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Stromwandler Stromwandler für höhere Reihenspannungen mit kleiner
Leistung und hoher Genauigkeit weisen. bekanntlich im allgemeinen eine relativ große
Überstromziffer auf, während bei Stromwandlern größerer Leistung und geringerer
Genauigkeit eine kleine Überstromz.iffer vorliegt. Die Überstromziffer »n« gilt
als Maß für das Übers.tromverhalten eines Stromwandlers und ist in erster Näherung
durch das Verhältnis Grenzsättigung zu Nenninduktion des verwendeten Kernmaterials
bei bestimmter Bürde festgelegt.
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Bei allen Meßkernen wird im allgemeinen eine relativ kleine Leistung
bei hoher Meßgenauigkeit verlangt, so daß hei großem Materialauf-#vand für den Kern
nur eine geringe Nennsättigung erreicht wird. Die Überstromziffer ist also sehr
groß, o1-)-wohl sie gerade in diesen Fällen mit Rücksicht auf die Gefährdung der
sekundär angeschlossenen, oft empfindlichen Meßgeräte klein sein sollte. Bei Relaiskernen
als Bürden sind die Verhältnisse gerade umgekehrt. Die geringe Genauigkeit beim
Anschluß von Relais an Stromwandler verlangt keine übermäßig große Benie-ssung des
S.troinwandler-Kernquerschnittes, so d.aß in Verbindung mit der relativ großen Leistung
nur eine kleine Oberstromziffer gegeben ist. Beim Anschluß von Relais ist jedoch
eine große Überstromziffer erwünscht.
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Besonders ungünstige Verhältnisse ergeben sich bei der Verwendung
von Stabstromwandlern, da insbesondere bei kleinen Nennstromstärken der Materialaufwand
im Kern besonders groß ist und daher bei kleiner Meßleistung eine oft extrem hohe
Überstromziffer in Kauf genommen werden muß. Um die angeschlossenen empfindlichen
Meßinstrumente vor Schäden zu bewahren, ist es notwendig bei schweren Kurzschlüssen
im Netz, den Strom im sekundären Meßkreis zu begrenzen. Für die Begrenzung gibt
es bekanntlich verschiedene Möglichkeiten. Durch die Verwendung von Ni.ckeleisenlegierungen
an Stelle normaler Dynamobleche kann eine Senkung der Überstromziffer erreicht werden,
da die Sättigungsgrenze der bei Stromwandlern üblichen Nickeleisenlegierungen etwa
dreimal niedriger als beim üblichen Siliziumeisen liegt. Da außerdem die magnetische
Leitfähigkeit der Nick eleisenlegierungen besser ist, kann bei gleicher Meßleistung
der Kernquerschnitt verkleinert und somit abermals eine Reduzierung der Überstromz,
erreicht werden. Diese Maßnahmen sind jedoch infolge hoher Preise für die Kernwerkstoffe
sehr kostspielig, so daß nicht immer von einer besonders wirtschaftlichen Lösung
gesprochen werden kann.
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Weiterhin sind schon sogenannte Stromweichen vorgeschlagen worden,
die als Drosselspule mit Nickelei.senkern parallel zur Nutzbürde eines Wandlers
mit großer Überstromziffer geschaltet werden sollen. Diese Drosseln sind so ausgelegt,
daß sie hei Nennbetrieb des Wandlers nur einen itrom von wenigen mA aufnehmen und
damit die eigentliche Messung nicht wesentlich beeinflussen. Bei Auftreten. eines
Kurzschlusses im Netz steigt mit dem Primärstrom auch der Sekundärstrom des Wandlers
stark an. Dabei erhöht sich auch die an den Sekundärklemmen des N@randlers liegende
Bürdenspannung. Die dadurch bedingte Induktionssteigerung in der Stromweiche, deren
Kern bereits bei etwa 6000 Gauß gesättigt ist, nimmt der Drossel fast restlos ihre
hohe Induktivität, die beim Nennbetrieb vorhanden war. Damit kann aber der durch
den Kurzschluß bedingthohe Sekundärstrom über die Drossel fließen, so daß die: angeschlossenen
Instrumente und Zähler geg;ll@n Stromüherlas.tung geschützt sind. Diese Stromwe-ichen
sind wegen ihres relativ großen Nickeleisenkernes auch nicht billig. Außerdem ist
die Verwendung dieser Stromweichen in vielen Fällen nur möglich, wenn eine Eichung
dieser Drossel mit dem zugehörigen Wandler durchgeführt werden kann.
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Bei einem Stromwandler, insbesondere bei einem Stabstromwandler mit
Haupt- und Hilfskern gleicher primärer elektrischer Durchflutung, deren die Bürde
speisende Sekundärwicklungen gleichsinnig parallel geschaltet sind, werden alle
diese Nachteile erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß der Hilfskern unter Berücksichtigung
des Kernwerkstoffes bezüglich seines wirksamen Ouerschnittes und der Windungszah.l
seiner Selsun:därwicklung so bemessen ist, daß in an sich bekannter Weise bereits
im Anfangsgebiet seines Nenn.stro@mbeTeiches eine verhältnismäßig hohe Kerninduktion
vorliegt, so daß Haupt- und Hilfskern generatarisch wirken, und daß der Hilfskern
beim Überschreiten des Nennstrombereiches in Sättigung gelangt, so daß er von da
ab als Verbraucher wirkt. Zwar sind Stromwandler mit Hilfskernen und parallel geschalteten
Sekundärwicklungen bekannt. Alle diese Kunstschaltungen dienen jedoch der Erhöhung
der
14Ießgenauigkeit. Sie verfolgen also nicht den durch die Erfindung
angestrebten Zweck der Erhöhung der Überstroinziffer ohne zusätzliche Schaltelemente.
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Die Sel:un.därwicl:lungen beider Kerne werden parallel geschaltet
und speisen gemeinsam den Bürdenkreis. Dabei werden die Windungszahlen beider Spulen
beispielsweise so gewählt, daß sich für den eigentlichen 1Meßkern eine sekundäre
Nennstromstärke von 4A und für den Hifskern eine Stromstärke von 1 A ergibt, Bei
Anschluß von Meßgeräte:n an die Sekundärklemmen fließt darin bei Nennbetrieb ein
Sekundärst:rom von 5 A im Bürdenkreis. Der Querschnitt des Hilfskernes wird so bemessen,
daß einerseits bereits bei niedriger Erregung cine relativ holte Induktion und dadurch,
insbesondere bei la-in_°n Primärs.trö,m,eii, eine Verbesserung der Fehlerl:tirve
eintritt und zuin anderen bei Überschreitung das Nennstromb-ereiches der Hilfskern
sich nahezu vollkommen sättigt, so daß der Sekundärstrom dies 1leßkern:s nun über
die parallel geschaltete Wicklung des gesättigten Hilfslz-eriies fließt und damit
den eigentlichen Biird,nlcreis wirksam entlastet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt den vorhandenen NTeßl:ern 1 mit der Primärwicklung 2
und der Selcundärwickiung 3. Zusätzlich wird der Hilfskern 4 mit seiner Sekundärwicklung
5 auf die gmeinsaine Primärwicklung 2 aufgebracht. Beide Sekundärwicklungen werden
dann in Parallelschaltung an die Klemmen 1a und I der Bürde 6 angeschlossen. Die
erfindungsgRmäße Anordnung hat dann folgende Wirkungsweise: Bei kleinen Strömen,
d. h. im Nennstrombereich, arbeiten Meß- und Hilfskern parallel und liefern in den
Bürdenkreis einen Strom, der - im Falle des vorbetrachteten Beispiels - dein Nennstrom
von 4 bzw. 1 A proportional ist. Beide Kerne wirken demnach als Generator. Dabei
wird der kleine Hilfskern wegen seines geringen Ouerschnittes bereits bei niedriger
AW-Zahl relativ hoher Induktion betrieben. Infolge der schon bei kleinen Strömen
wesentlich höheren Induktion des Hilfskernes gegenüber dein Meßkern, weist ersterer
einen geringeren Meßfehler auf als der Meßl:ern, so da.ß, insbgsornde-re bei kleinen
Erregerströmen, eine Verbesserung der Fehlerkurve gegenüber einem einzelnen Kern
erreicht wird. Das trifft insbesondere für die Fehler bei 0,1 - In und 0,2
- 7" zu. Mit steigendem Primärstrom nimmt die Induktion im Hilfskern derart
zu, daß sich bereits gegen Ende des \TennstrGinb2reiches Sättigungserscheinungen
bemerkbar machen, die eine Erniedrigung des Widerstandes der Hilfskernsekundärwicklung
zur Folge haben. Steigt der Primärstrom nach der Sättigung des Hilfskernes weiter
an, so nimmt die Wicklung des Hilfskernes Strom aus der Sekundärwicklung des :Vleßkernes
auf, der dem vom Hilfskern gelieferten Strom entgegengesetzt gerichtet ist und dann
im gleichen Sinne wie der Primärstrom magnetisierend auf den Hilfskern wirkt, woben
die Sättigung im Hilfskern noch mehr beschleunigt wird. Die Stromrichtung in der
Sekundärwicklung des Hilfskernes kehrt sich schließlich im Überstromgebiet infolge
des immer größer werdenden Gegenstromes aus der Sekundärwicklung des Meßkernes um.
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Durch diese Anordnung ist es möglich, mit geringerem Aufwand jede
Überstromziffer etwa zwischen za.= 1,5 und dem Wert zu erreichen, der sich bei der
normalen Ausführung des Stromwandlers mit nur einem Kern ergeben würde. Die überstroniziffer
läßt sich somit durch -einen entsprechend bemessenen Querschnitt des Hilfskernes
in weiten Grenzen beliebig nach unten verändern. Dabei ist die Leistung und Genauigkeit
des eigentlichen Meßkernes für die Überstromziffer der Gesamtanordnung nur von untergeordneter
Bedeutung.
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Ein weiterer Vorteil dieser ',Nleßanordnung ergibt sich für Wandler
mit kleinen Primärstromstärken, bei denen oft die sekundäre Windungszahl so gering
ist, daß sich nur sehr schwer ein Fehlerabgleich durchführen läßt. Bei einem Übersetzungsverhältnis
von beispielsweise 100i5 A beträgt die sekundäre Windungszahl ohne Korrektur nur
20 Windungen. Die Korrektureiner einzigen Windung bedeutet daher bereits eine Fehleränderung
von 51/o. was in den meisten Fällen als viel zti grob angesehen werden muß. Bei
Verwendung der Maßnahmen nach der Erfindung würden auf dein Hilfskern etwa 100 Sekundärwindungen
aufzubringen sein. Durch Verändern dieser Windungszahl läßt sich nun aber eine wesentlich
feinere Korrektur erzielen, als das vorher ohne Hilfskern möglich war. Die Korrektur
einer Sekundärwindung auf dem Hilfskern bedeutet jetzt eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses
von 0,20/0, bezogen auf den Nennstrom von 5 A, was auch in Sonderfällen ausreichend
sein dürfte.
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Das angegebene Vleßprinzip läßt sich bezüglich der Fehlerverbesserung
des Nleßkernes noch erweitern. Im vorstehenden wurde festgestellt, daß im Hilfskern
bereits bei niedriger Nennerregung eine relativ hohe Induktion erreicht wird und
damit eine Verbesserung des Fehlerverlaufs erreicht «-erden kann. Diese Verbesserung
ist nur im Anfangsbereich der Fehlerkurve wirksam, da die Eigenleistung des Hilfskernes
wegen seines kleinen Ouerschnittes voraussetzungsgemäß nur gering ist. Es könnte
aller ohne weiteres erwogen werden, den Meßkern selbst in zwei oder mehr gleiche
oder ungleiche Kernteile zu unterteilen und jeden Teilkern mit einer besonderen
Sekundärwicklung zu versehen, uni dadurch eine möglichst weitgehende Annäherung
an eine praktisch geradlinig verlaufende Kennlinie zu erreichen. Eine derartige
Anordnung ist in Fig. ? schematisch dargestellt. Der eigentliche Meßkern besteht
jetzt aus den Teilkernen 7 und 8 mit ihren Sekundärwicklungen 9 und 10, die von
der gemeinsarnen Priniär,#vicldung 11 erregt werden. Teil 12 kennzeichnet den Hilfskern
mit seiner Sekundärwicklung 13. Alle drei Wicklungen sind parallel geschaltet und
mit den Klemmen 1, und I der Bürde 14 verbunden. Der Suininetistrom
aus den Wicklungen der drei Kerne beträgt normal wiederum 5 A. Der Teilstrom jeder
Meßkernhälfte sei als Beispiel mit 2 A angenommen, so daf sich bei einem Cbersetzungsverhältnis
von 200l5 A für die hleßl:ernhälfte 7 eine sekundäre @t'indungszahl von 100, für
die Meßkernhälfte 8 cbenfalls eine sekundäre Windungszahl von 100 und für den Hilfskern
12 bei einem Nennstro@in von 1 A eine sekundäre Windungszahl von 200 Windungen ergibt.
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ach Voraussetzung sind die Querschnitte der beiden Meßkerne 7 und
8 verschieden, ihre sekundären Windungszahlen jedoch gleich. Bei einer bestimmten
primären Erregung, die bei allen Teillernen wegen der geineinsanien Primärwicklung
gleich ist, sind aber die Induktionen in den Teilkernen jetzt verschieden. Dadurch
ergeben sich für jeden Kern verschiedene Arbeitspunkte auf der Magnetisierungskurve
des Eisens und damit verschieden große übersetzungsfehler. Die Bemessung der Kernquerschnitte
wird zweckmäßig so vorgonoinmen, daß der Kern mit dem kleineren Querschnitt bereits
im Anfangsbereich der Fehlerkurve mit einem möglichst großen Induktionswert
arbeitet,
während der zweite Kern mit größerem Querschnitt erst im oberen Strombereich voll
wirksam wird. Zur b., ss-eren Erreichung dieses Zieles ist es unter Umständen zweckmäßig,
die einzelnen Teilkerne aus Kernmaterial verschiedener Permeabilität herzustellen.
Es ist ferner zweckmäßig, den Hilfskern zur Steigerung seiner Wirkung aus hochpermeablem
Material herzustellen. Der sichtbare Erfolg der Meßanordnung nach der Erfindung
äußert sich in einer gestreckten Fehlerkurve, die immer erwünscht ist. Theoretisch
und praktisch läßt sich durch eine noch weitere Unterteilung und spezielle Auslegung
der Teilm-eßkerne im vorgenannten Sinne eine praktisch geradlinig verlaufende Fehlerkurve
bei konstanter Bürde erreichen.
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Die Bemessung des Hilfskernes zur Herabsetzung der L'berstromziffer
bleibt in allen Fällen gleich, so daß der Hilfskern mit dem gleichen Erfolg parallel
zu einem nicht oder mehrfach unterteilten Meßkern geschaItet werden kann.
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Dieser vom Primärstrom mitbeeinflußte Hilfskern kann ohne Einschränkung
nicht nur bei Stabstromwandlern, sondern auch bei allen anderen Wickelstromwandlern
mit Erfolg vorgesehen werden. Dabei ist es ohne Bedeutung, ob die ursprünglichen
Wandler mit oder ohne Kunstschaltung versehen sind, denn abgesehen von der Fehlerverbesserung
bei kleinen Primärströmen wird die Meßanordnung mit dem Hilfskern erst im Überstromgebiet
des Wandlers voll wirksam.