Kombinierte Messwandler (CIT) Lösung: Ingenieurdesign und Integrationsperspektive

1. Kernkonzept der Lösung: Modulare Plattform mit geteilter Isolierung

Design: Entwicklung einer einheitlichen, modularen Plattform, die sowohl Strom- als auch Spannungsmessfunktionen in einer einzigen, optimierten Struktur unterbringt.
Isolierung: Verwendung einer gemeinsamen Isolierhülle. Zwei Optionen sind entwickelt worden:

SF6-Gas: Bewährte hohe Dielektrizitätsstärke und ausgezeichnete Bögenlöschungseigenschaften für höhere Spannungsklassen (z.B. 72,5 kV und darüber). Das Design beinhaltet eine Gasdichtemessung und bewährte Abdichtungstechnologien.
Kompositgehäuse (feste Isolierung): Umweltfreundliche Lösung mit hochwertigen Polymermaterialien und Silikonrippen. Ideal für niedrigere bis mittlere Spannungen oder wenn das Vermeiden von SF6 vorgeschrieben ist. Optimiert für Kriechentfernung und Verschmutzungswiderstand.

Modularität: Entwurf interner Komponenten und Schnittstellen, um Folgendes zu ermöglichen:

Skalierbarkeit über verschiedene Spannungsklassen (z.B. durch Anpassung der Isolatorlänge).
Anpassung an spezifische Bushing-Schnittstellenanforderungen.
Möglichkeit zukünftiger Sensor-Technologie-Upgrade.

2. Implementierung integrierter Sensortechnologie

Sensor: Hochgenaue, temperaturkompensierte Rogowski-Spulen. Ausgewählt wegen:

Weiter Dynamikbereich: Hervorragende Linearität von kleinen Bruchteilen des Nennstroms bis zu hohen Fehlerströmen (z.B. >40 kA).
Keine Sättigung: Grundsätzlicher Vorteil gegenüber Eisenkern-CTs, da das Sättigungsrisiko bei Fehlern eliminiert wird.
Leichtgewichtig: Reduziert erheblich den mechanischen Belastung auf die gesamte Struktur.

Integration: Spulen strategisch innerhalb der Isolatorhülle platziert, konzentrisch zum Primärleiter. Festes mechanisches Montage, widerstandsfähig gegen Vibrationen.

Sensor: Hochstabile kapazitive Spannungsteiler (CVDs) als Standard. Widerständige Teiler (RVDs) werden für spezifische Gleichspannungs- oder breitbandige Anwendungen mit schneller Transientantwort in Betracht gezogen.
Integration: CVD-Sensorelektroden (niederimpedanz) direkt in die Isolatorstruktur integriert. Präzisionsgradierelektroden gewährleisten eine gleichmäßige Feldverteilung und thermische/Verschmutzungsstabilität. Kritische Abschirmung verhindert externe Feldstörungen.

3. Fortgeschrittene elektromagnetische Feldmodellierung und Isolation (kritische Ingenieurherausforderung)

Modellierung: Pflichtmäßige, hochauflösende 3D-Finite-Elemente-Methode (FEM)-Modellierung der gesamten Plattform:

Genau charakterisiert die internen elektromagnetischen Felder unter allen Betriebsbedingungen (sinusförmig, transient, verzerrte Wellenformen).
Bewertet Nachbarschaftseffekte von Leitern, Gehäuse und benachbarten Phasen.

Physische Trennung: Optimale geometrische Anordnung der Sensorelemente (Spulen, CVD-Elektroden) basierend auf Modellierungsergebnissen. Maximiert den Abstand innerhalb der Einschränkungen.
Aktive Abschirmung: Implementierung von geerdeten elektrostatischen Abschirmungen, die strategisch zwischen den Sensorelementen basierend auf Feldsimulationsdaten platziert werden.
Schutzringe: Nutzung leitfähiger Schutzringe um die Rogowski-Spulen-Ausgänge, um Verschiebungsströme abzuleiten.

Dedizierte Signalwege: Routing der Signale von einzelnen Sensoren über abgeschirmte, verdrillte Kabel innerhalb des Gehäuses unmittelbar nach der Erfassung.
Kompensierte Schaltungsentwicklung: Elektronische Bedingungsschaltkreise mit Störungsausgleichstechniken, die durch FEM-Modelle informiert sind.
Validierung: Sorgfältige Fabriktests (einschließlich harmonischer Injektionstests) zur Charakterisierung und Überprüfung der Isolationsabstände und Störungsniveaus (< 0,1% vorgesehen).

4. Integrierte digitale Verarbeitung und standardisierte Schnittstellen

Zugewiesene, niedrigenergie-ASICs oder hochzuverlässige Mikrocontroller direkt in die Sensorplattform oder einen angrenzenden versiegelten Modul integriert.
Funktionen umfassen: Rogowski-Spulen-Integrator, Skalierung, ADC-Konversion, Harmonische Berechnung (falls anwendbar), Linearisierung, Temperaturkompensation und Zeitstempel.

Eingebettete Schnittstellen: Integration IEC 61869-konformer digitale Ausgabeschaltkreise direkt in die CIT-Einheit.
Protokolle: Standardisierte Unterstützung für:

IEC 61850-9-2: Abgetastete Werte (SV) über Ethernet (typischerweise Multicast).
IEC 61850-9-3LE: Lightning Edition SV-Profil für garantierte niedriglatente Deterministik.

Zusätzliche Optionen: Bereitstellung für Legacy-Ausgänge (analog, IEC 60044-8 FT3) bei Bedarf über optionale Module.

Datenqualität: Integrierte Merging-Unit (MU)-Funktionalität, die den relevanten IEC 61869-Genauigkeits- (TPE/TPM-Klasse) und Zeitsteuerungs- (PLL-Synchronisation) Standards entspricht.

5. Ingenieurdesign und Integrationsüberlegungen

Thermisches Management: Modelle beinhalten eine thermische Leistungsanalyse. Leistungsabgabe der Elektronik aktiv verwaltet durch niedrigenergie-Komponenten, potenzielle lokale Kühlkörper und optimierte Konvektionswege innerhalb des Isolators.
EMC/EMI-Robustheit: Konforme Beschichtung, abgeschirmte Gehäuse, Ferrite und optimierte Erdstrategien für interne Elektronik angewendet. Überspannungsschutz gemäß relevanten Normen (IEC 61000-4-5).
Mechanische Integrität: Strukturanalyse für seismische Lasten, Windbelastung, Eiskrustenbelastung und dynamische Kräfte während Fehlern durchgeführt. Optimale Nutzung von Materialien (Komposit/Porzellan/SF6) trägt zu einem geringeren seismischen Gewicht bei.
Fabrikkalibrierung und -test: Komplette Kalibrierung gegen Referenznormen (optische/VTBI-Methoden). Beinhaltet die Überprüfung der Wirksamkeit der EM-Isolation, der Zeitgenauigkeit, der Protokollkonformität und des vollständigen Dichtetestings.
Lebenszyklus und Servicefähigkeit: Für minimale Wartung entworfen (insbesondere SF6 oder feste Isolierung). Modular aufgebaute Elektronik potenziell zugänglich/testbar ohne größere Demontage. End-of-life-Verwertungswege berücksichtigt (SF6-Wiedergewinnung/Recycling).

Vorteile dieser Design- und Integrationsansätze:

Reduzierung des Platzbedarfs: Bis zu 40-50% Raumersparnis im Vergleich zu separaten CTs/VTs – entscheidend für Modernisierungen und kompakte GIS/AIS-Designs.
Erhöhte Genauigkeit und Sicherheit: Eliminiert traditionelle CT-Sättigungsrisiken, verbessert die Transientantwort (Rogowski/CVD), reduziert externe Verbindungen/Risiken.
Einfache Installation: Einzelne Einheitsmontage und Inbetriebnahme reduzieren erheblich die Feldarbeit und die Kabelkomplexität.
Niedrigere Lebenszykluskosten: Reduzierte Installation, Kabellegung, Bauarbeiten, Wartungsaufwand.
Bereitschaft für digitale Umspannwerke: Direkte IEC 61850-9-2/3LE-Ausgabe ermöglicht nahtlose Integration in moderne Schutz-, Steuer- und Überwachungssysteme (SAS).
Zukunftssichere Plattform: Modulares Design ermöglicht die Anpassung an sich entwickelnde Sensortechnologien und Kommunikationsstandards.
Reduzierter Umweltausstoß (Option feste Isolierung): Eliminiert die Verwendung von SF6 und damit verbundene Risiken.