CH442508A - Transformatorisch wirkender Mess- und Schutzwandler - Google Patents

Transformatorisch wirkender Mess- und Schutzwandler

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CH442508A
CH442508A CH1255866A CH1255866A CH442508A CH 442508 A CH442508 A CH 442508A CH 1255866 A CH1255866 A CH 1255866A CH 1255866 A CH1255866 A CH 1255866A CH 442508 A CH442508 A CH 442508A
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CH
Switzerland
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current
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voltage
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CH1255866A
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Hans Dipl Ing Hartmann
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Bbc Brown Boveri & Cie
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/42Circuits specially adapted for the purpose of modifying, or compensating for, electric characteristics of transformers, reactors, or choke coils
    • H01F27/422Circuits specially adapted for the purpose of modifying, or compensating for, electric characteristics of transformers, reactors, or choke coils for instrument transformers
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    • H01F38/22Instruments transformers for single phase ac
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transformers For Measuring Instruments (AREA)

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
    Transformatorisch      wirkender      Mess-   und Schutzwandler Die Erfindung    betrifft   einen    transformatorisch   wirkenden    Mess-   und Schutzwandler, der einen Strom in der Primärwicklung in eine Spannung im Sekundärkreis umwandelt. 



  Stromwandler werden ausser zur Erfassung der Betriebsströme auch zur    Erfassung   der Kurzschlussströme    für   den Schutz verwendet. Infolge der Verkürzung der    Auslösezeit   des    Kurzschlussschutzes   ist die genaue Erfassung von Kurzschlussströmen auch während des    transienten   Zustandes erforderlich geworden. 



  Man hat schon frühzeitig erkannt, dass vollständig eisengeschlossene Magnetkreise durch die Gleichstromglieder eines verlagerten    Wechselstrom-Kurzschluss-      Stromes   so stark magnetisiert werden, dass die Eisenteile gesättigt werden und zwar um so mehr, je höher der Kurzschlussstrom und je grösser die Zeitkonstante des Netzes sind. Die Entwicklung, moderne Netze noch mehr als bisher zu vergrössern, bedingt ein weiteres Ansteigen dieser beiden Grössen. Die starke    Magneti-      sierung   der Eisenteile hat einen grossen Blindverbrauch zur Folge. Der Sekundärstrom wird weit mehr, als dem zulässigen    übersetzungsfehler      entspricht,   verkleinert und zudem stark verzerrt.

   Damit kann das richtige Arbeiten der    Schutzeinrichtungen   in Frage gestellt werden. 



  Als Abhilfe hat man zunächst versucht, durch Luftspalte mässiger Länge eine    sogenannte      Scherung   der    Magnetisierungskurve   zu erreichen, um wenigstens die    Remanenz   zu    verkleinern   (Schweizer Patent 396 203). Diese kleinen Spalte können jedoch eine Sättigung und damit die obengenannten Mängel nicht verhindern. 



  Man hat weiter versucht, die Luftspalte im Magnetkreis des Stromwandlers grösser zu machen (Siemens    Zeitschrift   1965, Seite 1238 und 1966, Seite 16). Da es sich hierbei um Stromwandler handelt, bei denen also der    Primärstrom   in einen proportionalen Sekundärstrom umgewandelt wird, ist der Vergrösserung der Luftspalte eine Grenze gesetzt, wenn nicht der schon im Normalbetrieb auftretende durch die Luftspalte    ver-      grösserte      Leerlaufstrom   die Genauigkeit der Übertragung in    unzulässiger   Weise gefährden soll.

   Nur    ganz   hohe    Ampere-Windungszahlen,   wie sie in Höchstspannungsnetzen nicht vorkommen, würden eine mässige Verbesserung bringen.    In   Hochspannungsnetzen    liegen   die Verhältnisse jedoch so, dass bei den noch zulässigen Fehlern die    Luftspalte   nicht genügend gross dimensioniert werden dürfen, um die Sättigung bei verlagerten Kurzschlussströmen zu verhindern. 



  Einen anderen Ausweg stellen die sogenannten    Li-      near-Coupler   dar, deren Sekundärwicklung eine eisenlose Spule darstellt    (Electrical   Review Seite 828). Die daraus    entnehmbare   Leistung ist bei Einhaltung der nötigen Fehlergrenze aber ungenügend. Eine weitere    Möglichkeit   stellt der magnetische Spannungsmesser dar. Auch seine Leistung ist für Schutzzwecke zu klein. Selbst wenn    ferromagnetische   Teile eingebracht werden und diese mit Rücksicht auf die    Biegbarkeit   mit Luftschlitzen versehen sind, reicht die Leistung nicht aus.

   Ferner entstehen bei den bekanntgewordenen Ausführungen    (DP   481 866) durch die Verwendung eines Strommessers Phasenabweichungen, die weitere kompensierende Massnahmen erforderlich machen. 



  Man könnte daran denken, an solche Wandler mit zu schwacher Leistung Verstärker vorzusehen, um die    erforderliche   Leistung zu erhöhen. Diese Verstärker müssen aber so ausgelegt werden, dass sie bei kleinen Strömen wenigstens so weit, wie der Schutz arbeiten muss und bei den    ausserordentlich   hohen    Kurzschluss-      strömen      richtig   arbeiten. Sie müssen für den hohen Kurzschlussstrom ausgelegt werden, der auf der Sekundärseite auf über 100 Ampere anwachsen    kann.   Trotzdem müssen sie aber bei kleinen Strömen    richtig   arbeiten. Dies bedingt einen hohen technischen Aufwand und ist wirtschaftlich nicht mehr tragbar. 



  Zur Behebung der erwähnten Nachteile wird    er-      findungsgemäss   vorgeschlagen, dass die Sekundärwick- 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 Jung als Spannungswicklung ausgeführt ist, wobei die Sekundärspannung dem Primärstrom höchstens um den Fehlerbetrag    -!-   a (0/0) abweichend proportional ist, dass der    ferromagnetische   Kreis Luftspalte enthält, die so ausgelegt sind, dass die Induktion B bei Nennstrom innerhalb der    Werte   
 EMI2.4 
    liegt,   wobei    AW1   die primäre    Durchflutung   bei Nennstrom,    IIn   die Länge des Magnetkreises,    B,

     die    SättigUngs-      induktion   des    ferromagnetischen   Materials und n die    Überstromziffer      ist,      bei      der      die      Genauigkeit      von      a      (%)   gerade eingehalten wird, und dass die sekundäre Durchflutung höchstens 
 EMI2.22 
 der primären beträgt. 



  Die    Fig.   1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der in der Primärwicklung 1    fliessende   Primärstrom erregt einen Magnetkreis, bestehend aus    ferro-      magnetischem   Material 2 und Luftspalten 3. Als Messgrösse wird nun die in der Sekundärwicklung 4 induzierte Spannung    U2   benutzt.

   Die Messfehler werden dann auf diese Spannung und nicht auf den    Sekundär-      strom      bezogen.      Der      Spannungsfehler      sei      a      in      %,      er   muss bei den höchsten vorkommenden    Kurzschluss-      strömen      eingehalten      bleiben.      Praktisch      soll      er      5%      nicht   überschreiten. Es handelt sich also um einen    Strom-      spannungswandler.   Dies ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber den bekannten Ausführungen.

   Während diese bei primärer Erregung und Nichtgebrauch auf der Sekundärseite kurzgeschlossen werden, darf der    Strom-      spannungswandler   auf seiner Sekundärseite nicht kurzgeschlossen werden, sondern ist wie der erwähnte    Li-      nearcoupler   bei primärer Erregung sekundär offen zu lassen, wenn er nicht gebraucht wird. Müssen an dem    Stromspannungswandler   mehrere Bürden angeschlossen werden, so sind diese parallel zu schalten (Messgerät 5 und Schutzwicklung 6), während bei den Stromwandlern die Bürden in Reihe geschaltet werden. Dies zeigt die zweite Wicklung des Wandlers 7, welche in der Seitenansicht    Fig.   1 b) zu erkennen ist.    Dort   sind Verbraucher 8 und 9 angeschlossen, welche in Reihe liegen.

   Vom    Linear-Coupler   und den magnetischen Spannungsmessern unterscheidet sich der    Stromspannungs-      wandler   durch seine bis zu mehreren    Grössenordnun-      gen   höheren verfügbaren Leistungen. Die    Leistungs-      vergrösserung   wird dadurch erreicht, dass die Luftspalte 3 derart ausgelegt werden, dass die Induktion B im Magnetkreis den Wert 
 EMI2.63 
 enthält.

   Hierin bedeutet    B,   die Sättigungsinduktion des    ferronagneti-      schen   Materials und n die gewünschte    überstromziffer,   bei welcher auch ein voll verlagerter Kurzschlussstrom, also mit hohem    Gleichstromglied,   noch ohne Verzerrungserscheinungen übertragen werden soll und kein    grösserer      Fehler      als      a      %      entsteht.      Der      Faktor   2    be-      rücksichtigt   die Verlagerung durch das Gleichstromglied. Ist nicht mit voller Verlagerung zu rechnen, so kann er kleiner als 2 gewählt werden.

   Bei einer    über-      stromziffer   von beispielsweise n = 20 und einer Sättigungsinduktion von    Ba   = 20 000 Gauss würde dann die zulässige Induktion B = 500 Gauss sein. Die Spaltlänge 1L bestimmt sich dann aus 
 EMI2.82 
    (AW1   =    Primäramperewindungen   bei Nennstrom). Die- se Spaltlänge und die Induktion ist die obere Grenze um eine geforderte Genauigkeit einhalten zu können. 



  Die untere    Grenze   wird durch die Leistung bestimmt. Da diese    grösser   sein soll als die des    Linear-      Couplers,   ist dessen Blindleistung als untere Grenze anzunehmen. Es muss dann die Induktion für den ganzen magnetischen Weg lm bestimmt werden. Dies ergibt 
 EMI2.89 
 Die Induktion B muss also zwischen diesen beiden Werten liegen. Der    Linear-Coupler   selbst erreicht diese untere Grenze nicht einmal, da bei ihm der    Ohm'sche   Widerstand eine grosse Rolle spielt, der bei der Anordnung nach der Erfindung vernachlässigt werden kann. Die Genauigkeit wird durch die Auslegung des Wandlers entsprechend dem    überstrombereich   auf den verlangten Wert gehalten.

   Die Erhöhung der Leistung wird dadurch erreicht, dass die Induktion grösser ist als die des    Linear-Couplers.   Die Leistung selbst ist ja bekanntlich proportional der Induktion. Macht man nun die sekundäre    Durchflutung   
 EMI2.95 
 der primären    Durchflutung   so ergibt sich eine sekundäre Leistung bezogen auf die    Querschnittsfläche   des Magnetkreises zu 
 EMI2.98 
 (f = Frequenz des Netzes). 



  Die innere Scheinleistung bezogen auf die Querschnittsfläche des Magnetkreises des    Stromspannungs-      wandlers   ergibt sich aus den    Primäramperewindungen      AWi   und der verlangten Induktion 
 EMI2.103 
 zu    No   = einer Sättigung von 20 000 dann 
 EMI2.105 
 also bei 
 EMI2.106 
 Das Verhältnis beider ist bei    einem      Fehler      von      5%      das      10fache.      Aus      dieser      Betrach-      tung   sieht man den Vorteil der Verwendung des    Wand-      lers   als    Strom-Spannungs-Wandler.   Den Zuwachs an Leistung gegenüber 

  dem bekannten    Linear-Coupler   kann man ebenfalls leicht errechnen. Lässt    man   dabei den    Ohm'schen   Spannungsabfall in der Sekundärwicklung, der bei dem    Linear-Coupler   aber nicht vernachlässigt werden darf, fort, so ergibt sich ein Zuwachs an Leistung aus dem Verhältnis der Induktionen: 
 EMI2.124 
 Im oberen    Grenzfalle,   also 280 bei    B'   = 20 000 und n = 20.

   Bei der unteren 
 EMI2.127 
 Grenze ergibt sich ebenfalls schon eine Erhöhung, wenn der    Ohm'sche   Widerstand der Sekundärwicklung beim    Linear-Coup-      ler      berücksichtigt   wird. 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 Das Verhältnis der inneren und äusseren Leistung zeigt die    Fig.   2 a) für den    Stromspannungswandler.   Die Scheinleistung Na    fliesst   in der    Induktivität,   die als Ersatzschaltbild für den    Stromspannungswandler   dargestellt ist. In der Belastung 5 und 6 fliesst dann die Leistung N2.

   Im Vergleich dazu ist in    Fig.   2 b) der Stromwandler bekannter Anordnung, der zusätzlich als zweiter Kern ebenfalls mit dem    Stromspannungswand-      ler   zusammengebaut sein kann, dargestellt; dort ist bekanntlich    N;   wesentlich kleiner als    N2',   da sonst der Stromfehler zu gross wird. In der    Fig.   1 ist auch die konstruktive Ausführung angedeutet. Sie enthält ausser dem    Stromspannungswandler   einen zweiten Eisenkern 10', welcher einem normalen Stromwandler entspricht. Dort ist der Verbraucher 8 und 9 angeschlossen, welche beispielsweise Strommesser, Zähler usw. sein können. Die ganze Anordnung ist in dem Gehäuse 10 untergebracht, auf dem der Isolator 11 aufgebaut ist. Die primären Klemmen sind 12 und 13. 



  Aus der Verwendung eines    Stromspannungswand-      lers   unter Berücksichtigung der vorgeschlagenen Auslegung ergibt sich die    Möglichkeit,   auch die Verhältnisse im hohen    überstrombereich   mit    grosser   Genauigkeit zu beherrschen und trotzdem im Nennbereich genügend Leistung zur Verfügung zu stellen.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Transformatorisch wirkender Mess- und Schutz- wandler, der einen Strom in der Primärwicklung in eine Spannung im Sekundärkreis umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung als Spannungswicklung ausgeführt ist, wobei die Sekundärspannung dem Primärstrom höchstens um den Fehlerbetrag a (o/o) abweichend proportional ist, dass der ferro- magnetische Kreis Luftspalte enthält, die so ausgelegt sind, dass die Induktion B bei Nennstrom innerhalb der Werte EMI3.26 liegt, wobei AWi die primäre Durchflutung bei Nennstrom 1.
    die Länge des Magnetkreises B, die Sättigungsinduktion des ferromagnetischen Materials n die überstromziffer ist, bei der die Genauigkeit von a (o/o) gerade eingehalten wird, und dass die sekundäre Durchflutung höchstens EMI3.35 der primären beträgt. UNTERANSPRUCH Mess- und Schutzwandler nach Patentanspruch dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Kern mit Sekundärwicklungen bei derselben Primärwicklung vorgesehen ist.
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