WO1998010443A1 - Messwandler - Google Patents

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WO1998010443A1
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segments
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Ottmar Beierl
Jochen Ermisch
Frank Thieme
Uwe Stephan
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F30/00—Fixed transformers not covered by group H01F19/00
    • H01F30/06—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 characterised by the structure
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2847—Sheets; Strips
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    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2895—Windings disposed upon ring cores

Definitions

  • the invention relates to a transducer, in particular for a gas-insulated switchgear, e.g. for a high or medium voltage switchgear.
  • a secondary current driven by the voltage induced by the coil is used as the measurement signal.
  • layer winding causes considerable problems in the transmission of high frequencies due to resonance schemes.
  • Foil windings with overlapping foils - and thus identical layer windings make better use of the winding space, but do not bring about any improvement at high frequencies.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a transducer which has particularly small installation dimensions while at the same time having particularly favorable signal behavior.
  • the invention is based on the consideration that a particularly uniform winding structure with a special der ⁇ low full factor and particularly favorable signal behavior at high frequencies can be achieved in that a plurality of individually or continuously wound segments are arranged on the circumference of an annular winding support, in particular evenly, distributed to form a coil as a measuring sensor as a winding.
  • the or each segment is expediently wound from a strip conductor, preferably in the form of a foil winding with an insulated metal foil.
  • a segment-like winding for a choke coil is known from ⁇ er O 92/15 103.
  • each element in ° mzel r segments is folded, in particular at right angles to the winding direction, which is connected to the upper side of the adjacent segment by soldering or welding.
  • each segment has a fold both on its winding base and on its winding head.
  • the end of a winding of each segment facing the winding support is folded approximately right-angled to the winding surface, this end being connected to the winding head of the adjacent segment.
  • the folding of a strip conductor per se is known from DE-A-31 38 624.
  • a circular ring core is expediently used as the winding support.
  • a winding support or winding core formed in the form of a polygon can also be used.
  • the winding support for forming a step-shaped toroidal core is advantageously made from a number of straps of different widths.
  • a molded part for example a plastic molded part, is expediently applied around this core, around which the segment winding can be folded.
  • the plast form Part protects the core on the one hand from mechanical stresses during winding and on the other hand ensures that there are no turns in the winding.
  • the plastic molded part enables a particularly tight winding tension, since the bending radius no longer has to be as small as possible. This in turn reduces the mechanical stress on the core.
  • a particular advantage when using such a stepped toroidal core in a highly dynamic, low-power, wide-range converter is the possibility of utilizing a given installation volume that approaches the optimum.
  • the advantages achieved by the invention consist in particular in that the winding structure made up of a large number of individually or continuously wound segments enables a considerable reduction in the installation dimension of the transducer compared to previously known low-power wide-range transducers.
  • the transducer can be easily installed in existing parts of a gas-insulated switchgear, saving on a separate housing.
  • the transducer is therefore characterized by a particularly small installation volume.
  • the size of the transducer is essentially determined by the rated power and the requirements for its transient transmission behavior.
  • the low-power wide-range transducer thus enables the transmission of large primary currents, the limit to the true-to-original mapping of the primary current being easily calculable by the transducer.
  • FIG. 1 is a low-power wide-range transducer with a coil winding constructed from a plurality of segments, 2 in section II the winding structure according to FIG. 1 with individually wound segments,
  • Fig. 4 shows a transition point with continuously wound segments
  • FIG. 1 shows a high-dynamic, low-range transducer 1 which is housed in a housing 2 of e.g. encapsulated switchgear is arranged.
  • An electrical conductor or primary current conductor 3 runs centrally in the housing 2 and is coaxially surrounded by a circular winding support or winding core 4.
  • a plurality of winding segments 5 are applied to the winding core 4 to form a coil.
  • Each winding segment 5 comprises a layer winding in the form of a strip conductor, e.g. an insulated copper foil. Other conductors, e.g. As aluminum, are used.
  • the winding support 4 is designed in the form of an annular core.
  • a winding core 4 formed in the form of a polygon can also be used.
  • FIG. 2 shows two individually wound segments 5 using the example of two adjacent winding segments 5, the upper part of FIG. 2 being a plan view and the lower part of FIG. 2 being a side view.
  • the beginning of the winding 6 of the end of each segment 5 facing the winding core 4 has a deflection or fold 7, which on the upper side of the adjacent segment 5 at a junction
  • the winding beginning 6 of the segment 5 on the left in FIG. 2 provided with aer folding 7 thus forms a transition 9 to the neighboring segment 5 by folding and winding.
  • ⁇ s winding end 10 can form the adjacent segment 5 partly ooer stand-.
  • the or each fold 7 is only on the base, i.e. on a winding end 10 of each segment 5 facing the winding core 4.
  • FIG. 3 shows a continuous winding, each segment 5 having a fold 7 both on the winding base and on the winding head.
  • the winding of the segments 5 is again shown in the top subscription of FIG. 3 in supervision and in the bottom illustration in side view.
  • the transition 9 from the winding base of the segment 5 on the left in FIG. 3 to the winding head of the segment 5 on the right in FIG. 3 in turn results from folding and bending the strip conductor 11, which is made of an insulated metal foil. Any combination is also possible individually and continuously wound segments 5.
  • FIG. 5 shows a section of the structure of the winding support 4 in the form of a step belt core.
  • the winding core 4 is wound from a number of tapes 12 of different widths.
  • the material for the band 12 is a material according to the state of the art, in particular an iron band or an amorphous band.
  • the geometry of the arrangement is determined by predetermined installation dimensions, so that optimal use of a predetermined emo-volume 13 is ensured.
  • the winding core 4 of the transducer 1 is formed by a central part 14 and by two adjacent side parts 15 and 16.
  • a plastic or plastic molding 17 is provided on the end face of the winding core 4 and is enclosed around the winding core 4.
  • the winding of the ooer of each segment 5 is placed around this.
  • the plastic part 17 preferably separates both corner areas 18, 19, in particular the central part 14, of the winding support 4 from the winding of the segment 5.
  • the plastic molded part 17 thus protects the winding support 4 on the one hand against mechanical stresses during the winding and on the other hand ensures that there are no turns in the winding.
  • the dimensions yi, ⁇ 2 and ⁇ , X2 entered in FIG. 6 result from the available installation dimensions and thus from the available assembly volume 13.
  • the transducer 1 is characterized by a large dynamic range or high dynamic range, which is guaranteed by the operation with very small design induction.
  • a prerequisite for the accuracy in the measuring range covered by the wide-range measuring wall 1 is that the magnetic parameters achieved by annealing are not impaired by mechanical stresses. This is ensured by the structure of the transducer 1 described.

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Abstract

Zur Schaffung eines hochdynamischen leistungsarmen Meßwandlers (1), insbesondere für eine gasisolierte Schaltanlage, mit besonders geringen Einbaumaßen bei gleichzeitig besonders gutem Signalverhalten bei hohen Frequenzen ist dieser aus einem ringförmigen Wicklungsträger (4) aufgebaut, der auf seinem Umfang verteilt eine Vielzahl von einzeln oder fortlaufend gewickelten Segmenten (5) trägt, durch die eine Spule gebildet ist. Dabei ist der Wicklungsträger (4) vorzugsweise in Form eines Stufen-Ringbandkerns ausgebildet.

Description

Beschreibung
Meßwandler
Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwandler, insbesondere für eine gasisolierte Schaltanlage, z.B. für eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage .
Ein in der Praxis als Stromwandler in einer gasisolierter. Hoch- oder Mitteispannungsschaltanlage verwenderei Meßwar.aler ist z.B. aus der EP-A-0 668 598 bekannt Als Isoliergas rc in der Regel ein mit SF bezeichnetes Gc.s verwendet Der .leß- andler umfaßt im wesentl^cnen als Informationsgeber =m- ΌU- le, die einen einen Primärs rom fuhrenden Stromleiter der An- läge konzentrisch umgib . Dabei wird ein durch die n der Spule induzierten Spannung angetriebener Sekundarstrom als Meßsignal herangezogen.
Prinzipiell kann zwischen zwei unterschiedlichen Wandlerpππ- zipien unterschieden werden. Wahrend bei einem sogenannten konventionellen Wandler der Informationsgeber und eine diesem zugeordnete Energiequelle primarseitig an den Stromleiter αer Anlage gekoppelt und sekundarseitig gemeinsam mit der eigentlichen Bürde verbunden sind, ist bei einem sogenannten nicht- konventionellen Wandler lediglich der Informationsgeber primarseitig an den Stromleiter der Anlage gekoppelt. Bei dem nicht-konventionellen Wandler ist daher eine Hilfsenergie- quelle erforderlich, die zur Beibehaltung gewünschter Nennausgangsstrome des Sekundarkreises von 5 oder 1 A zumindest kurzzeitig eine Leistung bis zu einigen kW abzugeben in der Lage ist . Daher ist ein entsprechende Parameter aufweisender Leistungsverstarker erforderlich, über den der Informationsgeber und die Hilfsenergiequelle mit der Bürde verbunden sind. Angestrebt wird eine Zwischenlosung, der das herkomm- liehe oder konventionelle Meßprinzip - allerdings auf leistungsarmem Niveau - zugrundeliegt .
Ein Weg m der standigen Weiterentwicklung derartiger Meß- wandler strebt in Richtung auf eine zunehmende Reduktion der Einbaumaße. Zur Erreichung dieses Ziels wird in der europaischen Patentanmeldung 0 510 311 A2 vorgeschlagen, für eine metallgekapselte, gasisolierte Hochspannungsschaltanlaσe einen nach dem Prinzip der Rogowski-Spule arbeitenden St om- wandler einzusetzen. Die dort verwendete Spule st aus gewickelten Drahten hergestellt und weist αaner alle nerstei- lungsbedmgten Nachteile einer gewickelten Spule auf . Dies betrifft insbesondere den durch eine Drahtwickiunq ce nqten geringen Fullfaktor sowie Ungenauigkeiten beim Wickeln. Ein gleichm ßiger, vorzugsweise kreisrunder Wicklun saufbau ist jedoch insbesondere bei Einbau in eine gasisolierte Schaltanlage er orderlich.
Demgegenüber bereitet eine Lagenwicklung aufgrund von Reso- nanzerschemungen erhebliche Probleme bei der Übertragung hoher Frequenzen. Folienwicklungen mit sich überlagernden Folien - und damit identischen Lagenwicklunqen nutzen zwar den Wickelraum besser aus, bringen jedoch keine Verbesserung bei hohen Frequenzen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler anzugeben, der bei gleichzeitig besonders günstigem Signalverhalten besonders geringe Einbaumaße aufweist .
Diese Aufgabe wird erfindungsge äß gelost durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteranspruche .
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß ein be- sonders gleichmäßiger Wicklungsaufbau bei gleichzeitig beson- derε geringem Fullfaktor und besonders gunstigem Signalverhalten bei hohen Frequenzen dadurch erzielt werden kann, daß zur Bildung einer Spule als Meßsensor als Wicklung eine Vielzahl von einzeln oder fortlaufend gewickelten Segmenten auf dem Umfang eines ringförmigen Wicklungstragers , insbesondere gleichmäßig, verteilt angeordnet sind. Dabei ist das oder jedes Segment zweck aßigerweise aus einem Bandleiter gewickelt, vorzugsweise m Form einer Folienwicklung mit einer isolierten Metallfolie. Eine segmentartig unterteilte Wicklung für eine Drosselspule ist aus αer O 92/15 103 bekannt.
Zur Schaffung besonders geeigneter Übergänge zwischen den Segmenten oder Λicklungssegmenten erhalt bei °mzelr gewik- kelten Segmenten der Wicklungsanfang jedes Se ments eine Fal- tung, insbesondere rechtwinklig zum icklungssinn , αie auf der Oberseite des benachbarten Segments durch Loten oder Schweißen mit diesem verbunden ist. Bei einer fortlaufenden Wicklung weist jedes Segment sowohl auf dessen Wickelgrund als auch auf dessen Wickelkopf eine Faltung auf. In jedem Fall ist das dem Wicklungstrager zugewandte Ende einer Wicklung eines jeden Segments annähernd lechtwmkelig zum Wick- lungssmn gefaltet, wobei dieses Ende mit dem Wickelkopf des benachbarten Segments verbunden ist. Die Faltung eines Band- leiters an sich ist aus der DE-A-31 38 624 bekannt.
Als Wicklungstrager wird zweckmaßigerweise ein kreiεnngfor- miger Ringkern eingesetzt. Alternativ kann auch ein m Form eines Polygons ausgebildeter Wicklungstrager oder Wicklungskern verwendet werden. Dabei ist der Wicklungstrager zur Bil- düng eines stufenförmigen Ringbandkerns vorteilhafterweise aus einer Anzahl von Bandern unterschiedlicher Breite gewik- kelt. Zur Trennung der Eckbereiche des Wicklungstragers oder Wicklungskerns und der Wicklung ist um diesen Kern zweckmaßigerweise ein Formteil, z.B. ein Plast-Formteil , aufgebracht, um das die Segmentwicklung herumlegbar ist. Das Plast-Form- teil schützt den Kern einerseits vor mechanischen Beanspruchungen bei der Bewicklung und gewahrleistet andererseits, daß bei der Bewicklung keine Windungsschlusse auftreten. Außerdem ermöglicht das Plast-Formteil einen besonders genn- gen Wickelzug, da der Biegeradius nicht mehr so klein wie möglich sein muß. Dies wiederum verringert die mechanische Beanspruchung des Kerns. Ein besonderer Vorteil bei dem Einsatz eines solchen Stufen-Ringbandkerns in einem hochdynamischen leistungsarmen Weitbereichswandler besteht in der Mög- iichkeit einer sich dem Optimum ann hernden Ausnutzung eines vorgegebenen Einbauvolu enε .
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile oestehen insbesondere darin, daß durch den Wicklungsaufbau aus einer Vielzahl von einzeln oder fortlaufend gewickelten Segmenten eine erhebliche Reduktion des Einbaumaßes des Meßwandlers geςjenuber bisher bekannten leistungsarmen Weitbereichswandlern ermöglicht ist . Dadurch kann der Meßwandler in vorhandene Teile einer gasisolierten Schaltanlage unter Einsparung eines ge- sonderten Gehäuses problemlos eingebaut werden. Der Meßwandler zeichnet sich somit durch ein besonders geringes Einbau- volumen aus. Die Große des Meßwandlers ist im wesentlichen durch die Bemessungεleistung und durch die Anforderungen an sein transientes Ubertragungsverhalten bestimmt. Der lei- stungsarme Weitbereichsmeßwandler ermöglicht somit die Übertragung auch großer Primarstrome, wobei die Grenze zur originalgetreuen Abbildung des Primarstroms durch den Meßwandler in einfacher Weise berechenbar ist .
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen leistungsarmen Weitbereichsmeßwandler mit einer aus einer Vielzahl von Segmenten aufgebauten Spulen-Wicklung, Fig. 2 im Ausschnitt II den Wicklungsaufbau gemäß Fig. 1 mit einzeln gewickelten Segmenten,
Fig. 2 im Ausschnitt III den Wicklungsaufbau gemäß Fig. 1 mit fortlaufend gewickelten Segmenten,
Fig. 4 eine Übergangsstelle bei fortlaufend gewickelten Segmenten und
Fig. ^ und 6 m Querschnitt den Wicklungstrager des Wand- iers gemäß Fig. 1.
Einander entsprechende Teile sind m allen Figuren mit den gleichen Ξezugszeicnen versehen.
Figur _ zeigt einen hocndynamischen leistungsarmen «eitbe- reichε eßwandler 1, der in einem Gehäuse 2 einer z.B. gekapselten Schaltanlage angeordnet ist. Zentral im Gehäuse 2 verlauft ein elektrischer Leiter oder Pnmarstromleiter 3, der von einem kreisπngformigen Wicklungstrager oder Wicklungε- kern 4 koaxial umgeben ist. Auf den Wicklungskern 4 sind zur Bildung einer Spule eine Vielzahl von Wicklungsεegmenten 5 aufgebracht . Jedes Wicklungssegment 5 umfaßt eine Lagenwicklung m Form eines Bandleiters auε z.B. einer isolierten Kup- ferfolie. Auch können andere Leiter, z. B. Aluminium, zum Einsatz kommen. Der Wicklungstrager 4 ist im Ausfuhrungsbei- spiel m Form eines Ringkerns ausgebildet. Alternativ kann auch ein m Form eines Polygons ausgebildeter Wicklungskern 4 verwendet werden.
Figur 2 zeigt am Beispiel zweier benachbarter Wicklungssegmente 5 jeweils einzeln gewickelte Segmente 5, wobei der obere Teil der Fig. 2 eine Draufsicht und der untere Teil der Fig. 2 eine Seitenansicht darstellt. Der Wicklungsanfang 6 des dem Wicklungskern 4 zugewandten Endes jedes Segments 5 weist eine Umlenkung oder Faltung 7 auf, die auf der Ober- seite des benachbarten Segments 5 an einer Verbindungsstelle
8 mit dem Wicklungsende 10 des benachbarten Segments 5 durch
Loten , Kleben, Quetschen oder Schweißen verbunden ist. Mit dieser Faltung 7 wird eine Umlenkung des Bandleiters 11 von der Umfangsrichtung in Achsrichtung, oder umgekehrt, d. h. um ca. 90°, erreicht.
Der mit aer Faltung 7 versehene Wicklungεanfang 6 des in der Figur 2 linken Segments 5 bildet somit durch Faltung und Ab- wmkelung einen Übergang 9 zum benachbarten Segment 5 Wie am Beispiel der unteren Abbildung der Fig. 2 gezeigt, Kann ααs Wicklungsende 10 das benachbarte Segment 5 teilweise ooer vonstand-. α aoerspanne . Bei einzeln gewickelten Segmenten - ist die oder jede Faltung 7 lediglich auf dem Wιcκeιgrund, d.h. an einem dem Wicklungskern 4 zugewandten Wicklungsende 10 eines jeden Segments 5, vorgesehen.
Dagegen zeigt Figur 3 eine fortlaufende Wicklung, wobei jedes Segment 5 sowohl auf dem Wickelgrund als auch auf dem Wickel - köpf eine Faltung 7 aufweist. Eine derartige fortlaufende
Wicklung der Segmente 5 ist wiederum m der oberen Aboildung der Figur 3 in Aufsicht und in der unteren Abbildung in Seitenansicht dargestellt. Der Übergang 9 vom Wickelgrund des in der Figur 3 linken Segments 5 auf den Wickelkopf des in der Figur 3 benachbarten rechten Segments 5 ergibt sich wiederum durch Falten und Abwinkein des aus einer isolierten Metallfo- lie aufgebauten Bandleiters 11. Möglich ist auch eine beliebige Kombination aus einzeln und fortlaufend gewickelten Segmenten 5.
Der Übergang 9 bei fortlaufend gewickelten Segmenten 5 ist in Figur 4 dargestellt, wobei die obere Abbildung eine Seitenansicht und die untere Abbildung eine Aufsicht zeigt. D.e Bewicklung des Wicklungstragers 4 erfolgt ansonsten nach an sich bekannten Ringkernw ckeltechniken . In Figur 5 ist einem Schnitt der Aufbau des Wicklungstragers 4 in Form eines Stufen-R gbandkerns gezeigt. Der Wick- lungskern 4 ist aus einer Anzahl von Bandern 12 unterschiedlicher Breite gewickelt. Als Werkstoff für die Bander 12 kommt ein Material gemäß dem Stand der Technik m Frage, insbesondere ein Eisenband oder ein amorphes Band Die Geometrie der Anordnung ist durch vorgegebene Einbaumaße bestimmt, so daß eine optimale Ausnutzung eines vorgegebenen Emoauvoiu- mens 13 sichergestellt ist. Dabei ist der Wicklungskern 4 des Meßwandlerε 1 durch ein Mittelteil 14 sowie durch zwei diesem benachbarte Seitenteile 15 und 16 gebildet. An der Stirnseite des Wicklungskerns 4 ist ein Kunststoff- oder Plast - Formteil 17 vorgesehen, das um den Wicklungskern 4 iβiumge- iegt ist Um dieses herum ist die Wicklung des ooer jedes Segments 5 gelegt. Das Plast-For teil 17 trennt vorzugsweise beide Eckbereiche 18,19, insbesondere des Mittelteils 14, des Wicklungstragers 4 von der Wicklung des Segments 5 Das Plast-Formteil 17 schützt somit den Wicklungstrager 4 einerseits vor mechanischen Beanspruchungen bei der Bewicklung und gewährleistet andererseits, daß bei der Bewicklung keine Win- dungsschlusse auftreten.
Darüber hinaus ermöglicht das Plast-Formteil 17 einen geringen Wickelzug. Grund hierfür ist, daß der in Figur 6 darge- stellte Biegeradius R nicht mehr so klein wie möglich sein muß. Auf diese Weise wird die mechanische Beanspruchung des Wicklungskerns 4 besonders gering. Figur 6 zeigt auch die Zusammenhange bei der Dimensionierung des stufenförmig und in Form eines Ringbandkerns ausgebildeten Wicklungskerns 4. Der Radius R wird einerseits durch den für den jeweiligen Wickelzug des Segments 5 minimalen Biegeradius des durch die Segmente 5 repräsentierten Sekundarleiters der Spule in Form des Bandleiters 11 und andererseits durch die zur Verfugung ste¬ hende Gesamthöhe H = 2 yi + y2 bestimmt. In einer Extremwert - betrachtung für die Geometrie des Ringband- oder Wicklungs- kerns 4 ergeben sich die in Figur 6 eingetragenen Abmessungen yi, γ2 sowie α , X2 aus den zur Verfugung stehenden Einbaumaßen und damit aus dem zur Verfugung stehenden Embauvc- lumen 13.
Der Meßwandler 1 zeichnet sich durch einen großen Dynamikbereich oder Hochdynamikbereich aus, der durch den Betrieb bei εehr kleinen Bemessungsinduktionen gewährleistet ist. Voraussetzung für die Genauigkeit im durch den Weitbereichsmeßwand- 1er 1 abgedeckten Meßbereich ist dabei, daß die durcr Glühen erzielten magnetischen Parameter nicht durch mechanische Beanspruchungen verschlechtert werden. Dies ist durch den beschriebenen Aufbau des Meßwandlers 1 sicherαestellc .

Claims

Patentansprüche
1. Meßwandler (1), insbesondere Stromwandler, mit einem ringförmigen Wicklungstrager '(4) , der auf seinem Umfang eine Vielzahl von gewickelten Segmenten (5) tragt, wobei jedes
Segment (5) aus einer Lagenwicklung aus einem elektrisch isolierten Bandleiter (11) gewickelt ist, und wobei aus den Segmenten (5) eine Spule gebildet ist, indem ein dem Wicklungstrager (4) zugewandtes Ende (6) einer Wicklung des Segments (5) annähernd rechtwinklig zum Wicklungssinn gefaltet ist und dieses Ende (6) mit einem dem Wicklungskern (4) abgewandten Ende (10) des benachbarten Segments (5) verounoen ist.
2. Meßwandler nach Anspruch 1, bei dem die Lagenwιcκ ung aus einer isolierten Metallfolie aufgebaut ist.
3. Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wicklungstrager (4) kreisnngformig ausgebildet ist.
4. Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wicklungstrager (4) polygonal ausgebildet ist.
5. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wicklungstrager (4) zur Bildung eines stufenförmigen Rmg- bandkerns aus einer Anzahl von Bandern (12) unterschiedlicher Breite gewickelt is .
6. Meßwandler nach Anspruch 5, wobei der Ringbandkern (4) an seiner Stirnseite ein Formteil (17), insbesondere ein Plast- Formteil, aufweist.
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