DE60104550T2

DE60104550T2 - Kapazitiver spannungswandler

Info

Publication number: DE60104550T2
Application number: DE60104550T
Authority: DE
Inventors: Foroozan Enfield Island Village Ghassemi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2021-05-04
Also published as: US6919717B2; DE60104550D1; ATE272217T1; GB0228213D0; GB0010720D0; CA2446275A1; ES2225523T3; US20030164714A1; EP1295133B1; WO2001084164A1; AU2001252402A1; EP1295133A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf kondensatorgekoppelte Spannungstransformatoren, die auch als Kondensator-Spannungstransformatoren oder CVTs bekannt sind. Diese Transformatoren werden u. a. als Haupttransformatoren zum Verbinden von Instrumenten, wie beispielsweise Messgeräten und Schutzvorrichtungen, mit Extrahochspannungs-(EHV-) und Ultrahochspannungs-(UHV-) Systemen verwendet.
Hintergrund der Erfindung
Kondensator-Spannungstransformatoren werden gegenwärtig gegenüber konventionellen elektromagnetischen Transformatoren bevorzugt, weil sie im Vergleich zu letzteren weniger teuer sind und eine geringere Größe haben. Aufgrund ihres Aufbaus haben jedoch CVTs keine gute Frequenzcharakteristik und sind gewöhnlich so abgestimmt, dass sie ein genaues Bild ihrer Primärspannung bei herabgesetzter Spannung, gewöhnlich 60 bis 110 Volt, nur für die Grundfrequenzkomponente abgeben. Die genaue Messung von EHV- und UHV-Pegeln, die eine größere Bandbreite benötigen, ist nicht möglich, wenn der einzige Instrumententransformator, der im System vorhanden ist, einer vom CVT-Typ ist.
Die Leistungsqualitätsprüfung elektrischer Stromversorgungssysteme ist eine wichtige Forderung in der modernen Verwaltung elektrischer Versorgungssysteme geworden. Ein Erfordernis bei der Leistungsqualitätsprüfung ist die Vereinbarkeit mit internationalen und nationalen Standards für Oberwellenstörungen im System. Die Standards richten sich sowohl auf Spannungen als auch auf Ströme.
Bislang gibt es kein technisch bequemes Verfahren zur Messung von Spannungsoberwellen in EHV- und UHV-Systemen. Dieses ist nur durch Verwendung spezieller und kostspieliger Test- und Messanordnungen möglich. US 4 327 390 beschreibt einen CVT, der mit einem Stromtransformator versehen ist, um die Spannung am Niederspannungskondensator zu löschen, wenn die Hochspannungsverbindung ausfällt. Dieser CVT richtet sich nicht auf das Problem des Frequenzverhaltens der gesamten Schaltung. US 4 914 382 und 5 473 244 beschreiben bekannte Verwendungen von Stromtransformatoren und Hall-Effekt-Vorrichtungen jeweils für Zwecke, die keine Beziehung zu dem Problem haben, das von dieser Erfindung gelöst wird.
Übersicht über die Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, es einem erfolgreich zu ermöglichen, konventionelle CVTs bei der Messung von Harmonischen in EHV- und UHV-Systemen zu verwenden. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, dieses mit minimalen Kosten bei geringem Zeiteinsatz und mit verbesserter Messgenauigkeit zu erreichen. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, es möglich zu machen, genaue Messungen von Harmonischen in elektrischen Stromversorgungssystemen auszuführen, bei denen die Hauptinstrumenttransformatoren vom gewöhnlichen CVT-Typ sind. Dieses war bislang nicht erreichbar. Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, es zu ermöglichen, Kondensator-Spannungstransformatoren, die bereits im Einsatz sind, mit den Einrichtungen nachzurüsten, die erforderlich sind, um sie mit der Erfindung in Übereinstimmung zu bringen, und dieses auf einfache und kostengünstige Weise durchzuführen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen von Parametern der Eingangsspannung an einem kondensatorgekoppelten Spannungstransformator angegeben, der eine Hochspannungskondensatoreinrichtung und eine Niederspannungskondensatoreinrichtung enthält, die über die Eingangsspannung geschaltet sind, enthaltend das Messen des Stroms, der in wenigstens einer der Kondensatoreinrichtungen fließt, und das Erhalten der erforderlichen Parameter der Eingangsspannung aus den Messwerten.
Vorzugsweise sind die erforderlichen Parameter die Harmonischen-Werte der Eingangsspannung.
Ebenfalls wird in Übereinstimmung mit der Erfindung ein Verfahren zum Nachrüsten eines kondensatorgekoppelten Spannungstransformators angegeben, der eine Hochspannungskondensatoreinrichtung und eine Niederspannungskondensatoreinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet sind, über eine Eingangsspannung geschaltet zu werden, wodurch Parameter der Eingangsspannung bestimmt werden können, enthaltend das Versehen des Transformators mit wenigstens einem Stromsensor zum Messen des Stromes, der in wenigstens einer der Kondensatoreinrichtungen fließt.
Die Erfindung gibt auch einen kondensatorgekoppelten Spannungstransformator an, enthaltend eine Hochspannungskondensatoreinrichtung und eine Niederspannungskondensatoreinrichtung, die dazu eingerichtet sind, über eine Eingangsspannung geschaltet zu werden, mit einer Stromsensoreinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den in wenigstens einer der Kondensatoreinrichtungen fließenden Strom zu erfassen, und mit einer Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, aus den erfassten Stromwerten ein Maß von Parametern der Eingangsspannung zu liefern.
In einer Ausführungsform enthält der Transformator erste und zweite Stromsensoren, die dazu dienen, den Strom zu messen, der in der Hochspannungskondensatoreinrichtung und in der Niederspannungskondensatoreinrichtung fließt.
In einer alternativen Ausführungsform enthält der Transformator einen einzigen Stromsensor, der dazu eingerichtet ist, den Gesamtstrom im Transformator zu messen. Durch Verwendung eines Approximationsverfahrens kann man noch die erforderlichen Parameter mit gerade dem einzigen Stromsensor erhalten.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Damit die Erfindung vollständiger verstanden wird, werden nun mehrere Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der Erfindung beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen:
1 ist ein schematisches Schaltbild eines konventionellen, bekannten Kondensator-Spannungstransformators;
2 ist ein schematisches Schaltbild des Transformators von 1, entsprechend der vorliegenden Erfindung durch die Hinzufügung von zwei Stromsensoren modifiziert; und
3 ist ein schematisches Schaltbild des Transformators von 2, entsprechend der Erfindung durch die Hinzufügung eines einzigen Stromsensors modifiziert, mit Verwendung eines Approximationsverfahrens.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Vor der Beschreibung der Ausführungsformen gemäß der Erfindung wird zunächst auf den bekannten CVT Bezug genommen, der in 1 gezeigt ist. C_H und C_L sind Hochspannungs- bzw. Niederspannungskondensatorbänke, die zwischen eine Schiene 10 und Erde in Serie geschaltet sind. Über die Niederspannungskondensatorbank C_L sind weitere Komponenten des CVT geschaltet, gewöhnlich ein Abstimmungsreaktanzelement, ein Abwärtstransformator und eine Ferroresonanzschwingungs-Dämpfungsschaltung. Diese Komponenten sind allgemein mit 12 bezeichnet. Die Eingangsspannung am CVT ist mit V_in angegeben, und die Ausgangsspannung mit V_o. Der Spannungsabfall über dem Hochspannungskondensator C_H ist mit V_CH angegeben, und der Spannungsabfall über dem Niederspannungskondensator C_L ist mit V_CL angegeben.
Die einem CVT innewohnenden Eigenschaften bewirken, dass er sich elektrisch wie ein Filter verhält, wobei der Hauptbandpass genau auf die Grundfrequenzkomponente abgestimmt ist. Dieses wiederum bedingt, dass der Transformatorausgang kein genaues Abbild der Frequenzanteile des Eingangssignals über das gesamte Frequenzspektrum wiedergibt.
Die Summe aus dem Spannungsabfall V_CH über dem Hochspannungskondensator C_H und dem Spannungsabfall V_CL über dem Niederspannungskondensator C_L ist immer gleich der Eingangsspannung V_in, unabhängig von den Komponenten und Verbindungen in der Schaltung 12. Dieser Zusammenhang gilt für alle Frequenzen im Spektrum. Auch der Strom, der im CVT fließt, ist eine Funktion der Eingangsspannung V_in.
Wenn man daher die Werte der Kondensatoren C_H und C_L und auch den Strom in jeder Kondensatorbank kennt, kann die Eingangsspannung V_in gemessen werden. Dieses gilt für alle Frequenzen im Eingangssignal.
Die Werte von C_H und C_L sind durch ihre Gestalt bekannt und werden im CVT-Datenblatt angegeben. Es wird entsprechend der Erfindung vorgeschlagen, dass die Ströme in den jeweiligen Kondensatorbänken C_H und C_L unter Verwendung von Stromsensoren gemessen werden.
2 zeigt die Einbeziehung von Stromsensoren entsprechend der Erfindung. Die Stromsensoren werden hier als Qualitätsleistungsstromsensoren bezeichnet und sind als PQCS1 und PQSC2 angegeben. Sie sind mit den Kondensatorbänken in Serie und zwischen die Niederspannungskondensatorbank C_L und Erde geschaltet. Die Schaltung 12 ist an einem Punkt 14 zwischen den zwei Kondensatorbänken durch eine erste Leitung 16 und an einem Punkt 18 zwischen den zwei Stromsensoren durch eine Leitung 20 angeschlossen. Jeder der Stromsensoren PQCS1 und PQCS2 ist mit einer Spannungsmessschaltung 22 über Leitungen 24 bzw. 26 verbunden.
Die Stromsensoren PQCS1 und PQCS2 können von jedem geeigneten Typ sein, beispielsweise Stromtransformatoren oder Hall-Effekt-Vorrichtungen.
In 2 misst der Sensor PQCS1 den Gesamtstrom zum CVT, der in der Hochspannungskondensatorbank C_H fließt. Der andere Sensor PQCS2 misst den Strom, der in der Niederspannungskondensatorbank C_L fließt. Die Anordnung des Sensors PQCS1 kann von der, die in 2 gezeigt ist abweichen, je nach Typ und Art des CVT, es ist jedoch wesentlich, dass er den Gesamtstrom im CVT misst.
Die Stromsensoren PQCS1, PQCS2 können Schutzvorrichtungen haben, die über sie geschaltet sind, um Beschädigungen zu verhindern, die von inneren Fehlern des CVT herrühren. Solche Schutzvorrichtungen werden vorzugsweise an einem Punkt installiert, wo sie auf Erdpotential sind, um die Notwendigkeit hoher Isolationseigenschaften für die Schutzvorrichtungen zu vermindern oder zu beseitigen.
Die Ausgangssignale von den Stromsensoren PQCS1, PQCS2 werden der Spannungsmessschaltung 22 zugeführt. In der Schaltung 22 werden zunächst die Spannungen über jeder Kondensatorbank C_H und C_L erhalten, und dann wird die Gesamteingangsspannung V_in abgeleitet, indem die zwei Spannungen addiert werden.
In einer Modifikation zu der in 2 gezeigten Schaltung kann es bei einigen Ausführungsarten des Kondensator-Spannungstransformators einfacher sein, in einen oder anderen der Stromsensoren PQCS1 und PQCS2 im Rückleiter 20 von der Schaltung 12 anzuordnen. Ohne Rücksicht darauf, wo die Stromsensoren angeordnet sind, ist es jedoch das Ziel, den gesamten CVT-Strom und den Strom durch den Niederspannungskondensator C_L aus zwei Zweigen zu messen.
Eine weitere Vereinfachung bei der Messung ist möglich, indem man eine Approximation bezüglich der CVT-Schaltung akzeptiert. Diese Approximation führt gewisse Fehler in die Harmonischen-Messung ein, jedoch hat sich erwiesen, dass diese Fehler bei verschiedenen CVT-Modellen, die in Betracht gezogen worden sind, relativ klein sind.
Bei dem vereinfachten Verfahren, das durch die Schaltung von 3 dargestellt ist, wird nur der Gesamtstrom im CVT gemessen. Dieser Gesamtstrom kann durch Verwendung nur eines Qualitätsleistungsstromssensors PQCS1 gemessen werden, der im Haupterdzweig des CVT angeordnet ist. Der Sensor ist mit der Spannungsmessschaltung 22 durch die Leitung 24 verbunden, und die Spannungsmessschaltung 22 ist mit der Ausgangsseite der Schaltung 12 verbunden. Der Hauptspannungsabfall in einem Kondensator-Spannungstransformator ist an der Hochspannungskondensatorbank C_H. Wenn man den Strom im CVT gemessen hat, kann angenommen werden, dass die gesamte Systemspannung über einen neu berechneten oder einen kompensierten Hochspannungsgenerator abfällt. Die Kapazität des neuen fiktiven oder kompensierten Kondensators wird unter Verwendung der CVT-Ausgangsspannung V_o bei der Grundfrequenzkomponente, dem nominalen CVT-Untersetzungsverhältnis, das bekannt und als genau angenommen wird, und dem CVT-Strom bei der Grundfrequenzkomponente berechnet. Wenn die Kapazität des fiktiven Kondensators bekannt ist, dann können die Spannungen anderer Frequenzen unter Verwendung des gemessenen Stroms berechnet werden. Der Vorteil, der unter Verwendung des Approximationsverfahrens erreicht wird, besteht darin, dass nur ein Stromsensor PQCS1 notwendig ist, um den Gesamtstrom im CVT zu messen.
Je nach Herstellung, Typ und Modell des CVT können der Stromsensor oder die Stromsensoren an Stellen angeordnet werden, wo die erforderlichen Ströme erhalten würden. Beispielsweise kann es nicht möglich sein, die Ströme in den Niederspannungs- und Hochspannungskondensatoren direkt zu erfassen. Die Stromsensoren können dann an zugänglichen Stellen im Erdpfad angeordnet werden, so dass die Niederspannungs- und/oder Hochspannungskondensatorströme durch Kombination der gemessenen Ströme erhalten werden. Beispielsweise ist es häufig einfach, zum Erdungspunkt des Niederspannungskondensators C_L zuzugreifen, der ein geeigneter Punkt zur Anbringung eines Stromsensors zur Messung des Niederspannungskondensatorstroms ist. Bei den meisten CVTs ist die innere Schaltung des CVT, die in der vorangehenden Beschreibung mit 12 angegeben wurde, gesondert geerdet. Der Erdungspunkt der Schaltung 12 kann für einen Stromsensor verwendet werden.
Üblicherweise werden die in den Niederspannungs- und Hochspannungskondensatoren C_L und C_H gemessenen/gebildeten Ströme durch die Reaktanz der Niederspannungs- und Hochspannungskondensatoren bei jeder Frequenz multipliziert, um die Spannung über jeder Komponente zu erhalten. Durch Addierung dieser Spannungen kann die Eingangsspannung des CVT für jede Frequenz berechnet werden.
Bei Harmonischen-Messungen elektrischer Systeme werden die Harmonischen-Pegel als Prozentsatz der Grundfrequenzkomponente ausgedrückt. Tatsächlich sind alle internationalen und Harmonischen-Normen in Prozentform angegeben worden. Bei der vorliegenden Erfindung kann der Harmonischen-Prozentsatz gegenüber der Grundfrequenz bei Kenntnis der Kapazität, jedoch ohne Verwendung der Reaktanz der Kondensatoren berechnet werden. Dies bedeutet, dass die Genauigkeit der Prozentmes sung durch die Toleranz in den Werten der Kondensatoren minimal beeinflusst wird. Dieses wird durch Verwendung der Amplitude der in den Niederspannungs- und Hochspannungskondensatoren C_L und C_H gemessenen Ströme erreicht.
Die Verwendung von Stromsensoren entsprechend der Erfindung kann in die Gestaltung neuer CVTs integriert werden. Es ist also einfach und kostengünstig, bereits in Verwendung befindliche CVTs nachzurüsten, indem Stromsensoren an geeigneten Stellen installiert werden, um die erforderlichen Messungen auszuführen.
Es ist hervorzuheben, dass andere Stromsensoranordnungen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung hinsichtlich in Zahl und Anordnung in Betracht gezogen werden können.

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Parametern der Eingangsspannung (V_in) zu einem kondensatorgekoppelten Spannungstransformator (CVT), der eine Hochspannungskondensatoreinrichtung (C_H) und eine Niederspannungskondensatoreinrichtung (C_L) enthält, die über die Eingangsspannung (V_in) geschaltet sind, umfassend das Messen des Stroms, der in wenigstens einer der Kondensatoreinrichtungen (C_H, C_L) fließt, und Erhalten der benötigten Parameter der Eingangsspannung (V_in) aus den Messungen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die benötigten Parameter die Harmonischen-Werte der Eingangsspannung (V_in) sind.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Harmonischen-Werte als Prozentsatz der Grundfrequenz ausgedrückt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend das Messen des Stroms, der in jeder mit der Hochspannungskondensatoreinrichtung (C_H) und der Niederspannungskondensatoreinrichtung (C_L) fließt, Erhalten der Spannungen (V_CH, V_CL) über jeder der Kondensatoreinrichtungen (C_H, C_L) aus den genannten Messwerten, und Summieren der genannten Spannungen (V_CH, V_CL), um Parameter der Gesamteingangsspannung (V_in) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, enthaltend das Messen nur des Gesamtstroms im Transformator (CVT) unter Verwendung eines einzigen Stromsensors (PQSC1).
Verfahren zum Nachrüsten eines kondensatorgekoppelten Spannungstransformators (CVT), der eine Hochspannungskondensatoreinrichtung (C_H) und eine Niederspannungskondensatoreinrichtung (C_L), die dazu eingerichtet sind, über eine Eingangsspannung (V_in) geschaltet zu werden, wodurch Parameter der Eingangsspannung (V_in) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bestimmt werden, enthaltend das Versehen des Transformators (CVT) mit wenigstens einem Stromsensor (PQCS1, PQCS2) zur Messung des Stroms, der in wenigstens einer de Kondensatoreinrichtungen (C_H, C_L) fließt.
Kondensatorgekoppelter Spannungstransformator (CVT) mit einer Hochspannungskondensatoreinrichtung (C_H) und einer Niederspannungskondensatoreinrichtung (C_L), die dazu eingerichtet sind, über eine Eingangsspannung (V_in) geschaltet zu werden, einer Stromsensoreinrichtung (PQCS1, PQCS2), die dazu eingerichtet sind, den Strom zu erfassen, der in wenigstens einer der Kondensatoreinrichtungen (C_H, C_L) fließt, und Messeinrichtungen (22), die dazu eingerichtet sind, aus den gemessenen Stromwerten eine Messung von Parametern der Eingangsspannung (V_in) zu liefern.
Transformator nach Anspruch 7, bei dem die Parameter die Harmonischen-Werte der Eingangsspannung (V_in) sind.
Transformator nach Anspruch 8, bei dem die Harmonischen-Werte als Prozentsatz der Grundfrequenz ausgedrückt sind.
Transformator nach Anspruch 7, 8 oder 9, enthaltend erste und zweite Stromsensoren (PQCS1, PQCS2) jeweils zur Messung des Stroms, der in der Hochspannungskondensatoreinrichtung (C_H) und in der Niederspannungskondensatoreinrichtung (C_L) fließt.
Transformator nach Anspruch 10, bei dem die Hochspannungskondensatoreinrichtung (C_H) und die Niederspannungskondensatoreinrichtung (C_L) in Serie über den Spannungseingang geschaltet sind und die Stromsensoren (PQCS1, PQCS2) in Serie und zwischen die Niederspannungskondensatoreinrichtung (C_L) und Erde geschaltet sind.
Transformator nach Anspruch 11, der eine Spannungsmesseinrichtung (22) aufweist, die mit beiden Stromsensoren (PQCS1, PQCS2) verbunden und dazu eingerichtet ist, Spannungsparameter durch Summierung von Spannungswerten zu liefern, die aus den in den jeweiligen Kondensatoreinrichtungen (C_H, C_L) fließenden Strömen abgeleitet sind.
Transformator nach Anspruch 7, 8 oder 9, enthaltend einen einzigen Stromsensor (PQCS1), der dazu eingerichtet ist, den Gesamtstrom in dem Transformator (CVT) zu messen.
Transformator nach Anspruch 13, bei dem die Hochspannungskondensatoreinrichtung (C_H) und die Niederspannungskondensatoreinrichtung (C_L) in Serie über den Spannungseingang geschaltet sind und der Stromsensor (PQCS1) zwischen die Niederspannungskondensatoreinrichtung (C_L) und Erde geschaltet ist.
Transformator nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem der Stromsensor oder die Stromsensoren (PQCS1, PQCS2) ein Stromtransformator ist bzw. Stromtransformatoren sind.
Transformator nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem der Stromsensor oder die Stromsensoren (PQCS1, PQCS2) Hall-Effekt-Vorrichtungen) ist/sind.