DE10005164A1

DE10005164A1 - Durchführung für eine Hochspannungseinrichtung

Info

Publication number: DE10005164A1
Application number: DE10005164A
Authority: DE
Inventors: Klaus Bohnert; Hubert Braendle; Thomas Christen; Felix Greuter
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2001-08-09
Also published as: WO2001059467A1; AU2001226614A1

Abstract

Eine Durchführung zur isolierten Einführung eines Stromleiters (K) in eine Hochspannungseinrichtung, insbesondere in einen Transformator, weist ein zylinderförmiges Isoliergehäuse (1) zur Aufnahme des Stromleiters (K), einen Durchführungsflansch (3) zur Befestigung der Durchführung an der Hochspannungseinrichtung und einen Strom- und/oder Spannungssensor (7, 8) auf. Der Strom- und/oder Spannungssensor (7, 8) ist dabei an einem Teil der Durchführung angeordnet, welcher sich im montierten Zustand außerhalb der Hochspannungseinrichtung befindet. Dadurch ist eine von der Art und Form des Transformators weitgehend unabhängige Konstruktion ermöglicht.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchführung zur isolierten Einführung eines Stromleiters in eine Hochspannungseinrichtung gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Derartige Durchführungen sind beispielsweise aus Casper William et al. "Bemessung und Betrieb von Durchführungen für Transformatoren und Drossel spulen", etz-Report 23, VDE-Verlag, Berlin, 1986, bekannt. Die dort beschriebe nen Durchführungen für Transformatoren weisen ein zylinderförmiges, mit einem Isolationsmaterial gefülltes Isoliergehäuse auf, welches über einen Durchführungsflansch an einen Transformator, beziehungsweise an einen im Transformator angeordneten, ölgefüllten Durchführungsdom anschliessbar ist. Ein einzuführendes Hochspannungskabel, im folgenden Stromleiter genannt, durchsetzt das Isoliergehäuse, den Durchführungsflansch sowie den Durchführungsdom.

Zur Strommessung ist der Durchführungsdom mit einem induktiven Stromwandler versehen, welcher das Stromkabel beabstandet umgibt. Üblicherweise verwendete Stromwandlerspulen haben den Nachteil, dass sie relativ grosse Durchmesser aufweisen und deshalb schwer und teuer sind. Ölisolierte Stromwandler haben zudem den Nachteil, dass sie bei Fehlfunktionen explodieren können. Ferner ist der Messbereich induktiver Stromwandler relativ beschränkt und die Messung selber kann aufgrund von elektromagnetischen Interferenzen und magnetischer Sättigung fehlerbehaftet sein. Der grösste Nachteil ist jedoch, dass ihre Grösse stark vom Bereich des zu messenden Stroms oder der Spannung abhängt. Das hat zur Folge, dass die Grösse des Durchführungsdoms und somit der Durchführung entsprechend dem jeweiligen Spannungsbereich der Hochspannungseinrichtung beziehungsweise des Stromleiters angepasst sein muss. Durch die fehlende Standardisierung der Durchführungen erhöhen sich deren Herstellung- und Lagerkosten. Eine Standardisierung wird zudem dadurch erschwert, dass die Durchführung mit dem Isoliergehäuse und der im Transformator angeordnete Durchführungsdom im allgemeinen nicht von demselben Hersteller hergestellt werden.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Durchführung der eingangs genann ten Art zu schaffen, welche eine Standardisierung ermöglicht.

Diese Aufgabe löst eine Durchführung mit den Merkmalen des Patentan spruches 1.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Durchführung der eingangs ge nannten Art zu schaffen, welche die Explosionsgefahr eines Strom- und Span nungsmessgerätes vermindert.

Diese Aufgabe 1 löst eine Durchführung mit den Merkmalen des Patentan spruches 3, eine Durchführung mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 sowie eine Durchführung mit den Merkmalen des Patentanspruches 11.

Die erfindungsgemässe Durchführung weist selber einen Strom- und/oder Span nungssensor auf, so dass sich ein voluminöser Stromwandler innerhalb eines Transformators erübrigt.

Die Durchführung muss nicht mehr an verschiedene Grössen eines Durchführungsdoms des Transformators angepasst werden, so dass eine Standardisierung ermöglicht ist.

Ist der Sensor im montierten Zustand der Durchführung ausserhalb des Trans formators angeordnet, so ist er im Störungsfall einfach ersetzbar und im Nor malbetrieb auf einfache Art und Weise mit einer Auswerteelektronik oder einer optoelektronischen Messapparatur verbindbar.

Als Stromsensor ist ein Stromsensor mit einer faseroptischen Sensorspule ge eignet, wie er in EP-A-0'856'737 beschrieben ist.

Als Spannungssensor ist ein piezo-optischer Sensor mit einem piezoelektrischen Kristall geeignet, wie er in EP-A-0'907'084 beschrieben ist, oder ein elektroopti scher Sensor mit einem elektrooptischen Kristall, wie er in EP-A-0'682'261 beschrieben ist.

Diese Strom- und Spannungssensoren haben den Vorteil, dass sie einerseits sehr klein, kaum störungsanfällig und zudem über einen grossen Messbereich ein setzbar sind.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausfüh rungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine schematische Darstellung einer erfin dungsgemässen Durchführung mit einem magneto-optischen Stromsensor in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines magneto-optischen Strom sensors;

Fig. 3 eine Durchführung in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 4 eine Durchführung in einer dritten Ausführungsform;

Fig. 5 eine Durchführung in einer vierten Ausführungsform;

Fig. 6 eine Durchführung in einer fünften Ausführungsform;

Fig. 7 eine Durchführung in einer sechsten Ausführungsform;

Fig. 5a eine schematische Darstellung eines piezooptischen Spannungs sensors;

Fig. 8b eine schematische Darstellung eines elektrooptischen Spannungs sensors und

Fig. 9 einen Teilschnitt durch einen Teil einer Durchführung in einer siebten Ausführungsform.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine Durchführung gemäss der Erfindung dargestellt, wie sie vorzugsweise für Transformatoren, jedoch auch für Trenner oder Schalter einsetzbar ist. Sie weist ein zylinderförmiges Isoliergehäuse 1, welches an einem Ende mit einem Durchführungskopf 2 und am anderen Ende mit einem Durchführungsflansch 3 abgeschlossen ist. Das Isoliergehäuse 1 ist üblicherweise aus Keramik oder einem Kunststoff gefertigt und weist an seinem Mantel 10 nach aussen vorstehende Rippen 11 auf. Das Isoliergehäuse 1 weist einen Innenraum auf, welcher mit einer Isolierfüllung 4 versehen ist. Als Isolierfüllungen 4 eignen sich Öl, Gase, wie beispielsweise SF₆, N2 oder Luft, oder Isoliermassen, wie Silicon, Epoxy oder Polyurethane. Als Isoliermassen eignen sich Gele, Schäume oder Feststoffe.

Durchführungskopf 2 und Durchführungsflansch 3 weisen Öffnungen zur Durch führung eines Stromleiters K auf. Der Stromleiter K durchsetzt dabei je nach Ausführungsform der Durchführung das Isoliergehäuse 1 direkt oder er ist in einem Zentralrohr, welches im Isoliergehäuse angeordnet ist, geführt.

Die Durchführung ist mittels des Durchführungsflansches 3 an einer Hoch spannungseinrichtung angeschlossen. Im hier dargestellten Beispiel ist die Hochspannungseinrichtung ein Transformator, wobei lediglich eine obere Trans formerwand 60 und ein Teil eines ölgefüllten Durchführungsdomes 6 dargestellt ist.

In diesem Beispiel ist als Durchführung eine Kondensatordurchführung darge stellt. Im Innern des Isoliergehäuses 1 ist deshalb ein um den Stromleiter 1 beziehungsweise um das Zentralrohr gewickelter Kondensatorwickel 5 vorhan den. Dieser Kondensatorwickel 5 besteht üblicherweise aus Metallblechen, welche durch harzgetränkte Papierwickel voneinander getrennt sind. Der Kon densatorwickel 5 erstreckt sich teilweise innerhalb des Isoliergehäuses 1, durch setzt den Durchführungsflansch 3 und ragt in den Transformator beziehungs weise in dessen Durchführungsdom 6 hinein.

Der Durchführungskopf 2 ist somit auf Hochspannungspotential, der Durch führungsflansch 3 auf Erdpotential wie die Transformerwand 60.

Erfindungsgemäss ist die Durchführung mit einem Strom- und/oder Spannungs sensor versehen, wobei die Sensoren vorzugsweise auf Hochspannungs- oder auf Erdpotential liegen.

In den Ausführungsformen gemäss Fig. 1 und den Fig. 3 bis 7 ist lediglich ein Stromsensor 7 vorhanden. Dieser Stromsensor 7 ist vorzugsweise ein magneto-optischer Stromsensor, wie er in Fig. 2 dargestellt und aus EP-A- 0'856'737 bekannt ist. Er weist eine Sensorspule 70 aus einer gewickelten, magnetooptisch aktiven optischen Faser auf, welche in einem Sensorgehäuse angeordnet ist. Mindestens an einem Ende ist die Sensorspule 70 über ein hier nicht dargestelltes ein Phasenverzögerungselement mit einer weiteren optischen Faser, einer sogenannten Zuleitungsfaser 72 verbunden, über welche sich Licht in die Sensorspule 70 ein- beziehungsweise auskoppeln lässt. Die Zuleitungsfaser 72 ist über ein optisches Verbindungsglied 73 mit einer Verlängerungsfaser 74 verbunden, welche mit einer Auswerteoptik und -elektronik 75 verbunden ist.

In der Sensorspule 70 propagiert zirkular polarisiertes Licht, in der Zuleitungs faser 72 linear polarisiertes Licht. Das Licht wird beim Übergang durch das Phasenverzögerungselement jeweils in die entsprechende Polarisation gewan delt. Die Sensorspule wird entweder als Sagnac-Interferometer oder als Reflexions-Interferometer betrieben, so dass sich zwei gegen- beziehungsweise gleichlaufende Wellen in der Faser der Sensorspule 70 ausbreiten. Umgibt die Sensorspule 70 einen Stromleiter K und ist dieser stromdurchflossen, so erzeugt der Strom ein magnetisches Feld, welches zu einer differentiellen Phasenver schiebung zwischen diesen zwei gegenläufigen bzw. gleichlaufenden optischen Wellen führt. Dieser Effekt wird magneto-optischer oder Faraday-Effekt genannt. Die entstandene Phasenverschiebung ist dabei proportional zum Strom und lässt sich mit der Auswerteoptik und -elektronik 75 detektieren.

In einer ersten Ausführungsform gemäss Fig. 1 umgibt die Sensorspule 70 das Isoliergehäuse 1, wobei es oberhalb des Durchführungsflansches 3 angeordnet ist und somit Erdpotential aufweist. Die Zuleitungsfaser 72 verläuft vollständig ausserhalb des Isoliergehäuses 1. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass bekannte Durchführungen verwendet und mit dem Stromsensor 7 nachge rüstet werden können.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Sensor spule 7 im Durchführungsflansch 3 angeordnet ist und somit wiederum auf Erd potential gelegt ist. Vorteilhaft ist hier, dass sich ein eigenes, spezielles witterungsfestes Sensorgehäuse erübrigt, da der Durchführungsflansch 3 selber ein Gehäuse für die Sensorspule 70 bildet.

In einer dritten Ausführungsform gemäss Fig. 4 ist die Sensorspule 70 ober halb des Isoliergehäuses 1 angeordnet und liegt somit auf Hochspannungs potential. Die Zuleitungsfaser 72 verläuft dabei mindestens teilweise im Mantel 10 des Isoliergehäuses 1. Zwischen Zuleitungsfaser 72 und Faserspule 70 ist ein zweites optisches Verbindungsglied 73' angeordnet, um die Montage zu erleich tern.

In einer vierten Ausführungsform, dargestellt in Fig. 5, ist die Sensorspule 70 im Durchführungskopf 2 angeordnet. Auch hier erübrigt sich ein separates Sen sorgehäuse.

Fig. 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform, in welcher die Sensorspule 70 im Mantel 10 des Isoliergehäuses 1, vorzugsweise in dessen mittleren Bereich, an geordnet ist. In einer sechsten Ausführungsform gemäss Fig. 7 ist sie ebenfalls vorzugsweise im mittleren Bereich des Isolierkörpers 1, jedoch in der Isolier füllung 4 angeordnet. Bei beiden Beispielen erübrigt sich wiederum ein sepa rates Sensorgehäuse. Die Zuleitungsfaser 72 ist entweder im Mantel 10 oder in der Isolierfüllung 4 verlegt und verlässt das Isoliergehäuse 1 vorzugsweise an dessem dem Durchführungsflansch 3 nahen Ende.

Erfindungsgemäss lässt sich die Durchführung anstatt oder zusätzlich zum Stromsensor 7 mit einem Spannungssensor versehen. Vorzugsweise ist ein piezo- optischer Spannungssensor eingesetzt, wie er aus EP-A-0'907'084 bekannt und in Fig. 8a dargestellt ist. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird ein elektrooptischer Spannungssensor eingesetzt, wie er aus EP-A-0'682'261 be kannt und in Fig. 8b dargestellt ist.

Der piezo-optische Spannungssensor 8 gemäss Fig. 8a weist einen zylinder förmigen piezoelektrischen Kristall 80, beispielsweise aus Quarz, auf, welcher an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen mit Elektroden 81, 82 versehen ist, wobei eine erste Elektrode 81 auf Erdpotential, eine zweite Elektrode 82 auf Hoch spannungspotential liegt. Der Kristall 80 ist mit einer optischen Sensorfaser 83 umwickelt, welche im Bereich der ersten Elektrode 81 über ein Verbindungsglied 84, im allgemeinen ein optischer Stecker, mit einem optischen Verlängerungskabel 85 verbunden ist. Das Verlängerungskabel 85 weist im allgemeinen zwei optische Fasern auf, eine Zu- und eine Rückleitungsfaser. Das Verlängerungskabel 85 endet in einer optoelektronischen Messapparatur 86, welche im Stand der Technik beschrieben ist. Das Sensorprinzip dieses piezo- optischen Spannungssensors 8 beruht darauf, dass der piezoelektrische Kristall 80 eine spannungsproportionale Dehnung erfährt, welche in der Sensorfaser 83 eine Faserdehnung initiiert. Diese Faserdehnung lässt sich mittels der optoelektronischen Messapparatur 86 interferometrisch messen.

Der elektrooptische Spannungssensor 8' gemäss Fig. 8b weist im wesentlichen dieselben Bestandteile auf wie der piezo-optische Spannungssensor 8. Er besitzt jedoch anstelle des piezoelektrischen einen elektrooptischen Kristall 80', vor zugsweise aus Germanium Bismuth Oxid (BGO). Der Kristall 80' ist nicht faserumwickelt. Es ist jedoch eine nicht dargestellte, im Stand der Technik be schriebene Einkoppeloptik vorhanden, um im Kristall 80' Licht zu propagieren, welches über ein optsiches Zuleitungskabel 83' ein- und auskoppelt. Das optische Zuleitungskabel 83' weist dabei eine optische Zu- und eine optische Rückleitungsfaser auf. Ferner ist wiederum eine bekannte optoelektronische Messapparatur 86. Das Sensorprinzip des elektrooptischen Spannungssensors 8' beruht darauf, dass eine an den Kristall 80' angelegte Spannung eine Änderung des Polarisationszustandes des im Kristall 80' propagierenden Lichts erzeugt.

In Fig. 9 ist eine siebte Ausführungsform der erfindungsgemässen Durch führung dargestellt, welche sowohl einen Stromsensor 7 wie auch einen Spannungssensor 8 aufweist. Als Spannungssensor 8 ist der piezo-optische Spannungssensor gemäss Fig. 8a dargestellt, es lässt sich jedoch auf dieselbe Art und Weise auch der elektrooptische Spannungssensor 8' einsetzen. Strom- wie auch Spannungssensor 7, 8 sind in diesem Beispiel im Durchführungsflansch 3 angeordnet. Der Kristall 80 des Spannungssensors 8 ist dabei in einer Öffnung 50 des Kondensatorwickels 5 und in einem mindestens annähernd rechten Winkel zum Stromleiter K angeordnet. Die zweite Elektrode 82 ist in Kontakt mit dem Stromleiter K beziehungsweise dem Zentralrohr, die erste Elektrode 81 mit der Aussenwandung des Durchführungflansches 3. Vorzugsweise ist der Kristall 80 in einem Isolationsmaterial 30 eingebettet, welches einen durch den Durchführungsflansch 3 gebildeten Hohlraum ausfüllt. Als Isolationsmaterialien eignen sich dieselben Materialien wie für die Isolierfüllung 4. Dank dem Isola tionsmaterial 30 ist der Kristall 80 mit einem ausreichenden dielektrischen Mantel versehen. Um den Abstand und somit Kriechströme entlang des Kristalls 80 zu verhindern, lässt sich dieser auch in einem nicht rechten Winkel zum Stromleiter K anordnen. In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungs form weist der Durchführungsflansch einen grösseren Durchmesser als der Rest der Durchführung auf, um so einen grösseren Abstand zwischen Hochspannungs- und Erdpotential zu schaffen.

Die erfindungsgemässe Durchführung mit den faseroptischen Strom- und/oder Spannungssensoren ermöglicht eine von der Art und Form des Transformators weitgehend unabhängige Konstruktion.

Bezugszeichenliste

1

Isoliergehäuse

10

Mantel

11

Rippen

2

Durchführungskopf

3

Durchführungsflansch

30

Isolationsmaterial

31

Wandung

4

Isolierfüllung

5

Kondensatorwickel

50

Öffnung

6

Durchführungsdom

60

Transformerwand

7

Magneto-optischer Stromsensor

70

Sensorspule

72

Zuleitungsfaser

73

optisches Verbindungsglied

73

' zweites optisches Verbindungsglied

74

Verlängerungsfaser

75

Auswerteoptik und -elektronik

8

piezo-optischer Spannungssensor

8

' elektrooptischer Spannungssensor

80

piezo-optischer Kristall

80

' elektrooptischer Kristall

81

erste Elektrode

82

zweite Elektrode

83

optische Sensorfaser

83

' Zuleitungsfaser

84

Verbindungsglied

85

Verlängerungsfaser

86

optoelektronische Messapparatur
K Stromleiter

Claims

1. Durchführung zur isolierten Einführung eines Stromleiters (K) in eine Hochspannungseinrichtung, wobei die Durchführung ein zylinderförmiges Isoliergehäuse (1) zur Aufnahme des Stromleiters (K) und einen Durchführungsflansch (3) zur Befestigung der Durchführung an der Hochspannungseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung einen Strom- und/oder Spannungssensor (7, 8) aufweist.

2. Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom- und/oder Spannungssensor (7, 8) an einem Teil der Durchführung ange ordnet ist, welcher sich im montierten Zustand ausserhalb der Hoch spannungseinrichtung befindet.

3. Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom sensor ein magneto-optischer Stromsensor (7) mit einer faseroptischen Sensorspule (70) ist.

4. Durchführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor spule (70) das Isoliergehäuse (1) umgibt.

5. Durchführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor spule (70) in einem Mantel (10) des Isoliergehäuses (1) angeordnet ist.

6. Durchführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor spule (70) im oder am Durchführungsflansch (3) angeordnet ist.

7. Durchführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor spule (70) innerhalb des Isoliergehäuses (1) in einer Isolierfüllung (4) ange ordnet ist.

8. Durchführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Durchführungskopf (2) aufweist, welcher an einem vom Durchführungs flansch (3) entfernten Ende des Isoliergehäuses (1) angeordnet ist, und dass die Sensorspule (70) in diesem Durchführungskopf (2) angeordnet ist.

9. Durchführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der magneto-optische Stromsensor (7) mindestens eine optische Zuleitungsfaser (72) aufweist, welche mindestens teilweise in einem Mantel (10) des Iso liergehäuses (1) geführt ist.

10. Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssensor ein elektrooptischer Spannungsensor (8') ist mit einem elektrooptischen Kristall (80'), welcher auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit je einer Elektrode (81, 82) versehen ist.

11. Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungssensor ein piezo-optischer Spannungssensor (8) mit einem piezo- elektrischen Kristall (80) ist, wobei der Kristall (80) von einer optischen Sensorfaser (83) umwickelt und auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit je einer Elektrode (81, 82) versehen ist.

12. Durchführung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, dass der Kristall (80, 80') im Durchführungsflansch (3) so ange ordnet ist, dass eine erste Elektrode (81) mit dem Stromleiter (K) kontak tierbar ist und eine zweite Elektrode (82) eine äussere geerdete Wandung (31) der Durchführung (3) kontaktiert.