DK169008B1 - Fremgangsmåde og skærm til afskærmning af en strømtransformer samt strømtransformer med en sådan afskærmning - Google Patents

Description

DK 169008 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til afskærmning af en strømtransformer med en rundtgående kerne og en gennemgående leder, der udgør transformerens primærvikling, og med en sekundærvikling, der er viklet på afgrænsede afsnit af kernen, 5 mens resten af kernen er uden bevikling og udgør åg. Opfindelsen angår endvidere en skærm og en strømtransformer til udøvelse af fremgangsmåden.

Kendte transformere er normalt konstrueret og beregnet som enfase-transformatorer. Der er regnet på jerntab og kobbertab, 10 omsætningsfejl og vinkelfejl efter for fagfolk velkendte regneregler. Dette gælder også, når transformerne skal anvendes som strømtransformere, hvor man ikke ønsker at overføre effekt, men "blot" ønsker et mål for strømmen i en leder, se f.eks. S. Vørts: "Måletransformere". Der er udarbejdet normer 15 for de krav, der skal stilles til strømtransformatorer, og de er anført i IEC 185 for forskellige klasser 0,2, 0,5, 1, og 3 samt 5pl0 og lOplO) af henholdsvis målenøjagtighed, (udtrykt ved den accepterede omsætningsfej 1/vinkelfej 1 i %) og overstrømstal (ALF).

20 Omsætningsfejl og vinkelfejl for en given transformer kan f.eks. måles i en broopstilling ved sammenligning med en meget nøjagtig "normal", som indsættes i broopstillingen, således som det er velkendt af fagfolk.

Når transformerne skal monteres på tre-fase-systemer, vil man 25 gerne anbringe transformerne tæt ved siden af hinanden, idet det ofte er et ønske at konstruere en kompakt enhed, der ikke fylder mere end højst nødvendigt.

Det har imidlertid vist sig, at en strømtransformer, som i en en-faset testopstilling fungerer tilfredsstillende, dvs. ud-30 viser en passende lille omsætningsfejl og vinkelfejl, ikke med sikkerhed virker helt så tilfredsstillende, når den placeres i et flerfaset ledersystem.

DK 169008 B1 2

Problemet viser sig, når primærstrømmen øges. Ved strømstyrker større end 1000 Amp kan fejl i uheldige tilfælde overskride det, der accepteres efter den pågældende transformers fejlklassifikation. Problemet bliver desuden særligt udtalt ved 5 lavspændingsinstallationer, hvor der ikke er høje spændinger, som tvinger konstruktøren til at lægge afstand mellem komponenterne for at sikre en passende isolation mellem de spændings førende komponent e r.

Et lignende problem opstår, når en transformer placeres i et 10 jernkabinet eller i nærheden af en jernramme i et kabinet.

Nogle af disse problemer kunne ganske vist afhjælpes ved at gøre kernen større, således at modstanden imod den magnetiske flux i kredsen blev mindre, dermed ville man dæmpe feltets tilbøjelighed til at søge andre veje.

15 Dette er sommetider uønsket i en strømtransformer, da man ikke ønsker, at transformeren under en fejltilstand skal overføre en overstrøm, der muligvis kunne ødelægge de måleinstrumenter, der tilkobles sekundærkredsen. Kernen dimensioneres i visse tilfælde med vilje så lille, at den går i mætning, hvis strøm-20 men kommer op over det maksimalt tilladte. Det omtalte problem skal således løses uden, at kernens areal øges.

Der kendes allerede flere former for magnetisk afskærmning af transformere.

Fra EP OS 0 011 590 kendes et fuldt isoleret, metalindkapslet 25 tre-faset højspændings-tavle- og -omkoblingsanlæg med en gennemløbsmåletransformer i hver fase. Tre strømledere løber gennem en metalkapsel med et cirkulært tværsnit og gennem hver sin lukkede jernkerne med hver sin sekundær vikling, og hver jernkerne har en skærm af et ferromagnetisk og/eller et elek-30 trisk ledende materiale, der forløber i hovedsagen parallelt med lederne, og hvor skærmene er kortsluttet indbyrdes i begge ender.

DK 169008 Bl 3

Pra GB PS 1.191.756 kendes en strøm-måle-transformer, der på det nærmeste er fuldstænding omgivet af og indesluttet i en eller flere skærme, og hvor man for at kompensere for en uønsket flux, som induceres i skærmen ved primærlederens passage 5 gennem skærmen, har måttet indrette en kortslutningsvikling uden om skærmen.

Fra GB patent ansøgning nr 2.073.499 kendes en understøtning eller spoleform til en måletransformer, der er kombineret med elektromagnetiske skærme, med det formål at skærme måletrans-10 formeren, der måler motorstrøm, imod felter fra selve motoren.

Fra US PS 4.749.979 kendes en transformer med en magnetisk skærm, der omslutter en E-I lamineret kerne med viklinger omkring det midterste ben. Skærmen består af to rundtgående metalbånd, der ligger omtrent parallelt med hinanden næsten 15 hele vejen rundt om den laminerede kerne, så vidt muligt med konstant indbyrdes afstand og vinkelret på retningen af laminaterne. Skærmen skal beskytte elektroniske kredsløb i en C.D.-afspiller imod udstråling fra den transformer, der spændingsforsyner kredsløbene. Ingen af de kendte former for af-20 skærmning er egnede til transformere, der arbejder med strømstyrker i kA.-klassen (fra 1000 amp. og derover).

Det er formålet med den foreliggende opfindelse at anvise en simpel og effektiv fremgangsmåde til at beskytte en strømtransformer af den i indledningen nævnte art imod påvirkninger 25 fra fremmede felter udefra, (med fremmede felter menes alle andre felter end det der forårsages af den strøm man skal måle) især ved montering i et kompakt fler-faset stærkstrøms-anlæg med små afstande mellem faserne, og at fremstille en strømtransformer og en skærm til en strømtransformer, der kan 30 anvendes til strømstyrker i kAmp.-klassen, f.eks. på ca. 4000 Amp.

Ifølge den foreliggende opfindelse løses afskærmningsproblemerne ved, at det eller de åg, som er udsat for påvirkninger DK 169008 B1 4 af fremmede felter, afskærmes helt eller delvis med et ferro-eller ferrimagnetisk materiale, som ikke omslutter nogen viklinger eller dækker de øvrige dele af strømtransformeren, således som det er angivet i den kendetegnende del af krav 1.

5 En skæm til udøvelse af fremgangsmåden er ifølge opfindelsen udformet således, som det fremgår af den kendetegnende del af krav 3, og en afskærmet strømtransformer er ifølge opfindelsen udformet således, som det er angivet i den kendetegnende del af krav 7.

10 Skærmen er fortrinsvis en jern-plade, der bukkes i hovedsagen som et U, således at den kan dække de tre ydersider af strømtransformerens åg. Jern-pladen er fortrinsvis ca. 2 mm tyk. Derved opnår man, at de uvedkommende magnetfelter fra nabolederen følger skæmen i stedet for at gribe forstyrrende ind 15 i strømtransformerens egen kerne.

Skæmen bør ikke være i ledende kontakt med kernen i strømtransformeren, men må gerne ligge tæt op til den.

Opfindelsen skal i det følgende forklares næmere ud fra nogle eksempler og under henvisning til de ledsagende tegninger, 2 0 hvor fig. 1A viser en typisk uindkapslet strømtransformer med rektangulær kerne, fig. IB en typisk strømtransformer indkapslet i er plasthus fig. 2 et snit gennem et trefaset transfomerarrangement 25 til måling af strøm, fig. 3 en måleopstilling set fra oven, fig. 4 kurver over omsætningsfejl som funktion af primær strøm, DK 169008 B1 5 fig. 5 kurver over vinkelfejl som funktion af primærstrøm, fig. 6 kurver over omsætningsfejl som funktion af primær strøm, fig. 7 kurver over vinkelfejl som funktion af primærstrøm, 5 fig. 8 kurver over omsætningsfejl som funktion af primær strøm, fig. 9 kurver over vinkelfejl som funktion af primærstrøm, fig. 10A et snit gennem en foretrukken udførelsesform for en skærm ifølge opfindelsen til en transformer, 10 fig. 10B samme vist udfoldet, fig. 11 en foretrukken udførelsesform for en transformer, og fig. 12 viser snit gennem forskellige udførelsesformer for skærmen ifølge opfindelsen.

15 En typisk strømtransformer 10 er vist i fig. 1A og B og består af en i hovedsagen rektangulær kerne 12, der omslutter en primær leder i form af en strømskinne 14 - eller en skinnepakke bestående af flere strømskinner 14 - og kernen 12 er på to af siderne forsynet med en sekundærvikling 16, der er forbundet 20 til et ikke vist måleinstrument. To åg 18 forbinder de beviklede dele af kernen. De ovennævnte dele er kendte, og det er ligeledes kendt at indstøbe transformeren i plast som vist i fig. IB.

Der vil ofte være installeret to eller tre strømtransformere 25 10, 20, 30 ved siden af hinanden i et trefaset system R,S,T som antydet i fig. 2, og det hele er som oftest omgivet af en indkapsling 40. Indkapslingen er typisk et kabinet af den art, DK 169008 B1 6 der benyttes i tavleanlæg, og er i reglen fremstillet i almindelig jernplade, der er magnetiserbart, og derfor vil indvirke på felterne, fordi en del af det magnetiske felt vil kunne finde vej gennem kabinettet, og derved eventuelt kan 5 forårsage målefejl.

Typisk vil de enkelte ledere eller skinner have et tværsnit på ca. 10 mm * 100 mm, og lederen skal være af et godt elektrisk ledende materiale fortrinsvis kobber. Lederne 14 kan have en indbyrdes afstand på f.eks. 50 mm, (dvs. mellemrum mellem 10 lederne). Undertiden er der kun behov for at måle på en eller to af faselederne (R,S,T), og følgelig placeres der kun strømtransformere omkring de faser, hvor man ønsker en måling.

Por at undersøge den faktiske betydning af placeringen af transformerne og en eventuel afskærmning i forhold til deres 15 nærmeste omgivelser blev der under laboratorieforhold målt omsætningsfejl og vinkelfejl som beskrevet i det følgende.

I en fleksibel måleopstilling med tre forskydelige, vandret liggende skinner 14, en i hver fase R,S,T som skitseret i fig.

3, blev der på skift målt på transformere, placeret i enten 20 fase R, S eller T, hvor følgende parametre blev varieret en efter en: 1) d, som betegner afstanden (dvs. mellemrum) mellem skinnerne 14 målt i mm, (typisk 55 mm) 25 2) f, som betegner forskydningen i ledernes retning af den mellemste transformer 20 i forhold til de to yderste transf omere 10, 30, (f er lig uendelig i de eksempler, der er vist i fig. 4-9, og f er 0 i fig. 3.) 3) a, som betegner afstanden til kapsling 40, (typisk 30 bagvæggen og/eller forvæggen i et kabinet) målt i cm, 4) primær-strømmen i % af mærkestrøm, DK 169008 B1 7 5) byrden (transformerens belastning på sekundærsiden) 6) pladetykkelsen af en skærm mellem transformerne.

Kurverne, der er gengivet i fig. 4-9 viser en række typiske 5 resultater af sådanne målinger for en klasse 0.2S-transformer.

Ifølge normerne må omsætningsfejlen for denne transformerklasse eksempelvis ikke overstige 0,2% for strømstyrker på primærsiden over 20% til 120% af mærkestrømmen. Tilsvarende gælder for andre klasser.

10 Kurverne 5B i fig. 4 og 5 er optaget med varierende belastning af sekundærkredsen, (2,5 VA, 5 VA, 7,5 VA, 10 VA og 17,5 VA ) . Afstanden d mellem faselederne 14 var 55 mm. Til sammenligning er der vist to kurver mærket Ref IB 2,5 VA og Ref IB 17,5 VA, der er målt med afstanden d = 250 mm mellem faselederne, dvs.

15 med så stor afstand mellem lederne at den gensidige påvirkning kan negligeres. Det fremgår, at kurverne 5B afviger kraftigt fra referencekurverne IB, når primærstrømmen overstiger ca. 100 % af mærkestrømmen, og især når sekundærsiden er hårdt belastet. Det ses, at transformeren kun opfylder klasse 0.2 20 for en belastning på op til 7,5 VA.

Kurverne i fig. 6 og 7 er baseret på målinger med varierende afstande til kabinettets forvæg og bagvæg (100/100, 90/90, 80/80, 70/70 og 60/60) og med fast afstand til sidevægge. Som afskærmning blev der anvendt et stykke 1,5 mm jernplade, der 25 blev foldet som et U og placeret således at transformerens åg blev dækket. Afstanden d mellem lederne blev fastholdt på 55 mm, og forskydningen f var uendelig, eftersom der kun var anbragt en transformer i den midterste fase. Sekundærsiden blev belastet med 10 VA. Som reference er valgt en række må-30 linger under samme forhold men uden kabinet på en transformer 20 i den mellemste fase S (med d = 55 mm mellem lederne, og en belastning på 10 VA.) DK 169008 B1 8

Som i de foregående tilfælde ses det, at fejlen vokser kraftigt, når primærs trommen overstiger ca. 100% af mærkestrømmen, og fejlen bliver større jo tættere kabinettet er på transformeren. Med den anvendte afskærmning er det dog kun målingen 5 mærket 29B med en kabinetsafstand på 60/60, dvs. 60 mm mellem transformer og bagvæg/forvæg, der overskrider den tilladte fejl.

Det fremgår af kurverne, at vinkelfejlen vokser på omtrent samme måde som omsætningsfejlen, men set i relation til nor-10 merne er det omsætningsfejlen, der er den mest kritiske.

Det har ved sådanne målinger, hvoraf de her viste kun udgør en lille del, vist sig, at strømtransformerens målenøjagtighed forbedres betydeligt ved at anbringe en plade af jern 50 -eller et tilsvarende magnetiserbart materiale - mellem de to 15 ved siden af hinanden liggende transformere 10, 20 eller 20, 30, som vist fig. 3 - eller mellem en transformer 20 og nabolederne 14, således at transformerågene skærmes. Fortrinsvis bukkes pladen således, at den i tværsnit har form som et U eller som vist i fig. 11.

20 Fig. 8 og 9 viser kurver over omsætningsfejl og vinkelfejl som funktion af primærstrømmen i % af mærkestrømmen, og optaget med tre forskellige plade tykkel ser. Afstanden d mellem lederne blev fastholdt på 55 mm, og forskydningen f var uendelig, eftersom der kun var anbragt en transformer i den midter-25 ste fase. Sekundærsiden blev belastet med 10 VA.

Som referencekurve 14B er valgt en kurve der bygger på en række målinger foretaget under samme forhold men uden kabinet på en transformer 20 i den mellemste fase S (med d = 55 mm mellem lederne, og en belastning på 10 VA.) og med en skærm, 30 der er 1,5 mm tyk.

Kurverne 42B, 43B og 44B i fig. 8 og 9 er målt med en indkapsling eller et kabinet, der har en forvæg 80 mm over strøm- DK 169008 B1 9 transformerens indkapsling og en bagvæg 40 mm under strømtransformerens indkapsling, som antydet på skitsen nederst på fig. 8. Desuden var trans formerågene afskærmet med en U-pro-filskærm ifølge opfindelsen, og med en pladetykkelse på hen-5 holdsvis 1,5 mm, 2,0 mm og 2,5 mm.

Kurverne i fig. 8 og 9 viser, at skærmens virkning øges, (dvs. målefejlen bliver mindre - kurverne nærmer sig referencekurverne 14B) når skærmens pladetykkelsen vokser. Kurverne 14B og 44B holder sig inden for normen, kurven 43B ligger lige på 10 grænsen, og kurven 42 B overskrider klart grænsen på 0,2%. Denne sidste kurve er optaget med en tynd skærm på kun 1,5 mm, og denne skærm viser sig at være utilstrækkelig ved den anvendte kapsling/kabinet, i hvert fald når primærstrømmen nærmer sig 120% af mærkestrømmen.

15

Det har vist sig, at skærmen 50 med fordel kan være udformet som vist i fig. 10 og 11. Skærmen fremstilles fortrinsvis af jernplade, men andre magnetiske materialer såsom et sintret ferrimagnetisk materiale ligger inden for opfindelsens rammer.

20 I den viste udførelsesform består skærmen af et midterstykke 52, hvis dimensioner er omtrent lig med bredden og længden af strømtransformerens åg 18. Skærmen har desuden to sidestykker 54, der giver en yderligere afskærmning, og disse sidestykker kan med fordel have skråt afskårne hjørner 56 og kan med for-25 del bukkes således, at de ligger ret tæt op ad siderne på transformeråget 18, fortrinsvis med et lille mellemrum, gerne udfyldt med et isolerende materiale, evt. en folie, eller en plast, der indgår i en spoleform til transformeren.

Skærmen kan med fordel være indstøbt i en plastindkapsling til 30 en strømtransformer. Derved opnår man en kompakt skærm, der ikke øger transformerens dimensioner nævneværdig, men som giver den ønskede virkning dvs. hindrer, at uvedkommende felter kan trænge ind i transformerens kerne, således som det fremgår af de kurver, der i vist i fig. 4-9. Den skærmende 35 virkning skyldes, at skærmen 50 "opsamler" felter fra nabole- DK 169008 B1 10 deren 14.

For at skærmen kan virke hensigtsmæssig, bør denne ikke dække eller delvis omslutte sekundærviklingen, da skærmen i magnetisk henseende utilsigtet vil shunte magnetfeltet i kernen.

5 En sådan utilsigtet udformning vil medføre, at strømtransformeren vil udvise en større målefejl.

I en anden udførelsesform kan skærmen have et "tophat" -formet tværsnit med ekstra sideflige som vist i fig. 12A eller sideflige som vist i fig. 12B. Bunden af U'et kan være omtrent 10 retlinet som i fig. 10A eller halvcirkelformet som vist i fig. 12C. "Benene i U'et kan strække sig skråt ud til siderne som antydet i fig. 12D og 12E. Endelig kan skærmen være fremstillet i et sintret fer rimagnet i sk materiale, f.eks. i en halvmåneform som antydet i fig. 12F.

15 En foretrukken udførelsesform for en strømtransformer med en skærm ifølge opfindelsen er vist i fig. 11. Med denne udførelsesform tilstræber man at undgå de skarpe hjørner, som den rektangulære transformer (fig. 1) har, da sådanne skarpe kanter kan give anledning til feltkoncentrationer, der igen 20 kan give anledning til spredningsfelter, og dermed målefejl.

Den rundtgående trans formerkerne 72 er fortrinsvis viklet af rundtgående jernbånd og fortrinsvis af en enkelt kontinuerligt jernbånd og har to overfor hinanden liggende i hovedsagen cirkelbueformede afsnit, der bærer sekundærviklingen 76. Disse 25 cirkelbueformede afsnit er forbundet af to i hovedsagen retlinede afsnit, der danner åg 78.

Dette er udtryk for et kompromis mellem den i teorien ideale cirkelform og den i praksis ønskede kompakte form, som tillader en tæt pakning af strømtransformerkerner og faseledere.

30 For at den tætte pakning ikke skal give anledning til store målefejl (omsætningsfejl og vinkelfejl) ved store strømme,

Claims (9)

10 Patentkrav.

1. Fremgangsmåde til afskærmning af en strømtransformer (10,20,30) med en rundtgående kerne (12,72) og en gennemgående leder (14), der udgør transformerens primærvikling, og med en 15 sekundærvikling (16,76), der er viklet på afgrænsede afsnit af kernen (12,72), mens resten af kernen (12,72) er uden bevikling og udgør åg (18,78), kendetegnet ved, at det eller de åg, der er udsat for fremmede magnetfelter, dvs. andre magnetfelter end det, som forårsages af en strøm i 20 transformerens egen primærvikling, af skærmes helt eller delvis af et ferro- eller ferrimagnetisk materiale (50), som hverken strækker sig ind over eller dækker nogen viklinger eller dele af viklinger.

2. Fremgangsmåde ifølge krav l, kendetegnet ved, 25 at en strømtransformer (20) , - der gennemløbes af en faseleder (14) , der indgår i et fler-faset system med flere parallelt liggende faseledere, som ligger i nærheden af transformerkernens åg, - afskærmes med en plade af et ferro- eller ferrimagnetisk materiale (50) , som anbringes mellem åget og den ved 30 siden af liggende faseleder (14) og/eller faseleders strømtransformer (10,30), der er tilsluttet en anden fase end den transformer (20), som afskærmes, og at pladen bukkes eller er bukket således at den i hovedsagen dækker de tre sider af åget, der vender udad. DK 169008 B1 12

3. Skæm til udøvelse af fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at skærmen (50) har en udstrækning i den gennemgående leders (14) retning, der er større end bredden af kernen (12,72), dvs. kernens udstrækning i samme retning, -5 og i den derpå vinkelrette retning , dvs. målt langs omkredsen af den rundtgående kerne (12,72), har en udstrækning omtrent svarende til længden af åget, dvs. det ubeviklede afsnit af kernen (12,72), men ikke strækker sig ind over det afsnit af kernen (12,72), som sekundærviklingen er viklet omkring.

4. Skæm ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den har et U-formet tværsnit med en lige eller rund bund, og er dimensioneret til at kunne slutte om de tre ydersider af transfomerens åg.

5. Skæm ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den 15 har et "tophat"-fomet tværsnit, dvs. U-fomet med lige eller rund bund og forsynet med sideflige eller "vinger" (fig. 12A-E) .

6. Skæm ifølge krav 4, kendetegnet ved, at den er fremstillet i en plade i et ferromagnetisk materiale såsom 20 blødtjern, og med en pladetykkelse på over o,5 mm, og især fra ca. 1,5 mm til ca. 2,5 mm.

7. Strømtransformer (10,20,30) med en rundtgående kerne og en gennemgående leder (14), der udgør transfomerens primærvik- 25 ling, og med en sekundærvikling (16,76), der er viklet på afgrænsede afsnit af kernen (12,72), mens resten af kernen (12,72) er uden bevikling og udgør åg (18,78), og med en afskærmning til beskyttelse imod udefra kommende felter, kendetegnet ved, at ydersiderne af mindst et af ågene 30 (18,78) er afskærmet helt eller delvis med en skæm (50) af et ferro- eller ferrimagnetisk materiale, som ikke dækker sekundærviklingen eller dele af denne. DK 169008 B1 13

8. Strømtransformer ifølge krav 7, kendetegnet ved, at kernen er sammensat af to cirkelbueformede over for hinanden liggende beviklede afsnit og to omtrent retlinede åg, som forbinder de to cirkelbueformede beviklede afsnit, og hvor de 5 retlinede åg er forsynet med en skærm ifølge et eller flere af kravene 3-5.

9. Strømtransformer ifølge krav 7 eller 8, kendetegnet ved, at et ferro- eller ferrimagnetisk, skærmende materiale indgår som en integreret del af strømtransformerens 10 indkapsling.