Hochspannungs-Durchführung mit Vorrichtungen zur Messung des Stromes und/oder der Spannung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Durchführung mit Vorrichtungen zur Messung des Stromes und/oder der Spannung.
Bisher werden zur Messung von Stromstärken in Hochspannungssystemen in der Regel Stromwandler verwendet; Spannungen werden durch Spannungsteiler oder Potential abgriffe an einer Kondens atordurchführung gemessen. Bei einer bekannten Einrichtung wird ein transistorisierter Verstärker in Verbindung mit einer kondensatorlosen Durchführung zur Gewinnung eines Signals benutzt, das als Mass für Strom oder Spannung dienen kann.
Die bisherigen Vorrichtungen sind kompliziert und kostspielig, da die Vorrichtung in der Regel für die zwischen dem Leiter und Erde bestehende Hochspannung und darüber hinaus für Spannungsstösse, die entstehen können, isoliert werden muss.
Bei der Hochspannungsdurchführung nach der Erfindung sind diese und andere Nachteile der bisherigen Technik dadurch überwunden, dass in oder an der Durchführung Halbleiteranordnungen angebracht sind, die auf das magnetische bzw. das elektrostatische Feld der Durchführung ansprechen. Die Montage für die Halbleiteranordnungen kann auf Erdpotential liegen, so dass Isolierungsprobleme entfallen. Zur Messung des elektrostatischen Feldes der Durchführung kann ein auf Erdpotential oder gegenüber dem Potential des Durchführungsleiters unterschiedlichem Potential liegendes Element vorgesehen sein, so dass ein elektrostatisches Feld gebildet wird, in dem sich eine auf das elektrostatische Feld ansprechende, molekular-elektronisch wirkende Halbleiteranordnung befindet.
Wenn der Durchführungsleiter einen Strom führt, ist ein Magnetfeld vorhanden, auf das eine magnetfeldempfindliche, molekular-elektronisch wirkende Halbleiteranordnung anspricht. Die von den Halbleiteranordnungen abgege- benen Signale können verstärkt werden, und zwar entweder durch konventionelle Verstärker oder durch Halbleiterverstärker, die mit der feldempfindlichen Halbleiteranordnung zu einem Halbleiterblock in Form einer integrierten Schaltung vereinigt sind. Das verstärkte Signal kann zur Steuerung von Relais benutzt oder in einer anderen Weise verwertet werden, z. B. zur Angabe eines Messwertes für Stromstärke und/oder Spannung oder zur Auslösung eines Schalters.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 ein Schaltbild der Vorrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit einer schematisch dargestellten Durchführung,
Fig. 2 ein Diagramm, das das gemessene elektrostatische Feld einer typischen, gasgefüllten Hochspannungsdurchführung zeigt, die Fig. 3A und 3B schematische Ansichten von Halbleiterblöcken zur Erzielung von Signalen, die dem magnetischen bzw. elektrostatischen Feld proportional sind.
In Fig. 1 ist mit 10 eine Kondensatordurchführung bezeichnet. Sie ist mit einer oder mehreren elektrisch leitenden Einlagen 18 versehen, die gegeneinander isoliert koaxial mit dem leitenden Bolzen 13 verlaufen und die Aufgabe haben, eine gleichmässige Verteilung des elektrostatischen Feldes zu erzeugen und grosse Feldgradienten zu reduzieren. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Kondensatordurchführungen beschränkt. Nach üblicher Ausführung hat die Kondens atordurchführung 10 einen Montageflansch 11, der mit Erde 12 verbunden ist; der Flansch 11 kann jedoch auch ein anderes Bauelement mit gegenüber dem Bolzen 13 unterschied- lichem Potential sein. Das Material der Einlagen 18 ist so gewählt, dass es den Durchtritt von magnetischen Feldlinien nicht behindert; zahlreiche Stoffe kommen für diesen Zweck in Frage, z.
B. Kupfer- oder Aluminiumfolie. Die magnetischen Feldlinien des Bolzens 13 sind mit 15, die elektrostatischen Feldlinien mit 16 bezeichnet. Das obere Ende 14 des Bolzens 13 ist mit Hilfe eines Verbinders 8 an die Hochspannungsleitung 9 angeschlossen; das untere Ende 17 ist mit einer anderen
Leitung oder einem elektrischen Gerät verbunden. In
Fig. 1 ist angenommen, dass ein Strom durch den
Bolzen 13 fliesst, so dass sowohl ein magnetisches wie ein elektrisches Feld in der Durchführung besteht, die zur Erzeugung getrennter Signale verwendet werden; es kann jedoch auch eine Durchführung verwendet werden, bei der nur ein elektrostatisches Feld besteht.
In der Durchführung 10 ist in der Nähe des geerdeten Flansches 11 ein kleiner Halbleiterblock 20 ange ordnet, der durch Leiter 21 und 27 mit einem Ver stärker 22 üblichen Typs verbunden ist. Der Verstärker
22 speist über seinen Ausgang 23 ein Relais oder eine andere Steuereinrichtung, die in Blockform dargestellt und mit 24 bezeichnet ist. Ausserdem kann zwischen dem Ausgangsleiter 23 und Erde 12 ein Messinstrument
28 angeordnet sein. Die Halbleiteranordnung 20 spricht auf Änderungen des Magnetfeldes des stromführenden Bolzens 13 an, wobei dieses Feld seinerseits sich entsprechend der Stromstärke ändert; das Messinstrument 28 kann auf Stromstärkewerte des Stromes im Bolzen
13 geeicht werden. Die Halbleiteranordnung 20 kann z. B. ein Hallgenerator sein, an dem eine Hilfsgleichspannung aus einer nicht dargestellten Quelle anliegt.
In Unterstationen, in denen Schalter vorhanden sind, ist es üblich, eine Gleichspannungsquelle zur Betätigung der Schalter vorzusehen; eine solche Quelle kann gleichzeitig zur Speisung des Hallgenerators herangezogen werden. Bei anderen Ausführungen der Erfindung kann die Halbleiteranordnung eigene Mittel zur Erzeugung einer Gleichspannung enthalten. Die Wirkungsweise des Hallgenerators zur Erzeugung eines Signals in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke, die ihn durchsetzt, im Zusammenwirken mit einer anliegenden Gleichspannung ist an sich bekannt und bedarf keiner Erläuterung. Vorzugsweise ist der Leiter 21 geerdet, so dass sich die Halbleiteranordnung 20 im wesentlichen auf Erdpotential befindet.
Es sei angenommen, dass die Halbleiteranordnung 20 ein quaderförmiger Block aus Halbleitermaterial ist, dass die Gleichspannung zwischen den Enden des Quaders angelegt wird und dass die Signalleiter 21 und 27 an den Seiten des Quaders angeschlossen sind. Wenn dann ein magnetisches Feld senkrecht zu diesen beiden Richtungen die Halbleiteranordnung durchsetzt, wird ein Signal erzeugt, dessen Amplitude eine Funktion des Hilfsgleichstromes und der magnetischen Feldstärke ist.
Das Relais 24 kann so eingestellt sein, dass es nur bei einem Fehlerstrom im Bolzen 13, der oberhalb einer vorbestimmten Grenze liegt, anspricht.
Mit 31 ist eine weitere Halbleiteranordnung bezeichnet, die im elektrostatischen Feld 16 angeordnet ist und auf Änderungen des elektrostatischen Feldes anspricht, das ihn durchsetzt. Die Halbleiteranordnung 31 kann durch Leiter 32 und 41 aus einer Spannungsquelle 33 gespeist werden. Das Ausgangssignal der Halbleiteranordnung 31 wird durch den Leiter 34 an einen Widerstand 35 mit hohem Widerstandswert gelegt und nach Verstärkung durch einen nicht dargestellten Verstärker von einem Spannungsmessinstrument 36 verwertet.
Derjenige Teil der Halbleiteranordnung 31, der auf das elektrostatische Feld anspricht, kann Halbleitermaterial umfassen, wie es bei sogenannten Oberflächen Feldeffekt-Anordnungen verwendet wird, die aus der Halbleitertechnik bekannt sind (vgl. z. B. fETZ-A, 1964, Seite 822, Bild 16, Oberflächen-Feldeffekt-Transistor).
Das elektrostatische Feld, das bei einem Wechselstrom leiter periodisch wechselt, kann einen Vorbelastungs strom variieren, der aus der Quelle 33 durch einen
Teil der Halbleiter anordnung 31 fliesst. Das Ausgangs signal entsteht an dem Widerstand 35 zwischen dem
Leiter 34 und Erde 12. Die Wirkungsweise einer Halb leiteranordnung, bei welcher ein durch den Halbleiter körper fliessender Hilfsstrom durch ein angelegtes Feld moduliert wird, ist bekannt. Hierbei variiert der Widerstand eines Halbleiterkörpers mit der Feldstärke eines transversal zum Hilfsstrom verlaufenden Feldes, das zwischen Grenzflächen unterschiedlichen Potentials be steht.
Für ein tieferes Verständnis feldempfindlicher und anderer Halbleiter-Anordnungen wird verwiesen auf das Buch von Hunter, Handbook of Semiconductor Electronics , McGraw-Hill, 2. Auflage, 1962. Es kann weiter auf das Buch von Katz, Solid State Magnetic and Dielectric Devices , John Wiley & Sons, 1959, hingewiesen werden.
Ein weiteres geeignetes Material zur Verwendung bei der Halbleiteranordnung 31 und/oder 20 kann ein solches sein, das ferromagnetische Bezirke enthält, bei denen die Orientierung der Moleküle von der Feldstärke abhängt und wobei die Leitfähigkeit des Materials ihrerseits eine Funktion der Orientierung ist. Eine Diskussion der ferromagnetischen Bezirke findet sich in einem Artikel von Hershberg, Ferromagnetic Domains , in Eiectro-Technology , Januar 1962, Seiten 71 bis 82.
Die molekular wirkenden Halbleiteranordnungen 20 und 31 können Bereiche enthalten, die eine Signalverstärkung bewirken, so dass äussere Verstärker, wie z. B. der Verstärker 22, nicht erforderlich sind. Entsprechende Hinweise finden sich in einem Artikel von Herwald, The Concepts and Capabilities of Molecular Electronics , in der Zeitschrift Westinghouse Engineer , Mai 1960, Seiten 66 bis 70. Weiterhin können die Halbleiter anordnungen 20 und 31 in Über- einstimmung mit der Technologie integrierter Schaltkreise mit Störstellen derart dotiert sein, dass sie einen leitenden Teil enthalten; falls der Strom in dem Bolzen 13 ein Wechselstrom ist, induziert das periodisch variierende magnetische Feld eine Spannung in dem leitenden Teil, die durch einen geeigneten halbleitenden Bereich des räumlich integrierten Blockes gleichgerichtet wird.
Die gleichgerichtete Spannung wird in einem kapazitiven Bereich des Halbleiterblockes gespeichert, so dass eine gleichgerichtete und wenigstens teilweise geglättete Spannung gewonnen wird. Dabei wirkt ein anderer Bereich des Blockes entsprechend seiner Dotierung als Widerstand, so dass eine Gleichspannungsquelle unmittelbar in dem Halbleiterblock vorhanden ist und die äussere Quelle 33 entfallen kann.
Zur Erzeugung einer Gleichvorspannung können ferner, nach dem bereits erwähnten Artikel von Herwald, thermoelektrische Bereiche verwendet werden.
Gemäss Fig. 3A hat der Halbleiterblock 31' einen Teil 51, der eine Gleichspannung erzeugt, einen Feldeffektteil 52 und einen Verstärkerteil 53. Der Feldeffektteil 52 enthält einen Bereich, dessen Leitfähigkeit sich mit der elektrostatischen Feldstärke, die auf ihn einwirkt, ändert.
Der Halbleiterblock 20' nach Fig. 3B enthält einen Spannungserzeugerteil 61, der einen thermoelektrischen Bereich aufweist, einen Hallgeneratorteil 62 und einen Verstärkerteil 63.
Ein Teil mit Übertemperatur, das zur thermoelek trischen Erzeugung eines Stromes geeignet ist, kann bei einer Hochspannungsdurchführung ohne weiteres gegeben sein. Wenn der Montageflansch 11 aus Eisen oder einem anderen ferromagnetischen Material besteht, wird er sich bei Starkstromdurchführungen erwärmen; ein Halbleiterblock mit Thermogeneratorteil kann daher an oder in der Durchführung nahe dem Flansch angeordnet sein, so dass er die im Flansch entwickelte Wärme ausnutzt. Es können jedoch auch in der Durchführung besondere Mittel, wie z. B. leitende Teile, in denen Wirbelströme erzeugt werden, zur Entwicklung von Wärme vorgesehen sein.
Das Folgende bezieht sich auf Fig. 2, in der das gemessene elektrostatische Feld einer typischen, gasgefüllten Durchführung im Betrieb dargestellt ist. Ein Leiterbolzen 43 ist von im wesentlichen konischen Porzellangehäuseteilen 44 und 45 umschlossen, die beiderseits eines metallischen Flansches 47 langeordnet sind. Die Durchführung ist z. B. an einem Leistungsschalter oder an einem Transformatortank befestigt; ein Teil der Tankwand ist in der Figur dargestellt und mit 46 bezeichnet. Die elektrostatischen Äquipotentiallinien sind mit 48 bezeichnet. Bei der Durchführung nach Fig. 2 ist die auf das elektrostatische Feld ansprechende Halbleiteranordnung 31 dort angeordnet, wo sie von einem Maximum der Feldlinien durchsetzt wird, wo also die grösste Feldstärke herrscht.
Die Empfindlichkeit der Halbleiteranordnung 31 kann durch Veränderung ihrer Lage gegenüber dem geerdeten Flansch 47 variiert werden.
Eine genaue Diskussion von Kondensatordurchführungen findet sich z. B. in einem Artikel von E. J.
Grimmer, The Design, Testing and Application of High Voltage Condenser Bushings , der als gedrucktes Manuskript Nr. CP 55-621 eines Vortrages erschienen ist, der vor dem AIEE Pacific General Meeting, Butte, Montana, im August 1955 gehalten wurde.
Bei Verwendung einer auf das magnetische Feld ansprechenden Halbleiter anordnung, die kein Hallgenerator ist, kann das unmittelbar erzeugte Signal, z. B. wenn es durch Induktion gewonnen wird, unter Umständen nicht von der Stromstärke, sondern von der Stromänderungsgeschwindigkeit abhängen. In diesem Falle kann eine Integriereinrichtung vorgesehen sein, damit ein Signal erhalten wird, das sich mit der Stromstärke selbst ändert.
Der Ausdruck Durchführung , wie er in den vorliegenden Unterlagen verwendet wird, umfasst eine Anordnung, die zum Leitungsanschluss oder zur Leitungsisolierung geeignet ist, durch die ein Leiter hindurchgeführt ist oder in die sich ein Leiter erstreckt und die ein dielektrisches, festes, flüssiges oder gasförmiges Medium umfasst, das den Leiter wenigstens über einen Teil seiner Länge umschliesst und das, falls die Durchführung in einem tragenden leitenden Flansch oder einem anderen leitenden Bauteil montiert ist, den Leiter gegenüber diesem Bauteil isoliert. Kondensatorund Gasdurchführungen sind ausdrücklich in diese Definition eingeschlossen.