the object of creating a current transformer of the type described at the outset, which has a simple, space-saving structure and can largely be produced by machine. This object is achieved by a high-voltage current transformer of the type mentioned with the characteristic that, according to the invention, the turns of the windings are insulated at most for the voltage drop at maximum short-circuit current, at least the secondary system is surrounded by a toroidal metallic sheath, at least approximately circular in cross-section, and that the high-voltage insulation between the primary winding and the metallic casing of the secondary system is exclusively
is expediently formed under excess pressure, electronegative gas. Careful investigations with electronegative gases, in particular with SF, have shown that, with small electrode spacings, extremely high breakdown gradients can be achieved if the electrodes are toroidal and arranged like a chain. The measurement results shown in FIG. 1 show that the breakdown gradient at 4 atm is, for example, around 400 kV / cm, while at 8 atm it is above 600 kV / cm.
If the primary winding has more than one turn, it no longer has the shape of a toroid with a circular cross-section. Then, in order to avoid field concentrations, it is expedient to surround the primary winding with a toroidal metallic sheath which is at least approximately circular in cross section.
The metallic sheaths of both the secondary and the primary winding can have unevenness on their surfaces, which were caused either during manufacture or inadvertently during assembly. These unevenness represent projections of the electrodes formed by the coverings and as such can give rise to a disturbance of the field distribution. It is therefore advantageous to use coatings which remove the unevenness on the metallic coverings. These coatings can consist of an electrically conductive lacquer or a lacquer with a high dielectric constant; however, other materials can also be used.
Understandably, the metallic sheaths can have slots which are arranged so that the sheaths do not represent any short-circuit turns for the windings assigned to them.
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FIGS. 2 and 3 show, for example, embodiments of the current transformer according to the invention, which in FIG. 2 is designed as an open-air pot-type current transformer and in FIG.
In FIG. 2, 1 denotes the ring-shaped iron core, 2 denotes the secondary winding, which is surrounded by the toroidal metallic sheath 3 with a smooth surface. 4 is the primary winding, which in this case has only one turn, consisting of a circularly curved round conductor, one end of which is connected to the central metal tube 5 which carries the connection 6. The other end of the primary winding is connected to the conductor 7 located inside the tube 5, which leads to the connection 8. 9 is an outdoor insulator which is attached to the pot 11 by means of known seals 10.
On the one hand, the cap 12 is tightly connected to the upper end of the insulator 9 and has bushings 13 and 14 for the connections 6 and 8. 15 is an insulating support with a long creepage distance in order to ensure the centering of the tube 5 and the primary winding 4. The interior of the pot 11 and the insulator 9 is filled with an electronegative gas 16, in particular SFB, under a pressure of, for example, 4 atmospheres. At this pressure, the converter can still be operated down to temperatures of -30 C, since no condensation occurs.
Finally, for voltage measurement, a cylindrical electrode 17, which is connected to the connection 18, can be arranged concentrically and at a small distance from the inner surface of the pot 11. The ends of the secondary winding are in turn led out to the connections 19 and 20. All connections are located in the connection box 21.
From the structure described, it can be seen that the primary and secondary windings consist practically of bare copper conductors, whereby a lacquer coating is used to ensure that no interturn fault occurs. Since the winding voltage is only a few volts in the worst case, the demands on the insulation are extremely low. Both the primary and secondary windings can be essentially machined. After the converter has been installed, the air it contains is extracted and then the converter is filled with SF under excess pressure.
During the electrical test of the converter, it is possible to go to the flashover between the primary winding 4 and the metallic sheath 3 without any risk, since the breakdown has no damaging effect on the converter insulation. The test therefore gives a clear picture of the electrical safety of the converter.
Fig. 3 shows an indoor current transformer according to the invention in support design. The iron core 31 is fastened on a base 32 which is connected to the housing 33. is. 34 is the secondary winding which is again surrounded by a toroidal casing 35. The primary winding 36 with several turns is housed in the toroid 37, the cylindrical extension 38 of which is attached to the cover made of insulating material. The ends of the primary winding are connected to the connections 40 and 41, while the ends of the secondary winding are connected to the connections 42 and 43. The base 32 and the cover 39 are connected to the insulating cylinder 44 in a gas-tight manner. The interior is again filled with an electronegative gas 45.
The pressure can be selected to be somewhat higher, since temperatures below 0 C hardly ever occur in indoor systems.
From FIG. 1 it can be seen that, for example, for a 110 kV outdoor converter according to FIG. 2, a clear distance between high and low voltage of about 25 mm is sufficient, while the interior current converter according to FIG. 3 requires a distance of only about 15 mm . The manufacturing advantages according to the arrangement according to FIG. 3 are the same as with the pot-type current transformer according to FIG. 2. The overall height, on the other hand, can be selected to be smaller, which is particularly advantageous for indoor converters.
Tests have shown that in the event of a breakdown between the high and low voltage windings, provided the short-circuit current is interrupted after a few seconds, no impermissible compressive stress occurs because the energy conversion is due to the very small arc length (1.5 or 2.5 cm) and the low Arc gradients in SF, of about 50 V / cm, even with a large current, are only small. As additional protective measures, rupture disks made of a brittle material, e.g. B. high baked resin-rich hard paper, can be used.
However, it is also possible to provide a simple bridging switch between the high and low voltage windings, which responds either to inadmissibly high pressure or to too high a temperature and causes the arc to disappear by bridging.
In order to be able to use the converter for the transmission of very high short-circuit currents, it can be expedient in a manner known per se to make the iron core in two parts, each with an air gap of a few tenths of a millimeter. This avoids the additional saturation due to remanence. The two-part shape of the core also allows a much simpler production of the secondary winding and easier assembly.