DE19635749C2 - Meßwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwandler, insbesondere für eine gasisolierte Schaltanlage, z. B. für eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage.

Ein in der Praxis als Stromwandler in einer gasisolierten Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage verwendeter Meßwandler ist z. B. aus der EP 0 668 598 A1 bekannt. Als Isoliergas wird in der Regel ein mit SF₆ bezeichnetes Gas verwendet. Der Meß­ wandler umfaßt im wesentlichen als Informationsgeber eine Spu­ le, die einen einen Primärstrom führenden Stromleiter der An­ lage konzentrisch umgibt. Dabei wird ein durch die in der Spule induzierten Spannung angetriebener Sekundärstrom als Meßsignal herangezogen.

Prinzipiell kann zwischen zwei unterschiedlichen Wandlerprin­ zipien unterschieden werden. Während bei einem sogenannten konventionellen Wandler der Informationsgeber und eine diesem zugeordnete Energiequelle primärseitig an den Stromleiter der Anlage gekoppelt und sekundärseitig gemeinsam mit der eigent­ lichen Bürde verbunden sind, ist bei einem sogenannten nicht­ konventionellen Wandler lediglich der Informationsgeber pri­ märseitig an den Stromleiter der Anlage gekoppelt. Bei dem nichtkonventionellen Wandler ist daher eine Hilfsenergie­ quelle erforderlich, die zur Beibehaltung gewünschter Nenn­ ausgangsströme des Sekundärkreises von 5 oder 1 A zumindest kurzzeitig eine Leistung bis zu einigen kW abzugeben in der Lage ist. Daher ist ein entsprechende Parameter aufweisender Leistungsverstärker erforderlich, über den der Informations­ geber und die Hilfsenergiequelle mit der Bürde verbunden sind. Angestrebt wird eine Zwischenlösung, der das herkömm­ liche oder konventionelle Meßprinzip - allerdings auf lei­ stungsarmem Niveau - zugrundeliegt.

Ein Weg in der ständigen Weiterentwicklung derartiger Meß­ wandler strebt in Richtung auf eine zunehmende Reduktion der Einbaumaße. Zur Erreichung dieses Ziels wird in der EP 0 510 311 A2 vorgeschlagen, für eine metallgekapselte, gasisolierte Hochspannungsschaltanlage ei­ nen nach dem Prinzip der Rogowski-Spule arbeitenden Strom­ wandler einzusetzen. Die dort verwendete Spule ist aus ge­ wickelten Drähten hergestellt und weist daher alle herstel­ lungsbedingten Nachteile einer gewickelten Spule auf. Dies betrifft insbesondere den durch eine Drahtwicklung bedingten geringen Füllfaktor sowie Ungenauigkeiten beim Wickeln. Ein gleichmäßiger, vorzugsweise kreisrunder Wicklungsaufbau ist jedoch insbesondere bei Einbau in eine gasisolierte Schaltan­ lage erforderlich.

Demgegenüber bereitet eine Lagenwicklung aufgrund von Reso­ nanzerscheinungen erhebliche Probleme bei der Übertragung ho­ her Frequenzen. Folienwicklungen mit sich überlagernden Fo­ lien - und damit identischen Lagenwicklungen - nutzen zwar den Wickelraum besser aus, bringen jedoch keine Verbesserung bei hohen Frequenzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meß­ wandler anzugeben, der bei gleichzeitig besonders günstigem Signalverhalten besonders geringe Einbaumaße aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß ein be­ sonders gleichmäßiger Wicklungsaufbau bei gleichzeitig beson­ ders geringem Füllfaktor und besonders günstigem Signalver­ halten bei hohen Frequenzen dadurch erzielt werden kann, daß zur Bildung einer Spule als Meßsensor als Wicklung eine Viel­ zahl von einzeln oder fortlaufend gewickelten Segmenten auf dem Umfang eines ringförmigen Wicklungsträgers, insbesondere gleichmäßig verteilt, angeordnet sind. Dabei ist das oder je­ des Segment zweckmäßigerweise aus einem Bandleiter gewickelt, vorzugsweise in Form einer Folienwicklung mit einer elektrisch isolier­ ten Metallfolie. Eine segmentartig unterteilte Wicklung für eine Drosselspule ist aus der WO 92/15 103 A1 bekannt.

Zur Schaffung besonders geeigneter Übergänge zwischen den Segmenten oder Wicklungssegmenten erhält bei einzeln gewic­ kelten Segmenten der Wicklungsanfang jedes Segments eine Fal­ tung, insbesondere rechtwinklig zum Wicklungssinn, die auf der Oberseite des benachbarten Segments durch Löten oder Schweißen mit diesem verbunden ist. Bei einer fortlaufenden Wicklung weist jedes Segment sowohl auf dessen Wickelgrund als auch auf dessen Wickelkopf eine Faltung auf. In jedem Fall ist das dem Wicklungsträger zugewandte Ende einer Wick­ lung eines jeden Segments annähernd rechtwinkelig zum Wick­ lungssinn gefaltet, wobei dieses Ende mit dem Wickelkopf des benachbarten Segments verbunden ist. Die Faltung eines Band­ leiters an sich ist aus der DE 31 38 624 A1 bekannt.

Als Wicklungsträger wird zweckmäßigerweise ein kreisringför­ miger Ringkern eingesetzt. Alternativ kann auch ein in Form eines Polygons ausgebildeter Wicklungsträger oder Wicklungs­ kern verwendet werden. Dabei ist der Wicklungsträger zur Bil­ dung eines stufenförmigen Ringbandkerns vorteilhafterweise aus einer Anzahl von Bändern unterschiedlicher Breite gewic­ kelt. Zur Trennung der Eckbereiche des Wicklungsträgers oder Wicklungskerns und der Wicklung ist um diesen Kern zweckmäßi­ gerweise ein Formteil, z. B. ein Plast-Formteil, aufgebracht, um das die Segmentwicklung herumlegbar ist. Das Plast-Form­ teil schützt den Kern einerseits vor mechanischen Beanspru­ chungen bei der Bewicklung und gewährleistet andererseits, daß bei der Bewicklung keine Windungsschlüsse auftreten. Außerdem ermöglicht das Plast-Formteil einen besonders gerin­ gen Wickelzug, da der Biegeradius nicht mehr so klein wie möglich sein muß. Dies wiederum verringert die mechanische Beanspruchung des Kerns. Ein besonderer Vorteil bei dem Ein­ satz eines solchen Stufen-Ringbandkerns in einem hochdynami­ schen leistungsarmen Weitbereichswandler besteht in der Mög­ lichkeit einer sich dem Optimum annähernden Ausnutzung eines vorgegebenen Einbauvolumens.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß durch den Wicklungsaufbau aus einer Vielzahl von einzeln oder fortlaufend gewickelten Segmenten eine er­ hebliche Reduktion des Einbaumaßes des Meßwandlers gegenüber bisher bekannten leistungsarmen Weitbereichswandlern ermög­ licht ist. Dadurch kann der Meßwandler in vorhandene Teile einer gasisolierten Schaltanlage unter Einsparung eines ge­ sonderten Gehäuses problemlos eingebaut werden. Der Meßwand­ ler zeichnet sich somit durch ein besonders geringes Einbau­ volumen aus. Die Größe des Meßwandlers ist im wesentlichen durch die Bemessungsleistung und durch die Anforderungen an sein transientes Übertragungsverhalten bestimmt. Der lei­ stungsarme Weitbereichsmeßwandler ermöglicht somit die Über­ tragung auch großer Primärströme, wobei die Grenze zur origi­ nalgetreuen Abbildung des Primärstroms durch den Meßwandler in einfacher Weise berechenbar ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen leistungsarmen Weitbereichsmeßwandler mit einer aus einer Vielzahl von Segmenten aufgebauten Spulen-Wicklung,

Fig. 2 im Ausschnitt II den Wicklungsaufbau gemäß Fig. 1 mit einzeln gewickelten Segmenten,

Fig. 3 im Ausschnitt III den Wicklungsaufbau gemäß Fig. 1 mit fortlaufend gewickelten Segmenten,

Fig. 4 eine Übergangsstelle bei fortlaufend gewickelten Segmenten und

Fig. 5 und 6 im Querschnitt den Wicklungsträger des Wand­ lers gemäß Fig. 1.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen hochdynamischen leistungsarmen Weitbe­ reichsmeßwandler 1, der in einem Gehäuse 2 einer z. B. gekap­ selten Schaltanlage angeordnet ist. Zentral im Gehäuse 2 ver­ läuft ein elektrischer Leiter oder Primärstromleiter 3, der von einem kreisringförmigen Wicklungsträger oder Wicklungs­ kern 4 koaxial umgeben ist. Auf den Wicklungskern 4 sind zur Bildung einer Spule eine Vielzahl von Wicklungssegmenten 5 aufgebracht. Jedes Wicklungssegment 5 umfaßt eine Lagenwick­ lung in Form eines Bandleiters aus z. B. einer elektrisch isolierten Kup­ ferfolie. Auch können andere Leiter, z. B. Aluminium, zum Einsatz kommen. Der Wicklungsträger 4 ist im Ausführungsbei­ spiel in Form eines Ringkerns ausgebildet. Alternativ kann auch ein in Form eines Polygons ausgebildeter Wicklungskern 4 verwendet werden.

Fig. 2 zeigt am Beispiel zweier benachbarter Wicklungsseg­ mente 5 jeweils einzeln gewickelte Segmente 5, wobei der obere Teil der Fig. 2 eine Draufsicht und der untere Teil der Fig. 2 eine Seitenansicht darstellt. Der Wicklungsanfang 6 des dem Wicklungskern 4 zugewandten Endes jedes Segments 5 weist eine Umlenkung oder Faltung 7 auf, die auf der Ober­ seite des benachbarten Segments 5 an einer Verbindungs­ stelle 8 mit dem Wicklungsende 10 des benachbarten Segments 5 durch Löten, Kleben, Quetschen oder Schweißen verbunden ist.

Mit dieser Faltung 7 wird eine Umlenkung des Bandleiters 11 von der Umfangsrichtung in Achsrichtung, oder umgekehrt, d. h. um ca. 90°, erreicht.

Der mit der Faltung 7 versehene Wicklungsanfang 6 des in der Fig. 2 linken Segments 5 bildet somit durch Faltung und Ab­ winkelung einen Übergang 9 zum benachbarten Segment 5. Wie am Beispiel der unteren Abbildung der Fig. 2 gezeigt, kann das Wicklungsende 10 das benachbarte Segment 5 teilweise oder vollständig überspannen. Bei einzeln gewickelten Segmenten 5 ist die oder jede Faltung 7 lediglich auf dem Wickelgrund, d. h. an einem dem Wicklungskern 4 zugewandten Wicklungs­ ende 10 eines jeden Segments 5, vorgesehen.

Dagegen zeigt Fig. 3 eine fortlaufende Wicklung, wobei jedes Segment 5 sowohl auf dem Wickelgrund als auch auf dem Wickel­ kopf eine Faltung 7 aufweist. Eine derartige fortlaufende Wicklung der Segmente 5 ist wiederum in der oberen Abbildung der Fig. 3 in Aufsicht und in der unteren Abbildung in Sei­ tenansicht dargestellt. Der Übergang 9 vom Wickelgrund des in der Fig. 3 linken Segments 5 auf den Wickelkopf des in der Fig. 3 benachbarten rechten Segments 5 ergibt sich wiederum durch Falten und Abwinkeln des aus einer isolierten Metallfo­ lie aufgebauten Bandleiters 11. Möglich ist auch eine belie­ bige Kombination aus einzeln und fortlaufend gewickelten Seg­ menten 5.

Der Übergang 9 bei fortlaufend gewickelten Segmenten 5 ist in Fig. 4 dargestellt, wobei die obere Abbildung eine Seitenan­ sicht und die untere Abbildung eine Aufsicht zeigt. Die Be­ wicklung des Wicklungsträgers 4 erfolgt ansonsten nach an sich bekannten Ringkernwickeltechniken.

In Fig. 5 ist in einem Schnitt der Aufbau des Wicklungsträ­ gers 4 in Form eines Stufen-Ringbandkerns gezeigt. Der Wick­ lungskern 4 ist aus einer Anzahl von Bändern 12 unterschied­ licher Breite gewickelt. Als Werkstoff für die Bänder 12 kommt ein Material gemäß dem Stand der Technik in Frage, ins­ besondere ein Eisenband oder ein amorphes Band. Die Geometrie der Anordnung ist durch vorgegebene Einbaumaße bestimmt, so daß eine optimale Ausnutzung eines vorgegebenen Einbauvolu­ mens 13 sichergestellt ist. Dabei ist der Wicklungskern 4 des Meßwandlers 1 durch ein Mittelteil 14 sowie durch zwei diesem benachbarte Seitenteile 15 und 16 gebildet. An der Stirnseite des Wicklungskerns 4 ist ein Kunststoff- oder Plast-Form­ teil 17 vorgesehen, das um den Wicklungskern 4 herumgelegt ist. Um dieses herum ist die Wicklung des oder jedes Seg­ ments 5 gelegt. Das Plast-Formteil 17 trennt vorzugsweise beide Eckbereiche 18, 19, insbesondere des Mittelteils 14, des Wicklungsträgers 4 von der Wicklung des Segments 5. Das Plast-Formteil 17 schützt somit den Wicklungsträger 4 einer­ seits vor mechanischen Beanspruchungen bei der Bewicklung und gewährleistet andererseits, daß bei der Bewicklung keine Win­ dungsschlüsse auftreten.

Darüber hinaus ermöglicht das Plast-Formteil 17 einen gerin­ gen Wickelzug. Grund hierfür ist, daß der in Fig. 6 darge­ stellte Biegeradius R nicht mehr so klein wie möglich sein muß. Auf diese Weise wird die mechanische Beanspruchung des Wicklungskerns 4 besonders gering. Fig. 6 zeigt auch die Zusammenhänge bei der Dimensionierung des stufenförmig und in Form eines Ringbandkerns ausgebildeten Wicklungskerns 4. Der Radius R wird einerseits durch den für den jeweiligen Wickel­ zug des Segments 5 minimalen Biegeradius des durch die Seg­ mente 5 repräsentierten Sekundärleiters der Spule in Form des Bandleiters 11 und andererseits durch die zur Verfügung ste­ hende Gesamthöhe H = 2 y₁ + y₂ bestimmt. In einer Extremwert­ betrachtung für die Geometrie des Ringband- oder Wicklungs­ kerns 4 ergeben sich die in Fig. 6 eingetragenen Abmessun­ gen y₁, y₂ sowie x₁, x₂ aus den zur Verfügung stehenden Ein­ baumaßen und damit aus dem zur Verfügung stehenden Einbauvo­ lumen 13.

Der Meßwandler 1 zeichnet sich durch einen großen Dynamikbe­ reich oder Hochdynamikbereich aus, der durch den Betrieb bei sehr kleinen Bemessungsinduktionen gewährleistet ist. Voraus­ setzung für die Genauigkeit im durch den Weitbereichsmeßwand­ ler 1 abgedeckten Meßbereich ist dabei, daß die durch Glühen erzielten magnetischen Parameter nicht durch mechanische Be­ anspruchungen verschlechtert werden. Dies ist durch den be­ schriebenen Aufbau des Meßwandlers 1 sichergestellt.

Claims (6)

1. Meßwandler (1), insbesondere Stromwandler, mit einem ring­ förmigen Wicklungsträger (4), der auf seinem Umfang eine Vielzahl von gewickelten Segmenten (5) trägt, wobei jedes Segment (5) aus einer Lagenwicklung aus einem elektrisch iso­ lierten Bandleiter (11) gewickelt ist, und wobei aus den Seg­ menten (5) eine Spule gebildet ist, indem ein dem Wicklungs­ träger (4) zugewandtes Ende (6) einer Wicklung des Segments (5) annähernd rechtwinklig zum Wicklungssinn gefaltet ist und dieses Ende (6) mit einem dem Wicklungskern (4) abgewandten Ende (10) des benachbarten Segments (5) verbunden ist.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, bei dem die Lagenwicklung aus einer isolierten Metallfolie aufgebaut ist.

3. Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wicklungs­ träger (4) kreisringförmig ausgebildet ist.

4. Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wicklungs­ träger (4) polygonal ausgebildet ist.

5. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wicklungsträger (4) zur Bildung eines stufenförmigen Ring­ bandkerns aus einer Anzahl von Bändern (12) unterschiedlicher Breite gewickelt ist.

6. Meßwandler nach Anspruch 5, wobei der Ringbandkern (4) an seiner Stirnseite ein Formteil (17), insbesondere ein Plast- Formteil, aufweist.