DE1541858B2

DE1541858B2 - Einleiterstromwandler

Info

Publication number: DE1541858B2
Application number: DE1966S0107633
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing 1000 Berlin Kettler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-12-28
Filing date: 1966-12-28
Publication date: 1971-08-19
Also published as: DE1541858A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Einleiterstromwandler mit einer Sekundärwicklung zur Vermeidung von Induktionsänderungen in seinem Eisenkern infolge eines durch einen in der Nähe befindlichen weiteren Stromleiter fließenden Stromes.

Es ist bekannt, daß der Fehler eines Stromwandlers von der Bürde, von der Nenn-Amperewindungszahl, von dem Produkt aus Eisenquerschnitt und Eisenweglänge und von der Nennfrequenz abhängig ist. Diese Abhängigkeiten können bei vorgegebener Dimensionierung eines Stromwandlers durch eine Konstante k ausgedrückt werden, so daß sich der Fehler eines Stromwandlers durch folgende Gleichung darstellen läßt:

mit μ ist die Permeabilität des gesamten magnetischen Flußweges — im allgemeinen des Eisenweges — bezeichnet.

Die Permeabilität,« des Eisens ist bekanntlich von der Induktion B abhängig. Diese Abhängigkeit läßt sich mathematisch durch die Funktion

beschreiben, die den in der F i g. 1 gezeigten charakteristischen Verlauf aufweist. Aus der Darstellung geht hervor, daß ein sogenannter Fehlergang als Funktion des Primärstromes auftritt, wobei der Fehler bei Bruchteilen des Nennstromes groß, bei zunehmendem Strom jedoch kleiner wird, da die Induktion mit dem Strom zunimmt und damit zunächst die Permeabilität bis zu einem Maximum ansteigt; nach Durchschreiten des Maximums nimmt der Fehler dann rasch zu.

Die einer solchen Betrachtung zugrunde liegende Berechnung von Stromwandlern stimmt mit den sich tatsächlich zeigenden Fehlern nur dann überein, wenn nicht durch besondere äußere Einflüsse, z. B. durch dichtes Vorbeiführen eines weiteren Stromleiters, eine teilweise Übersättigung des Eisenkernes eintritt, wodurch die gesamte Permeabilität des Eisenweges in unzulässiger Weise herabgedrückt wird.

In der F i g. 2 ist zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems als Beispiel ein Stromwandler mit Ringkern 1 dargestellt, der über den ganzen Umfang toroidförmig mit einer Sekundärwicklung 2 bewickelt und von dem Primärleiter 3 zentral durchsetzt ist. Wird dieser Stromwandler nur für sich betrachtet, dann ergibt sich, daß die durch den Differenzstrom von

Ji Jι ⁼⁼ Jq

— J₁ ist der Primär- und J₂ der Sekundärstrom — verursachte Feldstärke je Längeneinheit des Ringkernes 1 konstant ist. Die tatsächlichen Wandlerfehler entsprechen den vorausberechneten Fehlern.

Wird, wie in der F i g. 2 auch dargestellt ist, am Stromwandler ein weiterer Stromleiter 4, z. B. ein Rückleiter, verhältnismäßig dicht vorbeigeführt, wie dies in Drehstromanlagen stets der Fall ist, dann bewirkt die von dem weiteren Stromleiter 4 im Ringkern 1 des Stromwandlers herrührende Feldstärke in dem Kernteil, der zwischen den Stromleitern 3 und 4 liegt, eine Induktionserhöhung und in dem Kernteil des Ringkernes 1, der in der F i g. 2 links von den beiden Stromleitern 3 und 4 liegt, eine Induktionsschwächung.

In dem geschilderten Fall, in dem der weitere Stromleiter als Rückleiter ausgebildet ist, tritt insbesondere bei Stromwandlern für sehr hohe Stromstärken (größer als 1000 A) eine große partielle Induktionserhöhung bis in den Sättigungsbereich und damit eine sehr starke Abnahme der Permeabilität μ ein, und die Überstromziffer, die ein für das Überstromverhalten des Stromwandlers kennzeichnendes Maß ist, stimmt in keiner Weise mehr mit der Berechnung überein, ίο Um partielle Induktionserhöhungen im Eisenkern von Stromwandlern zu vermeiden, ist es beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 456 202 bekannt, bei einem Unsymmetriestromwandler eine als Sekundärwicklung wirkende Schubwicklung zu verwenden. Eine derartig ausgebildete Sekundärwicklung ist z. B. in zwei oder auch mehrere Teile gleicher Windungszahl aufgeteilt; die einzelnen Wicklungsteile sind parallel geschaltet. Nachteilig ist dieser Wicklungsaufbau vor allem insofern, als damit ein erheblicher Aufwand verbunden ist. Bei einem derartigen Aufbau einer Sekundärwicklung müssen nämlich alle sekundären Wicklungsteile eine der Übersetzung des Stromwandlers entsprechende Windungszahl haben. Dies bedeutet, daß ζ. B. bei einem Stromwandler mit einem Über-Setzungsverhältnis von 3000: 1 sekimdärseitig nicht nur 3000 Windungen, sondern entsprechend der Anzahl der Wicklungsteile zweimal oder mehrmals 3000 Windungen, also 6000, 9000 oder bei vier Wicklungsteilen 12000 Windungen gewickelt werden müssen. Ein weiterer Nachteil des bekannten Sekundärwicklungsaufbaues besteht darin, daß infolge der zu dem Nutzstrom hinzukommenden Ausgleichsströme eine erhebliche zusätzliche Erwärmung des sekundären Wicklungskupfers eintritt, der man mit erhöhtem Kupferaufwand und somit mit weiterem wirtschaftlichem Aufwand begegnen muß.

Die Nachteile der bekannten Sekundärwicklung zur Vermeidung von partiellen Induktionserhöhungen im Eisenkern lassen sich bei einem Einleiterstromwandler dadurch vermeiden, daß gemäß der Erfindung die Sekundärwicklungsanordnung aus einer über den Umfang des Eisenkernes derart ungleichmäßig verteilten Sekundärwicklung besteht, daß ihr Bereich mit dem pro Längeneinheit stärksten Strombelag den Abschnitt des Eisenkernes bedeckt, der infolge des den weiteren Stromleiter umgebenden Magnetfeldes die größte Fremdfeldinduktion aufweist. Es ist zwar bei einem Einleiterstromwandler gemäß der deutschen Patentschrift 976 446 bekannt, die Sekundärwicklung ungleichmäßig auf einen Bandringkern so aufzuwickeln, daß der Kern mit der Wicklung eine exzentrische Form erhält und in eine entsprechend exzentrisch ausgebildete Wicklungsumhüllung eingebaut werden kann, die ungleichmäßige Aufbringung der Sekundärwicklung auf den Eisenkern dient bei diesem bekannten Stromwandler jedoch nicht dazu, um den Einfluß von weiteren Stromleitern auf das Fehlerverhalten auszuschalten, sondern ist aus rein konstruktiven Gründen gewählt worden, um in Schaltanlagen, bei denen der erforderliche Einbauraum nicht zur Verfügung steht, mit wenigen Typen von Stromwandlern auszukommen. Die Sekundärwicklung ist bei dem bekannten Stromwandler daher nicht im Hinblick auf einen weiteren Stromleiter derart auf dem Eisenkern aufgebracht, daß ihr stärkster Strombelag den Bereich des Eisenkernes überdeckt, der infolge des den weiteren Stromleiter umgebenden Magnetfeldes die größte Induktion

aufweist, sondern sie bedeckt mit ihrem pro Längeneinheit stärksten Kupferbelag den Teil des Eisenkernes, der sich in Richtung ausreichender Einbauhöhe befindet.

Die Anordnung und die Ausbildung der Sekundärwicklung ist bei dem erfindungsgemäßen Einleiterstromwandler abhängig von der Lage des weiteren Stromleiters bezüglich des Stromwandlers sowie von der Richtung des Stromes im weiteren Stromleiter in bezug auf den Strom im Primärleiter des Stromwandlers. Stimmt die Stromrichtung des Stromes in dem weiteren Stromleiter mit der des Stromes durch den Primärleiter des Einleiterstromwandlers überein, dann ergeben sich andere Verhältnisse als in dem Falle, in dem der weitere Stromleiter als Rückleiter dient. Im letzteren Falle ist nämlich auf Grund der sich ergebenden Induktionsverhältnisse im Eisenkern des Einleiterstromwandlers die Sekundärwicklung derart auf dem Eisenkern anzuordnen, daß ihr Bereich mit dem stärksten Strombelag dem Rückleiter zugewendet ist, da — wie aus der F i g. 2 ersichtlich ist — in diesem Falle durch das Magnetfeld &r des als Rückleiter ausgebildeten weiteren Stromleiters 4 in dem dem weiteren Stromleiter 4 zugewendeten Bereich des Eisenkernes 1 eine Induktionserhöhung eintritt; in der dem weiteren Stromleiter 4 abgewendeten Hälfte des Eisenkernes tritt eine Induktionsschwächung ein.

Handelt es sich dagegen bei dem weiteren Stromleiter 4 um einen Leiter, der von einem in gleicher Richtung wie der in dem Primärleiter 3 des Einleiterstromwandlers fließenden Strom durchflossen ist, dann ergeben sich andere Induktionsverhältnisse im Eisenkern 1 des Einleiterstromwandlers. Es tritt dann eine Induktionserhöhung in dem von dem weiteren Stromleiter 4 abgewendeten Bereich des Eisenkernes auf, so daß die Sekundärwicklung in diesem Falle mit ihrem stärksten Strombelag den von dem weiteren Stromleiter 4 abgewendeten Teil des Eisenkernes 1 bedecken muß, wenn Sättigungserscheinungen im Eisenkern 1 vermieden werden sollen.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Stärke des Strombelages der Sekundärwicklung annähernd proportional mit der Verringerung des Magnetfeldes abnimmt, das von dem den weiteren Stromleiter, z. B. einen Rückleiter, durchfließenden Strom hervorgerufen ist. Ist der Einleiterstromwandler mit einem Ringkern ausgerüstet, dann ist die Sekundärwicklung zweckmäßigerweise auf dem Eisenkern verschiebbar angeordnet. Bei einer derartigen Ausbildung der Sekundärwicklung läßt sich nämlich die Sekundärwicklung in einfacher Weise entsprechend der jeweiligen Lage des weiteren Stromleiters auf dem Eisenkern des Einleiterstromwandlers verschieben und damit in einfacher Weise eine Anpassung an die jeweils gegebenen Verhältnisse vornehmen.

Das gleiche kann auch dadurch erreicht werden, daß der Eisenkern zusammen mit der Sekundärwicklung um den Leiter drehbar angeordnet ist.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einleiterstromwandlers dargestellt. Der Einleiterstromwandler weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Ringkern 5 auf, der von einem Primärleiter 6 zentrisch durchsetzt ist. Auf den Ringkern 5 ist ungleichmäßig eine Sekundärwicklung 7 aufgebracht, und zwar derart, daß ihr Bereiche mit dem stärksten Strombelag den Bereich des Ringkernes 5 überdeckt, der einem weiteren Stromleiter 9, der als Rückleiter dient, zugewendet ist. An die Sekundärwicklung 7 ist in bekannter Weise an den Klemmen / und k eine Bürde 10 angeschlossen.

Wird der erfindungsgemäße Einleiterstromwandler von einem durch den Primärleiter 6 fließenden Strom J₁ erregt, dann bildet sich im Ringkern 5

ίο ein Magnetfluß Φ_χ aus, dem der von dem Sekundärstrom J₂ hervorgerufene Gegenfluß entgegenwirkt. Es ergibt sich ein resultierender Magnetfluß bestimmter Größe im Eisenkern 5. Dieser resultierende Magnetfluß liegt im allgemeinen unter der Sättigungs-

x 5 grenze des jeweils verwendeten Eisenkernes.

Diese Verhältnisse werden durch das Magnetfeld eines Stromes J₁' geändert, das einen weiteren Magnetfluß im Eisenkern 5 des Einleiterstromwandlers hervorruft. Handelt es sich bei dem Strom J₁ um den rückfließenden Strom, dann bewirkt das Magnetfeld des rückfließenden Stromes J₁ in dem dem weiteren Stromleiter 9 zugewendeten Bereich 8 des Ringkernes 5 eine Induktionserhöhung, die die Größe der Sättigungsinduktion annehmen kann. Eine derartig hohe Induktion ist gemäß der Erfindung durch einen gesteigerten Gegenfluß vermieden, indem dafür gesorgt ist, daß ein hoher Gegenfluß gerade in dem Bereich 8 des Eisenkernes 5 erzeugt ist, in dem sich auf Grund des Einflusses des weiteren Stromleiters 9 eine hohe Induktion einstellen möchte.

Zusammenfassend läßt sich daher feststellen, daß gemäß der Erfindung bei einem Einleiterstromwandler allein durch eine Sekundärwicklung mit über dem Umfang des Eisenkernes ungleichmäßig verteiltem Strombelag und durch entsprechende Anordnung des Bereiches dieser Sekundärwicklung mit dem stärksten Strombelag auf dem Eisenkern Sättigungserscheinungen im Eisenkern vermieden sind, die durch einen Strom in einem weiteren in seiner Nähe befindlichen Stromleiter hervorgerufen würden. Auf Schubwicklungen mit den damit verbundenen Nachteilen kann damit verzichtet werden. Durch die Erfindung ist demzufolge ein durch einen weiteren Stromleiter nicht beeinflußbarer Einleiterstromwandler gewonnen, der in wirtschaftlich vorteilhafter Weise

hergestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Einleiterstromwandler mit einer Sekundärwicklungsanordnung zur Vermeidung von Induktionsänderungen in seinem Eisenkern infolge eines durch einen in der Nähe befindlichen weiteren Stromleiter fließenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungsanordnung aus einer über den Umfang des Eisenkernes derart ungleichmäßig verteilten Sekundärwicklung besteht, daß ihr Bereich mit dem stärksten Strombelag den Abschnitt des Eisenkernes bedeckt, der infolge des den weiteren Stromleiter umgebenden Magnetfeldes die größte Fremdfeld-Induktion aufweist.

2. Einleiterstromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Falle, in dem der weitere Stromleiter den Rückleiter bildet, die Stärke des Strombelages von dem dem Rückleiter zugewendeten Bereich des Eisenkernes ausgehend annähernd proportional mit der Verringe-

rung des Magnetfeldes abnimmt, das von dem den Rückleiter durchfließenden Strom hervorgerufen ist.

3. Einleiterstromwandler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines als Ringkern ausgebildeten Eisenkernes die Sekundärwicklung auf dem Eisenkern verschiebbar ist.

4. Einleiterstromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern mit der Sekundärwicklung um den Leiter drehbar angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen