DE3226387A1

DE3226387A1 - Aktiver kapazitiver spannungswandler

Info

Publication number: DE3226387A1
Application number: DE19823226387
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Mönchaltorf Siegenthaler
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1982-06-25
Filing date: 1982-07-15
Publication date: 1983-12-29
Also published as: DE3226387C2; IT1160494B; US4580094A; BR8303363A; CH663672A5; IT8319908A0

Description

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Aktiver kapazitiver Spannungswandler

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler zum Messen der Spannung eines stromführenden Innenleiters einer metallgekapselten, isoliergasgefüllten Hochspannungsschaltanlage mit einem aktiven kapazitiven Spannungswandler, bei dem eine an einen Eingang eines Verstärkers gelegte Messelektrode auf Erdpotential gehalten ist und bei dem die Messelektrode und eine zugeordnete Gegenelektrode zylinderförmig ausgebildet und mittels Isolierstoffteilen auf einem Tragkörper befestigt sind, und mindestens eine dieser beiden Elektroden mindestens zwei konzentrische, zylinderförmige Ansätze aufweist, zwischen denen mindestens ein der anderen Elektrode zugeordneter Ansatz vorgesehen ist.

Ein derartiger Spannungswandler ist bereits aus der CH-PS 627 853 bekannt. Bei diesem Spannungswandler sind Mess- und Gegenelektrode auf einem scheibenförmigen Tragkörper angeordnet. Der Tragkörper ist der Krafteinwirkung des im Inneren der Metallkapselung befindlichen Isoliergases ausgesetzt und kann sich gegebenenfalls ein wenig durchbiegen, wodurch ein In- und Auseinanderschieben von Mess- und Gegenelektrode bewirkt wird. Ein entsprechendes Verschieben von Mess- und Gegenelektrode kann auch durch ein thermisch oder hy-

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groskopisch bedingtes Schrumpfen der Isolierstoffteile erfolgen. Durch diese Verschiebungen der Elektroden gegeneinander wird die zwischen ihnen befindliche Gasstrecke und damit die die Güte der Messung bestimmende Kapazität verändert. Ein derartiger Spannungswandler erbringt daher nicht ohne weiteres die in hohen Genauigkeitsklassen erforderte Präzision.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung den gattungsgemässen Spannungswandler derart weiterzubilden, dass er auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen der metallgekapselten, isoliergasgefüllten Hochspannungsschaltanlage Messwerte liefert, welche die Anforderungen hoher Genauigkeitsklassen erfüllen.

Die zur Lösung dieser Aufgabe dienende Erfindung ist durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 definiert. Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass die als entscheidende Grossen in die Messergebnisse eingehenden Kapazitäten des aktiven kapazitiven Spannungswandlers auch bei den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen der Hochspannungsschaltanlage nahezu konstant bleiben, so dass der erfindungsgemässe Spannungswandler ohne weiteres die hohen Anforderungen etwa der Genauigkeitsklasse 0,2 erfüllt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Hierbei zeigt :

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen senkrecht zur Mittelachse des stromführenden Innenleiters einer metallgekapselten, isoliergasgefüllten Hochspannungsschaltanlage geführten Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Spannungswandlers, bei der zwei quer zum Innenleiter liegende Elektrodenanord-

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nungen zur Ermittlung der Messspannung vorgesehen sind ;

Fig. 2 eine vergrösserte und detaillierte Darstellung eines gestrichelt umrandeten Ausschnittes II des erfindungsgemässen Spannungswandlers gemäss Fig. 1;

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen senkrecht zur Mittelachse des stromführenden Innenleiters einer metallgekapselten, isoliergasgefüllten Hochspannungsschaltanlage geführten Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Spannungswandlers, bei dem eine den Innenleiter axial umgebende Elektrodenanordnung zur Ermittlung der Messspannung vorgesehen ist, und

Fig. 4 eine vergrösserte und detaillierte Darstellung eines gestrichelt umrandeten Ausschnitts IV des erfindungsgemässen Spannungswandlers gemäss Fig. 3.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 1 bezeichnet 1 einen wechselstromführenden, in einer mit einem gasförmigen Isoliermittel, wie SF,, gefüllten Metallkapselungen 2 einer Hochspannungsschaltanlage angeordneten Innenleiter. Die Metallkapselung 2 weist zwei einander diametral gegenüberstehende Rohransätze 3 und 4 auf, in denen jeweils eine Elektrodenanordnung 5 bzw. 6 untergebracht ist. Die Elektrodenanordnungen 5 und 6 haben annähernd gleiche Abmessungen und sind annähernd gleich weit vom Innenleiter 1 entfernt. Jede Elektrodenanordnung 5 bzw. 6 weist jeweils eine auf einem Tragkörper 7 bzw. 8 angebrachte Messelektrode 9 bzw. 10 sowie eine Gegenelektrode 11 bzw. 12 auf. Innenleiter 1 und jede der beiden Messelektroden 9 bzw. 10 bilden jeweils den Oberspannungskondensator, jede der beiden Messelektroden 9 bzw. 10 bildet mit der zugehörigen Gegenelektrode 11 bzw. 12 den Unter-

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Spannungskondensator eines aktiven kapazitiven Spannungstei les. Das an jeder der beiden Messelektroden 9 und 10 abgenommene Signal wird über eine Metallkapselungsdurchführung 13 bzw. 14 und ein abgeschirmtes Messkabel 15 bzw. 16 an einen Eingang eines Vorverstärkers 17 bzw. 18 geführt. Das an jeder der beiden Gegenelektroden 11 bzw. 12 abgenommene Signal wird über eine weitere Metallkapselungsdurchführung 19 bzw. 20 an den einen Primärwicklungsanschluss eines an der Metallkapselung 2 angeordneten stufenlos regelbaren Transformators 21 bzw. 22, dessen anderer Primärwicklungsan schluss auf Erde liegt, geführt, und nach Verstärkung im Transformator 21 bzw. 22 über ein weiteres abgeschirmtes Messkabel 23 bzw. 24 jeweils an die Sekundärseite eines weiteren Transformators 27 bwz. 28 gelegt. Die beiden Sekundärseiten der Transformatoren 27 und 28 sind unmittelbar miteinander verbunden und weisen darüber hinaus auch jeweils eine Verbindung zu einem Anschluss 25 bzw. 26 eines zur Abnahme der Messspannung vorgesehenen Ausgangs auf. Die Primärseiten der Transformatoren 27 und 28 sind jeweils mit einem geerdeten Eingang und mit einem Ausgang der Vorverstärker 17 und 18 verbunden. Die Transformatoren 27 und 28 weisen jeweils noch eine zusätzliche Sekundärwicklung auf. Diese Sekundärwicklungen sind einerseits unmittelbar und andererseits über eine Lampe 29 miteinander verbunden.

Der gestrichelt umrandete Ausschnitt II umfasst einen Teil der Elektrodenanordnung 5 und wird nachfolgend anhand der Fig. 2 beschrieben. Wie aus-dieser Figur ersichtlich ist, enthält der im Inneren der isoliergasgefüllten Metallkapselung 2 befestigte Tragkörper 7 eine Halterung 30, an welche ein Rohrstück 31 angeschraubt ist. An der Aussenseite des Rohrstückes 31 sind stufenförmig versetzte Flansche 32, 33 vorgesehen, an deren radial nach aussen verlaufenden Ringflächen ringförmige Isolierstoffteile 34 und 35, etwa durch Verschraubung, befestigt sind. Auf der teilweise am Flansch 32 anliegenden ringförmigen Fläche des Isolier^

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Stoffteils 34 ist die Messelektrode 9 befestigt. Entsprechend ist auf der teilweise am Flansch 33 anliegenden ringförmigen Fläche des Isolierstoffteils 35 die Gegenelektrode 11 - etwa durch Verschraubung - befestigt. Die an der Messelektrode 9 bzw. der Gegenelektrode 11 auftretenden Signale werden über eine elektrische Verbindung 36 bzw. 37 über die Durchführung 13 bzw. 19 aus der Metallkapselung 2 herausgeführt. Mess 9- und Gegenelektrode 11 sind derart ausgebildet, dass sie um die Rohrachse rotationssymmetrisch sind. Beide Elektroden weisen jeweils mindestens zwei konzentrisch zueinander angeordnete, zylinderförmige Ansätze 38 bzw. 39 auf. Die beiden Elektroden sind so zueinander angeordnet, dass die zylinderförmigen Ansätze 39 der Gegenelektrode 11 berührungslos zwischen den zylinderförmigen Ansätzen 38 der Messelektrode 9 liegen.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung ist ein aktiver kapazitiver Spannungsteiler. Der von den Oberspannungkondensatoren abgegebene Strom· .wird durch die über die zugehörigen Unterspannungskondensatoren rückgekoppelten, die Transformatoren 21, 27 bzw. 22, 28 und die Vorverstärker 17 bzw. 18 umfassenden Verstärker derart kompensiert, dass die Verstärkereingangsspannung im wesentlichen 0 ist. Bei Verstärkung in den Vorverstärkern 17 und 18 liegt an den in Serie geschalteten Sekundärwicklungen der Transformatoren 27 und 28 die Messspannung, welche im wesentlichen durch das Verhältnis der Kapazitäten von Ober- und Unterspannungskondensator bestimmt ist. Da Streu- und Messkabelkapazitäten die Messspannung wegen der Gegenkopplung nicht beeinflussen können, kann die Verfälschung der Messergebnisse lediglich durch die Gasstrecken an den Kapazitäten von Ober- und Unterspannungskondensator auftreten. Eine Veränderung der besonders kritischen Gasstrecken zwischen Messelektrode 9 bzw. 10 und Gegenelektrode 11 bzw. 12 wird dadurch vermieden, dass das biegesteife Rohrstück 31 vorgesehen ist, an welchen Mess 9 bzw. 10- und Gegenelektrode 11 bzw. 12 gegeneinander in Richtung der Rohrachse versetzt angeordnet

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sind, und dass die Isolierstoffteile eine teilweise am Rohrstück 31 anliegende Fläche aufweisen, auf welcher jeweils eine der beiden vorgenannten Elektroden abgestützt ist. Durch diese Massnahmen werden axiale Verschiebungen der Elektroden bei Schrumpfung oder Quellung der Isolierstoffteile oder bei Verbiegungen des Tragkörpers der Elektroden infolge Druckschwankungen und damit Veränderungen der Gasstrecken zwischen Mess 9, 10- und Gegenelektroden 11, 12 mit Sicherheit vermieden.

Durch die Verwendung zweier in Serie geschalteter, aktiver kapazitiver Spannungsteiler wird darüber hinaus dre Messgenauigkeit noch gesteigert. Die be-i Veränderung der Gasstrekken zwischen hochspannungsführendem Innenleiter und Messelektrode 9 bzw. 10 infolge einer Verschiebung des Innenleiters 1 aus einer Lage in der Mittelachse der Metallkapselung 2 bewirkten Veränderungen der Kapazitäten der Oberspannungskondensatoren beeinflussen nämlich wegen der gegenläufigen Veränderungen der Gasstrecken beider Spannungsteiler und wegen der durch Summenbildung aus beiden Spannungsteilern

20' gewonnenen Messspannung das Messergebnis nicht.

Sollten die Messwerte beider Spannungsteiler voneinander abweichen, so wird mit der Lampe 29 Alarm ausgelöst.

Vorteilhaft ist es auch, die Transformatoren 21 und 22 im Bereich der zugehörigen Spannungsteiler anzuordnen, da dann das durch den Transformator 21 bzw. 22 und durch das Verhältnis der Kapazitäten von Unter- und Oberspannungskondensator bestimmte gesamte Uebersetzungsverhältnis des Spannungswandlers lediglich in diesem Bereich einzustellen ist, und die nunmehr jeweils lediglich den Vorverstärker 17 bzw. 18 und den Transformator 27 bzw. 28 umfassenden Verstärker nur noch die Aufgabe haben, die Eingangsspannung auf 0 zu regeln. Die Verstärker brauchen daher nicht geeicht zu werden und sind leicht auszuwechseln.

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In Fig. 3 ist ein weiterer erfindungsgemässer Spannungswandler dargestellt, bei dem die Elektrodenanordnung 5 den Innenleiter 1 ringförmig umgibt und das Rohrstück 31 Teil der Kapselung 2 ist. Der gestrichelt umrandete Bereich IV umfasst einen Teil dieser Elektrodenanordnung und wird nachfolgend anhand der Fig. 4 beschrieben.

Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, weist das als Rohrstück 31 ausgebildete Teil der Metallkapselung 2 auf seiner Innenseite zwei voneinander abgewandte und in Richtung der Rohrachse gegeneinander versetzte Flansche 40 und 41 auf, an deren radial nach Innen verlaufenden Ringflächen die ringförmigen Isolierstoffteile 34 und 35 befestigt sind. Auf der teilweise am Flansch 40 anliegenden ringförmigen Fläche des Isolierstoffteils 34 ist die Messelektrode 9 angebracht. Entsprechend ist auf der teilweise am Flansch 41 anliegenden ringförmigen Fläche des Isolierstoffteils 35 die Gegenelektrode 11 befestigt. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäss Fig. 1 und 2 ist die Gegenelektrode 11 im Inneren der Messelektrode angeordnet und weist auf ihrer Ober- und Unterseite jeweils mehrere konzentrisch angeordnete zylinderförmige Ansätze 39 auf, von denen jeder berührungsfrei zwischen zwei konzentrisch angeordneten, zylinderförmigen Ansätzen 38 der Messelektrode 9 gelagert ist.

Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass sich die Gasstrecke zwischen Innenleiter 1 und Messelektrode 9 sowie zwischen Messelektrode 9 und Gegenelektrode 11 in allen Richtungen verändern kann, ohne dass sich die Kapazitäten von Ober- und Unterspannungskondensator merklich ändern.

Claims

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Patentansprüche

ί1J Spannungswandler zum Messen der Spannung eines stromführenden Innenleiters (1) einer metallgekapselten, isoliergasgefüllten Hochspannungsschaltanlage mit einem aktiven kapazitiven Spannungsteiler, bei dem eine an einen Eingang eines Verstärkers gelegte Messelektrode

(9) auf Erdpotential gehalten ist, und beim dem die Messelektrode (9) und eine zugeordnete Gegenelektrode (11) zylinderförmig ausgebildet und mittels Isolierstoffteilen (34, 35) auf einem Tragkörper (7, 8) befestigt sind, und mindestens eine (z.B. 9) dieser beiden Elektroden mindestens zwei konzentrische, zylinderförmige Ansätze (z.B. 38) aufweist, zwischen denen mindestens ein der anderen Elektrode (z.B. 11) zugeordneter Ansatz (z.B. 39) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (7, 8) ein biegesteifes Rohrstück (31) enthält, an welchem Mess (9)- und Gegenelektrode (11) gegeneinander in Richtung der Rohrachse versetzt angeordnet sind, und dass die Isolierstoffteile (34, 35) eine teilweise am Rohrstück (31) anliegende ringförmige Fläche aufweisen, auf welcher jeweils eine (z.B. 9) der beiden Elektroden abgestützt ist.
2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (31) an einer im Innenraum der Metallkapselung (2) vorgesehenen Halterung (30) des Tragkörpers (7) befestigt ist.
3. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (31) Teil der Metallkapselung (2) ist und auf seiner Innenseite Mess (9)- und Gegenelektrode (11) trägt.

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4. Spannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess(9)- und Gegenelektrode (11) den Innenleiter (1) ringförmig umgeben, wobei die eine (z.B. 11) der beiden Elektroden im Inneren der anderen Elektrode (z.B. 9) angeordnet ist und auf ihrer Ober- und Unterseite jeweils mindestens einen zylinderförmigen Ansatz (z.B. 39) aufweist, welcher zwischen zwei zylinderförmigen Ansätzen (z.B. 38) der anderen Elektrode (z.B. 9) gelagert ist.
5. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Metallkapselung (2) im Bereich von Mess (9)- und Gegenelektrode (11) ein Transformator (21, 22) vorgesehen ist, dessen Primärseite mit der Gegenelektrode (11) und mit Erde verbunden ist.
6. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Mess (10)- und eine weitere Gegenelektrode (12) mit annähernd gleichen Abmessungen und in annähernd gleichem Abstand vom Innenleiter (1) wie die andere Mess (9)- und die andere Gegenelektrode

(11) vorgesehen sind.