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Kippschwingungsgedämpfter Spannungswandler In Drehstromnetzen mit
isoliertem Sternpunkt können durch das Zusammenwirken der spannungsabhängigen IIauptinduktuYität
von einpolig isolierten induktiven Spannungswandlern unter bestimmten Vorausset
ungen Kippschwingungen (Kippspannungen) ent'stehen, die. infolge von Uberspannungen
und Unterfrequenen zur magnetischen Sättigung des Eisenkernes und damit häufig zur
Zerstörung der Spannungswandler durch Ubererwärmung und durch elektrische Durchschläge
führen.
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Auch bei kapazitiven Spannungswandlern sind bei normaler Kernauslegung
derartige unerwünschte Kippschwingungen, die auch als "Ferroresonanz" - Erscheinungen
bezeichnet werden, möglich; sie fuhren hier zur Sättigung des Kerneisens der Resonanzdrossel
und/oder des induktiven Zwischen-Spannungswandlers.
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Die Gefahr von Kippschwingungen besteht insbesondere dann, wenn die
Nenninduktion in den Eisenkernen der wandler so hoch gewählt wirdi wie dies für
die normalen Netzbeanspruchungen zulässig ist. Zur billigen Vermeidung von Kipperscheinungen
müßten in sämtlichen Abschnitten der Eisenkerne oder zumindest in einem Teil davon
die Querschnitte wesentlich größer als üblich gewählt werden was die Abmessungen
und meist auch die Herstellungskosten der Wandler stark vergrößert.
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Zur Bedämpfung und Beseitigung von Kippschwingungen an induktiven
Spannungswandlern in gefährdeten Netzteilen werden im allgemeinen die dsöhlußanzeige-Wicklungen
dreier zusammengehöriger Wandler durch äußere Verdrahtung in Dreieckschaltung angeordnet
und mit einem Ohmschen Widerstand belastet. Bei auftretenden Kippschwingungen und
im Brdschlußfall wird dann die Dämpfung wirksam
Ist die zur Beseitigung
der Kippschwingungen erforderliche Dämpfungsleistung größer, als es die Strombelastbarkeit
der Erdschlußwicklungen während der Zeit des Erdschlusses zuljßt, dann können kurzzeitig
entsprechend kleinere Widerstände zur Erzielung einer größeren Dämpfungsleistung
eingeschaltet werden. Dazu sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, bei denen die
im Falle von Kippschwingungen an dew im
Dreieck geschalteten Erdschlußwicklungen auftretenden Spannungsanteile mit Frequenzen,
die kleiner oder größer als die Tetzfrequenz sind, das Ein- und Ausschalten des
Dämpfungswiderstandes bewirken; auch spannungs- und zeitabhängige Schalter können
dazu benutzt werden. Derartige Maßnahmen sind aufwendig, insbesondere bei der Anwendung
der genannten kurzzeitigen Bedämpfung; sie müssen bei der montage der Wandler usätzlich
vorgesehen werden.
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Es ist weiterhin bekannt, daß eine Ohmsche Bebürdung der einzelnen
Sekundärwicklungen (nicht in Dreieckschaltung) auf Kipp-Schwingungen dämpfend wirkt;
dadurch wird jedoch die Meßgenauigkeit der Wandler verschlechtert.
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Die Dämpfung von Kippschwingungen an kapazitiven Spannungswandlern
erfolgt im allgemeinen durch eingebaute Schutzeinrichtungen, die auf unterschiedlichen
Funktionsprinzipien beruhen und im Falle derartiger Schwingungen im allgemeinen
deren Energie durch das Wirksamwerden von Dämpfungswiderständen rasch inj Wärme
umwandeln.
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Die bei Kippschwingungen an den Spannungswandlern auftretenden Spannungsanteile
mit von der Netzfrequenz abweichenden Fredenen werden durch das Kerneisen verursacht,
das bei dem periodischen Ummagnetisieren bis stark in die Sättigung hinein
erregt
wird. Durch den Gegenstand der Erfindung wird das Einschalten von Wirkwiderständen
zur Kippschwingungsbedämpfung durch diene Sättigungserscheinung im Kerneisen, die
bei üblicher Auslegung und im übrigen normalem Betrieb der Spannungswandler nur
und stets bei Kippschwingungen auftitt, unmittelbar ausgelöst.
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Bei einem nicht gesättigten Eisenkern verlauft der magnetische Pluß
fast ausschließlich im Eisen, während bei gesättigtem Eisen der Fluß seinen Weg
um Teil auch durch die Luft in der Umgebung des Eisenkerns nimmt. Durch eine geeignete
Formgebung des Eisenkerne -läßt s£ch dieser Effekt noch verstärken, Lum Beispiel
durch einen magnetischen Nebenschluß, der einet Luftspalt enthält. Der Luftspalt
kann nun baulich mit dem Anker eines elektromagnetischen Relais verbunden werden.
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Beim kippschwingungsfreien Betrieb ist der Kern noch nicht in Sättigung,
und der Magnetfluß verläuft praktisch nicht über den magnetischen Nebenschluß, da
die magnetische leitfähigkeit des Nebenschlusses infolge des Luftspaltes wesentlich
kleiner rist, als die des nicht gesättigten Kernes. Bei gesättigtem Kern infolge
von Kippschwngungen wird die magnetische Leitfähigkeit des Kernes jedoch viel kleiner,
und ein Teil de dann sowieso verstärkten magnetischen Flusses fließt über den Nebenschluß,
wodurch der Anker des Relais angezogen wird, und auf diese Weise Dämpfungswiderstände
eingeschaltet werden können.
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Nach dem Abklingen der Kippschwingungen nach im allgemeinen einigen
Netzperioden tritt der gern wieder aus der Sättigung heraus; der jetzt nur nocs
normal große Magnetfluß geht kaum noch über den Weg des Nebenschlusses, wodurch
der Anker des Relais wieder abfällt und die Dämpfungswiderstände ausgeschaltet werden.
Durch eine Abfallverzögerung kann erforderlichenfalls erreicht werden, daß die Relaiskontakte
noch eine gewisse Zeit nach dem Ende der Kippschwingungen geschlossen
bleiben,
um durch eine so verlängerte Dämpfungszeit das sofortige Wiederauftreten von Kippschwingungen
zu verhindern.
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Figur 1 zeigt als Ausführungsbeispiel die eben geschilderte Anordnung.
Mit 1 ist der Kern, mit 2 die Primärwicklung, mit 3 die Sekundärwicklungen und mit
4 der Isolierstoffmantel eines schematisch gezeichneten Spannungswandlers gekennzeichnet.
An einem der seitlichen Kernjoche ist ein magnetischer Nebenschluß 5 mit einem Luftspalt
angedeutet, der von dem Anker 6 eines elektromagnetischen Relais überbrückt wird.
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An dem Anker ist das Kontaktglied eines Schließers 7 befestigt.
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Bei normalem Betri.eb-hslt die Druckfeder 8 die Kontakte geöffnet.
Je nach der Dimensionierung des magnetischen Kreises wird der Anker ab einer gewissen
Erregung des Eisenkernes angezogen, und die Kontakte werden geschlossen, wodurch
hier nicht gezeichnete Dämpfungswiderstände eingeschaltet werden. Um ein Falttern
der Kontakte durch das magnetische Wechselfeld zu vermeiden, können erforderlichenfalls
im Kreis des magnetischen ebenschlusses Kurzschlußwindungen angebracht werden.
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Eine zweite Möglichkeit der Verwirklichung des Erfindungsgedankens
ist in Figur 2 skizziert. Die Zahlen 1 bis 4 haben dieselbe Bedeutung wie in Figur
1; mit 9 ist der Sockel des Spannung wandlers gekennzeichnet. Als Anker und zugleich
als Kontaktglieder des elektromagnetischen Relais ist hier ein gekapselter Schutzgas-Magnetschalter
10 vorgesehen, der häufig auch Reed oder HERKON (geschutzte Bezeichnung) genannt
wird. Die Kontakte fahnen aus weichmagnetischem Material sind zum Schutz gegen Korrosion
und Verschmutzung meint in einer Glasröhre eingeschmelzen, die mit einem Schutzgas
gefüllt ist; dadurch sind die Kontakte besonders betriebssicher. Derartige Magnetschalter
kannen auch unter Isolieröl angeordnet or5er in Gießharz. eingego's sen werden.
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In Figur 2 wird ein magnetischer Nebenschluß mit einem Luftspalt dadurch
gebildet, daß das seitliche Joch des Eisenkernes 1 eie nutförmige Vertiefung 11
aufweist, über der der Magnetschalter angeordnet ist; an den Magnetschalter werden
die hier nicht gezeichneten Dämpfungswiderstände angeschlossen. Da die Strombelastbarkeit
der Magnetschalter begrenzt ist, z.B. auf 3A, können erforderlichenfalls mehrere
derartige Kontakte parallelgeschaltet.oder Relais mit stärkerem Schaltvermögen.nachgeschaltet
werden. Die ständige Unterbrechung des Stromkreises durch das Flattern der Magnet
schalter-Kontakte im magnetischen Wechselfeld kann, falls erforderlich, dadurch
beseitigt werden, daß z.B. zwei Kontakte parallelgeschaltet werden, von denen der
eine Kontakt in einem magnetischen Kreis mit einer Kurzschlußwindung liegt. Dadurch
wird erreicht, daß die beiden Magnetschalter infolge einer Phasenverschiebung der
erregenden Magnetfelder zu keinem Augenblick gleichzeitig geöffnet sind.
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Anstelle der beiden verschiedenartigen magnetischen Nebenschlüsse
in den Figuren 1 und 2 sind auch andere konstruktive Lösungen möglich, um das aus
dem Kern bei starker Erregung austretende magnetische Streufeld auf elektromagnetische
Relais einwirken zu lassen. Zum Beispiel genügt bei geeigneten Kern- und Wicklungsabmessungen
die Befestigung eines empfindlichen Magnetschalters in der Nähe des Eisenkernes
an einer Stelle, wo das magnetische Streufeld besonders stark ist. Bei dieser Lösung
kann der Erfindungsgedanke ohne änderungen am Kern auch nachträglich einfach angewandt
werden. Sehr empfindliche Magnetschalter müssen gegebenenfalls durch geeignete Anordnung
vor dem unbeabsichtigten Ansprechen durch magnetische Fremdfelder, z.B. beim Auftreten
von Eurzschlußströmen, geschützt werden Außer den in Figur 1 und 2 gezeichneten
beiden Arten von elektromagnetischen Relais sind auch andere Bauformen zur Verwitklichung
der BrSindung möglich.
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Zur Dämpfung von Kippschwingungen an kapazitiven Spannungswandlern
werden die elektromagnetischen Relais gemäß dem Erfindungsgedanken baulich mit dem
Kern des induktiven Zwischen-Spannungswandlers und/oder der Resonanzdrossel vereinigt.
Bei der Resonanzdrossel eignet sich der meist vorgesehene Luftspalt des Kernes zur
seitlichen Anbringung des Relais. Als Spannungsquelle für den Dämpfungsstromkreis
kann hierbei die vorhandene oder eine zusätzliche Wicklung auf der.Drossel oder
auf dem Zwischenspannungswandler oder eine vom Kondensator entnommene Teilspannung
verwendet werden In Figur 3 ist als Schaltungsbeispiel ein Drehstromsatz aus drei
induktiven Spannungswandlern gezeichnet, wobei die dem Erfindungsgedanken entsprechenden
Schaltungsanordnungen fiir die Kippschwingungsbedämpfung angegeben sind. Durch R,
5 X sind die drei Phasen des Drehstromnetzes gekennzeichnet.
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U und X sind die hochspannungsseitigen und erdseitigen. Primärklemmen
der drei Wandler, u und x die zugeordneten Sekundäklemmen der Meßwicklungen, und
e und n sind die Sekundärklemmen der Erdschluß-Anzeigewicklungen.
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Die Meßwicklungen sind einzeln durch die Widerstände Ri bedämpft,
die durch die erfindungsgemäßen Relais mit den Kontakten K1 eingeschaltet werden.
Die Relais- und Kernteile werden zweckmäßig so dimensioniert, daß die Kontakte außer
bei Kippschwingungen erst bei einer Betriebsspannung schließen, die größer ist als
die Spannung, die mit den Voltmetern V noch richtig gemessen werden muß. Will man
beispielsweise auch die e'rhöhte Spannung im Erdschlußfall noch richtig messen,
dann sollte dieser Spannungswert größer als die i,9-fache Nennspannung sein, Die
Widerstände Rl, die mit den Wandlern baulich vereinigt werden können, könnten aber
auch schon bei einer
Spannung zugeschaltet werden, die größer als
die 1,2-fache Nennspannung ist. Es muß dann dafür gesorgt Werden, daß die Verlustwärme
in diesen Widerständen während der Dauer eines Erdschlusees gut abgeführt wird.
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In Figur 5 ist zugleich die Dämpfungsschaltung mittels einer Dreieckschaltung
der drei Erdschluß-Anzeigewicklungen in Verbindung mit dem Erfindungsgedanken gezeichnet.
Die drei mit den Wandlerkernen baulich vereinigten Relais mit den Kontakten K2 sind
parallelgeschaltet. Der Dämpfungswiderstand R2 wird dann eingeschaltet, wenn'wenigstens
eines der drei Relais anspricht. Die Relais- und Kernteile werden zweckmäßig nach
ähnlichen Gesichtspunkten dimensioniert, wie sie oben bei der Beschreibung der Relais
mit den Kontakten K1 genannt wurden.
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Bei dieser weiten Dämpfungsart ist, außer bei dreiphasigen Vandlern,
eine äußere Verdrahtung der Schaltungselemente bei der Montage der Wandler erforderlich,
während bei der Einzelbedämpfung der Wandler diese Bauteile bereits bei der Herstellung
entsprechend fertigverdrabtet werden können.Außer den beiden in Figur 3 zugleich
gezeichneten Dämpfungsmöglichkeiten, die meist nur einzeln angewendet werden müssen,
kann auch eine Kombination verschiedenartig dimensionierter Relais nach dei-Srrindungagedanken
benutzt werden, wobei zum Beispiel die Wandler-Primärspannung, bei der die Relais
ansprechen, gestaffelt ist, und auf diese Weise mit zunehmendem Sättigungsgrad de
Kerneisens die eingeschaltete Däiiipfungleistung schrittweise größer wird.
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Mit Hilfe des erfindungsgemaßen Relais kann auch eine Fernmeldung
von auftretenden Kippschwingungen, z. . in die Netzwarte, vorgenommen werden. Es
ist dann n"giich, daß mit einer
gewissen Zeitverzögerung sogar selbsttätig
der betreffende Netzteil spannungslos geschaltet wird, bevor in Folge der unter
Umstanden nicht ausreichend stark bedämpften und deshalb andauernden Kippschwingnngen
ein größerer Schaden an den betroffenen Spannungswandlern und an den übrigen Teilen
der Anlage auftritt.