EP0653767B1 - Induktiver elektrischer Wandler für Mittelspannung - Google Patents

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EP0653767B1
EP0653767B1 EP94115707A EP94115707A EP0653767B1 EP 0653767 B1 EP0653767 B1 EP 0653767B1 EP 94115707 A EP94115707 A EP 94115707A EP 94115707 A EP94115707 A EP 94115707A EP 0653767 B1 EP0653767 B1 EP 0653767B1
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EP
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magnetic core
disc
core
axial direction
coil
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Karl Dipl.-Ing. Stegmüller
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Schneider Electric Sachsenwerk GmbH
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Sachsenwerk AG
AEG Sachsenwerk GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/02—Casings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/20—Instruments transformers
    • H01F38/22—Instruments transformers for single phase ac
    • H01F38/24—Voltage transformers
    • H01F38/26—Constructions

Definitions

  • the invention relates to an inductive electrical converter according to the preamble of the first claim.
  • a converter designed as a voltage converter is known (DE-A-2 843 608), which is characterized by an axial direction adjacent tubular core parts formed Magnetic core is passed through an insulating tube that is tight the front flanges of the electrical installations are gas-tight surrounding wrapping is performed. There is one on the magnetic core multilayer secondary winding wound on her External circumference separated by electrical insulation Primary winding. Is coaxial to this arrangement on the outer circumference also a cylindrical magnetic core part, which provided for an improvement of the magnetic yoke is. The cavities inside the envelope are filled with an insulating gas.
  • the invention is based on the object of a converter to create the preamble of the first claim, the one reduced construction volume and its size to the electrical voltage to be measured is adaptable.
  • a simple, pre-made casing for use get into which the magnetic core with the associated Windings even without the help of electrical insulating casting resins or the like. Including any cavities is set.
  • the one in the wrapper Insulated gas filling introduced from SF6 or similar insulating gases reliable electrical insulation in the field of design-related cavities.
  • For wrapping is just a simple tubular body made of electrical Insulating material necessary, the end faces with one each tightly attached flange are to be closed when the Magnetic core with the windings inserted in the tubular body is.
  • the Primary winding is made up of several axially adjoining independent and electrically connected in series Disc coils built up, the free winding end of the an axially terminal disc coil High voltage potential and the free winding connection of the with the last disc coil axially removed Ground potential is to be connected. Adjacent to this The last disc coil is the secondary winding arranged so that only one between these two coils negligible electrical voltage potential exists, that is easy to master in terms of insulation technology. At this winding structure, it is particularly advantageous that depending on the amount of high voltage to be measured, the number of primary-side disc coils accordingly enlarged or can be reduced. Of the Magnetic core is designed in several parts to make it the necessary axial length of the primary winding including the To be able to adjust the secondary winding.
  • the magnetic core consists of at least in the area of the primary winding a magnetic material that has a very low electrical Has conductivity, so as an electrical insulator works.
  • the magnetic core does not form an electrical one Short circuit for the electric field between the High voltage connection and the ground connection, so that especially when connected to ground potential Magnetic core the same does not have the ground potential total axial length of the primary winding in the range of transmits high-voltage side.
  • Much more the magnetic core forms electrical insulation so that which is established over the length of the primary winding Voltage drop due to capacitive coupling in particular forms on the insulating magnetic core.
  • the Voltage difference between the individual sections of the Primary winding and the magnetic core is thus low, so that correspondingly small isolation distances for one safe operation is sufficient.
  • the SF6 insulation in Connection with the electrically insulating magnetic core and the one that reduces the voltage drop in stages Chamber coil designed primary coil allow the Construction of a voltage converter for medium voltage in very small size.
  • the invention is based on the schematic diagram of a voltage converter shown in longitudinal section explained.
  • An inductive electrical voltage converter for Medium-voltage networks have a soft magnetic Magnetic core 1, which has a low magnetic remanence owns and the one primary winding of several axially lined-up disc coils 2 and another, arranged in the axial extension, as Secondary winding 3 assigned disc winding assigned is. This arrangement is within one Enclosure made of an electrically insulating tubular body 4, the end faces of each with a tightly attached flange 5 are closed.
  • the wrapper 4.5 encloses the Magnetic core 1 with the windings 2,3 gas-tight, the design-related cavities in the area of the magnetic core with its windings 2, 3 and the inner casing of the sheathing 4.5 is filled with an insulating gas that has a higher Has insulation value as air and in particular Sulfur hexafluoride, i.e. SF6 or a similar insulating gas is.
  • the wrapping is simple representable after only one Isolierstoffrohrab songs both ends with the particular Flanges made of metal must be sealed gas-tight by means of an interposed adhesive 6.
  • the magnetic core 1 consists in particular of an electrical insulating magnetic material, preferably based of ferrites which, with good magnetic, are very low have electrical conductivity, i.e. electrical Form isolators. This will avoid that a metallic magnetic core not at every point of the assigned windings 2, 3 have the same potential, in particular earth or ground potential is introduced.
  • the formation of the primary coil as Chamber coil or as an axial series of individual Disc coils that then the Voltage drop across the axial length of the disc coil too Disc coil is gradually removed to ground potential, to which the last disc coil is placed. It results thereby between the winding connections of the Primary coil a great electrically effective way that here by combining it with that as an electrical insulator acting magnetic core is not shortened.
  • the secondary winding 3 is in the axial direction terminal disc coil 2.5 of the primary winding 2 arranged adjacent, the free winding terminal 7 on Ground potential is to be switched on.
  • the electrical Voltage drop between the disc coil 2.5 and the Secondary winding 3 is so low that the insulation the bobbin is sufficient, on which the individual Disc coils 2.1 to 2.5 or the secondary winding 3 are wound up.
  • the independent disc coils 2.1 to 2.5 enable this the voltage range to be recorded accordingly vary. It is therefore easily possible Converter structure for the voltage series for e.g. 12 kV, 24 kV or adjust 36 kV in a simple way.
  • the axial end faces of the disc coils 2.1 to 2.5 with matched contact contact surfaces 8 the when the coil disks are lined up in mutual contact system and so the Series connection automatically without special aids accomplish.
  • the primary coil is also the magnetic core 1 of several in Core parts 1.1 and 1.2 which can be joined together in the axial direction built up, depending on the needs between terminal Final core parts 1.3 are to be inserted.
  • the Magnetic core two E-shaped in cross section Final core parts 1.3 on that with their open sides face each other and between which the windings 2,3 lie. Should the detectable Voltage range of the converter must be increased one or more additional disc coils can be used.
  • one or more of the intermediate core parts 1.1 or 1.2 added.
  • the intermediate core parts 1.2 inserted in the center of the disc coils, while the outer intermediate core parts 1.1 in the area of The outer circumference of the disc coils can be arranged.
  • the Intermediate core parts 1.1 can be used as the disc coils encompassing rings are formed. So it can vary depending voltage range to be detected also several of the intermediate core parts 1.1 or 1.2 between the final core parts 1.3 be set.
  • the multi-part magnetic core 1 axially compresses and thereby that adversely affect the magnetic flux Gaps in the magnetic circuit reduced to a minimum.

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Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven elektrischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Es ist ein als Spannungswandler ausgebildeter Wandler bekannt (DE-A-2 843 608), bei dem durch einen in axialer Richtung aus aneinander anschließenden rohrförmigen Kernteilen gebildeten Magnetkern ein Isolierrohr hindurchgeführt ist, das dicht durch stirnseitige Flansche einer die elektrischen Einbauten gasdicht umgebenden Umhüllung geführt ist. Auf den Magnetkern ist eine mehrlagige Sekundärwicklung aufgewickelt,die auf ihrem Außenumfang eine durch eine elektrische Isolierung abgetrennte Primärwicklung trägt. Koaxial zu dieser Anordnung befindet sich am Außenumfang zusätzlich ein zylindrischer Magnetkernteil, der für eine Verbesserung des magnetischen Rückschlusses vorgesehen ist. Die sich innerhalb der Umhüllung befindenden Hohlräume sind mit einem Isoliergas gefüllt. Von Nachteil ist bei diesem Aufbau, daß die dem rohrförmigen Magnetkern zugeordnete Isolation und die darauf aufgewickelten Wicklungslagen zu einem großen Durchmesser des Wandlers führen, wobei zusätzlich in die Sekundärwicklung eingebrachte Zwischenelektroden erforderlich sind, deren über die Stirnseiten der Sekundärwicklung vorstehende Enden mit Feldsteuerelektroden versehen sein müssen, die eine elektrische Feldsteuerung im wicklungsfreien Raum zwischen dem Tragrohr und der Umhüllung bewirken. Hierdurch ergibt sich eine große axiale Baulänge.
Es ist auch ein Hochspannungs-Prüftransformator mit isolierten Kernsegmenten bekannt (DE-A 38 03 846), bei dem die Primär- und Sekundärwicklungen auf zwei parallelen Kernsäulen aus axial aneinandergereihten Kernteilen vorgesehen sind. Die Verbindung der einzelnen Spulen erfolgt über nach außen geführte Leitungen, die bei Bedarf über Steckverbindungen außerhalb der Wicklungen miteinander verbunden werden. Ein Aufbau dieser Art ist für Laborzwecke zur Anwendung in Luftisolation geeignet und baut dabei räumlich beachtlich groß. Auch ist ein magnetischer Rückschluß insbesondere im Bereich der äußeren Spulenteile nicht gegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs zu schaffen, der ein verringertes Bauvolumen beansprucht und dessen Baugröße an die zu messende elektrische Spannung anpaßbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.
Bei einem Aufbau eines Wandlers gemäß der Erfindung kann eine einfache, vorgefertigte Umhüllung zur Anwendung gelangen, in welche der Magnetkern mit den zugehörigen Wicklungen auch ohne Zuhilfenahme von elektrisch isolierenden Gießharzen oder dgl. unter Einschluß beliebiger Hohlräume festgesetzt wird. Die in die Umhüllung eingebrachte Isoliergasfüllung aus SF6-oder ähnlichen Isoliergasen bewirkt hier die zuverlässige elektrische Isolierung im Bereich der konstruktionsbedingten Hohlräume. Für die Umhüllung ist dabei lediglich ein einfacher Rohrkörper aus elektrischem Isolierstoff notwendig, dessen Stirnflächen mit je einem dicht angesetzten Flansch zu verschließen sind, wenn der Magnetkern mit den Wicklungen in den Rohrkörper eingesetzt ist.
Die Primärwicklung ist aus mehreren axial aneinander anschließenden eigenständigen und elektrisch in Serie geschalteten Scheibenspulen aufgebaut, wobei das freie Wicklungsende der einen axial endständigen Scheibenspule an Hochspannungspotential und der freie Wicklungsanschluß der davon axial entfernten letzten Scheibenspule mit Massepotential zu verbinden ist. Benachbart zu dieser letzten Scheibenspule ist dann auch die Sekundärwicklung angeordnet, so daß zwischen diesen beiden Spulen nur ein vernachlässigbares elektrisches Spannungspotential besteht, das isolationstechnisch leicht zu beherrschen ist. Bei diesem Wicklungsaufbau ist es von besonderem Vorteil, daß je nach Höhe der zu messenden Hochspannung die Anzahl der primärseitigen Scheibenspulen entsprechend vergrößert oder verkleinert werden kann. Der Magnetkern ist mehrteilig ausgebildet, um ihn an die notwendige axiale Länge der Primärwicklung einschließlich der Sekundärwicklung anpassen zu können. Der Magnetkern besteht zumindest im Bereich der Primärwicklung aus einem Magnetwerkstoff, der eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, also als elektrischer Isolator wirkt. Dadurch bildet der Magnetkern keinen elektrischen Kurzschluß für das elektrische Feld zwischen dem Hochspannungsanschluß und dem Masseanschluß, so daß insbesondere bei an Massepotential angeschlossenem Magnetkern derselbe das Massepotential nicht über die gesamte axiale Länge der Primärwicklung in den Bereich des hochspannungsseitigen Anschlusses überträgt. Vielmehr bildet der Magnetkern eine elektrische Isolation, so daß sich der über die Länge der Primärwicklung einstellende Spannungsabfall durch insbesondere kapazitive Kopplung auch am isolierenden Magnetkern ausbildet. Die Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Abschnitten der Primärwicklung und dem Magnetkern ist somit gering, so daß auch entsprechend kleine Isolationsabstände für einen sicheren Betrieb ausreichen. Die SF6-Isolierung in Verbindung mit dem elektrisch isolierenden Magnetkern und der nach Art einer den Spannungsabfall in Stufen abbauenden Kammerspule ausgebildeten Primärspule ermöglichen den Aufbau eines Spannngswandlers für Mittelspannung in sehr kleiner Bauweise.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Prinzipskizze eines im Längsschnitt dargestellten Spannungswandlers näher erläutert.
Ein induktiver elektrischer Spannungswandler für Mittelspannungsnetze weist einen weichmagnetischen Magnetkern 1 auf, der eine geringe magnetische Remanenz besitzt und dem eine Primärwicklung aus mehreren axial aneinander gereihten Scheibenspulen 2 sowie einer weiteren, in der axialen Verlängerung angeordneten, als Sekundärwicklung 3 genutzten Scheibenwicklung zugeordnet ist. Diese Anordnung befindet sich innerhalb einer Umhüllung aus einem elektrisch isolierenden Rohrkörper 4, dessen Stirnflächen mit je einem dicht angesetzten Flansch 5 verschlossen sind. Die Umhüllung 4,5 umschließt den Magnetkern 1 mit den Wicklungen 2,3 gasdicht, wobei die konstruktionsbedingten Hohlräume im Bereich des Magnetkerns mit seinen Wicklungen 2,3 und dem Innenmantel der Umhüllung 4,5 mit einem Isoliergas gefüllt ist, das einen höheren Isolationswert als Luft aufweist und insbesondere Schwefelhexafluorid, also SF6 oder ein ähnliches Isoliergas ist. Die Umhüllung ist dabei in einfacher Weise darstellbar, nachdem lediglich ein Isolierstoffrohrabschnitt beidendig mit den insbesondere aus Metall bestehenden Flanschen gasdicht abzuschließen ist mittels eines zwischengefügten Klebstoffs 6.
Der Magnetkern 1 besteht insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Magnetwerkstoff, vorzugsweise auf der Basis von Ferriten, die bei guter magnetischer eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, also elektrische Isolatoren bilden. Dadurch wird vermieden, daß gegenüber einem metallischen Magnetkern nicht an jede Stelle der zugeordneten Wicklungen 2,3 das gleiche Potential, insbesondere Erd- oder Massepotential herangeführt wird.
Dabei bewirkt die Ausbildung der Primärspule als Kammerspule bzw. als axiale Aneinanderreihung von einzelnen Scheibenspulen, daß dann der Spannungsabfall über die axiale Länge von Scheibenspule zu Scheibenspule stufig bis zum Massepotential abgebaut wird, an welches die letzte Scheibenspule gelegt ist. Es ergibt sich dadurch zwischen den Wicklungsanschlüssen der Primärspule ein großer elektrisch wirksamer Weg, der hier durch die Kombination mit dem als elektrischer Isolator wirkenden Magnetkern nicht verkürzt wird.
Die Sekundärwicklung 3 ist in axialer Richtung der endständigen Scheibenspule 2.5 der Primärwicklung 2 benachbart angeordnet, deren freier Wicklungsanschluß 7 an Massepotential anzuschalten ist. Das elektrische Spannungsgefälle zwischen der Scheibenspule 2.5 und der Sekundärwicklung 3 ist dadurch so gering, daß die Isolation der Spulenkörper ausreicht, auf welche die einzelnen Scheibenspulen 2.1 bis 2.5 bzw. die Sekundärwicklung 3 aufgewickelt sind.
Die eigenständigen Scheibenspulen 2.1 bis 2.5 ermöglichen es, den zu erfassenden Spannungsbereich entsprechend zu variieren. Es ist somit ohne weiteres möglich, den Wandleraufbau für die Spannungsreihen für z.B. 12 kV, 24 kV oder 36 kV in einfacher Weise anzupassen. Hierfür sind die axialen Stirnseiten der Scheibenspulen 2.1 bis 2.5 mit aufeinander abgestimmten Kontaktanlageflächen 8 versehen, die beim Aneinanderreihen der Spulenscheiben in gegenseitige Kontaktanlage treten und so die Reihenschaltung selbsttätig ohne besondere Hilfsmittel bewerkstelligen. Zur Anpassung an die axiale Länge der Primärspule ist auch der Magnetkern 1 aus mehreren in axialer Richtung aneinanderfügbaren Kernteilen 1.1 bzw. 1.2 aufgebaut, die je nach Bedarf zwischen endständige Abschluß-Kernteile 1.3 einzufügen sind. Dabei weist der Magnetkern zwei im Querschnitt E-förmige Abschluß-Kernteile 1.3 auf, die mit ihren offenen Seiten gegeneinanderweisen und zwischen welchen die Wicklungen 2,3 liegen. Soll der erfaßbare Spannungsbereich des Wandlers vergrößert werden, müssen eine oder mehrere weitere Scheibenspulen eingesetzt werden. Um dabei den Spalt zwischen den Abschluß-Kernteilen 1.3 zu schließen, werden ein oder mehrere der Zwischen-Kernteile 1.1 bzw. 1.2 zwischengefügt. Dabei werden die Zwischen-Kernteile 1.2 in das Zentrum der Scheibenspulen eingesetzt, während die äußeren Zwischen-Kernteile 1.1 im Bereich des Außenumfangs der Scheibenspulen angeordnet werden. Die Zwischen-Kernteile 1.1 können dabei als die Scheibenspulen umgreifende Ringe ausgebildet sein. Es können also je nach zu erfassendem Spannungsbereich auch mehrere der Zwischen-Kernteile 1.1 bzw. 1.2 zwischen die Abschluß-Kernteile 1.3 gesetzt werden.
Zwischen den Flansch 5 und den benachbarten Abschluß-Kernteil 1.3 ist eine mechanische Druckfeder 9 eingesetzt werden, die den mehrteiligen Magnetkern 1 axial zusammendrückt und dadurch die den magnetischen Fluß nachteilig beeinträchtigenden Spalte im magnetischen Kreis auf ein Minimum reduziert.

Claims (2)

  1. Induktiver elektrischer Wandler, insbesondere Spannungswandler für Mittelspannung, mit einem weichmagnetischen, in axialer Richtung aneinander anschließende Kernteile (1.1; 1.2; 1.3) aufweisenden Magnetkern (1) und demselben zugeordneter Primär- (2) und Sekundärwicklung (3) und mit einem den Magnetkern (1) mit den Wicklungen (2, 3) umschließenden Rohrkörper (4) der zusammen mit stirnseitig angesetzten Flanschen (5) eine Umhüllung aus festem elektrischen Isolierstoff bildet, die den Magnetkern (1) mit den Wicklungen (2, 3) allseitig gasdicht umschließt, wobei innerhalb der Umhüllung (4, 5) vorhandene Hohlräume mit einem Isoliergas, insbesondere mit SF6, gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (1) zumindest im Bereich der Primärwicklung (2) aus einem Magnetwerkstoff besteht, der eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist und aus zwei im Querschnitt E-förmigen Abschluß-Kernteilen (1.3) mit in axialer Richtung zwischen denselben angeordneten angepaßten Zwischen-Kernteilen (1.1; 1.2) besteht, die mit ihren offenen Seiten gegeneinander weisen und zwischen welchen die Wicklungen (2, 3) liegen, daß die Primärwicklung (2) nach Art einer Kammerspule aus mehreren axial aneinander anschließenden eigenständigen, in Serie geschalteten Scheibenspulen (2.1-2.5) aufgebaut ist, von welchen eine erste axial endständige Scheibenspule (2.1) an eine elektrische Spannungsquelle und die axial entfernteste Scheibenspule (2.5) an Massepotential anzuschließen ist und letzterer Scheibenspule (2.5) die Sekundärwicklung (3) axial benachbart zugeordnet ist, daß die Scheibenspulen (2.1-2.5) an den axialen Stirnflächen Kontaktelemente (8) aufweisen, die bei axial aneinander gefügten Scheibenspulen paarweise in Kontaktanlage treten und eine elektrische Serienschaltung der benachbarten Scheibenspulen erzeugen und daß zwischen einen Flansch (5) und einen benachbarten Abschlußkernteil (1.3) des Magnetkerns (1) eine mechanische Druckfeder (9) eingesetzt ist.
  2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Zwischen-Kernteile (1.1; 1.2) in Achsrichtung aneinander gefügt sind.
EP94115707A 1993-11-11 1994-10-06 Induktiver elektrischer Wandler für Mittelspannung Expired - Lifetime EP0653767B1 (de)

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