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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-
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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
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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
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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
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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
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(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
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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
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der primären Durchflutung so ergibt sich eine sekundäre Leistung bezogen auf die Querschnittsfläche des Magnetkreises zu
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(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
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zu No = einer Sättigung von 20 000 dann
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also bei
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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:
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Im oberen Grenzfalle, also 280 bei B' = 20 000 und n = 20.
Bei der unteren
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Grenze ergibt sich ebenfalls schon eine Erhöhung, wenn der Ohm'sche Widerstand der Sekundärwicklung beim Linear-Coup- ler berücksichtigt wird.
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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.