-
EINRIGHTUNG ZUR STROM- UND SPANNUNGSMESSUNG BEI
HOCHSPANNUNGSPOTENTIAL GEGEN ERDE Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen für
Strom- und Spannungsmessung bei Hochspannungspotential gegen Erde.
-
Es sind Einrichtungen zur Strom- bzw. Spannungsmessung
Hochspannungspotential gegen Erde bekannt, die als Wandlerkaskaden mit zwei und
mehr Meßwerttransformationsstufen (Strom- und Spannungswandler) ausgeführt sind.
-
Jedoch werden bei den bekannten Strommeßeinrichtungen die Wandler
der ersten Stufe mit Hochspannungsisolation zwischen der Primär- und Sekundärwicklung
ausgeführt, wodurch konstruktive Schwierigkeiten bei deren Realisierung entsteben
können.
-
Bei den bekannten Spannungsmeßeinrichtungen gilt als Mangel die elektrische
Kopplung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung sämtlicher Elemente der Wandlerkaskade
von der Hochspannungsseite bis zum Erdpotential. Solche Einricbtungen sind meistens
unbrauchbar zur Messung von Spannung, die ein konstantes Potential gegen die Erde
enthält, da in den elektrisch gekoppelten Wandlerwicklungen ein Gleichstrom entstehen
kann. Dieser Umstand beeinträchtigt wesentlich die Genauigkeit der Spannungsmessung.
Darüber hinaus sind zur Messung der Spannung zwischen zwei
Potential liegenden Punkten zwei solche Einrichtungen erforderlich, die man zwischen
jedem Punkt und Erde schaltet, was den Aufwand an
Apparatur vergrößert.
Zweck der Erfindung ist es nun, die erwähnten Mängel der bekannten Einrichtungen
für Messung von Strom und Spannung
Hochspannungspotential gegen Erde zu beseitigen.
-
Der Erfindung liegt die Auf gabe zugrunde eine Kaskadeneinrichtung
für Strom- und Spannungsmessung zu schaffen, die es ermöglicht, die erste Meßwerttransformationsstufe
mit Hilfe eines Wandlers auszuführen, bei welchem an die Isolation zwischen den
Wicklungen sowie an die Primärwicklung keine Hochspannung gegen Erde gelegt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der Einrichtung zur Strom-
und Spannungsmessung
Hochspannungspotential gegen Erde die Wandlerkaskade der ersten Stufe einen oder
mehrere Wandler mit jeweilig elektrisch gekoppelten Primär-und Sekundärwicklungen,
jede nachfolgende Stufe einen Wandler mit elektrisch isolierten Primär- und Sekundärwicklung
enthält.
-
Darüber hinaus kann der Wandler der ersten Stufe an den Wandler der
sweiten Stufe über einen komplexen Widerstand angeschlossen werden.
-
Bei mehr als zwei Stufen können die Primär- und Sekundärwicklungen
der Wandler der zweiten und nachfolgenden Stufen elektrisch über Ausgleichswiderstände
gekoppelt werden.
-
Bei der praktischen Anwendung der Einrichtung zur Spannungsmessung
kann der Wandler mit elektrisch gekoppelten Primär- und Sekundärwicklung als Spannungswandler
und der
mit elektrisch isolierten Primär- und Sekundärwicklung als
Stromwandler ausgeführt werden. Zur Drehspannungsmessung werden drei oben erwähnte
Einrichtungen verwendet, bei welchen die Wandler mit elektrisch gekoppelten Primär-
und Sekundärwicklung in Dreiphasenschaltung (Stern bzw. Dreieck) geschaltet sind.
Zur Verwirklichung der elektrischen Kopplung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung
des Wandlers der ersten Stufe kann ein Widerstand geschaltet werden.
-
Als Wandler für die erste Stufe mit elektrisch gekoppelten Primär-
und Sekundärwicklung kann ein Abwärts- oder ein Aufwärtsspartransformator verwendet
werden.
-
Im folgenden soll die Erfindung durch Ausführungsbeispiele und anhand
beigefügter Zeichnungen erläutert werden.
-
Es zeigen: Fig. 1 - die Schaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung
für Strommessung mit zwei Transformationsstufen; Fig. 2 - die Schaltung der erfindungsgemäßen
Einrichtung für Spannungsmessung mit zwei Transformationsstufen; Fig. 3 - die Schaltung
der Einrichtung für Strom- und Spannungsmessung mit mehr als zwei Transformationsstufen;
Fig. 4 - dito mit Ausgleichswiderständen an den Isoliertransformatoren der nachfolgenden
Transformationsstufen; Fig. 5 - die Schaltung der Einrichtung für htrom- für£trom-
und Spannungsmessung mit zwei Transformationsstufen, wobei die erste und zweite
Stufe über komplexe Anpassungswiderstände verbunden sind; Fig. 6 - die Schaltung
der Einrichtung für Strom- und Spannungsmessung
mit Verteilung
der Anpassungewiderstände über die Wandlerkaskade; Fig. 7 - eine Ausführungsvariante
der Kaskadeneinrichtung bei gemeinsamer Anwendung von Ausgleicb- und Anpassungswie
derständen, Fig. 3, Fig. 4 und Fig. 6; Fig. 8 - den Aufbau der Einrichtung nach
Fig. 2, bei der als erste Stufe eine nach der Schaltung des Wandlerkskade Spannungswandlers
ausgeführteund als zweite Stufe eine nach der Schaltung des Stromwandlers ausgeführte
Wandlerkaskade benutzt wird; Fig. 9 - die Einrichtung nach Fig. 1; 2; 3; 4; 5; 6;
7; 8 in Dreiphasenausführung, bei welcher der Wandler der Stufe 1 in Stern geschaltet
ist; Fig. 10 - die Einrichtung nach Fig. 1; 2;3;4;;6;7;8 in Dreiphasenausführung,
bei welcher der Wandler der Stufe 1 in Dreieck geschaltetist; Fig. 11 -die Einrichtung
nach Fig. 1;2;3;4;5;6;7;8;9;10 bei der die Primär- und Sekundärwicklung des Wandlers
der Stufe 1 elektrisch über einen Strombegrenzungs widerstand verbunden sind; Fig.
12 - die Einrichtung nach Fig. 1;2;3;4;5;6;7;8;9;10; bei welcher der Wandler der
Stufe 1 als Abwärtstransformator ausgeführt ist; Fig. 13 - die Einrichtung nach
Fig. 1;2;3;4;5;6;7;8;9;10, bei welcher der Wandler der Stufe 1 als Aufwärtstranforma
tor ausgeführt ist.
-
Zur Strommessung in einem Kreis, der
hohem elektrischem Potential gegen Erde liegt, wird der Wandler der ersten Stufe
1 (Fig. 1) mit elektrisch gekoppelten Primärwicklung 2 und Sekundärwicklung 3 in
Reihe mit der stromführenden Schiene 4 geschaltet. Die Sekundärwicklung 3 des Wandlers
1 liegt in Reibe mit der Primärwicklung 5 des Wandlers 6 der zweiten Stufe. Der
Wandler 6 ist mit Isolation zwischen Primärwicklung 5 und Sekundärwicklung 7 versehen,
die für volle Spannung zwischen der stromführenden Schiene 4 und Erde ausgelegt
ist, während der Wandler 1 der ersten Stufe mit einer iederspannungsisolation zwischen
Primärwicklung 2 und Sekundärwicklung 3 ausgeführt ist. Der durch die Primärwicklung
2 fließende Strom 1 wird vom Wandler 1 in die Sekundärwicklung 3 transformiert,
worauf er beim Durchfließen der Primärwicklung 5 vom Wandler 6 eine entsprechende
Spannung an der Sekundär-Wicklung 7 erzeugt, die dann am Erdpotential vom Verbraucher
8 gemessen wird.
-
Wegen der vorhandenen elektrischen Kopplung zwischen Primärwicklung
2 und Sekundärwicklung 3 vom Wandler 1 liegt die gesamte hohe Spannung der stromführenden
Schiene 4 gegen Erde an der Isolation zwischen Primärwicklung 5 und Sekundärwicklung
7.
-
Die Messung der Spannung zwischen den beiden Punkten 9 und 10 der
Schaltung (Fig.2) erfolgt in einer der Fig. 1 analogen Zweistufenschaltung.
-
In diesem Falle ist die Primärwicklung 2 des Wandlers
mit
ihren Klemmen an die Punkte 9 und 10 angeschlossen, wodurch eine Messung der Spannung
u zwischen diesen Punkten ermöglicht wird. Die anderen Elemente und die Wirkungsweise
der Schaltung sind der vorhergehenden ähnlich, Wegen der elektrischen Kopplung zwischen
den Wicklungen 2 und 3 des Wandlers 1 liegt die Spannung gegen Erde der Punkte 9
und 10 nur an der Isolation zwischen den Wicklungen 5 und 7 des Wandlers 6 der zweiten
Stufe. In der Schaltung gemäß Fig. 2 ist die Spannung gegen Erde aus der Spannung
zwischen den Wicklungen 2 und 3 des Wandlers 1 und der Spannung zwischen den den
von Wicklung 2 eliminiert.
-
Zur Spannungsmessung (Strommessung) in Hochspannungsschaltungen ist
es zweckmäßig, die Einrichtung als Wandlerkaskade mit mehr als zwei Transformationsstufen
(Fig.3) auszuführen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, liegen in diesem Falle zwischen
dem Wandler 1 der ersten Stufe und dem Wandler 6, an dessen Sekundärwicklung 7'
der Verbraucher 8 angeschlossen ist, die zusätzlichen Wandler 11 und 12 mit elektrischer
Isolation zwischen deren Primärwicklungen 13 und 14 und Sekundärwicklungen 15 und
16. Die Anzahl der zusätzlichen Wandler 11 und 12 ist grundsätzlich unbegrenzt.
-
Bei Anwendung der Kaskadeneinrichtung in Schaltungen mit Gleichstromkomponente
gegen Erde sowie in Wechselstrom-Hochspannungsanlagen besteht das Problem der gleichmäßigen
Spannungsverteilung zwischen den Isolationsstufen der Wandler 6, 11, 12 mit elektrischer
Isolation zwischen Primär- und
Sekundärwicklung 13 und 15 des Wandlers
11, Primär- und Sekundärwicklung 14 und 16 des Wandlers 12 und Primär- und Sekundärwicklung
5' und 7' des Wandlers 6'. Fig. 4 zeigt eine Methode zum Ausgleichen der Spannungsverteilung
durch Einschalten von Widerständen 17 zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen
5' und 7'; 13 und 15; 14 und 16 der Wandler 6'; 11 und 12. Die Widerstände 17 werden
als Wirkwiderstände gewählt, wenn die Spannung gegen Erde eine Gleichstromkomponente
und als komplexe Widerstände, wenn die Spannung gegen Erde eine Wechselstromkomponente
enthält.
-
Bei der praktischen Realisieruug der Strom- und Spann nungsmeßeinrichtung
können Schwierigkeiten in der Anpassung der elektromagnetischen Daten der Wandler
1,6', 11 und 12 entstehen. Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist eine in Fig.
5 gezeigte Schaltung der Einrichtung gemäß Fig. 1 und 2 angeführt, bei der zur Anpassung
der elektromagnetischen Daten der Wandler 1 und 6 zusätzliche komplexe Widerstände
18 eingeführt sind.
-
Fig. 6 zeigt eine Kaskadenmeßeinrichtung gemäß Fig. 3 mit Anpassungswiderständen
18, die in den Verbindungskreisen der Wandler 1 und 11; 11 und 12; 12 und 6' liegen.
-
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsvariante mit gemeinsamer Anwendung von
Ausgleichswiderständen 17 und Anpassungswiderständen 18' gemäß Fig. 3, 4 und 6.
-
Die praktische Zweckmäßigkeit der Einrichtung wird durch Fig. 8 veranschaulicht,
wo ein Beispiel der praktischen Anwendung einer ZweistuSeneinrichtung gemäß Fig.
2
und 5 zur Spannungsmessung auf dem Potential gegen Erde gegeben
ist.
-
Der Wandler 19 mit elektrisch gekoppelten Primär- und Sekundärwicklung
2 und 3 ist als Spannungswandler und der Wandler 20 mit elektrisch isolierten Primär-
und Sekundärwicklung 5 und 7 als Stromwandler, der die isolierte stromführende Schleife
21 umfaßt, ausgeführt. Der komplexe Anpassungswiderstand 18 ist im Innern der Konstruktion
untergebracht, die mit einem Isolierstoff 22 (dielektrische Flüssigkeit, Gas) ausgefüllt
ist.
-
In der erfindungsgemäßen Ausführung der Einrichtung wird die zu messende
Spannung den Punkten 23 und 24 zugeführt, während das Meßergebnis den Klemmen 25
und 26 des Wandlers 20 entnommen wird. Falls es notwendig ist, für MeBzwecke eine
Dreiphasenspannung, die an den Punkten 27, 28 und 29 vorliegt, zu gewinnen (Fig.
9 und Fig. 10), werden drei vorstehend beschriebene Einrichtungen verwendet. Liegt
in den Punkten 27, 28, 29 eine gemeinsame Gleich- bzw. Wechselspannung gegen Erde
vor, so können die Wandler der ersten Stufe aller drei Einrichtungen in Dreiphasenschaltung
verkettet werden (Fig. 9 - Sternschaltung, Fig. 10 Dreieckschaltung).
-
In einigen Fällen ist es zur Erleichterung der Arbeitsbedingungen
für die Einrichtung zweckmäßig den Stationär-und Einschwingkapazitätserdstrom zu
begrenzen, der über die Kapazität zwischen den Wicklungen 5' und 7', 13 und 15,
14
und 16 der Wandler 6', 11 und 12 fließen kann. Zu diesem Zweck erfolgt die elektrische
Kopplung der Wicklungen 2' und 3' des Wandlers 1' (Fig. 11) über den zusätzlichen
Widerstand 30.
-
Der Wandler 1 der ersten Stufe mit elektrisch gekoppelten Primär-
und Sekundärwicklung kann als Spartransformator 1 "mit Primärwicklung 2" und Sekundärwicklung
3" (Fig. 12 und 13) ausgeführt werden. Fig 12 und 13 zeigen solche Ausführungsvarianten
des Wandlers 1", und zwar zeigt Fig. 12 einen Abwärtstransformator, bei dem die
volle Windungszahl der Primärwicklung 2" größer als die der Sekundärwicklung 3"
ist, und Fig. 13 - einen Aufwärtstranformator 1", bei dem die Windungszahl der Primärwicklung
2" kleiner als die der Wicklung 3" ist.
-
Verwendet man an Stelle des Wandlers 1, 1', 1" der ersten Stufe einen
Geber 1"' (Fig. 14) von beliebigem Typ (bespielsweise einen Gleichstromwander),
so kann man die Einrichtung zur Übertragung der Meßgröße auf das Erdpotential benutzen,
wobei allerdings der Eingang 2"' des Gebers 1"' mit seinem Ausgang'" 3"' elektrisch
gekoppelt sein muß.
-
Diese Ausführung der Einrichtung gestattet es, das Anlegen der Spannung
gegen Erde von der Primärwicklung des Meßwandlers der ersten Stufe auf die Isolation
zwischen den Wicklungen der Isoliertransformatoren der nachfolgenden Stufen zu übertragen,
wodurch eine für die Konstruktion günstige Möglichkeit das Übersetzungsverhältnis
der einzelnen Stufen weitgehend zu variaren, erreicht wird. Die Schaltung der
Einrichtung
ermöglicht es bei Strom- und Spannungsmessungen in Fällen, wo die Spannung gegen
die Erde eine Gleichstromkomponente aufweist, die Einrichtung zur Messung der Spannung
an Stellen zu benutzen, die unter Spannung gegen Erde liegen.
-
Die geschilderte Ausführung der Einrichtung ermöglicht die Messung
von Spannung zwischen zwei Punkten mit Hilfe einer einzigen Einrichtung.
-
Die Einrichtung kann wirsam zur Strom- und Spannungsmessung in Hochspannungsanlagen
benutzt werden, wo die Beeinflussung des Meßergebnisses und der konstruktiven Ausführung
durch das Hochspannungspotential gegen Erde ausgeschlossen wird, zum Beispiel in
Umformerstationen der Gleichstromübertragungsleitungen, in Systemen mit isoliertem
Nulleiter u.dgl.