DE3226387C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler nach dem Ober­ begriff von Patentanspruch 1.

Ein derartiger Spannungswandler ist bereits aus der DE 28 16 647 A1 bekannt. Bei diesem Spannungswandler sind Meß- und Gegenelektrode auf einem scheibenförmigen Tragkörper an­ geordnet. Der Tragkörper ist der Krafteinwirkung des im Inne­ ren der Metallkapselung einer gekapselten, gasisolierten Hochspannungsschaltanlage befindlichen Isoliergases ausge­ setzt und kann sich gegebenenfalls ein wenig durchbiegen, wo­ durch ein In- und Auseinanderschieben von Meß- und Gegen­ elektrode bewirkt wird. Ein entsprechendes Verschieben von Meß- und Gegenelektrode kann auch durch ein thermisch oder hygroskopisch bedingtes Schrumpfen der Isolierstoffteile er­ folgen. Durch diese Verschiebungen der Elektroden gegeneinan­ der 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 Präzi­ sion.

Aus Fig. 2 der DE 24 09 595 A1 ist ein kapazitiver Spannungs­ wandler für eine vollisolierte metallgekapselte Hochspannungsanlage bekannt, welcher in einer Erweiterung eines metallischen Außenrohrs der Anlage untergebracht ist. Hierbei ist der Hochspannungsleiter der Anlage von zwei jeweils zu einem Zylinder gebogenen, zueinander und zum Hochspannungsleiter konzentrisch angeordneten und jeweils mit einer Metallkaschierung versehenen Leiterplatten umgeben. Die Leiterplatten stützen sich über Kontaktstücke auf Isolierstücken auf dem Außenrohr im Bereich der Erweiterung ab. Die Kontaktstücke bestimmen hierbei den für die Größe der Kapazität des Unterspannungskondensators des kapazitiven Spannungswandlers maßgebenden Abstand. Dieser Abstand läßt sich jedoch während des Betriebes der Hochspannungsschaltanlage nicht ohne weiteres konstant halten, da die Leiterplatten wegen ihrer Biegbarkeit dünn sein müssen und sich daher schon bei geringen mechanischen Belastungen unter Veränderung ihres Abstandes gegeneinander verbiegen können. Spannungsmeßwerte hoher Genauigkeit können daher mit einem solchen Meßwandler nicht ermittelt werden.

Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Spannungs­ wandler derart weiterzubilden, daß er auch bei unterschied­ lichen Betriebsbedingungen der metallgekapselten, isoliergas­ gefüllten Hochspannungsschaltanlage Meßwerte liefert, welche die Anforderungen hoher Genauigkeitsklassen erfüllen.

Der Vorteil des Spannungswandlers nach der Erfindung besteht insbesondere darin, daß seine als entscheidende Größen in die Meßergebnisse eingehenden Kapazitäten auch bei den un­ terschiedlichsten Betriebsbedingungen der Hochspannungs­ schaltanlage nahezu konstant bleiben. Der Spannungswandler nach der Erfindung erfüllt daher ohne weiteres die hohen An­ forderungen etwa der Genauigkeitsklasse 0,2.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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 geführ­ ten Schnitt durch eine Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Spannungswandlers, bei der zwei quer zum Innenleiter liegende Elektrodenanord­ nungen zur Ermittlung der Meßspannung vorgesehen sind;

Fig. 2 eine vergrößerte und detaillierte Darstellung ei­ nes gestrichelt umrandeten Ausschnittes II des er­ findungsgemäßen Spannungswandlers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen senkrecht zur Mittelachse des stromführenden Innenleiters einer metallgekapsel­ ten, isoliergasgefüllten Hochspannungsschaltanlage geführten Schnitt durch eine Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spannungswandlers, bei dem eine den Innenleiter axial umgebende Elektroden­ anordnung zur Ermittlung der Meßspannung vorgese­ hen ist, und

Fig. 4 eine vergrößerte und detaillierte Darstellung eines gestrichelt umrandeten Ausschnitts IV des erfindungs­ gemäßen Spannungswandlers gemäß Fig. 3.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugs­ zeichen versehen. In Fig. 1 bezeichnet 1 einen wechselstrom­ führenden, in einer mit einem gasförmigen Isoliermittel, wie SF₆, gefüllten Metallkapselungen 2 einer Hochspannungs­ schaltanlage angeordneten Innenleiter. Die Metallkapselung 2 weist zwei einander diametral gegenüberstehende Rohran­ sätze 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 Elektrodenan­ ordnung 5 bzw. 6 weist jeweils eine auf einem Tragkörper 7 bzw. 8 angebrachte Meßelektrode 9 bzw. 10 sowie eine Gegen­ elektrode 11 bzw. 12 auf. Innenleiter 1 und jede der beiden Meßelektroden 9 bzw. 10 bilden jeweils den Oberspannungs­ kondensator, jede der beiden Meßelektroden 9 bzw. 10 bildet mit der zugehörigen Gegenelektrode 11 bzw. 12 den Unter­ spannungskondensator eines aktiven kapazitiven Spannungstei­ les. Das an jeder der beiden Meßelektroden 9 und 10 abge­ nommene 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 Tranformators 27 bzw. 28 gelegt. Die beiden Sekun­ därseiten der Transformatoren 27 und 28 sind unmittelbar miteinander verbunden und weisen darüber hinaus auch je­ weils 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 Vor­ verstärker 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 Metallkapse­ lung 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 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 Durch­ führung 13 bzw. 19 aus der Metallkapselung 2 herausgeführt. Meß 9- und Gegenelektrode 11 sind derart ausgebildet, daß sie um die Rohrachse rotationssymmetrisch sind. Beide Elek­ troden weisen jeweils mindestens zwei konzentrisch zueinan­ der angeordnete, zylinderförmige Ansätze 38 bzw. 39 auf. Die beiden Elektroden sind so zueinander angeordnet, daß die zylinderförmigen Ansätze 39 der Gegenelektrode 11 be­ rührungslos zwischen den zylinderförmigen Ansätzen 38 der Meßelektrode 9 liegen.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung ist ein aktiver kapazitiver Spannungsteiler. Der von den Oberspannungskonden­ satoren abgegebene Strom wird durch die über die zugehörigen Unterspannungskondensatoren rückgekoppelten, die Transforma­ toren 21, 27 bzw. 22, 28 und die Vorverstärker 17 bzw. 18 umfassenden Verstärker derart kompensiert, daß die Verstär­ kereingangsspannung im wesentlichen 0 ist. Bei Verstärkung in den Vorverstärkern 17 und 18 liegt an den in Serie ge­ schalteten Sekundärwicklungen der Transformatoren 27 und 28 die Meßspannung, welche im wesentlichen durch das Ver­ hältnis der Kapazitäten von Ober- und Unterspannungskonden­ sator 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 Unter­ spannungskondensator auftreten. Eine Veränderung der be­ sonders kritischen Gasstrecken zwischen Meßelektrode 9 bzw. 10 und Gegenelektrode 11 bzw. 12 wird dadurch vermie­ den, daß das biegesteife Rohrstück 31 vorgesehen ist, an welchen Meß 9 bzw. 10- und Gegenelektrode 11 bzw. 12 ge­ geneinander in Richtung der Rohrachse versetzt angeordnet sind, und daß die Isolierstoffteile eine teilweise am Rohr­ stück 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 Isolierstoff­ teile oder bei Verbiegungen des Tragkörpers der Elektroden infolge Druckschwankungen und damit Veränderungen der Gas­ strecken zwischen Meß 9, 10- und Gegenelektroden 11, 12 mit Sicherheit vermieden.

Durch die Verwendung zweier in Serie geschalteter, aktiver kapazitiver Spannungsteiler wird darüber hinaus die Meßge­ nauigkeit noch gesteigert. Die bei Veränderung der Gasstrec­ ken zwischen hochspannungsführendem Innenleiter und Meß­ elektrode 9 bzw. 10 infolge einer Verschiebung des Innenlei­ ters 1 aus einer Lage in der Mittelachse der Metallkapselung 2 bewirkten Veränderungen der Kapazitäten der Oberspannungs­ kondensatoren beeinflussen nämlich wegen der gegenläufigen Veränderungen der Gasstrecken beider Spannungsteiler und wegen der durch Summenbildung aus beiden Spannungsteilern gewonnenen Meßspannung das Meßergebnis nicht.

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

Vorteilhaft es 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 Ver­ hältnis der Kapazitäten von Unter- und Oberspannungskon­ densator bestimmte gesamte Übersetzungsverhältnis des Span­ nungswandlers 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 wer­ den und sind leicht auszuwechseln.

In Fig. 3 ist ein weiterer erfindungsgemäßer Spannungswand­ ler dargestellt, bei dem die Elektrodenanordnung 5 den In­ nenleiter 1 ringförmig umgibt und das Rohrstück 31 Teil der Kapselung 2 ist. Der gestrichelt umrandete Bereich IV umfaßt einen Teil dieser Elektrodenanordnung und wird nach­ folgend anhand der Fig. 4 beschrieben.

Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, weist das als Rohr­ stück 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 Aus­ führungsform 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 (6)

1. Spannungswandler zum Messen der Spannung eines strom­ führenden Innenleiters (1) einer metallgekapselten, isoliergasgefüllten Hochspannungsschaltanlage mit einem aktiven kapazitiven Spannungsteiler, bei dem eine an einen Eingang eines Verstärkers gelegte, im Isoliergas befindliche Meßelektrode (9) auf Erdpo­ tential gehalten ist, bei dem die Meßelektrode (9) und eine zugeordnete, im Isoliergas befindliche Ge­ genelektrode (11) zylinderförmig ausgebildet und auf einem Tragkörper (7, 8) befestigt sind mittels Iso­ lierstoffteilen (34, 35), von denen mindestens eines eine auf dem Tragkörper (7,8) liegende ringförmige Fläche aufweist, und bei dem mindestens eine (z. B. 9) der 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 biege­ steifes Rohrstück (31) mit zwei in Richtung der Rohrachse gegeneinander versetzt angeordneten Flan­ schen (32, 33; 40, 41) enthält, und daß die Isolier­ stoffteile (34, 35) jeweils an einem der beiden Flan­ sche (32, 33; 40, 41) befestigt sind und jeweils eine ringförmige Fläche aufweisen, welche einerseits auf einem der beiden Flansche (32, 33; 40, 41) liegt, und auf welcher andererseits jeweils eine der beiden Elektroden (9, 11) abgestützt ist.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (31) an einer im Innenraum der Me­ tallkapselung (2) vorgesehenen Halterung (30) des Trag­ körpers (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 Gegenelek­ trode (11) trägt.

4. Spannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß (9)- und Gegenelektrode (11) den Innenlei­ ter (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 Untersei­ te jeweils mindestens einen zylinderförmigen Ansatz (z. B. 39) aufweist, welcher zwischen zwei zylinderförmigen Ansätzen (z. B. 38) der anderen Elektrode (z. B. 9) ge­ lagert 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 Ge­ genelektrode (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 Abmes­ sungen und in annähernd gleichem Abstand vom Innenleiter (1) wie die andere Meß (9)- und die andere Gegenelektrode (11) vorgesehen sind.