Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen auf Hochspannungspotential befind¬ lichen auf Hochspannungspotential befindlichen Meßwandler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Meßwandler der eingangs genannten Art dienen zur Erfas-sung der Spannung und/oder des Stromes in einer Hochspan¬ nungsschaltanlage, z. B. in einer gas- oder flüssig¬ keitsisolierten oder Freiluft-Hochspannungsschaltanlage.

Zur Erfassung der Spannung in gas- oder flüssigkeitsisolierten Schaltanlagen werden in ganz üblicher Weise kapazitive Span¬ nungsmeßeinrichtungen vorgesehen, die als kapazitive Spannungs¬ teiler ausgebildet sind und - im Prinzip - aus einem zwischen dem Innenleiter und einem in geringem Abstand zur Innenfläche des Außenleiters (Metallkapselung) und isoliert davon angeordne¬ ten Meßbelag befindlichen Oberspannungskondensator und einem Unterspannungskondensator bestehen, welch letzterer zwischen dem Meßbelag und dem Außenleiter gebildet ist. Die Span-nungsmeß- werte werden am Unterspannungskondensator aufge-nommen.

Aus der DE-OS 25 46 694 ist ein Meßsendegerät für Hoch-span- nungsleitungen bekannt geworden, welches auf Be-triebspotential, d. h. Hochspannungspotential, befindli-che Meßwertaufnehmer für elektrische Größen der Hochspan-nungsleitung aufweist. Die Aus¬ gangssignale der Meßwert-aufnehmer werden einem Umwandlungs-Di- gitalisierungsteil, der sich auf Betriebspotential befindet, zu¬ geführt und als digitale Signale beispielsweise durch eine Sen- deein-richtung auf Erdpotential übertragen. Wie der Meßwertauf¬ nehmer ausgebildet ist, ist aus der DE-OS 25 46 694 nicht zu er¬ sehen.

BEI DER EINREICHUNG NICHT HINTERLEGT

tragen werden; zu diesem Zweck ist bei metallgekapselten Anlagen im Innenleiter und im Außenleiter je eine radiale Bohrung vorzu¬ sehen. Die Bohrung im Außenleiter ist mittels eines transparen¬ ten Fensters zu verschließen.

Zwar ist, wie eingangs erwähnt, aus der DE-OS 37 12 190 eine auf Hochspannungspotential befindliche Meßanordnung, deren Meßsi¬ gnale als Lichtsignale zum Erdpotential über-tragen werden, be¬ kannt. Von Bedeutung ist aber, daß die Energieversorgung einer¬ seits und die Herausführung der in Lichtsignale umgewandelten Meßsignale insbesondere in metallgekapselten Anlagen anders aus¬ gestaltet sind.

Erfindungsgemäß wird also eine Meßwandlereinheit gebil-det, die in bestehende Anlagen nachgerüstet werden kann. Dadurch, daß die Meßelektrode einen Außendurchmesser auf-weist, der dem Außen¬ durchmesser des Innenleiters gleicht, ändert sich die dielektri¬ sche Durchschlagsfestigkeit zwi-schen dem Innenleiter im Bereich der Meßelektrode und dem Außenleiter nicht, wenn die Einheit in einer metallgekapselten Hochspannungsanlage untergebracht ist.

Zwar ist aus dem JP-Abstract 58-124 960 eine Meßanordnung be¬ kannt geworden, die in einem halbkreisförmigen Aus-schnitt im Innenleiter angeordnet ist. Der Sensor ist ein Fotoelement, mit dem das elektrische Feld im Inneren der Vertiefung detektiert wird. Bei dieser Ausgestaltung kommt es darauf an, den Aus¬ schnitt so auszubilden und an-zuordnen, daß dort, wo sich der Sensor befindet, die größte Konzentration des Stromes vorhanden ist. Dies er-folgt bei der Anordnung nach dem JP-Abstract da¬ durch, daß der Ausschnitt, in dem sich der Sensor befindet, auf der gegenüberliegenden Seite des Innenleiters von zwei weite-ren Ausschnitten flankiert wird, wodurch ein omega-förmi-ger oder meander-förmiger Strompfadverlauf erzeugt wird. Darüberhinaus ist ersichtlich, daß die Ausschnitte so tief eingefügt werden, daß die Böden der Ausschnitte auf der Mittelachse des Innenlei¬ ters liegen.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung werden gemäß Anspruch 2 die Lichtleiter spiral- oder mäanderförmig durch den scheiben¬ förmigen Stützisolator nach außen auf Erdpotential geführt. Hierdurch wird erreicht, daß evtl. zwischen dem Stützisolator und den Lichtleitern entstehende Kriechstrecken für mögliche Entladungen möglichst lang sind.

Zwar ist es aus den oben erwähnten Druckschriften DE-OS 37 12 190 bzw. JP-Abstract 58-124 960 bekannt ge-worden, die Meßsignale als Lichtsignale zum Erdpotential zu übertragen; wie die Lichtleiter mechanisch in Stütz-isolatoren geführt sind, ist in beiden Druckschriften nicht dargestellt.

Auch is:t;aus der DE-OS 32 07 306 bekannt geworden, wie Lichtlei¬ ter von Hoch- auf Niederspannungspotential ge-führt werden kön¬ nen. Allerdings handelt es sich bei dem bekannten Isolator nicht um einen innerhalb einer gasiso-lierten, metallgekapselten An¬ lage befindlichen scheiben-förmigen Stützisolator, sondern um einen Porzellanisola-tor mit Tellern zur Verlängerung der Kriechstrecken. Au-ßerdem befinden sich die Lichtleiter auf der Außenfläche und sie verlaufen wendeiförmig, nicht aber spiral¬ förmig.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dem Anspruch 4 zu entnehmen, der angibt, wie die Meßelektrode in der Vertiefung gehaltert ist.

Dadurch, daß der sog. Meßbelag des Meßkondensators inner-halb der Vertiefung durch die dünnen Isolierstoffstege auf Distanz gehalten wird, und daß seine Länge kleiner ist als die der Ver¬ tiefung, wird erreicht, daß das Di-elektrikum des Meßkondensa¬ tors im wesentlichen das glei-che Dielektrikum ist wie das in¬ nerhalb der Metallkapse-lung. Dadurch sind das Übersetzungsver¬ hältnis des kapazi-tiven Spannungsteilers und damit die Meßsi¬ gnale des Meß-kondensators in erster Linie temperaturunabhängig.

Der Meßbelag des kapazitiven Meßwandlers muß sich dabei nicht über den gesamten Umfang des Hochspannungsleiters erstrecken.

Insbesondere bei dreiphasigen gekapselten Hochspannungsanlagen erweist es sich als zweckmäßig, den Meßbelag nur über einen Teil des Umfangs auszubilden, da-mit die Spannungen der einzelnen Leiter separat gemessen werden können.

Um einen sog. kombinierten Strom-Spannungswandler zu schaffen, besitzt der Innenleiter gemäß Anspruch 5 in ähnlicher Weise eine umlaufende zusätzliche Vertiefung, die mittels eines an einem Rand der Vertiefung elektrisch leitend anschließenden und in Ab¬ stand zum anderen Rand endenden Zylinders abgedeckt ist; im In¬ nenraum zwischen dem Boden der Vertiefung und der Innenwand des Zylinders ist in bevorzugter Weise eine Spule angeordnet, deren Si-gnale der übertragungsschaltungsanordnung zuführbär sind.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den kenn-zeichnen- den Merkmalen des Anspruches 6 zu entnehmen. Da-nach wird zur Spannungsversorgung der Übertragungsschal-tungsanordnung eben¬ falls innerhalb der Außenfläche des Leiters eine Kondensatoran¬ ordnung vorgesehen, die dadurch gebildet ist, daß der Leiter eine umlaufende Vertiefung aufweist, in der in Abstand zum Boden der Ver-tiefung eine Elektrode isoliert angeordnet ist. Der Außendurchmesser der Elektrode entspricht dem Außendurchmesser des Leiters. Diese Ausgestaltung gleicht somit der Meßanordnung, bis auf die Tatsache, daß zur Spannungsversorgung ggf. eine an¬ dere Bemessung erforderlich wird.

Die vom Meßwandler aufgenommene Spannung oder der vom Meßwandler aufgenommene Strom ist an sich ein Analogsi-gnal, und demgemäß ist in zweckmäßiger Weise die Schal-tungsanordnung als Ana- log/Digital-Wandler mit einem Lichtsender ausgebildet, der das analoge Meßsignal in ein digitales Lichtsignal umwandelt, wel¬ ches mittels der Lichtleiter zu einer außerhalb der Kapselung befindlichen Auswerteeinheit übertragen wird.

Die Meßwerte können zusätzlich in analoger Form mit einer weite¬ ren Lichtleiterstrecke in den Außenraum zur Auswer-teeinheit übertragen werden, um den Phasenwinkel genau erfassen zu können.

Die Übertragungsschaltungsanordnung oder kurz die Meßelektronik befindet sich innerhalb des Innenleiters und damit auf hohem Po¬ tential. Aus technischen Gründen, beispielsweise bei hohen Last¬ strömen oder Sonneneinstrahlung, kann die Temperatur des Innen¬ leiters 80° C annehmen. Auch können Temperaturanstiege bis 130° C nicht ausgeschlossen werden. Die sichere Funktion der als Mikroelektronik ausgebildeten Übertragungsschaltungsanordnung sowie die zugehörige Optoelektronik, mit der die Daten in Licht¬ signale umgewandelt werden, ist nur bis zu Grenzwerten der Ein¬ satztemperatur, die bei 75° C und in speziellen Fällen bei 125° C liegen, gewährleistet.

Zur Kühlung kann bzw. können nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 8 die gesamte Meßanordnung, d. h. die Über- tragungsschaltungsanordnungen auf ggf. je ein als Kühler dienen¬ des Peltier-Element aufmontiert sein, welches ggf. durch einen entsprechenden Stromwandler mit Strom versorgt wird.

Zu dem Stichwort "Peltier-Element" wird auf Meyers-Lexikon der Technik und der exakten Naturwissenschaften, 3. Band, 1970, Bi¬ bliographisches Institut, Mannheim/Wien/-Zürich, verwiesen.

Wie oben angedeutet ist die Erfindung anwendbar bei allen Arten von Anlagen, bei denen in auf Hochspannungspotential befindli¬ chen Leitern fließende Ströme und Spannungen gemessen werden sollen. Diese Anlagen können Freiluftanlagen oder metallgekap¬ selte, gas- oder flüssigkeitsisolierte Schaltanlagen sein.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiel der Er¬ findung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines kapazitiven

Meßwandlers innerhalb einer Hoch¬ spannungsschaltanlage,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Stromwandlers, ähnlich der Darstellung nach Figur 1,

Figur 3 einen aus einem Strom- und einem Spannungswandler gemäß den Figuren 1 und 2 bestehender Kombiwand¬ ler, ebenfalls in schematischer Darstellung, und

Figur 4 den Meßwandler nach Figur 1 mit einem Peltier-Ele¬ ment zur Kühlung.

Gleiche Teile in den Figuren besitzen gleiche Bezugsziffern.

Eine metallgekapselte, gasisolierte Hochspannungsschaltanlage, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, besitzt eine auf Erdpoten¬ tial befindliche Außenkapselung 10, in der konzentrisch ein hoh¬ ler, auf Hochspannungspotential befindlicher Innenleiter 11 an¬ geordnet ist. Die Außenkapselung 10 ist aus zwei Kapselungstei¬ len 12, 13 zusammengesetzt, an deren Stirnenden je ein Flansch 14 bzw. 15 vorgesehen ist, zwischen denen ein scheibenförmiger Stützisolator 16 für den Innenleiter 11 eingespannt ist. Anstatt eines Innenleiters 11 können selbstverständlich bei mehrphasig gekapselten Schaltanlagen auch eine der Anzahl der Phasen ent¬ sprechende Anzahl von Innenleitern vorgesehen werden.

Der Leiter 11 besitzt eine' erste umlaufende Vertiefung 17, auf deren Boden Isolierstege 18 und 19 angeordnet sind, mittels denen ein Meßbelag oder eine Meßelektrode 20 gegenüber dem Lei¬ ter 11 isoliert abgestützt ist. Zwischen dem Meßbelag 20 und dem Boden der Vertiefung 17 ist somit ein Meßkondensator 21 gebil¬ det; mit der zwischen dem Meßbelag 20 und dem Kapselungsteil 12 befindlichen Kapazität 22 bildet der Meßkondensator oder Kapazi¬ tät 21 einen kapazitiven Spannungsteiler.

An dem Meßbelag 20 einerseits und an der Innenfläche des hohlen Leiters 11 sind Anschlußleitungen 23 und 24 angeschlossen, die zu einer im Inneren des Leiters 11 angeordneten Schaltungsanord¬ nung 25 einer Übertragungsschaltungsanordnung führen, in der die

durch die Leiter 23 und 24 zu der Schaltungsanordnung 25 ge¬ führten analogen Meßsignale des Meßkondensators 21 in digitale Signale umgewandelt werden. Demgemäß handelt es sich bei der Schaltungsanordnung 25 um einen Analog/Digital-Wandler. An dem Analog/Digital-Wandler 25 befindet sich ein Lichtsender 26 der Übertragungsschaltungsanordnung, der die digitalen Signale nach Umwandlung in Lichtsignale auf eine Lichtleiteranordnung 27 überträgt, die - wie in Figur 1 schematisch dargestellt - spi¬ ralförmig durch den Stützisolator 16 nach außen herausgeführt ist. Man erkennt in der Figur 1 die einzelnen Querschnitte der Lichtleiteranordnung 27. Die Lichtleiteranordnung 27 ist mit ei¬ ner Auswerteschaltung 28 verbunden, in der die Lichtsignale aus¬ gewertet werden. Der Wandler 25 wird mit Spannung mititeis einer Kondensatoranordnung versorgt, die dem Meßkondensator gleicht. Diese Kondensatoranordnung 29 besitzt eine dritte Vertiefung 30, auf deren Boden Stege 31 und 32 aufgebracht sind, die eine Kon¬ densatorelektrode 33 halter, wodurch ein Versorgungskondensator 34 dieser zweiten Kondensatoranordnung gebildet wird. Die zwi¬ schen der Elektrode 33 und dem Kapselungsteil 10 befindliche Ka¬ pazität besitzt die Bezugsziffer 35. Die Elektrode 33 einerseits und der Innenleiter 11 andererseits sind mittels elektrischer Leitungen 36 und 37 mit dem Wandler 25 verbunden.

Die Figur 2 zeigt eine andere Ausgestaltung eines Meßwandlers.

Innerhalb des Innenleiters 11 ist eine weitere Vertiefung 40 eingebracht, die von einem Rand 41 der Vertiefung in Richtung der Außenfläche vorspringenden Abdeckzylinder 42 bis auf einen Spalt 43 abgedeckt ist. In dem durch den Zylinder 42 und den Bo¬ den der Vertiefung 40 befindlichen Innenraum 44 ist eine Spule 45 untergebracht, die beispielsweise als Rogowskispule ausgebil¬ det ist und deren Meßsignale dem Wandler 25 zugeführt werden. Die SpannungsVersorgung für den Wandler 25 erfolgt durch den Kondensator 34 des kapazitiven Spannungsteilers 34, 35, der so aufgebaut ist wie der zur SpannungsVersorgung des Meßwandlers 21/22 verwendete Spannungsteiler und daher die gleichen Bezugs¬ ziffern besitzt. Die übrige konstruktive Ausgestaltung der An¬ ordnung nach Figur 2 entspricht der Anordnung nach Figur 1.

Die Figur 3 zeigt eine Kombination der beiden Meßwandler nach den Figuren 1 und 2.

Diese Kombination besitzt den Meßwandler 50, der dem in der Fi¬ gur 2 dargestellten Stromwandler entspricht, sowie den Meßwand¬ ler 51, der dem kapazitiven Meßwandler gemäß Figur 1 entspricht. Zur Stromversorgung der beiden Schaltungsanordnungen (Wandler) 52 und 53, die den Schaltungsanordnungen 25 entsprechen, ist die Versorgungskapazität 29 vorgesehen, die so zu bemessen ist, daß sie die beiden Wandler 52 und 53 gleichmäßig mit Spannung ver¬ sorgen kann. Sowohl der Wandler 52 mit dem Lichtsender 54 als auch der Wandler 53 mit dem Lichtsender 55 geben ihre -Lichtsi- gnale auf die beiden Lichtleiter 56 und 57 ab, die dem Lichtlei¬ ter 27 der Figur 1 bzw. 2 entsprechen. Beide Lichtleiter 56 und 57 verlaufen spiralförmig durch den Stützisolator 16 zu einer Auswerteeinheit 58, die der Auswerteschaltung 28 in angepaßter Form entspricht.

Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, daß die Span¬ nungsversorgung für die Wandler 25 und die Lichtsender 26 von den Meßwandlern selbst und nicht mittels einer zusätzlichen Ver¬ sorgungskapazität bereitgestellt wird.

Nicht dargestellt ist ein jeweils zusätzlicher Lichtleiter, der dem kapazitiven Meßwandler 21 und dem induktiven Meßwandler 45 zugeordnet ist und der die von dem jeweiligen Meßwandler erzeug¬ ten Signale in analoger Form der Auswerteschaltung zuführt. Diese zusätzlichen Lichtleiteranordnungen würden ebenso spiral¬ förmig durch den Stützisolator 26 hindurchgeführt; mit diesen analogen Signalen, die zur zu messenden Größe in gleicher Phase liegen, kann der Phasenwinkel genau erfaßt werden.

Die Erfindung ist anwendbar bei gas- oder flüssigkeitsisolierten metallgekapselten Hochspannungsschaltanlagen sowie bei Freiluft¬ anlagen und sie besitzt insgesamt einen vergleichsweise geringen Raumbedarf und ist außerdem mit geringem Aufwand herstellbar.

Die Figurenbeschreibung zeigt lediglich einen Einzelleiter in¬ nerhalb der Metallkapselung; wenn die Hochs annungsanläge eine mehrphasig gekapselte Anlage ist, dann kann der Meßbelag des ka¬ pazitiven Meßwandlers, wie der mit der Bezugsziffer 20, nur über einen Teil des Umfangs ausgebildet sein, so daß die Spannungen der einzelnen Leiter separat gemessen werden können.

Aufgrund der Ausgestaltung der Anordnung nach den Figuren 1 bis 3 befindet sich im Inneren jedes Meßwandlers bzw. jeder Versor¬ gungskapazität das gleiche Dielektrikum wie innerhalb der Außen¬ kapselung 10, so daß die Meßsignale in erster Näherung tempera¬ turabhängig sind.

Bei der..Ausführung nach der Figur 2 endet der Zylinder 42 in ei¬ nem Abstand zu dem nächsten Rand der Vertiefung 40, wodurch der Spalt 43 gebildet ist. Dieser ist sehr wichtig, um eine magneti¬ sche Abschirmung der Spule bewirkende Kurzschlußströme zu ver¬ meiden. Der Zylinder 42 dient lediglich als Abschirmung für die Spule 45, wodurch Meßverfälschungen durch kapazitive Einstreuun¬ gen vermieden werden. Die Spule 45 ist in zweckmäßiger Weise als Rogowskispule ausgebildet.

Bei den bekannten Spannungswandlern, bei denen sich die Meßka¬ pazität auf Erdpotential oder im Bereich des Erdpotentials be¬ findet, besteht die Gefahr, daß bei Versorgung durch das Netz im Falle eines Kurzschlusses Überschläge vom Meßgerät zur Erde auf¬ treten, weil die Kapselung transient auf Hochspannungspotential gelegt wird. Darüberhinaus besteht bei den bekannten Anordnungen auch ein elektromagnetisches Verträglichkeits-Problem; diese Probleme bestehen bei der erfindungsgemäßen Anordnung, sowohl nach den Figuren 1 und 3 als auch nach der Figur 2, nicht.

Sowohl der kapazitive Meßwandler mit der Spannungsversorgung als auch der Stromwandler mit der kapazitiven SpannungsVersorgung und darüberhinaus auch der Kombiwandler gemäß Figur 3 können ohne weiteres als Baueinheit fabrikfertig vorbereitet und vorge¬ fertigt werden.

Daß die Versorgung der Wandler 25 bzw. 52 und 53 als Spannungs¬ versorgung ausgebildet ist, hat den Grund, daß Spannung immer vorhanden ist bzw. die Spannung dem Strom voreilt. Dies hat den Vorteil, daß die Versorgung der Wandler 25, 52 und 53 sowie der zugehörigen Lichtsender 26, 54, 55 immer sicher gestellt ist.

Die Figur 4 zeigt einen Meßwandler mit Kühlung.

Auf einem Absatz 60 im Inneren des Innenleiters 11 ist ein Pel¬ tier-Element, das in seiner Gesamtheit mit 61 bezeichnet ist, aufgesetzt. Das Peltier-Element 61 besitzt, wie bekannt, Leiter¬ materialien unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise aus Meyers-Lexikon der Technik und der -exakten Naturwissenschaften, Band 3, Seite 1916 bekannt, so daß hier nicht näher auf die Zusammensetzung eingegangen werden muß.

Zur Verringerung der Betriebstemperaturen wird bzw. werden die Übertragungsschaltungsanordnungen mit der kalten Fläche des Pel- tier-Elementes 61 thermisch kontaktiert.

Das Peltier-Element 61 wird mittels eines den Innenleiter 11 um¬ gebenden geeignet bemessenen Stromwandlers 62 über Leitungen 63 und 64 mit Strom versorgt, so daß für die Übertragungsschal- tungsanordnung 25/26 ein ausreichender Kühleffekt erzielt werden kann. Selbstverständlich könnte auch die Spannungsversorgung 29 benutzt werden. Daß ein Gleichrichter vorgesehen sein muß, ist selbstverständlich und in Figur 4 nicht näher dargestellt.