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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen
von partiellen Entladungen in derartiger elektrischer Hochspannungsausrüstung oder
einer Hochspannungseinrichtung, beispielsweise einem Hochspannungstransformator, der
eine Hochspannungsdurchführung
mit einem kapazitiven Prüfanschluss
aufweist. Die Vorrichtung umfasst einen induktiven Strommesswandler
in der Form einer Mess-Spule, die um die Hochspannungsdurchführung angeordnet
ist, und signalverarbeitende Elemente, die angepasst sind für die Erfassung von
partiellen Entladungen, um von dem induktiven Strommesswandler und
von dem kapazitiven Prüfanschluss
mit Signalen versorgt zu werden.
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Technischer
Hintergrund
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Von
der älteren
schwedischen Patentanmeldung 9501664-8, die der internationalen
Patentanmeldung PCT/SE96/00558 (W09635128) entspricht, sind eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen von partiellen Entladungen
in einem elektrischen Leistungstransformator vorbekannt. Der Transformator
weist eine Hochspannungsdurchführung
mit einem kapazitiven Prüfanschluss
auf, von dem ein Mess-Signal erhalten wird, das eine Messung des
elektrischen Felds an der Durchführung darstellt.
Ein induktiver Messwandler in der Form eines Spulensystems, um die
Durchführung
angeordnet, liefert ein Mess-Signal, das dem Strom durch die Durchführung entspricht.
Die zwei Mess-Signale werden signalverarbeitenden Elementen zugeführt. In diesen
werden die Signale miteinander multipliziert, was es ermöglicht,
interne Entladungen von äußeren Störungen oder
anderen Signalen zu unterscheiden. Weiterhin umfassen die signalverarbeitenden
Elemente Mittel für eine
genauere Analyse der Mess-Signale, zum Beispiel, um das Niveau der
internen partiellen Entladung zu bestimmen, und zum Auslösen eines
Alarmsignals, wenn das Niveau ein vorbestimmtes Alarmniveau überschreitet.
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Es
hat sich erwiesen, dass diese bekannte Vorrichtung bestimmte Nachteile
aufweist. So variiert die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber internen
Entladungen mit den Arbeitsbedingungen des Transformators, und unter
bestimmten Umständen ist
die Empfindlichkeit störend
niedrig. Weiterhin ist die Empfindlichkeit gegenüber internen Entladungen, das
heisst den Entladungen, die von Interesse sind, immer niedriger
als die Empfindlichkeit gegenüber äußeren Entladungen
oder anderen äußeren Störungen,
was ein offensichtlicher Nachteil ist. Die Differenz in der Empfindlichkeit
gegenüber äußeren und internen
Entladungen macht ebenso die Kalibrierung der Vorrichtung schwierig.
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In
der bekannten Vorrichtung rühren
die Mess-Signale von Messwandlern verschiedener Typen her – einem
kapazitiven Prüfanschluss
und einer induktiven Mess-Spule. Da die Signale während der Signalverarbeitung
miteinander multipliziert werden, müssen sie die gleiche Phasenlage
aufweisen. Um dies zu erreichen, müssen die Eingangsschaltungen der
signalverarbeitenden Elemente für
die zwei Mess-Signale verschieden sein, und weiter ist eine individuelle
Justierung der Eingangsstufen unter anderem abhängig von Kabellänge und
Typ der Durchführung
erforderlich.
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Die
galvanische Verbindung des kapazitiven Prüfanschlusses mit den signalverarbeitenden
Elementen bringt weiter eine nicht unbedeutende Gefahr mit sich,
dass die Letzteren Überspannungen
oder anderen Störungen
ausgesetzt werden, zum Beispiel im Falle von Blitzeinschlägen öder anderen
Störungen
in dem Netzwerk, mit dem der Transformator verbunden ist.
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In
der bekannten Vorrichtung muss der Strom von dem kapazitiven Prüfanschluss
zurück und
weiter durch das Kabel und die Kontaktmittel durchgehen, die den
Prüfanschluss
mit den signalverarbeitenden Elementen verbinden, und in dem Letzteren
durch das Impedanznetzwerk in der Form von Widerständen, Kondensatoren
und Induktoren, das in den Anpassungs schaltungen der Eingangsstufen
enthalten ist. Dies beinhaltet eine nicht unbedeutende Gefahr der
Unterbrechung in der Schaltung, die wiederum eine Gefahr der Beschädigung an der
Durchführung
mit sich bringt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der Art bereitzustellen,
wie sie in der Einleitung genannt worden ist, welche verglichen
mit Vorrichtungen des Stands der Technik der relevanten Art eine
erhöhte
Empfindlichkeit für
die Erfassung von internen partiellen Entladungen und gleichzeitig
eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber äußeren partiellen Entladungen
oder anderen Störungen
aufweist.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen,
in der, um eine einfache und genaue Kalibrierung zu ermöglichen,
die Empfindlichkeit gegenüber
sowohl internen als auch äußeren Entladungen ähnlich bzw.
gleich gemacht werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen,
in der die Eingangsstufen der signalverarbeitenden Elemente identisch ausgelegt
werden können,
und in welcher der Bedarf an individueller Justierung beseitigt
ist.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen,
die größere Betriebs-
und persönliche
Sicherheit bietet und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Störungen zeigt als
die Vorrichtung des Stands der Technik.
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Was
eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kennzeichnet,
wird aus den angehängten
Ansprüchen
klar.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
Erfindung wird im Folgenden genauer beschrieben werden, mit Bezug
auf die begleitenden 1–5,
worin
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1 eine Vorrichtung des Stands der Technik
zeigt, wie sie vorhergehend beschrieben worden ist, wobei 1a schematisch
die Konstruktion der Vorrichtung und ihre Verbindung mit einem Leistungstransformator
zeigt, wobei 1b die Funktion im Falle einer
internen Entladung darstellt, und wobei 1c die
Funktion im Falle einer äußeren Entladung
zeigt;
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2 das
Prinzip für
eine einfache Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
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3 eine
Ausführungsform
der Erfindung mit Strom verteilenden Elementen zeigt, die den Strom
von dem kapazitiven Prüfanschluss
zwischen den zwei Strompfaden verteilen, von denen einer außerhalb
der Mess-Spule verläuft
und von denen einer die Spule durchquert;
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4 eine
Variante der in 3 gezeigten Ausführungsform
zeigt, wobei die zwei Anschlüsse des
kapazitiven Prüfanschlusses
zum Koppeln der Mess-Leiter von dem Prüfanschluss verwendet werden;
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5 eine
bevorzugte Ausführungsform zeigt,
worin das Strom teilende Element aus einem ersten Stromtransformator
besteht, und worin ein zweiter Stromtransformator für die Messung
des Stroms von dem kapazitiven Prüfanschluss angepasst ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1a zeigt
eine Vorrichtung des Stands der Technik, aus der vorhergehend genannten älteren Patentanmeldung
bekannt, zum Überwachen
von partiellen Entladungen in einem elektrischen Leistungstransformator.
Die Figur zeigt schematisch einen Transformator 1 mit einer
Durchführung 2.
Die Durchführung
weist ein Metallrohr 21 auf, das an dem Gehäuse des
Transformators befestigt ist. Das Rohr 21 trägt einen
Isolator 22, in dem der Leiter 24 (siehe 1b)
der Durchführung
angeordnet und mit der elektrischen Verbindung 23 der Durchführung verbunden
ist. Die Durchführung
weist einen herkömmlichen
kapazitiven Prüfanschluss
mit einer Anschlusskasten 32 auf. Von dem Prüfanschluss
(im Falle einer Änderung
der Spannung auf dem Leiter der Durchführung) wird ein Mess-Signal
in Form eines Stroms „i" abgegeben. Um den
unteren Teil der Durchführung
ist eine Mess-Spule 4 aufgebracht, und von dieser wird
ein Mess-Signal „u" erhalten (im Falle
einer Änderung
der Spannung in dem Leiter der Durchführung). Die Mess-Signale werden
durch Kabel 35, 41 (z. B. Koaxialkabel) einem
signalverarbeitenden Element SB zugeführt.
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Sowohl
die Mess-Spule 4 als auch das signalverarbeitende Element
SB sind geeignet ausgelegt, in der Weise wie sie in der vorhergehend
genannten Patentanmeldung beschrieben ist. So ist die Mess-Spule
bevorzugt eine ganze oder geteilte Rogowski-Spule, and die signalverarbeitenden
Elemente sind geeignet angepasst (nach notwendigem Anpassen, Filtern,
Verstärken,
etc.), um die zwei Mess-Signale zu multiplizieren, was eine Bestimmung
ermöglicht,
ob eine erfasste partielle Entladung von der Innenseite des Transformators
herrührt
oder durch eine äußere Entladung
oder andere äußere Störung hervorgerufen
wird. Von dem signalverarbeitenden Element SB wird ein Signal PDI
erhalten, welches eine Messung des Niveaus oder der Intensität von internen
partiellen Entladungen innerhalb des Transformators darstellt. In
der Weise, wie sie in der vorhergehenden Patenanmeldung beschrieben
wird, kann dieses Signal einem Datenerfassungssystem zum Überwachen
des Transformators zugeführt
werden, zum Beispiel, um einen Alarm auszulösen, wenn das Entladungsniveau
einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet,
oder zur Analyse des Zustands und der Funktion des Transformators
in Abhängigkeit von
den erfassten Entladungen.
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1b zeigt
schematisch einen Schnitt durch die Durchführung in der Vorrichtung gemäß 1a.
Das Gehäuse
des Transformators 1 ist in der Figur mit Erde bzw. Masse
verbunden gezeigt, und das Potenzial des Transformatorgehäuses wird
hiernach als „Masse" bezeichnet, obwohl
in bestimmten Fällen
der Transformator auf ein Potenzial gehoben sein kann, das von der
Masse abweicht. Über
den Leiter 24 der Durchführung ist der Transformator
mit einem Netzwerk verbunden, symbolisch als ein Impedanzelement
NI gezeigt, das aus der Sicht des Transformators der Impedanz des
Netzwerks entspricht.
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Die
Durchführung
weist einen schematisch gezeigten kapazitiven Prüfanschluss mit zwei Verbindungsanschlüssen 33 und 34 auf.
Der Anschluss 33 ist mit einer Kondensatorschicht 31 verbunden,
die in der Durchführung
angeordnet ist, und der Anschluss 34 ist mit dem Metallrohr 21 verbunden,
d. h. mit Massepotenzial. Die zwei Anschlüsse sind mit dem Kabel 35 verbunden.
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Die
Mess-Spule 4 ist in der Figur nur schematisch mit ihren
Verbindungsanschlüssen 42 und 43 gezeigt,
mit denen das Kabel 41 verbunden ist.
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Die
Mess-Signale „i" und „u" werden über die Kabel 35 und 41 den
Anpassungsschaltungen ADP1 und ADP2 zugeführt. Die Anpassungsschaltungen sind
Teil der Eingangsstufe des signalverarbeitenden Elements SB und
umfassen Impedanznetzwerke mit passiven Schaltungselementen in der
Form von Widerständen,
Kondensatoren und Induktionselementen zur Impedanzanpassung der
Eingänge
des signalverarbeitenden Elements, und möglicherweise ebenso zum Anpassen
der Niveaus der Signale an einander. Die Ausgangssignale der Anpassungsschaltungen
werden an andere Schaltungen weitergeleitet (nicht in der Figur
gezeigt), die in dem signalverarbeitenden Element enthalten sind,
zum Filtern, Verstärken,
Multiplizieren, etc.
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1b stellt
die Funktion der Vorrichtung im Falle einer internen partiellen
Entladung dar. Es wird angenommen, dass die Entladung durch einen
positiven Strom durch den Leiter 24 heraus verursacht wird.
Ein Teil des Stroms, „i", wird über den
kapazitiven Prüfanschluss
mit Masse verbunden, und ein anderer Teil, „iz", ist über das mit dem Transformator verbundene
Netzwerk mit Masse verbunden, zum Beispiel über Leitungskapazitanzen, Überspannungsableiter
und Lastgegenstände.
Der Gesamtstrom, der durch die Entladung verursacht wird, ist daher
i + iz. Jedoch fließt
der Strom „i" sowohl vor und zurück durch
die Mess-Spule – nach
oben durch den Leiter 24 und nach unten durch das Rohr 21 – und verursacht
keinen Nettostrom durch die Spule. Der einzige Strom, den die Spule
misst, ist daher iz. Das Mess-Signal wird daher
von der Impedanz der Last des Transformators abhängig sein. Während einem Hochspannungsprüfen ist
zum Beispiel nicht immer eine Last angeschlossen, und der Strom,
der durch die Spule gemessen wird, wird daher niedrig und die Erfassungsempfindlichkeit
der Vorrichtung wird schlecht.
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1c zeigt
die Funktion der Vorrichtung in dem Fall einer äußeren partielle Entladung.
In diesem Fall gehen sowohl der Strom „it", der über die Transformatorwindung
W zur Masse fließt,
als auch der Strom „i", der über den
kapazitiven Prüfanschluss zur
Masse fließt,
durch die Mess-Spule. Daher misst die Spule den Strom i + it.
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Die
vorstehenden Tatsachen tragen dazu bei, der Vorrichtung eine höhere Empfindlichkeit
gegenüber äußeren Entladungen,
und daher ebenso gegenüber äußeren Störungen zu
geben. Andererseits ist die Empfindlichkeit gegenüber internen
Entladungen niedrig, welche genau das Phänomen sind, welches zu erfassen
gewünscht
wird. Weiter machen die verschiedenen Empfindlichkeiten gegenüber internen
und äußeren Entladungen,
ebenso wie die Empfindlichkeit gegenüber internen Entladungen, die mit
der Lastimpedanz variiert, die Kalibrierung der Vorrichtung schwierig.
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Wie
vorstehenden erwähnt
ist es erforderlich, dass die zwei Messkanäle die gleiche Phasencharakteristik
zeigen, was erfordert, dass beispielsweise die Eingangsstufe für das Signal
von dem kapazitiven Prüfanschluss
dieses Mess-Signal so verändert,
dass seine Charakteristik so weit wie möglich die gleiche wird wie
das Signal von der Mess-Spule. Weiter hat es sich erwiesen, dass
eine individuelle Justierung mindestens einer Eingangsstufe im Zusammenhang
mit einer Installation der Vorrichtung erforderlich ist, aufgrund
von, unter anderem, Variationen in der Kabellänge und dem Typ der verwendeten
Durchführung.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung. In dieser Ausführungsform
ist der stromführende
Rückleiter 36 von
dem signalverarbeitenden Element SB nicht, wie in der vorhergehend
bekannten Vorrichtung, mit dem Masseanschluss 34 des Prüfanschlusses
verbunden, sondern erstreckt sich stattdessen über die Spule 4 hinaus – außerhalb – zu einer
Masseverbindung 11 auf dem Transformatorgehäuse. Die
Leiter 24, 35 und 36 bilden daher eine Stromspule
um die Spule für
Entladungssignale, die aus dem Inneren des Transforma tors stammen,
was dazu führt,
dass diese Signale in ihrer Gesamtheit von der Spule erfasst werden.
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Die
Figur zeigt den Fall einer internen partiellen Entladung. Wie aus
der Figur klar wird, wird die Spule den Gesamtstrom i + iz erfassen.
Die Empfindlichkeit gegenüber
solchen Entladungen wird daher gut sein, und ihre Abhängigkeit
von der Lastimpedanz des Transformators wird deutlich verringert.
Für eine äußere Entladung
wird andererseits nur der Strom it erfasst
(vergleiche 1 c). Die Empfindlichkeit
gegenüber
solchen Entladungen, ebenso wie gegenüber äußeren Störungen, wird daher verglichen mit
der bekannten Vorrichtung deutlich verringert, was einen zusätzlichen
Vorteil beinhaltet.
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Wenn
die Mess-Spule 4 ideal wäre, würde der Strom, der durch den
Leiter 36 fließt, überhaupt keine
induzierte Spannung in der Spule bewirken. In der Praxis besteht
die Gefahr, dass dieser Strom eine bestimmte induzierte Spannung
in der Spule verursacht. Unter bestimmten Umständen kann dies bedeuten, dass
eine äußere Entladung
oder Störung ein
Mess-Signal von der Spule mit einer solchen Polarität erzeugt,
dass die Vorrichtung inkorrekterweise die Signale erfasst, als ob
sie von einer internen Entladung herrühren. Gemäß der Verbesserung der Erfindung,
wie sie in 3 gezeigt wird, ist daher zusätzlich zu
dem Strompfad 36, der außerhalb der Mess-Spule angeordnet
ist, ebenso ein zweiter Strompfad 37 angeordnet, der die
Spule durchquert. Weiterhin ist ein stromverteilendes Element 5 angeordnet,
das den Strom „i" von dem Prüfanschluss
zwischen den zwei Strompfaden verteilt. Die Stromverteilung wird
auf eine solche Weise ausgeführt,
dass ein Strom k·i
durch den Leiter 37 und ein Strom (1 – k)·i durch den Leiter 36 fließt. Die
Leiter 36 und 37 sind nach dem Durchgang des Leiters 37 durch
die Mess-Spule miteinander verbunden, und der Strom „i" wird danach durch
eine Strommessvorrichtung 6 zu der Masseverbindung 11 geleitet.
Die Strommessvorrichtung liefert ein Mess-Signal i', entsprechend dem
Strom „i", an das signalverarbeitende
Element SB.
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Im
Falle einer internen partiellen Entladung, in der Figur gezeigt,
misst die Spule den Strom iz +
(1 – k)·iund
für eine äußere Entladung
oder Störung
wird der folgende Strom gemessen it +
k·i
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Es
wurde herausgefunden, dass mit angemessenen Werten der Konstante
k der vorhergehend erwähnte
Nachteil der Vorrichtung in 2 beseitigt werden
kann. Bevorzugt wird k so gewählt,
dass 0,1 ≤ k ≤ 0,5 ist.
Ein niedrigerer Wert von k ergibt höhere Empfindlichkeit gegenüber internen
Entladungen und niedrigere Empfindlichkeit gegenüber äußeren Entladungen und Störungen,
und ist daher von diesen Standpunkten aus bevorzugt. Um eine einfache
Kalibrierung der Vorrichtung zu erreichen, kann es jedoch vorteilhaft
sein, k = 0,5 zu wählen,
was – wenn iz und it verglichen
mit „i" klein sind – annähernd die gleiche
Empfindlichkeit gegenüber
internen und äußeren Entladungen
ergibt.
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Normalweise
besitzt ein Leistungstransformator keine Masseverbindung, die der
Verbindung 11 in den 2 und 3 entspricht,
und in der Praxis ist es häufig
schwierig oder unangemessen, eine solche Verbindung speziell für die Überwachungsvorrichtung
gemäß der Erfindung
anzuordnen. Jedoch weist ein kapazitiver Prüfanschluss normalerweise zwei
Verbindungsanschlüsse
auf, von denen einer mit Masse verbunden ist. Aus praktischen Gründen ist
es daher oft wünschenswert,
diesen Masseanschluss für
eine Masseverbindung der Überwachungsvorrichtung
zu verwenden. Eine solche Ausführungsform
der Vorrichtung ist in 4 gezeigt (ebenso zeigt diese
Figur nur den Fall einer internen partiellen Entladung). Der Leiter 36 erstreckt
sich dort nach oben durch die Mess-Spule und ist über die Strommessvorrichtung 6 mit
dem Masseanschluss 34 des Prüfanschlusses verbunden. Die
Funktion ist die gleiche wie die mit Bezug auf 3 beschriebene,
da der Strom (1 – k)·i, der
nach oben durch die Spule in der Figur fließt, einen gleichen Strom erzeugt,
der nach unten durch das Rohr 21 fließt, und daher keinen Nettobeitrag
zu dem Gesamtstrom durch die Mess-Spule verursacht.
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5 zeigt,
wie die Schaltungen, die mit dem kapazitiven Prüfanschluss verbunden sind,
in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ausgelegt sind, worin sowohl das Strom verteilende Element 5,
als auch das Strom messende Element 6 durch Stromtransformatoren
gebildet werden. Der Stromtransformator 5 besitzt zwei
Windungen 51 und 52. Mit den gewählten Windungspolaritäten wird
ein Strom „i" von dem Prüfanschluss
zwischen den Leitern 36 und 37 verteilt, mit dem
Anteil (1 – k)·i durch den
Leiter 36 und dem Anteil k·i durch den Leiter 37. Das
Verhältnis
zwischen der Anzahl der Wicklungen der Windungen bestimmt die Konstante
k, und zum Beispiel im Falle gleicher Zahl von Wicklungen von Windungen
ist k = 0,5.
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Der
Stromtransformator 6 besitzt zwei primäre Windungen, 61 und 62,
die in die Strompfade 36 und 37 eingekoppelt sind.
Die sekundäre
Windung 63 des Transformators ist mit der Eingangsstufe
des signalverarbeitenden Elements SB verbunden und liefert ein Mess-Signal
i' dahin, das der
Summe der Ströme
in den Leitern 36 und 37, das heisst, dem Strom „i" entspricht.
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Diese
Ausführungsform
weist viele Vorteile auf. Der Stromtransformator 6 kann
einfach mit derselben Impedanz ausgelegt werden wie die Mess-Spule.
Die zwei Mess-Signale werden dann die gleiche Frequenz- und Phasencharakteristik
aufweisen, was bedeutet, dass die zwei Eingangsschaltungen in den
signalverarbeitenden Elementen identisch ausgelegt werden können, und
dass die Notwendigkeit einer individuellen Justierung während der
Installation beseitigt wird. Weiterhin sind die signalverarbeitenden
Elemente durch den Stromtransformator galvanisch von der Durchführung getrennt,
was eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Störungen und Überspannungen mit sich bringt.
Ein zusätzlicher Vorteil
ist, dass der kapazitive Prüfanschluss
(33) in einer vergleichsweise direkten und unterbrechungssicheren
Weise (durch die Leiter 36, 37 und die Stromtransformatoren)
geerdet wird, was die Gefahr von Unterbrechungen minimiert, die
anderenfalls die Durchführung
beschädigen
würde.
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Die
Ausführungsformen
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
die vorstehend beschrieben worden sind, sind nur Beispiele, und
eine solche Vorrichtung kann innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung
auf eine große
Anzahl von Arten ausgelegt werden.
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So
ist die Erfindung vorstehend in Verbindung mit ihrer Verwendung
in einem Leistungstransformator beschrieben worden. Jedoch kann
eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
zum Überwachen
von partiellen Entladungen in anderer Hochspannungsausrü stung oder
einer -Einrichtung verwendet werden, zum Beispiel in einer gasisolierten
Schalteinrichtungsausrüstung.
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In
den vorhergehend beschriebenen Beispielen ist die Erfindung in Verbindung
mit einem bestimmten Typ von Durchführung beschrieben worden, aber
sie kann selbstverständlich
ebenso auf andere Typen von Durchführungen angewendet werden.
Ebenso kann die Mess-Spule,
die in den beschriebenen Beispielen zwischen dem kapazitiven Prüfanschluss
und der Einrichtung (dem Transformator) innerhalb des Schutzumfangs
der Erfindung alternativ auf der anderen Seite des Prüfanschlusses angeordnet
werden (oberhalb dieses in den Figuren).
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Die
in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen
besitzen Strom messende Vorrichtungen 6, deren Ausgangssignale
i' den signalverarbeitenden
Elementen zugeführt
werden. Alternativ kann jedoch der Strom „i" des Prüfanschlusses in diesen Ausführungsformen
ebenso direkt zu den Eingangsstufen der signalverarbeitenden Elemente
geführt
werden, in der Weise wie in den 1 und 2 gezeigt.