ТРАНСФОРМАТОР ТОКА НУЛЕВОГО ПОТОКА
ZERO-CURRENT FLOW TRANSFORMER

Изобретение относится к трансформатору тока нулевого потока, который имеет компенсационную обмотку и индикаторную обмотку. Кроме того, изобретение относится к способу измерения токов при помощи такого трансформатора тока нулевого потока.
При помощи трансформатора тока нулевого потока (Zero Flux Current Transformer) измеряется протекающий в проводнике (так называемом первичном проводнике) ток. Трансформатор тока нулевого потока имеет электрическую индикаторную обмотку, при помощи которой измеряется сгенерированный протекающим током, окружающий проводник, магнитный поток. Трансформатор тока нулевого потока имеет помимо этого электрическую компенсационную обмотку, при помощи которой магнитный поток компенсируется до нуля. При помощи схемы регулирования и схемы усиления протекающий через компенсационную обмотку ток (компенсационный ток) регулируется таким образом, что магнитный поток проводника всегда компенсируется до нуля (так называемое условие нулевого потока). Величина необходимого для достижения условия нулевого потока компенсационного тока является мерилом для величины протекающего через проводник тока, то есть для величины измеряемого тока.
Ввиду высокого потребления энергии компенсационной обмотки и схемы усиления трансформаторы тока нулевого потока эксплуатируются, как правило, на потенциале земли. Если должен измеряться ток, протекающий через находящийся на потенциале высокого напряжения проводник (высоковольтный проводник), то требуется электрическая изоляция между проводником и трансформатором тока нулевого потока. Чем больше потенциал высокого напряжения, тем выше требования к этой электрической изоляции.
Одной возможностью реализации этой электрической изоляции было бы применение расположенного горизонтально, высоковольтного стенного ввода. Компенсационная обмотка и индикаторная обмотка трансформатора тока нулевого потока располагались бы во внешнем пространстве вокруг стенного ввод. Высоковольтный стенной ввод как таковой используется в том случае, если высоковольтный проводник должен проводиться сквозь стоящую вертикально стену. Такой стенной ввод имеет два ориентированных горизонтально (по горизонтали), метровых изолятора, которые распространяются от стены в противоположных направлениях. Вследствие этого система с выполненным по горизонтали стенным вводом требует много места, то есть ей необходим большой монтажный объем. Кроме того, высокий дополнительный расход материала имеет место в частности в том случае, если на месте измерения тока стенной ввод и вовсе не требуется. Следовательно, решение при помощи расположенного по горизонтали высоковольтного стенного ввода было бы трудоемким и дорогостоящим.
Дальнейшей возможностью реализации необходимой изоляции напряжения была бы изоляция посредством масляной ванны (масляная изоляция). Однако при масляной изоляции в случае повреждения масло может протекать (опасность грунтовых вод), масло может воспламеняться в случае повреждения и при серьезном повреждении распыляться в виде горящего масла в окружающую среду. Вследствие этого может доходить до существенной угрозы людям, оборудованию и/или зданиям. Следовательно, повышение пожарной нагрузки из-за масляной изоляции зачастую нежелательно или требует трудоемких и дорогостоящих защитных мер.
В основе изобретения лежит задача предоставить систему с трансформатором тока нулевого потока и способ измерения токов, которые могут реализовываться просто и/или недорого.
Эта задача решается согласно изобретению с помощью системы и способа согласно независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления системы указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Раскрывается система с трансформатором тока нулевого потока, который имеет компенсационную обмотку и индикаторную обмотку, причем компенсационная обмотка и индикаторная обмотка расположены в корпусе, который поддерживается вертикально ориентированным опорным изолятором. При этом предпочтительным является, что корпус поддерживается вертикально ориентированным опорным изолятором. В отличие от горизонтального стенного ввода вертикально ориентированный опорный изолятор требует существенно меньшую базовую поверхность. Через длину опорного изолятора изоляцию напряжения можно адаптировать на необходимое значение. Дальнейшее преимущество заключается в том, что вертикально ориентированный трансформатор тока нулевого потока имеет меньшие по сравнению с горизонтально ориентированным вводом размеры и потому может изготавливаться экономичнее.
Система может быть выполнена таким образом, что внутри корпуса расположен корпус сердечника, который окружает компенсационную обмотку и индикаторную обмотку. При помощи этого корпуса сердечника можно устанавливать электрический потенциал в окружении компенсационной обмотки и индикаторной обмотки.
Система может быть выполнена таким образом, что корпус сердечника соединен с потенциалом земли. Вследствие этого предпочтительно обеспечивается то, что компенсационная обмотка и индикаторная обмотка находятся относительно потенциала рядом с потенциалом земли.
Система может быть выполнена таким образом, что корпус сердечника электрически изолирован относительно корпуса. При помощи электрической изоляции между корпусом сердечника и корпусом потенциал высокого напряжения измеряемого тока (прилегающий по существу также к корпусу) электрически изолируется относительно потенциала земли (прилегающего к корпусу сердечника).
6
6
Система может быть также выполнена таким образом, что корпус сердечника электрически изолирован относительно корпуса SF-газом. Электрическое изолирование между корпусом сердечника и корпусом (и тем самым электрическое изолирование между потенциалом высокого напряжения измеряемого тока и потенциалом земли) осуществляется предпочтительно посредством SF-газа (гексафторида серы). Вследствие этого предпочтительным образом достигается то, что в случае аварии (не горючий) гексафторид серы в худшем случае может выходить из корпуса. Однако в отличие от масляной изоляции не существует опасности, что масло в случае аварии могло бы воспламениться и разбрызгиваться в горящем состоянии.
Система может быть также выполнена таким образом, что корпус сердечника зафиксирован/закреплен в корпусе при помощи изолирующей распорки. При помощи изолирующей распорки может реализовываться прочная механическая фиксация/крепление корпуса сердечника в корпусе. В частности при помощи одной или нескольких изолирующих распорок можно также закреплять сравнительно большие и тяжелые корпусы сердцевины в корпусе.
Система может быть также выполнена таким образом, что корпус сердечника соединен с потенциалом земли при помощи металлической трубы. При помощи металлической трубы с одной стороны корпус сердечника соединяется с потенциалом земли предпочтительным образом, с другой стороны внутри металлической трубы проводятся электрические линии (измерительные линии, например подводящие линии компенсационной обмотки и индикаторной обмотки) от корпуса сердечника к находящейся на потенциале земли клеммной коробке.
Система может быть также выполнена таким образом, что металлическая труба, по меньшей мере, частично окружена устройством регулирования потенциала (устройством управления электрическим потенциалом). При помощи этого устройства регулирования потенциала разность потенциалов между металлической трубой (потенциалом земли), опорным изолятором и проводящим ток проводником (высоковольтным проводником) может контролируемо понижаться/уменьшаться. Устройства регулирования потенциала как таковые известны. Устройства регулирования потенциала имеют например несколько (отстоящих и изолированных друг от друга) концентрических слоев одной или нескольких согласованных подходящим образом в своих электрических свойствах физических сред, для того чтобы целенаправленно регулировать электрическое поле и предотвращать нежелательные концентрации электрического поля.
Система может быть также выполнена таким образом, что металлическая труба, по меньшей мере, частично окружена опорным изолятором. При этом предпочтительно опорный изолятор воспринимает по существу силы тяжести корпуса и корпуса сердечника.
Система может быть также выполнена таким образом, что опорный изолятор является полым изолятором, в частности снабженным юбками полым изолятором. Подобный полый изолятор может предпочтительно размещаться и во внутренних помещениях, и на открытом воздухе.
6
6
Система может быть также выполнена таким образом, что корпус заполнен SF-газом. Благодаря заполнению корпуса SF-газом может простым образом реализовываться хорошая электрическая изоляция между корпусом и расположенными в корпусе компонентами (например, корпусом сердечника с компенсационной обмоткой и индикаторной обмоткой).
Система может быть выполнена таким образом, что индикаторная обмотка является намотанной на железный сердечник индикаторной обмоткой, и трансформатор тока нулевого потока дополнительно имеет индикаторную обмотку без железного сердечника. Под понятием "намотанная на железный сердечник индикаторная обмотка" здесь понимается электрическая обмотка, которая окружает железный сердечник. Эту индикаторную обмотку можно было бы также обозначать как "индикаторная обмотка железного сердечника". Индикаторная обмотка без железного сердечника не имеет в отличие от нее железного сердечника. Речь идет таким образом о катушке с воздушным сердечником (которая обозначается также как пояс Роговского). Предпочтительно трансформатор тока нулевого потока имеет в итоге индикаторную обмотку с железным сердечником (намотанная на железный сердечник индикаторная обмотка) и индикаторную обмотку без железного сердечника (индикаторная обмотка с воздушным сердечником). При помощи намотанной на железный сердечник индикаторной обмотки может измеряться предпочтительно постоянный ток (в частности постоянный ток высокого напряжения), или при помощи намотанной на железный сердечник индикаторной обмотки могут измеряться переменные токи с относительно низкими частотами (в данном случае: частотами > 0 и≤30 кГц). Такими переменными токами могут быть, например наложенные на постоянный ток токи. Такие токи обозначаются в дальнейшем также кратко как "наложенные токи". Такие наложенные токи могут возникать, например, при преобразовании переменного тока в постоянный ток. Однако для измерения переменных токов (например, наложенных токов) более высокой частоты (в данном случае это частоты > 30 кГц и≤1 МГц) используется индикаторная обмотка без железного сердечника. А именно было обнаружено, что при высоких частотах > 30 кГц индуктивные накопители энергии железных сердечников могут искажать измерение. Таким образом, благодаря использованию как намотанной на железный сердечник индикаторной обмотки, так и индикаторной обмотки без железного сердечника в трансформаторе тока нулевого потока существенно расширяется частотный диапазон измерения тока.
Система может быть также выполнена таким образом, что намотанная на железный сердечник индикаторная обмотка электрически соединена с первой измерительной схемой для измерения постоянного тока, а индикаторная обмотка без железного сердечника электрически соединена со второй измерительной схемой для измерения переменного тока. При помощи первой измерительной схемы измеряется таким образом предпочтительно, по меньшей мере, постоянный ток; при помощи второй измерительной схемы измеряется переменный ток.
Система может быть также выполнена таким образом, что вторая измерительная схема приспособлена для измерения переменных токов с частотами примерно между 10 кГц и 1 МГц, в частности для измерения переменных токов с частотами примерно между 30 кГц и 1 МГц. При помощи второй измерительной схемы измеряются таким образом переменные токи между 10 кГц и 1 МГц, в частности при помощи второй измерительной схемы измеряются переменные токи между 30 кГц и 1 МГц.
Система может быть также выполнена таким образом, что первая измерительная схема приспособлена для измерения постоянного тока и для измерения переменных токов с частотами примерно между нулем и 30 кГц. При этом предпочтительно, что первая измерительная схема приспособлена не только для измерения постоянного тока, но и для измерения токов с частотами от 0 до 30 кГц. До частот в 30 кГц измерения токов можно еще удовлетворительно выполнять именно также при помощи намотанной на железный сердечник индикаторной обмотки.
В переходном диапазоне (то есть в данном случае в диапазоне примерно между 10 кГц и 30 кГц) измерение тока может выполняться на выбор при помощи первой измерительной схемы или второй измерительной схемы или же при помощи обеих измерительных схем параллельно.
Далее раскрывается устройство электропередачи постоянного тока высокого напряжения (HGÜ-устройство), включающее в себя одну из указанных выше систем. Указанные системы с трансформатором тока нулевого потока могут предпочтительным образом использоваться именно в устройствах электропередачи постоянного тока высокого напряжения, для того чтобы измерять величину постоянного тока высокого напряжения цепи постоянного тока, величину наложенных на постоянный ток высокого напряжения переменных токов и постоянных токов и/или величину наложенных переменных токов и постоянных токов в токах трансформатора на сетевой стороне и на стороне преобразователя частоты. В частности в токе трансформатора имеет очень большое значение измерение наименьших составляющих постоянного тока, так как они должны по мере возможности доводиться до нуля.
Кроме того, раскрывается способ измерения токов при помощи трансформатора тока нулевого потока, при котором при помощи намотанной на железный сердечник индикаторной обмотки трансформатора тока нулевого потока измеряется постоянный ток, и при помощи индикаторной обмотки без железного сердечника трансформатора тока нулевого потока измеряется переменный ток (в частности наложенный на постоянный ток паразитный ток).
Этот способ может быть также выполнен таким образом, что переменный ток имеет частоту примерно между 10 кГц и 1 МГц.
Этот способ может быть выполнен таким образом, что при помощи намотанной на железный сердечник индикаторной обмотки дополнительно измеряется переменный ток, в частности переменный ток, наложенный на постоянный ток.
Способ имеет те же преимущества, которые были описаны выше в связи с системой.
Далее изобретение разъясняется более подробно при помощи примера осуществления. Для этого на чертеже показаны:
фиг. 1 - пример осуществления системы с трансформатором тока нулевого потока;
фиг. 2 - увеличенное изображение примерного корпуса трансформатора тока нулевого потока;
фиг. 3 - пример осуществления корпуса сердечника трансформатора тока нулевого потока; и
фиг. 4 - пример осуществления способа для измерения тока при помощи трансформатора тока нулевого потока.
На фиг. 1 на изображении в частичном разрезе изображен пример осуществления трансформатора 1 тока нулевого потока. Трансформатор 1 тока нулевого потока стоит на поверхности 3, которая обладает потенциалом 5 земли. Говоря о поверхности 3, речь может идти, например, о поверхности земного шара, бетонном фундаменте или стальном каркасе. Трансформатор 1 тока нулевого потока имеет корпус 8 (внешний корпус 8, корпус 8 инкапсуляции), который поддерживается вертикально расположенным опорным изолятором 12. Опорный изолятор 12 выполнен в виде полого изолятора 12. Опорный изолятор 12 имеет множество юбок 15 и состоит в примере осуществления из композитного материала (композиционного материала, по меньшей мере, из двух соединенных материалов). Опорный изолятор имеет, например, армированную стекловолокном пластиковую трубу и силиконовые ребра. Корпус 8 состоит в примере осуществления из металла.
Корпус 8 обозначается также как головная часть трансформатора тока. Внутри корпуса 8 расположен корпус 20 сердечника (внутренний корпус 20), который соединен с металлической трубой 24. Дополнительно корпус 20 сердечника закреплен при помощи изолирующей распорки 28 в корпусе 8, точнее говоря на крышке 32 корпуса 8. В корпусе 20 сердечника (и тем самым также в корпусе 8) расположена компенсационная обмотка 310 и индикаторная обмотка 316 (см. фиг. 3). Дополнительно в корпусе 20 сердечника расположены еще дальнейшие обмотки 320, 330. Корпус 20 сердечника состоит в примере осуществления из алюминия.
Корпус 20 сердечника (и расположенные в корпусе 20 сердечника обмотки 310, 316, 320 и 330) окружают проводник 36 (первичный проводник). Через проводник 36 течет измеряемый ток (измерительный ток, первичный ток). Проводник 36 находится на потенциале 38 высокого напряжения. Говоря об измеряемом токе, речь в примере осуществления идет о постоянном токе высокого напряжения, на который наложены переменные токи. Подобные переменные токи могут быть, например, высшими гармониками, которые возникают при преобразовании переменного тока высокого напряжения в постоянный ток высокого напряжения (наложенные токи).
Присоединительные линии расположенных в корпусе 20 сердечника обмоток (то есть в частности присоединительные линии обмоток 310, 316, 320 и 330, см. фиг. 3) проходят сквозь металлическую трубу 24 до клеммной коробки 40, которая расположена рядом с поверхностью 3 и находится на потенциале земли. В этой клеммной коробке 40 протекающие через отдельные обмотки токи могут выводиться из трансформатора тока нулевого потока и подводиться к соответствующим измерительным схемам.
Смежный корпусу 8 участок трубы 24 окружен устройством 45 регулирования потенциала. При помощи этого устройства 45 регулирования потенциала обеспечивается то, что разности потенциалов между корпусом 8, опорным изолятором 12 и находящейся на потенциале 5 земли трубой 24 контролируемо уменьшаются. Металлическая труба 24 и устройство 45 регулирования потенциала, по меньшей мере, частично окружены опорным изолятором 12.
6
Корпус 20 сердечника при помощи металлической трубы 24 электрически соединен с поверхностью 3 (и тем самым с потенциалом 5 земли), то есть корпус 20 сердечника расположен на потенциале 5 земли. Корпус 8 находится на потенциале 38 высокого напряжения. Для того чтобы электрически изолировать корпус 20 сердечника от корпуса 8, корпус 8 заполнен SF-газом (газовое наполнение 48). Корпус 8 может быть опционально оснащен разрывной мембраной, через которую газовое наполнение 48 может выходить при избыточном давлении, не разрушая при этом корпус 8 как таковой.
6
Между корпусом 8 и проводником 36 расположены в месте 52 газонепроницаемые уплотнительные элементы, которые на фиг. 1 для лучшей наглядности не изображены. Эти уплотнительные элементы 52 обеспечивают то, что SF-газ газового наполнения 48 не может улетучиваться из корпуса 8. Проводник 36 на месте входа в корпус 8 электрически изолирован относительно корпуса 8.
Корпус 20 сердечника (который состоит из металла, в частности из алюминия) экранирует предпочтительным образом внешние магнитные поля обмоток. Посредством расположенных в корпусе 20 сердечника изоляционных прорезей предотвращаются круговые вихревые токи, которые искажали бы измерительный сигнал. При помощи корпуса 8 достигается дополнительное экранирование от внешних магнитных полей. Вследствие этого трансформатор тока нулевого потока может также размещаться рядом с источниками магнитного поля, например рядом с дросселями или трансформаторами, без того чтобы измерение тока существенно искажалось.
На фиг. 2 показано изображение в разрезе корпуса 8. При этом можно хорошо увидеть, что труба 24 входит в корпус 20 сердечника, так что расположенные в корпусе 20 сердечника обмотки могут через проложенные в трубе 24 измерительные линии соединяться с клеммной коробкой 40. Далее можно хорошо увидеть, что проводник 36 окружен тороидальным корпусом 20 сердечника.
На фиг. 3 на схематичном изображении в разрезе показан корпус 20 сердечника, причем видна компенсационная обмотка 310, первая индикаторная обмотка 316, вторая индикаторная обмотка 320, а также третья индикаторная обмотка 330. Компенсационная обмотка 310, первая индикаторная обмотка 316 и вторая индикаторная обмотка 320 являются обмотками с железным сердечником, то есть они намотаны на железный сердечник. Так, например первая индикаторная обмотка 316 намотана на железный сердечник 335. На изображении с фиг. 3 железный сердечник символично изображен в каждом случае в виде малого квадрата, а намотанная на железный сердечник обмотка в виде большего квадрата. Обмотки 310, 316 и 320, а также их железные сердечники имеют в каждом случае квадратное поперечное сечение. Третья индикаторная обмотка 330 является индикаторной обмоткой без железного сердечника (поясом 330 Роговского, катушкой 330 с воздушным сердечником). Она имеет в примере осуществления на фиг. 3 круглое поперечное сечение и изображена посредством круга. Корпус 20 сердечника является по существу вращательно-симметричным относительно оси 350 вращения.
На фиг. 4 изображен корпус 20 сердечника и окруженный корпусом 20 сердечника проводник 36. Далее схематично показано, что первая индикаторная обмотка 316 электрически соединена при помощи первой измерительной линии 410 (через неизображенную клеммную коробку 40) с первой измерительной схемой 420. Кроме того, третья индикаторная обмотка 330 электрически соединена при помощи второй измерительной линии 430 (через неизображенную клеммную коробку 40) со второй измерительной схемой 440.
Первая измерительная схема 420 приспособлена для того, чтобы измерять постоянный ток, а также переменные токи с частотами примерно между 0 и 30 кГц. Подобными переменными токами могут быть, например переменные токи, наложенные на постоянный ток. Вторая измерительная схема 440 приспособлена для того, чтобы измерять переменные токи с частотами между 10 кГц и 1 МГц. Вторая измерительная схема 440 приспособлена в частности для того, чтобы измерять переменные токи с частотами между 30 кГц и 1 МГц. При помощи первой (намотанной на железный сердечник) индикаторной обмотки 316 и первой измерительной схемы 420 измеряются таким образом постоянный ток и переменные токи с частотами примерно до 30 кГц. При помощи третьей индикаторной обмотки 330 (без железного сердечника) и второй измерительной схемы 440 измеряются исключительно переменные токи с частотами между 10 кГц и 1 МГц, в частности с частотами между 30 кГц и 1 МГц.
При помощи индикаторной обмотки 330 без железного сердечника могут в итоге предпочтительным образом измеряться также более высокие частотные составляющие в измеряемом токе. При помощи этой индикаторной обмотки без железного сердечника можно измерять токи примерно до 1 МГц. Это является преимуществом в частности при случаях RFI (влияние внешних радиопомех, наложение электромагнитных волн) и EMV (электромагнитная совместимость) в высоковольтных установках с необходимыми низкими электромагнитными уровнями помех. Дальнейшие предпочтительные возможности применения состоят в измерении гармонических и динамических рабочих характеристик высоковольтных установок.
Благодаря дополнительной установке индикаторной обмотки 330 без железного сердечника преодолевается следующий недостаток намотанной на железный сердечник индикаторной обмотки 316: Ввиду высоких требований к электрической изоляции корпус 20 сердечника с обмотками имеет относительно большой диаметр. Следовательно, также железный сердечник 335 намотанной на железный сердечник индикаторной обмотки 316 имеет большой диаметр. Следовательно, возникают у намотанной на железный сердечник индикаторной обмотки 316 значительные реактивные сопротивления и паразитные емкости. Они ограничивают частотный ход трансформатора тока нулевого потока в случаях высоковольтного применения.
При помощи описанного трансформатора тока нулевого потока могут измеряться токи, например до 5000 A при напряжении, например до 600 кВ.
6
6
Описанный, заполненный SF-газом, вертикальный трансформатор тока нулевого потока требует (по сравнению с расположенным горизонтально трансформатором тока нулевого потока) существенно меньшую базовую поверхность. Вследствие этого он может предпочтительно располагаться в частности внутри зданий и в комплексных распределительных шкафах. Благодаря изоляции SF-газом предпочтительно достигается, что в случае внутреннего повреждения изоляции газ лишь улетучивается ввиду возникающего избыточного давления в окружающую среду - например, через действующую в качестве клапана высокого давления разрывную мембрану. Однако при этом - в отличие от масляной изоляции - дополнительная пожарная нагрузка не вводится во внутренние помещения.
Были описаны система и способ, при помощи которых могут просто и экономично измеряться в частности находящиеся на потенциале высокого напряжения токи.