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Schaltungsanordnung für Kaskaden-Spannungswandler für hohe und höchste
Spannungen Spannungswandler für Hochspannung, insbe=sondere solche, die mit einer
Isolierflüssigkeit gefüllt sind, stellen im Fall ihres Defektwerdens eine gewisse
Gefahr für ihre Umgebung dar. Die defekte Hochspannungswicklung verursacht einen
Erdschluß oder Kurzschluß des den Spannungswandler speisenden Netzes. Die innerhalb
des Spannungswandlers umgesetzte Kurzschlußenergie läßt seine Isolierflüssigkeit
vergasen. Die entstehenden. Gase entwickeln einen außerordentlich hohen Druck und
bringen mitunter das Gehäuse des Spannungswandlers zur Explosion. Diese Explosionen
erfolgen. um so heftiger, je größer die Energie ist, die in der Zeiteinheit innerhalb
des Spannungswandlergehäuses umgesetzt wird. Bei Erdungs-Spannungswandlern, die
zwischen der Hochspannungsleitung und Erde eines über Petersen-Spulen gelöschten
Netzes (mit »schwebendem« Nullpunkt) angeschlossen sind, sind derartige Explosionen
seltener. Denn einmal ist der Erdschlußreststrom eines solchen Hochspannungsnetzes
wesentlich kleiner als der Kurzschlußstrom zwischen zwei Phasen, und ferner pflegt
der Doppelerdschluß über einen Spannungswandler und an einer weiteren Phase, der
einen. derartigen Kurzschlußstrom auslösen würde, seltener vorzukommen. Spannungswandler
für Betriebsspannungen bis etwa 30 kV werden zur Vermeidung solcher Explosionen
und Erd- bzw. Kurzschlüsse häufig mit der oder den. Hochspannungsdurchführungen
vorgeschalteten Schmelzsicherungen geschützt, denen man auch oft Widerstände zur
Begrenzung des beim Ansprechen der Sicherungen entstehenden Kurzschlußstromes vorschaltet.
Für höhere Spannungen, wie z. B. 110, 220, 380 kV, ist jedoch die Anwendung von
solchen Hochs.pannungs-Schmelzsicherungen nicht mehr üblich, da für sie eine einwandfreie
Konstruktion noch nicht gelungen ist.
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Andererseits ist es häufig üblich, für die obengenannten höheren Spannungen
Erdungs-Spannungswandler zu verwenden. Da man jedoch in neuerer Zeit auch in Deutschland
Hochspannungsnetze für diese Spannungen (beispielsweise für 220 kV) mit starrer
Erdung des Nullpunktes zu betreiben pflegt, sind auch derartige Erdungs-Spannungswandler
bei ihrem Defektwerden der Explosionsgefahr in zunehmendem Maße ausgesetzt. Denn
jeder Erdschluß eines solchen mit starr geerdetem Nullpunkt betriebenen Netzes bedeutet
für die betroffene Phase einen Erdkurzschluß. Spannungswandler, insbesondere Erdungs-Spannungswandler
für Netze von 110, 220 oder 380 kV, werden häufig als Kaskaden-Spannungswandler
ausgeführt, bei welchen mehrere unter sich in Reihe geschaltete Hochspannungsspulen
auf verschiedenen Schenkeln eines oder mehrerer Eisenkerne, welche sich auf verschiedenem
Hochspannungspotential befinden, angeordnet sind, wobei die Transformation von der
bzw. den Hochspannungswicklungen auf die Niederspannungswicklung durch Schubwicklungen
bzw. durch Überkopplungswicklungen ermöglicht wird.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung für Kaskaden-Spannungswandler
für hohe und höchste Spannungen, durch welche die Explosionsgefahr des etwa defekt
werdenden Wandlers im Falle des durch ihn hervorgerufenen Erdkurzsch=lusses stark
gemindert wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in dem Stromkreis
der Überkopplungswicklungen Mittel (Schmelzsicherungen oder Überstromauslöser) vorgesehen
sind, welche auf den bei Auftreten eines Windungs- oder Lagenschlusses einer Hochspannungsspule
stark ansteigenden Strom im Kreise der Überkopplungswicklungen ansprechen und dadurch
die transfo.rmatorische Energieübertragung von Eisenkern zu Eisenkern des Kaskaden-Spannungswandlers
begrenzen.
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Die Erfindung geht von der neuartigen Erkenntnis aus, daß man auf
die Unterbrechung des die in Reihe geschalteten Hochspannungsspulen eines Kaskaden-Spannungswandlers
durchfließenden Stromes verzichten kann, sofern es gelingt, bei. Defektwerden einer
dieser Spulen den Kaskaden-Transformationseffekt zu begrenzen, nämlich so, daß der
in den Hochspannungsspulen fließende Primärstrom dann im wesentlichen begrenzt wird
durch die Leerstromaufnahme derjenigen Kerne, welche noch intakte Hochspannungsspulen
tragen. Man kann nämlich Kaskaden-Spannungswandler so auslegen, daß bei Defektwerden
einer Hochspannungsspule und Ausfall eines Kernes die übrigen Spulen bzw. Kerne
noch mehrere Stunden lang die volle Hochspannung aushalten bzw. die Primärstromaufnahme
begrenzen können. Voraussetzung dafür ist jedoch, daß durch diese Wicklungen nicht
ein erhöhter Strom fließt; denn dieser würde sämtliche
übrigen Wicklungen
sehr bald schädigen oder gar zerstören. Wenn jedoch im Sinne der Erfindung die Energieübertragung
über die Überkopplungswicklungen begrenzt oder unterbrochen wird, dann können die
nicht defekt gewordenen Spulen die geschilderte Aufgabe erfüllen, d. h., bei Defektwerden
einer Hochspannungsspule können die übrigen Spulen noch mehrere Stunden lang die
volle Hochspannung aushalten bzw. die Primärstromaufnahme begrenzen.
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Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, handelt es sich also bei
der Erfindung- nicht um eine jedem Elektrotechniker geläufige Anwendung von Schmelzsicherungen
oder- Überstromrelais zum Schutz der Hochspannungswicklungen eines Kaskaden.-Spannungswandlers
durch einfache Vorschaltung vor diese Hochspannungsspulen, sondern der Erfindungsgedanke
besteht darin, daß bei Defektwerden einer Hochspannungsspule des Kaskaden-Spannungswandlers
die Kaskadenschaltung aufgelöst wird in eine Schaltung, welche die Charakteristik
einer Seriendrosselschaltung hat. Eine solche Drosselkette ist in der Lage, längere
Zeit mit einer defekten Einzeldrossel zu arbeiten, während bei einer geschlossenen
Kaskadenschaltung eine Selbstzerstörung sämtlicher Wicklungen die Folge eines beginnenden
Defektes ist.
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Durch die Erfindung wird es also ermöglicht, in Höchstspannungsnetzen,
insbesondere auch in starr geerdeten Hochspannungsnetzen, induktive Hochspannungswandler
ohne Gefährdung des Bedienungspersonals (durch Explosionen) zu verwenden, weil Kaskaden-Spannungswandler
in der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung die erforderliche Sicherheit bieten,
während die bisher bekanntgewordenen üblichen Spannungswandler diesen Anforderungen
nicht genügen. Es wird also durch die Erfindung noch ein wesentlicher Fortschritt
insofern erzielt, als man auch in Zukunft in Höchstspannungsnetzen noch induktive
Spannungswandler verwenden kann, was nach den bisherigen Erfahrungen immer mehr
in Frage gestellt wurde.
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Bei Verwendung eines gemäß der Erfindung geschalteten Kaskaden-Spannungswandlers
tritt bei Auftreten eines Defektes in einer Hochspannungsspule im Zusammenspiel
mit der kurzschließenden Wirkung der defekten Spule eine Fehlanzeige auf der Sekundärseite
des Ka,skaden@Spannungswandlers auf, welche schon durch die normalen Überwachungsmittel
angezeigt wird. Diese Fehlanzeige ist um so größer, je vollkommener der Kurzschluß
der defekten Hochspannungsspule ist, d. h. je weiter fortgeschritten ihr Windungs-
bzw. Lagenschluß ist. Bei Anwendung der Erfindung ist es also nicht nur möglich,
eine Explosion eines defekt werdenden Kaskaden-Spannungswandlers für eine Reihe
von Stunden hinauszuschieben, sondern ein aufgetretener Defekt wird auch sofort
durch die üblicherweise vorhandenen Anzeigeorgane erkennbar gemacht. Auch dies ist
ein nicht zu unterschätzender Vorteil der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.
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Soll der vorstehend beschriebene Schutz an einem Kaskaden-Spannungswandler
in Isoliermantelbauweise angebracht werden, so werden erfindungsgemäß die Schmelzsicherungen
öder Überstromauslöser außerhalb des Isoliermantels angebracht, so daß ihr eventuelles
Ansprechen von außen erkannt werden kann. Im Falle eines Hochspannungsspulendefektes
wird der Spannungswandler nach Auslösen der Überstromauslöser ein stark geändertes
übersetzungsverhältnis aufweisen, so daß die Tatsache des Defektes beispielsweise
schon aus der Voltmeteranzeige in der Schaltwarte erkannt werden kann.
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Die Schmelzsicherungen oder überstromauslöser werden aber auch ansprechen,
wenn beispielsweise die Sekundärwicklung des durch sie geschützten Spannungswandlers
stark überlastet wird. Es ist deshalb zweckmäßig, das Ansprechen der Übe.rstromauslöser
in jedem Falle zuverlässig zu melden, wobei einer Fernmeldung bei der Weiträumigkeit
moderner Freiluftschaltanlagen der Vorzug zu geben ist. Diese Forderung kann dadurch
erfüllt werden, daß der ausgelöste Zustand des Überstromauslösers entweder mechanisch
(etwa durch ein Isoliergestänge) öder mittels Hochfrequenz oder auf optischem Wege
an ein auf Erdpotential befindliches Überwachungsorgan weitergegeben wird. Das auf
Erdpotential befindliche Überwachungsorgan nimmt dann die Weitermeldung in die Schaltwarte
usw. vor.
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In den Abb. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung
gemäß der Erfindung dargestellt. Abb.1 zeigt einen Schnitt durch die aktiven Teile
eines Kaskaden-Spannungswandlers mit zwei Kernen und vier Hochspannungsspulen. Zur
besseren Erkennbarkeit sind Gehäuse- und Abstützteile sowie die Verdrahtung fortgelassen.
In Abb. 2 ist die Schaltung des Wandlers gemäß Abb. 1 dargestellt. Der obere Kern
11 und der untere Kern 12 tragen unmittelbar auf ihren bewickelten Schenkeln die
Schubwicklungen 17, 18, 19 und 20. Darüber befinden sich die Hochspannungswicklungen
13, 14, 15 und 16. Über den Hochspannungswicklungen 14 und 15 sind die Überkopplungswieklungen
21 und 22 angebracht; die Verbindungsleitungen zwischen beiden führen über
die Schmelzsicherungen bzw. Überstromauslöser 25 und 26. Wie in Abb. 1 angedeutet
ist, werden beispielsweise die Schmelzsicherungen 25, 26 im Porzellanisoliermantel
des Wandlers, von dem nur ein Ausschnitt 24 gezeichnet ist, angeordnet.