MESSWANDLER MIT EINEM ELEKTRISCHEN WANDLER UND EINEM SENSOR

Die Erfindung betrifft einen Messwandler mit einem elektrischen Wandler, wobei der elektrische Wandler mit einer elektrischen Erde mittels einer Erdungsleitung verbunden ist.

Messwandler sind seit Jahrzehnten in elektrischen Energiever- sorgungsnetzen, insbesondere Hochspannungsnetzen, zur Strom- und Spannungsmessung implementiert. Funktion der Messwandler ist dabei, die Umwandlung von hohen Strömen und/oder Spannungen innerhalb des Hochspannungsnetzes auf solche Strom- be ^¬ ziehungsweise Spannungswerte zu transformieren, die für eine Messung beziehungsweise Überwachung des Hochspannungsnetzes geeignet sind.

Durch die Nutzung von entsprechenden Induktivitäten und/oder Kapazitäten für die Konzeption eines Messwandlers können un- erwünschte Netzrückkopplungen entstehen. Beispielsweise kann die nichtlineare Induktivität der Primärwicklung eines Span ^¬ nungswandlers mit den Kapazitäten eines entsprechenden Hochspannungsnetzes unter bestimmten Betriebszuständen oder Netzkonfigurationen einen nichtlinearen Schwingkreis bilden.

Durch Schalthandlungen kann dieser Schwingkreis zu nichtlinearen, auch als Ferroresonanz- beziehungsweise Kippschwingungen bezeichneten, Schwingungen angeregt werden. Es sind zum einen, in starr geerdeten Spannungsnetzen, einphasige Ferro- resonanzschwingungen möglich wie auch, in hochohmig geerdeten Netzen, dreiphasige Ferroresonanzschwingungen . Beide Vorgänge führen bei entsprechender Dauer zu einem Ausfall des Messwandlers aufgrund einer thermischen Zerstörung der Isolation der Spannungswandlerprimärwicklung zu einem Ausfall des Messwandlers . Standardmäßige Netzschutzeinrichtungen sind auf Fehlererkennung im Last- und Kurzschlussstrombereich ausgelegt. Die kleinen Ströme der Schwingungsvorgänge zwischen Netz und Spannungswandler liegen weit unterhalb der Messschwelle die- ser Geräte. Erst der leistungsstarke Folgefehler, wie bei ^¬ spielsweise ein Durchschlag der Wandlerisolation, wird er ^¬ kannt und der betroffene Teil des Spannungsnetzes abgeschal ^¬ tet . Bei erfahrungsgemäß gefährdeten Spannungswandlerinstallatio ^¬ nen innerhalb eines Hochspannungsnetzes wurden in der Vergan ^¬ genheit zur Vermeidung der Ferroresonanzschwingungen die möglichen Netzzustände durch Simulationsrechnungen modelliert und aufgrund der Simulationsergebnisse der Spannungswandler speziell konstruiert und gebaut, um den möglichen Schwing ^¬ kreis zu entschärfen. Durch untypische Schaltzustände, kom ^¬ plexe Netzkonfigurationen und unsachgemäßem Betrieb, wie beispielsweise ein Betrieb extrem unterhalb der Nennbürde, des Spannungswandlers treten immer wieder dennoch nicht vorher absehbare Ferroresonanzschwingungen auf, die zum Teil zu Beschädigungen der Spannungswandler und damit zur Abschaltung von Teilen des Hochspannungsnetzes führen. Nachteilig ist weiterhin, dass durch eine Änderung der Netzkonfiguration, beispielsweise den Austausch oder dem Einbau weiterer Abzwei- ge, und einer damit verbundenen Veränderung der Hochspannungsnetzparameter eine Änderung der Resonanzbedingungen und daraus resultierend gegebenenfalls wiederum Ferroresonanz- schwingkreise entstehen können. In der Vergangenheit wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass die zumeist im Einsatz befindlichen Spannungswandler hinsichtlich der an der Sekundärwicklung anliegenden Sekundärspannungen beziehungsweise -strömen ausgewertet wurden, indem zum Beispiel mittels einer Fourieranalyse der sekundä- ren Messspannung des Spannungswandlers beim Vorhandensein von bestimmten Frequenzen auf eine Spannungswandlergefährdung geschlossen werden kann. Kippschwingungen werden auch in DE 15 16 136 und DE 1 154 570 beschrieben, diese beziehen sich jedoch auf mögliche Kippschwingungen innerhalb des Gerätes und nicht auf eine Wech ^¬ selwirkung mit dem Hochspannungsnetz. Die Festigkeit und Prüfung zu diesen internen Kippschwingungen ist in der Norm für kapazitive Spannungswandler geregelt.

Nachteilig an allen Lösungen im Stand der Technik ist, dass eine schnelle Erfassung und Meldung einer Ferroresonanz- schwingung während des Betriebes der Schaltanlage nicht be- reitgestellt wird um dem Betreiber eine Möglichkeit zu geben den kritischen Betriebszustand zu verlassen beziehungsweise in Zukunft zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Mess- wandler bereitzustellen, der eine schnelle und einfache Erfassung einer beginnenden Ferroresonanzschwingung erlaubt.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des vorliegenden Patentanspruchs 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Sensor an der Erdungsleitung angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass die entsprechende Stromhöhe im Wandler des Messwandlers, die mit der Erdungsleitung verbunden sein kann, unmittelbar aus- gewertet wird. Bei einer entstehenden Ferroresonanzschwingung kann somit innerhalb des elektrischen Wandlers des Messwand ^¬ lers die entsprechende Veränderung des Stromes unmittelbar detektiert und damit ausgewertet werden. Eine komplexe Aufbe ^¬ reitung und Auswertung von verschiedenen Messgrößen, wie bei- spielsweise die Auswertung in der Sekundärwicklung des Messwandlers induzierten elektrischen Ströme, kann somit entfal ^¬ len. Weiterhin hat dies den Vorteil, dass der Sensor zur Mes sung des Stromes durch den Wandler genutzt werden kann, ohne dass die Erdungsverhältnisse des Wandlers verändert werden. Hierdurch kann auch eine nachträgliche Anbringung eines Sensors in die Erdungsleitung des Messwandlers vorgenommen werden, ohne die bestehende nierderohmige, direkte und optisch prüfbare Erdung des Messkreises des Messwandlers zu beein ^¬ trächtigen. Die Messung des Stromes in der Erdungsleitung de Wandlers ist ebenfalls wesentlich aussagekräftiger im Vergleich zur Erkennung von Ferroresonanzschwingungen mittels der Auswertung der Sekundärspannung eines Spannungswandlers. Bei einem Spannungswandler als Wandlers ist hingegen der gemessene Wicklungsstrom direkt für die thermische Belastung des Spannungswandlers kennzeichnend und erlaubt somit eine Unterscheidung in unkritische oder kritische Schwingungsvorgänge. Hierdurch ist eine schnelle und effektive Detektion von Ferroresonanzschwingungen möglich, so dass der entsprechende Spannungswandler beziehungsweise die entsprechenden Teile des Spannungsnetzes durch gezielte Maßnahmen im Falle von detektierten Ferroresonanzschwingungen vor einem Ausfall bewahrt werden können. Durch die Auswertung des Sensors an der Erdungsleitung ist es ebenfalls möglich, unabhängig vom Betriebszustand des Spannungsnetzes beziehungsweise von der Netzkonfiguration mögliche Ferroresonanzschwingungen schnell und zuverlässig zu detektieren, so dass auf eine aufwändige Datenerhebung und Rechnersimulation von möglichen Betriebszu ständen und Netzkonfigurationen verzichtet werden kann. Auf die Beeinflussung der Betriebszustände des Hochspannungsnet ^¬ zes mittels Dämpfungsspulen kann aufgrund der schnelle und gezielte Erfassung von Ferroresonanzschwingungen mittels der schnellen Detektions- und Reaktionsmöglichkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest teilweise verzichtet werden In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Messwandlers ist vorgesehen, dass die Erdungsleitung gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ist. Ebenfalls ist das Gehäuse gas- und/oder öl- und/oder feststoffisoliert . Das Gehäuse kann da- bei entweder nur ausschließlich den Wandler umgeben, wobei der Sensor dabei innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein kann. Des Weiteren kann das Gehäuse eine gas ^¬ isolierte Schaltanlage oder Durchführung sein, in der der Messwandler integriert ist. Hierdurch besteht die Möglich- keit, dass die jeweils möglichen Ströme über das Gehäuse von den Strömen des Wandlers, insbesondere von den Wicklungsströ ^¬ men der Primärwicklung, über die Erdungsleitung klar elektrisch voneinander getrennt sind. Des Weiteren ermöglicht die Isolation des Gehäuses eine betriebssichere Nutzung des Wand- lers unabhängig von äußeren , insbesondere elektromagneti ^¬ schen, Einflüssen.

Der Sensor als Stromsensor ist vorteilhafterweise ringförmig um die Erdungsleitung angeordnet, wobei vorteilhafterweise insbesondere die Primärwicklung eines Spannungswandlers mit der Erdungsleitung verbunden ist. Hierdurch ist durch die induktive Beeinflussung des Sensors bei auftretenden Wicklungs ^¬ strömen innerhalb der Erdungsleitung eine einfache und genaue Detektion von ansteigenden Strömen gewährleistet. Vorteil- hafterweise ist der Wandler ein Spannungswandler mit einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einem Wicklungskern. Dieser Spannungswandler ist insbesondere ein- oder dreiphasig ausgestaltet. Alternativ ist der Wandler ein

Stromwandler oder ein Nebenschlusswiderstand - auch Shunt ge- nannt- mit einem Spannungsabgriff zur Messung des proportional zur Stromhöhe entstehenden Spannungsabfalls.

Eine Auswerteeinheit ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Messwandlers mit dem Sensor, insbesondere Stromsensor, verbunden und detektiert entsprechende Ströme der mit dem Wandler verbundenen Erdungsleitung. Bezüglich bestimmter Regeln und Bedingungen kann bei Auftreten bestimmter Ströme, insbesondere der Primärwicklung des Spannungswandlers, eine Maßnahme innerhalb des Hochspannungsnetzes, wie beispielswei ^¬ se das Auslösen eines definierten elektrischen Schaltvorgangs und/oder das Zuschalten einer Dämpfungseinrichtung und/oder das Verändern einer Trennschalterkonfiguration, ausgelöst werden. Insbesondere ist die Erdungsleitung vorteilhafterwei- se mit der Primärwicklung verbunden. Hierdurch ist eine unmittelbare Detektion des Wicklungsstromes möglich, so dass nicht die in der Sekundärwicklung induzierten Messgrößen zur Auswertung wie bisher genutzt werden müssen. Vorteilhafterweise werden von der Auswerteeinrichtung die gemessenen Wicklungsströme protokolliert und/oder archiviert. Diese protokollierten Wicklungsströme können mit anderen Netzparametern verknüpft werden und damit einem menschlichen Bediener wertvolle Zusatzinformationen über einen Betriebszu- stand des Spannungsnetzes in der Vergangenheit liefern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schaltplan mit einem Messwandler;

Fig. 2 einen schematischen Schaltplan mit einem Mess- wandler und einer mit dem Gehäuse verbundenen

Erdungsleitung der Primärwicklung des Spannungswandlers als Verbindung über die Wandung des Gehäuses zur elektrischen Erde mit einem innenliegenden Stromsensor; Fig. 3 einen schematischen Schaltplan mit einem Messwandler und einer außerhalb eines gasisolierten Gehäuses angeordneten Sensor;

Fig. 4 einen schematischen Schaltplan mit einem Messwandler und einem mit dem Gehäuse verbundenen

Erdungsleitung und innerhalb des Gehäuses an ^¬ geordneten Sensor. Die Fig. 1 zeigt einen Messwandler 1 mit einem Wandler 2, der aus einer Primärwicklung 3, einem Wicklungskern 4 und einer Sekundärwicklung 5 besteht. Der Wandler 2 ist innerhalb eines Gehäuses 13 angeordnet. Die Ausführungen aus dem Gehäuse 13 sind durch Durchführungen 9 isoliert ausgeführt. An einem dreiphasigen Hochspannungsnetz 10 sind beispielhaft kapaziti ^¬ ve Kopplungen 14 innerhalb des Netzes 10 und zur elektrischen Erde 8 dargestellt, die zu einer Ferroresonanzschwingung bei bestimmten Betriebszuständen und Netzkonfigurationen führen können. Durch den Sensor 6 des Messwandlers 1 ist die Er- dungsleitung 11 der Primärwicklung 3 des Spannungswandlers 2 geführt und unmittelbar mit der elektrischen Erde 8 verbunden. Der Stromsensor 6 ist direkt mit einer Auswerteeinrichtung 7 verbunden. Im Falle einer Ferroresonanzschwingung mit dem Hochspannungsnetz 10 kommt es in der Primärwicklung 3 zu einem Stromfluss, der über die Erdungsleitung 11 der Primärwicklung 3 des Spannungswandlers 2 zur elektrischen Erde 8 und damit durch den Sensor 6 des Messwandlers 1 fließt. Die ^¬ ser Primärwicklungsstrom erzeugt innerhalb des Stromsensors 6 eine elektromagnetische Strommessgröße, die mittels der Aus- Werteeinrichtung 7 ausgewertet werden kann. Beim Vorliegen von bestimmten Ferroresonanzschwingungen kann mittels der ermittelten Frequenzen, der Dauer, der Höhe und/oder der Charakteristik der am Stromsensor 7 gemessenen Ströme auf eine thermische Überlastung der Primärwicklung 3 durch Ferroreso- nanzschwingung geschlossen werden. Die Auswerteeinrichtung 7 kann daraufhin entsprechende Maßnahmen innerhalb des Hochspannungsnetzes 10 beziehungsweise in der Beschaltung der Se ^¬ kundärwicklung 5 des Spannungswandlers 2 frei geben. So ist beispielsweise denkbar, dass die Auswerteeinrichtung 7 eine entsprechende Änderung der Trennschalterkonfiguration des Hochspannungsnetzes 10 vornimmt oder eine Dämpfungseinrich ^¬ tung zuschaltet. Die Fig. 2 zeigt im Unterschied zu Fig. 1 eine mit dem Gehäu ^¬ se 13 verbundene Erdungsleitung 11 der Primärwicklung 3 des Wandlers 2 als Spannungswandlers, um die ein entsprechender Stromsensor 6 innerhalb des Gehäuses 13 angeordnet ist. Der Stromsensor 6 ist mit der Auswerteeinrichtung 7 über eine Durchführung verbunden. Der Erdungspfad 11 des Messkreises verläuft im gezeigten Beispiel der Fig. 2 von der Primärwicklung 3 des Spannungswandlers 2 durch den Sensor 6 zur Wand des Gehäuses 13 welche wiederum direkt mit der elektrischen Erde 8 verbunden ist. Sensor 6 und Auswerteeinheit 7 sind räumlich voneinander getrennt aufbaubar, da eine gegen das Gehäuse 13 isolierte Durchführung 9 der Verbindung zwischen dem Sensor 6 und der Auswerteeinheit 7 erforderlich ist. Die Möglichkeiten der Weiterverwendung der Ergebnisse der Auswerteeinheit 7 unterscheiden sich nicht von der Lösung gemäß der Fig. 1.

Die Fig. 3 zeigt einen Messwandler 1 mit einem Spannungswand ^¬ ler als Wandler 2, der aus der Primärwicklung 3, dem Wicklungskern 4 und der Sekundärwicklung 5 besteht. Der Wandler 2 ist innerhalb eines Gehäuses 13 für eine gasisolierte Schalt ^¬ anlage angeordnet. Die Ausführungen aus dem Gehäuse 13 der gasisolierten Schaltanlage sind durch gasdichte Anschlüsse 9 begrenzt. Die Primärwicklung 3 des Wandler 2 ist mittels der Erdungsleitung 11 unmittelbar mit der elektrischen Erde 8 verbunden und in der Erdungsleitung 11 ist ein Stromsensor 6 angeordnet, der mit einer Auswerteeinrichtung 7 verbunden ist. Im Falle einer Ferroresonanzschwingung in dem Hochspannungsnetz 10 kommt es in der Primärwicklung 3 des Wandlers 2 zu einem Stromfluss, der über die Erdungsleitung 11 zur elektrischen Erde 8 als Wicklungsstrom fließt. Diese Wicklungsströme erzeugen innerhalb des Stromsensors 6 einen elektromagnetischen Impuls, der mittels der Auswerteeinrichtung 7 ausgewertet werden kann. Beim Vorliegen von bestimmten Ferroresonanzschwingungen kann mittels der Frequenzanalyse, der Dauer, der Höhe und/oder der Charakteristik der am Stromsensor 6 gemessenen Ströme beziehungsweise Spannungen auf ei ^¬ ne Ferroresonanzschwingung geschlossen werden. Die Auswerteeinrichtung 7 kann daraufhin entsprechende Änderungen inner- halb des Hochspannungsnetzes 10 frei geben. So ist beispiels ^¬ weise denkbar, dass die Auswerteeinrichtung 7 eine entsprechende Änderung der Betriebszustände und/oder der Netzkonfiguration des Hochspannungsnetzes 10, wie beispielsweise das Auslösen eines definierten elektrischen Schaltvorgangs und/oder das Zuschalten einer Dämpfungseinrichtung und/oder das Verändern einer Trennschalterkonfiguration, vornimmt.

Die Fig. 4 zeigt im Unterschied zu Fig. 1 eine mit dem Gehäu ^¬ se 13 verbundene Erdungsleitung 11 einer gasisolierten

Schaltanlage, um die ein entsprechender Stromsensor 6 innerhalb des gasisolierten Gehäuses 13 angeordnet ist. Der Strom ^¬ sensor 6 ist weiterhin mit der Auswerteeinrichtung 7 verbunden. Der Erdungspfad 11 erstreckt sich im gezeigten Beispiel der Fig. 4über die unmittelbare Verbindung eines Neben- Schlusswiderstandes (Shunt) als Wandler 2 mit der Gehäusewan ^¬ dung und einer entsprechenden Verbindungsleitung als Teil der Erdungsleitung 11 zur elektrischen Erde 8. Die Auswerteeinrichtung 7 weist dabei Stellfunktionen auf, die eine unmit ^¬ telbare Beeinflussung des Hochspannungsnetzes 10 erlauben. Im gezeigten Beispiel der Fig. 4 regelt die Auswerteeinrichtung 7 eine Netzkomponente 12 in Form eines Leistungsschalters 12 innerhalb des gasisolierten Gehäuses 13. Im Falle der Detek- tion einer Ferroresonanzschwingung kann die Auswerteeinrich- tung 7 unmittelbar die Netzkomponente 12 ansteuern; hier den Leistungsschalter 12 öffnen oder schließen.