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Induktiver, vorzugsweise in den Linienzug der vollständig metallgekapselten und geerdeten Hochspannungsanlage eingebauter Hochspannungswandler
Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven, vorzugsweise in den Linienzug der vollständig metallgekapselten und geerdeten Hochspannungsanlage eingebauten Hochspannungswandler, dessen durch die Wicklungen greifender Kern auf Messpotential steht.
Höchstspannungswandler mit offenem magnetischem Kern, der unter dem Messpotential liegt, sind bekannt. Kern und Wicklungen befinden sich dabei in einem Isoliermantel oder in Luft.
Durch ein Wesensmerkmal der vorliegenden Erfindung, darin bestehend, dass die um den den Primär- leiter koaxial umgebenden Magnetkern gewundenen und auf mehrere Teilspulen aufgeteilten Primärwick- lungen sich ganz im Innern eines reinen Zylinderfeldes befinden, das sich zwischen dem Hochspannung- leiter und einer zu diesem und zur Wicklung koaxialen, mindestens über die ganze von den Primärwindungen beanspruchten Länge leitenden und geerdeten zylindrischer. Hülle erstreckt, werden überraschende Vorteile gewonnen. Die primären Windungen können dabei mehrere Spulen bilden, deren Durchmesser so gestuft sind, dass die radiale Isolationsstärke der von Spule zu Spule und gegen den zentralen Kern wachsenden Spannung und gegen Erde von Spule zu Spule abnehmenden Spannung zu-respektive abnimmt.
Der magnetische Rückschluss eines solchen Spannungswandlers ausserhalb der geerdeten leitenden Hül- le kann, wie in Fig. l dargestellt, durch die Luft erfolgen. Diese Ausführung des Wandlers ist besonders für sehr hohe Spannungen-über etwa 100 kV-vorteilhaft.
In Fig. l bedeutet 1 den Hochspannungs-Stromleiter von vorteilhaft rundem Querschnitt, 2 den offenen Eisenkern, der den Stromleiter koaxial umgibt, 3 - 7 die primären Spulen, 11 die sekundäre Wicklung, 12 den umhüllenden leitenden Mantel. Dieser leitende Mantel muss mindestens im Austrittsbereich des magnetischen Flusses hohen spezifischen Widerstand besitzen.
Der magnetische Rückschluss ausserhalb der geerdeten leitenden Hülle kann aber auch, wie in Fig. 2 dargestellt, durch ein gegen den zentralen Kern isoliertes Joch hoher magnetischer Permeabilität, insbesondere aus Transformatorenblech, erfolgen, dessen Enden polschuhartig so ausgebildet sind, dass der Querschnitt des die Isolierschicht durchdringenden magnetischen Flusses vorzugsweise wesentlich grösser ist als der Querschnitt des zentralen Magnetkerns. Dies ist leicht erreichbar, weil nichts im Wege steht, den zentralen Kern axial wesentlich über die Wicklungsenden vorstehen zu lassen.
Diese Ausführung eignet sich besonders für Nennspannungen von etwa 10 - 80 kV. Die primäre Wicklung ist deshalb hier in der Form einer einzigen Spule gezeichnet, sie kann aber auch zwei oder mehr axial und/oder radial gegeneinander verschobene Teilspulen bilden.
In Fig. 2 ist 1 der Stromleiter, 2 der zentrale Eisenkern, 3 der Rückschlusskern, 4 die primäre Spule, 11 die sekundäre Spule, 12 der umhüllende leitende Mantel.
Durch die beschriebenen Anordnungen ergeben sich ausgezeichnete dielektrische und magnetische Verhältnisse. Das elektrische Feld durchsetzt aLe Spulen und das Dielektrikum radial ; nur zwischen aufeinanderfolgenden Spulen treten noch axiale Komponenten von gut beherrschbarer Grösse auf. Bei Stoss- , pannung ergibt sich so eine vollständig gleichmässige Spannungsverteilung auf alle Spulen. Die radialen Abmessungen sind relativ sehr klein. Die magnetische Kupplung von Primär-und Sekundärwicklung ist
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die denkbar günstigste. Besonders aber kann der Wandler verschiedenste, zum Teil neuartige, im Anlage- bau zweckmässige Formen annehmen, welche weiter unten beschrieben sind.
Für hohe Spannungen können die Prlmärwicklungund derpolschuhartige, radiale Teil des Rückschluss- kerns in mindestens zwei koaxiale, in Reihe geschaltete Stufen unterteilt werden, wobei zwischen den
Stufen des Kerns je eine Isolierschicht liegt. Fig. 7 zeigt einen so aufgebauten Spannungswandler mit drei koaxialen Stufen. Dass die Wicklung selbst räumlich in Stufen unterteilt ist, ist nicht so wesentlich wie die elektrische Unterteilung, derart, dass das Spannungsgefälle der Magnetkernstufen angenähert parallel verläuft wie dasjenige der Wicklungslagen. Dies kann vorteilhaft erreicht werden durch direkte leitende
Verbindungen der Kernstufen mit den entsprechenden Wicklungslagen.
Aber bei geeigneter Bemessung erhalten die Kernstufen auch schon vermöge ihrer kapazitiven Kupplung untereinander das ihrer geometrischen Lage entsprechende Potential. Ein Durchftihrungsisolator, bei hohen Spannungen vorteilhaft eine Kondensatordurchführung, fahrt den Hochspannungspol nach aussen.
In. Fig. 7 ist 1 der zentrale Eisenkern, 2 der Ruckschlusskern mit den radialen Stufen 3,4 und 5. Die entsprechenden Stufen der Primärwicklung sind 6,7 und S. 9 ist die Sekundärwicklung. Ein geerdeter leitender Mantel 10 umhüllt das ganze System. Durch diesen Mantel führt die Kondensatordurchführung 11.
Die Isolierschichten zwischen den Kemstufen sind mit 12 bezeichnet.
Der dargestellte mehrstufige Spannungswandler ergibt nicht eine einzige Stelle, in der das elektrische Feld nicht günstig verläuft. Der Materialaufwand ist relativ sehr klein infolge restloser Ausnützung, weshalb auch die Abmessungen relativ klein sind.
Eine Bauart, die im Prinzip mit derjenigen von Fig. 7 übereinstimmt, die jedoch aus 2 oder mehr koaxialen Teilwandlern besteht, die je selbständig herstellbar und prüfbar sind, und die sich dann ineinanderschieben lassen zu einem einzigen Wandler, ist in Fig. 8 dargestellt. Es bedeuten 1 der zentrale zylindrische Eisenkern, 2 der dazu koaxiale Rückschlusskern, 3 radiale Jochkerne, 4 und 5 primäre Spulen, 6 und 7 die sich auch zwischen die Jochkeme fortsetzende Isolation, 9 die sekundäre Wicklung, 10,11 und 12 sind leitende Überzüge, von denen 10 und 11 kurz geschlossen sind ; 13 und 14 sind Isolationsteile, welche zusammen die isolierende Einführung bilden. Die leitenden Überzüge besitzen hohen spezifischen Widerstand, damit sich keine störenden Wirbelströme bilden.
Es ist zweckmässig, die ineinanderschiebbaren Teilwandler leicht konisch zu begrenzen.
Als Isoliermaterial der zwischen Kern, AussenhllUe und Wicklungen verbleibenden Räume eignen sich besonders die folgenden :
1. Aufgebandeltes Papier, das nach Vakuumtrocknung unter Vakuum mit Öl imprägniert wurde. Dabei sind die einzelnen Spulen je für sich quer zum Draht umbandelt. Der übrige Raum ist koaxial zum Hochspannungsleiter umbandelt. So lässt sich der gesamte zwischen den einzelnen Teilen vorhandene Raum dicht mit Papier so füllen, dass das Papier grösstenteils quer zu den elektrischen Feldlinien liegt, wenigstens überall dort, wo die Feldstärke gross ist. Solche Apparate benötigen ein Ölexpansionsgefäss, das allerdings relativ klein sein soll, weil die Ölmenge klein ist (kleine Abmessungen, Öl nur als Imprägniermittel).
Diese Art der Isolation ist u. a. dann von grösserer Bedeutung, wenn der Spannungswandler in ein Ölkabel eingebaut wird, z. B. als Kabelendverschluss.
2. Aufgebandeltes Papier, vorzugsweise Krepp-Papier, das nach Vakuumtrocknung unter Vakuum mit einem Epoxyharz imprägniert ist. Dies ergibt eine völlig "trockene", dielektrisch und mechanisch vorzügliche Isolation von nahezu isotroper Art.
3. Epoxyharz mit mineralischem Zusatz gibt ebenfalls eine "trockene", dielektrisch und mechanisch gute und praktisch völlig isotrope Isolation.
4. Geeignet sind auch einige Thermoplaste, besonders Polyäthylen, insbesondere vernetztes Poly- äthylen (VerfahrennachZiegleru. ä. ; femerBestrahlungsverfahren).
5. Die wesentliche Isolation kann auch ein Gas hoher dielektrischer Festigkeit sein, wie Pressluft, Schwefelhexafluorid unter erhöhtem Druck etc.
Messtransfbrmatoren der oben beschriebenen Art lassen sich in verschiedenen Formen herstellen, so insbesondere in den folgenden :
Die in Fig. l, 2 und 3 bezeichneten Spannungswandler eignen sich als Teilstück einer isolierten, aussen mit einem Erdbelag versehenen Stromschiene, die sich beidseitig fortsetzt. Auf die isolierte Schiele lassen sich Ringkernstromwandler aufschieben. So ergibt sich insgesamt eine kombinierte Messgruppe aus Spannungswandler und Stromwandler.
In Fig. 3 sind die beiden axialen Enden des Wandlers von Fig. 1 als konische Fugen mit Stecker ausgebildet. Die engen Fugen sind mit einem fliessbaren Dielektrikum in bekannter Weise gefüllt.
In Fig. 4 ist derselbe Wandler am einen Ende geschlossen. Am andern Ende ist die Isolation durch
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Kondensator-Einlagen 14 feldgesteuert. Dieser Spannungswandler kann z. B. als vertikaler Apparat aufge- stellt werden.
In Fig. 5 ist der Stromleiter des Wandlers am einen Ende zu einem Ring ausgebildet, welcher die primäre Wicklung eines Stromwandler enthält.
In Fig. 6 ist das eine Ende des Spannungswandlers so verlängert, dass ein U gebildet wird. Dessen einer
Schenkel bildet den Stromwandler mit dem Ringkern.
In den Fig. 3-6 sind dieselben Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in Fig. l.
Wandler nach Fig. 7 lassen sich ebenfalls analog Fig. 1 - 3 in den Zug von Stromschienen einbauen.
Die Messwandler nach vorliegender Erfindung bieten geradezu überraschende Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Messwandlertechnik : Der Materialaufwand ist relativ klein. Bei Anwendung von öl- imprägniertem Papier als Hauptisolation ist die Ölmenge klein, da das Öl nur Imprägniermittel ist. Die besondere Bauart bietet die Möglichkeit, verschiedene Dielektrika anzuwenden, vor allem auch Trocken- isolation bis zu sehr hohen Spannungen. Vollständige Stossspannungsfestigkeit wird mit einfachsten Mitteln erreicht. Es besteht die höchst einfache, raum- und preisgünstigste Möglichkeit der Kombination mit einem Stromwandler, ferner die Ausführbarkeit in mehreren zweckanpassbaren Bauformen, besonders auch des Einbaues in den Zug isolierter, aussen mit Erdbelag versehener Hochspannungsschienen oder in Kabel, z.
B. als Endverschlufl.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Induktiver, vorzugsweise in den Linienzug der vollständig metallgekapselten und geerdeten Hochspannungsanlage eingebauter Hochspannungswandler, dessen durch die Wicklungen greifender Kern auf Messpotential steht, dadurch gekennzeichnet, dass die um den den Primärleiter koaxial umgebenden Magnetkern gewundenen und auf mehrere Teilspulen aufgeteilten Primärwicklungen sich ganz im Innern eines reinen Zylinderfeldes befinden, das sich zwischen dem Hochspannungsleiter und einer zu diesem und zur Wicklung koaxialen, mindestens über die ganze von den Primärwindungen beanspruchten Länge leitenden und geerdeten zylindrischen Hülle erstreckt.