-
Kaskadenstromwandler Die Patentanmeldung 14 44701 VIIIb/ 21 d 2 (deutsche
Auslegeschrift 1120 004) betrifft einen Kaskadenstromwandler in ein- oder
mehrstufiger Ausführung, bei dem der Eisenkern jeder Stufe der Kaskade in die gleiche
Anzahl von zwei oder mehr Einzelkernen mit je einer Sekundärwicklung unterteilt
ist, wobei die von dem zu messenden Strom durchflossene Primärwicklung sämtliche
Einzelkerne der betreffenden Stufe gemeinsam umfaßt und ferner jeder von den Einzelkernen
gegebenenfalls mit Schubwicklungen versehen ist; außerdem weisen die gegebenenfalls
vorgesehenen weiteren Stufen für jeden Einzelkern eine besondere Primärwicklung
auf, wobei diese Primärwicklung und die Sekundärwicklung des entsprechenden Eisenkernes
der vorgeschalteten Stufe miteinander verbunden die Kopplungswicklungen der beiden
entsprechenden Stufen bilden. In mehrstufiger Ausführung wird dieser Kaskadenstromwandler
zweckmäßig so ausgebildet,daß die vorzugsweise als Ringkerne gestalteten Einzelkerne
der obersten Stufe mit ihren Sekundärwicklungen durch eine sie gemeinsam umhüllende
Isolierung von der sie gemeinsam umfassenden Primärwicklung getrennt sind und daß
diese Isolierung sich in einer die Ausleitungen aller Sekundärwicklungen enthaltenden
Durchführung fortsetzt, während die vorzugsweise auch als. Ringkerne ausgebildeten
Einzelkerne der folgenden Stufe bzw. Stufen mit ihren Sekundärwicklungen jeder für
sich gegenüber seiner Primärwicklung entsprechend isoliert und mit je einer eigenen
oder mit einer gemeinsamen Durchführung für die Ausleitungen der Sekundärwicklungen
versehen sind. Die aktiven Teile jeder Kaskadenstufe werden in einem Isoliermantel
mit einer metallischen Grundplatte und einem Metalldeckel untergebracht, wobei diese
beiden zweckmäßig mit einer Isolierflüssigkeit gefüllten Gehäuse übereinander angeordnet
sind. Wie in dem Hauptpatent weiter vorgeschlagen wird, kann man bei einer zweistufigen
Kaskade die obere Stufe so bemessen und mit einer solchen Isolierung der gemeinsamen
Primärwicklung gegenüber den Einzelkernen mit ihren Sekundärwicklungen versehen,
daß auf die obere Stufe etwa `-'.!" der Potentialdifferenz zwischen Hochspannungsanschluß
und Erde entfällt, während die untere Stufe (Endstufe) in ihrer Bemessung und in
der Isolierung der einzelnen Primärwicklungen gegenüber ihren auf Erdpotential liegenden
Einzelkernen mit ihren Sekundärwicklungen nur für etwa I/.3 der Potentialdifferenz
ausgelegt ist. Diese Ausführungsform erleichtert die erstrebte Verwendung von Isoliermänteln
gleichen Durchmessers für die beiden Kaskadenstufen und bringt eine Ersparnis. an
Isoliermaterial und eine Verringerung des Raumbedarfes für den Kaskadenstromwandler,
weil infolge der geringeren Isolierung jedes der Einzelkerne der unteren Stufe bzw.
Stufen alle Einzelkerne der betreffenden Stufe in einem Gehäuse untergebracht werden
können, dessen Durchmesser nur so groß wie der Durchmesser des Gehäuses der obersten
Stufe ist. Dieser Aufbau eines zweistufigen Kaskadenstromwandlers ist besonders
dann von Vorteil, wenn man den Kaskadenstromwandler mit einem Spannungswandler kombinieren
will, wie dies häufig erwünscht ist. Man kann dann nämlich ohne Schwierigkeit die
obere Kaskadenstufe des Spannungswandlers mit der oberen Stufe des Kaskadenstromwandlers
in dem gemeinsamen Gehäuse in an sich bekannter Weise so unterbringen, daß die aktiven
Teile des Stromwandlers oben, die aktiven Teile des Spannungswandlers unten liegen
und die für die beiderseitigen Ausleitungen erforderlichen Durchführungen in entgegengesetzten
Richtungen nebeneinander verlaufen. Bei der unteren Kaskadenstufe wird die Anordnung
sinngemäß genauso getroffen, d. h., die Durchführungen für die Ausleitungen der
Sekundärwicklungen der Stromwandlerkaskadenstufe verlaufen von oben nach unten neben
der von unten nach oben verlaufenden Durchführung für die Auslleitung der Kaskadenspannungswandlerstufe,
deren aktive Teile unten angeordnet sind.
-
In vielen Fällen ist jedoch eine Kombination des Kaskadenstromwandlers
mit einem Spannungswandleryerforderlich, so daß man bei dem Aufbau des Kaskadenstromwandlers
keine Rücksicht auf die Unterbringung der aktiven Teile eines Kaskadenspannungswandlers
zu
nehmen braucht. Andererseits besteht häufig der Wunsch, auf jede Stufe des Kaskadenstromwandlers
den gleichen Anteil der Potentialdifferenz zwischen Hochspannungsanschluß und Erde
entfallen zu lassen, also z. B. einen zweistufigen Kaskadenstromwandler so auszuführen,
daß auf jede der beiden Stufen die Hälfte der Potentialdifferenz zwischen Hochspannungsanschluß
und Erde entfällt.
-
Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie man einen Kaskadenstromwandler
in zwei- oder mehrstufiger Ausführung gemäß dem genannten Patent bei Unterteilung
des Eisenkernes jeder Stufe in zwei Einzelkerne so ausführen kann, daß auf jede
Stufe der Kaskade der gleiche Anteil der Potentialdifferenz entfällt und trotzdem
der Forderung nach Isoliermaterialeinsparung und Verringerung des. Raumbedarfes
Rechnung getragen werden kann. Die Erfindung geht von der eingangs erwähnten mehrstufigen
Ausführung gemäß dem Hauptpatent aus, bei der die vorzugsweise ags Ringkerne gestalteten
beiden Einzelkerne der obersten Stufe mit ihren Sekundärwicklungen durch eine sie
gemeinsam umhüllende Isolierung von der sie gemeinsam umfassenden Primärwicklung
getrennt sind und diese Isolierung sich in einer die Ausleitungen aller Sekundärwicklungen
enthaltenden Durchführung fortsetzt, während die beiden Einzelkerne der folgenden
Stufe bzw. Stufen mit ihren Sekundärwicklungen jeder für sich gegenüber seiner Primärwicklung
entsprechend isoliert und mit je einer Durchführung versehen sind. Erfindungsgemäß
werden die beiden Einzelkerne der folgenden Stufe bzw. Stufen mit ihren Wicklungen
räumlich derart übereinander angeordnet, daß die die Ausleitungen der Sekundärwicklung
des oberen Einzelkernes enthaltende, nach unten gerichtete Durchführung neben der
die Ausleitungen der Primärwicklung des unteren Einzelkernes enthaltenden, nach
oben gerichteten Durchführung in an sich bekannter Weise in dem zwischen den Einzelkernen
befindlichen freien Raum liegt. Vorzugsweise werden die beiden Einzelkerne der obersten
Stufe der Kaskade und mindestens der obere Einzelkern der folgenden Stufe bzw. Stufen
mit ihren Ebenen horizontal angeordnet. Man kann den Außendurchmesser des obenliegenden
isolierten, als Ringkern ausgebildeten Einzelkernes der unteren Stufe bzw. Stufen
der Kaskade ebenso groß machen wie den Außendurchmesser der beiden gemeinsam isolierten,
al<s Ringkerne ausgebildeten Einzelkerne der obersten Stufe der Kaskade und demgemäß
für die einzelnen Stufen Isoliermäntel gleichen Durchmessers verwenden, auch wenn
die Isolierung jedes der beiden Einzelkerne der unteren Stufe bzw. Stufen ebenso
stark ist wie die der obersten Stufe. Der untenliegende Einzelkern der unteren Stufe
bzw. Stufen der Kaskade, der zweckmäßig als Mantelkern oder als Rahmenkern mit rechteckigem
Kernfenster ausgebildet ist und dessen Außenabmessungen auch nicht größer sind,
kann auch horizontal liegend angeordnet werden. Man kann ihn aber auch mit vertikal
liegender Ebene einbauen, insbesondere, wenn man ihn in das Fundament hineinragen
läßt.
-
An sich ist es schon bekannt, bei einem Stromwandler mit mehreren
je eine Sekundärwicklung tragenden Einzelkernen diese Einzellkerne mit ihren Sekundärwicklungen
durch eine sie gemeinsam umhüllende Isolierung von der sie gemeinsam umfassenden
Primärwicklung zu trennen, wobei sich diese Isolierung in einer die Ausleitungen
aller Sekundärwicklungen enthaltenden Durchführung fortsetzt. Andererseits ist auch
schon an sich bekannt, zweiMeßwandler in der Weise miteinander zu kombinieren, daß
die aktiven Teile der beiden Wandler räumlich derart übereinander angeordnet werden,
daß die dieAusleitungen der Sekundärwicklung des obenliegenden Wandlers enthaltende,
nach unten gerichtete Durchführung neben der die Ausleitungen der Primärwicklung
des untenliegenden Wandlers enthaltenden, nach oben gerichteten Durchführung in
dem zwischen den aktiven Teilen der beiden Wandler befindlichen freien Raum liegt.
Demgegenüber handelt es sich bei der Erfindung um die Anwendung der einen an sich
bekannten Maßnahme bei der einen Stufe und der anderen an sich bekannten Maßnahme
bei der bzw. den anderen Stufen eines mehrstufigen Kaskadenstromwandlers zur Lösung
der Aufgabe, die bei den erwähnten bekannten Anordnungen nicht vorliegt.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für einen Kaskad'enstromwandler
gemäß der Erfindung, und zwar für einen mehrstufigen, dargestellt, der in seiner
Schaltung dem in den Fig. 6 und 7 des Hauptpatentes dargestellten Kaskadenstromwandler
entspricht. Die obere Stufe des dargestellten Kaskadenstromwandlers entspricht in
ihrem Aufbau vollständig der oberen Stufe des in Fig. 7 des Hauptpatentes gezeigten
Wandlers, nur ist im. Hinblick darauf, daß auf jede der beiden Kaskadenstufen hier
die Hälfte der Potentialdifferenz zwischen Hochspannungsanschluß und Erde entfallen
soll, die Isolierung 50 der Primärwicklung 39 gegenüber den beiden Ringkernen 40,
41 und ihren Sekundärwicklungen 42, 43 schwächer bemessen als bei dem in Fig. 7
des Hauptpatentes dargestellten Kaskadenstromwandler, bei dem auf die obere Stufe
der Kaskade etwa 2/3 der Potentialdifferenz entfällt. Die Isolation 50 weist
einen als Durchführung für die Ausleitungen der beiden Sekundärwicklungen 42, 43
dienenden Fortsatz 51 auf. Das Gehäuse der oberen Kaskadenstufe besteht aus dem
Isoliermantel 52 mit der metallischen Grundplatte 53 und dem Metalldeckel oder der
Metallhaube 54. Die untere Stufe der Kaskade besitzt einen Isoliermantel 55 mit
einem metallischen geerdeten Fundament 56 und einem Metalldeckel 57. In diesem
Gehäuse ist oben der Ringkern 44 mit seiner Sekundärwicklung 48 horizontal liegend
angeordnet. Er ist gegenüber seiner Primärwicklung 46, die mit den Ausleitungen
der Sekundärwicklung 43 der oberen Kaskadenstufe verbunden ist, durch eine Isolierhülle
58 isoliert, die genau wie die Isolation 50 bei der oberen Stufe für die Hälfte
der Potentialdifferenz zwischen Hochspannungsanschluß und Erde bemessen ist. Die
Isolierhülle 58 weist einen senkrecht nach unten gerichteten Fortsatz 60 für die
Ausleitungen der Sekundärwicklung 48 auf, die an die sekundären Anschlußklemmen
1 k und 11 angeschlossen werden. Unten im Gehäuse befindet sich, ebenfalls
horizontal liegend, der zweite beispielsweise als Mantelkern ausgebildete Einzelkern
45 der unteren Kaskadenstufe mit seiner Sekundärwicklung 49, deren Ausleitungen
an die sekundären Anschlußklemmen 2 k und 2 1 geführt sind. Die zugehörige Primärwicklung
47, durch die Isolation 59 umhüllt, umfaßt den sekundärbewickelten
Mittelschenkel des Kernes 45 etwa ringförmig. Diese die Primärwicklung 47
enthaltende Isolation 59 weist eine senkrecht nach oben gerichtete Durchführung
61 für die beiden Ausleitungen der 47 auf, die mit den Ausleitungen der Sekundärwicklung
42 der
oberen Kaskadenstufe verbunden sind. Die beiden Durchführungen
60 und 61 liegen also, in entgegengesetzten Richtungen verlaufend, nebeneinander
in dem freien Raum zwischen dem oberen Kern 44 und dem unteren Kern 45. Diese räumliche
Anordnung der beiden Einzelkerne der unteren Kaskadenstufe ermöglicht es, die beiden
Kernanordnungen, von denen jede ebenso stark isoliert ist wie die Kernanordnung
der oberen Kaskadenstufe, in einem Gehäuse unterzubringen; welches den gleichen
Durchmesser und die gleiche Höhe wie das Gehäuse der oberen Kaskadenstufe hat.
-
Die Isolierhüllen 50, 58 und 59 mit ihren Durchführungen 51, 60 bzw.
61 können in üblicher Weise aus Papierbandagen od. dgl. hergestellt sein, wenn die
Gehäuse für die beiden Kaskadenstufen mit einer Isolierflüssigkeit oder Isoliermasse
gefüllt werden. Sie können aber auch in an sich bekannter Weise aus Gießharz bestehen,
wobei dann die Gehäuse nicht mit einem IsoiermitteQ, z. B. mit Öl, gefüllt zu werden
brauchen bzw. ganz in Fortfall kommen können.
-
Falls die durch die Spulen- und Erdkapazitäten gegebene natürliche
Potentialaufteilung auf die einzelnen Stufen der Kaskade nicht den Wünschen entspricht,
also in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Potentialdifferenz zwischen Hochspannung
und Erde nicht gleichmäßig auf die beiden Kaskadenstufen verteilt wird, so kann
man in eine, zwei oder mehr Stufen der Kaskade Steuerkondensatoren einbauen. In
der Zeichnung ist beispielsweise in dem freien Raum neben der Durchführung 51 der
obersten Kaskadenstufe eine Steuerkondensatorsäule 62 angeordnet, die einerseits
an den Deckel 54, andererseits an den Boden 53 angeschlossen ist. Diese Kondensatorsäule
ist mit Rücksicht auf die Spulen- und Erdkapazitäten der beiden Kaskadenstufen so
bemessen, daß sich die Potentialdifferenz zwischen Hochspannung und Erde völlig
gleichmäßig auf beide Stufen verteilt. Um einen Abgleich zu ermöglichen, kann man
die Kondensatorsäule mit Anzapfungen versehen, die gegebenenfalls auch aus dem Gehäuse
mittels Durchführungen im Boden oder Deckel herausgeführt werden können. Die Anordnung
solcher Steuerkondensatoren zur Potentialsteuerung ist an sich bereits bekannt.
-
Gelegentlich ist es erwünscht, daß die in dem sogenannten Relaiskern
eines Mehrkernwandlers zur Verfügung gestellte Meßdeistung galvanisch unterteilt
wird, um den galvanisch getrennten Anschluß verschiedener Schutzeinrichtungen, wie
z. B. eines Differentialschutzes und eines normalen überstromschutzes, zu ermöglichen.
Bei dem Kaskadenstromwandler gemäß der Erfindung kann man in einem solchen Fall
in der untersten Stufe der Kaskade den einen Einzelkern, also den sogenannten Relaiskern,
durch zwei Kerne mit je einer Sekundärwicklung ersetzen. An die Sekundärwicklung
des einen dieser beiden Kerne wird dann beispielsweise der Differentialschutz, an
die Sekundärwicklung des anderen der Überstromschutz oder andere Einrichtungen,
die nicht die hohe Genauigkeit des Meßkernes erfordern, angeschlossen. Da der Relaiskern
im allgemeinen eine geringere Genauigkeit, jedoch eine höhere Leistung hat als der
sogenannte Meßkern, kann auf eine Ausschaltung der gegenseitigen Beeinflußbarkeit,
wie sie zwischen Relaiskern und Meßkern so störend ist, hier verzichtet werden.
Es ist natürlich auch möglich, in analoger Weise den sogenannten Meßkern durch zwei
Kerne mit je einer Sekundärwicklung zu ersetzen, wenn die beiden galvanisch zu trennenden
Meßkreise die gleiche Genauigkeit haben, also eine gegenseitige Beeinflussung als
weniger störend empfunden wird. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
würde also in der unteren Kaskadenstufe der eine von den beiden Kernen, z. B. der
Kern 45, aus zwei Kernen bestehen, von denen jeder eine Sekundärwicklung trägt,
die aber beide von der gleichen Primärwicklung 47 umfaßt sind. Gegebenenfalls kann
man außerdem auch den anderen Kern 44 in der gleichen Weise durch zwei Kerne mit
je einer Sekundärwicklung ersetzen, die von der Primärwicklung 46 gemeinsam umfaßt
werden. Im letzteren Fall handelt es sich dann um einen sogenannten Vierkernkaskadenstromwandler.