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Stromwandler zur Feststellung von Erdschlüssen an ungeerdeten
Mehrphasennetzen
Die Erfassung von Erdschlüssen in Mehrphassnanlagen gewinnt immer grössere Bedeutung, wobei erhöhte Anforderungen an die Erdschlusswandler hinsichtlich Genauigkeit über einen ausserordentlich weit erstreckten Messbereich gestellt werden. Diesen Anforderungen werden Stromwandler normaler Bauart nicht gerecht. Es müssen daher spezielle Massnahmen getroffen werden.
Der Erdschluss-Summenstromwandler führt in denprimärleitern infolge unsymmetrischer Belastung an sich und ganz besonders beim Auftreten eines Phasen-Kurzschlusses sehr ungleich grosse Phasenströme; als Folge dieser stark verschiedenen Ströme in den Primärleitern tritt wegen der Abhängigkeit der Wandlergenauigkeit von den Primärstromstärken, die entscheidend durch die verschiedenen Streuungen der Primärleiter beeinflusst wird. im gemeinsamen Eisenkern ein Fluss und damit in der Sekundärwicklung ein Strom auf, obwohl die Augenblicksumme der Ströme in den Primärleitern jederzeit Null ist.
Dieser Fehl strom in der Sekundärwicklung des Erdschlusswandlers täuscht zusammen mit der hohen Ansprechempfindlichkeit der verschiedenen Ausführungsformen der Erdschlussrelais einen Erdschluss vor, der nicht vorhanden ist. Die Ansprechströme der Erdschlussrelais entsprechen oft nur einem oder mehreren Zehntelprozent der primären Stromstärke der Erdschluss-Summenstromwandler, sie arbeiten also weit unter der unteren Grenze des Arbeitsbereiches eines normalen Stromwandlers der gleichen primären Nennstromstärke.
Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Weiterbildung des im Stammpatent Nr. 182780 beschriebenen Strom wandlers. Bei diesem Stromwandler zur Feststellung von Erdschlüssen in ungeerdeten Mehrphasennetzen, bei welchem in bekannter Weise alle Stromleiter des Mehrphasensystems von einem gemeinsamen Eisenkern umschlossen werden, der die Sekundärwicklung trägt, sind die Stromschienen in einem gemeinsamenisolierkörper eingebettet, der von einem Eisenkern, der die Niederspannungswick- lung trägt, umschlossen wird, wobei der Hochspannungsteil von dem Niederspannungsteil durch einen geerdeten Metallschirm getrennt ist.
Durch den Gegenstand der erfindungsgemässen Weiterbildung wird nun ein Erdschluss-Summenstromwandler mit einem ausserordentlich erweiterten Arbeitsbereich und einem grossen Symmetriegrad der Primärleiter bzw. Sekundärleiter gegenüber dem gemeinsamen Eisenkern erhalten, der gegenüber den bisher bekannten Ausführungen eine wesentlich höhere Anzeigegenauigkeit aufweist. Die erfindungsgemässe Weiterbildung des im Stammpatent Nr. 182780 beschriebenen Strom wandlers besteht darin, dass sowohl die Primärleiter als auch die Sekundärwicklungen, welche mit einem oder mehreren metallischen Schutzmänteln umgeben sind, gegenüber dem gemeinsamen Ringkern zur Vermeidung eines Streuflusses im Kern und damit eines Streustromes in der Sekundärwicklung bei ungleich grossen Phasenströmen vollkommen streuungssymmetrisch angeordnet sind.
Um Fehlweisungen des Wandlers auch bei höchsten Anforderungen zu vermeiden, muss dann neben dem streuungssymmetrischen Aufbau der gemeinsame Eisenkern noch gegen magnetische Fremdfelder, herrührend von den Primärleiterenden, den Wandlerzuführungen usw. durch einen oder mehrere geeignete Schutzmäntel abgeschirmt werden.
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Zur Erzielung verschiedener Charakteristiken mit dem gleichen Wandler kann der Erdschlusswandler mit zwei oder mehreren Eisenkernen ausgerüstet werden.
Die Wicklungen des bzw. der Eisenkerne können mit Anzapfungen versehen werden, um so die Anpassung an verschiedene Sekundärbelastungen zu ermöglichen.
Die Fig. 1 und 2 stellen eine übliche, die Fig. 3-12 erfindungsgemässe AusfihLungsformenvonMehr- phasen-Erdschluss-Summenstromwandlern dar.
In den Fig. 1 und 2 ist ein mit Flachschienen ausgerüsteter Erdschlusswandler der üblichen Bauart im Schnitt dargestellt ; die Isolierungen 4,5 und 6 der einzelnen Primärleiter 1, 2 und 3 und der gemeinsame Isolierkörper 9 mit seinem Potentialschirm isolieren die Primarleiter 1, 2,3 gegenüber dem gemeinsamen Eisenkern 7 mit der Sekundärwicklung 8 entsprechend der Betriebsspannung. Die Sekundärwicklung 8 ist am Umfang des Eisenkernes gleichmässig verteilt aufgebracht.
Wenn im normalen Betriebe und auch beim Auftreten eines Phasenkurzschlusses die Stromgleichung
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lung kein Strom auftreten ; ein magnetischer Fluss im Eisenkern und daher ein Strom in der Sekundärwicklung darf nur dann enstehen, wenn im gemessenen System ein Erdschluss vorliegt, also die Augenblickssumme der Ströme in den Primärleitern des Wandlers nicht mehr gleich Null ist.
Bisher übliche Erdschlusswandler geben aber Restströme, welche Erdschlüsse vortäuschen ; es muss also das Entstehen eines Reststromes in der Sekundärwicklung eines Erdschlusswandlers weitgehend vermie- den werden.
Die Ursache des Auftretens eines Reststromes ist durch die unterschiedliche, relative Lage der Stromleiter 1, 2 und 3 bezüglich des gemeinsamen Eisenkernes gegeben.
Die Primärleiter der bisher ausgeführten Erdschlusswandler beispielsweise nach den Fig. 1 und 2 verursachen wegen der unterschiedlichen relativen Lage gegenüber dem gemeinsamen Messkern verschieden grosse magnetische Streuflüsse, welche zur Folge haben, dass im Messkern ein Restfluss und damit in der Sekundärwicklung ein Reststrom auftritt, obwohl die Augenblickssumme der Primärströme gleich Null ist.
Nur durch strenge Einhaltung einer streuungssymmetrischen Anordnung der Primärleiter und der Sekundärwicklung gegenüber dem gemeinsamen Messkern, der nicht unbedingt die Form eines Ringkernes besitzen muss, kann erreicht werden, dass die Sekundärwicklung des Messkernes in weitem Bereich stromlos bleibt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen beispielsweise den erfindungsgemässen Aufbau eines Schienen-ErdschlussSummenstromwandlers teilweise in Schnitt und Ansicht. Die für den Einbau des Wandlers vorgesehenen Anschluss-Flachschienen 1, 2 und 3 werden als Profilleiter 10, 11 und 12 durch den Wandler geführt und in einem Isolierkörper 9 eingebettet ; sie sind vollkommen symmetrisch zum Eisenkern angeordnet und mit Schrumpfhüllen 13, 14 und 15 umgeben, die dem Dehnungsausgleich bei Erwärmung der Leiter dienen.
Damit wird eine räumlich vollständig streuungssymmetrische Lage der Primärleiter zum Eisenkern erreicht. Auch die Sekundärwicklung 8 ist wieder über den Eisenkern 7 gleichmässig verteilt.
Handelsübliche Rundprofile als Primärleiter 16, 17, 18 verwendet die Erdschluss-Wandlerformnachden Fig. 5 und 6 ; sie werden von Isoliermaterial 9 umgeben. Die Mittelpunkte der Rundstabquerschnitte liegen auf einem Kreis 22, dessen Mittelpunkt 23 mit dem Mittelpunkt des runden, gemeinsamen Eisenkernes 7 mit der gleichmässig verteilten Sekundärwicklung 8 zusammenfällt. Schrumpfhüllen 19,20, 21 sichern die Ausdehnungsmöglichkeit der Primärleiter bei höheren Temperaturen. Primär- und Sekundärwicklung sind wieder räumlich vollständig symmetrisch zum Eisenkern.
In den Fig. 7,8 sind weitere Ausführungsmöglichkeiten von räumlich symmetrisch zum Eisenkern 7 angeordneten Primärleitern skizziert ; die im Isolierkörper 9 eingebetteten Primärleiter 24, 25,26 mit den Schrumpfhüllen 27,28, 29 der Fig. 7 haben rechteckigen Querschnitt, die ebenfalls rechteckigen Primärleiter 30, 31, 32,33, 34,35 mit den Schrumpfhüllen 36, 37,38, 39,40, 41 der Fig. 8 werden paarweise entweder nebeneinander oder abwechselnd je zu einem Primärleiter vereinigt.
Die in den Fig. - 8 beschriebenen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes behandeln durchwegs Stabwandler mit räumlich symmetrisch zum Eisenkern angeordneten Primärleitern ; es besteht aber auch die Möglichkeit, die Primärleiter an sich durch konzentrische Ausbildung streuungssymmetrisch gegenüber dem Eisenkern zu gestalten.
Für Wickelstromwandler erhalten diese konzentrisch angeordneten Leiterquerschnitte eine biegsame Ausführungsform, so dass eine streuungssymmetrische Gesamtwicklung mit mehreren Primärwindungen hergestellt werden kann. Zur Erreichung dieser Wirkung eignen sich auch Leiteranordnungen nach den Fig. 9 und 10 ; in Fig. 9 stellt 46 einen zentralen Leiter dar, um den zwei oder mehrere Leiter 47 und 48 verdrillt werden, sie bilden zusammen die drei Primärleiter des Erdschlusswandlers. Bei Verwendung
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eines zentralen Nichtleiters 49 werden nach Fig. 10 die drei im Querschnitt gleichen Primärleiter 50, 51 und 52 um diesen gleichmässig verdrillt, wobei natürlich jeder Primärleiter aus mehreren Einzeldrähten bestehen kann.
Die Streuungssymmetrie der Primär- und Sekundarleiter eines Erdschlusswandlers gegenüber dem gemeinsamen Eisenkern setzt jedoch zwingend keine räumlich symmetrische Anordnung der Primär- und Sekundärleiter gegenüber diesem Eisenkern voraus, wie dies durch entsprechende Verteilung von Primärleiterquerschnitten oder durch konzentrische Zuordnung der drei Primärleiter erfolgen kann. Die Symmetrie kann auch auf elektrischem Wege erreicht werden.
Die Fig. 11 stellt einen derartigen Erdschlusswandler gemäss dem Erfindungsgedanken dar. Aus Herstellungsgründen kann beispielsweise eine Verteilung der Primärleiterquerschnitte 53,54, 55,56, 57,58 mit ihren Schrumpfhüllen 59,60, 61,62, 63,64 gegenüber dem gemeinsamen Eisenkern 7 im Isolierkörper 9 gemäss Fig. 11 von Vorteil sein ; dabei bilden die Querschnitte 53,54 bzw. 55,56 und 57,58 den Gesamtquerschnitt je eines Primärleiters. Die Querschnitte 57 und 58 eines Primärleiters liegen nicht neben einander, sondern einander gegenüber. Entsprechend dieser Primärleiteranordnung ist auch die Sekundärwicklung 65,66, 67,68 dreiteilig ausgeführt und parallel geschaltet, wobei die beiden Wicklungen 67,68 gegenüber den Querschnitten 57,58 in Serie geschaltet eine Teilwicklung ergeben.
Die Zuordnung der Primär- und Sekundärleiter gemäss Fig. 11 ergibt ebenfalls eine vollkommen hinreichende, streuungssymmetrische Ausführungsform.
Die bisher beschriebenen Massnahmen auf Grund des Erfindungsgedankens verlangen bei hohen Kurzschlussstromstärken eine weitere Ergänzung durch einen oder mehrere Schutzmäntel, vorzugsweise aus nicht magnetisierbaren Materialien, um Fremdfelder vom gemeinsamen Kern fernzuhalten, die von den Primärleiterenden, den Zuleitungen zum Wandler usw. herrühren.
Der Isolierkörper 9 mit den Primärleitern 1, 2,3 des Erdschlusswandlers nach Fig. 11, der vom gemeinsamen Eisenkern 7 mit der Sekundärwicklung 8 umschlossen wird. trägt einen vorzugsweise aus nichtmagnetisierbaren Metallen wie Kupfer bestehenden Schutzmantel 69, welcher den Eisenkern 7 samt Sekundärwicklung 8 umschliesst ; diese Metallhülle ist gegen den Isolierkörper 9 hin offen und verhindert die Beeinflussung der Sekundärwicklung durch Streufelder der Wandlerzuleitungen und andere Fremdfelder.
Erdschlusswandler, die von Fremd- und Streufeldern besonders gefährdet sind, können durch mehrere Schutzmäntel, wie sie in der Fig. 12 durch die Metallscheiben 70 angedeutet sind, auch in erhöhtem Masse geschützt werden. Im Arbeitsbereich von Messwandlern soll die Wandlercharakteristik oft einen bestimmen vorgegebenen Verlauf haben ; durch die Verwendung von zwei oder mehreren Baustoffen mit verschiedenem magnetischem Verhalten kann die Wandlercharakteristik weitgehend beeinflusst werden.
Von der Art und Aufgabe der sekund ar angeschlossenen Apparaturen hängen die zulässigen Grenzwerte der Strom- und Winkelfehler ab, die der Messwandler aufweisen darf ; zwei oder mehrere gemeinsame Eisenkerne gestatten die Anpassung an den Bedarf.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Stromwandler zur Feststellung von Erdschlüssen in ungeerdeten Mehrphasennetzen nach Patent Nr. 182780, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Primärleiter als auch die Sekundärwicklungen, welche mit einem oder mehreren metallischen Schutzmänteln umgeben sind, gegenüber dem gemeinsamen Ringkern zur Vermeidung eines Streuflusses im Kern und damit eines Streustromes in der Sekundärwicklung bei ungleich grossen Phasenströmen vollkommen streuungssymmetrisch angeordnet sind.
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Current transformer for the detection of earth faults at ungrounded
Multi-phase networks
The detection of earth faults in multi-phase systems is becoming more and more important, with increased demands being placed on the earth fault transformers in terms of accuracy over an extraordinarily large measuring range. Current transformers of normal design do not meet these requirements. Special measures must therefore be taken.
The earth fault summation current transformer carries very unequal phase currents in the primary conductors due to asymmetrical loading and especially when a phase short circuit occurs; As a result of these very different currents in the primary conductors occurs because of the dependency of the transducer accuracy on the primary current intensities, which is decisively influenced by the various variations in the primary conductors. a flux in the common iron core and thus a current in the secondary winding, although the instantaneous sum of the currents in the primary conductors is always zero.
This fault current in the secondary winding of the earth fault transformer, together with the high sensitivity of the various embodiments of the earth fault relay, simulates an earth fault that does not exist. The response currents of the earth fault relays often only correspond to one or more tenths of a percent of the primary current of the earth fault summation current transformer, so they work well below the lower limit of the working range of a normal current transformer of the same primary rated current.
The subject of the present invention is a development of the current converter described in the parent patent no. With this current transformer for the detection of earth faults in ungrounded multi-phase networks, in which all current conductors of the multi-phase system are enclosed in a known manner by a common iron core that carries the secondary winding, the busbars are embedded in a common insulating body, which is made up of an iron core that supports the low-voltage winding carries, is enclosed, wherein the high-voltage part is separated from the low-voltage part by a grounded metal screen.
As a result of the further development according to the invention, a ground fault summation current transformer with an extraordinarily extended working range and a large degree of symmetry of the primary conductors or secondary conductors compared to the common iron core is obtained, which has a significantly higher display accuracy than the previously known designs. The inventive development of the current transformer described in the parent patent no. 182780 consists in the fact that both the primary conductor and the secondary windings, which are surrounded by one or more metallic protective sheaths, compared to the common toroidal core to avoid a leakage flux in the core and thus a leakage current in the Secondary winding are arranged completely symmetrically scattered with unequal phase currents.
In order to avoid misdirection of the converter even with the highest requirements, the common iron core must then be shielded against external magnetic fields, originating from the primary conductor ends, the converter feeds, etc. by one or more suitable protective sheaths, in addition to the scatter-symmetrical structure.
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To achieve different characteristics with the same transformer, the earth fault transformer can be equipped with two or more iron cores.
The windings of the iron core (s) can be provided with taps in order to enable adaptation to different secondary loads.
1 and 2 show a conventional embodiment of multi-phase earth fault summation current transformers according to the invention in FIGS. 3-12.
In FIGS. 1 and 2, a ground fault transformer of the usual type equipped with flat bars is shown in section; the isolations 4, 5 and 6 of the individual primary conductors 1, 2 and 3 and the common insulating body 9 with its potential shield isolate the primary conductors 1, 2,3 from the common iron core 7 with the secondary winding 8 according to the operating voltage. The secondary winding 8 is applied evenly distributed on the circumference of the iron core.
If the current equation is used during normal operation and also when a phase short circuit occurs
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ment no electricity occur; A magnetic flux in the iron core and therefore a current in the secondary winding may only arise if there is an earth fault in the measured system, i.e. the instantaneous sum of the currents in the primary conductors of the converter is no longer zero.
Ground fault transformers that have been customary up to now give residual currents which simulate ground faults; the generation of a residual current in the secondary winding of a ground fault transformer must therefore be largely avoided.
The cause of the occurrence of a residual current is given by the different, relative position of the conductors 1, 2 and 3 with respect to the common iron core.
The primary conductors of the earth fault transformers carried out so far, for example according to FIGS. 1 and 2, cause magnetic leakage fluxes of different sizes due to the different relative position compared to the common measuring core, which result in a residual flux in the measuring core and thus a residual current in the secondary winding, although the Instantaneous sum of the primary currents is zero.
Only by strictly adhering to a scatter-symmetrical arrangement of the primary conductors and the secondary winding in relation to the common measuring core, which does not necessarily have to be in the form of a toroidal core, can the secondary winding of the measuring core remain de-energized over a wide area.
3 and 4 show, for example, the structure according to the invention of a rail earth fault summation current transformer, partly in section and view. The flat connection bars 1, 2 and 3 provided for the installation of the converter are routed through the converter as profile conductors 10, 11 and 12 and embedded in an insulating body 9; they are arranged completely symmetrically to the iron core and surrounded with shrink sleeves 13, 14 and 15, which serve to compensate for expansion when the conductors are heated.
In this way, a spatially completely symmetrical position of the primary conductor to the iron core is achieved. The secondary winding 8 is again evenly distributed over the iron core 7.
Commercially available round profiles as primary conductors 16, 17, 18 use the earth fault converter form according to FIGS. 5 and 6; they are surrounded by insulating material 9. The center points of the round bar cross-sections lie on a circle 22, the center point 23 of which coincides with the center point of the round, common iron core 7 with the uniformly distributed secondary winding 8. Shrink sleeves 19, 20, 21 ensure that the primary conductor can expand at higher temperatures. The primary and secondary windings are again completely spatially symmetrical to the iron core.
In FIGS. 7, 8, further possible embodiments of primary conductors arranged spatially symmetrically to the iron core 7 are sketched; the primary conductors 24, 25, 26 embedded in the insulating body 9 with the shrink sleeves 27, 28, 29 of FIG. 7 have a rectangular cross-section, the likewise rectangular primary conductors 30, 31, 32, 33, 34, 35 with the shrink sleeves 36, 37, 38 , 39, 40, 41 of FIG. 8 are combined in pairs either side by side or alternately to form a primary conductor.
The exemplary embodiments of the subject matter of the invention described in FIGS. 8 through 8 deal with bar transducers with primary conductors arranged spatially symmetrically to the iron core; However, there is also the possibility of designing the primary conductors per se by concentric training symmetrically with respect to the iron core.
For winding current transformers, these concentrically arranged conductor cross-sections are given a flexible embodiment, so that an overall winding that is symmetrical about scattering can be produced with several primary windings. To achieve this effect, conductor arrangements according to FIGS. 9 and 10 are also suitable; in FIG. 9, 46 represents a central conductor around which two or more conductors 47 and 48 are twisted, they together form the three primary conductors of the earth fault transformer. Using
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10, the three primary conductors 50, 51 and 52 with the same cross-section are evenly twisted around the central non-conductor 49, it being understood that each primary conductor can consist of several individual wires.
However, the scatter symmetry of the primary and secondary conductors of a ground fault transformer with respect to the common iron core does not necessarily require a spatially symmetrical arrangement of the primary and secondary conductors with respect to this iron core, as can be done by appropriate distribution of primary conductor cross-sections or by concentric allocation of the three primary conductors. The symmetry can also be achieved electrically.
11 shows such a ground fault transformer according to the inventive concept. For manufacturing reasons, for example, a distribution of the primary conductor cross-sections 53, 54, 55, 56, 57, 58 with their shrink sleeves 59, 60, 61, 62, 63, 64 relative to the common iron core 7 in the insulating body 9 according to FIG. 11 may be advantageous; The cross sections 53.54 or 55.56 and 57.58 each form the total cross section of a primary conductor. The cross-sections 57 and 58 of a primary conductor are not next to each other, but opposite each other. Corresponding to this primary conductor arrangement, the secondary winding 65, 66, 67, 68 is also designed in three parts and connected in parallel, with the two windings 67, 68 connected in series with respect to the cross-sections 57, 58 resulting in a partial winding.
The assignment of the primary and secondary conductors according to FIG. 11 also results in a completely sufficient, scatter-symmetrical embodiment.
In the case of high short-circuit currents, the measures described up to now on the basis of the inventive concept require a further addition of one or more protective sheaths, preferably made of non-magnetizable materials, in order to keep external fields away from the common core, which originate from the primary conductor ends, the leads to the converter, etc.
The insulating body 9 with the primary conductors 1, 2, 3 of the earth fault transformer according to FIG. 11, which is enclosed by the common iron core 7 with the secondary winding 8. wears a protective jacket 69, preferably made of non-magnetizable metals such as copper, which encloses the iron core 7 together with the secondary winding 8; this metal shell is open towards the insulating body 9 and prevents the secondary winding from being influenced by stray fields from the converter leads and other external fields.
Earth fault transformers, which are particularly endangered by external and stray fields, can also be protected to a greater extent by a plurality of protective jackets, as indicated in FIG. 12 by the metal disks 70. In the working area of instrument transformers, the converter characteristic should often have a certain predetermined course; By using two or more building materials with different magnetic behavior, the transducer characteristics can be largely influenced.
The permissible limit values of the current and angle errors that the transducer may exhibit depend on the type and task of the secondary connected equipment; two or more common iron cores allow adaptation to requirements.
PATENT CLAIMS:
1. Current transformer for the detection of earth faults in unearthed multi-phase networks according to Patent No. 182780, characterized in that both the primary conductor and the secondary windings, which are surrounded by one or more metallic protective sheaths, are opposite to the common toroidal core to avoid a leakage flux in the core and thus of a stray current in the secondary winding with unequal phase currents are arranged completely symmetrically to scatter