DE4122332A1

DE4122332A1 - Stromwandler fuer eine mittel- oder hochspannungsanlage

Info

Publication number: DE4122332A1
Application number: DE19914122332
Authority: DE
Inventors: Ken Yves Haffner; Andreas Koch; Amos Dr Kornfeld
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1991-07-05
Publication date: 1992-10-29
Also published as: EP0510426A3; DE59209094D1; EP0510426B1; EP0510426A2; FI921737A0; FI921737A; FI107304B

Description

Technisches Gebiet

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Stromwandler für eine Mittel- oder Hochspannungsanlage mit einem der Halterung eines Stromsensors dienenden ringförmigen Tragkörper, bei dem der am Tragkörper gehaltene Stromsensor als torusförmig gewickelte Spule ausgebildet ist, und bei dem nach Einbau in die Anlage die Spule einen Stromleiter der Anlage konzentrisch umgibt.

Stand der Technik

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus EP-A1-2 04 082 ergibt. Ein in Fig. 4 dieser Patentveröffentlichung dargestellter Stromwandler enthält als Stromsensor ringförmige Stromwandlerkerne aus ferromagnetischem Material, auf denen torusförmig ausgeführte Sekundärwicklungen aufgebracht sind. Die Stromwandlerkerne mit den aufgebrachten Sekundärwicklungen sind koaxial mit einem Stromleiter auf einer als Tragkörper dienenden Kabeldurchführung der Anlage angeordnet. An den Sekundärwicklungen können Signale abgegriffen werden, welche dem im Stromleiter fließenden Strom entsprechen. Die Stromwandlerkerne weisen große Abmessungen auf und enthalten zudem überwiegend spezifisch schweres, ferromagnetisches Material. Daher beansprucht der Stromwandler nach dem Stand der Technik viel Raum und sollte aufgrund seines hohen Gewichtes zudem besonders stabil ausgebildet sein.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromwandler für Mittel- oder Hochspannungsanlagen anzugeben, welcher geringe Abmessungen aufweist, und dessen Stromsensor problemlos an beliebigen Stellen in die Anlage eingebaut werden kann.

Der Stromwandler nach der Erfindung zeichnet sich durch ein geringes Gewicht und einen geringen Platzbedarf aus. Er kann daher problemlos nahezu an beliebigen Stellen in die Anlage eingebaut werden. Zudem weist er einen über viele Größenordnungen erstreckten Meßbereich und eine große Linearität in diesem Meßbereich auf. Darüber hinaus benötigt er keine magnetisch sättigbaren Komponenten. Der Einfluß unerwünschter magnetischer Felder entfällt daher weitgehend.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer teilweise im Schnitt dargestellten metallgekapselten, gasisolierten Mittelspannungsschaltanlage mit einem Stromwandler nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen im Schnitt dargestellten Teil des Stromwandlers nach Fig. 1, und

Fig. 3 ein den Signalablauf im Stromwandler nach den Fig. 1 und 2 darstellendes Blockschaltbild.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine metallgekapselte, gasisolierte Mittelspannungsschaltanlage dargestellt,die mit Spannungen bis zu 24 kV betrieben werden kann. Diese Anlage weist als Metallkapselung ein geschnitten dargestelltes Gehäuse 1 auf. Das Gehäuse ist mit einem Isoliergas, wie insbesondere SF₆, von bis zu einigen Bar Druck gefüllt. Im Inneren des Gehäuses sind Starkstromkomponenten, wie Leistungsschalter 2, Trennschalter 3 und Sammelschienen 4, angeordnet. Die Starkstromkomponenten sind über Stromleiter 5 phasenweise miteinander elektrisch verbunden. Über Kabeldurchführungen 6 werden die Stromleiter 5 aus dem Gehäuse 1 an Kabel 7 geführt. Die Größe der in den Stromleitern 5 fließenden Ströme wird von Stromwandlern 8 erfaßt. Jeder der Stromwandler 8 weist einen den zugeordneten Stromleiter 5 konzentrisch umgebenden Stromsensor 9 auf sowie nicht bezeichnete Signalleitungen und eine Auswerteelektronik 10, in der die vom Stromsensor 9 erfaßten und über die Signalleitungen weitergeführten Meßsignale ausgewertet werden.

Jeder Stromsensor 9 weist geringe Abmessungen auf und kann daher problemlos an beliebigen Stellen in die Anlage eingebaut werden. Zu bevorzugen ist eine Integration des Stromsensors 9 in die Kabeldurchführung 6, da hierdurch deren Abmessungen praktisch nicht beeinflußt werden, und da in diesem Fall die Kabeldurchführung 6 zugleich als Tragkörper des Stromsensors 9 wirkt und ein zusätzlicher Tragkörper entbehrlich ist.

Aus Fig. 2 sind Aufbau und Anordnung des Stromsensors 9 des Stromwandlers 8 zu erkennen. Der in dieser Figur vergrößert dargestellte Teil des Stromsensors 9 enthält im wesentlichen einen ringförmigen, von der Kabeldurchführung 6 gebildeten Tragkörper 13 sowie eine torusförmig gewickelte, ringförmige Spule 14 und von der Spule 14 zur Auswertelektronik 10 des Stromwandlers 8 geführte Signalleitungen 15 und 16, in welcher Auswerteelektronik 10 aus den vom Stromsensor 9 abgegebenen Signalen Meßwerte gebildet werden, die dem im Stromleiter 5 fließenden Strom entsprechen.

Der Tragkörper 13 enthält einen den Stromleiter 5 ringförmig umgebenden Raum 17, in dem die Spule 14 angeordnet ist. Der Raum 17 ist nahezu allseitig begrenzt von einer störende elektrische Felder fernhaltenden Abschirmung 18 aus elektrisch leitendem Material, wie insbesondere Aluminium oder Kupfer. Die Abschirmung 18 steht über einen Anschlußkontakt 19 mit dem Gehäuse 1 der Anlage in elektrisch leitender Verbindung und ist so auf das definierte Massepotential der Anlage gebracht. Hierdurch ist der Raum 17 elektrisch gegenüber dem Einfluß unerwünschter, etwa durch transiente Vorgänge - wie Schalthandlungen oder Blitzstöße - gebildeter Störfelder, abgeschirmt, und werden von der Spule 14 daher beim Messen in der Anlage unter Betriebsbedingungen nahezu fehlerfreie Signale abgegeben.

Die Abschirmung 18 besteht im wesentlichen aus zwei überwiegend hohlzylindrisch ausgebildeten Elektroden 20, 21, von denen die Elektrode 20 zugleich eine Steuerelektrode der Kabeldurchführung 6 ist und die andere Elektrode 21 wulstartige Kontur aufweist. Beide Elektroden 20, 21 sind an einer Stirnseite der Elektrode 21 miteinander elektrisch leitend und mechanisch verbunden. An der anderen Stirnseite der Elektrode 21 sind sie unter Bildung einer den Stromleiter 5 ringförmig umgebenden Isolierstelle 22 voneinander elektrisch isoliert. Hierdurch wird der Raum 17 elektrisch abgeschirmt und wird zugleich die Ausbildung unerwünschter Wirbelströme vermieden.

Die Spule 14 ist nach Art einer Rogowskispule auf einen ringförmigen Kern 23 aus nichtferromagnetischem Material gewickelt. Der Kern 23 hat in axialer Richtung geschnitten im wesentlichen rechteckigen Querschnitt und ist im Vergleich zu seinem Radius sowie zu seiner axialen Erstreckung in radialer Richtung nur sehr gering bemessen. Bei einem Radius von beispielsweise 55 mm und einer axialen Längserstreckung von beispielsweise 30 mm weist er typischerweise eine Dicke von nur 2 mm auf. Hierdurch werden Unsymmetrien im Magnetfeld des zu messenden Stromes ausgeglichen und wird zugleich der Einfluß unerwünschter Fremdfelder minimiert. Der die Spule 14 aufnehmende Raum 17 ist mit einem ringförmigen Isolierkörper 24 ausgefüllt, durch den die Spule 14 im Raum 17 und damit auch am Tragkörper 13 fixiert ist.

Der Isolierkörper 24 und der Kern 23 der Spule 14 enthalten ein überwiegend isotropes Material. Hierdurch wird erreicht, daß sich Isolierkörper 24 und Kern 23 bei Temperaturänderungen in allen Richtungen gleichmäßig dehnen bzw. zusammenziehen. Die Geometrie der Spule 14 wird daher bei Temperaturveränderungen linear verändert. Diese Änderung kann durch eine ständige Temperaturüberwachung des Stromsensors 10 und eine aus dieser Überwachung resultierende ständige Anpassung der Auswerteelektronik 10 leicht kompensiert werden.

Eine besonders hohe Meßgenauigkeit läßt sich erreichen, wenn das Material des Isolierkörpers 24 und des Kerns 23 der Spule 14 einen an das Material des Tragkörpers 13 der Kabeldurchführung 6 - üblicherweise eine ausgehärtete Vergußmasse auf der Basis von Epoxidharz - bzw. der Abschirmung 18 angepaßten Koeffizienten der Wärmeausdehnung aufweisen. Sehr bewährt als Material für den Isolierkörper 24 und/oder den Kern 23 hat sich eine mit Glaskügelchen gefüllte Vergußmasse, insbesondere auf der Basis eines Epoxidharzes. Als Material für den Kern 23 kann auch ein nicht ferromagnetisches Metall verwendet werden. Insbesondere Aluminium ist hierfür besonders geeignet, da es bei hohen Frequenzen induzierte Spannungsspitzen stark dämpft, und da es zugleich einen dem im Isolierkörper 24 bzw. im Tragkörper 13 verwendeten Isoliermaterial entsprechenden Koeffizienten der Wärmeausdehnung aufweist.

Der Stromsensor 10 läßt sich in einfacher Weise durch Vergießen vormontierter Teile, wie Abschirmung 18 mit Anschlußkontakt 19, Stromleiter 5 und Spule 14 mit Signalleitungen 15, 16 und einer die Signalleitungen umgebenden und mit der Abschirmung 18 kontaktierten Abschirmung 25 eines zur Auswerteelektronik geführten abgeschirmten Meßkabels, mit einer nach Aushärtung zum Material des Isolierkörpers 24 sowie des Tragkörpers 13 führenden Vergußmasse fertigen. Soll der Stromsensor 9 unabhängig von der Kabeldurchführung 6 gefertigt werden, so ist es möglich, die Spule 14 in einer Form unter Bildung des Isolierkörpers 24 zu umgießen und sodann die nach Aushärten im Isolierkörper 24 fixierte Spule 14 in die mit Montageansätzen versehene und nun zusätzlich als Tragkörper dienende Abschirmung 18 einzusetzen oder die Spule 14 unter Bildung des Isolierkörpers 24 direkt in der ebenfalls als Tragkörper 13 ausgebildeten Abschirmung 18 zu umgießen.

Die Spule 14 liefert der zeitlichen Änderung des im Stromleiter 5 fließenden Stromes proportionale Signale. Diese Signale sind aufgrund der geeignet angeordneten Abschirmungen 18 und 25 frei von den Einflüssen unerwünschter äußerer Fremdfelder und von in der Anlage auftretenden, transienten Vorgängen. Sie werden in der Auswerteelektronik 10 zu einem dem zu ermittelndem Strom entsprechenden Signal integriert. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, werden diese Signale zunächst in einem Analog- Digital- Wandler 26 digitalisiert und die digitalisierten Signale anschließend in einer als Digitalintegrator 27 ausgebildeten Integriervorrichtung zu einem dem zu messenden Strom entsprechenden Signal integriert. Dieses Signal kann dann wahlweise in einem nachgeschalteten Digital- Analog- Wandler 28 für eine Analoganzeige umgewandelt werden und/oder zur weiteren Verarbeitung an andere Funktionseinheiten der Anlage weitergeleitet werden.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Leistungsschalter
3 Trennschalter
4 Sammelschienen
5 Stromleiter
6 Kabeldurchführung
7 Kabel
8 Stromwandler
9 Stromsensor
10 Auswerteelektronik
13 Tragkörper
14 Spule
15, 16 Signalleitungen
17 Raum
18 Abschirmung
19 Anschlußkontakt
20, 21 Elektroden
22 Isolierstelle
23 Kern
24 Isolierkörper
25 Abschirmung
26 Analog-Digital-Wandler
27 Digitalintegrator
28 Digital-Analog-Wandler

Claims

1. Stromwandler (8) für eine Mittel- oder Hochspannungsanlage mit einem der Halterung eines Stromsensors (9) dienenden ringförmigen Tragkörper (13), bei dem der am Tragkörper (13) gehaltene Stromsensor (9) als torusförmig gewickelte Spule (14) ausgebildet ist, und bei dem nach Einbau in die Anlage die Spule (14) einen Stromleiter (5) der Anlage konzentrisch umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (14) nach Art einer Rogowskispule auf einen ringförmigen Kern (23) aus nichtferromagnetischem Material von in axialer Richtung geschnitten im wesentlichen rechteckigem Querschnitt mit im Vergleich zum Radius des Kerns (23) und zu dessen axialer Erstreckung geringer radialer Bemessung gewickelt ist und in einem gegenüber elektrischen Feldern abgeschirmten, hohlzylindrisch ausgebildeten Hohlraum (17) des Tragkörpers (13) angeordnet ist.

2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (17) von einer auf Massepotential der Anlage befindlichen Abschirmung (18) umgeben ist, welche in elektrisch leitender Verbindung mit der Abschirmung (25) eines Ausgangssignale der Spule (14) zu einer Auswerteelektronik (10) führenden, abgeschirmten Meßkabels steht.

3. Stromwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (18) des Raums (17) unterbrochen ist durch eine den Stromleiter (5) ringförmig umgebende Isolierstelle (22).

4. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschirmte Raum (17) mit einem die Spule (14) fixierenden Isolierkörper (24) ausgefüllt ist.

5. Stromwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (24) und der Kern (23) der Spule (14) überwiegend isotropes Material enthalten.

6. Stromwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Isolierkörpers (24) und des Kerns (23) der Spule (14) einen an das Material des Tragkörpers (13) angepaßten Koeffizienten der Wärmeausdehnung aufweisen.

7. Stromwandler nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Kern (23) von einer mit kugelförmigen Teilchen gefüllten, ausgehärteten Vergußmasse aus Isoliermaterial gebildet ist.

8. Stromwandler nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (23) ein nichtferromagnetisches Metall enthält.

9. Stromwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtferromagnetische Metall Aluminium ist.

10. Stromwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den Raum (17) umgebende Abschirmung (18) in eine Kabeldurchführung (6) der Anlage eingebettet ist.

11. Stromwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Abschirmung (18) des Raums (17) von einer Steuerelektrode (20) der Kabeldurchführung (6) gebildet ist.

12. Stromwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Spule (14) abgegebenen Signale in der Auswerteelektronik (11) auf eine Integriervorrichtung wirken.

13. Stromwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Integriervorrichtung als Digitalintegrator (27) ausgeführt ist, und daß dem Digitalintegrator (27) ein Analog- Digital- Wandler (26) vor- und ein Digital- Analog- Wandler (28) nachgeschaltet ist.