Induktiver elektrischer Wandler für Mittelspannung

Abstract

 Ein induktiver elektrischer Spannungswandler für Mittelspannung weist einen weichmagnetischen Magnetkern (1) auf, dem eine Primärwicklung (2) und eine Sekundärwicklung (3) innerhalb einer Umhüllung (4,5) zugeordnet sind. Um bei einfachem Aufbau eine hohe Betriebssicherheit zu erreichen, umschließt die Umhüllung (4,5) den Magnetkern (1) mit den Wicklungen (2,3) allseitig gasdicht, wobei der den Magnetkern mit den Wicklungen aufnehmende Hohlraum mit SF6-Isoliergas gefüllt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen induktiven elektrischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

[0002] Es ist bei elektrischen Wandlern für die Anwendung in Mittelspannungsnetzen ganz allgemein bekannt, auf einen weichmagnetischen Magnetkern eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung in konzentrischer Anordnung aufzuwickeln und die Gesamtanordnung anschließend mit fließfähigem, aushärtendem Isolierstoff zu umhüllen. Von Nachteil ist dabei jedoch, daß bei der Gießharzumhüllung nicht mit Sicherheit vermieden werden kann, daß insbesondere in den Spalten zwischen den Wicklungen und dem Magnetkern oder auch zwischen den Außenseiten des Magnetkerns und der Umhüllung ein oder mehrere luftgefüllte Hohlräume verbleiben, welche zu elektrischen Sprüherscheinungen und zu Durchschlägen führen können.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wandler gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs Maßnahmen zu treffen, durch welche bei einfachem Aufbau eingeschlossene Hohlräume isolationstechnisch einfach zu beherrschen sind.

[0004] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.

[0005] Bei einem Aufbau eines Wandlers gemäß der Erfindung kann eine einfache, vorgefertigte Umhüllung zur Anwendung gelangen, in welche der Magnetkern mit den zugehörigen Wicklungen auch ohne Zuhilfenahme von elektrisch isolierenden Gießharzen oder dgl. unter Einschluß beliebiger Hohlräume festgesetzt wird. Die in die Umhüllung vorzugsweise unter Überdruck eingebrachte Isoliergasfüllung aus SF6-oder ähnlichen Isoliergasen bewirkt hier die zuverlässige elektrische Isolierung im Bereich der konstruktionsbedingten Hohlräume. Für die Umhüllung ist dabei lediglich ein einfacher Rohrkörper aus elektrischem Isolierstoff notwendig, dessen Stirnflächen mit je einem dicht angesetzten Flansch zu verschließen sind, wenn der Magnetkern mit den Wicklungen in den Rohrkörper eingesetzt ist. Die Verbindung der Flansche kann dabei in einfacher Weise durch Verkleben ihres Randbereichs mit dem Rohrkörper erfolgen, wobei vorzugsweise eine Druckklebung durchgeführt wird.

[0006] In vorteilhafter Ausgestaltung ist insbesondere die Primärwicklung aus mehreren axial aneinander anschließenden eigenständigen und elektrisch in Serie geschalteten Scheibenspulen aufgebaut, wobei das freie Wicklungsende der einen axial endständigen Scheibenspule an Hochspannungspotential und der freie Wicklungsanschluß der davon axial entfernten letzten Scheibenspule mit Massepotential zu verbinden ist. Benachbart zu dieser letzten Scheibenspule ist dann auch die Sekundärwicklung angeordnet, so daß zwischen diesen beiden Spulen nur ein vernachlässigbares elektrisches Spannungspotential besteht, das isolationstechnisch leicht zu beherrschen ist. Bei diesem Wicklungsaufbau ist es von besonderem Vorteil, daß je nach Höhe zu messender Hochspannung die Anzahl der primärseitigen Scheibenspulen entsprechend vergrößert oder verkleinert werden kann. Dabei ist es zweckmäßig, auch den Magnetkern mehrteilig auszubilden, um ihn an die notwendige axiale Länge der Primärwicklung einschließlich der Sekundärwicklung anpassen zu können. Insbesondere besteht der Magnetkern zumindest im Bereich der Primärwicklung aus einem Magnetwerkstoff, der eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, also als elektrischer Isolator wirkt. Dadurch bildet der Magnetkern keinen elektrischen Kurzschluß für das elektrische Feld zwischen dem Hochspannungsanschluß und dem Masseanschluß, so daß insbesondere bei an Massepotential angeschlossenem Magnetkern derselbe das Massepotential nicht über die gesamte axiale Länge der Primärwicklung in den Bereich des hochspannungsseitigen Anschlusses überträgt. Vielmehr bildet der Magnetkern eine elektrische Isolation, so daß sich der über die Länge der Primärwicklung einstellende Spannungsabfall durch insbesondere kapazitive Kopplung auch am isolierendem Magnetkern ausbildet. Die Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Abschnitten der Primärwicklung und dem Magnetkern ist somit gering, so daß auch entsprechend kleine Isolationsabstände für einen sicheren Betrieb ausreichen. Die SF6-Isolierung in Verbindung mit dem elektrisch isolierenden Magnetkern und der nach Art einer den Spannungsabfall in Stufen abbauenden Kammerspule ausgebildeten Primärspule ermöglichen den Aufbau eines Spannngswandlers für Mittelspannung in sehr kleiner Bauweise.

[0007] Andere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in zusätzlichen Ansprüchen angegeben.

[0008] Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Prinzipskizze eines im Längsschnitt dargestellten Spannungswandlers näher erläutert.

[0009] Ein induktiver elektrischer Spannungswandler für Mittelspannungsnetze weist einen weichmagnetischen Magnetkern 1 auf, der eine geringe magnetische Remanenz besitzt und dem eine Primärwicklung aus mehreren axial aneinander gereihten Scheibenspulen 2 sowie einer weiteren, in der axialen Verlängerung angeordneten, als Sekundärwicklung 3 genutzten Scheibenwicklung zugeordnet ist. Diese Anordnung befindet sich innerhalb einer Umhüllung aus einem elektrisch isolierenden Rohrkörper 4, dessen Stirnflächen mit je einem dicht angesetzten Flansch 5 verschlossen sind. Die Umhüllung 4,5 umschließt den Magnetkern 1 mit den Wicklungen 2,3 gasdicht, wobei die konstruktionsbedingten Hohlräume im Bereich des Magnetkerns mit seinen Wicklungen 2,3 und dem Innenmantel der Umhüllung 4,5 mit einem Isoliergas gefüllt ist, das einen höheren Isolationswert als Luft aufweist und insbesondere Schwefelhexafluorid, also SF6 oder ein ähnliches Isoliergas ist. Zur Verbesserung der Isolationswirkung kann der Druck der Isoliergasfüllung höher als der äußere Atmosphärendruck gewählt werden. Die Umhüllung ist dabei in einfacher Weise darstellbar, nachdem lediglich ein Isolierstoffrohrabschnitt beidendig mit den insbesondere aus Metall bestehenden Flanschen abzuschließen ist, wobei die Verbindung zwischen dem Rand der Flansche und dem betreffenden Abschnitt des Rohrkörpers durch Verkleben mittels eines zwischengefügten Klebstoffs 6 erfolgen kann. Die Klebung wird dabei insbesondere als Druckklebung ausgebildet, so daß der gasdichte Umschluß von Magnetkern 1 und Wicklungen 2,3 über einen langen Zeitraum sichergestellt ist.

[0010] Der Magnetkern 1 besteht insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Magnetwerkstoff, vorzugsweise auf der Basis von Ferriten, die bei guter magnetischer eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, also elektrische Isolatoren bilden. Dadurch wird vermieden, daß gegenüber einem metallischen Magnetkenrn nicht an jede Stelle der zugeordneten Wicklungen 2,3 das gleiche Potential, insbesondere Erd- oder Massepotential herangeführt wird.

[0011] Dabei wirkt sich die Ausbildung der Primärspule als Kammerspule bzw. als axiale Aneinanderreihung von einzelnen Scheibenspulen insofern vorteilhaft aus, weil dann der Spannungsabfall über die axiale Länge von Scheibenspule zu Scheibenspule stufig bis zum Massepotential abgebaut wird, an welches die letzte Scheibenspule gelegt ist. Es ergibt sich dadurch zwischen den Wicklungsanschlüssen der Primärspule ein großer elektrisch wirksamer Weg, der hier durch die Kombination mit dem als elektrischer Isolator wirkenden Magnetkern nicht verkürzt wird.

[0012] Die Sekundärwicklung 3 ist in axialer Richtung der endständigen Scheibenspule 2.5 der Primärwicklung 2 benachbart angeordnet, deren freier Wicklungsanschluß 7 an Massepotential anzuschalten ist. Das elektrische Spannungsgefälle zwischen der Scheibenspule 2.5 und der Sekundärwicklung 3 ist dadurch so gering, daß die Isolation der Spulenkörper ausreicht, auf welche die einzelnen Scheibenspulen 2.1 bis 2.5 bzw. die Sekundärwicklung 3 aufgewickelt sind.

[0013] Die eigenständigen Scheibenspulen 2.1 bis 2.5 ermöglichen es, den zu erfassenden Spannungsbereich entsprechen zu variieren. Es ist somit ohne weiteres möglich, den Wandleraufbau für die Spannungsreihen für z.B. 12 kV, 24 kV oder 36 kV in einfacher Weise anzupassen. Hierfür können die axialen Stirnseiten der Scheibenspulen 2.1 bis 2.5 mit aufeinander abgestimmten Kontaktanlageflächen 8 versehen sein, die beim Aneinanderreihen der Spulenscheiben in gegenseitige Kontaktanlage treten und so die Reihenschaltung selbsttätig ohne besondere Hilfsmittel bewerkstelligen. Zur Anpassung an die axiale Länge der Primärspule ist auch der Magnetkern 1 aus mehreren in axialer Richtung aneinanderfügbaren Kernteilen 1.1 bzw. 1.2 aufgebaut, die je nach Bedarf zwischen endständige Abschluß-Kernteile 1.3 einzufügen sind. Dabei weist der Magnetkern wenigstens zwei im Querschnitt E-förmige Abschluß-Kernteile 1.3 auf, die mit ihren offenen Seiten gegeneinanderweisen und zwischen welchen die Wicklungen 2,3 liegen. In der kürzesteten Ausführungsform genügen die beiden Abschluß-Kernteile. Soll der erfaßbare Spannungsbereich des Wandlers vergrößert werden, müssen eine oder mehrere weitere Scheibenspulen eingesetzt werden. Um dabei den Spalt zwischen den Abschluß-Kernteilen 1.3 zu schließen, werden ein oder mehrere der Zwischen-Kernteile 1.1 bzw. 1.2 zwischengefügt. Dabei werden die ZwischenKernteile 1.2 in das Zentrum der Scheibenspulen eingesetzt, während die äußeren Zwischen-Kernteile 1.1 im Bereich des Außenumfangs der Scheibenspulen angeordnet werden. Die Zwischen-Kernteile 1.1 können dabei als die Scheibenspulen umgreifende Ringe ausgebildet sein. Es können also je nach zu erfassendem Spannungsbereich auch mehrere der ZwischenKernteile 1.1 bzw. 1.2 zwischen die Abschluß-Kernteile 1.3 gesetzt werden.

[0014] Der mit der Hochspannungsquelle zu verbindende Wicklungsanschluß 8.1 an der der von der Primärwicklung am weitesten entfernten Scheibenwicklung 2.1 kann unmittelbar mit dem benachbart angeordneten Flansch 5 elektrisch leitend verbunden werden, weil der Magnetkern in sich elektrisch isolierend ausgebildet ist. Dabei kann zwischen diesen Flansch 5 und den benachbarten Abschluß-Kernteil 1.3 eine mechanische Druckfeder 9 eingesetzt werden, die den mehrteiligen Magnetkern 1 axial zusammendrückt und dadurch die den magnetischen Fluß nachteilig beeinträchtigenden Spalte im magnetischen Kreis auf ein Minimum reduziert. Dagegen ist der mit Massepotential zu verbindende Wicklungsanschluß 7 wie auch die Wicklungsanschlüsse 10,11 der Sekundärspule 3 an getrennte Anschlußelemente in einem Anschlußkasten 12 geführt, der am benachbart zur Sekundärspule 3 angeordneten Flansch vorgesehen ist. Dabei kann dieser Flansch 5 ebenfalls an Massepotential angeschaltet sein. Um dabei dem äußeren Kriechstromweg zwischen den Flanschen 5 zu verlängern, ist es zweckmäßig, auf die äußere Mantelfläche des Rohrkörpers 4 radial nach außen weisende Isolatorringe 13 aufzubringen.

Ansprüche

1. Induktiver elektischer Wandler, insbesondere Spannungswandler, für Mittelspannung, mit einem weichmagnetischen Magnetkern und demselben zugeordneter Primär- und Sekundärwicklung und mit einer den Magnetkern mit den Wicklungen umschließenden Umhüllung aus festem elektrischen Isolierstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (4,5) den Magnetkern (1) mit den Wicklungen (2,3) allseitig gasdicht umschließt und daß innerhalb der Umhüllung (4,5) vorhandene Hohlräume mit einem Isoliergas, insbesondere mit SF6 oder dergl., gefüllt sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Isoliergasfüllung höher als der Atmosphärendruck ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung einen Rohrkörper (4) aus elektrischem Isolierstoff aufweist, dessen Stirnflächen mit je einem dicht angesetzten metallischen Flansch (5) verschlossen sind.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (5) in ihrem Randbereich mit dem Rohrkörper (4) verklebt sind.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (5) aus Aluminium bestehen und mittels Druckklebung mit dem Rohrkörper (4) verklebt sind.

6. Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (2) nach Art einer Kammerspule aus mehreren axial aneinander anschließenden eigenständigen, in Serie geschalteten Scheibenspule (2.1-2.5) aufgebaut ist, von welchen eine erste axial endständige Scheibenspule (2.1) an eine elektrische Spannungsquelle und die axial entfernteste (2,5) an Massepotential anzuschließen ist und daß letzterer Scheibenspuel (2.5) die Sekundärwicklung (3) axial benachbart zugeordnet ist.

7. Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (1) zumindest im Bereich der Primärwicklung (2) aus einem Magnetwerkstoff besteht, der eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist.

8. Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Spannungsquelle zu verbindende Wicklungsanschluß (8.1) der Primärwicklung (2) unmittelbar mit dem benachbart angeordneten Flansch (5) elektrisch leitend verbunden ist.

9. Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Massepotential zu verbindende Wicklungsanschluß (7) und die Wicklungsanschlüsse (11,12) der Sekundärspule (3) an Anschlußelemente geführt sind, die an dem benachbart zur Sekundärwicklung (3) angeordneten Flansch (5) vorgesehen sind.

10. Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (1) aus in axialer Richtung aneinander anschließenden Kernteilen (1.1,1.2,1.3) gebildet ist.

11. Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (1) wenigstens aus zwei im Querschnitt E-förmigen Abschluß-Kernteilen (1.3) besteht, die mit ihren offenen Seiten gegeneinander weisen und zwischen welchen die Wicklungen (2,3) liegen.

12. Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung zwischen die Abschluß-Kernteile (1.3) angepaßte Zwischen-Kernteile (1.1, 1.2) eingefügt sind.

13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Zwischen-Kernteile (1.1, 1.2) in Achsrichtung aneinandergefügt sind.

14. Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenspulen (2.1-2.5) an den axialen Stirnflächen Kontaktelemente (8) aufweisen, die bei axial aneinandergefügten Scheibenspulen paarweise in Kontaktanlage treten und eine elektrische Serienschaltung der benachbarten Scheibenspulen erzeugen.

Zeichnung