Stromwandlermodul für eine Schaltanlage und entsprechende Schaltanlage

Die Erfindung betrifft ein Stromwandlermodul für eine Schalt anlage, insbesondere gasisolierte Schaltanlage, welche eine Rohrkapselung eines Strompfades aufweist, mit einem rohrför migen Grundelement zur Bildung zumindest eines Abschnitts der Rohrkapselung und mit mindestens einer das rohrförmige Grun delement umfänglich umgebenden, ringförmigen Stromwandlerein heit.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Schaltan lage mit einer Rohrkapselung eines Strompfades und einem der artigen Stromwandlermodul.

Die Druckschrift DE 10 2005 005 445 Al zeigt ein Stromwand lermodul für eine gasisolierte Schaltanlage, welche eine Rohrkapselung eines Strompfades aufweist. Das Stromwandlermo dul weist ein rohrförmiges Grundelement zur Bildung zumindest eines Abschnitts der Rohrkapselung und mehrere das rohrförmi ge Grundelement umfänglich umgebende Ringkerne auf. Die

Druckschrift DE 10 2015 210 135 Al zeigt ein ähnlich aufge bautes Stromwandlermodul mit Rohrkapselung. Derart aufgebaute Stromwandler werden für Wechselstromanwendungen genutzt.

Die Druckschrift DE 10 2015 214 043 Al zeigt eine Anordnung mit einem Nullflussstromwandler für eine Freileitungs-Schal tung, bei welcher der Stromwandler als Nullfluss-Stromwandler für eine DC-Strommessung mittels Nullfluss-Strommesstechnik in einem ringförmigen Kerngehäuse angeordnet ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, durch die sich neue Einsatzgebiete für Stromwandlermodule für

Schaltanlagen mit Rohrkapselungen ergeben. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unab hängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Stromwandlermodul für eine Schalt anlage, insbesondere gasisolierte Schaltanlage, welche eine Rohrkapselung eines Strompfades umfasst, weist die Schaltan lage (i) ein zwei elektrisch leitfähige Endstücke aufweisen des rohrförmiges Grundelement zur Bildung zumindest eines Ab schnitts der Rohrkapselung und (ii) mindestens eine ringför mige Stromwandlereinheit auf, die auf dem rohrförmigen Grun delement angeordnet ist und das rohrförmige Grundelement da bei umfänglich umgibt. Es ist vorgesehen, dass die Stromwand lereinheit oder zumindest eine der Stromwandlereinheiten als Nullfluss-Stromwandlereinheit für eine Strommessung mittels Nullfluss-Strommesstechnik ausgestaltet sind. Die Nullfluss- Strommesstechnik ermöglicht auch DC-Strommessungen . Durch diese Maßnahme wird das Einsatzspektrum des Stromwandlermo duls somit klar erweitert. Insbesondere sind alle Stromwand lereinheiten als Nullfluss-Stromwandlereinheiten ausgebildet.

Stromsensoren, die nach dem Nullfluss- oder Zero-Flux-Mess- prinzip arbeiten (engl.: AC/DC zero-flux current sensor), sind bekannt. Den zentralen Aufbau solcher Sensoren kann man auch als Nullfluss-Stromwandlereinheit ( Zero-Flux-Stromwand- lereinheit) bezeichnen. Die eingangs erwähnte Druckschrift DE 10 2015 214 043 Al zeigt eine Anordnung mit Nullfluss- Stromwandlereinheit, die eine Kompensationswicklung, eine De tektionswicklung und ein ringförmiges Kerngehäuse aufweist.

Die Endstücke des rohrförmigen Grundelements sind vorzugswei se als Flansche ausgebildet, über die das rohrförmige Grunde lement zwischen zwei anderen Komponenten der Schaltanlage be festigt („zwischengeflanscht") werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das rohrförmige Grundelement in einer Sektion ein Isolierelement auf, welches die beiden Endstücke des rohrförmigen Grundele ments Grundelement-intern voneinander elektrisch isoliert.

Das Isolierelement, welches in der Regel ring- oder rohrför mig ist, ist in axialer Richtung beidseitig von metallisch leitenden Komponenten des Grundelements umgeben.

Grundsätzlich ist es denkbar, dass der komplette Zwischenteil des rohrförmigen Grundelements zwischen den Endstücken vom Isolierelement gebildet wird, sich dieses rohrförmig ausge staltete Isolierelement also als Rohrabschnitt des Grundele ments vom einen bis zum anderen Endstück erstreckt. Insbeson dere ist jedoch vorgesehen, dass ein zwischen den Endstücken angeordneter Rohrabschnitt des Grundelements im Wesentlichen von einem metallischen Rohrstück gebildet wird, wobei in dem Rohrabschnitt ein umlaufender Isolierspalt innerhalb der Sek tion mit dem Isolierelement ausgebildet ist. Der Isolierspalt bildet sich außerhalb oder innerhalb des Isolierelements vor zugsweise zwischen dem metallischen Rohrstück und einem der Endstücke aus. Bei dem Stromwandlermodul bzw. seinem Grunde lement handelt es sich insbesondere um eine gasdichte Anord nung für die Verwendung in einer gasisolierten Schaltanlage. Die Gasdichtigkeit ist dabei bevorzugt im Bereich bis 30 bar.

Das Grundelement ist die Basis, auf der die mindestens eine Stromwandlereinheit angeordnet ist.

Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Stromwandlereinheit in einem Abschnitt des rohrförmigen Grun delements angeordnet ist, in die von dem metallische Rohr stück gebildet wird. Dieser Abschnitt ist in der Regel mecha nisch stärker belastbar als die Sektion mit dem rohrförmigen Isolierelement .

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Isolierspalt ei ne Breite aufweist, die höchstens 1/10 (< 1/10) der axialen

Gesamtlänge des Stromwandlermoduls bzw. dessen Grundelements entspricht. Für einen schmalen Isolierspalt wird auch nur ein kurzes Isolierelement benötigt. Der Rest des rohrförmigen Grundelements kann aus robusteren Materialien, insbesondere Metall, gefertigt sein.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Grundelement in der Sektion mit dem Isolierelement eine Elektrode auf. Diese Elektrode kann als Abschirmelektro de aufgefasst werden oder als Elektrode eines Kondensators.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass mehrere Stromwandlereinheiten vorgesehen sind und dass das Stromwandlermodul einen gemein samen Anschlusskasten für diese Stromwandlereinheiten auf weist. Durch den modularen Aufbau können die Anschlussmög lichkeiten für die Stromwandlereinheiten vorkonfektioniert sein. Der Anschlusskasten ist insbesondere als Klemmenkasten ausgestaltet .

Bevorzugt weist das Stromwandlermodul zumindest ein elekt risch leitfähiges Verbindungselement auf, das außen um die mindestens eine Stromwandlereinheit herum führt und die bei den Endstücke des rohrförmigen Grundelements elektrisch lei tend verbindet. Dieses leitfähige Verbindungselement ist ins besondere als Stromwandlermantel ausgebildet, der die mindes tens eine Stromwandlereinheit umgibt. Fließt ein Strom von bis zu mehreren Kiloampere zwischen den beiden Endstücken, so fließt er außen um die mindestens eine Stromwandlereinheit herum und kann separat vom Strom entlang des Strompfades er fasst werden.

Schließlich ist bezüglich des Moduls bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine ringförmige Stromwandlereinheit auf dem rohrförmige Grundelement, insbesondere dem metallischen Rohrstück und zentrisch zum Rohrleiter, befestigt ist. Bevor zugt ist die mindestens eine ringförmige Stromwandlereinheit auf dem rohrförmige Grundelement fest vergossen. Das Grunde lement ist bezüglich der Stromwandlereinheiten der Träger.

Ein weiterer Träger wird nicht benötigt. Bei der erfindungsgemäßen Schaltanlage, insbesondere gasiso lierte Schaltanlage, die eine Rohrkapselung eines Strompfades aufweist, ist vorgesehen, dass diese ein vorstehend genanntes Stromwandlermodul umfasst. Dieses wird einfach komplett zwi schen zwei weitere Komponenten der Anlage „zwischenge

flanscht" .

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung sche matisch in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher be schrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein geschnittenes Stromwandlermodul gemäß einer

ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Seitenansicht und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des in Fig. 1 gezeigten

Stromwandlermoduls .

Die Fig. 1 zeigt ein Stromwandlermodul 10 zum Einbau in eine (nicht gezeigte) Schaltanlage, genauer gesagt eine gasiso lierte Schaltanlage. Eine solche Schaltanlage umfasst unter anderem eine Rohrkapselung eines (ebenfalls nicht explizit gezeigten) Strompfades, was auch als Rohrleiter bezeichnet wird. Im Bereich dieser Rohrkapselung wird nun das Stromwand lermodul 10 eingebaut. Basis des Stromwandlermodul 10 ist ein rohrförmiges Grundelement 12, welches sich entlang einer Ach se 14 erstreckt. Bei montiertem Stromwandlermodul 10 bildet das Grundelement 12 einen Abschnitt der Rohrkapselung bzw. eines Außenrohres des Rohrleiters. Der entsprechende Leiter, der den Strompfad vorgibt, erstreckt sich dann entlang der Achse 14. Das in die Schaltanlage eingebaute Stromwandlermo dul 10 bildet also einen Teil der Rohrkapselung des Strompfa des. Dieser verläuft dann in der Regel entlang der Achse 14. Zu diesem Zweck weist das rohrförmige Grundelement 12

elektrisch leitfähige Endstücke 16, 18 auf, die als Flansche 20, 22 ausgebildet sind. Über diese Flansche 20, 22 kann das rohrförmige Grundelement 12 zwischen zwei anderen Komponenten der Schaltanlage zwischengeflanscht werden. Auf diese Weise wird das Modul 10 zu einem Teil der Rohrkapselung. Ein Rohr abschnitt 24 zwischen den Endstücken 16, 18 bildet den Mit telteil des rohrförmigen Grundelements 12. Das Innere des rohrförmigen Grundelements 12 bildet einen Gasraum 26 für ein Schutzgas der gasisolierten Schaltanlage.

Das Stromwandlermodul 10 weist weiterhin mehrere (hier drei) ringförmige Stromwandlereinheiten 28 auf, die alle als Null- fluss-Stromwandlereinheiten 30 ausgebildet und auf dem rohr förmigen Grundelement 12 angeordnet sind. Jede der Stromwand lereinheiten 28, 30 umgibt das rohrförmige Grundelement 12 dabei umfänglich mit einem Stromwandlerkern, der die Form der Stromwandlereinheit 28, 30 im Wesentlichen bestimmt. Weiter hin weist das Stromwandlermodul 10 ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement 32 in Form eines Stromwandlermantels auf, der die mindestens Stromwandlereinheiten 28, 30 umgibt und die beiden Endstücke 16, 18 des rohrförmigen Grundelements 12 elektrisch leitend verbindet. Fließt ein Strom zwischen den beiden Endstücken 16, 18, so fließt er nicht über das rohr förmige Grundelement 12 sondern außen um die Stromwandlerein heiten 28, 30 herum und wird von ihnen nicht mit erfasst. Die Stromwandlereinheiten 28, 30 erfassen somit nur den Strom des Strompfades im Inneren des rohrförmigen Grundelements 12. Au ßen auf dem Stromwandlermantel ist ein gemeinsamer Anschluss kasten 34 für alle Stromwandlereinheiten 28, 30 montiert.

Das rohrförmige Grundelement 12 ist, wie bereits angedeutet, längs der Achse 14 nicht durchgehend leitfähig. Mit anderen Worten ist das erste Endstück 16 vom zweiten Endstück 18 elektrisch isoliert. Zu diesem Zweck ist nicht der gesamte Rohrabschnitt 24, sondern nur ein großer Teil von ihm als me tallisches Rohrstück 36 ausgebildet. Dieses erstreckt sich in axialer Richtung vom zweiten der Endstücke 18 in Richtung des ersten der Endstücke 16, reicht aber nicht bis zu diesem. Es ergibt sich ein Übergang vom metallischen Rohrstück 36 zu dem ersten Endstück 18 über ein rohrförmiges Isolierelement 38 (Isolierteil) . Dieses ist beispielsweise aus GFK-Material (GFK: Glasfaserverstärkter Kunststoff) erstellt.

Auf der Innenseite des metallischen Rohrstücks 36 befindet sich ein Abschlussring 40, der eine Einheit mit dem Rohrstück 36 und dem Endstück 18 bzw. Flansch 22 bildet. Diese Einheit ist insbesondere eine Einheit aus einstückig miteinander ver bundenen Komponenten 18, 22, 36, 40, bevorzugt als Gussteil realisiert. Zwischen dem Abschlussring 40 und dem ersten End stück 16 ist das Isolierelement 38 montiert, welches nach in nen von einer leitend mit dem ersten Endstück 16 verbundenen Elektrode 42 abgedeckt ist, die man auch als Abschirmelektro de auffassen kann. Diese reicht jedoch nicht bis zum Ab schlussring 40. Es bildet sich eine Art Kondensatorwickel 44, bei dem sich zwischen Elektrode 42 und Isolierelement 38 bzw. Abschlussring 40 eine Dielektrikumsschicht befindet.

Die Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung des in Fig. 1 ge zeigten Stromwandlermoduls 10. Dabei ist jedoch nur ein obe rer Teil (mit dem Anschlusskasten 34) bis zur Achse 14 ge zeigt. In dieser Darstellung ist die Position der Stromwand lereinheit 28 gut erkennbar: alle Stromwandlereinheiten 28 sind auf dem metallischen Rohrstück 36 durch festes vergießen befestigt, wo sie stabil gehalten werden. Das metallische Rohrstück 36 selbst erstreckt sich im Abschnitt A vom zweiten Endstück 18 in Richtung des ersten Endstücks 16, erreicht dieses jedoch nicht. Es verbleibt ein als Ringspalt ausge stalteter Isolierspalt 46 zwischen dem metallischen Rohrstück 36 und dem ersten Endstück 16. Dieser Spalt 46 befindet sich außen auf dem Isolierelement 38, welches sich in der vom ers ten Endstück 16 axial abgehenden Sektion S befindet. Der Spalt 46 hat eine Breite B, die im Vergleich zur axialen Ge samtlänge des Stromwandlermoduls 10 bzw. Grundelements 12 insgesamt sehr klein ist. Dadurch, dass die Stromwandlereinheiten 28 als Nullfluss- Stromwandlereinheiten 30 ausgestaltet sind, ist nun (zusätz lich zur üblichen AC-Strommessung) auch eine DC-Strommessung möglich. Die Stromwandlereinheiten 28 sind also Nullfluss- Stromwandlereinheiten 30 für DC-Strommessungen mittels Null- fluss-Strommesstechnik .

Im Folgenden soll die erfindungsgemäße Lösung und ihre Ausge staltungen nun noch einmal mit einem üblichen Standard-Aufbau verglichen werden.

Bei diesem Standard-Aufbau gibt es separate Stromwandler-Bau steine mit Ringkernen, die auf ein Rohrelement der Rohrkapse lung „aufgefädelt" werden. Es handelt sich also nicht um ein vorkonfektioniertes Modul mit miteinander verbundenen Kompo nenten Grundelement und Stromwandlereinheit, wie es das er findungsgemäße Stromwandlermodul ist.

Das Problem dieses Standard-Aufbaus ist, das er sehr platz- und kostenintensiv und technisch nicht optimal gelöst ist.

Bei diesem bisherigen Aufbau sind die Kerne - insbesondere bei Offshore-Anwendung - den Umwelteinflüssen unmittelbar ausgesetzt. Der Platzbedarf ist sehr hoch, da die Kerne ein zeln mit größeren Abständen auf einen teuren GIS Isolierbau stein aufgesetzt werden müssen.

Beim Standard-Aufbau werden weiterhin wichtige elektrisch Kenngrößen nicht erfasst:

1. Im Kurzschlussfall wird der Strom nicht gemessen, da die ser nicht über das Gehäuse abgeleitet wird.

2. Schnelle transiente Spannungen werden nicht übertragen und gemessen .

Die erfindungsgemäße Lösung kann nun für DC Anwendungen zum Einsatz kommen, da Stromwandlereinheiten 30 mit Kernen ge- nutzt werden, die das Zero Flux Prinzip nutzen. Hierzu werden die bestehenden Induktiven Kerne durch das Teils elektroni sche Zero Flux System ersetzt.

Die außenliegende Stromwandlereinheiten 30 ersetzen folgende, sonst separate Bausteine des Standard-Aufbaus :

1. Die Isolierbausteine für die Montage der Kerne. Hier wird im Stromwandlermodul 10 durch das eingesetzte Isolierelement 38 der Trennspalt 46 geschaffen, welcher verhindert dass ein evtl. Kurzschlussstrom durch das Grundelement 12 geleitet wird. Der Kurzschlussstrom wird über das verschweißte Mantel blech des als Stromwandlermantel ausgebildeten Verbindungs elements 32 geführt. Somit kann dieser Strom separat erfasst werden .

2. Die beim Standard-Aufbau üblichen einzelnen Anschluss- bzw. Klemmenkästen der einzelnen Kerne. Hier werden alle Ka bel in einem gemeinsamen Anschluss- bzw. Klemmenkasten 34 ge bündelt und verdrahtet und können dann zur Auswerteeinheit geführt werden.

3. Die beim Standard-Aufbau übliche Fixierung der Kerne. Die Stromwandlereinheiten bzw. deren Kerne werden beim Modul auf dem Grundelement 12 als Kernträger fest vergossen. Im Moment werden Sie auf dem Boden verschraubt.

Es ergeben sich die folgenden Vorteile:

Beim Stromwandlermodul 10 ist nun eine Vorprüfung des Moduls als Gesamtsystem möglich. Eine Vorprüfung des Komplettsystems kann vor Auslieferung erfolgen, da der Stromwandler als Kom plettsystem, nämlich dem Stromwandlermodul 10, verbaut werden kann. Somit ist eine genaue Messwerterkennung gewährleistet und vorgeprüft. Es ist eine Schirmung gegen transiente Überspannungen (VFT - very fast transient) vorgesehen. Im Stromwandlermodul 10 wird dies durch einen Kondensatorwickel 44 im Isolierspalt 46 ge löst und ist in der AC Anwendung erprobt.

Bezugs zeichenliste

10 Stromwandlermodul

12 Grundelement, rohrförmig

14 Achse

16 Endstück

18 Endstück

20 Flansch

22 Flansch

24 Rohrabschnitt

26 Gasraum

28 Stromwandlereinheit

30 Nullfluss- Stromwandlereinheit 32 Verbindungselement

34 Anschlusskasten

36 Rohrstück, metallisch

38 Isolierelement

40 Abschlusselement, ringförmig 42 Elektrode

44 Kondensatorwickel

46 Isolierspalt

A Abschnitt

B Breite

S Sektion