DE1281545B - Eisenkernwandler mit Luftspalt zur Strommessung - Google Patents

Description

• Eisenkernwandler mit Luftspalt zur Strommessung Zum Messen von Strömen in Hochspannungaanlagcn werden als Ubertragungsglieder Stromwandler eingesetzt, die die Aufgabe haben, den Meßkreis potentialmäßig von dem auf Hochspannungspotential liegenden Stromkreis zu trennen und den zu messenden Strom in einem durch das Übersetzungsverhältnis vorgegebenen Maß zu verkleinern, um damit eine den Meßinstrumenten und Relais angepaßte Meßgröße zu erzeugen.
• Der klassische Stromwandler besteht aus einem geschlossenen Eisenkern mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, deren Windungszahlverhältnis das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers angibt. Das Übertragungsverhalten eines derartigen klassischen Stromwandlers ist bei sinusförmigen Strömen befriedigend, läßt jedoch zu wünschen übrig, sobald der Primärstrom eine bestimmte Größe überschreitet oder, wie es besonders beim Auftreten von Kurzschlüssen vorkommt, ein Gleichstromglied enthält.
• Es sind auch schon Vorschläge bekanntgeworden, nach denen zur Strommessung in Hochspannungsanlagen sogenannte I-Wandler eingesetzt werden. Bei diesen ist der geschlossene Eisenkreis des klassischen Stromwandlers entweder vollständig durch Luft ersetzt oder weist zum mindesten so große Luftspalte auf, daß eine Sättigung des noch vorhandenen Eisens mindestens bis zum höchsten zu messenden Primärstrom vermieden wird. Als Meßgröße dient die an der Sekundärwicklung abgegebene Spannung, die der zeitlichen Ableitung proportional ist. Weitere bekannte Vorschläge zielen darauf hin, durch Anschaltung eines Integriergliedes an diese Spannung wiederum eine dem Strom I selbst proportionale Meßgröße zu erhalten.
• Es ist bereits ein Stromwandler mit einem durch Luftspalte unterteilten Eisenkern nach dem Prinzip des magnetischen Spannungsmessers mit nachgeschaltetetn RC-Integrierglied bekanntgeworden, dessen Integrierwiderstand aus zwei Widerstandsteilen besteht, von denen der eine vom gesamten Sekundärstrom des Wandlers, der andere nur vom Strom im Kondensator des Integriergliedes durchflossen ist. Als Auswertegröße wird bei dieser Anordnung die Summe der Spannungen am Kondensator des Integriergliedes und am nur vom Kondensatorstrom durchflossenen Widerstandsteil RO des Integrierwiderstandes abgegriffen. Dabei ist der nur vom Kondensatorstrom durchflossene Widerstandsteil Rf, so bemessen, daß er gleich dem Quotienten aus der Abklingzeitkonstanten TN der Gleichstromkomponente des Kurzschlußstromes im Netz und dem Kapazitätswert C des Kondensators ist; ferner ist die Widerstandssumme der beiden Ohmschen Teilwiderstände sehr groß gegen den Blindwiderstand des Kondensators.. Dadurch soll verhindert werden, daß an von dem Wandler gespeisten Leitungsnachbildungen im Kurzschlußfalle ein Gleichspannungsabfall auftritt. Es handelt sich demgemäß bei dieser bekannten Schaltung um eine Ausgleichsschaltung, die an das Netz und eine Zeitkonstante, d. h. den Einbauort, angepaßt wird.
• Demgegenüber soll bei dem Wandler nach der Erfindung die Magnetisierungswirkung des Kondensatorstromes auf den Magnetkreis des Wandlers optimal berücksichtigt werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der nur vom Strom im Kondensator C durchflossene Widerstandsteil Ro des Integrierwiderstandes R die Bedingung erfüllt, in der M die auf die Sekundärseite bezogene Gegeninduktivität des Wandlers bedeutet. Der Abgleich des Widerstandes Ro erfolgt also für den Wandler unabhängig vom Einbauort und dient dazu, die Primärgröße I einschließlich Gleichstromglied möglichst gut durch die Sekundärgröße UZ nachzubilden.
• F i g. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Luftspaltwandlers mit nachgeschaltetem Integrierglied gemäß der Erfindung, F i g. 2 ein Ersatzschaltbild eines Luftspaltwandlers, an Hand dessen einige theoretische Öberlegungen angestellt werden.
• In F i g. 1 ist 1 der auf Hochspannungspotential liegende Primärleiter, durch den der zu messende Strom I fließt. 2 ist das sich auf Erdpotential befindliche Sekundärsystem des Luftspaltwandlers, dessen

  Kern a;s Ringkern ausgebildet ist und aus den Sec-

  menter_ 3 aus magnetisch gut izitendem iiaterir=:

  und den gleichmäßig verteilten- Luftspalten 4 best-ei

  Die Sekundärwicklung 5 ist gleichmäßig über den

  gesamten Ringkern verteilt. Zwischen ihren

  punkten 5 und 7 tritt itn Leerlauf die Sekun-:r-

  spannung uNf auf, die bei nachgeschaltetem R-

  Integrierglied durch dieses den Strom i2 hindurch-

  treibt. An dem Kondensator C des Integrierglied2a

  entsteht die Spannung u, Der Integrierwiderstand R

  besteht aus den drei Komponenten R;, R2 urd RG.

  Als hIeßgröße dient die Spannung u,, die sich au

  der Kondensatorspannung uc und dem Spannung:3-

  abfall an Ra zusammensetzt,

  Der konstruktive Aufbau des Luftspaltwknd-ers

  "mit der Hochspannungsisolation zwischen dem P r-

  märleiter 1 und dem Sekundärsystem 2 kann in n<c,h@

  dargestellter Weise genau wie bei einem normalen

  Stromwandler erfolgen, beispielsweise als Stüt?2-

  Stromwandler oder in der Topf- bzw. Kopfbauforra.

  Auch kann der Primärleiter aus :hehreren Windungen

  bestehen.

  Vernachlässigt malt die Rückwirkung des Sektit`,

  därstromes :2 auf den Magnetkreis des Luftspalv-

  wandlers. so wird die in dem Kern vorhandene

  maenetische Induktion R nur durch den Prirrär-

  stron.i bestimm:. Wird die Größe des sich a=: s

  allen Einzelluftspalterr4 zusammensetzenden resul-

  tierenden Gesamtluftspaltes so gewählt, daß der

  Magnetisierungsstrombedarf des Eisens gegenüber

  dem des Gesamtluftspaites bis zur größten noch

  genau zu messenden Amplitude des Primärstromes 1

  vernachlässigt werden kann, so ist die Induktion R im Kern direkt proportional dem erregenden Stroh--, 1. Vermeidet man jedes Eisen im Kern, so bleibt diese Proportionalität bis zu den größten Strömen erhalten. Da jedoch im allgemeinen eine größte Stromamplitude angegeben werden kann, bis zu der der Luftspaltwandler eine dem Primärstrom proportionale Meßgröße liefern soll, wird nran zur Erhöhung des von der Sekundärwicklung umfaßten Flusses den Kern aus den Segmenten 3 zusammensetzen und den resultierenden Gesamtluftspalt entsprechend der vorgegebenen größten genau zu messenden Stromamplitude wählen.
• Die Sekundärspannung um ist der zeitlichen Ableitung des magnetischen Flusses im Kern des Luftspaltwandlers und damit derjenigen des zu messenden Stromes 1 proportional. Ist der Widerstand R, wie bekannt, sehr viel größer als der Blindwiderstand des Kondensators, so ist die Spannung an diesem Kondensator gleich dem zeitlichen Integral der Spannung um und kann bei Vernachlässigung der Rückwirkung des Stromes i2 auf deil Magnetkreis als dem zu messenden Strom 1 direkt proportionale Meßgröße verwendet werden.
• An Hand des Ersatzschaltbildes des Luftspaltwandlers nach F i g. 2 wird nun die Funktion des Widerstandes Ra abgeleitet, die sich aus der Berücksichtigung der Magnetisierungswirkung des Stromes 12 auf den Magnetkreis des Luftspaltwandlers ergibt. Im Ersatzschaltbild ist Tr ein idealer Transformator mit dem Ubersetzungsverhältnis ü, das gleich dem Verhältnis der Primärwindungszahl NI und der Sekundärwindungszahl N2 des Luftspaltwandlers ist, also Der Sekundärstrom ü :1 teilt sich auf in

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  Bei Berücksicntigvng äer Rt?ckwirkang des Str#:-mes 1, auf die Magnetisieru?t. dies Luftspaltwandlers muß zur Bildung einer dem zu messenden Strom 1 proportionalen Spannung u, zu der Kondensatorspannung icc noch eine dera Strom i2 proportionale Spannungskomponente hinzugefügt werden. Dies erreicht man nach der Erfindung durch Einfügung des Widerstandes Ro. Die Meßgröße ist dann u2 = uc + Ro - i2 und ist dem Strom I dann direkt proportional, wenn folgende Bedingung erfüllt ist: Um auch dann eine ausreichende Proportionalität zwischen dem zu messenden Strom 1 und der Meßspannung u2 zu erhalten, wenn der zu messende Strom, wie es besonders bei Auftreten eines Kurzschlusses der Fall sein kann, ein mit der Zeitkonstante T abklingendes Gleichstromglied enthält, ist es notwendig, daß die Entladezeitkonstante Tc des Kondensators C mindestens gleich der größten zu erwartenden Zeitkonstanten T ist,, möglichst aber noch um den Faktor 2 größer. Die Entladezeitkonstante des Kondensators C beträgt in erster Näherung Die Einhaltung dieser Bedingung erfordert große Werte der Widerstände R und RB. Deshalb ist die Meßgröße u2 stets nur ein geringer Bruchteil der zu integrierenden Spannung um, die zum größten ,Teil in dem Widerstand R abgebaut wird. Soll die Meßgröße pst in einem gut meßbaren Größenbereich liegen, so muß die zu integrierende Sekundärspannung u,11 des Luftspaltwandlers Werte annehmen, die zu Isolationsschwierigkeiten für den Widerstand .. und die Sekundärwicklung des Luftspaltwandlers führen können. Besonders gefährlich sind dabei Spannungsspitzen, die bei einer steilen Änderung des Primärstromes P auftreten können.
• Eine weitere Ausgestaltung des Wandlers nach der vorliegenden Erfindung geht nun davon aus, daß die Sekundärspannung um des Luftspaltwandlers selbst gar nicht benötigt wird, sondern bloß der von der Spannung um durch den Widerstand R getriebene Strom 12. Sie sieht deshalb vor, den ganzen oder mindestens den überwiegenden Teil R1 des Widerstandes R als Widerstand der Sekundärwicklung des Luftspaltwandlers auszubilden. Dies kann durch Aufbau der Sekundärwicklung aus einem Draht aus Widerstandsmaterial erreicht werden. Der große Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Sekundärspannung des Luftspaltwandlers bereits in der Wicklung selbst, d. h. unmittelbar an ihrem Entstehungsort, wieder abgebaut wird und damit an den Klemmen des Luftspaltwandlers nur noch die Spannung über dem Kondensator C und an demjenigen geringen Bruchteil R2 + RQ von R auftritt, der nicht in die Wicklung eingebaut wurde. Dabei wird R2 zweck mäßigerweise als einstellbarer Widerstand ausgebildet und kann zum p'einabgleich des Luftspaltwandlers mit Integrierglied dienen.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Eisenkernwandler mit Luftspalt zur Strommessung nach dem Prinzip des magnetischen Spannungsmessers mit nachgeschaltetem RC-Inte- grierglied, dessen Integrierwiderstand aus zwei Widerstandsteilen besteht, von denen der eine vom gesamten Sekundärstrom des Wandlers, de.- andere nur"vom Strom im Kondensator des Inte- griergliedes durchflossen ist, und bei dem als Auswertegröße die Summe der Spannungen am Kondensator des Integriergliedes und am nur vorn Kondensatorstrom durchflossenen Widerstands-, '" teil des integrierwiderstandes dient, d a d u r c h gekennzeichnet, dafl der nur vom Strom im Kondensator (C) durchflossene Widerstands- teil (R®) des Integrierwiderstandes (R) die Bedin- gung Ra = R , erfüllt, in der M die auf die Sekundärseite bezogene Gegeninduktivität des Wandlers bedeutet. 2. Luftspaltwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Teil des Integrierwiderstandes (R) als Widerstand der Se- kundärwicklung des Luftspaltwandlers au sgebil- det ist. 3. Luftspaltwandler nach Anspruch 1 oder?, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrierwider- stand (R) und der Bürdenwiderstand (Ra) so di- mensioniert sind, daß die Entladezeitkonstante des Kondensators (C) mindestens gleich der größten zu erwartenden Zeitkonstante des zu messenden Stromes ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1081566; schweizerische Patentschriften Nr. 343 522, 150 11 0.