DE1248157B - Anordnung zur Messung von Stroemen in Hochspannungsleitungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

GOIr

Deutsche Kl.: 2Ie-36/01

W36150IXd/21e
10. Februar 1964
24. August 1967

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der in einzelnen Leitern einer mehrere Leiter enthaltenden Hochspannungsleitung fließenden Ströme, bei der jedem derjenigen Leiter, deren Ströme zu messen sind, ein Geber zugeordnet ist, der ein von Stärke und Richtung des von den Strömen erzeugten magnetischen Feldes an seinem Ort abhängiges Signal erzeugt.

Bekannt ist es, in vorbestimmter Stellung bezüglich einer Übertragungsleitung eine Induktionsspule anzuordnen, deren Windungen durch die an der Leitung erzeugten magnetischen Kraftlinien geschnitten werden und in der ein Signal erzeugt wird, dessen Amplitude eine Funktion des Leitungsstromes ist. Dieses Signal wird dann für irgendeinen Zweck, beispielsweise zur Überwachung, Fehleranzeige oder Messung herangezogen. Eine entsprechende Einrichtung zur Befestigung einer Induktionsspule in einer vorbestimmten Meßstellung bezüglich einer Übertragungsleitung ist in »Electrical World« vom 22. 8. 1960, S. 92, dargestellt. Die elektrische und mathematische Theorie einer derartigen Einrichtung ist in dem Aufsatz »A New Current Sensing Device« von L. W. Stein jr., vorgetragen auf der A.I.E.E. Wintersitzung, New York, vom 28. Januar bis 2. Februar 1962 (Paper No. CP 62-239), entwickelt worden.

Bei der bekannten Einrichtung und dem Gebrauch der erwähnten Geberspule hat es sich jedoch als unmöglich erwiesen, eine genaue Anzeige des Stromes in einem ausgewählten Leiter einer dreiphasigen Übertragungsleitung zu erhalten, die normale Abstände zwischen den Leitern hat, da die magnetischen Felder von anderen Leitern der Leitung in der Geberspule ebenso wie das Feld des gewünschten Leiters Signale erzeugen. Es hat sich als unpraktisch oder unmöglich erwiesen, das von anderen Leitern in einer übliche Abstände aufweisenden Leitung herrührende Gebersignal zu eliminieren.

Ferner ist eine Strommeßeinrichtung für eine Hochspannungsanlage mit geradem Primärleiter und mindestens einem benachbarten Stromleiter bekannt, bei der zur Unterdrückung von Störeinflüssen durch von anderen Leitern herrührende Magnetfelder zur Messung des Stromes in einem Leiter diesem Leiter mehrere Geber zugeordnet werden. Diese Geber sind in bestimmter räumlicher Lage bezüglich des ihnen zugeordneten Leiters angeordnet und derart zusammengeschaltet, daß die störenden Einflüsse der von anderen Leitern herrührenden Magnetfelder kompensiert werden.

Derartige Änderungen der Gebereinrichtung, d. h.

Anordnung zur Messung von Strömen in
Hochspannungsleitungen

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Seibert, Patentanwalt,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Thomas E. Browne, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 28. Februar 1963 (261789)

das Vorsehen mehrerer Spulen und eine entsprechende Zusammenschaltung derselben, lassen sich bei einer Anordnung zum Messen der in einzelnen Leitern einer mehrere Leiter enthaltenden Hochspannungsleitung fließenden Ströme gemäß der Erfindung dadurch vermeiden, daß, sofern die Leiter mit ihren Querschnitten die Ecken eines Dreiecks bilden, jeder der Geber in der Dreiecksseite zwischen den ihm nicht zugeordneten Leitern angeordnet und derart ausgerichtet ist, daß seine senkrecht zu einem ein Signal erzeugenden magnetischen Fluß liegenden Ebenen den ihm nicht zugeordneten Leitern zugekehrt sind, während bei in einer Ebene liegenden Leitern diese zumindest halbschleifenförmige Krümmungen aufweisen, in deren Mittelpunkten der dem jeweiligen Leiter zugeordnete Geber angeordnet ist.

Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde, daß bei Anordnung von Geberspulen oder Hallgeneratoren in genau bestimmten Stellungen relativ zueinander, wobei die Achsen und Ebenen dieser EIemente in ganz bestimmter Weise bezüglich allen drei Leitern einer Dreiphasenleitung orientiert sind, das aufgenommene Signal in einer beliebigen Induktions-

709 638/203

spule oder einem Hallgenerator auf das von einer Leitung erhaltene begrenzt werden kann, und daß demgemäß eine genaue Anzeige des Stromes in dem Leiter der Übertragungsleitung erhalten werden kann. Dies wird kurz gesagt dadurch erreicht, daß eine Geberspule oder ein Hallgenerator derart angeordnet wird, daß die von dem Strom in dem gewünschten Leiter erzeugten magnetischen Kraftlinien ein Signal in der Spule erzeugen oder die Erzeugung eines Signals veranlassen, während die unerwünschten, von den anderen Leitern erzeugten Kraftlinien die Spule in solcher Weise schneiden, daß die in den beiden Seiten der Spule induzierten Signale infolge Gleichzeitigkeit der Induktion und Gegenphasigkeit einander auslöschen. Dabei werden die Richtungseigenschaften einer Spulenschleife ausgenutzt. Sofern ein Hallgenerator Verwendung findet, liegt nur der gewünschte Leiter in einer Richtung oder Ebene, die bewirkt, daß er magnetische Kraftlinien erzeugt, die ihrerseits ein Signal zur Folge haben.

Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, eine neue und verbesserte Anordnung zur Messung und Überwachung des Stromes in einer Hochspannungs-Ubertragungsleitung zu schaffen.

Eine andere Aufgabe besteht darin, eine neue und verbesserte Strommeß- und Überwachungsanordnung für eine Übertragungsleitung zus chaffen, wobei die Leiter der Leitung induktiv abgetastet werden.

Eine weitere Aufgabe ist das Vorsehen einer neuen und verbesserten Meß- und Überwachungsanordnung, die Hallgeneratoren in bestimmten Stellungen bezüglich der Leiter einer Mehrphasenleitung verwendet.

Diese und weitere Aufgaben werden in der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren klar verständlich. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 die bekannte Verwendung von Induktionseinrichtungen zur Messung oder Richtungsbestimmung von Strömen in Übertragungsleitungen,

F i g. 2 eine schematische Schaltung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 3 eine Ansicht der Mittel zur Befestigung der in F i g. 2 gezeigten Geberspulen in den gewünschten Stellungen relativ zu den Leitern der Leitung,

Fig. 4 und 5 Ansichten geeigneter Geberspulen für die Einrichtung nach Fi g. 2,

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Verwendung von Hallgeneratoren,

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild eines für den Einsatz in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach F i g. 2 geeigneten Integrationsverstärkers,

Fig. 8 eine schematische Darstellung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 9 eine weitere Ansicht der Einrichtung nach F i g. 8, die Mittel zum Schutz der Geberspulen oder Hallgeneratoren gegen Signale zeigt, die andernfalls durch Blitzentladungen zu den Erdleitern eines Übertragungsleitungssystems induziert werden wurden.

In allen Figuren sind dieselben Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Mit 10,11 und 12 sind in Fig. 1 drei Liter einer Hochspannungs-Übertragungsleitung bezeichnet, in deren jeweiliger Nachbarschaft induktive Geberspulen 13, 14 bzw. 15 angeordnet sind, deren Ausgangssignale mittels der Leitungen 16,17 bzw. 18 zu den drei Verstärkereinrichtungen 21, 22 bzw. 23, die verständlicherweise auch nicht gezeigte stromanzeigende Instrumente enthalten können, geführt werden. Die Spulenanordnung nach F i g. 1 ist eine typische bekannte Anordnung. Es ist leicht einzusehen, daß eine getrennte Anzeige von Leiterströmen mittels der bekannten Einrichtung nur annäherungsweise durch geeignete

ίο Ausrichtung der Spulen und durch Verringerung des Verhältnisses r': α von Geberspulenabstand zu Leiterabstand erreicht werden kann. Bei Luft mit Atmosphärendruck als Isolation kann r': α nicht viel kleiner als 1 sein, falls die Geberspulen zwecks Schutzes des Benutzers der Einrichtung auf Erdpotential liegen, und demgemäß kann eine hinlängliche Trennung der Stromanzeigen nur dann gewährleistet werden, wenn die Leiterabstände in für die praktische Ausführung einer Hochspannungsleitung sehr nachteiliger Weise groß gemacht werden.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, durch das eine vollkommene Trennung der Stromanzeigen mit relativ entfernt angeordneten Gebereinrichtungen für das magnetische Feld erzielt werden kann, wobei allein die Richtungseigenschaften der schleifenförmigen Geberspulen ausgenutzt werden. Wie einzusehen, ist das Nutzsignal solcher Gebereinrichtungen nicht der Größe der magnetischen Flußdichte in ihrer Umgebung, sondern dem wirksamen Fluß, der durch sie hindurchgeht, proportional, also proportional dem Integral der senkrecht zur Spulenebene gerichteten Komponente des Flusses über die von der Spule umschlossene ebene Fläche. In Fig. 2 ist die Achse jeder Spule derart ausgerichtet, daß der von dem Strom in den nicht interessierenden Leitern hervorgerufene Fluß hochkant durch die Ebene der Geberspule hindurchgeht, oder in anderen Worten: daß er sich der Spule im wesentlichen in deren Ebene nähert und so keine wirksamen Flußkopplungen und demgemäß kein wirksames resultierendes Signal erzeugt. In Fig.2 sind die drei Leiter mit 31, 32 bzw. 33 und ihre jeweiligen Geberspulen mit 41, 42 bzw. 43 bezeichnet; die Leiter 44, 45 bzw. 46 führen zu Integrationsverstarkem 47, die ihr Ausgangssignal an eine oder mehrere stromanzeigende Einrichtungen 48 abgeben können.

Im Sinn der hier gebrauchten Bezeichnungsweise soll beispielsweise bezüglich der Spule 41 der Ausdruck »benachbarte Leiter« für die Leiter 32 und 33 und der Ausdruck »gegenüberliegender Leiter« für den Leiter 31 verwendet werden.

Fig. 4 zeigt eine detaillierte Ansicht einer für die Teile 41, 42 bzw. 43 geeigneten Spulenkonstruktion.

Die Drahtwindungen 51 sind in ein schleifenförmiges Isoliergehäuse 52 eingeschlossen, das in nicht dargestellter Weise durch Metall abgeschirmt sein kann, um die Spulen gegenüber atmosphärischen Einflüssen zu schützen. Das Metall muß verständlicherweise nichtmagnetisch und derart angeordnet sein, daß es den Durchtritt der magnetischen Kraftlinien von den Leitern zu den Drahtwindungen der Spule nicht stört. In F i g. 4 verläuft die »Achse« der Spule vertikal, die »Ebene« der Spule horizontal.

F i g. 5 zeigt eine zweite detaillierte Ansicht einer für den Gebrauch in der Anordnung nach Fig.2 geeigneten Spulenkonstruktion. In der Spule nach F i g. 5 sind der Draht 51' und das Gehäuse 52' in

der ringförmigen Ausnehmung 54 in dem aus magnetischem Material bestehenden Teil 55 angeordnet. Das flußsammelnde Kernteil 55 dient dazu, als Kern mit hoher Permeabilität die Flußdichte in der Spule 51' und damit die Ausgangsgröße der Spule bei einer gegebenen Stärke des dieser zugeführten Magnetfeldes zu vergrößern. Der Kern 55 kann verständlicherweise aus jedem geeigneten magnetischen Material bestehen, muß aber lamelliert sein oder eine niedrige Leitfähigkeit besitzen, damit er keine geschlossenen leitenden Wege parallel zur Spulenwicklung hervorruft.

Fig. 3 zeigt ein zum Halten der Spulen in ihrer bezüglich der Übertragungsleitung dreieckförmigen Anordnung dienendes Konstruktionselement. Ein Ständer, der aus nichtmetallischem Material bestehen oder aus geeignet angeordnetem nichtmagnetischem Metall zusammengesetzt sein kann, ist mit 58 bezeichnet und trägt die mittels der Träger 63, 62 und 61 gehaltenen Spulen 43, 42 und 41. Die Träger können in irgendeiner geeigneten Weise mit dem Ständer 58 und den Armen 59 und 60, beispielsweise indem sie in nicht gezeigter Weise in Löcher in diesen hineinragen, verbunden sein. Wie ersichtlich, sind die Spulen bezüglich des in F i g. 3 mit C bezeichneten zentralen Punktes symmetrisch angeordnet.

Wie dem Fachmann verständlich, ist es bei Flußmessungen zwecks Gewinnung einer direkten Anzeige der Flußdichte wünschenswert, einen Kreis zu verwenden, in dem die Spannung der Flußspule einem hohen Widerstand in Reihe mit einer großen Kapazität aufgeprägt wird, wobei R und C derart gewählte Werte besitzen, daß praktisch die gesamte Spulenspannung an dem Widerstand und nur ein vernachlässigbarer Teil an dem Reihenkondensator steht. Dann ist der fließende Strom proportional der Spannung an der Spule, aber dieser Strom erzeugt an dem Kondensator eine dem Integral des Stromes proportionale Spannung, d. h. eine dem Integral der Spannung an der Flußspule proportionale Spannung. Dieses Spannungsintegral ist, wie sich zeigen läßt, proportional dem mit der Geberspule verkoppelten Fluß. Die Kondensatorspannung wird verstärkt und kann an einem Oszillographen wiedergegeben oder einem geeigneten Indikator zugeführt werden, der eine direkte Aufzeichnung, Messung oder Anzeige des Flusses oder der Flußdichte liefert.

In Fig. 7 ist ein Verstärker in einem üblichen Rückkopplungskreis verwendet, um sicherzustellen, daß die Spannung an den Eingangsklemmen klein im Vergleich zur Spannung an der Wicklung und der Spannung an dem Widerstand 75 ist. Die Geberspule 70, die für die Teile41, 42 und 43 in Fig. 2 Verwendung finden kann, ist mit einer Anschlußklemme über die Leitung 71 mit der einen Eingangsklemme 72 des Gleichstromverstärkers 73 mit großer Verstärkung verbunden, während die andere Klemme der Geberspule 70 mittels der Leitung 74, des Widerstandes 75 und der Leitung 76 mit der anderen Eingangsklemme 77 des Gleichstromverstärkers 73 verbunden ist. Dieser hat zwei Ausgangsklemmen 78 und 79, und man erkennt, daß der Kondensator 80 zwischen Ausgangsklemme 78 und Eingangsklemme 77 geschaltet ist, während die Klemme 79 mit der Klemme 72 verbunden ist. Der Ausgang an den Klemmen 78 und 79 kann auch mittels der Leitungen 81 und 82 mit einem weiteren Verstärker und Indikator 83 jeder für die Anzeige einer Flußdichte geeigneten Art zusammengeschaltet sein, und die Anzeigeeinrichtung in Teil 83 kann verständlicherweise auch so geeicht sein, daß sie direkt die Werte des das Signal in der Spule 70 induzierenden Stromes in dem Hochspannungsleiter abzulesen gestattet. Bisweilen werden zur Wiedergabe des von Strömen in Hochspannungs-Übertragungsleitungen herrührenden Flusses oszillographische Einrichtungen verwendet, und demgemäß ist ein üblicher Oszillograph 84 gezeigt, der über den Widerstand 85 mit den Ausgangsklemmen 78 und 79 in Verbindung steht. Verständlicherweise kann auf diesen Oszillographen dann verzichtet werden, wenn eine derartige Anzeige oder Wiedergabe nicht erwünscht ist.

Wie bereits bemerkt, besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer in Fig. 2 wiedergegebenen Einrichtung, in der eine praktisch vollkom-

ao mene Trennung· der Stromanzeigen mit bezüglich der Leiterabstände relativ entfernten, auf das magnetische Feld ansprechenden Gebereinrichtungen allein unter Benutzung der Richtungseigenschaften der Gebereinrichtungen erzielt werden kann. Die wirksame Anregung derartiger Einrichtungen ist proportional nicht der Größe der magnetischen Flußdichte in ihrer Umgebung, sondern dem wirksamen, sie durchsetzenden Fluß. Die Spule spricht nicht auf die in ihrer Ebene liegenden Kraftlinien an; ihre Ausgangsgröße wächst mit wachsendem Winkel der Flußlinien gegenüber ihrer Ebene, bis die maximale Ausgangsgröße dann erreicht ist, wenn die Linien senkrecht zur Ebene der Spule stehen. Im Falle der Hallgeneratoranordnung nach Fig. 6, die noch beschrieben wird, ist die Anregung proportional dem Fluß und dem Cosinus des Winkels, unter dem er auftrifft; die maximale Anregung ist proportional dem die flache Waffel des Hallgenerators durchsetzenden Fluß, der durch die senkrecht zu derjenigen Ebene verlaufenden Kraftlinien gegeben ist, die zwischen den beiden breiten Oberflächen liegt und parallel zu diesen verläuft. Ordnet man in F i g. 2 die Achse der Spule 41 beispielsweise in der Ebene relativ langer gestreckter Leiter 32 und 33 an, so wird der durch den Strom in diesen Leitern erzeugte Fluß in der Ebene des Gebers 41 verlaufen und keine wirksame Kopplung mit diesem haben, so daß er keinerlei wirksame Spannung in dem Geber induziert.

Die symmetrische dreieckige Anordnung der drei Phasenleiter einer Dreiphasen-Übertragungsleitung gemäß F i g. 2 kann als im wesentlichen gestreckt · und parallel über eine im Vergleich zu den Leiterabständen große Strecke angesehen werden. Etwa in der Mitte dieser Strecke sind die dargestellten Geberspulen angeordnet, und zwar in der Mitte zwischen den Leitern auf vorzugsweise senkrechten Linien, die Paare benachbarter Leiter verbinden, mit ihren Ebenen senkrecht zu diesen Linien, oder in anderen Worten: mit ihren Achsen in durch die benachbarten Leiter definierten Ebenen liegend. In dieser Stellung wird keine Spule einen wirksamen verkoppelten Fluß von irgendeinem benachbarten Leiter erhalten, wird aber andererseits mit dem gesamten, durch den Strom in dem in einer Entfernung r gegenüberliegenden Leiter erzeugten Fluß verkoppelt sein, der in der Ebene der Spule liegt. Sogar ohne vollkommene Symmetrie kann die gegenseitige Induktion Null zwischen jedem Geber und den benachbarten Leitern

7 8

erzielt werden, wenn seine Achse mit den benach- gende Formel zur Berechnung der gegenseitigen In-

barten Leitern in einer Ebene liegt. duktion dienen:

Falls die Leiter nur angenähert gestreckt und in InA-10~⁷

einer Ebene liegend sind, kann jede Geberspule M = ----- Henry,

durch Versuche mit in den benachbarten Leitern 5 _und für die induzierte elektromotorische Kraft:

fließendem Strom m ihrer Stellung justiert werden,

bis keine Anzeige dieser Ströme erfolgt, oder, bei . e = 2nj M1 Volt,

symmetrischem Dreiphasenstrom, bis die Anzeige worin

phasenmäßig mit dem Strom in dem gegenüberlie- « = Windungszahl der Spule,

genden Leiter übereinstimmt. io a = Spulenbereich = 0,05 m²,

Die Gebereinrichtungen können, wie bereits be- _ci κ + λ — Pc— /τα

merkt, durch irgendeine geeignete, auf Erdpotential ^r ~ s»puienfl"»tanu - -γ- 6 - Vi ■ i π

befindliche Anordnung getragen werden, beispiels- / = Frequenz = 60 Hz,

weise durch den vertikalen Ständer 58, der einen / = Strom in Ampere.

Verzweieungspunkt nahe der Mittellinie der drei- 15 . , .

eckigen Leiteranordnung aufweist, wobei alle elek- ^{Diese Formeln liefern als} Endbeziehung:

irischen Leitungen in eine erdnahe Anordnung durch _g _ &nfnA -IQ- ⁷/ _ _{7 2}6 · Ii

den Träger gebracht werden. Wie oben bemerkt, sp '

darf der Träger keinen magnetischen Schirm auf- _Um ^. _{einem Le}iterstrom vom 2000 A eine Ausweisen, der auf die von den Leitern herrührenden 20 g_angsspannung _{an der} Spule von 1 Volt zu erhalten, magnetischen Felder einwirken wurde, sei es durch ₈^
induzierten Magnetismus oder Wirbelströme; aber ₁₀₇

der Träger kann eine elektrostatische Abschirmung η = νη^-^ηνλ ~ ^

vorsehen, die infolge hohen Widerstandes oder Feh- ν^>/0" ^/UUUJ

lens geschlossener, mit dem Fluß verkoppelter Pfade 25 Windungen erforderlich. Da ein Widerstand in dem auf die zu ermittelnden magnetischen Felder nicht Spulenkreis für die Integration benötigt wird, kann einwirkt. Der Leiterabstand muß ausreichend sein, die Spule selbst zweckmäßigerweise aus Widerstandsum eine sichere elektrische Isolierung zwischen den material, wie Constantan, mit einem kleinen Tempe-Hochspannungsleitern und den Gebereinrichtungen raturkoeffizienten zwecks Vermeidung der Beeinfiuszu gewährleisten, aber dies wird nur geringfügig 30 sung der Anzeigegenauigkeit durch Temperaturändegrößere Phasenabstände als den üblichen Minimal- rangen gewickelt sein.

wert für die Phasenisolation erfordern. Unter der Falls " gewünscht, können die stromführenden

Voraussetzung symmetrischer Dreiphasenspannun- Leiter in ein Mittel wie Isolieröl oder Druckgas eingen ist das Verhältnis der minimalen Phasenab- geschlossen sein; alle Abmessungen können dann bei stände 5 von Leiter zu Leiter mit geerdeten Gebern 35 vorgegebener Spannung umgekehrt proportional dem gegenüber den normalen Abständen S_n ohne der- Verhältnis zwischen der Dielektrizitätskonstante artige Geber unter Vernachlässigung der Abmessun- dieses Mediums und derjenigen der Luft bei Atmogen der Geber durch die Formel Sphärendruck vermindert werden. In derartigen

Fällen könnte dasselbe Prinzip der Anordnung der

JL_ — Jr.— so 115 *° Gebereinrichtungen angewendet werden, aber mit

S_n p ~ ' entsprechender Verringerung der Spulendurchmesser;

die Anzahl der Spulenwindungen würde im umge-

gegeben. kehrten Verhältnis zur Verringerung der Dimen-

Falls die Geberdurchmesser ein Zwölftel des Pha- sionen zu vergrößern sein. Falls beispielsweise die senabstandes nicht überschreiten, dürfte eine totale ₄₅ Spannungsgradienten um den Faktor 10 vergrößert Vergrößerung des Phasenabstandes von 25% zur würden, betrüge der Leiterabstand zwei Fuß, der Erzielung eines Sicherheitsbereiches genügen. Spulendurchmesser wäre 1 inch, und die Zahl der

Die Mittel zur Vergrößerung der von den Geber- Windungen wäre 6880.

einrichtungen abgegebenen Spannung oder Leistung Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfin-

enthalten, wie bemerkt, lamelliert« Eisenkerne oder 50 dung unter Verwendung von Hallgeneratoren. Die solche aus weichen Ferriten oder aber aus diesen Leiter 91, 92 und 93 sind vorzugsweise in Form Materialien bestehenden Polteile, beispielsweise eine eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet. Ihnen sind Einrichtung ähnlich der in Fig. 5 gezeigten, sowie die Hallgeneratoren 101, 102 und 103 zugeordnet, Verstärker, die vorzugsweise Festkörperelemente, die sorgfältig in der Weise angeordnet sind, daß das wie Transistoren, oder magnetische Verstärker ver- 55 von dem Leiter 91 ausgehende Feld den Hallgenerawenden. Die Leistungsfähigkeit der Verstärker ist tor 101 derart trifft, daß es in diesem in Übereinden Anforderungen der zu speisenden Instrumente, Stimmung mit den bekannten Arbeitsprinzipien der Meßeinrichtungen oder Relais angepaßt, und die Hallgeneratoren ein Signal erzeugt, während das von Verstärker haben Eingangsempfindlichkeiten, die für den Leitern 92 und 93 ausgehende Feld den Halleine genaue und zuverlässige Aussteuerung durch 60 generator 101 derart trifft, daß es kein merkliches die Gebereinrichtungen ausreichen. Signal verursacht. Wie aus F i g. 6 ersichtlich, besitzt

Als Beispiel für möglicherweise in der Praxis auf- jeder Hallgenerator 101,102 und 103 vier Leitungen, tretende Verhältnisse sei zur Veranschaulichung an- wobei zwei dieser Leitungen von entgegengesetzten genommen, daß in einer 345-kV-Leitung ein Phasen- Seiten kommen und zwecks Zuführung einer Erabstand S von 6 m (ungefähr 20 Fuß) erforderlich 6₅ regergleichspannung zu dem Hallgenerator von der ist und die Geberspule einen wirksamen Bereich von Quelle 89 gespeist werden, und die von entgegen-0,05 m₂ (ungefähr 0,25 m, d. h. gleichbedeutend gesetzten Enden kommenden beiden anderen Leituninch, im Durchmesser) besitzt. Dann kann die fol- gen zur Abnahme des Nutzsignals dienen. Die

Leitungen 107 und 108 vom Generator 101, die Leitungen 109 und 110 vom Generator 102 sowie die Leitungen 111 und 112 vom Generator 103 sind an Verstärker- und Anzeigeeinrichtungen angeschlossen, die getrennt für die Hallgeneratoren vorhanden und figürlich nicht dargestellt sind, um die Zeichnung nicht zu überlasten.

Im Fall der Verwendung von Hallgeneratoren braucht es nicht notwendig oder wünschenswert zu sein, einen Integrationsverstärker zu verwenden; lineare Signalverstärker, die zeichnerisch nicht dargestellt sind, geben ihre Ausgangssignale an Anzeigeeinrichtungen weiter, die so geeicht sein können, daß sie entweder die Flußstärke am Hallgenerator oder unmittelbar Stromwerte in den entsprechenden Leitern abzulesen gestatten.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 8 sind die drei parallelen Leiter 94, 95 und 96 in derselben horizontalen Ebene angeordnet, wie man dies häufig in der Technik der Hochspannungs-Übertragungsleitungen findet. Jeder der Leiter 94, 95 bzw. 96 besitzt einen halbschleifenförmigen Bereich 104, 105 bzw. 106. In einer Linie mit den entsprechenden Leitern sind drei Geberspulen 114, 115 bzw. 116 angeordnet. Wie ersichtlich, ist die Geberspule des mittleren Leiters in einem bestimmten Abstand von der Geberspule des benachbarten Leiters auf der einen Seite angeordnet, wobei diese Entfernung in der durch die drei Leiter geformten Ebene und in einer Richtung parallel zu den Leitern gemessen wird; die Spule des mittleren Leiters ist um 5j/2 von der Geberspule des Leiters an der einen Seite und in einem ähnlichen Abstand Syi in der entgegengesetzten Richtung von der Spule des auf der anderen Seite liegenden Leiters angeordnet, wobei der Abstand S dem Zwischenraum zwischen benachbarten Hochspannungsleitern entspricht.

Wie Fig. 8 zeigt, sind die Geber, die flache Spulen aus Draht sein können, mit ihren Mitten in der Ebene der Leiter der Leitung und mit ihren Achsen in dieser Ebene liegend senkrecht zu den Leitern angeordnet. In dieser Stellung besteht keine wirksame Flußkopplung zwischen irgendeiner der Spulen und den geraden Teilen irgendeines der Leiter der Leitung oder in anderen Worten: Die gegenseitigen Induktionen zwischen den Wicklungen und den Leitern der Leitung sind in jedem Fall Null. Um die gewünschte Kopplung hervorzurufen, sind, wie in Fig. 8 gezeigt, Halbschleifen konzentrisch zu den Gebern in den Leitern der Leitung vorgesehen. Die Halbschleifen liegen in Ebenen senkrecht zu der gemeinsamen Ebene der Leiter, in dem gezeigten Beispiel in vertikalen Ebenen. In dieser Stellung ist die gegenseitige Induktion zwischen jeder Geberspule und der zugehörigen Halbschleife des Leiters der Leitung bei gegenüber dem Radius der Geberspule sehr großem Schleifenradius in sehr guter Annäherung durch folgende Formel gegeben:

η Απ- ΙΟ"⁷ _ΤΙ
M = —— _τ, Henry.

Hierin ist

η = Windungszahl der Spule,

a = mittlerer Bereich der Spulenwindungen in

Quadratmetern und
r" = Radius der Halbschleife in Metern.

Da die Spulen und die Halbschleifen in Annäherung als magnetische Dipole bei Entfernungen viel größer als ihre Radien wirken und die Stärke des Feldes eines solchen Dipols umgekehrt proportional der dritten Potenz der Entfernung von den Mittelpunkten abfällt, kann die gegenseitige Induktion zwischen den Gebern und den Halbschleifen in benachbarten Leitern der Leitung dadurch vernachlässigbar klein gemacht werden, daß die Kopplungsschleifen

ίο in benachbarten Leitern nur ein geringes Vielfaches des Radius der Halbschleifen betragen. Beispielsweise wird die Kreuzkopplung mit der Gebereinrichtung eines benachbarten Leiters auf weniger als l°/o derjenigen mit seinem eigenen Geber reduziert werden, wenn die Halbschleife in einem benachbarten Leiter um mehr als den fünffachen Schleifenradius längs der Leitung versetzt ist. Dieser Abstand längs der Leitung kann verringert und die Kreuzkopplung bis auf Null reduziert werden, wenn man die Ab-Standsanordnung gemäß Fig. 8 trifft, worin der Abstand 5 · yi entspricht. Dabei ist S der Abstand zwischen benachbarten Leitern der Leitung. Die gegenseitige Induktion zwischen jeder Geberspule und jeder ihr nicht zugeordneten Halbschleife wird in der Tat so lange Null sein, wie die Orte der Geber auf der in Fig. 8 unterbrochen gezeichneten Linie liegen, die ihrerseits in der Ebene der Leiter liegt und den Winkel

Φ — arc tan

gs 35°

mit der Leitungsrichtung einschließt. Dies trifft für jede Anzahl in einer Ebene liegender Leiter zu, und so kann die Erfindung bei einer Anordnung mit jeder beliebigen Anzahl paralleler, in einer Ebene liegender Kreise Anwendung finden, wie sie in einer großen Unterstation oder einer Schaltstation erforderlich sein mag.

Die erläuterten Prinzipien gelten für jede riehtungsabhängige magnetische Gebereinrichtung und auch für Schleifen oder Halbschleifen in Leitern, die nicht streng kreisförmig gestaltet sind. Es besteht nur die Bedingung, daß der kleinste Schleifenradius einen solchen Abstand zu der Gebereinrichtung, die auf Erdpotential ist, wahrt, daß das Leiterpotential keinen Funkenüberschlag bewirkt, und daß der mittlere Schleifenradius wesentlich kleiner als der längs der Leitung gemessene Abstand zwischen Schleifen in benachbarten Leitern ist. Solche durch die Stränge eines Hängeisolators gehaltenen Halbschleifen werden gewöhnlich an Stützpunkten von Hochspannungsleitungs-Konstruktionen verwendet. Um die Kopplung der Geber ausschließlich mit dem jeweils zugeordneten Leiter der Leitung zustande 2x1 bringen, ist der tragende Mast am Kopplungspunkt mit seinem Querglied gegen die Leitung besser unter dem Winkel von 35° als unter dem Winkel von 90° angeordnet. So werden die Kopplungseinrichtungen durch einen Mast getragen, der ein Querglied besitzt, das 73% langer als normal ist und unter einem Winkel von 35° gegen die Leitung geneigt ist.

In F i g. 8 ist der Ausgang jeder der Geberspulen 114, 115 und 116 zu einem Integrationsverstärker geführt, der ähnlich dem in F i g. 7 dargestellten sein kann und zwecks Vermeidung einer Überlastung der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der Ausgang des Integrationsverstärkers ist mit einer nicht gezeigten Anzeigeeinrichtung verbunden, die im Hinblick auf

709 638/203

Claims (6)

die Ablesung des Flusses in der Spule oder die direkte Ablesung von Werten des Leiterstromes geeicht sein kann. Die Indikatoren können den Strom in den zugeordneten Leitern der Leitung phasen-, amplituden- und wellenformgetreu wiedergeben, wobei Ausgleichsvorgänge angemessener Dauer eingeschlossen sind. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 enthält den Gebrauch von Hallgeneratoreinrichtungen, die in denselben Stellungen wie die Spulen 114, 115 und 116 angeordnet sind und die Geberspulen ersetzen. Die Ebene des Hallgenerators fällt mit der Ebene der Halbschleife zusammen. Jede der Hallgeneratoreinrichtungen hat vier Anschlußleitungen, wobei zwei dieser Leitungen dazu dienen, ein Gleichstrom-Erregerpotential der Einrichtung zuzuführen und zwei der Leitungen dazu benutzt werden, ein Ausgangssignal von der Einrichtung zu erhalten. Die in Verbindung mit Fig. 8 verwendeten Verstärker haben Verstärkungen, die den Eingangserfordernissen von Relais oder Meßinstrumenten je nach Wunsch entsprechen. Ein bei der Überwachung von Übertragungsleitungen auftretendes Problem besteht verständlicherweise in Störungen durch kurzzeitige Ströme in geerdeten Schutzleitern, wenn diese benutzt werden. In Weiterbildung der Erfindung wird die Anordnung nach Fig. 8 in der Weise abgeändert, daß die Leiter in einer vertikalen Anordnung oder Leiterebene angeordnet sind, wobei der Erdleiter sich ebenfalls in derselben Ebene, aber an der Spitze der Anordnung, befindet. Die Halbschleifen der Leiter würden dann in horizontalen Ebenen gehalten werden, die Achsen der Geber verliefen vertikal. Die gegenseitige Kopplung zwischen den Gebern und dem Erddraht wäre dann Null. Fig. 9 zeigt die Einrichtung nach Fig. 8 in Verbindung mit einem oder mehreren geerdeten Schutzdrähten. In Fig. 9 befinden sich die drei Hochspannungsleiter in einer der F i g. 8 ähnlichen horizontalen Anordnung. Zwei Haupterdleiter 97 und 98 sind an den Außenseiten der Ebene der Leiter angeordnet. Oberhalb der Leitung sind ein oder mehrere zusätzliche Erdleiter 99 angeordnet, der bzw. die in relativ kurze Bereiche durch einteilige Spannisolatoren 100 unterteilt sind. Jeder so isolierte kurze Bereich des Erdleiters 99 ist mit einem oder beiden an den Außenseiten angeordneten Erdleitern durch einen oder mehrere Querleiter, wie in F i g. 9 dargestellt, verbunden. Eine derartige Anordnung von Erdleitern gibt einen vollkommeneren Schutz gegen Blitze als die üblichen Überkopf-Erdleitungen allein. Die Anordnung ist natürlich nur in der Umgebung der Magnetfeldgeber erforderlich; außerhalb dieses Bereiches kann die übliche Überkopf-Erdleitungsanordnung verwendet werden. Die Erfindung ist auch auf Zweiphasensysteme mit einem beiden Phasen gemeinsamen Rückleiter anwendbar, ebenso bei phasenverschobenen Wechselströmen in den Leitern. Nach dem Vorstehenden betrifft die Erfindung eine neue Anordnung für die magnetische Kopplung von geerdeten Strommeßeinrichtungen an eine mehrere Leiter aufweisende Hochspannungs-Übertragungsleitung in der Weise, daß jedes dieser EIemente allein auf den Strom in einem der Leiter der Leitung anspricht, ohne durch den Strom in irgendeinem anderen Leiter einschließlich der Erdleiter beeinflußt zu werden. Eine derartige Anordnung ist insbesondere für den Betrieb von Schutzrelais nützlich, die das Arbeiten von Hochspannungsschaltern kontrollieren und nicht mit Stromwandlern ausgerüstet sind. Während die Leiter in den Fig. 2 und 6 als in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet gezeigt und beschrieben sind, sei darauf hingewiesen, daß diese Anordnung nur die größte von dem gewünschten oder gegenüberliegenden Leiter herrührende Feldstärke in allen magnetfeldempfindlichen Einrichtungen ergibt. Das Dreieck braucht nicht gleichseitig zu sein, solange nur jede Spule ihre Achse in der Ebene der benachbarten Leiter und vorzugsweise senkrecht zu diesen hat, um eine Auslöschung sicherzustellen. Falls der gewünschte oder »gegenüberliegende« Leiter nicht in der Ebene semer Spule liegt, tritt ein gewisser Empfindlichkeitsverlust ein. Die Erfindung ist nicht auf das in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr lassen sich vielfältige Abänderungen vornehmen, ohne daß der Erfindungsgedanke verlassen wird. Patentansprüche:

1. Anordnung zum Messen der in einzelnen Leitern einer mehrere Leiter enthaltenden Hochspannungsleitung fließenden Ströme, bei der jedem derjenigen Leiter, deren Ströme zu messen sind, ein Geber zugeordnet ist, der ein von Stärke und Richtung des von den Strömen erzeugten magnetischen Feldes an seinem Ort abhängiges Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß, sofern die Leiter mit ihren Querschnitten die Ecken eines Dreiecks bilden, jeder der Geber in der Dreiecksseite zwischen den ihm nicht zugeordneten Leitern angeordnet und derart ausgerichtet ist, daß seine senkrecht zu einem ein Signal erzeugenden magnetischen Fluß liegenden Ebenen den ihm nicht zugeordneten Leitern zugekehrt sind, während bei in einer Ebene liegenden Leitern diese zumindest halbschleifenförmige Krümmungen aufweisen, in deren Mittelpunkten der dem jeweiligen Leiter zugeordnete Geber angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter im Querschnitt die Ecken eines Dreiecks bilden und jeder Leiter zumindest ungefähr in der Ebene des ihm zugeordneten Gebers liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter im Querschnitt die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks bilden.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter im Querschnitt die Ecken eines Dreiecks bilden und die Geber von einem sternförmigen Träger gehalten sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter in einer Ebene liegen und jeder der Geber derart ausgerichtet ist, daß seine senkrecht zu einem ein Signal erzeugenden magnetischen Fluß liegenden Ebenen den ihm nicht zugeordneten Leitern zugekehrt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungen zu-