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Stromwandler für Hochspannung Es ist bekannt, daß bei Transformatoren,
insbesondere bei Stromwandlern, das gesamte Wandlergewicht mehr als proportional
mit der Betriebsspannung anwächst. Wirtschaftliche Gesichtspunkte und die sich ergebenden
günstigen Spannungsverhältnisse führten daher zur der Entwicklung des sogenannten
Kaskadenstromwandlers, wie er in Fig. 1 der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
Dieser Kaskadenstromwandler besteht im Prinzip aus zwei getrennten Wandlern 1 und
2, die hintereinandergeschaltet sind und somit isolationsmäßig die Hochspannung
in zwei Teilspannungen unterteilen. Auf den Kern 3 des Wandlers 1 sind die Primärwicklung
4 und die Sekundärwicklung 5 aufgebracht, wobei die Primärwicklung 4 mit ihren Klemmen
K und L an die Hochspannung angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung
5 ist mit der Primärwicklung 6 des Wandlers 2 verbunden, die Beineinsam mit der
Sekundärwicklung 7 auf dem Kern 8 sitzt. Die Sekundärwicklung 7 ist dabei mit der
Bürde B belastet: Es ist ersichtlich, daß nach diesem Prinzip die Hochspannung isolationsmäßig
in beliebig viele Teilspannungen aufgeteilt werden kann. Werden jedoch hierbei nicht
gleiche Teilwandler verwendet, sondern unter Umständen ein Wandler zur eigentlichen
Transformation und der andere Wandler zur Anpassung an ein Meßgerät, so spricht
man zweckmäßig von einem Haupt- und einem Zwischenwandler.
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Bei dieser bekannten Anordnung ergibt sich als wesentlicher Nachteil
der Serien- oder Kaskadenschaltung eine verhältnismäßig hohe Einbuße an Leistung,
da sich der an den Sekundärkreis des Hauptwandlers angeschlossene Stromwandler ebenfalls
als Bürde auswirkt und so der Hauptwandler ein Mehrfaches der Nutzleistung abgeben
muß. Diese erhöhte Leistungsabgabe bedingt aber einen größeren Magnetisierungsstrom
des Hauptwandlers. Da nun bekanntlich die Größe des Stromfehlers und des Fehlwinkels
von dem Magnetisierungsstrom abhängig ist, ist man bemüht, den Magnetisierungsstrom
möglichst klein zu halten. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht bei gegebenem
Wandlerkerneisen darin, entweder den Eisenquerschnitt oder die AW-Zahl zu erhöhen,
was einen beträchtlichen Materialaufwand verursacht. Beide Verfahren scheiden aus
wirtschaftlichen Gründen für ihre praktische Anwendung aus. Eine weitere bekannte
Möglichkeit bei einem aus Haupt- und Zwischenwandler bestehenden Stromwandler, der
außerdem zur Erzielung verschiedener übersetzungsverhältnisse umschaltbar ausgeführt
ist, die Eigenverluste und damit den Stromwandlerfehler klein zu halten, besteht
darin, den Zwischenwandler in Sparschaltung auszuführen.
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Weiterhin ist die Verwendung eines Zwischenwandlers bei einer Anordnung
bekannt, als deren Ursprung ein Durchführungsstromwandler 9 gemäß Fig.2 angesehen
werden kann. Dessen Primärwicklung ist außerhalb des Wandlers zu einem geschlossenen
Ring 10 verbunden. Dieser Ring ist gleichzeitig noch durch einen weiteren
Stromwandler geführt, der am einen Ende des Durchführungsisolators aufgesetzt und
als Ringstromwandler ausgeführt ist. Der weitere Ringstromwandler stellt in diesem
Fall den Hauptwandler der Kaskade dar. Die Hochspannung wird an die Klemmen K und
L dieses Ringstromwandlers angeschlossen, dessen Sekundärwicklung und gleichzeitige
Primärwicklung des Zwischenwandlers der kurzgeschlossene Ring 10 des Durchführungsstromwandlers
ist. Diese Anordnung gestattet es, vorhandene Durchführungswandler für einen anderen
Meßbereich zu verwenden, da es durch entsprechende Bemessung des Hauptwandlers möglich
ist, den Durchführungsstromwandler auch für kleinere Ströme zu verwenden als ursprünglich
vorgesehen. Wie bei allen Kaskadenwandlern handelt es sich auch bei dieser Schaltung
dann um ein festes Übersetzungsverhältnis.
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Bei den bekannten Wandlern für höhere Spannungen sind meist Kern und
Wicklung in einem mit Isolierflüssigkeit gefüllten Gehäuse angeordnet, auf das der
Durchführungsisolator aufgesetzt ist. Die Wicklungsenden der Hochspannungswicklung
sind durch den Isolator herausgeführt, der ebenfalls bis zu dem oben aufgesetzten
Wandlerkopf, der die Primärklemmen trägt und gleichzeitig als Ausdehnungsgefäß dient,
mit Isolierflüssigkeit gefüllt ist. Um die notwendige elektrische Festigkeit bei
hohen Prüfspannungen zu erhalten, ist eine zusätzliche Isolation, insbesondere bei
den Verbindungsleitungen der beiden Wandler vorzusehen. Hierzu verwendet man zweckmäßigerweise
entsprechend starke Bandagen aus Kabelpapier. Diese durch die Isolation geforderte
Umbandelung hat aber zur Folge, daß die Wärmeabfuhr
aus den Verbindungsleitungen
sehr schlecht ist. Geht man aus diesem Grunde zu einem größeren Querschnitt der
Verbindungsleitungen über, so ergibt- sich dadurch bei gleichem Porzellanisolator
eine Verschlechterung der elektrischen Festigkeit, da mit sinkendem Abstand zwischen
Verbindungsleitung und Durchführungsfassung die elektrische Feldstärke anwächst.
Unter Berücksichtigung dieses letzteren Punktes wäre es daher zweckmäßig, den Durchmesser
der Verbindungsleitungen möglichst klein zu wählen.
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Wenn - wie heute oft verlangt - Stromwandler für mehrere Stromstärken,
also für verschiedene Meßbereiche, umschaltbar ausgeführt werden sollen, so kann
diese Umschaltung, wie bekannt, im Kopf des Stromwandlers ausgeführt werden. Da
die Umschaltbarkeit des Wandlers eine Aufteilung der Primärwicklung und dementsprechend
auch mehrere Verbindungsleitungen zwischen Wicklung und Meßwandlerkopf mit entsprechender
Isolation für die Hochspannung erfordert, ergibt sich wieder bei gleichbleibendem
Isolator als neue Schwierigkeit der in dem Durchführungsisolator zur Verfügung stehende
verhältnismäßig geringe Raum.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es bereits bekannt, die an Hochspannung
liegende erste Stufe eines Kaskadenstromwandlers primärseitig in gleichartige Wicklungsteile
zu zerlegen. Damit ist es möglich, verschiedene Meßbereiche einzustellen, wobei
die der Primärwicklung der ersten Stufe nachgeschalteten Wandlerteile, also insbesondere
die Sekundärwicklung der ersten Stufe, auch Hauptwandler genannt, sowie der gesamten
zweiten Stufe (Zwischenwandler) einen vom eingestellten Meßbereich unabhängigen
Strom führen. Diese Wandleranordnungen haben jedoch den Nachteil, daß das Wicklungskupfer
unzureichend ausgenutzt sowie der gesamte Fehler des Wandlers beträchtlich erhöht
wird.
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Diese Nachteile werden bei einem Stromwandler für Hochspannung, bestehend
aus einem Hauptwandler und einem zwischen diesem und der Bürde geschalteten Zwischenwandler,
bei dem die im Wandlerkopf oder Wandlerisolator angeordnete Eingangswicklung des
Hauptwandlers in mehrere elektrisch gleich bemessene Teile unterteilt ist, die in
Verbindung mit Umschaltmitteln die Herstellung verschiedener Meßbereiche gestatten,
erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß der Hauptstromwandler in Sparschaltung ausgeführt
ist.
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Im Gegensatz zu den Kaskadenwandlern üblicher Bauart wird bei der
Erfindung auf eine galvanische Trennung aus elektrostatischen Gründen verzichtet.
Die gesamte Spannung wird also im Zwischenwandler abgebaut. Dieses Problem kann
für die vorgesehenen Spannungen durchaus gelöst werden. Würde man-nun mit einem
derartig stark isolierten Wandler ohne Umschaltmöglichkeit primärseitig direkt den
hochgespannten Strom zu messen versuchen, so ergäbe sich, daß die dicke Papier-Isolation
ein erhebliches Hindernis für die Abfuhr der Wicklungswärme darstellen würde. Dies
würde schließlich zu einem Wärmedurchschlag und damit zu einer Zerstörung des Wandlers
führen. Da jedoch elektrostatisch keine Bedenken gegen den Potentialabbau in nur
einer Stufe bestehen, so zeigt-sich also lediglich als Hindernis für die einstufige
Ausführung das thermische Problem der Wärmeabfuhr. Die Lösung dieser Aufgabe wird
durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre einwandfrei ermöglicht. Wird dem
nunmehrigen Zwischenwandler ein Hauptwandler in Sparschaltung mit unterteilten Wicklungen
vorgeschaltet, so gelingt es, vor allen Dingen die stark überlasteten Verbindungsleitungen
zwischen dein Kopf des Wandlers und den Wicklungen selbst fühlbar zu entlasten und
damit die Gefahr eines Wärmedurchschlages völlig zu beseitigen. Die Umschaltmöglichkeit
des in Sparschaltung ausgeführten Hauptwandlers ergibt eine thermisch und elektrisch
gute Ausnutzung desselben, da es möglich ist, diesen sowie auch die Zuführungen
für einen erheblich geringeren Strombereich wie im Normalfall auszubilden und durch
die Anwendung der Umschaltbarkeit den optimalen Stromwert in erhöhtem Maße auszunutzen.
Schließlich wird durch die erheblich geringeren Verluste des in Sparschaltung ausgelegten
Hauptwandlers, wie an sich bekannt, keine Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit dieser
Anordnung erreicht, wie es beispielsweise in starkem :Maße bei der Verwendung eines
in normaler Transformatorschaltung ausgeführten Wandlers der Fall wäre.
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Bei der Erfindung wird ausdrücklich und absichtlich eine Spartransformatorschaltung
für den Hauptwandler eingesetzt, die gerade in diesem Zusammenhang erhebliche Vorzüge
bietet. Die allgemeinen Vorteile der Spartransformatorschaltung gegenüber der normalen
Transformatorschaltung treffen auch hier zu, also beispielsweise verringerter Materialaufwand,
bessere Materialausnutzung u. dgl. Insbesondere jedoch bringt in dieseln Falle die
Spartransformatorschaltung auch den eingangs bereits genannten bekannten Vorzug,
daß ihr Meßfehler erheblich geringer wie derjenige einer normalen Transformatorschaltung
ist, so daß der Stromfehler der gesamten Anordnung praktisch nicht erhöht wird.
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Fin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt.
Hierin bedeuten die Klemmen K und L die Hochspannungsanschlüsse, 12
die Wicklung des Hauptwandlers mit den Abschnitten a und b, 13 die Primärwicklung
und 14 die Sekundärwicklung des Zwischenwandlers, an die die Bürde B angeschlossen
ist.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens sei als Beispiel ein Stromwandler
für das Übersetzungsverhältnis 1000-500-250/5A betrachtet, für den der Hauptwandler
zweckmäßig zu bemessen ist. In Fig. 4 ist zum Vergleich ein Hauptwandler üblicher
Art mit zwei Wicklungen, nämlich der Primärwicklung 15 und der Sekundärwicklung
16 dargestellt. Dem Vergleich beider Wandler wird ein Bereich 1000/5 A zugrunde
gelegt.
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Da der Strom in dem der »Primär- und Sekundärseite« gemeinsamen Wicklungsteil
a immer kleiner wird, je mehr sich das Übersetzungsverhältnis dem Wert 1 nähert,
wobei im Grenzfall der Wicklungsteil a die gesamte Sparwicklung umfaßt, während
Teil b = 0 ist, wird man die »Sekundärseite« des Hauptwandlers in Sparschaltung
bei dem als Beispiel vorliegenden Übersetzungsverhältnis von 1000-500-250/5 A für
500 A auslegen. Somit sind an dem Hauptwandler Umschaltmöglichkeiten vorzusehen,
die eine Umschaltung auf die Meßbereiche 1000-500-250/500 A ermöglichen. Zu diesem
Zweck wird die Sparwicklung in vier gleiche Wicklungsteile w1 bis ?v4 unterteilt.
Für den Bereich 1000/500 A des Hauptwandlers ergibt sich dann die in Fig. 5 gezeigte
Schaltung, bei der zweimal zwei Wicklungsteile, nämlich wt und w3 sowie w2 und w4
parallel und diese parallelen Zweige dann in Reihe geschaltet sind. Daher besteht
die »Primärwicklung« aus einem parallelen Zweig, während die »Sekundärwicklung«
aus der Reihenschaltung beider paralleler Zweige besteht, so
daß
sich das strommäßige Übersetzungsverhältnis von 2 : 1 ergibt.
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Fig. 6 zeigt die Schaltung der Wicklungsteile w1 bis w4 bei 500/500
A, also bei dem Übersetzungsverhältnis von 1 :1 und Fig.7 die Schaltung bei 250/500
A und dem- Übersetzungsverhältnis von 1 : 2. Im letzteren Fall sind alle vier Wicklungsteile
in Reihe geschaltet, wobei die gesamten Windungen die Primärwicklung und die Hälfte
der Windungen die Sekundärwicklung darstellen.
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Beim Vergleich des erfindungsgemäßen Hauptwandlers 1000/500 A nach
Fig. 3 mit dem Hauptwandler 1000/500 A mit zwei Wicklungen nach Fig. 4 ergeben sich
dann folgende Verhältnisse: Die Wicklungsteile a und b sind einander
gleich und sind daher auch von demselben Sekundärstrom, also 500 A, durchflossen.
Die Durchflutungen sollen in Fig.3 und 4 beispielsweise 5000 AW betragen; somit
ergeben sich für die Wicklungsteile a und b je eine Windungszahl von
zehn Windungen und in Fig. 4 fünf Windungen primär und zehn Windungen sekundär.
Gegenüber dem in Fig. 4 dargestellten Hauptwandler ist also der Oberspannungsteil
a der Sparwicklung nur von einem halb so großen Strom durchflossen. Nach Fig.4 wird
bei dem bekannten Wandler die an der Sekundärwicklung seines Hauptwandlers liegende
Spannung in zehn Windungen induziert. Wie aus Fig.3 zu ersehen ist, stehen bei dem
erfindungsgemäßen Aufbau dagegen zwanzig Windungen zur Verfügung, so daß gegeniiber
Fig.4 die halbe Induktion auftritt. Dementsprechend verringert sich der Magnetisierungs-AW-Bedarf
auf etwa die Hälfte, so daß der Stromfehler auf etwa ein Viertel sinkt, da beim
Wandler nach Fig.3 auch primärseitig die doppelte Windungszahl vorhanden ist. Daraus
geht hervor, daß es durch die Wahl eines geeigneten Hauptwandlers möglich ist. den
Stromfehler des Hauptwandlers weit mehr als auf die Hälfte, nämlich bis auf ein
Viertel, zu senken, was bei den bisher üblichen Kaskadenwandlern nicht möglich war.
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Der Einbau des erfindungsgemäß ausgebildeten Hauptwandlers erfolgt
zweckmäßig im Wandlerkopf, so daß auch die Umschaltklemmen unter Öl liegen. Wird
der Hauptwandler als Ringstromwandler ausgeführt, so kann er, wie an sich bekannt,
in der Ringebene liegend, auf dem Kopf des Wandlerhochspannungs- (Porzellan-) Isolators
oder bei größeren Porzellanen innerhalb des Isolators angeordnet werden.