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Kaskadenstromwandler Um das Isolationsproblem bei für hohe Reihenspannungen
bestimmten Stromwandlern zu vereinfachen, ist es bekannt, die sogenannte Kaskadenschaltung
anzuwenden. Man unterscheidet eingliedrige (einstufige) oder mehrgliedrige (mehrstufige)
Kaskadenstromwandler.
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Wenn ein Stromwandler mit mehreren Kernen und Sekundärwicklungen zum
Anschluß von Bürden für Messung, Zählung und Schutzanordnungen, also mit sogenannten
Meß- und Relaiskernen ausgerüstet werden soll, so bereitet dies erhebliche Schwierigkeiten,
wenn es sich um einen Kaskadenstromwandler handelt. Es ist bekannt, zu diesem Zweck
an die Sekundärwicklung eines einstufigen Kaskadenstromwandlers die Primärwicklung
eines Hilfswandlers anzuschließen, der mehrere Kerne und Sekundärwicklungen zum
Anschluß der verschiedenen Bürden aufweist. In Fig. 1 der Zeichnung ist die Schaltung
eines solchen Stromwandlers dargestellt. Mit 11 ist der einstufige Kaskadenstromwandler
mit seiner Primärwicklung 12, seiner Sekundärwicklung 13, den Schubwicklungen
14, 15 und dem auf Mittelpotential befindlichen Eisenkern 16 bezeichnet.
Der an die Sekundärwicklung 13 angeschlossene Hilfswandler 17
hat beispielsweise
zwei von der Primärwicklung 18
erregte Eisenkerne 19 und
20 (Meß- und Relaiskern) mit den Sekundärwicklungen 21 und 22. Es ist auch
bekannt, bei einem mehrstufigen Kaskadenstromwandler das unterste Glied, d. h. die
Endstufe, mit mehreren Kernen und Sekundärwicklungen zum Anschluß der verschiedenen
Bürden auszurüsten.
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Die Fig. 2 zeigt das Schaltbild für einen Kaskadenstromwandler mit
zwei Gliedern oder Stufen 11 und 17. Die Eisenkerne 16, 19
und 20 sind beispielsweise Ringkerne oder rechteckige, die primären und sekundären
Wicklungen jeweils auf demselben Schenkel tragende Rahmenkerne, so daß Schubwicklungen
entfallen. Die Sekundärwicklung 13 des oberen Gliedes 11 und die Primärwicklung
18 des unteren Gliedes 17 bilden hier die Kopplungswicklungen zwischen
beiden Stufen. Diese Ausbildung eines einstufigen oder mehrstufigen Kaskadenstromwandlers
hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß der Kern hoher Genauigkeit und kleiner
Leistung, z. B. der Meß- oder Zählkern 19, durch die hohe Belastung des oder der
anderen Kerne (Relaiskern 20) unzulässig über das dem Hilfswandler bzw. der
Kaskadenendstufe 17 vorgeschaltete Kaskadenglied 11 beeinflußt wird.
Um diese meßtechnischen Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es schon bekanntgeworden,
zwischen den den verschiedenen Bürden zugeordneten Kernen der Endstufe eines mehrstufigen
Kaskadenstromwandlers eine transformatorische, galvanische, magnetische oder kapazitive
Kopplung derart vorzusehen, daß eine Fehlerkompensation bei den für hohe Meßgenauigkeit
ausgelegten Kernen (Meß- und Zählkern) erreicht wird. Diese Fehlerkompensation bedingt
jedoch einen erheblichen Mehraufwand, so daß man in der Regel auf die Anwendung
der Kaskadenschaltung und deren isolationstechnische Vorteile verzichtet hat, wenn
Stromwandler mit getrennten Meß- und Relaiskernen verlangt werden.
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Die Erfindung zeigt einen einfachen Weg, wie man in solchen Fällen
doch von der Kaskadenschaltung und ihren Vorteilen Gebrauch machen kann, ohne den
geschilderten Mehraufwand für die Fehlerkompensation treiben zu müssen. Die Erfindung
betrifft einen Kaskadenstromwandler in einstufiger oder mehrstufiger Ausführung
und besteht darin, daß der Eisenkern jeder Stufe der Kaskade in zwei oder mehr Einzelkerne
mit je einer Sekundärwicklung unterteil ist, daß die von dem zu messenden Strom
durchflossene Primärwicklung sämtliche Einzelkerne der betreffenden Stufe gemeinsam
umfaßt, daß ferner, falls Schubwicklungen erforderlich sind, jeder von den Einzelkernen
mit solchen Schubwicklungen versehen ist, und daß die gegebenenfalls vorgesehenen
weiteren Stufen dagegen für jeden Einzelkern eine besondere Primärwicklung aufweisen,
wobei diese Primärwicklung und die Sekundärwicklung des entsprechenden Eisenkernes
der vorgeschalteten Stufe miteinander verbunden die Kopplungswicklungen der beiden
betreffenden Stufen bilden. Eine meßtechnisch ungünstige gegenseitige Beeinflussung
der Kerne, also insbesondere der Kerne hoher Genauigkeit durch die anderen Kerne,
tritt bei dem Kaskadenstromwandler gemäß der Erfindung nicht auf, so daß Maßnahmen
zur Fehlerkompensation, wie sie bei den bekannten Kaskadenstromwandlern mit mehreren
in der Endstufe vorgesehenen Einzelkernen für verschiedene Sekundärwicklungen zur
Speisung von Bürden für
verschiedene Aufgaben notwendig sind, völlig
entfallen. Ein Mehraufwand an Kernmaterial tritt auch nicht auf.
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In einstufiger Ausführung wird der Kaskadenstromwandler gemäß der
Erfindung praktisch so aufgebaut, daß die zwei oder mehr Einzelkerne auf ihren einen
Schenkeln die sie gemeinsam umfassende Primärwicklung. auf ihren gegenüberliegenden
Schenkeln die einzelnen Sekundärwicklungen zum Anschluß von Bürden für verschiedene
Aufgaben (z. B. Meßgeräte, Zähler, Relais) tragen und daß jeder von den Einzelkernen
mit Schubwicklungen zur Kopplung der gemeinsamen Primärwicklung mit den einzelnen
Sekundärwicklungen versehen ist. Die Herstellung eines solchen einstufigen Kaskadenstromwandlers
gemäß der Erfindung wird besonders einfach, wenn man ihn als gießharzisolierten
Wandler ausführt. Eine bevorzugte. sehr vorteilhafte Ausführungsform für einen solchen
gießharzisolierten Kaskadenstromwandler gemäß Erfindung besteht darin. daß zur Isolation
der Primärwicklung und der Sekundärwicklung gegenüber den Einzelkernen zwei Gießharzkörper
dienen, deren einer die Primärwicklung mit ihren Ausleitungen eingebettet trägt,
während in dem anderen Gießharzkörper die zwei oder mehr Sekundärwicklungen mit
ihren Ausleitungen eingebettet sind, und daß in den der Zahl der Einzelkerne entsprechenden,
von der Primärwicklung gemeinsam bzw. von den einzelnen Sekundärwicklungen umfaßten
Durchgängen der beiden Gießharzkörper die die Schubwicklungen tragenden Schenkel
der Einzelkerne liegen. Ein solcher Stromwandler ist auch zum Aufbau einer mehrstufigen
Stromwandlerkaskade geeignet, wenn man ihn als oberstes Glied der Kaskade benutzt,
wobei seine Sekundärwicklungen als Kopplungswicklungen zur Verbindung mit der nächstfolgenden
Kaskadenstufe dienen, welche die gleiche Anzahl von Einzelkernen. Sekundärwicklungen
und Schubwicklungen wie die oberste Stufe sowie statt einer gemeinsamen Primärwicklung
eine entsprechende Zahl von die betreffenden Schenkel der Einzelkerne einzeln umfassenden.
mit den Kopplungswickhmgen der obersten Stufe zu verbindenden Kopplungswicklungen
aufweist.
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Wohl ist es bereits bekannt, mehrstufige Kaskadenstromwandler in Gießharzisolieruna
auszuführen, indem für die aktiven Teile jeder Stufe ein besonderer den Ringkern
der betreffenden Stufe umhüllender Gießharzkörper vorgesehen wird, der in dem Kernfensterraum
zwei durch eine Wand getrennte Durch-Qänge aufweist. die, je nachdem, um welche
Stufe es sich handelt. zum Hindurchführen der Primärwicklung und der Kopplungswicklung
bzw. der beiden Kopplungswicklungen bzw. der Kopplungswicklung und der Sekundärwicklung
dienen. Dieser bekannte Kaskadenstromwandler hat aber in jeder Stufe nur einen einzigen
Eisenkern und weist im übrigen auch nicht den vorstehend beschriebenen, für einen
einstufigen Kaskadenstromwandler gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Aufbau mit
z@vei Gießhar7körpern und mit nicht in Gießharz eingebetteten zwei oder mehr Eisenkernen
auf.
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1n mehrstufiger, vorzugsweise flüssigkeitsisolierter Ausführung kann
ein Kaskadenstromwandler gemäß der Erfindung derart aufgebaut werden, daß die vorzugsweise
als Ringkerne Gestalteten Einzelkerne der obersten Stufe mit ihren Sekundärwicklungen
durch eine sie gemeinsam umhüllende Isolierung von der sie gemeinsam umfassenden
Primärwicklung getrennt sind und daß diese Isolierung sich in einer die Ausleitungen
aller Sekundärwicklungen enthaltenden Durchführung fortsetzt, während die vorzugsweise
auch als Ringkerne ausgebildeten Einzelkerne der folgenden Stufe bzw. Stufen mit
ihren Sekundärwicklungen jeder für sich gegenüber seiner Primärwicklung entsprechend
isoliert ist und mit je einer eigenen oder mit einer gemeinsamen Durchführung für
die Ausleitungen der Sekundärwicklungen versehen sind.
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Besonders vorteilhaft in isolationstechnischer Hinsicht ist es bei
einem solchen Kaskadenstromwandler in zweistufiger Ausführung, wenn die obere Stufe
so bemessen und mit einer solchen Isolierung der gemeinsamen Primärwicklung gegenüber
den auf einem Zwischenpotential befindlichen Einzelkernen mit ihren Sekundärwicklungen
versehen ist, daß auf die obere Stufe etwa zwei Drittel der Potentialdifferenz zwischen
Hochspannungsanschluß und Erde entfallen, während die untere Stufe (Endstufe) in
ihrer Bemessung und in der Isolierung der einzelnen Primärwicklungen gegenüber ihren
auf Erdpotential liegenden Einzelkernen mit ihren Sekundärwicklungen nur für etwa
ein Drittel der Potentialdifferenz ausgelegt ist.
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Die Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines einstufigen Kaskadenstromwandlers
gemäß der Erfindung mit beispielsweise einem Meß- und einem Relaiskern, während
in Fig.4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele eines einstufigen Kaskadenwandlers mit
Gießharzisolierung schematisch unter Fortlassung aller für die Erfindung unwesentlichen
Einzelheiten dargestellt sind.
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Die Primärwicklung 23 des Kaskadenstromwandlers, deren Enden an die
Hochspannungsanschlußklemmen K, L angeschlossen sind. erregt die beiden Einzelkerne
24 und 25, von denen jeder eine Sekur_-därwicklung 26 bzw. 27 trägt. Die sekundären
Anschlußklemmen sind mit 1k, 1l und 2k, 21 bezeichnet. Zur Kopplung der beiden
Sekundärwicklungen und der gemeinsamen Primärwicklung, die auf einander gegenüberliegenden
Schenkeln 24, 25 angeordnet sind, dienen die Schubwicklungen 28, 29 bzw.
30, 31 auf jedem der beiden Einzelkerne. Der eine von ihnen ist beispielsweise ein
sogenannter Meßkern hoher Genauigkeit, an dessen Sekundärwicklung ein Meßgerät angeschlossen
wird; an die Sekundärwicklung des anderen Kernes (Relaiskern) wird ein Schutzrelais
angeschlossen.
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Wie Fig, 4 zeigt, dient zur Isolation der auf Hochspannungspotential
befindlichen Primärwicklung 23 gegenüber den Einzelkernen 24, 25, die auf einem
mittleren Potential zwischen Betriebshochspannung und Erde liegen, ein Gießharzkörper
32. in den die Primärwicklung mit ihren Ausleitungen in an sich bekannter Art und
Weise eingebettet ist. Der Gießharzkörper weist zwei rohrförmige. von der Primärwicklung
gemeinsam umfaßte Durchgänge 33, 34 auf, in denen die die Schubwicklungen 28 und
30 tragenden Schenkel der beiden Eisenkerne 24, 25 liegen. Die beiden Sekundärwicklungen
26 und 27 sind mit ihren Ausleitungen in einen weiteren Gießharzkörper 35 eingebettet,
der ebenfalls zwei rohrförmige Durchaänge 36, 37 aufweist, in denen die die Schubwicklungen
29 und 31 tragenden Schenkel der beiden Eisenkerne 24, 25 liegen. Der Durchgang
36 ist von der Schubwicklung 26, der Durchgang 37 von der anderen Schubwicklung
27 umfaßt. Die beiden Gießharzkörper 32 und 35. mit Ausnahme der die Aus-
Leitungen
enthaltenden Durchführungen (Fortsätze), erhalten zweckmäßig einen leitenden oder
halbleitenden Außenbelag, der mit den Eisenkernen 24, 25 und den Verbindungsleitungen
der Schubwicklungen 28, 29 bzw. 30, 31 leitend verbunden wird, also
auf einem mittleren Potential zwischen Betriebsspannung und Erde liegt. Als besonders
vorteilhaft ist zu erwähnen, daß man für die Herstellung der beiden Gießharzkörper
32, 35 ein und dieselbe Gießform verwenden kann, da beide Körper vollkommen gleiche
Gestalt haben können.
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Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform für einen einstufigen
gießharzisolierten Kaskadenstromwandler gemäß der Erfindung weist der die Primärwicklung
23 enthaltende Gießharzkörper 32 a nur einen wenigstens annähernd kreisrunden Durchgang
38 auf, der zur Aufnahme der die Schubwicklungen 28, 30 tragenden
Schenkel beider Eisenkerne 24, 25 dient. Die Kerne sind mit ihren Ebenen
schräg zueinander angeordnet, bilden also zwischen sich einen spitzen Winkel. Man
erhält damit den Vorteil, daß die Primärwicklung 23 kreisförmig gestaltet
und gleichzeitig an Gießharz gespart werden kann. Allerdings braucht man zur Herstellung
der beiden Gießharzkörper 32a und 35 zwei verschiedene Gießformen. Man kann
die Querschnitte der Eisenkerne 24, 25 übrigens in an sich bekannter Art
und Weise auch so gestalten, daß ihr Gesamtquerschnitt annähernd eine Kreisform
ergibt, so daß der Durchgang 38 von den die Schubwicklungen tragenden Kernschenkeln
praktisch voll ausgefüllt wird.
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An sich ist es bei Trockenstromwandlern, deren einteiliger Isolierkörper
einen von der Primärwicklung umschlungenen Querdurchgang zur Aufnahme eines Teiles
des die Sekundärwicklung tragenden magnetischen Kreises aufweist, bekannt, den magnetischen
Kreis von zwei Eisenkernen bilden zu lassen, deren Ebenen schräg zueinander liegen,
also zwischen sich einen spitzen Winkel bilden. Diese Maßnahme dient lediglich einer
Verringerung der Bauhöhe des Wandlers, also einem ganz anderen Zweck als bei dem
vorbeschriebenen, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines einstufigen
Kaskadenstromwandlers gemäß der Erfindung mit einer Primärwicklung, zwei Eisenkernen,
vier Schubwicklungen und zwei Sekundärwicklunngen.
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Ein Ausführungsbeispiel für einen mehrstufigen, und zwar zweistufigen
Kaskadenstromwandler gemäß der Erfindung ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt, wobei
Fig. 6 das Prinzipschaltbild und Fig. 7 rein schematisch unter Fortlassung aller
für die Erfindung unwesentlichen Einzelheiten ein Beispiel für den konstruktiven
Aufbau eines solchen zweistufigen Kaskadenstromwandlers zeigt. Die Primärwicklung
39 des Kaskadenstromwandlers, deren Enden an die Hochspannungsklemmen K, L angeschlossen
sind, umfaßt die beiden vorzugsweise als Ringkerne ausgebildeten Einzelkerne
40 und 41, von denen jeder eine Sekundärwicklung 42 bzw.
43 trägt. Die Primärwicklung 39, die Eisenkerne 40, 41 und
die Sekundärwicklungen 42, 43 bilden die aktiven Teile der oberen Stufe der Kaskade.
Die untere Stufe (Endstufe) der Kaskade weist die gleiche Zahl von Einzelkernen
auf wie die obere Stufe, d. h. in dem dargestellten Beispiel zwei vorzugsweise als
Ringkerne ausgebildete Einzelkerne 44 und 45. Jeder von diesen Kernen trägt
eine Primärwicklung 46 bzw. 47 und eine Sekundärwicklung 48 bzw.
49. Die Sekundärwicklungen 42, 43 der oberen Stufe und die Primärwicklungen
46, 47 der unteren Stufe bilden die Kopplungswicklungen der beiden Stufen der Kaskade.
An die sekundären Klemmen l k, 11 bzw. 2k, 21 des Kaskadenstromwandlers
werden die Bürden für verschiedene Aufgaben, z. B. ein Meßgerät und ein Schutzrelais,
angeschlossen.
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Die beiden Ringkerne 40 und 41 der oberen Kaskadenstufe sind, wie
Fig. 7 zeigt, mit den zugehörigen Sekundärwicklungen 42 bzw. 43 bewickelt und gemeinsam
mit einer ausreichenden Isolation 50 versehen, die, wenn es sich um einen
flüssigkeitsisolierten Stromwandler handelt, in üblicher Weise aus Papierbandagen
od. dgl. hergestellt ist. Die Isolation 50 weist einen als Durchführung für die
Ausleitungen der beiden Sekundärwicklungen 42, 43 dienenden Fortsatz 51 auf. Die
Primärwicklung 39 ist, wie in Fig. 7 nur rein schematisch angedeutet, in der genügenden
Anzahl von Windungen um die von der Isolation 50 umhüllten beiden Ringkerne 40,
41 mit ihren Sekundärwicklungen 42, 43 herumschlungen. Ein Isoliermantel
52 mit einer metallischen Grundplatte 53 und einem Metalldeckel oder einer Metallhaube
54 bildet das mit Isolierflüssigkeit gefüllte Gehäuse für die aktiven Teile der
oberen Stufe des Kaskadenstromwandlers. Die untere Stufe der Kaskade besitzt einen
Isoliermantel 55 mit einer metallischen Grundplatte 56 und einem Metalldeckel
57. In diesem ebenfalls mit Isolierflüssigkeit gefüllten Gehäuse sind die beiden
Ringkerne 44 und 45 mit ihren Sekundärwicklungen 48 bzw. 49 untergebracht.
Der die Sekundärwicklung 48 tragende Ringkern 46 ist mit einer beispielsweise aus
Papierbandagen od. dgl. bestehenden Isolierhülle 58 gegenüber seiner Primärwicklung
46 isoliert. Eine entsprechende Isolierhülle 59 dient zur Isolation des Ringkernes
45 und seiner Sekundärwicklung 49
gegenüber seiner Primärwicklung 47.
Die Isolierhüllen 58 und 59 haben als Durchführungen für die Ausleitungen der beiden
Sekundärwicklungen 48, 49 dienenden Fortsätze 60 bzw. 61. Die Wicklungen 46 und
47, die mit den Wicklungen 42 und 43 der oberen Stufe verbunden sind, umschlingen
die Ringkerne 44
und 45 mit einer entsprechenden Anzahl von Windungen, was
in der Fig. 7 nur schematisch angedeutet ist.
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Die Ringkerne 44 und 45 befinden sich auf Erdpotential und sind durch
die Isolierhüllen 58, 59 gegenüber den auf einem mittleren Potential befindlichen
Primärwicklungen 46, 47 entsprechend isoliert. Die Ringkerne 40 und
41 der oberen Stufe befinden sich auf dem gleichen mittleren Potential wie
die Wicklungen 46,47 der unteren Stufe bzw. die mit diesen verbundenen Wicklungen
42, 43 der oberen Stufe. Dementsprechend müssen die Ringkerne 40
und
41 durch die Isolation 50 gegenüber der auf Hochspannung befindlichen
Primärwicklung 39 isoliert sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn man die Isolierhülle
50 mit ihrer Durchführung 51 und den Isoliermantel 52 der oberen Stufe
so bemißt, daß auf die obere Stufe etwa zwei Drittel der Potentialdifferenz zwischen
dem Hochspannungsanschluß (also der Primärwicklung 39) und Erde entfallen. Die untere
Stufe wird dann in der Bemessung des Isoliermantels 55 und der Isolierungen 58 und
59 sowie der Durchführungen 60 und 61 nur für etwa ein Drittel der
Potentialdifferenz ausgelegt. Bei dieser Anordnung erzielt man eine wesentliche
Ersparnis an Isoliermaterial und eine Verringerung des Raumbedarfs für die
aktiven
Teile der beiden Kaskadenstufen, denn für die größere die Potentialdifferenz bemessene
Isolierung 50 der oberen Stufe wird nur einmal benötigt, da sie beide Ringkerne
40, 41 gemeinsam umgibt. Die für die beiden Ringkerne 44, 45 der unteren
Stufe erforderliche getrennte Isolation in Gestalt der Isolierhüllen 58, 59 hat
jedoch wegen der geringeren Potentialdifferenz zwischen den Wicklungen
46, 47 und den geerdeten Ringkernen 44, 45 eine wesentlich geringere
Stärke. Die beiden Ringkerne 44, 45 mit ihren Sekundärwicklungen und ihren Isolierhüllen
58, 59 sowie ihren Primärwicklungen 46, 47 können in Abweichung von der Darstellung
in Fig. 7 auch dicht nebeneinander angeordnet werden, so daß sie gegebenenfalls
eine Einheit bilden, wobei es auch möglich ist, die beiden Durchführungen
60, 61 zu einer gemeinsamen Durchführung für alle sekundären Ausleitungen
zusammenfassen. Man kann aber auch in der unteren Stufe zwei getrennte Einkern-Stromwandler
entsprechender Bemessung verwenden.
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Der in Fig. 7 dargestellte Kaskadenstromwandler kann auch mit Gießharzisolierung
ausgeführt werden.