[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Spule zur Strombegrenzung in
Mittel- und Hochspannungsnetzen mit einem leitfähigen Spulendraht, der zu einer zylindrischen
Spule gewickelt ist, wobei der leitfähige Spulendraht um ein Segment eines Kerns gewickelt
ist, der einen geschlossenen magnetischen Fluss führt. Um eine Sättigung des Kerns
bei hohen Strömen, die durch die elektrische Spule fließen können, zu vermeiden, ist
der Kern durch mindestens einen nicht magnetisierbaren Spalt mit geringer Dicke unterbrochen.
[0002] Induktive Strombegrenzer, die eine elektrische Spule mit einem leitfähigen Spulendraht
enthalten, der um ein Segment eines Kerns gewickelt ist, welcher einen geschlossenen
magnetischen Fluss führt, sind in der Technik bekannt.
[0003] So offenbart
DE 32 02 600 A1 einen derartigen induktiven Spannungs- und Strombegrenzer, bei dem ein gegenüber
dem Gesamtvolumen des Kerns, der aus ferromagnetischem Material hoher Permeabilität
und niedriger Remanenz besteht, geringer Teil desselben aus einem ferromagnetischen
Material hoher Remanenz und/oder hoher Koerzitivkraft besteht. Der Teil mit hoher
Remanenz und/oder hoher Koerzitivkraft kann im magnetischen Nebenschluss zum Kern
angeordnet sein und mindestens einen Luftspalt aufweisen. Bei einer Erregung bis zur
Sättigungsgrenze des Teils hoher Remanenz und/oder hoher Koerzitivkraft ist der magnetische
Widerstand sehr hoch und erst beim Überschreiten dieser Sättigungsgrenze steigt die
Induktivität des induktiven Spannungs- und Strombegrenzers mit steigender Erregung
an, um eine Strombegrenzung zu bewirken.
[0004] Ferner ist es bekannt, die Kerne derartiger elektrischer Spulen zur Vermeidung der
Kernsättigung mit einem quer zum Magnetfluss verlaufenden Luftspalt zu versehen, der
zur mechanischen Stabilisierung mit einem nicht magnetischen Material ausgefüllt sein
kann. Der Luftspalt erhöht den magnetischen Widerstand des Kerns, führt aber auch
zu Streufeldern.
[0005] Außerdem ist es bekannt, die Kerne aus einem Pulvermaterial herzustellen, das Eisen
oder Eisenlegierungen enthält. Die "Pulverkerne" bewirken ähnlich wie der Luftspalt
einen lineareren Induktivitätsverlauf auch bei hoher Magnetisierung des Kerns, d.h.
dann, wenn eine hohe magnetische Feldstärke am Kern anliegt, und umgehen das bei herkömmlichen
Kernen vorhandene Problem, dass an Verbindungsstellen von Kernteilen, aus denen der
Kern zusammengesetzt ist, nicht vermeidbare Lücken auftreten, durch welche die Hysteresekennlinie
der elektrischen Spule verändert wird.
[0006] Der Einsatz von Luftspalten führt wie oben angemerkt zu Streufeldern und entsprechend
zu unerwünschten Streufeldverlusten an den durch die Luftspalte gebildeten Kernunterbrechungen,
wobei die Verluste mit der Dicke des Luftspalts überproportional zunehmen. Zur Vermeidung
der Kernsättigung ist aber ein hoher magnetischer Widerstand des Kerns erforderlich,
der ebenfalls mit der Dicke des Luftspalts zunimmt. Somit kann eine elektrische Spule
des oben beschriebenen Typs durch ein Verändern der Luftspaltdicke leicht an jeweils
benötigte Betriebsparameter angepasst werden.
[0007] Bei "Pulverkernen" hingegen ist eine Optimierung der Einstellbarkeit der Magnetisierung
für die jeweils benötigten Betriebsparameter schwierig und kostenintensiv.
[0008] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die magnetische Sättigung eines magnetisierbaren
Kernmaterials einer elektrischen Spule des oben beschriebenen Typs bei Stromstärken
in den Windungen des leitfähigen Spulendrahts, die im Bereich von einigen hundert
bis einigen tausend Ampere liegen, kontrolliert zu vermeiden und die elektrische Spule
für den jeweiligen Einsatzfall hinsichtlich Hystereseverlusten, Kernmaterialbedarf
und Leitermaterialbedarf zu optimieren.
[0009] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
[0010] Dadurch, dass ein Kern einer elektrischen Spule, der einen geschlossenen magnetischen
Fluss führt, durch einen nicht magnetisierbaren Spalt mit geringer Dicke unterbrochen
ist, kann weitgehend verhindert werden, dass ein hoher Strom, der durch einen leitfähigen
Spulendraht fließt, welcher um ein Segment des Kerns gewickelt ist, den Kern in die
Sättigung treibt. Durch die Anzahl, die Anordnung und die Dicke der nicht magnetisierbaren
Spalte sowie das jeweils in den nicht magnetisierbaren Spalten eingesetzte nicht magnetisierbare
Material kann die Sättigung des Kerns kontrolliert vermieden werden bzw. der Arbeitsbereich
der elektrischen Spule weitestgehend auf den nicht gesättigten Bereich der Magnetisierungskurve
des Kerns verschoben werden. Damit kann die elektrische Spule auf einfache Weise für
den jeweiligen Einsatzfall optimiert werden.
[0011] Da die Sättigung vermieden wird, kann die elektrische Spule auch bei großen Strömen
im Bereich mehrerer tausend Ampere eine große Induktivität bereitstellen, die zur
Begrenzung des Stroms genutzt werden kann.
[0012] Zudem werden durch die geringe Dicke des Spalts Streufeldverluste minimiert. Da durch
den bzw. die Spalt(e) der magnetische Gesamtwiderstand des Kerns erhöht wird, verringert
sich der magnetische Fluss durch den Kern, so dass der Kern insgesamt kleiner ausgelegt
werden kann. Dadurch verringern sich Kosten für das Kernmaterial und die Baugröße
der erfindungsgemäßen elektrischen Spule kann verringert werden. Zudem kann durch
die Verkleinerung des Kerns auch das benötigte Leitermaterial, d.h. das Material des
leitfähigen Spulendrahts, verringert werden, da sich der Durchmesser der Wicklungen
um das Kernsegment verringert, und damit verringern sich auch ohmsche Verluste im
leitfähigen Spulendraht.
[0013] Durch den Einsatz des Spalts wird die nichtlineare B-H-Kennlinie oder Hysteresekennlinie,
die in Fig. 3A und 3B näher erläutert wird, geschert, also die Steigung der Induktion
B bezüglich der Magnetfeldstärke H abgeflacht und näherungsweise linearisiert. Der
Wirkungsbereich des Kerns wird dadurch bei den Betriebsströmen der elektrischen Spule
auf den unteren Bereich der B-H-Kennlinie des Kernmaterials mit hoher differentieller
Permeabilität dB/dH eingeschränkt und die magnetische Hysteresekennlinie wird effektiv
verschmälert, wodurch auch Hystereseverluste verringert werden.
[0014] Bei induktiven Strombegrenzern bzw. Drosseln kann dadurch die Effektivität im Bereich
der Auslegung der elektrischen Ströme maximiert werden.
[0015] Bei Transformatoren kann das Übertragungsverhältnis von Primarwicklung zu Sekundärwicklung
maximiert und linearisiert werden, wodurch höhere harmonische Frequenzanteile im Sekundärstrom
bzw. der Sekundärspannung zur Betriebsfrequenz reduziert werden, wie in Fig. 4A und
4B gezeigt ist.
[0016] Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke des Spalts so ausgestaltet, dass
sie klein gegenüber einem Durchmesser des Kerns ist. Dadurch lassen sich Streufeldverluste,
die durch den Spalt hervorgerufen werden, minimieren.
[0017] Eine bevorzugte Ausführungsform ordnet den Spalt in demjenigen Segment des Kerns
an, um das der leitfähige Spulendraht gewickelt ist. Da in diesem Segment die induktive
Kopplung am größten ist, weist der Spalt an dieser Stelle die stärkste Wirkung des
durch ihn erzeugten magnetischen Widerstands auf.
[0018] Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Spalt außerhalb des Segments angeordnet,
um das der leitfähige Spulendraht gewickelt ist. Diese Anordnung erleichtert den Zugriff
auf den Spalt im Zuge von Wartungs- und Kontrollarbeiten.
[0019] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform verwendet einen Kern, der aus mehreren Teilen
aufgebaut ist, wobei der Spalt an einer Verbindungsstelle zwischen den Teilen des
Kerns angeordnet ist. Dadurch wird der mechanische Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen
Spule vereinfacht, und Maßnahmen, die sonst zur Verbindung der Teile notwendig sind,
um dort entstehende Streuverluste und/oder magnetische Widerstände zu vermeiden, können
entfallen.
[0020] Noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform setzt einen Spalt ein, der nur einen
Innenbereich eines quer zum magnetischen Fluss verlaufenden Querschnitts des Kerns
einnimmt, sodass der Spalt vollständig im Kern eingebettet ist. Diese Ausgestaltung
verbessert einerseits die mechanische Stabilität des Kerns und führt andererseits
durch einen auf diese Weise erzeugten magnetischen Nebenschlusspfad zu einer weiteren
Reduktion des Streufeldverlusts, der durch den Spalt erzeugt wird.
[0021] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das in dem Spalt enthaltene
nicht magnetische Material Luft, eine Keramik, ein Epoxidharz oder ein anderes paramagnetisches
Material. Der Einsatz dieser Materialien ermöglicht eine leichte Anpassung und Optimierung
der erfindungsgemäßen elektrischen Spule auf den jeweiligen Einsatzfall.
[0022] Der Kern besteht bevorzugt aus einem weichmagnetischen Material, etwa Eisen oder
einer Eisenlegierung, um einen Pfad für den magnetischen Fluss bereitzustellen, der
einen geringen magnetischen Widerstand und damit geringe magnetische Verluste aufweist.
[0023] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Spule um eine
zweite elektrische Spule, die ebenfalls um den Kern gewickelt ist, zu einer Fehlerstrom-Begrenzungseinrichtung
bzw. zu einem Transformator erweitert, um damit eine Induktivität der elektrischen
Spule bei Überstrom zu schalten. Dabei ist die zweite elektrische Spule bevorzugt
innerhalb der elektrischen Spule um dasjenige Segment gewickelt, um das auch die elektrische
Spule gewickelt ist, um die induktive Kopplung zwischen den elektrischen Spulen zu
maximieren. Der Einsatz eines Spalts geringer Dicke aus einem nicht magnetisierbaren
Material maximiert und linearisiert das Übertragungsverhältnis auf die zweite Spule
und reduziert höhere harmonische Frequenzanteile von Strom bzw. Spannung, was wiederum
Verluste verringert.
[0024] Die erfindungsgemäße elektrische Spule wird im Folgenden anhand eines Beispiels unter
Verwendung der beigefügten Figuren beschrieben.
- Fig.1
- zeigt eine perspektivische Skizze einer elektrischen Spule mit einem Eisenkern, der
mehrere Spalte geringer Dicke aufweist.
- Fig. 2
- zeigt eine perspektivische Skizze eines Teils eines Eisenkerns mit einem Spalt, der
vollständig im Eisenkern eingebettet ist.
- Fig. 3A und 3B
- zeigen eine prinzipielle Hysteresekurve einer elektrischen Spule mit Eisenkern sowohl
ohne (3A) als auch mit (3B) Spalten im Eisenkern.
- Fig. 4A und 4B
- zeigen einen prinzipiellen zeitlichen magnetischen Flussverlauf bei Erregung einer
elektrischen Spule mit Eisenkern durch Wechselstrom der Frequenz 50 Hz ohne (4A) und
mit (4B) Spalten im Eisenkern
[0025] Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer elektrischen Spule 1, die einen
Eisenkern 2 sowie eine aus einem leitfähigen Spulendraht 3 ausgebildete Spule 4 umfasst,
die um ein Segment 5 des Eisenkerns 2 gewickelt ist. Wenn die elektrische Spule 4
wie in Fig. 1 gezeigt durch einen Strom I erregt wird, bildet sich im Eisenkern 2
ein magnetischer Fluss Φ aus. Die Stärke, die der magnetische Fluss Φ aufweist, wird
durch die magnetische Flussdichte oder Induktion B und eine Querschnittsfläche der
elektrischen Spule 4 bestimmt.
[0026] In den Eisenkern 2 der elektrischen Spule 1 sind mehrere Spalte 6, 7 und 8 geringer
Dicke eingebracht, die aus einem nicht magnetisierbaren Material bestehen. Die nicht
magnetisierbaren Spalte 6, 7 und 8 sind alle mit der gleichen Dicke d gezeigt, können
aber auch unterschiedliche Dicken aufweisen, sofern diese alle klein gegenüber einem
Durchmesser des Eisenkerns 2 sind. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die
Dicke der Spalte 6, 7 und 8 bei einem Durchmesser des Eisenkerns 2 von 400 mm in einem
Bereich von kleiner als 1 mm bis etwa 10 mm liegen.
[0027] Die Anordnung der Spalte 6, 7 und 8 im Eisenkern 2 von Fig. 1 ist nur zur Veranschaulichung
prinzipieller Möglichkeiten zur Anordnung der Spalte im Eisenkern 2 gedacht und kann
bei praktischen Ausführungsformen sowohl in der Anzahl als auch der Anordnung von
der in Fig. 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform abweichen.
[0028] Bei bevorzugten Ausführungsformen werden Spalte 6 eingesetzt, die in demjenigen Segment
des Eisenkerns 2 angeordnet sind, um das der leitfähige Spulendraht 3 gewickelt ist,
da die induktive Kopplung zwischen dem Spulendraht 3 und dem Eisenkern 2 in diesem
Bereich am stärksten ist.
[0029] Eine weitere bevorzugte Position für Spalte aus nicht magnetisierbarem Material ist
durch die Spalte 7 dargestellt, die an Verbindungsstellen eines Eisenkerns 2 angeordnet
sind, der aus mehreren Teilen besteht. Diese Verbindungsstellen bieten sich zur Positionierung
der Spalte 7 an, da dort andernfalls ein erheblicher konstruktiver Aufwand notwendig
ist, um die Verbindungen so zu gestalten, dass dort kein erhöhter magnetischer Widerstand
sowie keine Streufeldverluste auftreten.
[0030] Selbstverständlich sind beliebige weitere Positionen für den Spalt/ die Spalte möglich.
Der Spalt 8 ist ein Beispiel dafür und weist - wie auch die Spalte 7 - den Vorteil
der leichten Zugänglichkeit zu Kontroll- und Wartungszwecken auf.
[0031] In Fig. 1 sind die Spalte 6, 7 und 8 so dargestellt, dass sie sich quer zur Richtung
des magnetischen Flusses Φ durch den gesamten Durchmesser des Eisenkerns 2 hindurch
erstrecken und diesen somit vollständig unterbrechen. Fig. 2 zeigt eine alternative
Ausführungsform für die Ausgestaltung der Spalte geringer Dicke mit einem nicht magnetisierbaren
Material. Der in Fig. 2 gezeigte Spalt 9 ist in einem Innenbereich eines Eisenkerns
2' angeordnet. Dabei nimmt der Spalt 9 nur den Innenbereich eines quer zum magnetischen
Fluss verlaufenden Querschnitts des Eisenkerns 2' ein, sodass er vollständig im Eisenkern
2' eingebettet ist. Durch die Verwendung der Ausführungsform des Spalts 9 von Fig.
2 können Streufeldverluste im Vergleich zur Ausführungsform der Spalte 6, 7 und 8
von Fig. 1 weiter verringert werden. Die Ausführungsformen der Spalte 6, 7 und 8 einerseits
und des Spalts 9 andererseits können in einem Eisenkern auch beliebig kombiniert eingesetzt
werden.
[0032] Durch das Einbringen der nicht magnetisierbaren Spalte 6, 7 und 8 in den Eisenkern
2 von Fig. 1 bzw. des Spalts 9 in den Eisenkern 2' von Fig. 2 wird der magnetische
Fluss Φ behindert, d.h. der magnetische Widerstand, der dem magnetischen Fluss Φ vom
Kern entgegengesetzt wird, nimmt zu. Bei der Überwindung der Bereiche mit erhöhtem
magnetischen Widerstand, die durch die Spalte 6, 7, 8 und 9 gebildet werden, bilden
sich Streuflussfelder entlang der Außenränder der Spalte aus, die zu Streufeldverlusten
führen. Diese Streufeldverluste können durch Verringern der Dicke der Spalte sowie
durch Verwenden der Spaltenausführungsform 9 von Fig. 2 verringert werden. Bei geringer
Dicke der Spalte verlaufen die Feldlinien des Streufelds an den Rändern der Spalte
nahezu parallel zueinander und zum magnetischen Fluss Φ des Kerns und verringern dadurch
die durch das Streufeld verursachten Verluste.
[0033] Das Material, mit dem die nicht magnetisierbaren Spalte 6, 7, 8 und 9 gefüllt sein
können, muss nicht magnetisierbar sein, etwa Luft, ein keramisches Material, ein Epoxidharz
oder allgemein ein Material mit paramagnetischen Eigenschaften. Prinzipiell wäre auch
Aluminium möglich, jedoch wirkt sich dessen Anfälligkeit für die Erzeugung von Wirbelströmen,
die zu Wirbelstromverlusten führen, in der Praxis negativ aus.
[0034] Fig. 3A und 3B zeigen den prinzipiellen Verlauf der Hysteresekennlinie bzw. Hysteresekurve
eines Eisenkerns ohne Spalt (Fig. 3A) und eines Eisenkerns mit Spalt (Fig. 3B), etwa
des beispielhaften Eisenkerns 2 von Fig. 1, bei verschiedenen Größen des angelegten
Stroms I. Es ist zu erkennen, dass die Hysteresekurve von Fig. 3B im Vergleich zu
Fig. 3A geschert, d.h. abgeflacht und linearisiert ist, so dass eine größere magnetische
Feldstärke H zum Erreichen des gleichen Werts der magnetischen Induktion B notwendig
ist. Damit ist auch zum Erreichen der Sättigung des Kerns eine größere magnetische
Feldstärke H bzw. ein größerer Strom I in der elektrischen Spule 4 von Fig. 1 erforderlich.
[0035] Die Linearisierung der Hysteresekurve des Kerns führt zu einer effektiven Verschmälerung
der Hysteresekurve und damit zu einer Verringerung von Hystereseverlusten, die beispielsweise
beim Durchlaufen der Hysteresekurve entstehen, wenn an der elektrischen Spule 4 von
Fig. 1 ein Wechselstrom anliegt.
[0036] Fig. 4A und 4B zeigen eine weitere vorteilhafte Auswirkung, die der Einsatz des nicht
magnetisierbaren Spalts im Eisenkern 2 bietet. Die beiden in Fig. 4A und 4B dargestellten
Kurven sind das Ergebnis eines Simulationsprogramms, bei dem ein Eisenkern (Material
Stahl 1008) mit einer elektrischen Spule umwickelt ist, wobei der Kern in Fig. 4A
keine Spalte aufweist, während der Kern in Fig. 4B mit vier Luftspalten 6 der Dicke
2 mm versehen wurde. Die elektrische Spule wird mit Wechselstrom mit einer Frequenz
von 50 Hz erregt.
[0037] Fig. 4A zeigt aufgrund des geringeren magnetischen Widerstands eine deutlich höhere
Amplitude des magnetischen Flusses als Fig. 4B. Während Fig. 4B einen nahezu idealen
sinusförmigen Verlauf zeigt, d.h. nur minimale Verzerrungen bzw. Oberwellen, weist
die Kurve von Fig. 4A deutlich erkennbare Abweichungen von einer idealen Sinuskurve
auf. Diese Abweichungen werden durch die Sättigung des Kerns verursacht und führen
zu Oberwellen und Verzerrungen, die sich negativ auf die Signalqualität auswirken
und zudem zu unerwünschten Verlusten führen.
[0038] Zusammengefasst ermöglicht der Einsatz eines oder mehrerer Spalte geringer Dicke
mit nicht magnetisierbarem Material in einem magnetisierbaren Kern einer elektrischen
Spule, dass durch eine dadurch bewirkte Scherung der B-H-Kennlinie des Kerns eine
magnetische Sättigung des Stroms vermieden wird und Hystereseverluste vermindert werden.
Der Einsatz mehrere Spalte geringer Dicke mit nicht magnetisierbarem Material ermöglicht
durch die geringe Dicke der einzelnen Spalte zudem die Verringerung von Streufeldverlusten,
die an diesen Spalten entstehen, und ermöglicht dadurch die Realisierung eines insgesamt
größeren Gesamtwiderstands des Kerns. Dadurch kann der Kern insgesamt verkleinert
werden, was zu einer insgesamt kleineren und kompakteren Bauform der elektrischen
Spule bzw. der Fehlerstromvorrichtung und zu einer Verringerung der Menge des benötigten
Spulendrahts und des zugehörigen ohmschen Widerstands führt.
1. Elektrische Spule zur Strombegrenzung in Mittel- und Hochspannungsnetzen, insbesondere
Drosselspule, mit einem leitfähigen Spulendraht, der zu einer zylindrischen Spule
gewickelt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der leitfähige Spulendraht um ein Segment eines Kerns gewickelt ist, der einen geschlossenen
magnetischen Fluss führt, wobei der Kern durch mindestens einen nicht magnetisierbaren
Spalt mit geringer Dicke unterbrochen ist, um eine Sättigung des Kerns auch bei hohen
durch die elektrische Spule fließenden Strömen zu reduzieren.
2. Elektrische Spule nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dicke des Spalts klein gegenüber einem Durchmesser des Kerns ist.
3. Elektrische Spule nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spalt in demjenigen Segment des Kerns angeordnet ist, um das der leitfähige Spulendraht
gewickelt ist.
4. Elektrische Spule nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spalt außerhalb des Segments des Kerns angeordnet ist, um das der leitfähige Spulendraht
gewickelt ist.
5. Elektrische Spule nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern aus mehreren Teilen aufgebaut ist und der Spalt an einer Verbindungsstelle
zwischen den Teilen des Kerns angeordnet ist.
6. Elektrische Spule nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spalt nur einen Innenbereich eines quer zum magnetischen Fluss verlaufenden Querschnitts
des Kerns einnimmt, sodass der Spalt vollständig im Kern eingebettet ist.
7. Elektrische Spule nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das in dem Spalt enthaltene Material Luft, eine Keramik, ein Epoxidharz oder ein anderes
paramagnetisches Material umfasst.
8. Elektrische Spule nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern aus einem weichmagnetischen Material aufgebaut ist.
9. Fehlerstrom-Begrenzungsvorrichtung für Mittel- und Hochspannungsnetze mit einer ersten
elektrische Spule nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fehlerstrombegrenzungseinrichtung eine zweite elektrische Spule umfasst, die um
den Kern gewickelt ist, um eine Induktivität der ersten elektrischen Spule zu schalten.
10. Fehlerstrom-Begrenzungsvorrichtung für Mittel- und Hochspannungsnetze mit einer ersten
elektrische Spule nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite elektrische Spule innerhalb der ersten elektrischen Spule um das Segment
des Kerns gewickelt ist.