Die Erfindung betrifft induktive Spannungswandler und insbesondere Nieder- und Mittelspannungswandler.
In den elektrischen Energieversorgungsnetzen, insbesondere in Nieder- und Mittelspannungsnetzen (bis 1 kV bzw. zwischen 1 kV und 75 kV) treten vermehrt Oberschwingungen auf. Diese Oberschwingungen werden vorwiegend von regenerativen Erzeugungsanlagen und Abnehmern mit Frequenzumrichtern verursacht und beeinträchtigen die sog. "Power Quality" bzw. die Spannungsqualität eines Energieversorgungsnetzes negativ. Um eine gewünschte Spannungsqualität in einem Energieversorgungsnetz zu gewährleisten, ist es zunächst erforderlich, die tatsächlich vorhandene Spannungsqualität zu ermitteln.
Oberschwingungen können durch einen THD-Wert ("Total harmonic distortion" bzw. "gesamte harmonische Verzerrung") quantifiziert werden. Der THD ist definiert als das Verhältnis des Effektivwertes der Summe aller Oberschwingungsanteile zum Effektivwert der Grundschwingung und lässt sich wie folgt berechnen: ![]()
In dieser Berechnung bedeutet Un die Effektivwertspannung Ueff der harmonischen Oberschwingungen n mit n>1 bzw. der Grundschwingung n=1.
Der Anteil an Oberschwingungen bzw. der THD-Wert muss für eine akzeptable Spannungsqualität gemäß den geltenden VDE- und IEC-Bestimmungen in Nieder- und Mittelspannungsnetzen im Frequenzbereich bis 2,5 kHz unter 0,08 liegen. Darüber hinaus wird empfohlen, dass der THD-Wert im Frequenzbereich zwischen 2,5 kHz und 9 kHz die Grenze von 0,002 nicht überschreitet. Es gelten für die einzelnen Oberschwingungen ebenfalls individuelle Werte, die eingehalten werden müssen. Um die Einhaltung dieser Grenzen zu überprüfen, sollen vorzugsweise Spannungswandler mit nachgeschalteten Messeinrichtungen zum Einsatz kommen.
Mit Spannungswandlern soll die Nieder- und Mittelspannung aus dem Energieversorgungsnetz derart herabgesetzt werden, dass für niedrige Spannungen ausgelegte und damit kostengünstige Messeinrichtungen zum Einsatz kommen können, um Spannung oder Spannungsverläufe in einem Nieder- oder Mittelspannungsnetz zu messen. Aus den Ergebnissen der Messeinrichtungen, die hinter einem Spannungswandler angeordnet sind, lassen sich Rückschlüsse auf die Verhältnisse im jeweiligen Nieder- oder Mittelspannungsnetz ziehen, insbesondere auch hinsichtlich der Spannungsqualität.
Grundsätzlich sind als Spannungswandler induktive Spannungswandler bekannt. Diese funktionieren nach dem Prinzip des Transformators. Entsprechende Spannungswandler besitzen jedoch grundsätzlich Eigenschwingungen im für die Oberschwingungen in Nieder- und Mittelspannungsnetzen relevanten Frequenzbereich, welche die Übertragung im Spannungswandler stören. So kann beispielsweise ein induktiver 20-kV-Spannungswandler gemäß dem Stand der Technik Eigenschwingungen im Frequenzbereich von 2 kHz bis 15 kHz aufweisen, wobei das Übersetzungsverhältnis des Spannungswandlers bereits ab 1,5 kHz so stark beeinflusst sein kann, dass eine Messung der Oberschwingungen mithilfe eines entsprechenden Spannungswandlers nicht möglich ist. Es kommt also im Prinzip zu einer Begrenzung des Frequenzbands, wodurch nur Frequenzen unter 1,5 kHz akzeptabel übertragen werden können. Eine Bestimmung von Oberschwingungen in einem Nieder- oder Mittelspannungsnetz über 1,5 kHz ist mit einem induktiven Spannungswandler gemäß dem Stand der Technik daher nicht oder nur eingeschränkt möglich. Für die Überprüfung der THD-Werte in Nieder- und Mittelspannungsnetzen gilt das Gleiche.
Um Oberschwingungen in Nieder- oder Mittelspannungsnetzen ausreichend genau messen zu können, wird grundsätzlich gefordert, dass dafür vorgesehene Spannungswandler zumindest bis 2,5 kHz ein konstantes Übertragungsverhalten aufweisen. Weiterhin wird empfohlen, dass die Spannungswandler auch bis zu 9 kHz ein konstantes Übertragungsverhalten aufweisen. Dabei werden maximale Fehler kleiner als 5 % erwünscht.
Um ein entsprechendes Übertragungsverhalten zu erreichen, wurde im Stand der Technik versucht, die störenden Eigenschwingungen eines induktiven Spannungswandlers durch parallel geschaltete Kondensatoren an der Stirnseite der Primärspule zu reduzieren, wobei der Kondensator die Spule von deren Mitte bis zu dem mit der Erdung verbundenen äußeren Ende überspannt.
Die Kondensatoren bei entsprechenden Spannungswandlern müssen eine hohe Spannungs aushalten und sind in der Folge einer gewissen Alterung ausgesetzt, bei der sich die Kapazität des Kondensators ändern kann. Durch eine Änderung der Kapazität ändert sich jedoch das Eigenschwingungsverhalten der Kombination aus Spannungswandler und Kondensator, so dass ein für die Überprüfung der Spannungsqualität bevorzugtes konstantes Übertragungsverhalten nicht gewährleistet werden kann.
Aufgrund der hohen Anforderungen an die Spannungsfestigkeit und der damit ggf. verbundenen Alterung, welche eine intensive Wartung erfordern kann, ist der Einsatz entsprechender Spannungswandler in Schaltanlagen unpraktikabel oder gar unmöglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wartungsarmen Spannungswandler zu schaffen, der dazu ausgebildet ist, die Oberschwingungen in Nieder- oder Mittelspannungsnetzen derart übertragen zu können, dass die Oberschwingungen mit einer nachgeschalteten Messeinrichtung zur Bestimmung der Spannungsqualität im Nieder- oder Mittelspannungsnetz ausreichend genau während der gesamten Lebensdauer des Wandlers erfasst werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Spannungswandler gemäß dem Hauptanspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Demnach betrifft die Erfindung Spannungswandler umfassend eine Primärspule, wenigstens eine Sekundärspule und einen Spulenkern, wobei die wenigstens eine Sekundärspule um den Spulenkern und die Primärspule um die wenigstens eine Sekundärspule angeordnet ist, wobei eine Kapazität parallel zu den Lagen der Primärspule vorgesehen ist, bei der die Kapazität parallel zu den untersten Lagen der Primärspule geschaltet ist, wobei die Anzahl der untersten Lagen kleiner ist als die Hälfte der Anzahl aller Lagen der Primärspule.
Bei den "untersten Lagen der Primärspule" handelt es sich um diejenigen Windungs- bzw. Wicklungslagen der Primärspule, die innenliegend und damit dem Spulenkern nächstliegend sind. Insbesondere umfasst der Begriff der "untersten Lagen der Primärspule" auch die unterste Lage der Primärspule. Eine Primärspule eines Spannungswandlers für Nieder- und Mittelspannungen hat typischerweise wenigstens 2, wenigstens 10 oder wenigstens 20 Lagen.
Durch die erfindungsgemäß parallel geschaltete Kapazität kann eine Pol-Nullstellenkompensation der ersten Resonanz der Spulenanordnung des Spannungswandlers erreicht werden, wobei ähnlich wie im Stand der Technik durch den Fachmann eine jeweils von der Größe her geeignete Kapazität zu ermitteln ist, welche die gewünschte Kompensation zur Folge hat. Durch eine entsprechende Pol-Nullstellenkompensation verbessert sich das Übertragungsverhalten des Spannungswandlers bis hin zu der ersten Resonanz erheblich. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass trotz der gegenüber dem Stand der Technik geringeren Anzahl an Lagen, zu denen die Kapazität parallel geschaltet ist, durch die erfindungsgemäße Anordnung der Kapazität ein nahezu lineares Übertragungsverhalten in einem breiten Frequenzbereich ausgehend von und größer als 0 Hz erreicht werden kann, welches für den Einsatz als Messspannungswandler für Nieder- und Mittelspannungsnetze vorteilhaft ist und die gewünschte Verbesserung über einen größeren Frequenzbereich bringt.
Da bei dem erfindungsgemäßen Spannungswandler - anders als im Stand der Technik - die Kapazität nicht parallel zur Hälfte der Lagen der Primärspule, sondern zu einer geringeren Anzahl an Lagen geschaltet ist, ist es grundsätzlich ausreichend, wenn die Kapazität eine geringere Spannungsfestigkeit aufweist. In der Folge können kostengünstigere Kapazitäten bzw. Kondensatoren verwendet werden.
Da die Kapazität bei der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber dem Stand der Technik weiterhin grundsätzlich mit weniger Spannung belastet wird, können kostengünstigere Kondensatoren verwendet werden. Auch fallen evtl. Alterungseffekte geringer aus.
Die Kapazität kann parallel zu den untersten 10 % der Lagen der Primärspule, vorzugsweise zu den untersten 5 % der Lagen der Primärspule, weiter vorzugsweise zu den untersten 3 % der Lagen der Primärspule geschaltet sein. Es ist auch möglich, dass die Kapazität parallel nur zu der untersten oder den beiden untersten Lagen der Primärspule geschaltet ist. Die Kapazität ist dabei jeweils derart zu wählen, dass die gewünschte Pol-Nullstellenkompensation bei der ersten Resonanz erreicht wird. Die für die gewünschte Pol-Nullstellenkompensation geeignete Kapazität kann bspw. durch Versuche ermittelt werden.
Zur Parallelschaltung mit den untersten Lagen der Primärspule kann die Kapazität mit ihrem einen Anschluss mit der Zuleitung zur untersten Lage der Primärspule verbunden sein. Der andere Anschluss der Kapazität ist weiterhin an der Primärspule selbst angeschlossen, um die erfindungsgemäße Parallelschaltung zu erreichen. Durch den Anschluss an der Zuleitung wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers vereinfacht und somit kostengünstiger möglich.
Spannungswandler für Nieder- und Mittelspannungen sind in der Regel gießharzisoliert, d. h., die einzelnen Komponenten des Spannungswandlers sind vollständig vom Gießharz umschlossen. Das Gießharz füllt dabei den Raum um die Spulen und wirkt somit als ein von Luft verschiedenes Dielektrikum, wodurch sich auch das Frequenzverhalten des Spannungswandlers ändert. Die Gießharzisolation aus dem Stand der Technik umfasst die Primärspule, die wenigstens eine Sekundärspule, den Spulenkern sowie den parallel geschalteten Kondensator.
Der erfindungsgemäße Spannungswandler weist vorzugsweise ebenfalls eine Gießharzisolation auf, wobei jedoch die Kapazität außerhalb der Gießharzisolation angeordnet ist. In anderen Worten umschließt die Gießharzisolation also die Primärspule, die wenigstens eine Sekundärspule und den Spulenkern, nicht jedoch die Kapazität, die parallel zu den untersten Lagen der Primärspule geschaltet ist. Die Anordnung der Kapazität außerhalb der Gießharzisolation kann beispielsweise mithilfe von Anschlussleitungen, die sich durch die Gießharzisolation erstrecken, erreicht werden.
Die Anordnung der Kapazität außerhalb der Gießharzisolation bietet mehrere Vorteile. So kann auf eine aufwendige Polsterung der Kapazität, wie sie im Falle einer Anordnung eines Kondensators in der Gießharzisolation aufgrund von Schrumpfungsprozessen während des Aushärtens der Isolation notwendig ist, verzichtet werden. Auch ist es möglich, die Kapazität noch auf im Produktionsprozess unvermeidliche Abweichungen (bspw. bei der Aushärtung der Gießharzisolation) auf die dielektrischen Verhältnisse des Spannungswandlers, die bedeutende Auswirkungen auf dessen Frequenzgang haben können, einzustellen, indem ggf. eine individuell ermittelte Kapazität vorgesehen wird. Dadurch kann bei den Spannungswandlern trotz unvermeidlicher Produktionsabweichungen ein optimaler Frequenzgang gewährleistet werden.
Es ist weiter bevorzugt, wenn die Kapazität austauschbar ausgestaltet ist. Dadurch wird ein einfacher Austausch bei Ausfall oder evtl. Alterungseffekten der Kapazität ermöglicht, ohne dass der gesamte Spannungswandler ausgetauscht werden müsste. Die Kapazität kann dabei bspw. in einen von außen zugänglichen Klemmenkasten angeordnet sein, wobei der Klemmenkasten selbst ggf. teilweise in die Gießharzisolation eingegossen ist.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1:
- eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers;
- Figur 2:
- das Übertragungsverhalten eines gewöhnlichen induktiven Spannungswandlers und eines induktiven Spannungswandlers gemäß Figur 1; und
- Figur 3:
- eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Spannungswandler 1 dargestellt, der für 20 kV ausgelegt ist. Der Spannungswandler 1 umfasst eine Primärspule 2, eine Sekundärspule 3 und einen Spulenkern 4. Die Sekundärspule 3 ist dabei um den Kern 4 angeordnet, während die Primärspule 2 um die Sekundärspule 3 angeordnet ist. Der Spannungswandler 1 funktioniert nach dem Prinzip eines Transformators, wobei eine an der Primärspule 2 anliegende höhere Wechselspannung auf eine niedrigere Wechselspannung an der Sekundärspule 3 transformiert wird. Die Primärspule 2 weist Zuleitungen 5 zum Anschluss an ein Energieversorgungsnetz auf. Die Sekundärspule 3 weist Anschlüsse zum Anschluss an eine Messeinrichtung auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die genannten Anschlüsse der Sekundärspule sowie die Messeinrichtung in Figur 1 nicht dargestellt.
Bei dem Spannungswandler 1 in Figur 1 ist eine Kapazität 6 vorgesehen. Diese Kapazität 6 ist parallel zu den untersten 10 % der Lagen der Primärspule 2 geschaltet. Die Kapazität 6 ist dabei so gewählt, dass eine Pol-Nullstellenkompensation im Bereich der ersten Resonanz der Spulenanordnung des Spannungswandlers kommt.
Durch eine entsprechende Kompensation wird das Übertragungsverhalten des Spannungswandlers 1 im Bereich bis zur ersten Resonanz derart verbessert, dass auch eine im Wesentlichen verzerrungsfreie Übertragung von hochfrequenten Oberschwingungen und somit eine Überprüfung der Spannungsqualität in Nieder- oder Mittelspannungsnetzen möglich wird.
Diese Verbesserung des Übertragungsverhaltens wird anhand von Figur 2 veranschaulicht, wo die Vorteile des induktiven Spannungswandlers 1 gemäß Figur 1 gegenüber einem gewöhnlichen induktiven Spannungswandler deutlich werden. Als gewöhnlicher induktiver Spannungswandler wird dabei ein Spannungswandler bezeichnet, bei dem keine zur Primärspule parallel geschaltete Kapazität vorgesehen ist.
Bei dem in Figur 2 links dargestellten gewöhnlichen induktiven Spannungswandler bleibt der Phasengang in einem weiten, von 0 Hz ausgehenden Frequenzbereich (bis ca. 12 kHz) nahezu konstant. Im Amplitudengang über denselben Frequenzbereich werden jedoch bereits ab ca. 2 kHz deutliche Verzerrungen sichtbar. Aufgrund dieser Verzerrungen ist ein gewöhnlicher induktiver Spannungswandler für die Bestimmung der Spannungsqualität in einem Energieversorgungsnetz, insbesondere einem Nieder- oder Mittelspannungsnetz, nicht bzw. nur bedingt geeignet.
Bei einem Spannungswandler gemäß Figur 1, dessen Amplituden- und Phasengang rechts in Figur 2 dargestellt sind, ist der Phasengang ebenfalls in einem weiten, von 0 Hz ausgehenden Frequenzbereich (bis ca. 12 kHz) nahezu konstant. Gegenüber eines gewöhnlichen Spannungswandlers ist jedoch auch der Amplitudengang bis zu einer Frequenz von ca. 11 kHz nahezu konstant. Aufgrund dieses vorteilhaften Übertragungsverhaltens ist der Spannungswandler gemäß Figur 1 für die Bestimmung der Spannungsqualität in einem Energieversorgungsnetz und insbesondere auch in einem Nieder- oder Mittelspannungsnetz gut geeignet.
In Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers 1 dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau dieses Spannungswandlers 1 ist vergleichbar mit demjenigen aus Figur 1. Es wird daher auf die obigen Ausführungen verwiesen und im Folgenden nur auf die Unterschiede bei den genannten Spannungswandlern 1 eingegangen.
Bei dem Spannungswandler 1 gemäß Figur 3 sind die Primärspule 2, die Sekundärspule 3 sowie der Spulenkern 4 in eine Gießharzisolation 7 eingegossen. Ebenfalls in die Gießharzisolation 7 eingegossen ist ein von außen zugänglicher Klemmenkasten 8, in dem die Kapazität 6 austauschbar angeordnet ist. Die Kapazität ist dabei über Anschlussleitungen 9 zu den untersten beiden Lagen der Primärspule 1 parallel geschaltet. Dazu ist die eine Anschlussleitung 9 mit der Primärspule 1, genauer mit der zweit-untersten Lage der Primärspule 1, verbunden, während die andere Anschlussleitung 9 mit der Zuleitung 5 verbunden ist. Die Anschlussleitungen 9 sind ebenfalls in die Gießharzisolation eingegossen.
Durch die Anordnung der Kapazität 6 im von außen zugänglichen Klemmenkasten 8 ist eine einfache Austauschbarkeit der Kapazität 6 gewährleistet. Dadurch ist es möglich, auf Produktionsschwankungen bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers 1 zu reagieren und eine an evtl. auftretende Abweichungen im Frequenzgang des Spannungswandlers angepasste Kapazität 6 zu verwenden, um die gewünschte Pol-Nullstellenkompensation bzw. den im Wesentlichen konstanten Frequenzgang bis zur ersten Resonanzfrequenz der Spulenanordnung des Spannungswandlers 1 zu erreichen. Auch ist es möglich, die Kapazität 6 bei Ausfall oder wegen evtl. Alterungserscheinungen einfach auszutauschen, ohne dass der Spannungswandler 1 insgesamt ausgetauscht werden müsste.