DE2501405A1

DE2501405A1 - Stromwandler

Info

Publication number: DE2501405A1
Application number: DE19752501405
Authority: DE
Inventors: Herbert Friedrich Vogel
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1974-01-17
Filing date: 1975-01-15
Publication date: 1975-07-24
Also published as: FR2258633A1; JPS50104678A; FR2258633B3

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Stromwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromwandler mit geführtem Signal, und zwar auf einen Hochspannungs-Stromwandler zur Bestimmung des Stromes in Hochspannungsleitungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen derartigen Transformator, wobei dieser ohne das übliche Erfordernis einer stark umwickelten Hauptisolierung auskommt.

Stromwandler werden üblicherweise mit einer jeden der drei Phasen einer Leistungsübeftragungsleitung verbunden, und zwar aus doppeltem Grund:

1. Um den Leitungsstrom auf einen sekundären Wert von einigen wenigen Amperes zu transformieren;

2. um das Hochspannungspotential (Leitungspotential) dielektrisch gegenüber dem geerdeten Instrument oder

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Meßschaltungen zu isolieren.

Stromwandler können auch (körperlich) zur Bildung einer einstückigen Einheit mit anderen Vorrichtungen, wie beispielsweise Schalterunterbrechungen, zusammengebaut sein.

Gemäß dem Stand der Technik sind Stromwandler mit hohen Spannungsnennwerten verfügbar, wie beispielsweise das Westinghouse Modell 889A745GO2 mit 900 kV BIL und einem gegenwärtigen Listenpreis von mehr als $ 6.000,—. Ein ähnlicher Stromwandler mit 1300 kV BIL der Type Westinghouse 889A745GO6 kostet mehr als 0 9.000,—. In der Zeitschrift "Brown Boveri Review" vom 6./7.-70 ist ein Artikel von H. Hartmann, J. J. Huovinen und F. Korischum mit dem Titel "Progress in the Field of Outdoor Current Transformers" enthalten, der die Herstellung derartiger Wandler beschreibt. Dieser Artikel widmet sich dem letzten wissenschaftlichen und technischen Fortschritt auf diesem Gebiet. Wie dort gezeigt ist, müssen die Wicklungen des Transformators von Hand mit Isolierung umwickelt werden. Das Herumwickeln muß durch schwer verfügbare Fachleute vorgenommen werden.

Wenn die gegenwärtige Konstruktion für sehr hohe Leitungsspannungen, wie beispielsweise 345 kV, 500 kV, 765 kV oder die zukünftigen ultrahohen Spannungswerte, die Leitungsspan-* nungen von 1200 oder 1500 kV ins Auge fassen, gebaut werden sollen, so entstehen sehr hohe Kosten und es treten viele schwierige Probleme auf, wie beispielsweise das Problem, daß ein Stromanalogon mit einem nur sehr kleinen Fehler erzeugt werden soll. ." ·""■

Darüber hinaus sind mit der Isolierung bekannter Wandler (Transformatoren) verschiedene Probleme verbunden. Ein Problem besteht in der komplizierten Form der Primärwicklung oder des als Hochspannungselektrode wirkenden Gehäuses. Die Primärwicklung eines gemäß dem Stand der Technik ausgebil-

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deten Stromwandlers weist typischerweise eine Toroidform mit zwei Leitern 12 und 14 auf, die sich von dort aus erstrecken, wie dies bei dem in Fig. 1 gezeigten Ringbolzen-Transformator dargestellt ist. Ein Wickler muß dabei auf die bei der Verteilung des elektrischen Feldes auftretende maximale Feldstärke Rücksicht nehmen und das elektrische Feld durch Abschirmungen steuern. Bei einer Konstruktion müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um das Grenzfeld durch Falten und Ausbuchten gesonderter Wickelpapierlagen an den ausgebuchteten Flanschen zu isolieren. Hochspannungsklemmen 12 und 14 sind mit einer zu überwachenden (nicht gezeigten) Hochspannungsleistungsleitung verbunden. Der gemäß dem Stande der Technik ausgebildete Stromwandler ist im allgemeinen von einem Isolierkörper 16 umschlossen, der normalerweise öl 18 enthält. Die Hochspannungsprimärseite 10 bildet eine Schleife 20 um eine Sekundärwicklung 22, die um einen Kern 24 herumgewickelt ist. Die Primärwicklung und die Leiter 12 und 14 sind von Hand durch die Haupt-Hoch/Niedrig-Spannungsisolierung 25 umschlossen, die aus einem Isoliermaterial, wie beispielsweise Kraftpapier, "einem wohlbekannten Papier, aufgebaut ist. Die vielen Lagen der Isolation 25 schützen die Niederspannungsleitungen der Sekundärwicklungen gegenüber einer Bogenbildung mit der Primärwicklung 10. Die Sekundärwicklungen 22 erzeugen einen Stromanalogwert, der durch Leiter 28 und 30 abgegeben wird, wobei diese Leiter üblicherweise mit einem Shunt zur Instrumentierung, Messung oder Relaisbetrieb verbunden sind. '

In der Konstruktion eines Ringbolzenwandlers bildet die Primärwicklung 10 eine Basis zum Anlegen der Kreppisolation und der eingebetteten Ausgleichselektroden. Die Hauptisolation ist fest von der Leitung zu den Erdelektroden mit Band bewikkelt, und zwar mit einem Füllfaktor von annähernd 50%. Kleine Lufträume werden mit einer Isolierflüssigkeit, wie beispielsweise öl, unter hohem Vakuum nach einem gründlichen Trockenzyklus imprägniert. In dünnen Stärken, d.h. in der Größenordnung von 0,01 Zoll, besitzt das öl eine sehr hohe dielektrische

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Durchschlagfestigkeit von mehr als 300 V pro 1/1000 Zoll. Das Band muß jedoch äußerst sorgfältig in dünnen Lagen aufgebracht werden, was viel Zeit und Arbeit erfordert. Derartige Wandler, die beispielsweise 230 kV (900 kV BIL) übertragen, sind ungefähr 114 Zoll hoch, enthalten 154 Gallonen Öl und wiegen mehr als 1 1/2 Tonnen. Eine ins Einzelne gehende Beschreibung eines derartigen ösenbolzenstromwandlers ist dem Artikel von Louis W. Marks und Philip V. Shade mit dem Titel " Inverted Current Transformer" zu entnehmen (vergleiche IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Band PAS-86, Nr. 10, Oktober 19 67, Seiten 1198 bis 1204).

Gegenwärtig gibt es drei Grundkonstruktionstypen für Stromwandler. Die erste Type ist die übliche Konstruktion oder die Kessel-Konstruktion ("dead tank"), bei welcher die Hauptisolierung auf der Primärwicklung angeordnet ist. Die zweite Type ist die umgekehrte Konstruktion oder der "top live tank", wobei die Hauptisolierung um den Kern und die Sekundärwicklung herum angeordnet ist, wobei Leiter nach unten durch eine Porzellan-Isolatorstange geführt sind. Die dritte gegenwärtig bekannte Konstruktion ist die Kettenglied- oder Mittelpotential-Konstruktion, wobei die Hauptisolierung zwischen der Primär- und Sekundär-Wicklung aufgeteilt ist. Der Kern und die Spulen sind entweder in einem großen Porzellantank . von geeignetenAbmessungen oder in einem Metalltank enthalten, der von einem Porzellanisolator gehaltert wird, wobei sich an der Oberseite des Tanks eine Hochspannungseingangsdurchführung befindet. Der Tank befindet sich auf annähernd einer Hälfte des Betriebspotentials. Jeder der Porzellanisolationsmäntel nimmt die Hälfte der angelegten Gesamtspannung auf. Die vierte Konstruktion ist eine Kaskaden-Ausbildung, bei welcher, die Hauptisolation zwischen mindestens zwei Kern- und Spulen-Anordnungen unterteilt ist. Alle diese vier Arten von Wandlern sind in dem folgenden Artikel beschrieben: "735-kV Cascade Style Current Transformer" von D.L. Johnston und H.R. Lucas, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Band PAS-86, Nr. 10, Oktober 19 67, Seiten 1205-1209.

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Die vorliegende Erfindung sieht einen neuartigen Stromwandler vor, der an Hochspannungsleitungen verwendbar ist, ohne daß von Hand gewickelte Papierisolierung erforderlich wird. Bei einer Anwendung mit sehr hoher Spannung weist der erfindungsgemäße Transformator ein wesentlich geringeres Gewicht auf, ist wirtschaftlicher und besitzt eine geringere Größe als die gegenwärtig verfügbaren Stromwandler. Der erfindungsgemäße Stromwandler erzeugt eine einen sehr geringen Fehler . aufweisende analoge Ausgangsgröße, und zwar selbst bei den höchsten gegenwärtig verfügbaren Spannungsklassen, wie sie bereits existieren oder ins Auge gefaßt sind .

Kurze Zusammenfassung der Erfindung. Der erfindungsgemäße Stromwandler weist eine Primärwicklung von mindestens einer Windung und mindestens einen Magnetkern mit einer Sekundärwicklung oder Wicklungen auf. Eine Signalumwandler- und Codiervorrichtung ist betriebsmäßig mit der Sekundärwicklung verbunden und erzeugt eine Ausgangsgröße, welche für den durch die Primärwicklung fließenden Strom repräsentativ ist. Signalumwandler und Stromwandler sind elektrisch vom Erdpotential isoliert. Ein auf Erdpotential gehaltener Empfänger empfängt die codierten Signale und erzeugt eine Ausgangsgröße, die für den Strom in der Hochspannungsleistungsleitung repräsentativ ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Signalumwandler einen Spannungs/Frequenz-Umsetzer auf, der mit einer Galliumarsenid-Emitterschaltung kombiniert ist. Eine Lichtleitung,beispielsweise aus Faseroptik, verbindet den Emitter mit einem auf Erdpotential gehaltenen Fototransistor, von dem eine Ausgangsgröße erzeugt wird.

Die vorliegende Erfindung bezweckt es, beim Aufbau eines Wandlers den teuren und zeitaufwendigen Vorgang des Aufwickeins von Hand der dielektrischen Isolierung zwischen Primär- und Sekundär-Wicklung zu vermeiden. Ferner bezweckt die Erfindung die Vermeidung eines schweren Isolationsgebildes, wie beispielsweise Porzellan, bei einem Stromwandler,

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der mit einer Hochspannungsleistungsleitung verbunden ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine dielektrische Trennung dadurch vorzusehen, daß man eine Stromwandlerausgangsgröße in ein lichtcodiertes oder ultraschallcodiertes Signal zur Übertragung von einem hohen oder sehr hohen Wechselspannungspotential auf ein Erdpotential vorsieht, um das Bedürfnis nach elektrischem Kontakt zwischen der Stromwandlersekundärwicklung und Erdpotential zu eliminieren.

Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß demgemäß ausgebildete und für hohe Spannungen ausgelegte Stromwandler wesentlich weniger Platz benötigen und wesentlich billiger sind als typische bekannte Stromwandler, die für die Verwendung bei derartigen Spannungen geeignet sind; dieser Vorteil steigt mit ansteigender Spannung noch weiter an.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Darstellung eines Stromwandlers gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromwandlers mit einem geführten Signal.

Es wird nunmehr auf Fig. 2 Bezug genommen. Gemäß der Erfindung wird die Isolation oder Trennung durch einen Behälter 39 vorgesehen, der einen Keramikisolator 40 aufweist, der ein gasförmiges, flüssiges oder festes Dielektrikum, wie beispielsweise zusammengepreßtes Stickstoffgas 42, enthält. Der Isolator 40, das Dielektrikum 42 und eine dielektrische Wellenführung 44 laufen durch den Behälter 39 und sind sämtlich parallel zwischen einem Hochspannungsteil 50 und einem geerdeten Teil 52 des erfindungsgemäßen Stromwandlers. Im

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Teil 50 sind zwei Hochspannungsklemmen 54 und 56 mit der interessierenden nicht gezeigten Hochspannungsleistungsleitung verbunden. Die mit ihren Enden an Klemmen 54 und 56 verbundene Leitung 58 weist;.eine einzige Primärspule 60 auf. Eine Sekundärwicklung mit einem Magnetkern 62 und einer Wicklung oder Wicklungen 63 ist betriebswirksam bezüglich der Primärspule 60 angeordnet. Ein Spannungs/Frequenz-Umwandler

jede
ist für/Sekundärwicklung vorgesehen, obwohl aus Gründen der Klarheit nur ein Spannungs/Frequenz-Umwandler 70 dargestellt ist. Eine batterieunterstützte Spannungsregulations- Wechselstromversorgung 64 und ein weiterer Sekundärkern 66 und Wicklung68 erzeugen die Signalleistung für den Spannungs/ Frequenz-Umwandler 70. In der Sekundärwicklung 63 wird ein den durch die Primärwicklung 60 laufenden Strom anzeigendes Signal induziert und für jede derartige Sekundärwicklung mit dem Spannungs/Frequenz-Umwandler 70 in Übereinstimmung gebracht. Die Ausgangsgröße des Spannungs/Frequenz-Umwandlers kann verstärkt werden und hat beispielsweise eine Mittenfrequenz in der Größenordnung von 100 kHz, um eine Vorrichtung zu betreiben, die eine Lichtausgangsgröße infolge einer Hochfrequenzsignaleingangsgröße erzeugt. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise durch einen Galliumarsenidemitter 74 dargestellt. Ein derartiger Emitter oder Strahler emittiert in der Nähe des infraroten Teils des Spektrums. Eine Adaptionslinse 76 bringt das periodisch sich wiederholende hf-Lichtsignal optisch in Übereinstimmung mit der optischen dielektrischen Wellenführung 44. Die Wellenführung 44 kann eine Faseroptik oder eine Stange aus dielektrischem Material, wie beispielsweise Metalloxydglas, aufweisen, welches angemessene mechanische Eigenschaften besitzt, sowie einen Brechungsindex, der größer ist als der des Dielektrikums42 und eine kleine Absorption in der Nähe des infraroten Bereichs. Die Hochfrequenz von 100 kHz ist natürlich nur eine zweckmäßige Wahl und es können auch andere Frequenzen verwendet werden. In gleicher Weise ist auch die Verwendung eines Galliumarsenidemitters, der im Infrarotbereich emittiert, lediglich ein Beispiel für einen Wandler, der elektrischen Strom in elektromagnetische

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Strahlung zum Zwecke der Übertragung zu einem entfernten Punkt umwandeln kann. Andere Wandler sind dem Fachmann bekannt. Die Signalausgangsgröße von der Wellenführung 44 läuft durch eine weitere Linse 80, welche das Signal beispielsweise an einen •Fototransistor 82 anpaßt. Der Fototransistor 82 kann ein n-p-n-Planar-Siliziumtransistorschalter sein, der eine Ausgangsgröße aufweist, die durch einen Verstärker 84 verstärkt und zu einem Frequenzdiskriminator 86 übertragen wird. Der Frequenzdiskriminator 86 kann nahe am oder entfernt vom Fototransistor 82 angeordnet sein. Auch hier kann der Fototransistor 82 durch irgendeine andere Vorrichtung ersetzt werden, die für den Teil des elektromagnetischen Spektrums empfindlich ist, das von dieser empfangen wird, wobei diese Vorrichtung dann infolgedessen elektrische Signale aussendet.

Zusammenfassung: Vorstehend ist ein Stromwandler mit geführtem Signal zur Verwendung bei Hochspannungsleistungsleitungen beschrieben. Ein Stromwandler, der eine oder mehrere Sekundärwicklungen aufweist, die betriebsmäßig einer Primärwicklung von der Leistungsleitung zugeordnet sind, gibt seine Ausgangsgrößen an eine Vorrichtung zur Erzeugung von codierten Signalen ab, die den durch die Primärwicklung laufenden Strom darstellen. Der Stromwandler und der Signalerzeuger sind gegenüber Erde getrennt. Ein Empfänger auf Erdpotential empfängt und decodiert die codierten Signale wie sie durch eine Signalführungsvorrichtung übertragen werden. Die decodierten Signale können angezeigt oder aufgezeichnet werden.

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Claims

ANSPRÜCHE ' . .

Vorrichtung zur Bestimmung des in einer Hochspannungsleistungsleitung vorhandenen Stromes, gekennzeichnet durch Mittel zur Umwandlung des Stromes von diesem Leiter, wobei diese Mittel eine Primärwicklung (60) mit mindestens einer Windung in der Leitung und mindestens einen magnetischen Kern (62) sowie mindestens eine sekundäre Wicklung (63) aufweisen, und wobei ferner Mittel (70) mit der
Sekundärwicklung zur Erzeugung codierter Signale verbunden sind, welche den durch die Primärwicklung laufenden
Strom darstellen, und wobei ferner Mittel (39,40,42) zur Trennung der Signalerzeugungsmittel und der Stromümwötndlungs- oder Transformationsmittel gegenüber Erdpotential vorhanden sind, und wobei ferner Mittel (82) auf Erdpotential zum Empfang der codierten Mittel und zur Erzeugung ' einer Ausgangsgröße vorhanden sind, welche repräsentativ für die empfangenen Signale sind, und wobei schließlich
Mittel (44) vorgesehen sind, um diese Signale von den
Signalerzeugungsmitteln zu den Aufnahme- und Ausgangsgrößen-Erzeugungsmitteln zu übertragen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufnahme- und Ausgangsgrößen-Erzeugungsmittel
eine visuelle Anzeige umfassen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalcodiermittel Einrichtungen zur Umwandlung der
elektrischen Energie aus den erwähnten Sekundärwicklungen in ein codiertes dafür repräsentatives Lichtsignal aufweisen, und daß Transformat!ons- oder Umwandlungsmittel
Mittel zur Übertragung der Lichtsignale zu Aufnahme- und Ausgangsgrößenerzeugungsmitteln aufweisen, wobei die
letztgenannten Mittel ferner Mittel zur Umwandlung des
codierten Lichtsignals in ein Analogsignal aufweisen, welches für den Strom in der Leistungsleitung repräsentativ ist, und wobei ferner Mittel zur Erzeugung einer visuellen Anzeige des Analogsignals vorgesehen sind.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsignalübertragungsmittel eine optische Wellenführung aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsignalübertragungsmittel ein faseroptisches Bündel umfassen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolier- oder Trennmittel mindestens einen flexiblen Schlauch aufweisen, der mindestens beilweise mit einem dielektrischen Strömungsmittel gefüllt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Energie in ein codiertes Lichtsignal umwandelnden Mittel betriebsmäßig miteinander verbunden einen Spannungs/Frequenz-Umwandler für mindestens eine Sekundärwicklung und fotoelektrische Wandlermittel aufweisen, um die Signale von dem Wandler in dafür repräsentative Lichtsignale umzuwandeln.

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