-
Die Erfindung betrifft einen Messwandler mit einem elektrischen Wandler, wobei der elektrische Wandler mit einer elektrischen Erde mittels einer Erdungsleitung verbunden ist.
-
Messwandler sind seit Jahrzehnten in elektrischen Energieversorgungsnetzen, insbesondere Hochspannungsnetzen, zur Strom- und Spannungsmessung implementiert. Funktion der Messwandler ist dabei, die Umwandlung von hohen Strömen und/oder Spannungen innerhalb des Hochspannungsnetzes auf solche Strom- beziehungsweise Spannungswerte zu transformieren, die für eine Messung beziehungsweise Überwachung des Hochspannungsnetzes geeignet sind.
-
Durch die Nutzung von entsprechenden Induktivitäten und/oder Kapazitäten für die Konzeption eines Messwandlers können unerwünschte Netzrückkopplungen entstehen. Beispielsweise kann die nichtlineare Induktivität der Primärwicklung eines Spannungswandlers mit den Kapazitäten eines entsprechenden Hochspannungsnetzes unter bestimmten Betriebszuständen oder Netzkonfigurationen einen nichtlinearen Schwingkreis bilden. Durch Schalthandlungen kann dieser Schwingkreis zu nichtlinearen, auch als Ferroresonanz- beziehungsweise Kippschwingungen bezeichneten, Schwingungen angeregt werden. Es sind zum einen, in starr geerdeten Spannungsnetzen, einphasige Ferroresonanzschwingungen möglich wie auch, in hochohmig geerdeten Netzen, dreiphasige Ferroresonanzschwingungen. Beide Vorgänge führen bei entsprechender Dauer zu einem Ausfall des Messwandlers aufgrund einer thermischen Zerstörung der Isolation der Spannungswandlerprimärwicklung zu einem Ausfall des Messwandlers.
-
Standardmäßige Netzschutzeinrichtungen sind auf Fehlererkennung im Last- und Kurzschlussstrombereich ausgelegt. Die kleinen Ströme der Schwingungsvorgänge zwischen Netz und Spannungswandler liegen weit unterhalb der Messschwelle dieser Geräte. Erst der leistungsstarke Folgefehler, wie beispielsweise ein Durchschlag der Wandlerisolation, wird erkannt und der betroffene Teil des Spannungsnetzes abgeschaltet.
-
Bei erfahrungsgemäß gefährdeten Spannungswandlerinstallationen innerhalb eines Hochspannungsnetzes wurden in der Vergangenheit zur Vermeidung der Ferroresonanzschwingungen die möglichen Netzzustände durch Simulationsrechnungen modelliert und aufgrund der Simulationsergebnisse der Spannungswandler speziell konstruiert und gebaut, um den möglichen Schwingkreis zu entschärfen. Durch untypische Schaltzustände, komplexe Netzkonfigurationen und unsachgemäßem Betrieb, wie beispielsweise ein Betrieb extrem unterhalb der Nennbürde, des Spannungswandlers treten immer wieder dennoch nicht vorher absehbare Ferroresonanzschwingungen auf, die zum Teil zu Beschädigungen der Spannungswandler und damit zur Abschaltung von Teilen des Hochspannungsnetzes führen. Nachteilig ist weiterhin, dass durch eine Änderung der Netzkonfiguration, beispielsweise den Austausch oder dem Einbau weiterer Abzweige, und einer damit verbundenen Veränderung der Hochspannungsnetzparameter eine Änderung der Resonanzbedingungen und daraus resultierend gegebenenfalls wiederum Ferroresonanzschwingkreise entstehen können.
-
In der Vergangenheit wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass die zumeist im Einsatz befindlichen Spannungswandler hinsichtlich der an der Sekundärwicklung anliegenden Sekundärspannungen beziehungsweise -strömen ausgewertet wurden, indem zum Beispiel mittels einer Fourieranalyse der sekundären Messspannung des Spannungswandlers beim Vorhandensein von bestimmten Frequenzen auf eine Spannungswandlergefährdung geschlossen werden kann.
-
Kippschwingungen werden auch in
DE 15 16 136 und
DE 1 154 570 beschrieben, diese beziehen sich jedoch auf mögliche Kippschwingungen innerhalb des Gerätes und nicht auf eine Wechselwirkung mit dem Hochspannungsnetz. Die Festigkeit und Prüfung zu diesen internen Kippschwingungen ist in der Norm für kapazitive Spannungswandler geregelt.
-
Nachteilig an allen Lösungen im Stand der Technik ist, dass eine schnelle Erfassung und Meldung einer Ferroresonanzschwingung während des Betriebes der Schaltanlage nicht bereitgestellt wird um dem Betreiber eine Möglichkeit zu geben den kritischen Betriebszustand zu verlassen beziehungsweise in Zukunft zu vermeiden.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Messwandler bereitzustellen, der eine schnelle und einfache Erfassung einer beginnenden Ferroresonanzschwingung erlaubt.
-
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des vorliegenden Patentanspruchs 1.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Sensor an der Erdungsleitung angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass die entsprechende Stromhöhe im Wandler des Messwandlers, die mit der Erdungsleitung verbunden sein kann, unmittelbar ausgewertet wird. Bei einer entstehenden Ferroresonanzschwingung kann somit innerhalb des elektrischen Wandlers des Messwandlers die entsprechende Veränderung des Stromes unmittelbar detektiert und damit ausgewertet werden. Eine komplexe Aufbereitung und Auswertung von verschiedenen Messgrößen, wie beispielsweise die Auswertung in der Sekundärwicklung des Messwandlers induzierten elektrischen Ströme, kann somit entfallen. Weiterhin hat dies den Vorteil, dass der Sensor zur Messung des Stromes durch den Wandler genutzt werden kann, ohne dass die Erdungsverhältnisse des Wandlers verändert werden. Hierdurch kann auch eine nachträgliche Anbringung eines Sensors in die Erdungsleitung des Messwandlers vorgenommen werden, ohne die bestehende nierderohmige, direkte und optisch prüfbare Erdung des Messkreises des Messwandlers zu beeinträchtigen. Die Messung des Stromes in der Erdungsleitung des Wandlers ist ebenfalls wesentlich aussagekräftiger im Vergleich zur Erkennung von Ferroresonanzschwingungen mittels der Auswertung der Sekundärspannung eines Spannungswandlers. Bei einem Spannungswandler als Wandlers ist hingegen der gemessene Wicklungsstrom direkt für die thermische Belastung des Spannungswandlers kennzeichnend und erlaubt somit eine Unterscheidung in unkritische oder kritische Schwingungsvorgänge. Hierdurch ist eine schnelle und effektive Detektion von Ferroresonanzschwingungen möglich, so dass der entsprechende Spannungswandler beziehungsweise die entsprechenden Teile des Spannungsnetzes durch gezielte Maßnahmen im Falle von detektierten Ferroresonanzschwingungen vor einem Ausfall bewahrt werden können. Durch die Auswertung des Sensors an der Erdungsleitung ist es ebenfalls möglich, unabhängig vom Betriebszustand des Spannungsnetzes beziehungsweise von der Netzkonfiguration mögliche Ferroresonanzschwingungen schnell und zuverlässig zu detektieren, so dass auf eine aufwändige Datenerhebung und Rechnersimulation von möglichen Betriebszuständen und Netzkonfigurationen verzichtet werden kann. Auf die Beeinflussung der Betriebszustände des Hochspannungsnetzes mittels Dämpfungsspulen kann aufgrund der schnelle und gezielte Erfassung von Ferroresonanzschwingungen mittels der schnellen Detektions- und Reaktionsmöglichkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest teilweise verzichtet werden.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Messwandlers ist vorgesehen, dass die Erdungsleitung gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ist. Ebenfalls ist das Gehäuse gas- und/oder öl- und/oder feststoffisoliert. Das Gehäuse kann dabei entweder nur ausschließlich den Wandler umgeben, wobei der Sensor dabei innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein kann. Des Weiteren kann das Gehäuse eine gasisolierte Schaltanlage oder Durchführung sein, in der der Messwandler integriert ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit, dass die jeweils möglichen Ströme über das Gehäuse von den Strömen des Wandlers, insbesondere von den Wicklungsströmen der Primärwicklung, über die Erdungsleitung klar elektrisch voneinander getrennt sind. Des Weiteren ermöglicht die Isolation des Gehäuses eine betriebssichere Nutzung des Wandlers unabhängig von äußeren, insbesondere elektromagnetischen, Einflüssen.
-
Der Sensor als Stromsensor ist vorteilhafterweise ringförmig um die Erdungsleitung angeordnet, wobei vorteilhafterweise insbesondere die Primärwicklung eines Spannungswandlers mit der Erdungsleitung verbunden ist. Hierdurch ist durch die induktive Beeinflussung des Sensors bei auftretenden Wicklungsströmen innerhalb der Erdungsleitung eine einfache und genaue Detektion von ansteigenden Strömen gewährleistet. Vorteilhafterweise ist der Wandler ein Spannungswandler mit einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einem Wicklungskern. Dieser Spannungswandler ist insbesondere ein- oder dreiphasig ausgestaltet. Alternativ ist der Wandler ein Stromwandler oder ein Nebenschlusswiderstand – auch Shunt genannt- mit einem Spannungsabgriff zur Messung des proportional zur Stromhöhe entstehenden Spannungsabfalls.
-
Eine Auswerteeinheit ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Messwandlers mit dem Sensor, insbesondere Stromsensor, verbunden und detektiert entsprechende Ströme der mit dem Wandler verbundenen Erdungsleitung. Bezüglich bestimmter Regeln und Bedingungen kann bei Auftreten bestimmter Ströme, insbesondere der Primärwicklung des Spannungswandlers, eine Maßnahme innerhalb des Hochspannungsnetzes, wie beispielsweise das Auslosen eines definierten elektrischen Schaltvorgangs und/oder das Zuschalten einer Dämpfungseinrichtung und/oder das Verändern einer Trennschalterkonfiguration, ausgelöst werden. Insbesondere ist die Erdungsleitung vorteilhafterweise mit der Primärwicklung verbunden. Hierdurch ist eine unmittelbare Detektion des Wicklungsstromes möglich, so dass nicht die in der Sekundärwicklung induzierten Messgrößen zur Auswertung wie bisher genutzt werden müssen.
-
Vorteilhafterweise werden von der Auswerteeinrichtung die gemessenen Wicklungsströme protokolliert und/oder archiviert. Diese protokollierten Wicklungsströme können mit anderen Netzparametern verknüpft werden und damit einem menschlichen Bediener wertvolle Zusatzinformationen über einen Betriebszustand des Spannungsnetzes in der Vergangenheit liefern.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen schematischen Schaltplan mit einem Messwandler;
-
2 einen schematischen Schaltplan mit einem Messwandler und einer mit dem Gehäuse verbundenen Erdungsleitung der Primärwicklung des Spannungswandlers als Verbindung über die Wandung des Gehäuses zur elektrischen Erde mit einem innenliegenden Stromsensor;
-
3 einen schematischen Schaltplan mit einem Messwandler und einer außerhalb eines gasisolierten Gehäuses angeordneten Sensor;
-
4 einen schematischen Schaltplan mit einem Messwandler und einem mit dem Gehäuse verbundenen Erdungsleitung und innerhalb des Gehäuses angeordneten Sensor.
-
Die 1 zeigt einen Messwandler 1 mit einem Wandler 2, der aus einer Primärwicklung 3, einem Wicklungskern 4 und einer Sekundärwicklung 5 besteht. Der Wandler 2 ist innerhalb eines Gehäuses 13 angeordnet. Die Ausführungen aus dem Gehäuse 13 sind durch Durchführungen 9 isoliert ausgeführt. An einem dreiphasigen Hochspannungsnetz 10 sind beispielhaft kapazitive Kopplungen 14 innerhalb des Netzes 10 und zur elektrischen Erde 8 dargestellt, die zu einer Ferroresonanzschwingung bei bestimmten Betriebszuständen und Netzkonfigurationen führen können. Durch den Sensor 6 des Messwandlers 1 ist die Erdungsleitung 11 der Primärwicklung 3 des Spannungswandlers 2 geführt und unmittelbar mit der elektrischen Erde 8 verbunden. Der Stromsensor 6 ist direkt mit einer Auswerteeinrichtung 7 verbunden. Im Falle einer Ferroresonanzschwingung mit dem Hochspannungsnetz 10 kommt es in der Primärwicklung 3 zu einem Stromfluss, der über die Erdungsleitung 11 der Primärwicklung 3 des Spannungswandlers 2 zur elektrischen Erde 8 und damit durch den Sensor 6 des Messwandlers 1 fließt. Dieser Primärwicklungsstrom erzeugt innerhalb des Stromsensors 6 eine elektromagnetische Strommessgröße, die mittels der Auswerteeinrichtung 7 ausgewertet werden kann. Beim Vorliegen von bestimmten Ferroresonanzschwingungen kann mittels der ermittelten Frequenzen, der Dauer, der Höhe und/oder der Charakteristik der am Stromsensor 7 gemessenen Ströme auf eine thermische Überlastung der Primärwicklung 3 durch Ferroresonanzschwingung geschlossen werden. Die Auswerteeinrichtung 7 kann daraufhin entsprechende Maßnahmen innerhalb des Hochspannungsnetzes 10 beziehungsweise in der Beschaltung der Sekundärwicklung 5 des Spannungswandlers 2 frei geben. So ist beispielsweise denkbar, dass die Auswerteeinrichtung 7 eine entsprechende Änderung der Trennschalterkonfiguration des Hochspannungsnetzes 10 vornimmt oder eine Dämpfungseinrichtung zuschaltet.
-
Die 2 zeigt im Unterschied zu 1 eine mit dem Gehäuse 13 verbundene Erdungsleitung 11 der Primärwicklung 3 des Wandlers 2 als Spannungswandlers, um die ein entsprechender Stromsensor 6 innerhalb des Gehäuses 13 angeordnet ist. Der Stromsensor 6 ist mit der Auswerteeinrichtung 7 über eine Durchführung verbunden. Der Erdungspfad 11 des Messkreises verläuft im gezeigten Beispiel der 2 von der Primärwicklung 3 des Spannungswandlers 2 durch den Sensor 6 zur Wand des Gehäuses 13 welche wiederum direkt mit der elektrischen Erde 8 verbunden ist. Sensor 6 und Auswerteeinheit 7 sind räumlich voneinander getrennt aufbaubar, da eine gegen das Gehäuse 13 isolierte Durchführung 9 der Verbindung zwischen dem Sensor 6 und der Auswerteeinheit 7 erforderlich ist. Die Möglichkeiten der Weiterverwendung der Ergebnisse der Auswerteeinheit 7 unterscheiden sich nicht von der Lösung gemäß der 1.
-
Die 3 zeigt einen Messwandler 1 mit einem Spannungswandler als Wandler 2, der aus der Primärwicklung 3, dem Wicklungskern 4 und der Sekundärwicklung 5 besteht. Der Wandler 2 ist innerhalb eines Gehäuses 13 für eine gasisolierte Schaltanlage angeordnet. Die Ausführungen aus dem Gehäuse 13 der gasisolierten Schaltanlage sind durch gasdichte Anschlüsse 9 begrenzt. Die Primärwicklung 3 des Wandler 2 ist mittels der Erdungsleitung 11 unmittelbar mit der elektrischen Erde 8 verbunden und in der Erdungsleitung 11 ist ein Stromsensor 6 angeordnet, der mit einer Auswerteeinrichtung 7 verbunden ist. Im Falle einer Ferroresonanzschwingung in dem Hochspannungsnetz 10 kommt es in der Primärwicklung 3 des Wandlers 2 zu einem Stromfluss, der über die Erdungsleitung 11 zur elektrischen Erde 8 als Wicklungsstrom fließt. Diese Wicklungsströme erzeugen innerhalb des Stromsensors 6 einen elektromagnetischen Impuls, der mittels der Auswerteeinrichtung 7 ausgewertet werden kann. Beim Vorliegen von bestimmten Ferroresonanzschwingungen kann mittels der Frequenzanalyse, der Dauer, der Höhe und/oder der Charakteristik der am Stromsensor 6 gemessenen Ströme beziehungsweise Spannungen auf eine Ferroresonanzschwingung geschlossen werden. Die Auswerteeinrichtung 7 kann daraufhin entsprechende Änderungen innerhalb des Hochspannungsnetzes 10 frei geben. So ist beispielsweise denkbar, dass die Auswerteeinrichtung 7 eine entsprechende Änderung der Betriebszustände und/oder der Netzkonfiguration des Hochspannungsnetzes 10, wie beispielsweise das Auslösen eines definierten elektrischen Schaltvorgangs und/oder das Zuschalten einer Dämpfungseinrichtung und/oder das Verändern einer Trennschalterkonfiguration, vornimmt.
-
Die 4 zeigt im Unterschied zu 1 eine mit dem Gehäuse 13 verbundene Erdungsleitung 11 einer gasisolierten Schaltanlage, um die ein entsprechender Stromsensor 6 innerhalb des gasisolierten Gehäuses 13 angeordnet ist. Der Stromsensor 6 ist weiterhin mit der Auswerteeinrichtung 7 verbunden. Der Erdungspfad 11 erstreckt sich im gezeigten Beispiel der 4 über die unmittelbare Verbindung eines Nebenschlusswiderstandes (Shunt) als Wandler 2 mit der Gehäusewandung und einer entsprechenden Verbindungsleitung als Teil der Erdungsleitung 11 zur elektrischen Erde 8. Die Auswerteeinrichtung 7 weist dabei Stellfunktionen auf, die eine unmittelbare Beeinflussung des Hochspannungsnetzes 10 erlauben. Im gezeigten Beispiel der 4 regelt die Auswerteeinrichtung 7 eine Netzkomponente 12 in Form eines Leistungsschalters 12 innerhalb des gasisolierten Gehäuses 13. Im Falle der Detektion einer Ferroresonanzschwingung kann die Auswerteeinrichtung 7 unmittelbar die Netzkomponente 12 ansteuern; hier den Leistungsschalter 12 öffnen oder schließen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 1516136 [0007]
- DE 1154570 [0007]
