DE19855528A1

DE19855528A1 - Kapazitiver Spannungsteiler

Info

Publication number: DE19855528A1
Application number: DE1998155528
Authority: DE
Inventors: Olaf Brockmann; Kerstin Kunde
Original assignee: Ritz Messwandler GmbH and Co KG
Current assignee: Ritz Messwandler GmbH and Co KG
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2000-06-21

Abstract

Um einen kapazitiven Spannungsteiler für Hoch- und Mittelspannungsanlagen bei hohen Genauigkeitsanforderungen kompakt zu gestalten, ist vorgesehen, daß in einem Teilergehäuse (1) mindestens eine isoliert angeordnete Primärspannungselektrode (4) und mindestens eine der Primärspannungselektrode (4) zugeordnete, isoliert angeordnete, mit einem Messanschluss (13) verbundene Abgriffelektrode (9) vorgesehen sind und dass das Teilergehäuse (1) mit einer während des Betriebs auf Erdpotential liegenden Abschirmung (2) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Teiler für Hoch- und Mittelspannungsanlagen zur Gewinnung einer kleinen Mess- oder Prüfspannung aus der Hochspannung.

Es sind bereits insbesondere induktive Spannungswandler bekannt, die zu Mess- und Prüfzwecken auf einen Hochspannungssteckanschluß einer Hoch- oder Mittelspannungsanlage aufgesteckt werden können. Induktive Spannungswandler haben allerdings den Nachteil eines großen Gewichts und relativ großer Bauformen. Grundsätzlich können aus hohen Spannungen auch mittels ohmscher oder kapazitiver Spannungsteiler geeignete Messpannungen gewonnen werden. Wenn eine galvanische Trennung erforderlich ist, kommt nur ein kapazitiver Spannungsteiler in Frage, der jedoch den Nachteil hat, daß die Messpannung durch äußere Fremdfelder stark verfälscht werden kann, insbesondere bei kompakten Bauformen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kapazitiven Spannungsteiler für Hoch- und Mittelspannungsanlagen anzugeben, der bei kompakter Bauform genaue Messpannungen liefert.

Die Erfindung löst die gestellt Aufgabe dadurch, daß in einem Teilergehäuse mindestens eine zum Anschluß an die Hoch- oder Mittelspannungsanlage bestimmte, isoliert angeordnete Primärspannungselektrode und mindestens eine der Primärspannungselektrode zugeordnete, isoliert angeordnete, mit einem Messanschluß verbundene Abgriffelektrode vorgesehen sind und daß das Teilergehäuse von einer während des Betriebs auf Erdpotential liegenden Abschirmung umgeben ist. Der einfache Aufbau des erfindungsgemäßen Spannungsteilers mit lediglich einer einfachen Primärspannungselektrode und einer einfachen Abgriffelektrode ermöglicht eine sehr kompakte Bauform bei geringen Fertigungskosten, während die auf Erdpotential liegende Abschirmung des Teilergehäuses Fremdfeldeinflüsse auf die Messpannung eliminiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform für Mittelspannungsanlagen wird empfohlen, daß das Teilergehäuse einen mit der Primärspannungelektrode verbundenen Steckanschluß aufweist, der zum Aufstecken des Spannungsteilers auf einen zugehörigen Steckanschluß der Mittelspannungsanlage vorgesehen ist. Ein derart ausgestalteter Spannungsteiler kann ohne großen Aufwand mittels des Steckanschlusses an der Mittelspannungsanlage montiert oder demontiert werden.

In diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, wenn der Steckanschluß in Form üblicher Anschlüsse für Mittelspannungsanlagen ausgestaltet ist, das heißt insbesondere in Form eines Steckers oder einer korrespondierenden Steckbuchse.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist deshalb der Steckanschluß als konischer Vorsprung des Teilergehäuses ausgestaltet, in dessen Mitte sich ein Elektrodenabschnitt der Primärspannungselektrode erstreckt. Entsprechend sieht die komplementäre Ausführungsform vor, daß der Steckanschluß als konische Ausnehmung des Teilergehäuses ausgestaltet ist, auf deren Grund ein Elektrodenende der Primärspannungselektrode angeordnet ist.

In einer für Hochspannungsanlagen besonders geeigneten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Primärspannungselektrode mittels eines Steck- oder Schraubanschlusses mit einem Schottisolator verbindbar und somit an die übliche Bauform des Schottisolators ohne weitere Maßnahmen bereits angepaßt ist.

In Weiterbildung dieser Ausführungsform empfiehlt sich, daß die Abschirmung des Teilergehäuses aus einem Gehäuseteil der Hochspannungsanlage besteht, was bei der kapazitiven Ausgestaltung des Teilers berücksichtigt werden muß.

In einer einfachen Variante ist die Primärspannungselektrode stabförmig ausgestaltet. Solche Formen sind besonders kostengünstig zu beschaffen.

Wenn die Abgriffelektrode im wesentlichen hülsenförmig die Primärspannungselektrode umschließend angeordnet ist, erhält man eine kompakte Gesamtanordnung des Spannungsteilers, der eine weitgehend proportionale Messpannung in der richtigen Größenordnung liefern kann. Insbesondere eignet sich die genannte Hülsenform der Abgriffelektrode im Zusammenhang mit einer stabförmigen Primärspannungselektrode.

Um auf engem Raum eine möglichst genaue Spannungssteuerung insbesondere bei höheren Spannungen zu erzielen, können zusätzliche hülsenförmige, die Primärspannungselektrode umschließende Feldsteuerelektroden vorgesehen werden.

In einer anderen, insbesondere in Einsteckrichtung sehr kurz bauenden Ausführungsform wird empfohlen, daß zumindest ein der Abgriffelektrode zugeordneter Elektrodenabschnitt der Primärspannungselektrode im wesentlichen kugelförmig und die Abgriffelektrode im wesentlichen kugelkalottenförmig ausgestaltet ist. Diese Bauform kann selbstverständlich entweder mit einem vorspringenden Steckanschluß oder mit einer Steckbuchse, wie weiter oben beschrieben, ausgestattet oder mit einem Anschluß eines Schottisolators verbunden sein.

In einer einfachen Ausführungsform der Abschirmung des Teilergehäuses besteht diese aus einer leitenden Beschichtung der Gehäuseoberflächen. Insbesondere auf einen isolierenden Grundkörper, beispielsweise aus Gießharz, kann eine solche leitende Beschichtung mit geringem Aufwand aufgebracht werden. Die Abschirmung kann aber auch aus einem Metallmantel bestehen, der das Teilergehäuse umschließt, wobei für den Metallmantel auch eine sehr dünne Metallfolie infrage kommt.

Für den Anschluß mehrerer Spannungsteiler an eine Hochspannungsanlage, insbesondere für die gleichzeitige dreiphasige Messung wird empfohlen, daß in einem Teilergehäuse drei Primärspannungselektroden und drei jeweils einer Primärspannungselektrode zugeordnete, mit drei Messanschlüssen verbundene Abgriffelektroden angeordnet sind und daß eine Abschirmung des Hochspannungsanlagengehäuses alle Teilanordnungen umschließt. Durch diese Maßnahme wird der konstruktive Aufwand für das Anlagengehäuse verringert, da nur noch ein Teilergehäuse statt deren drei erforderlich sind. Selbstverständlich müssen eventuell vorhandene Steckanschlüsse bezüglich ihrer relativen Lage zueinander an die jeweiligen Gegensteckanschlüsse, vorzugsweise an einen dreiphasigen Schottisolator der Hochspannungsanlage angepaßt sein. Damit wird aber auch die Montage vereinfacht, weil alle drei Spannungsteiler durch die Montage eines einzigen Teilergehäuses angeschlossen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Teilergehäuse mit Gießharz oder Silikonkautschuk ausgegossen. Diese Materialien sind geeignet sowohl die räumliche Anordnung der Elektroden zu fixieren als auch gegeneinander elektrisch zu isolieren. Wenn andererseits ein festes Metallgehäuse bevorzugt wird, kann die innere Isolation der Elektroden gegeneinander auch mittels Gas (SF₆, N₂) erfolgen.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß für die Isolation zwischen Primärspannungselektrode und Abgriffelektrode einerseits und zwischen Abgriffelektrode und dem Erdpotential andererseits unterschiedliche Materialien vorgesehen sind. Je nach den gewünschten Eigenschaften des Geräts können mit dieser Maßnahme die kapazitiven Verhältnisse an die geforderten Ausgangssignalpegel angepaßt werden.

Die Erfindung kann dadurch noch verbessert werden, daß zwischen der Primärspannungselektrode und dem Erdpotential ein passiver oder aktiver Netzwerkabschluß vorgesehen ist. Ein solcher Netzwerkabschluß kann hilfreich sein zur Erreichung der Klassengenauigkeit und/oder zur Schiebung der Phase. Um eine Verfälschung der Meßergebnisse bei der Verwendung von Gießharz, Silikonkautschuk oder ähnlichen festen Isolationsmaterialien zu vermeiden, soll der Temperaturkoeffizient des Netzwerkabschlusses an den Temperaturkoeffizienten des Isolationsmaterials angepaßt sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsteilers im Schnitt;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Spannungsteilers im Schnitt;

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines Spannungsteilers im Schnitt;

Fig. 4 eine vierte Ausführungsform eines Spannungsteilers im Schnitt;

Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform eines Spannungsteilers im Schnitt;

Fig. 6 eine sechste Ausführungsform eines Spannungsteilers im Schnitt;

Fig. 7 eine siebte Ausführungsform eines Spannungsteilers im Schnitt.

Alle dargestellten Spannungsteiler besitzen ein Teilergehäuse 1, welches von einer aus einem Metallmantel 2 oder einem Gehäuseteil 28 der Anlage bestehenden Abschirmung umschlossen ist. In allen fünf Ausführungsbeispielen sind die im Teilergehäuse 1 angeordneten Bauteile in Gießharz 3 eingegossen.

Weiterhin besitzen alle gezeigten Spannungsteiler jeweils eine Primärspannungselektrode 4 bis 8, 25, 26 unterschiedlicher Bauform und eine Abgriffelektrode 9 bis 11, 27, ebenfalls in verschiedenen Bauformen. Die Abriffelektroden 9 bis 11, 27 sind jeweils über eine Verbindungsleitung 12 mit einem Messanschluß 13 verbunden, der am Gehäuserand angeordnet ist und zum Anschluß von Mess- oder Prüfgeräten dient. Am Messanschluß 13 liegt die Messpannung an.

Die Primärspannungselektroden 4 bis 8, 25, 26 und die Abgriffelektroden 9 bis 11, 27 sind in das Gießharz 3 eingegossen und somit gegeneinander und gegenüber der Abschirmung 2, 28 des Teilergehäuses 1 elektrisch isoliert und räumlich fixiert. Wird an die Primärspannungselektrode 4 bis 8, 25, 26 eine hohe Wechselspannung angelegt, so erzeugt diese aufgrund der kapazitiven Wechselwirkung in der jeweiligen Abgriffelektrode 9 bis 11, 27 eine sehr viel kleinere Messpannung, die am Messanschluß 13 abgegriffen werden kann.

Bei den in den Fig. 1, 3 und 4 dargestellten Bauformen ist das Teilergehäuse 1 jeweils mit einem Primärspannungsstecker 14 versehen. Hingegen weisen die in den Fig. 2 und 5 dargestellten Bauformen jeweils eine Primärspannungssteckbuchse 15 auf. Der Primärspannungsstecker 14 besteht aus einem vom Teilergehäuse 1 abstehenden konischen Vorsprung 16, in dessen Mitte sich ein Elektrodenabschnitt 17 der Primärspannungselektrode 4, 6, 7 erstreckt. Die Primärspannungsbuchse 15 besteht jeweils aus einer konischen Ausnehmung 18, auf deren Grund ein Elektrodenende 19 der Primärspannungselektrode 5, 8 angeordnet ist. Der Primärspannungsstecker 14 und die Primärspannungssteckbuchse 15 dienen als Steckanschluß zum Aufstecken des Teilergehäuses 1 auf einen zugehörigen und komplementär ausgestalteten Steckanschluß dar nicht gezeigten Mittelspannungsanlage. Dabei kann ein zum Primärspannungsstecker 14 komplementärer Steckanschluß nach dem Vorbild der Primärspannungssteckbuchse 15 und ein zur Primärspannungssteckbuchse 15 komplementärer Steckanschluß wie der Primärspannungsstecker 14 ausgebildet sein.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Primärspannungselektrode 4 stabförmig, wobei ein in den Innenraum der Abgriffelektrode 9 hineinragender Elektrodenabschnitt 20 und der in den Primärspannungsstecker 14 ragende Elektrodenabschnitt 17 auf einfache Weise einstückig ausgebildet sind. Die Abgriffelektrode 9 ist im wesentlichen hülsenförmig und derart angeordnet, daß sie den Elektrodenabschnitt 20 der Primärspannungselektrode 4 ringförmig umschließt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten komplementären Ausführungsform ist die Primärspannungselektrode 5 ebenfalls stabförmig aber kürzer ausgebildet, so daß sie fast ausschließlich aus dem in die Abgriffelektrode 9 hineinragenden Elektrodenabschnitt 20 und dem an der Primärspannungssteckbuchse 15 angeordneten Elektrodenende 19 besteht.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind neben der besonders lang ausgestalteten Primärspannungselektrode 6 und einer etwas modifizierten hülsenförmigen Abgriffelektrode 10 noch zwei ebenfalls hülsenförmige Feldsteuerelektroden 21, 22 vorgesehen, die die Primärspannungselektrode 6 ringförmig umschließen. Dabei weist die modifizierte Abgriffelektrode 10 den größten, die Feldsteuerelektrode 21 einen mittleren und die Feldsteuerelektrode 22 den kleinsten Durchmesser auf. Weiterhin sind die Elektroden 10, 21, 22 axial versetzt zueinander angeordnet, so daß sie sich von der Seite gesehen geringfügig überlappen. Durch diese Anordnung wird das elektrische Feld günstig beeinflußt, so daß auch bei sehr engen räumlichen Verhältnissen die Messung von relativ großen Spannungen möglich ist.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist ein der Abgriffelektrode 11 zugeordneter Elektrodenabschnitt 23 der Primärspannungselektrode 7 kugelförmig ausgestaltet, während die im Abstand dazu angeordnete Abgriffelektrode 11 im wesentlichen die Form einer Kugelkalotte aufweist, welche einen Teil des Raumwinkels um den kugelförmigen Elektrodenabschnitt 23 der Primärspannungselektrode abdeckt. Dieser Elektrodenabschnitt 23 ist direkt mit dem in den Primärspannungsstecker 14 ragenden stabförmigen Elektrodenabschnitt 17 verbunden. Bei der in Fig. 5 dargestellten komplementären Ausführungsform fehlt ein stabförmiger Abschnitt. Hier besteht die Primärspannungselektrode 8 ausschließlich aus einem modifizierten kugelförmigen Elektrodenabschnitt 24, dessen Elektrodenende 19 auf der der Primärspannungssteckbuchse 15 zugewandten Seite abgeflacht ist.

Speziell für Hochspannungsanlagen mit Schottisolator 32 sind die in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen geeignet. Hier kann die Primärspannungselektrode 25 mittels eines Steckanschlusses 30 (Fig. 6) bzw. die Primärspannungselektrode 26 mittels eines Schraubanschlusses 31 (Fig. 7) mit dem Schottisolator 32 verbunden werden. Die Abschirmung des Teilergehäuses 1 besteht aus einem topfförmigen Gehäuseteil 28, der Hochspannungsanlage, welches nach der Montage des Teilers über das Teilergehäuse 1 gestülpt und am Schottisolator 32 befestigt wird. Der Meßanschluß 13 ist dann mit einem Gehäuseanschluß 33 verbunden, der auf der Außenseite des Gehäuseteils 28 angeordnet ist. Das Gehäuseteil 28 ist mit dem Erdpotential 29 verbunden.

Bezugszeichenliste

1

Teilergehäuse

2

Abschirmung

3

Gießharz

4

Primärspannungselektrode

5

Primärspannungselektrode

6

Primärspannungselektrode

7

Primärspannungselektrode

8

Primärspannungselektrode

9

Abgriffelektrode

10

Abgriffelektrode

11

Abgriffelektrode

12

Verbindungsleitung

13

Messanschluß

14

Primärspannungsstecker

15

Primärspannungssteckbuchse

16

konischer Vorsprung

17

Elektrodenabschnitt

18

konische Ausnehmung

19

Elektrodenende

20

Elektrodenabschnitt

21

Feldsteuerelektrode

22

Feldsteuerelektrode

23

Elektrodenabschnitt

24

Elektrodenabschnitt

25

Primärspannungselektrode

26

Primärspannungselektrode

27

Abgriffelektrode

28

Abschirmung

29

Erdpotential

30

Steckanschluß

31

Schraubanschluß

32

Schottisolator

33

Gehäuseanschluß

Claims

1. Kapazitiver Spannungsteiler für Hoch- und Mittelspannungsanlagen, dadurch ge kennzeichnet, daß in einem Teilergehäuse (1) mindestens eine zum Anschluß an die Hoch- oder Mittelspannungsanlage bestimmte, isoliert angeordnete Primärspannungselektrode (4 bis 8, 25, 26) und mindestens eine der Primärspannungselektrode (4 bis 8, 25, 26) zugeordnete, isoliert angeordnete, mit einem Messanschluß (13) verbundene Abgriffelektrode (9 bis 11, 27) vorgesehen sind und daß das Teilergehäuse (1) von einer während des Betriebs auf Erdpotential (29) liegenden Abschirmung (2, 28) umgeben ist.

2. Spannungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilergehäuse (1) einen mit der Primärspannungselektrode (4 bis 8) verbundenen Steckanschluß (14, 15) aufweist, der zum Aufstecken des Spannungsteilers auf einen zugehörigen Steckanschluß der Mittelspannungsanlage vorgesehen ist.

3. Spannungsteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steckanschluß (14) als konischer Vorsprung (16) des Teilergehäuses (1) ausgestaltet ist, in dessen Mitte sich ein Elektrodenabschnitt (17) der Primärspannungselektrode (4, 6, 7) erstreckt.

4. Spannungsteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steckanschluß (15) als konische Ausnehmung (18) des Teilergehäuses (1) ausgestaltet ist, auf deren Grund ein Elektrodenende (19) der Primärspannungselektrode (5, 8) angeordnet ist.

5. Spannungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspannungselektrode (25, 26) mittels eines Steckanschlusses (30) oder Schraubanschlusses(31) mit einem Schottisolator (32) verbindbar ist.

6. Spannungsteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung des Teilergehäuses (1) aus einem Gehäuseteil (28) der Hochspannungsanlage besteht.

7. Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspannungselektrode (4 bis 6) stabförmig ausgestaltet ist.

8. Spannungsteiler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgriffelektrode (9, 10) im wesentlichen hülsenförmig die Primärspannungselektrode (4 bis 6) umschließend angeordnet ist.

9. Spannungsteiler nach Anspruch 7 oder 8, da durch gekennzeichnet, daß hülsenförmige, die Primärspannungselektrode (6) umschließende Feldsteuerelektroden (21, 22) vorgesehen sind.

10. Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein der Abgriffelektrode (11) zugeordneter Elektrodenabschnitt (23, 24) der Primärspannungselektrode (7, 8) im wesentlichen kugelförmig und die Abgriffelektrode (11) im wesentlichen kugelkalottenförmig ausgestaltet ist.

11. Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abschirmung (2) des Teilergehäuses (1) aus einer leitenden Beschichtung der Gehäuseoberflächen oder aus einem Metallmantel besteht.

12. Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß in einem Teilergehäuse drei Primärspannungselektroden und drei jeweils einer Primärspannungselektrode zugeordnete, mit drei Messanschlüssen verbundene Abgriffelektroden angeordnet sind und daß eine Abschirmung alle Teilanordnungen umschließt.

13. Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Teilergehäuse (1) mit Gießharz (3) oder Silikonkautschuk ausgegossen ist.

14. Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß für die Isolation zwischen der Primärspannungselektrode (4 bis 8, 25, 26) und der Abgriffelektrode (9 bis 11, 27) einerseits und zwischen der Abgriffelektrode (9 bis 11, 27) und dem Erdpotential (29) andererseits unterschiedliche Materialien (3) vorgesehen sind.

15. Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen der Primärspannungselektrode (4 bis 8, 25, 26) und dem Erdpotential (29) ein passiver oder aktiver Netzwerkabschluß vorgesehen ist.