Gekapseltes Hochspannungsgerät und Stromwandler für das gekapselte Hochspannungsgerät

Die Erfindung betri f ft einen Stromwandler für gekapselte Hochspannungsgeräte und ein gekapseltes Hochspannungsgerät mit dem Stromwandler, wobei der Stromwandler wenigstens eine Spule aufweist , welche um wenigstens einen stromdurchflossenen Leiter angeordnet ist , wobei der wenigstens eine stromdurchflossene Leiter in einem Kapselungsgehäuse angeordnet ist .

Hochspannungsgeräte sind ausgebildet für Spannungen in einem zweistelligen Kilovolt-Bereich bis zu einem Spannungs-Bereich von einigen hundert Kilovolt , insbesondere 1200 kV, und für Ströme im Bereich von bis zu einigen hundert Kilo-Ampere . Hochspannungsgeräte umfassen z . B . Schaltanlagen mit Hochspannungsleistungsschaltern, Trenner, Trans formatoren, Ableiter, Messwandler und/oder Durchführungen . Schaltanlagen sind z . B . Freiluftschaltanlagen und/oder Gas- I solierte- Schaltanlagen, d . h . Gas- Insulated-Switchgears , welche als Live-Tank, d . h . auf Hochspannungspotential , mit einer Schalteinheit in einem I solator, wie z . B . in einem gerippten Keramik- , Silikon- und/oder Kompositwerkstof f- I solatorgehäuse angeordnet , ausgeführt sind, oder als Dead-Tank, d . h . mit einer Schalteinheit in einem geerdeten Gehäuse , insbesondere in Kessel form, angeordnet ausgeführt sind .

Die Messung elektrischer Ströme an gekapselten Hochspannungsgeräten, insbesondere Gas- Insulated-Switchgears als Dead Tank ausgeführt , ist für den Betrieb der Geräte wesentlich, insbesondere zur Überwachung, Steuerung und/oder Regelung . Elektrische Ströme im Bereich der gekapselten Hochspannungsgeräte werden z . B . mit induktiven Durchsteckstromwandlern gemessen, welche um stromdurchflossene Leiter des Hochspannungsgerätes angeordnet sind . Dieser Stromwandler-Typ besteht aus einem Ringkern mit Sekundärwicklung, welcher konzentrisch um den stromdurchflossenen Leiter angeordnet ist . Der Ringkern wird aus hochwertigen Blechen hoher Permeabilität gefertigt und mit einer entsprechenden insbesondere Sekundär-Wicklung versehen . Neben guter Messgenauigkeit , auch bei hohen transienten Spannungen/Strömen, und thermischer Überstromfestigkeit ist erforderlich, dass die Messeinrichtung den auftretenden mechanischen Belastungen, verursacht durch hohe Ströme und/oder Magnetfelder, standhält , ohne Beschädigung und/oder dauerhafte Zerstörung .

Durchsteckstromwandler weisen ein hohes Eigengewicht auf und benötigen einen großen Bauraum, sind mit hohen Kosten insbesondere durch den Ringkern verbunden, und weisen frequenz- und amplitudenabhängige Nicht-Linearitäten auf .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , einen Stromwandler für gekapselte Hochspannungsgeräte und ein gekapseltes Hochspannungsgerät mit dem Stromwandler anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme lösen . Insbesondere ist es Aufgabe einen Stromwandler für gekapselte Hochspannungsgeräte anzugeben, welcher einfach und kostengünstig ist , ein geringes Gewicht aufweist , keinen Ringkern benötigt , welcher keine fre- quenz- und amplitudenabhängige Nicht-Linearitäten aufweist , und welcher einen sicheren, dauerhaften, zerstörungs freien Betrieb des Hochspannungsgerätes mit dem Stromwandler ermöglicht .

Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stromwandler für gekapselte Hochspannungsgeräte mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und/oder durch ein gekapseltes Hochspannungsgerät gemäß Patentanspruch 12 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stromwandlers für gekapselte Hochspannungsgeräte und/oder des erfindungsgemäßen gekapselten Hochspannungsgeräts , sind in den Unteransprüchen angegeben . Dabei sind Gegenstände des Hauptanspruchs mit Merkmalen von Unteransprüchen und Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar .

Ein erfindungsgemäßer Stromwandler für gekapselte Hochspannungsgeräte umfasst wenigstens eine Spule , welche um wenigstens einen stromdurchflossenen Leiter angeordnet ist , wobei der wenigstens eine stromdurchflossene Leiter in einem Kapselungsgehäuse angeordnet ist . Die wenigstens eine Spule ist in Form einer magnetkernlose Luftspule ausgebildet bzw . ist eine magnetkernlose Luftspule .

Eine Luftspule ohne magnetischen Kern, d . h . eine magnetkernlose Luftspule spart einen Ringkern ein, weist ein geringeres Gewicht auf verglichen mit einer Spule mit magnetischem Kern, ist einfach und kostengünstig, und weist keine frequenz- und amplitudenabhängigen Nicht-Linearitäten einer Spule mit Ringkern auf . Der erfindungsgemäße Stromwandler mit der magnetkernlosen Luftspule ist kleiner in der Bauform als mit Spulen mit magnetischem Kern, leichter, günstiger in der Anschaffung, die Messung besitzt im gesamten Messbereich eine hohe Linearität und es treten keine Sättigungsef fekte auf . Weiterhin treten auch bei hohen Strömen nur geringe elektrische Verluste auf und es wirken keine Kräfte auf das Messsystem, d . h . den Stromwandler, womit eine erheblich vereinfachte konstruktive Implementierung des Messsystems verbunden ist . Es können identische Spulen für den gesamten Strommessbereich von einigen Amper bis zu einigen hundert Kilo-Amper verwendet werden, was ebenfalls einen kostentechnischen Vorteil darstellt . Weitere Vorteile ergeben sich durch ein geringeres Gefahrenpotenzial für z . B . Wartungspersonal im Umgang mit dem Stromwandler und Hochspannungsgerät , insbesondere bei der Installation und Wartung . Dadurch ist ein sicherer, dauerhafter, zerstörungs freier Betrieb des Hochspannungsgerätes mit dem Stromwandler ermöglich .

Die magnetkernlose Luftspule kann nach Art einer Rogowski-

Spule ausgebildet sein . Rogowski-Spulen sind einfach und kos- tengünstig in hohen Stückzahlen zu fertigen und weisen die zuvor beschriebenen Vorteile auf .

Die wenigstens eine Spule kann außerhalb des Kapselungsgehäuses angeordnet sein . Dadurch ist eine einfache Wartung, ohne Öf fnung des Kapselungsgehäuses möglich und Bauraum im Kapselungsgehäuse wird eingespart , was insbesondere Kosten und Material spart .

Die wenigstens eine Spule kann in einer Halterung angeordnet sein, insbesondere in einer Nut , welche in der Halterung ausgebildet sein kann . Die Anordnung der wenigstens einen Spule in einer Halterung, insbesondere in einer Nut , ermöglicht eine genaue räumliche und dauerhafte Positionierung der wenigstens einen Spule . Dies ermöglicht eine genaue , fehlerfreie Messung des Stroms durch den stromdurchflossenen Leiter mit dem Stromwandler bzw . der wenigstens einen Spule .

Die Halterung kann eine Abdeckung umfassen, welche die wenigstens eine Spule insbesondere vollständig bedeckt . Dadurch ist ein dauerhafter Schutz der wenigstens einen Spule in der Halterung insbesondere gegenüber Umwelteinflüssen, z . B . Wettereinflüssen ermöglicht .

Die Halterung kann aus einem elektrisch nichtleitenden Material , insbesondere Kunststof f bestehen . Kunststof f ermöglicht eine Messung von Magnetfeldern um einen stromdurchflossenen Leiter mit einer Spule ohne Mess fehler bzw . Verfälschungen .

Die wenigstens eine Spule kann kreis förmig ausgebildet sein, und im Mittelpunkt der Kreis form kann der wenigstens eine stromdurchflossene Leiter angeordnet sein, insbesondere mit seiner Längsachse senkrecht zur Kreisebene . Eine genaue Positionierung der Spule um den stromdurchflossenen Leiter, insbesondere zeitlich konstant in einer Nut , mit dem stromdurchflossenen Leiter im Mittelpunkt der Kreis form der Spule , er- möglicht eine fehlerfreie Messung und Bestimmung des Stroms , welcher durch den stromdurchflossenen Leiter fließt .

Das Kapselungsgehäuse kann Aluminium umfassen und/oder aus Aluminium bestehen . Aluminium verfälscht magnetische Felder des stromdurchflossenen Leiters nicht bzw . nur geringfügig, womit eine fehlerfreie bzw . im Wesentlichen fehlerfreie Messung des Stroms durch den stromdurchflossenen Leiter ermöglicht wird, über das dadurch erzeugte magnetische Feld um den Leiter und durch den in der Spule induzierten Strom durch das Feld, mit einer Spule außerhalb des Kapselungsgehäuses .

Die wenigstens eine Spule kann aus einem ummantelten elektrischen Leiter bestehen, insbesondere einem Kupfer-Leiter, insbesondere mit einer Ummantelung aus elektrisch nichtleitendem Kunststof f . Derartige ummantelte Leiter, d . h . Leitungen bzw . Kabel , sind einfach und kostengünstig zu einer Spule zu formen bzw . zu wickeln . Kupferleiter-Spulen sind gut geeignet für elektrische Messungen, insbesondere induzierter Ströme .

Die wenigstens eine Spule kann auf einem Träger, insbesondere einem Träger aus elektrisch nichtleitendem Material , insbesondere Papier, Kunststof f und/oder Teflon, gewickelt sein . Die Wicklung auf einem Träger ist kostengünstig und einfach möglich, und der Träger gibt der Wicklung mechanisch dauerhaft halt . Träger aus Papier, Kunststof f und/oder Teflon verfälschen die Induktion und Messungen von Strömen, in Leitern induziert , nicht . Damit sind diese gut für die Verwendung in Stromwandlern mit magnetkernlosen Spulen geeignet .

Hil fseinheiten, insbesondere wenigstens eine Auswerteeinheit , ein Verstärker, und/oder eine Spannungsversorgung, können vom erfindungsgemäßen Stromwandler umfasst sein, insbesondere angeordnet in einem Gehäuse in Form einer Box und/oder eines Schrankes , insbesondere angeordnet am und/oder nahe dem Kapselungsgehäuse , insbesondere mit wenigstens einer Kabelverbindung der wenigstens einen Spule mit den Hil fseinheiten . Die Hil fseinheiten ermöglichen eine Messung mit Hil fe der Spule und eine Auswertung, Anzeige und/oder Übermittlung von Messergebnissen . Die Anordnung in einem Gehäuse außerhalb des Kapselungsgehäuses ermöglicht eine einfache , störungs freie Auswertung und Ablesung sowie Übermittlung von Messergebnissen, sowie eine einfache Wartung der Hil fseinheiten .

Ein erfindungsgemäßes gekapseltes Hochspannungsgerät umfasst wenigstens einen zuvor beschriebenen Stromwandler, insbesondere außerhalb eines Kapselungsgehäuses angeordnet , welches gasdicht ausgeführt ist und/oder mit einem Schaltgas , insbesondere SF ₆ und/oder Clean Air, befüllt ist .

Ein Hochspannungsleistungsschalter kann vom gekapselten Hochspannungsgerät umfasst sein, welcher durch den wenigstens einen stromdurchflossenen Leiter insbesondere an Stromerzeuger, Stromverbraucher und/oder Stromleitungen eines Stromnetzes angeschlossen sein kann .

Das gekapselte Hochspannungsgerät kann nach Art eines Gas- Insulated-Switchgears sein, insbesondere einem Dead-Tank Gas- Insul at ed- Switchgear .

Die Vorteile des gekapseltes Hochspannungsgeräts gemäß Anspruch 12 sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Stromwandlers für gekapselte Hochspannungsgeräte gemäß Anspruch 1 und umgekehrt .

Im Folgenden wird ein Aus führungsbeispiel der Erfindung schematisch in den Figuren dargestellt und nachfolgend näher beschrieben .

Dabei zeigen die

Figur 1 schematisch ein gekapseltes Hochspannungsgerät 1 mit einem stromdurchflossenen Leiter in einem Kapselungsgehäuse 5 , an welchem ein Stromwandler 9 nach dem Stand der Technik mit einem Ringkern mit Sekundärwicklung und ein erfindungsgemäßer Stromwandler 2 mit einer magnetkernlosen Luftspule angeordnet sind, und

Figur 2 den Stromwandler 2 der Figur 1 vergrößert dargestellt , mit einer Halterung 6 der magnetkernlosen Luftspule mit Abdeckung 8 am Kapselungsgehäuse 5 angeordnet , und

Figur 3 den Stromwandler 2 der Figur 2 , mit der Halterung 6 ohne Abdeckung 8 und der Spule 3 in einer Nut 7 angeordnet .

In Figur 1 ist schematisch ein gekapseltes Hochspannungsgerät 1 mit einem Kapselungsgehäuse 5 dargestellt . Das Hochspannungsgerät 1 ist z . B . als eine Schaltanlage ausgebildet , mit einem Hochspannungsleistungsschalter im Inneren des Kapselungsgehäuses 5 . Die Schaltanlage ist insbesondere als Dead- Tank Gas- I solierte-Schaltanlage ausgebildet , d . h . Gas- Insulated-Switchgear , mit dem Hochspannungsleistungsschalter bzw . der Schalteinheit in einem geerdeten Gehäuse angeordnet . Das Hochspannungsgerät 1 ist z . B . ausgebildet für Spannungen in einem zweistelligen Kilovolt-Bereich bis zu einem Spannungs-Bereich von einigen hundert Kilovolt , insbesondere 1200 kV, und für Ströme im Bereich von bis zu einigen hundert Kilo-Ampere .

Das Kapselungsgehäuse 5 ist z . B . in Kessel form ausgebildet und ist z . B . aus Aluminium . Zwei Durchführungen für stromdurchflossene Leiter bzw . Anschlüsse mit Anschluss fahnen für elektrische Strom-Erzeuger, Verbraucher und/oder Netzleitungen sind an dem Kapselungsgehäuse 5 angeordnet , insbesondere in schrägem Winkel nach oben vom Kapselungsgehäuse 5 weggeführt . Die stromdurchflossenen Leiter sind im Inneren der Durchführungen angeordnet , und in der Außenansicht der Figur 1 nicht dargestellt . Die Durchführungen sind z . B . aus Kera- mik, Silikon und/oder einem Kompositwerkstof f . Die stromdurchflossenen Leiter verbinden z . B . den Hochspannungsleistungsschalter im Inneren des Kapselungsgehäuses 5 elektrisch mit den Anschluss fahnen für die elektrischen Strom-Erzeuger, Verbraucher und/oder Netzleitungen .

Das Kapselungsgehäuse 5 ist z . B . auf zwei mechanisch stabilen Trägern angeordnet , insbesondere zwei leiterf örmigen Metallgestellen, welche auf einem Fundament , z . B . aus Beton, angeordnet sind . Ein Stromwandler 9 nach dem Stand der Technik, mit einem Ringkern mit Sekundärwicklung, ist am Umfang einer Durchführung bzw . um eine Durchführung herum angeordnet , in Figur 1 auf der rechten Seite des Kapselungsgehäuses 5 dargestellt . Der Stromwandler 9 mit Ringkern und Sekundärwicklung ist z . B . als induktiver Durchsteckstromwandler ausgebildet . Der Ringkern wird aus hochwertigen Blechen hoher Permeabilität gefertigt und mit einer entsprechenden Sekun- där-Wicklung versehen . Der Ringkern aus Blechen führt zu einer räumlich voluminösen Bauform des Stromwandlers 9 , mit hohem Gewicht , und erfordert eine massive Aus führung mit hoher mechanischer Stabilität , um Belastungen zu widerstehen, welche durch hohe Ströme bzw . Magnetfelder verursacht werden .

Ein erfindungsgemäßer Stromwandler 2 mit einer magnetkernlosen Luftspule ist in Figur 1 auf der linken Seite des Kapselungsgehäuses 5 dargestellt , benachbart zur Durchführung auf der linken Seite . In den Figuren 2 und 3 ist die Anordnung des erfindungsgemäßen Stromwandlers 2 am Kapselungsgehäuse 5 vergrößert , im Detail dargestellt . Der stromdurchflossene Leiter 4 im Inneren der Durchführungen, welcher in das Kapselungsgehäuse 5 ragt bzw . im Kapselungsgehäuse 5 verläuft , ist in den Figuren 2 und 3 gestrichelt dargestellt . Der Leiter 4 ist z . B . stangenförmig und/oder schienenförmig ausgebildet , insbesondere massiv aus Kupfer, Aluminium und/oder Stahl . Die Leiter 4 , welche von den Anschluss fahnen für elektrische Strom-Erzeuger, Verbraucher und/oder Netzleitungen zum Hochspannungsschaltgerät bzw . der Schalteinheit im Inneren des Kapselungsgehäuses 5 führen, und die Schalteinheit mit dem Stromnetz und/oder Geräten im Netz verbinden, sind z . B . im eingeschalteten Zustand der Schalteinheit stromdurchflossen, mit Strömen im Bereich von bis zu einigen hundert Ampere .

Die Ströme erzeugen ein Magnetfeld, welches das Kapselungsgehäuse 5 , insbesondere aus Aluminium, durchdringt und vom erfindungsgemäßen Stromwandler 2 gemessen wird, durch Induktion von Strom in einer magnetkernlosen Spule 3 des Stromwandlers 2 . Der Stromwandler 2 misst somit den Strom über einen Leiter 4 im Kapselungsgehäuse 5 bzw . über die Schalteinheit . Dies ist für einen sicheren, störungs freien Betrieb z . B . der Schalteinheit und/oder verbundener Geräte sowie des Netzes notwendig . Der Zustand der Schalteinheit und dessen störungsfreie Funktion können derart festgestellt werden und insbesondere bei kritischen Strömen kann z . B . eine Abschaltung erfolgen .

Das Kapselungsgehäuse 5 des Hochspannungsgerätes 1 weist an der Anschlussstelle zur Durchführung des Leiters 4 einen Flansch auf , insbesondere einen hohl zylinderförmigen Flansch als Öf fnung des kessel förmigen Kapselungsgehäuses 5 . Der erfindungsgemäße Stromwandler 2 mit magnetkernloser Luftspule ist außen, kreis förmig um den Flansch herum angeordnet . Der Stromwandler 2 weist eine Halterung 6 auf , in der die Spule 3 angeordnet ist . In Figur 2 ist die Halterung 6 mit einer Abdeckung 8 dargestellt , welche die Spule 6 bedeckt und gegen Umwelteinflüsse wie z . B . Feuchtigkeit , UV-Strahlung und/oder andere Wettereinflüsse schützt . Die Halterung 6 mit Abdeckung 8 kapselt die Spule 3 insbesondere vollständig ein, z . B . wasserdicht .

In Figur 3 ist die Halterung 6 ohne Abdeckung 8 dargestellt . Die Halterung 6 ist ringförmig mit insbesondere kreisrunder Form ausgebildet , und weist eine Nut 7 auf , d . h . eine insbesondere kreisringförmige Ausnehmung in der Halterung 6 . In der Nut 7 ist die magnetkernlose Spule 6 angeordnet , insbe- sondere räumlich fixiert gelagert . Die räumliche Fixierung der Spule 3 in der Halterung 6 mit Nut 7 ermöglicht eine fehlerfreie Messung von Strömen im stromdurchflossenen Leiter 4 mit Hil fe der Spule 4 . Durch die Fixierung der Spule 3 in der Nut 7 der Halterung 6 ist die Spule räumlich und zeitlich unverändert gelagert , auch bei großen Kräften auf die Spule 3 insbesondere durch Magnetfelder und in der Spule 3 induzierten Strömen .

Die Halterung 6 und damit die Spule 3 in der Nut 7 der Halterung 6 , sind derart um den stromdurchflossenen Leiter angeordnet , dass bei kreisrunder Spule 3 der stromdurchflossene Leiter 4 mit seiner Längsachse senkrecht die Ebene der Spule 3 durchstößt , insbesondere im Mittelpunkt der Kreis form der Spule 3 . Dadurch ist eine dauerhaft fehlerfreie , genaue Messung der Ströme ermöglicht . Die Halterung 6 und/oder die Abdeckung 8 sind z . B . aus Kunststof f ausgebildet , und über Befestigungsmittel wie z . B . Schrauben und/oder Klemmen am Kapselungsgehäuse 5 zeitlich unveränderlich und räumlich stabil befestigt . Die magnetkernlose Spule 3 ist insbesondere nach Art einer Rogowski-Spule ausgebildet . Die Spule 3 ist über elektrische Leitungen insbesondere mit Hil fseinheiten, z . B . einer Auswerteeinheit , einem Verstärker, und/oder einer Spannungsversorgung verbunden, welche der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt sind . Mit Hil fe der Hil fseinheiten sind die in der Spule 3 induzierten Ströme insbesondere messbar, auswertbar, anzeigbar und/oder an andere Einrichtungen sendbar, wie z . B . an eine zentrale Leitwarte , Sense- Boxen, und/oder dezentrale Handheldgeräte wie z . B . Laptops , Tablets , und/oder Handys .

Wie in der Figur 1 veranschaulicht ist , ist ein erfindungsgemäßer Stromwandler 2 mit einer magnetkernlosen Spule 3 , insbesondere mit Halterung 6 und Abdeckung 8 , räumlich wesentlich kleiner als ein Stromwandler 9 nach dem Stand der Technik mit einem Ringkern mit Sekundärwicklung, insbesondere in einem dazugehörigen Gehäuse , gewichtsmäßig leichter, und er- möglicht eine dauerhafte, zuverlässige fehlerfreie Messung der Ströme durch einen im Kapselungsgehäuse 5 angeordneten stromdurchflossenen Leiter 4 des erfindungsgemäßen gekapselten Hochspannungsgerätes 1.

Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z. B. wie in Figur 1 dargestellt ist, klassische Stromwandler 9 nach dem Stand der Technik mit einem Ringkern mit Sekundärwicklung sowie erfindungsgemäße Stromwandler 2 mit einer magnetkernlosen Spule 3, insbesondere einer Rogowski-Spule, an einem gekapselten Hochspannungsgerät 1 verwendet werden, insbesondere gleichzeitig verwendet werden. Das Hochspannungsgerät 1 ist oder umfasst z. B. einen Hochspannungsleistungsschalter, einen Trenner, einen Ableiter und/oder eine Durchführung für Hochspannungen, und/oder kann in Mittelspannungsanwendungen eingesetzt werden. Das Hochspannungsgerät 1 ist z. B. als Freiluftschaltanlage und/oder als Gas-Isolierte-Schaltanlage ausgeführt. Die Ausführung erfolgt z. B. als Live-Tank, mit einer Schalteinheit in einem Isolator angeordnet, wie z. B. in einem gerippten Keramik-, Silikon- und/oder Kompositwerkstof f- Isolatorgehäuse, oder als Dead-Tank, d. h. mit einer Schalteinheit in einem geerdeten Gehäuse angeordnet, insbesondere einem Gehäuse in Kesselform. Die Spule 3 umfasst z. B. ein insbesondere ummanteltes Kupferkabel, und/oder Kabel aus elektrisch leitenden Materialien wie z. B. Aluminium und/oder Stahl, oder Supraleiter. Die Halterung 6 und/oder die Abdeckung 8 sind z. B. aus Kunststoff, und/oder umfassen Keramik-, Silikon- und/oder Kompositwerkstof fe .

Be zugs Zeichen :

1 gekapseltes Hochspannungsgerät

2 Stromwandler mit magnetkernloser Luftspule

3 magnetkernlose Spule

4 stromdurchflossener Leiter 5 Kapselungsgehäuse

6 Halterung

7 Nut

8 Abdeckung 9 Stromwandler mit Ringkern