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Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler, insbesondere einen potentialtrennenden Spannungswandler, einen integrierten Spannungswandler und Verfahren zum Herstellen derselben.
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Für die Problematik, dass im Bereich der elektrischen Energieübertragung und -verteilung an verschiedenen Punkten im Netz Spannungen gemessen werden müssen, stehen im Stand der Technik verschiedene Messmethoden zur Verfügung. Insbesondere zur Potentialtrennung und um die zu messende Spannung an die Eingangspegel der Messgeräte anzupassen, werden Spannungswandler verwendet. Üblich ist dabei, dass etwa 100 V bei der Nennspannung am Eingang der Messgeräte anliegen.
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Diese Spannungswandler setzen das primäre Spannungssignal, im Bereich von 1 kV bis 60 kV für Mittelspannungen oder oberhalb von 60 kV für Hochspannungen, auf die benötigten Energiepegel des jeweiligen Messgerätes oder der jeweiligen Schutzgeräte um.
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Diese potentialtrennenden Spannungswandler sind aber relativ teuer und benötigen einen vergleichsweise großen Einbauraum.
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Als Alternative zu den potentialtrennenden Spannungswandlern sind im Stand der Technik nichtpotentialtrennende Spannungswandler bekannt, die zwar im Vergleich mit den potentialtrennenden Spannungswandlern kleiner und günstiger sind, aber eben nicht die geforderte Potentialtrennung zwischen Ober- und Unterspannungsseite, also der Primärspannung und der Sekundärspannung, leisten. Zusätzlich sind die nichtpotentialtrennenden Spannungswandler spezifisch an die Eingangsimpedanz des jeweiligen Messgerätes angepasst.
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Als Spannungswandler sind folgende Spannungswandler für Mittel- und Hochspannungsanlagen bekannt:
- – Induktive Spannungswandler, also Transformatoren, die eine Potentialtrennung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis, also der Oberspannungsseite oder Primärspannung und der Unterspannungsseite oder Sekundärspannung leisten;
- – Kapazitive Spannungswandler, zum Beispiel Kombination eines kapazitiven Spannungsteilers mit einem Transformator; diese bieten prinzipiell eine Potentialtrennung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis; und
- – Spannungswandler mit einem ohmschen Spannungsteiler, der keine Potentialtrennung bietet.
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Die induktiven und kapazitiven Spannungswandler benötigen in Schaltanlagen einen relativ großen Bauraum und sind vergleichsweise teuer.
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Die ohmschen Spannungswandler, die keine Potentialtrennung ermöglichen, kommen mit deutlich kleineren Bauräumen aus und sind auch in der Herstellung günstiger. Allerdings weisen sie als Nachteil neben der fehlenden Potentialtrennung auch die Notwendigkeit der speziellen Anpassung an die Eingangsimpedanz des jeweils angeschlossenen Messgerätes oder Schutzgerätes auf. Die Eingangskreise der Messgeräte sind also funktionale Bestandteile der ohmschen Spannungswandler.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen Spannungswandler bereitzustellen, der die Nachteile aus dem Stand der Technik behebt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die unabhängigen Ansprüche 1, 8, 9 und 11 und die von diesen abhängigen Ansprüchen.
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In einem Ausführungsbeispiel weist ein erfindungsgemäßer kapazitiver Spannungswandler für Mittel- und Hochspannungsanlagen einen, um einen Leiter, der mit einer Mittel- und/oder Hochspannung beaufschlagbar ist, anordenbaren koaxialen, kapazitiven Abgriff auf. Der koaxiale, kapazitive Abgriff weist einen Träger auf,
- – der elektrisch isolierend ausgebildet ist,
- – der radial um den Leiter gewickelt ist,
- – der eine Abgriffmetallisierung, weitere Metallisierungen und eine Anschlussmetallisierung aufweist,
- – und die Metallisierungen derart auf dem Träger angeordnet sind, dass sich die Metallisierungen nicht berühren und so beabstandet sind, dass eine Isolationsfestigkeit in Bezug auf eine vorgebbare Nennspannung der Leitung gegeben ist. Dabei liegen die Metallisierungen des Trägers, in dem Leiter umwickelten oder umgebenen Zustand, also der Zustand, in dem der Leiter von dem Träger umwickelt oder umgeben ist, im Wesentlichen radial übereinander und sind durch den Träger oder mehrere Lagen des Trägers elektrisch voneinander isoliert. Die Anschlussmetallisierung weist einen Abgriff und/oder ein elektrisches Verbindungselement auf, wobei
der Träger eine spiralförmige, koaxial, kapazitive Struktur um den Leiter bildet.
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Die Metallisierungen können dabei auf oder in den Träger eingebracht sein. Vorteilhafter Weise ist eine Fläche der Metallisierungen durch den Träger von einer darüber- oder darunterliegenden Metallisierung elektrisch isoliert.
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Unter den Begriffen „wickelbar” und „umwickelt” ist zu verstehen, dass der Träger entweder selbst um den Leiter gewickelt worden ist, oder aber im Vorfeld um zum Beispiel eine Wickelhilfe gewickelt worden ist und dann nach dem Entfernen der Wickelhilfe über den Leiter geschoben wurde und so den Leiter dann umwickelt oder umgibt.
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Der Begriff koaxial beschreibt die Anordnung der die Kondensatoren bildenden Metallisierungen um den Leiter. Dabei kann der Leiter rund oder auch rechteckig ausgeführt sein. Bei einer rechteckigen Ausführung kann der Leiter derart umhüllt sein, dass die Wicklungen des Trägers eine Spiralbahn beschreiben, die Wicklungen des Trägers können aber auch eine an zwei oder mehr Seiten abgeflachte Spiralbahn beschreiben.
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Der Abgriff oder das elektrische Verbindungselement können optional mit einer Schirmung versehen sein.
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Bevorzugt wird auch, dass die Metallisierungen so beabstandet sind, dass eine Isolationsfestigkeit in Bezug auf eine vorgebbare Nennspannung der Leitung gegeben ist.
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Weiter wird bevorzugt, dass der Abgriff oder das elektrische Verbindungselement mit einem Eingang eines Verstärkers derart verbunden ist, dass die Amplitude des Ausgangssignals des Spannungswandlers bei einer vorgebbaren Nennspannung in einem voreinstellbaren Spannungsbereich liegt. Besonders bevorzugt wird, dass bei der Nennspannung im Primärkreis das Ausgangssignal bei 100 V liegt.
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Auch wird bevorzugt, dass der Eingang des Verstärkers einen Eingangs-Kondensator aufweist. Weiter wird auch bevorzugt, dass das Eingangssignal am Eingang gegen die Bezugsmasse dem Verstärker zugeführt wird.
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Auch wird bevorzugt, dass der Abstand zwischen den Metallisierungen die Breite der Metallisierungen parallel zur Wickelrichtung bestimmt.
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Besonders bevorzugt wird, dass die Breite der Metallisierungen parallel zur Wickelrichtung bestimmt wird durch:
Breite = (Pi·d) – Abstand, mit Pi der Kreiszahl und d dem jeweiligen Durchmesser der Wicklung des Trägers.
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Auch wird bevorzugt, dass der Abstand zwischen den Metallisierungen parallel zur Wicklung ein ganzzahliges Vielfaches N des Produktes aus Pi und d, dem jeweiligen Durchmesser der Wicklung des Trägers, beträgt, also sich eine oder mehr Wicklungen, also N Wicklungen, des Trägers zwischen den jeweils auf dem Träger benachbarten Metallisierungen befinden.
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In einer weiteren Ausführung weist ein integrierter kapazitiver Spannungswandler für Mittel- und Hochspannungsanlagen einen kapazitiven Spannungswandler nach einem der vorstehenden Ausführungen auf, wobei der Verstärker in räumlicher Nähe zur Anschlussmetallisierung des Trägers angeordnet ist, und/oder der Verstärker in einer gemeinsamen Umhüllung mit dem kapazitiven Abgriff oder dem elektrischen Verbindungselement angeordnet ist.
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Eine weitere Ausführung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Spannungswandlers für Mittel- und Hochspannungsanlagen, wobei ein Träger, welcher
- – elektrisch isolierend ausgebildet ist und
- – eine Abgriffmetallisierung, weitere Metallisierungen und eine Anschlussmetallisierung aufweist, wobei die Metallisierungen derart auf dem Träger angeordnet sind, dass sich die Metallisierungen nicht berühren und die Metallisierungen so beabstandet sind, dass eine Isolationsfestigkeit in Bezug auf eine vorbestimmbare Nennspannung gegeben ist, und wobei die Anschlussmetallisierung einen Abgriff und/oder ein elektrisches Verbindungselement aufweist,
- – radial um eine Wickelhilfe gewickelt wird, wobei die Wickelhilfe einen ersten Umfang aufweist, der den zweiten Umfang einer ersten innersten Wicklung bestimmt, und der so erzeugte koaxiale, spiralförmige, kapazitive Abgriff von einer Umhüllung umgeben wird, die ein Abwickeln des aufgewickelten Trägers verhindert, und die Wickelhilfe entfernt wird.
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Weiter bevorzugt wird auch, dass der kapazitive Abgriff eines oder mehrere der Merkmale der vorstehenden Ausführungen aufweist.
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Eine weitere Ausführung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten kapazitiven Spannungswandlers für Mittel- und Hochspannungsanlagen, wobei ein Träger, welcher
- – elektrisch isolierend ausgebildet ist und
- – eine Abgriffmetallisierung, weitere Metallisierungen und eine Anschlussmetallisierungen aufweist, wobei die Metallisierungen derart auf dem Träger angeordnet sind, dass sich die Metallisierungen nicht berühren und die Metallisierungen so beabstandet sind, dass eine Isolationsfestigkeit in Bezug auf eine vorbestimmte Nennspannung gegeben ist, wobei die Anschlussmetallisierung einen Abgriff und/oder ein elektrisches Verbindungselement aufweist,
- – radial um eine Wickelhilfe gewickelt wird, wobei die Wickelhilfe einen ersten Umfang aufweist, der den zweiten Umfang einer ersten innersten Wicklung bestimmt und der Abgriff oder das elektrische Verbindungselement mit einem Verstärker verbunden werden und der so erzeugte, koaxiale, spiralförmige, kapazitive Abgriff mit dem Verstärker von einer Umhüllung umgeben wird, die ein Abwickeln des aufgewickelten Trägers verhindert und die Wickelhilfe entfernt wird.
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Bevorzugt wird auch eine Mittelspannungsanlage und/oder Hochspannungsanlage mit einem zuvor beschriebenen Spannungswandler.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Rahmen eines Ausführungsbeispiels erläutert.
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1: Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Spannungswandlers mit Verstärker und Messgerät;
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2: Schematische Darstellung des elektrisch isolierenden Trägers mit den Metallisierungen; und
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3: Schematische Darstellung eines Schnittes durch den kapazitiven Abgriff eines erfindungsgemäßen kapazitiven Spannungswandlers, der um einen Leiter angeordnet ist.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Spannungswandlers 1, der an einem Leiter 5 angeordnet ist, wobei der Leiter 5 bevorzugt ausgestaltet ist, um Mittel- und/oder Hochspannungen zu übertragen.
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Der kapazitive Spannungswandler 1 weist einen kapazitiven Abgriff 10 auf, der durch Kondensatoren gebildet wird, die mit Hilfe eines aufgerollten Trägers 15 – hier nicht gezeigt – und Metallisierungen 20, 25, 30 auf dem Träger 15 gebildet werden. Die elektrisch isoliert angeordneten Metallisierungen 20, 25, 30 bewirken eine kapazitive Spannungsteilung und eine Potentialtrennung des Spannungswandlers. Der Träger mit den Metallisierungen 20, 25, 30 wird zum Bilden des kapazitiven Spannungswandlers 1 aufgerollt und bildet so eine Folge von kapazitiven Elementen, die wie einzelne Kondensatoren wirken. Weiter fällt auch Spannung an dem Eingangskondensator 50, dem Verstärker 40 und dem Messgerät 65 ab. So wird die Spannung der Leitung 5 auf die benötigte Spannung des jeweiligen Messgerätes 65 oder der jeweiligen Schutzgeräte umgesetzt.
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Die Abgriffmetallisierung 20 ist bevorzugt um eine Isolierung 8 – in 1 nicht gezeigt – des Leiters 5 gelegt, kann aber auch direkt auf dem Leiter 5 liegen, um diesen zu kontaktieren. Die Isolierung 8 bildet dabei die Form des Leiters 5 weiter, insbesondere bei runden Leitern 5, oder kann die Geometrie des Leiters 5 derart ändern, dass beispielsweise ein rechteckiger oder quadratischer Leiter 5 eine Isolierung 8 mit einer zylinderförmigen Außenfläche aufweist.
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Die Anschlussmetallisierung 30, die einen Abgriff 35 aufweist oder mit einem elektrischen Verbindungselement 35' kontaktiert ist, über den der kapazitive Abgriff 10 mit dem Eingangskondensator 50 des Eingangs 45 des Verstärkers 40 verbunden ist. Der Verstärker 40 ist außerdem mit einer Bezugsmasse, Erde oder Messmasse 60 verbunden. Im Verstärker 40 wird das Ausgangssignal, das auf den Ausgang 55 des Verstärkers 40 gelegt wird, bei einer am Leiter 5 anliegenden Nennspannung auf zum Beispiel 100 V oder zum Beispiel 100 V : √3 angehoben, so dass das Ausgangssignal einem herkömmlichen Messgerät 65 zugeführt werden kann.
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Das Messgerät 65 ist mit einer Bezugsmasse, Erde oder Messmasse 60 verbunden.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Trägers 15 mit einer Abgriffmetallisierung 20, weiteren Metallisierungen 25 und einer Anschlussmetallisierung 30. Zur Isolation weisen die Metallisierungen 20, 25, 30 jeweils einen Randabstand 85 auf. Außerdem sind jeweils benachbarte Metallisierungen 20, 25, 30 jeweils durch einen Abstand 70 in der Wickelrichtung 80 beabstandet. Der Träger 15 ist um den Leiter 5 gewickelt, so dass der Träger eine spiralförmige, koaxial kapazitive Struktur bildet. Die Wickelrichtung 80 ist die Richtung in der der Träger 15 aufgewickelt oder aufgerollt wird, um den kapazitiven Abgriff 10 zu bilden.
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Die Abgriffmetallisierung 20 kontaktiert in der 2 den Leiter 5, der eine Isolierung 8 aufweist. Alternativ kann die Isolierung 8 auch zwischen der Abgriffnetallisierung 20 und dem Leiter 5 liegen.
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Sofern der Abstand 70 weniger als eine Umwicklung des Leiters 5 beträgt, errechnet sich die Breite einer Metallisierung 20, 25, 30 nach der Formel (Pi·d) – Abstand 70, wobei d den jeweiligen Durchmesser der Wicklung des Trägers 15 beschreibt und Pi die Kreiszahl ist.
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Die Anschlussmetallisierung 30 ist mit einem Abgriff 35 oder einem elektrischen Verbindungselement 35' versehen.
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Die 3 zeigt einen Schnitt durch einen koaxialen, kapazitiven Abgriff 10, der um einen Leiter 5 angeordnet ist. Die Metallisierungen 20, 25, 30 sind dabei derart auf dem Träger 15 beabstandet, dass sie jeweils übereinander liegen und durch hier eine Lage des Trägers getrennt sind. Auf der oberen Seite des Schnittes sind die Metallisierungen auf Grund der Beabstandungen hier nicht erkennbar.
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Die Abgriffmetallisierung 20 liegt in diesem Beispiel direkt auf dem Leiter 5 und kontaktiert diesen so elektrisch. Alternativ kann zwischen dem Leiter 5 und der Abgriffmetallisierung 20 auch eine Isolierung 8 des Leiters 5 angeordnet sein, so dass die Abgriffmetallisierung 20 mit dem Leiter 5 kapazitiv gekoppelt ist.
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Die Anschlussmetallisierung weist einen Abgriff 35 auf, der mit einem Eingang 45 des Verstärkers 40 elektrisch leitend verbunden ist. Nicht gezeigt ist in 3 die Eingangskapazität 50. Der Verstärker ist mit einer Messmasse 60 elektrisch leitend verbunden.
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Der Ausgang des Verstärkers 40 ist elektrisch leitend mit einem Messgerät 65 verbunden. Das Messgerät 65 ist ebenfalls mit der Messmasse 60 elektrisch leitend verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kapazitiver Spannungswandler
- 5
- Leiter, insbesondere Mittel- und/oder Hochspannungsleiter
- 8
- Isolierung des Leiters 5
- 10
- Kapazitiver Abgriff
- 15
- Elektrisch isolierender Träger
- 20
- Abgriffmetallisierung
- 25
- Weitere Metallisierung
- 30
- Anschlusmetallisierung
- 35
- Abgriff
- 35'
- Elektrisches Verbindungselement
- 40
- Verstärker
- 45
- Eingang, insbesondere Messeingang des Verstärkers
- 50
- Eingangskondensator
- 55
- Ausgang des Verstärkers
- 60
- Bezugsmasse, Erde, Messmasse
- 65
- Messgerät
- 70
- Abstand zwischen den benachbarten Metallisierung
- 75
- Breite der Metallisierungen parallel zur Wickelrichtung
- 80
- Wickelrichtung
- 85
- Randabstand
