Stand der Technik
[0001] Ob ein in einem Transformator auftretender Fehlerstrom detektiert werden kann und
welche Verfahren und Vorrichtungen dazu eingesetzt werden können, hängt hauptsächlich
davon ab, ob, auf den jeweiligen Bautyp bezogen, der Fehlerstrom eine detektierbare
Wirkung hat und ob eine vorübergehende oder bleibende Wirkung als Störung in Erscheinung
treten kann.
[0002] Bei der Messung der Öl-Temperatur, ob als Hotspot- oder mittlere Temperatur, kann
bei Bezug auf die zu erwartende Temperatur ein gestörter Betrieb angezeigt werden
und, bei Verwendung einer Maximalanzeige (Schleppzeiger), ein in der Vergangenheit
aufgetretener ungewöhnlicher Betriebszustand festgehalten werden. Gleiches gilt für
die Druckmessung, die natürlich nur im Hermetik-Transformator verwendet werden kann.
Da die Aussagekraft der Temperaturmessung davon abhängt, wie weit die gemessenen Werte
von den anzunehmenden Werten entfernt sind, und diese nur unter Berücksichtigung der
von äußeren Umständen abhängigen Geschwindigkeit der Wärmeübertragung angegeben werden
können, ist die Messung absoluter Werte für die frühzeitige Erkennung eines Fehlerstroms
nur bedingt tauglich.
[0003] Die Aussagekraft dieser Messungen hängt, von der Anzeige von Überlasten abgesehen,
weitgehend davon ab, ob die jeweiligen Parameter Druck und Temperatur auf andere Parameter
bezogen werden können, wobei die Messung des jeweils fließenden Stromes die wichtigste
Rolle spielt. Beispiele für die Überwachung der Parameter Temperatur und Druck unter
Bezugnahme auf den jeweils fließenden Strom sind in mehreren Patentdokumenten zu finden,
insbesondere US Patent 4,654,806 (Poyser
et al.).
[0004] Wird nur die Stromstärke überwacht, wie dies, unter Berücksichtigung der Erwärmungsequivalenz
(I
2•t), bei strombegrenzenden Sicherungen der Fall ist, können stromschwache Fehlerströme
nicht detektiert werden. (Tritt der Fehler auf der Unterspannungsseite auf, ist er
durch primärseitige strombegrenzende Sicherungen auch bei großen Fehlerströmen nur
schwer oder erst spät detektierbar.) Die gleiche Einschränkung betrifft auch Überwachungsvorrichtungen,
die auf vorübergehende Phänomene ansprechen sollen, wie beispielsweise das Buchholzrelais
in seiner Funktion als Spaltgasdetektor: Gelangt kein Spaltgas in detektierbarer Menge
auf seinem Weg zum Ausdehnungsgefäß in die Gasauffangkammer, oder geht das Gas sofort
in Lösung, ist eine Detektion entweder nicht möglich, oder das - bei diesen Vorgang
ermöglichenden Bedingungen - aus der Lösung austretende Gas bewirkt eine verspätete
Fehlauslösung.
[0005] Eine weitere Einschränkung stellt die Verzögerung des Ansprechens dar, die darin
begründet ist, daß mittels Gasauffangbehälter Spaltgasblasenbildung nur zeitverzögert
detektiert werden kann, was zur Einbeziehung der Druckwellenempfindlichkeit zur Fehlererkennung
geführt hat. (Buchholz-Relais in seiner Funktion als Druckwellendetektor.) Es hat
sich jedoch gezeigt, daß bei plötzlich auftretenden energiestarken Lichtbögen das
Buchholz-Relais in seiner Funktion als Druckwellen-Detektor (Strömungsmelder) eher
eine schadenmindernde als schadenverhindernde Rolle hat: Abschaltung des Transformators
verhütet zwar in der Regel den Berstfall, vermeidet jedoch nicht immer den Schaden
am Transformator selbst.
[0006] Den aufgeführten Vorrichtungen zur Fehleranzeige ist gemein, daß sie entweder Fehlerströme
in einer späten Phase ihrer Eskalation oder aber ungewöhnliche Betriebszustände, insbesondere
Überlast, anzeigen sollen oder können.
[0007] Angesichts der angeführten Einschränkungen und angesichts der Tatsache, daß - abgesehen
von Blitzeinschlägen und ähnlichen vom Netz her auf den Transformator einwirkenden
Stoßspannungen, die in Fehlerströmen resultieren - stromstarken Fehlerströmen fast
immer stromschwache Fehlerströme vorausgehen, kommt der Detektion stromschwacher Fehlerströme
eine große schadenverhütende Bedeutung zu. Da stromschwache Fehlerströme immer molekulare
Veränderungen und gewöhnlich die Entstehung von Spaltgasen in der Isolierflüssigkeit
bewirken, diese wiederum, abhängig vom jeweiligen Bautyp, ein kurzzeitig detektierbares
Anwachsen des Volumens aus Flüssigkeit und darin vorhandenen und vorübergehend ungelösten
Gasen oder des Drucks, bezogen auf die jeweilige Temperatur, zur Folge haben, ist
es Ziel der im folgenden beschriebenen Erfindung, diesen Umstand diagnostisch zu nutzen.
Bleibt die Betriebstemperatur gleich, oder ist sie nur sehr geringen Schwankungen
unterworfen, wie dies bei einem Hermetik-Transformator möglich wäre, dessen Verlustwärmeabführung
von der Stromaufnahme gesteuert würde, könnte die Druckmessung auf den Normal-Betriebsdruck,
d.h. auf die ihn bedingende konstante Temperatur bezogen werden. Bei diesem theoretischen
Sonderfall wäre deshalb die Überwachung des Drucks besonders einfach durchzuführen,
da jeder Druckanstieg einen Fehler, jeder Druckabfall eine Undichtigkeit anzeigen
würde.
Bautypenspezifische optimale Nutzung gesetzmäßiger Zusammenhänge als allgemeines Ziel
der Erfindung: temperaturbezogene Volumenüberwachung bei atmenden und Gaspolster-Transformatoren;
temperaturbezogene Drucküberwachung bei Hermetiktransformatoren.
[0008] Die diagnostische Nutzung des Zusammenhangs zwischen Flüssigkeitstemperatur, -volumen
und -druck in der vorliegenden Erfindung geschieht bei verschiedenen Transformatorentypen
auf verschiedene Weise. Bei der konstruktiven Umsetzung des Prinzips wird beim atmenden
Transformator mit Ausdehnungsgefäß mechanisch verfahren, beim integral-befüllten Hermetiktransformator
vorzugsweise meßtechnisch. Beim atmenden Transformator wird, wie in Fig. 1 dargestellt,
das jeweilige Flüssigkeitsvolumen auf die dieses Volumen im ungestörten Betrieb allein
bedingende Temperatur bezogen. Die Methode kann auch für den Gaspolster-Transformator
angewendet werden. Bei letzterem Typ kann jedoch, mit Einschränkungen, auch die Methode
der temperaturbezogenen Drucküberwachung angewendet werden.
[0009] Da im Hermetiktransformator jede Volumenzunahme einen Druckanstieg verursacht, kann
bei diesem Transformatorentyp der jeweilige Druck in der Flüssigkeit auf die jeweilige
Temperatur bezogen werden, wie unten ausführlich ausgeführt. Die Methode eignet sich
besonders für den integral befüllten Transformator, da bei gleicher Elastizität des
Kessels und Ausschluß verfälschender Faktoren in diesem Fall der Druckanstieg größer
ist als bei dem mit Gaspolster versehenen. Blieben Temperatur und Volumen gleich,
wäre damit Druckkonstanz gegeben, und der gemessene Druckwert brauchte nur mit dem
Wert der letzten Messung verglichen zu werden, wobei kein meßtechnischer Temperatur-
oder Volumenbezug nötig wäre.
Kritik des Standes der Technik
[0010] Im Zusammenhang der im folgenden beschriebenen Erfindung interessieren, auf dem Bereich
Hermetiktransformatoren, neben strombegrenzenden Sicherungen hauptsächlich die derzeitig
verwendeten Überwachungseinrichtungen, insbesondere DGPT (
détecteur gaz/pression/température zur Überwachung von -
wahlweise - Gasentwicklung, Druck
oder Temperatur mit einem einzigen Gerät) und funktionsähnliche Einrichtungen zum Schutz
von Transformatoren verschiedener Bauweise.
[0011] Beim Buchholzschutz und dem kombinierten Gerät zur Überwachung entweder sich bildender
Gase oder von Druck oder Temperatur (DGPT) wird jeweils nur ein Ereignis bzw. Parameter
herangezogen. So ist es zum Beispiel nicht möglich, mit dem DGPT durch Druckmessung
festzustellen, ob der jeweilige Druck dem bei der Bezugstemperatur zu erwartenden
Druck entspricht (Temperaturanstieg bewirkt Volumen- und dadurch Druckanstieg: in
einem elastischen System entspricht also ein bestimmter Druck einer bestimmten mittleren
Flüssigkeitstemperatur). Folglich kann diese Beziehung diagnostisch oder schadenverhütend
ausgenutzt werden. In der Begründung zum US Patent 3,855,503 (Ristuccia), wie auch
in anderen Patentschriften, wird darauf eingegangen, daß in Hermetiktransformatoren
bei Vorliegen eines inneren Fehlers die Druckkurve steiler ansteigt als die Temperaturkurve;
diese Tatsache wird jedoch nur in der Weise zur Fehlerdetektion genutzt, daß die Kurvensteilheit
selbst, nicht aber das Abweichen einer temperaturbezogenen Istdruckkurve von der temperaturbezogenen
Solldruckkurve den inneren Fehler anzeigt, wie es in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen
wird. Die widersprüchlichen Aussagen darüber, ob der Druckanstieg dem Temperaturanstieg
vorauseile oder umgekehrt, sind wohl darauf zurückzuführen, daß die Temperatur an
verschiedenen Orten gemessen wurde und nicht der mittleren Temperatur entsprach. Es
wird im folgenden auf die relevanten Stellen der angeführten Patentschriften hingewiesen.
[0012] Die vorliegende Erfindung ermöglicht das Erkennen eines stromschwachen Fehlers und
seine Entwicklung. Das Erkennen stromstarker Fehler bzw. das Geben eines Warnsignals
oder die erfolgende Abschaltung wird nach dem Stand der Technik von verschiedenen
Vorrichtungen bewirkt, wobei verschiedenartige Prinzipien zur Anwendung kommen. Die
vorliegende Erfindung ist eine Ergänzung zu diesen Vorrichtungen. Sie ist vorrangig
auf das Erkennen stromschwacher, nicht stromstarker, Fehler ausgerichtet. Da Übereinstimmung
darüber herrscht, daß nur sehr selten ein stromstarker Fehler auftritt, ohne daß ihm
ein stromschwacher Fehler vorausgegangen wäre - wobei angenommen wird, der Fehler
habe seinen Ursprung in einem transformatorseitigen Mangel - soll mit der Erfindung
der stromschwache Fehler erkannt, der stromstarke Fehler vermieden werden.
[0013] US Patent 4,223,364 (Sangster) bezieht sich auf mit Gaskissen beaufschlagte Transformatoren
und führt in der Begründung an, daß der Bezug zwischen Temperatur und Druck in solchen
Transformatoren nicht genau dem Boyleschen Gesetz folgt. Unerwähnt bleibt, daß Sonneneinstrahlung
das Gas unter dem Transformatorendeckel stark erwärmen und einen erheblichen Innendruck
und damit eine Verfälschung der zu erwartenden Beziehungen verursachen kann. Die Wechselwirkung
der verschiedenen Faktoren ist in ihrer verfälschenden Wirkung ungenügend berücksichtigt.
Nicht nur wird das Gaspolster durch die Ausdehnung der sich erwärmenden Flüssigkeit
in seinem Volumen bestimmt; der Druck wird durch die Eigenerwärmung des Gases in Kontakt
mit der Flüssigkeit beeinflußt, sowie durch äußere Einflüsse wie z.B. Sonneneinstrahlung.
Auch die Löslichkeit der im Gaspolster enthaltenen Gase ist ein Einflußfaktor.
[0014] Wie in US Patent 4,223,364 (Sangster) ausgeführt, bestehen bei der Messung von Temperatur
und Druck in Gaskissen-Transformatoren einige Gesetzmäßigkeiten hinsichtlich der Verzögerung
des Anstiegs der Druckwerte, die zur Begründung der Notwendigkeit der parallelen und
komplementären Messung von Druck und Temperatur herangezogen werden. Diese sind jedoch
auch in dem angeführten Patent nicht in all ihren Wechselwirkungen dargestellt. Insbesondere
werden die Beziehungen zwischen Temperatur, Volumen und Druck nicht diagnostisch genutzt.
[0015] Wie im US Patent 4,223,364 (Sangster) ausgeführt wird (Spalte 1, Zeile 63ff), wird
auf den Typ Luftkissentransformator Bezug genommen (z.B. Fig. 3 des angeführten Dokuments)
und dient die Temperaturmessung nicht dem Zweck, Temperatur und Druck zu diagnostischen
Zwecken aufeinander zu beziehen. Folglich wird auch nicht die Durchschnittstemperatur
der Flüssigkeit gemessen. Insbesondere wird ausgeführt, daß die im heißeren Teil der
Flüssigkeit im oberen Teil des Transformators gemessene Temperaturerhöhung der Druckerhöhung
vorauseilen soll (Spalte 2, Zeile 59ff). In diesem wie in den im folgenden aufgeführten
Patenten sind Druck und Temperatur meßtechnisch nicht bzw. in ungeeigneter Weise (US
Patent 4,223,364, Sangster) aufeinander bezogene Parameter.
[0016] Im U.S. Patent 4,223,364 (Sangster) wird sogar in Fig. 1 eine Apparatur beschrieben,
bei der, bei der Annahme der Gegenläufigkeit von Druck und Temperatur, die auf einen
um die Achse (22) beweglichen zweiarmigen Hebel einwirken, bei niedrigerer Temperatur
ein größerer Druck nötig wäre, um einen Schaltmechanismus zu betätigen, als dies der
Fall wäre, wenn zu diesem Zeitpunkt eine höhere Temperatur vorläge. (Erläuterungen
Spalte 5, Zeilen 11ff. der zitierten Patentschrift) Bei nicht drehbarer Anordnung
des dort beschriebenen Gestänges sind die Funktionen Druck und Temperatur "
completely decoupled" (Spalte 5, Zeile 8/9) d.h. unabhängig voneinander wirkend, was unzutreffend als
"
cumulative" bezeichnet wird. Auch die Aussage "
completely decoupled" entspricht nicht dem Sachverhalt der Bedingtheit des einen Parameters durch den
anderen.
[0017] Das von Sangster erwähnte (Spalte 5, Zeile 12) "
pivotal coupling" der Druck- und Temperaturüberwachung ist unrichtig gewertet. Wenn nämlich in Fig.
1
7 einen zweiarmigen Hebel mit Drehpunkt
22 darstellt, führt dies dazu, daß gleichzeitig auftretende gleichmäßige Erhöhung von
Druck und Temperatur die gleiche Bewegung des Auslösestifts (nach rechts) bewirkt
wie bei einer Anordnung ohne Drehpunkt. Ein Anwachsen der Temperatur ohne Anwachsen
des Drucks widerspricht den Gegebenheiten im (Hermetik-)Transformatorenkessel, ist
also irrelevant. Wächst aber, in der Ausführung mit
22 als Drehpunkt, der Druck allein, so ist zur Bewegung des Auslösestifts bei niedriger
Temperatur ein höherer Druck erforderlich als bei hoher Temperatur. Dieser Effekt
dürfte wohl nicht im Sinn des Erfinders (Sangster) sein; die von ihm gegebene Erklärung
läßt aber keinen anderen Schluß zu als den, daß er sich nicht darüber im klaren war,
daß die Umfunktionierung des Befestigungspunktes
22 in einen Drehpunkt für
7 keinen sicherheitstechnischen Gewinn bedeutet: Das die Fehleranzeige bzw. Abschaltung
bewirkende Element könnte im schlimmsten Fall daran gehindert werden.
[0018] Unter Bezugnahme auf ein früheres Patent (US Patent No. 2,273,540, Smith) wird von
Sangster auf Einschränkungen zu besagter Gesetzmäßigkeit bei Transformatoren, insbesondere
das Nichtvorliegen eines konstanten (Gas-)Volumens hingewiesen (Spalte 1, Zeile 62ff),
es wird jedoch nicht erwähnt, daß die durch Sonnen-Einstrahlung bewirkte Erwärmung
des Luftkissens eine erhebliche Verschiebung der Verhältnisse bewirkt.
[0019] Nicht zuletzt aus diesem Grund ist die Drucküberwachung in Transformatoren mit Gaspolster
problematisch, sie wäre es selbst bei Bezug des Drucks auf die Flüssigkeitstemperatur.
Ihr Funktionieren hängt weitgehend vom Standort ab.
[0020] Sowohl im US Patent 2,273,540 (Smith) als auch im US Patent 4,223,364 (Sangster)
erfolgt die Betätigung des Schalters mechanisch, wobei Temperaturanstieg oder Druckanstieg
- unabhängig voneinander oder in ungeeigneter Beziehung zueinander - die Betätigung
von Gestängen, Hebeln, Stößeln oder ähnlichen mechanischen Teilen bewirkt. Obwohl
weder von Smith noch von Sangster ein echt "kumulativer" Effekt von Temperatur- und
Druckanstieg nachgewiesen wird, wird offenbar ein solcher Effekt von beiden erstrebt.
(Smith, S.4, Spalte 1, Zeilen 15ff; Sangster, Spalte 5, Zeilen 11ff)
[0021] In der hier vorliegenden Erfindung wird eine derartige Wirkung weder erstrebt, noch
erzielt, noch wird sie für sinnvoll gehalten. Ein hoher Druck in einem Transformator
läßt umso eher auf einen Fehler schließen, je niedriger die Flüssigkeitstemperatur
ist. Dieser Umstand ist offenbar weder von Smith noch von Sangster erkannt worden.
Mit der Notwendigkeit, von Temperaturschwankungen der Umgebung verursachte Veränderungen,
jedoch nicht eines zu überwachenden Mediums, sondern einer Druckdose, d.h. des Meßinstruments
selbst zu kompensieren, beschäftigt sich eine in Dokument DE-A-41 01 718 (VDO SCHINDLING)
beschriebene Erfindung, wo die temperaturbedingte Veränderung des Elastizitätsmoduls
des thermoplastischen Werkstoffs einer Faltenbalg-Druckdose dadurch kompensiert wird,
daß die bei erhöhter Umgebungstemperatur und erweichtem Kunststoff-Faltenbalg sonst
zu früh erfolgende Berührung zweier Kontaktelemente durch ein eine Ablenkung verursachendes
kompensatorisches Hilfsmittel, vorzugsweise einen Bimetallstreifen, verzögert wird.
Im US Patent 3,855,503 (Ristuccia), in dem eine zeitliche Verzögerung des Anstiegs
der Temperaturkurve gegenüber der Druckkurve erwähnt wird, wird dieser Umstand nicht
zur Fehlerdiagnose herangezogen. Die gemessenen Signale werden lediglich mit den jeweils
zulässigen Bezugswerten verglichen, ohne daß die Druckwerte temperaturbezogen wären.
Die Erklärung der von Ristuccia festgestellten Anomalie liegt in der mangelnden Repräsentativität
des Meßpunktes: Ein Bezug von Hotspot-Temperaturmeßwerten auf den Solldruck wäre deshalb
diagnostisch wenig sinnvoll.
Wie in der Erklärung zu Fig. 4, 5 und 6 des Patentes 3,855,503 weiter ausgeführt wird,
geschieht die Messung von Druck und Temperatur unabhängig voneinander: Der jeweilige
Druck wird nicht auf die jeweilige Temperatur bezogen.
Im US Patent 4,654,806 (Poyser
et al.), das ein
"microprocessor-based transformer monitoring system" beschreibt, werden einzelne Input-Parameter überwacht, d.h. mit "historischen" Werten
verglichen. Auch hier wird nicht der jeweilige temperaturbezogene Istdruckwert mit
einem temperaturbezogenen Solldruckwert verglichen. Die im vorhergehenden angeführten
Patentschriften beziehen sich auf große Transformatoren mit Gaspolster.
Die im folgenden beschriebene Erfindung bezieht sich in ihrer nicht-mechanischen Variante
hauptsächlich auf integral gefüllte Transformatoren. Die nicht-mechanische Variante
(Ansprüche 4-7) kann in anderen Hermetiktransformatoren nur dann angewendet werden,
wenn Fehlanzeigen bewirkende Einflüsse, wie z.B. starke Sonneneinstrahlung ausgeschlossen
werden können.
Beschreibung der Erfindungs- und Konstruktionsziele
[0022] Die hier beschriebene Erfindung beruht
1. auf der bekannten Tatsache, daß einer bestimmten mittleren Flüssigkeitstemperatur
ein bestimmtes Volumen und damit, bei Hermetik-Bauweise, ein bestimmter Druck entspricht,
der bei integralbefüllten Typen keiner meßtechnischen Korrektur zur Kompensation vorübergehend
wirksamer Verfälschungsfaktoren bedarf, und
2. auf dem Umstand, daß schwache Fehlerströme, auf die die strombegrenzenden Sicherungen
nicht ansprechen können, zu Spaltgasbildung führen, was wiederum eine Volumen- bzw.
Druckerhöhung bewirkt, ohne daß diese Volumen- oder Druckerhöhung von einer meßtechnisch
relevanten Temperaturerhöhung begleitet sein müßte, zumal die Temperaturerhöhung punktuell
auftritt und die Vergleichmäßigung der Temperatur nur zeitlich verschoben meßbar wäre,
sowie
3. auf der Möglichkeit der Erstellung von selbstabgleichenden (kompensierten) Solldruck-Bezugskurven
als Funktion der gemessenen Öltemperatur und den sich zum beliebigen Meßzeitpunkt
ergebenden Unterschieden zur Istdruckkurve, sowie der Möglichkeit der Digitalisierung
der Meßwerte zur einfacheren diagnostischen Verwertung.
[0023] Während die Punkte 1 und 2 das Erfindungs- und Konstruktionsziel allgemein betreffen,
betrifft Punkt 3 nur die nicht-mechanische Variante.
[0024] Ein weiterer Umstand soll von der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden: Primärseitige
stromstarke Fehler treten in der Regel so plötzlich auf, daß auch sehr schnelle Schalter
nicht schnell genug darauf zu reagieren vermögen. Dagegen fangen sekundärseitige Fehlerströme
gewöhnlich als schleichende Windungsschlüsse an, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit
eskalieren, im allgemeinen jedoch eher langsam.
[0025] Mit der konstruktiven Verwertung der Gegebenheiten und ihrer bautypenspezifischen
Umsetzung in der vorliegenden Erfindung soll ermöglicht werden, daß außer stromstarken
Fehlern, auf die die strombegrenzenden Sicherungen ansprechen, auch stromschwache
Fehler in allen Isolierflüssigkeiten erkannt werden, die sich bekanntlich dadurch
auszeichnen, daß ein in ihnen auftretender Fehler eine molekulare Umwandlung verursacht,
die eine, bei Bezug auf die jeweilige Betriebstemperatur überproportionale, Druckerhöhung
bewirkt. Das Wirkprinzip bleibt selbst bei solchen Gasen erhalten, die relativ schnell
in Lösung gehen; der zeitliche Abstand bis zum Ansprechen wird - insbesondere bei
Flüssigkeiten, bei denen molekulare Umbildungen nur mit geringer Spaltgasbildung einhergehen
- auch wenn die Gesamtenergie gleich ist, bei kleineren Fehlerströmen mit geringer
Spaltgasbildung nicht nur absolut, sondern auch relativ größer sein als bei größeren
Fehlerströmen. Da die Zusammensetzung der Spaltgase von der Art des Fehlers und der
Flüssigkeit bestimmt wird, und da sich verschiedene Gase verschieden rasch in verschiedenen
Isolierflüssigkeiten lösen, werden verschiedene Fehler verschieden schnell detektiert,
jedoch grundsätzlich innerhalb der meß- und schalttechnisch verarbeitbaren Eskalation
und weit unter der Schwelle eines Fehlerstroms, bei dem die strombegrenzenden Sicherungen
in Funktion treten würden.
Beschreibung der Schemazeichnungen zur Erläuterung des Prinzips der temperaturbezogenen
Volumenüberwachung bei verschiedenen Transformatorentypen und verschiedener Gestaltung
des volumenabhängigen Störfall-Detektorelements.
[0026] Die konstruktive Umsetzung der Nutzbarmachung des Prinzips zu diagnostischen und
schadenverhütenden Zwecken unter Verwendung einfacher mechanischer Vorrichtungen wird
in Fig. 1 bis Fig. 3H schematisch dargestellt.
[0027] Mit Ziffer 1 wird ein Schwimmkolben, mit Ziffer 1a ein diesem analoger Balg bezeichnet.
Schwimmkolben und Balg bestimmen die Bewegungsrichtung des volumenabhängigen Kontaktelements
A. Mit Ziffer 2 wird ein temperaturgetriebenes (temperaturabhängiges) Bauteil z.B.
Bimetallelement bezeichnet, das für die Bewegungsrichtung des temperaturabhängigen
Kontaktelements B in Fig. 1/H/i bzw. B
1 und B
2 in den übrigen Schemazeichnungen verantwortlich ist. Ziffer 3 in Fig. 2/E stellt
die Verbindung zum Expansionsgefäß dar. Ziffer 4 in Fig. 3/N
2 deutet ein Ölleck an. Ziffer 5 stellt die Transformatorenkesselabdeckung eines Hermetiktransformators
dar.
[0028] In Fig. 1, Fig. 1/H und Fig. 1/H/i ist der ungestörte Betrieb eines wechselnd belasteten
Transformators dargestellt. Das Volumen der Flüssigkeit wird allein durch die jeweilige
mittlere Temperatur der Flüssigkeit bedingt; das Kontaktelement A bewegt sich unter
Beibehaltung der Abstände zu B
1 und B
2 bei Erwärmung nach oben, bei Abkühlung nach unten. In Fig. 1/H/i bewirkt die Richtungsgleichheit
der beiden Kontaktelemente den ununterbrochenen Kontakt der beiden Kontaktelemente
(Analogie bei Zustandsumkehrung, bedingt durch die
Integration der Kontaktelemente B
1 und B
2 in B).
[0029] In Fig. 2, Fig. 2/E und 2/H ist jeweils der Störfall Spaltgasbildung infolge Fehlerstrom
bzw. Lichtbogen dargestellt: Die temperatur
unabhängige Vergrößerung des Volumens bewirkt Berührung der Kontaktelemente A und B
1, wodurch Alarm ausgelöst oder der Transformator abgeschaltet wird.
[0030] Fig. 2/E stellt schematisch die Wirkungsweise in einem Transformator mit
Expansionsgefäß, Fig. 2/H in einem
Hermetiktransformator dar.
[0031] In Fig. 3, Fig. 3/N
2 und Fig. 3/H ist der Störfall Flüssigkeitsverlust dargestellt, wobei Fig. 3/N
2 die Wirkungsweise in einem sticksktoffbeaufschlagten, Fig. 3/H in einem integralbefüllten
Hermetiktransformator aufzeigt. Der durch Ölleck eingetretene Flüssigkeitsverlust,
verdeutlicht durch Ziffer 4 in Fig. 3/N
2, bewirkt eine temperatur
unabhängige Flüssigkeitsvolumenabnahme, was zur Berührung der Kontaktelemente A und
B
2 und damit zu einer Störfallanzeige oder Abschaltung des Transformators führt.
[0032] Fig. 1/H/i zeigt die konstruktive und den jeweiligen Zustand der Kontaktelemente
bestimmende Konsequenz der
Integration der Kontaktelemente B
1 und B
2 in B.
Erläuterungen zu den Schemazeichnungen an repräsentativen Beispielen:
[0033] Bei Anstieg der mittleren Betriebstemperatur und damit des Flüssigkeitsvolumens wird
der Schwimmer bzw. Schwimmkolben 1 nach oben gedrückt und zieht die Kontaktplatte
(Kontaktelement A) nach oben; gleichzeitig bewirkt der Anstieg der mittleren Betriebstemperatur
bei entsprechender Ausführung und Lokalisierung des Bimetallelements 2, daß sich die
damit verbundenen Kontaktelemente B
1 und B
2 mit der gleichen Geschwindigkeit und unter Wahrung der Abstände der Kontaktelemente
untereinander ebenfalls in die gleiche Richtung nach oben bewegen. Der Bimetall-Temperaturfühler
2 ist deshalb so zu plazieren, daß die dort herrschende Temperatur die mittlere Temperatur
des Isoliermediums ist. Fällt die mittlere Betriebstemperatur, verläuft der Vorgang
in der entgegengesetzten Richtung (Fig. 1, Fig. 1/H).
[0034] Bei nicht temperaturerhöhungsbedingtem Volumenzuwachs infolge Spaltgasbildung kommt
es durch Berührung der Kontakte A und B
1 zur Schließung eines Stromkreises (Fig. 2, Fig. 2/E, Fig. 2/H) Bei nicht temperaturbedingter
Volumenabnahme infolge eines Lecks (Fig. 3, Fig. 3/N
2, Fig. 3/H) bewegen sich die Kontakte A und B
2 aufeinander zu, bis sie sich berühren und der Stromkreis geschlossen wird, wordurch
wie im Fall der Berührung von A und B
1 ein Alarm ausgelöst oder die Abschaltung des Transformators bewirkt wird.
[0035] Fig. 1/H/i, Funktionsweise bei alternativer Gestaltung.
Die beiden im vorhergehenden beschriebenen volumengetriebenen (volumenabhängigen)
Kontaktelemente lassen sich in ein einziges Kontaktelement zusammenfassen, wenn zwei
Bedingungen erfüllt werden:
1. Bei normalem Betrieb steht das temperaturabhängige Kontaktelement B mit dem volumengetriebenen
(volumenabhängigen) Kontaktelement A in Berührung. Unterbrechung des Kontakts tritt
im Störfall ein. (Fig. 1/H/i zeigt die Nutzung der Möglichkeit an der in Hermetiktransformatoren
günstigsten Ausführung mit Balg).
2. Der in der vorhergehenden Beschreibung durch den Abstand zwischen B1 und B2 definierte Toleranzbereich wird dadurch geschaffen, daß eines der Kontaktelemente
oder beide als Kontaktzone in Bewegungsrichtung ausgebildet sind (Fig. 1/H/i zeigt
das temperaturbezogene Kontaktelement als Kontaktzone).
Das druckgetriebene Kontaktelement berührt, so lange der Istdruck dem Solldruck annähernd
gleich ist, das temperaturgetriebene Kontaktelement. Entspricht jedoch der Istdruck
nicht dem Solldruck, was bei einem Fehler oder bei Eintreten eines Lecks der Fall
ist, so wird der Kontakt unterbrochen, und es erfolgt Fehlermeldung bzw. Abschaltung.
(Kontakt A verläßt die Kontaktfläche B.)
Diese Ausführung stellt funktional gewissermaßen die Photonegativ-Entsprechung der
vorher beschriebenen Ausführung dar: Im ersten Fall ist der ungestörte Betrieb durch
die Unmöglichkeit des In-Berührung-Bringens des volumenabhängigen Kontaktelements
mit einem der temperaturabhängigen Kontaktelemente, im zweiten Fall durch die Unmöglichkeit
der Unterbrechung des bestehenden Kontakts gekennzeichnet.
[0036] Die spiegelbildlichen Entsprechungen sind nicht dargestellt.
- NB:
- Theoretisch ist es möglich, daß ein lange anhaltender extrem stromschwacher Fehler
"postum" angezeigt wird, nämlich dann, wenn die Flüssigkeit mit einem Spaltgas saturiert
ist und dieses beim Abkühlen aus der Flüssigkeit austritt. Diese Möglichkeit ist von
erheblicher schadenverhütender Bedeutung (schleichender, nicht eskalierender, Windungsschluß).
Sensibilität und mögliche Fehlauslösungen
[0037] Die Feinfühligkeit der temperaturbezogenen Volumenüberwachung hängt davon ab, ob
die jeweils herrschenden Verhältnisse tatsächlich erfaßt werden. Insbesondere muß
gewährleistet sein, daß sich Spaltgasbildung volumenvergrößernd auf den Schwimmkolben
bzw. den Balgboden auswirkt. Außerdem müssen Fehlauslösungen durch Schwingungen und
Veränderungen der Eigenschaften der Apparatur (Alterung) ausgeschlossen werden.
[0038] Erleichtert man den Spaltgasen, sich unter dem entsprechend geformten Schwimmer bzw.
Schwimmkolben zu sammeln, wird der Vorgang des In-Lösung-Gehens aufgrund der kleineren
Kontaktoberflächen langsamer ablaufen, und es ergibt sich damit eine größere Empfindlichkeit
der Fehlerdetektion. (Fig. 2/E)
[0039] Prinzipiell wären Varianten der beschriebenen Ausführungen möglich: Anstatt eines
Bimetallelements könnte ein von einem beweglichen Kolben in einem Gaszylinder direkt
oder indirekt betätigter Stößel verwendet werden (betrifft Kontaktelemente B
1 und B
2, bzw. B in Figur 1/H/i).
[0040] Um durch Vibration ausgelöste Fehlauslösungen zu verhüten, kann eine geeignete Schwingungsdämpfung
vorgesehen werden. Erfahrungsgemäß sind Vibrationen von Festkörpern jedoch in einem
flüssigen Medium, anders als in einem gasförmigen, durch das Medium selbst stark gedämpft.
Möglichkeit der Nutzung des beschriebenen Funktionsprinzips der temperaturbezogenen
Volumenüberwachung in integralbefüllten und anderen Hermetiktransformatoren (Figs.
1/H; 1/H/i; 2/H; 3/H).
[0041] Volumenveränderungen des integralbefüllten Hermetiktransformators sind nur dann diagnostisch
nutzbar, wenn entweder die Volumenveränderungen als Druckveränderungen erfaßt werden
oder eine konstruktive Veränderung durchgeführt wird, die dem temperaturabhängigen
Kontaktelement eine volumenabhängige Entsprechung verschafft.
[0042] Dies geschieht am einfachsten durch Anbringung eines von der Unterseite der Abdeckung
5 in den Transformator hineinreichenden und nach der Ölseite geschlossenen und nach
außen offenen oder geschlossenen (gezeigt wird die nach außen geschlossene Ausführung)
Balgs la mit Zug- und Druckfeder, dessen Bewegungen so abgestimmt sind, daß sie die
temperaturbedingten Volumenveränderungen repräsentieren, was zu einer gleichförmigen
Bewegung der drei Kontaktelemente bzw. zwei Kontaktelemente in Fig. 1/H/i führt. Das
Verhältnis Balghöhe : Balgbreite sowie die Wahl der Federkraft ist empirisch zu bestimmen,
zumal die Volumen- und Druckverhältnisse durch Einbringen des Balgs und die damit
gegebene Volumenveränderung eine leichte Verschiebung bewirken. (Ohne Zug- und Druckfeder
würde aufgrund des Auftriebs ein unelastischer Balg eine unerwünschte Lage einnehmen.)
[0043] Anstatt eines Balgs, der aus einem dichten und mit der Isolierflüssigkeit kompatiblen
Chemiewerkstoff, z.B. PTFE bestehen könnte, wären auch mit Zug- und Druckfeder ausgerüstete
sackartige Gebilde denkbar, wobei schweißbare Kunststoffe, u.U. als Laminate mit Gassperrschicht,
verwendet werden könnten.
[0044] Durch entsprechende Gestaltung und Dimensionierung, d.h. die zweckentsprechende Wahl
des Verhältnisses der Balghöhe zur Balgbreite und des damit gegebenen Hubs, bzw. Wegs
des Kontaktelements B bzw. der Kontaktelemente B
1 und B
2 ist auch eine geschlossene Ausführung eines Balgs verwendbar. Die Mitverwendung einer
Zug- und Druckfeder ist bei einem gasdichten und in vertikaler Stellung verbleibenden
Balg nicht unbedingt erforderlich, wirkt jedoch wegen der Tendenz des Gases, der Volumenausdehnung
der Flüssigkeit vorauszueilen, kompensatorisch und korrektiv-stabilisierend und ermöglicht
dadurch engere Toleranzen.
[0045] Wegen der Möglichkeit leichter Verfälschungen der Gasausdehnung aufgrund des Einflusses
der Außentemperatur und anderer Störelemente, insbesondere Sonneneinstrahlung, wird
die Ausführung mit offenem Balg bevorzugt. Die Öffnung ist vor Umwelteinflüssen zu
schützen, etwa durch Aufsetzen eines nach unten gekrümmten und gegen den Transformatorendeckel
abgedichteten U-förmigen Rohres.
[0046] Die im vorhergehenden beschriebene Ausführung ist prinzipiell auch in Gaspolstertransformatoren
einsetzbar.
Vorteil der Nutzung des erläuterten Prinzips bei Verwendung meßtechnischer Mittel
(nicht-mechanische Variante) in Hermetiktransformatoren, insbesondere integralbefüllten.
Messung der jeweiligen mittleren Temperatur, bei Überwachung des Drucks anstelle des
Volumens.
[0047] Nicht integralbefüllte Transformatoren zeichnen sich im allgemeinen durch geringe
elastische und plastische Verformbarkeit aus. Tritt jedoch plastische Verformung auf,
ist, wegen der dadurch bedingten scheinbaren Flüssigkeitsvolumenabnahme eine Nacheichung
zur Vermeidung von Fehlauslösungen unumgänglich.
[0048] In der im folgenden beschriebenen konstruktiven Umsetzung des Prinzips wird die Möglichkeit
der Selbsteichung bzw. Selbstnacheichung bei der temperaturbezogenen Drucküberwachung,
die gewissermaßen eine Sonderform der temperaturbezogenen Volumenüberwachung darstellt,
aufgezeigt.
Solldruckkurve und plastische Verformung
[0049] Der ideale innendruckvariable Hermetiktransformator ist nicht plastisch verformbar
und unbegrenzt elastisch verformbar. Beim realen Hermetiktransformator können plastische
Verformungen durch Überdruck und Werkstoffermüdung auftreten. Plastische Verformungen
gelten allgemein als irreversibel. Es ist theoretisch möglich, einen Hermetiktransformator
so zu befüllen, daß bei allen auftretenden Temperaturen Überdruck herrscht. Plastische
Verformungen schränken die elastische Verformbarkeit ein. Sie sind grundsätzlich unerwünscht
und können durch entsprechende konstruktive Maßnahmen auf ein Mindestmaß beschränkt
werden. Es wird im folgenden jedoch darauf eingegangen, weil sie nicht grundsätzlich
ausgeschlossen werden können.
[0050] Der auf die plastische Verformung entfallende Anteil der Transformator-Innenvolumenzunahme
bewirkt eine geringfügige Solldruck-Minderung. Diese hängt vom Bautyp und von den
Lastspielen ab. Je starrer der Transformator, desto geringer sind plastische und elastische
Verformung und desto größer ist die Druckschwankung. In einem Transformator, bei dem
zum Beispiel Kühlrippen und Tank aus dickwandigem Alu-Druckguß hergestellt sind und
ein Ganzes bilden, kann die plastische Verformung vernachlässigt werden. Die plastische
Verformung ist Transformatorenbetreibern bekannt; sie erfordert bei ihrem Auftreten,
zur Wiederherstellung des Lieferzustand-Solldrucks, ein- oder mehrmaliges Nachfüllen
mit geringen Mengen der jeweiligen Isolierflüssigkeit. (Normalerweise wird darauf
verzichtet, da die Wiederherstellung des Lieferzustand-Solldrucks nur für Prüfzwecke
wünschenswert ist.) Deshalb muß die korrigierte Solldruckkurve p
'soll in Abhängigkeit von der plastischen Verformung erstellt werden. Nur durch Neutralisierung
der durch plastische Verformung verursachten Verfälschung der Bezugskurve (p
soll bzw. p'
soll) kann der Unterschied zwischen p
ist und p
soll bzw. p'
soll zur Fehlerfrühanzeige genutzt werden. Ist die plastische Verformung meßtechnisch
insignifikant, so gilt p
soll = p'
soll . Da betriebstechnisch insignifikante, meßtechnisch jedoch signifikante kleinste
Undichtigkeiten für die beschriebene temperaturbezogene Druckmessung analog plastischen
Verformungen sind, gilt das für plastische Verformung Gesagte grundsätzlich auch für
geringfügige Undichtigkeiten. Die temperaturbezogene Drucküberwachung übernimmt also
die Rolle des Leckölwächters, und zwar ohne Mehraufwand.
[0051] Die korrigierte Solldruckkurve beschreibt den Verlauf des Transformatoreninnendrucks
in Abhängigkeit von der mittleren Temperatur der Isolierflüssigkeit und der
elastischen Verformbarkeit des Transformators, wobei die Gesamt-Volumenzunahme als Folge der
Temperatursteigerung mitberücksichtigt wird.
[0052] Die korrigierte Solldruckkurve (p
'soll) ist empirisch zu ermitteln bzw. aufgrund temperaturbezogener Druckmessungen immer
wieder (elektronisch) neu zu erstellen, wenn sich ein Abfall der Istdruckwerte unter
die ungenügend kompensierten Solldruckwerte ergibt (p
soll → p
'soll → p''
soll, usw.). In der Praxis wird dieser Fall, je nach Lastspielextremen und Werkstoffwahl
selten oder häufig auftreten.
[0053] Die elektronisch einfach und billig durchzuführende Selbsteichung bzw. Nacheichung
verleiht dem damit zu schützenden Gegenstand, insbesondere dem integral befüllten
Transformator, ein hohes Schutzniveau. Dagegen ist die Umständlichkeit der Nacheichung
bei einem mechanischen System, sowie die dadurch verursachten direkten und indirekten
Kosten und die größere Anfälligkeit für Fehlanzeigen als Nachteil dieses Systems anzusehen.
[0054] Da davon ausgegangen werden muß, daß an verschiedenen Orten des Isoliermediums verschiedene
Temperaturen herrschen, müssen empirisch Ort und Anzahl der Temperaturmeßpunkte ermittelt
werden, außer für den Fall, daß die Repräsentativität der in der Thermometertasche
des Transformators oder an einem anderen meßtechnisch günstigen Ort gemessenen Temperatur
für die mittlere Temperatur der Isolierflüssigkeit gewährleistet ist. Unter Umständen
ist ein Korrekturfaktor zu berücksichtigen. Letzterer ist bautypenspezifisch und deshalb
nur empirisch zu ermitteln. Je kleiner der Transformator, desto geringer sind die
Temperaturunterschiede in der darin befindlichen Flüssigkeit - ausreichende Konvektionsmöglichkeit
vorausgesetzt.
[0055] Die temperaturbezogene Volumenüberwachung (Ansprüche 1 bis 3) hat gegenüber der herkömmlichen
mechanischen Überwachung von Druck und/oder Temperatur (z.B. Patente von Smith und
Sangster) keinen sich aus der Tatsache der rein mechanischen Funktionsweise ergebenden
Nachteil. Der Nachteil besteht jedoch gegenüber dem meßtechnisch-elektronischen Verfahren
und den entsprechenden Vorrichtungen (Ansprüche 4 bis 7), die sich dadurch auszeichnen,
daß automatisch nachgeeicht werden kann (Anspruch 4).
[0056] Es ergibt sich daraus eine sicherheitstechnische Besserstellung des entsprechend
überwachten integral gefüllten Transformators gegenüber anderen Bauweisen.
Art der detektierbaren Fehler
[0057] Die plastische Verformung ergibt ein Abfallen der Meßwertkurve unter die Kurve, die
von den theoretischen Solldruckwerten beschrieben wird. Da sie zu einer Verfälschung
der Bezugswerte führt, muß automatisch nachgeeicht werden. Bei Abwesenheit plastischer
Verformung und Abwesenheit von Undichtigkeiten entfällt die Notwendigkeit der Nacheichung.
[0058] Die immer wieder erfolgende automatische Neueichung darf nur bei einem meßtechnisch
signifikanten Abfall (meßtechnisch signifikant ist empirisch zu definieren) - nicht
bei einem Anstieg! - der gemessenen und neuerrechneten Werte unter die theoretischen
(ursprünglichen) Solldruckwerte erfolgen - und nur innerhalb arbiträr festgelegter
Grenzwerte, die sich aus empirisch gewonnenen Daten ergeben. Kleine Undichtigkeiten
werden von der temperaturbezogenen Drucküberwachung analog plastischen Verformungen
erfaßt und bewirken eine automatisch erfolgende Nacheichung. Eine Nacheichung in umgekehter
Richtung erfolgt nicht. (In der Praxis des Einsatzes von Hermetiktransformatoren mit
sogenannter integraler Befüllung mit Oberspannung 20kV hat sich gezeigt, daß zumindest
die durch Teilentladungen und transiente Überspannungen bewirkte Spaltgasbildung nicht
zu einem betriebstechnisch signifikanten Druckanstieg führt. Es wird deshalb auch
im allgemeinen nicht von der Möglichkeit der Anbringung eines Gassammelbehälters mit
Überdruckventil Gebrauch gemacht.)
[0059] Durch die temperaturbezogene Drucküberwachung der beschriebenen Ausführung wird ermöglicht,
daß
sowohl bei
plötzlichem Druck
abfall als
auch bei thermisch unbegründetem
langsamen oder plötzlichen Druckanstieg Fehlermeldung erfolgt. Es kann auch eine Fehlermeldung bei mehrmals erfolgter automatischen
Nacheichung, die das Vorliegen einer nicht mehr tolerierbaren Undichtigkeit wahrscheinlich
macht, vorgesehen werden.
[0060] Der Vergleich der Istdruckwerte mit den Solldruckwerten hat also vier Funktionen:
a) Er gestattet bei geringfügigem und langsam erfolgendem Druck-Abfall unter die unkorrigiert-theoretischen,
bzw. unvollständig kompensierten Solldruckwerte eine aufgrund plastischer Verformung
oder geringfügiger Undichtigkeiten erforderliche Neueichung der Solldruckwerte (p'soll);
b) er gestattet durch Ansprechen auf (nicht thermisch bedingten) Druckanstieg Fehleranzeige
sowohl bei langsamem als auch plötzlichem Druckanstieg und damit Anzeige auch von
Fehlern, auf die weder dem Buchholzrelais analoge Vorrichtungen, noch die Sicherungen
reagieren (sehr langsam, wie z.B. bei einem schleichenden Windungsschluß, entstehende
Gase gehen leichter in Lösung, treten aber bei sich abkühlender saturierter Flüssigkeit
wieder aus und bewirken eine Spreizung zwischen Istdruckkurve und Solldruckkurve);
c) er gestattet durch Ansprechen auf plötzlichen Druckabfall Fehler-Anzeige (bzw. Trafo-Abschalten) bei Eintreten eines starken Lecks.
d) er gestattet, bei Erfassung der Häufigkeit der Nacheichung in einem bestimmten
Zeitraum, eine Fehlermeldung, die das wahrscheinliche Vorliegen einer nicht mehr tolerierbaren
Undichtigkeit wahrscheinlich erscheinen läßt.
N.B. Beim - nicht wünschenswerten und nur in Ausnahmefällen ratsamen - Nachfüllen
von Isolierflüssigkeit müßte "manuell" nachgeeicht werden. (Nacheichung nach oben
anstatt nach unten)
[0061] Mit dem beschriebenen Verfahren und der dazugehörenden Anordnung werden nicht nur
alle Funktionen abgedeckt, die mit den auf dynamische Druckveränderung reagierenden
und analog dem Buchholzrelais funktionierenden Vorrichtungen beim innendruckvariablen
Hermetik-Trafo, ob mit oder ohne Gaspolster, erfüllt werden; darüberhinaus wird die
Überwachung des Betriebszustandes des Transformators mittels Rechner ermöglicht.
Erstellung der Solldruckkurve
[0062] Da bekanntlich Flüssigkeiten praktisch inkompressibel sind, bewirkt jeder vom hermetischen
Flüssigkeitsbehälter ausgeübte Gegendruck eine in der Flüssigkeit meßbare Druckerhöhung.
Diese Druckerhöhung wird von der Flüssigkeitsausdehnung bewirkt, die wiederum eine
Folge der Temperaturerhöhung ist.
[0063] So entspricht ein Druckanstieg um 0,1bar in einem Hermetik-Transformator bestimmter
Elastizität einem Temperaturanstieg um
yK, ein Druckanstieg um 0,2bar einem entsprechend stärkeren Temperaturanstieg von 2
yK. Diese Entsprechungen gelten jedoch nur für einen recht engen Druck- und Temperaturbereich,
da die Elastizität des Transformators, insbesondere des integral-befüllten, sehr begrenzt
ist.
[0064] Da das Flüssigkeitsvolumen durch die
mittlere Temperatur bestimmt wird, die Wahl des günstigsten Meßpunktes sowohl von der Konstruktion
als auch von der Viskosität der Flüssigkeit abhängt und die plastische Verformbarkeit
konstruktions- und werkstoffspezifisch ist, können die mittlere Temperatur und die
plastische Verformung zuverlässig nur empirisch bestimmt werden.
[0065] Insbesondere die Repräsentativität der Temperaturmessung (z.B. Thermometertasche)
muß vor Aufstellung einer Solldruckkurve überprüft werden.
[0066] Erklärung: Je höher die Viskosität der Isolierflüssigkeit, desto größer sind die
Temperaturunterschiede, insbesondere wenn die höhere Viskosität nicht durch einen
höheren Ausdehnungskoeffizienten und damit bessere Thermosiphon-Wirkung nahezu völlig
kompensiert wird. Wenn auf höchste Präzision der temperaturbezogenen Drucküberwachung
verzichtet werden kann, genügen im allgemeinen die Werte der Temperaturmessung in
der Thermometertasche als Bezugswerte.
Erstellung der Lieferzustand-Solldruckkurve (psoll) mittels Außendruckbeaufschlagung, falls erforderlich, zur Kompensierung auch geringster
plastischer Verformung, zur Ermittlung des bautypenspezifischen Unterschieds zwischen
psoll und p'soll.
[0067] Da ein von außen auf den Transformator einwirkender Druck die elastische Verformung
lediglich im Sinne einer Innendruckerhöhung beeinflußt, dabei aber plastischen Verformungen
entgegenwirkt, kann die Lieferzustand-Solldruckkurve bis zum tolerierbaren Innendruck
von angenommen 1,2bar oder 1,3bar (Überdruck von 0,2-0,3 bar) mit den einfachen Mitteln
der Flüssigkeitserwärmung und geringer Außendruckbeaufschlagung erfolgen. Der jeweils
herrschende Außendruck sollte geringfügig über dem jeweils herrschenden Innendruck
liegen.
Beispiel: integralbefüllte dehnungsfähige Transformatoren, bzw. Hermetik-Transformatoren
mit Gaspolster.
[0068]
1. Befüllung bei 20°C: angezeigter Druck 1,0bar.
2. Außendruckerhöhung auf 1,1bar bewirkt Innendruckanstieg auf 1,0<p'<1,1 bar.
3. Erwärmung bis zur Erreichung eines Innendrucks 1,1bar.
4. Außendruckerhöhung auf 1,2bar bewirkt Innendruckanstieg auf 1,1<p'',1,2bar.
5. Erwärmung bis zur Erreichung eines Innendrucks von 1,2bar.
[6. Außendruckerhöhung auf 1,3bar bewirkt Innendruckerhöhung auf 1,2<p'''<1,3bar.
7. Erwärmung bis zur Erreichung eines Innendrucks von 1,3bar.]
Schritte 6 und 7 nur falls mit Innendrücken über 1,2bar gerechnet wird.
[0069] Alternativ zur temperaturbedingten Druckerhöhung kann eine schrittweise Druckerhöhung
auf die jeweiligen Werte ohne Erwärmung der Flüssigkeit durch Hinzufügung der entsprechenden
Menge von Isolierflüssigkeit bewirkt werden. Dabei wird die hinzuzufügende Menge vom
thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten bestimmt. Dies erfordert die Zugrundelegung
einer Temperatur-Bezugskurve mit eingegebenen Werten. Bei Transformatoren mit einem
membranumhüllten Gaspolster (Ballon) ist u.U. ein Korrekturfaktor zu berücksichtigen,
da die Erwärmung der Flüssigkeit einen nicht kompensierten disporportionalen Druckanstieg
durch die stärkere Ausdehnung des Gases bewirkt und diese Ausdehnungskomponente nicht
durch ein teilweises In-Lösung-Gehen des Gases teilkompensiert wird.
[0070] Prinzipiell ist das Verfahren der temperaturbezogenen Druckmessung nicht nur bei
integral befüllten Transformatoren sondern auch bei solchen mit Gaspolster möglich.
Es sind jedoch die oben aufgeführten Einschränkungen, insbesondere Sonneneinwirkung
zu beachten. Zur Vermeidung zu häufiger automatischer Nacheichungen, die eine Undichtigkeit
dadurch vortäuschen, daß durch das teilweise in Lösung gehende Gas ein Unterdruck
entsteht, ist beim Befüllen des mit Gaspolster ausgerüsteten Transformators sinnvollerweise
folgendermaßen vorzugehen: Nach der Erstbefüllung mit einer zur Erzielung einer hohen
Imprägniergüte entgasten Isolierflüssigkeit wird der Transformator entleert und mit
einer mit dem Puffergas, sinnvollerweise Stickstoff, gesättigten Isolierflüssigkeit
neu befüllt. Eine Alternative dazu stellt das Einhalten einer Wartefrist vor der durchzuführenden
Ersteichung einer Bautype dar, um die Eichung erst nach erfolgter Gassättigung durchzuführen.
[0071] Das beschriebene Verfahren weist bei Transformatoren mit Gaspolster einen geringfügigen
Ungenauigkeitsfaktor auf, der durch die disproportionale Ausdehnung des Gases gegenüber
der Flüssigkeit bedingt ist. Dieser Ungenauigkeitsfaktor ist jedoch meßtechnisch nicht
signifikant; er wird, wenn das Gas mit der Flüssigkeit in Berührung steht, teilweise
durch die höhere Gaslöslichkeit bei gleichzeitiger Erhöhung von Druck und Temperatur
kompensiert. Eine durch starke Sonneneinstrahlung bewirkte Ausdehnung, bzw. der dadurch
verursachte Druckanstieg kann jedoch einen Fehlerstrom vortäuschen. Wenn diese Gefahr
gegeben ist, wird sich die mechanische Variante der Erfindung, nämlich die temperaturbezogene
Flüssigkeitsvolumenüberwachung als zuverlässiger erweisen.
Flüssigkeitsspezifische Überlegungen
[0072] Bei der Bewertung der Meßgenauigkeit ist zu berücksichtigen, daß verschiedene Isolierflüssigkeiten
auf elektrische Fehler einschließlich Teilentladungen sehr unterschiedlich reagieren,
wobei auch die Spaltgase ein sehr unterschiedliches Löslichkeitsverhalten in der jeweiligen
Isolierflüssigkeit zeigen: Gas
evolving Öle sind durch temperaturbezogene Drucküberwachung leichter zu überwachen als Gas
absorbing Öle. (Der Fehler wird schneller angezeigt.) Analog dazu gilt, daß die Feinfühligkeit
der Überwachung mit zunehmender Spaltgassättigung der Isolierflüssigkeit zunimmt.
[0073] Der Verlauf der multiplen Löslichkeitskurven wird von der Art des Fehlers, der Isolierflüssigkeit
und den jeweiligen Gasen bestimmt. Diese Tatsache schränkt nicht das Funktionsprinzip
an sich ein, sondern relativiert die Feinfühligkeit des Meßsystems.
Meßwerterfassung und Meßwertbezug
[0074] Der Istdruck wird durch Drucksonde erfaßt und digitalisiert. Der digitalisierte Wert
wird mit dem dazugehörigen digitalisierten Solldruckwert verglichen. Dieser Vergleich
geschieht ständig, z.B. alle 10 sec. Bei Unterschreitung des Istdruckwertes unter
den Solldruckwert erfolgt automatisch Nacheichung des Solldruckwerts zur Kompensation
der eingetretenen plastischen Verformung oder eines eventuellen Flüssigkeitsverlusts.
[0075] Die einmal erstellte und zum jeweiligen Meßzeitpunkt kompensierte temperaturabhängige
Solldruckkurve (p
'soll, → p''
soll → p'''
soll usw.) liefert die Bezugswerte, mit denen die Istwerte verglichen werden. Dies geschieht
durch Vergleich der digitalisierten Werte, entweder rechnerabhängig oder -unabhängig.
Die Druckmessung ist sehr zuverlässig, die Meßgenauigkeit sehr hoch; selbst preiswerte
non-dedicated Druckmeßgeräte messen Druckveränderungen von <1mbar und verwerten die Meßwerte zur
digitalen Anzeige nach erfolgter Wandlung.
Bewertung von Undichtigkeiten
[0076] Es liegt in der Natur der hier beschriebenen Meßwerterfassung, daß durch kleinste
Undichtigkeiten hervorgerufene Nacheichungen der Solldruckkurve analog solchen durch
geringfügige plastische Verformungen hervorgerufenen erfolgen. Dies ist durchaus wünschenswert
und bedeutet keine Einschränkung des Wirkungsprinzips.
Anwendungsbereich
[0077] Es wird bei der Bestimmung des prioritären Anwendungsbereichs davon ausgegangen,
daß die kostengünstigste und verbreitetste Schutzart strombegrenzende Sicherungen
darstellen. Da sich die beschriebene Erfindung als Ergänzung zu den strombegrenzenden
Sicherungen versteht und außerdem ein alarmgebendes oder schaltendes Element voraussetzt,
wird davon ausgegangen, daß sie Alarm oder Abschaltung auslösende Vorrichtungen anderer
Art an oder in den für die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung geeigneten Transformatorentypen
ersetzen kann.
[0078] Da Meßwertvergleiche und die Verarbeitung eines Fehlfunktionssignals immer vergleichsweise
träger arbeiten als strombegrenzende Sicherungen, verfolgt die Erfindung den Zweck,
auch und insbesondere solche Fehler - in ihrer nicht-mechanischen Ausführung in Hermetiktransformatoren
- zu detektieren, auf die die strombegrenzenden Sicherungen nicht reagieren können.
Dazu gehören auch die Nennstrombereiche, bei denen die strombegrenzende Sicherung
nicht zuverlässig arbeitet. Mit der Erfindung in ihrer meßtechnischen, nicht-mechanischen,
Variante, d.h. der temperaturbezogenen Drucküberwachung, können insbesondere schwer
detektierbare Fehler wie etwa ein schleichender Windungschluß in einem sog.
gas dissolving bzw.
gas absorbing Öl auch und insbesondere in einem Hermetiktransformator frühzeitig erkannt werden.
[0079] In mit Gaspolster beaufschlagten Transformatoren bietet die temperaturbezogene Drucküberwachung
die Möglichkeit, bei nicht flüssigkeitstemperaturbedingtem Druckanstieg, unter Umständen
nach erfolgtem Alarm, unselektiv Gas abzulassen, da es im Temperaturbereich über dem
Taupunkt der betreffenden Gase unerheblich ist, ob die Gasabdeckung aus reinem Stickstoff
oder aus mit Spaltgasen angereichertem Stickstoff besteht. Es muß jedoch gewährleistet
sein, daß kein Druckanstieg durch äußere Faktoren wie z.B. Sonneneinstrahlung bewirkt
wird, da sonst, nach Ablassen von Gas, während des Abkühlungszyklus ein Leck vorgetäuscht
würde, bzw. eine verfälschende Nacheichung vorgenommen würde. Bei mit Gaspolster beaufschlagten
Transformatoren, bei denen Sonneneinwirkung nicht ausgeschlossen werden kann, ist
die temperaturbezogene Drucküberwachung ungeeignet. Bei Gaspolster-Transformatoren,
bei denen mit Verfälschungen der Druckmessungsergebnisse zu rechnen ist, bietet sich
die temperaturbezogene Volumenüberwachung (mechanische Variante) an, zumal auch in
dieser Variante eine Leckölwächter-Funktion enthalten ist. Um jedoch eine hinreichend
zuverlässige Fehleranzeige zu ermöglichen, müssen z.B. durch Schwingungen hervorgerufene
Fehlanzeigen vermieden werden. Bei der mechanischen Variante ist ein Nacheichen umständlich
und nur von Hand durchzuführen, ein Selbstnachstellen unmöglich. Diese Überlegungen
zeigen, daß die temperaturbezogene Drucküberwachung dem integral gefüllten Transformator
einen sicherheitstechnischen Vorteil gegenüber anderen Bautypen verschafft.
Sicherheitstechnische Vorteile
[0080] Die beim Befüllen spaltgasfreie Flüssigkeit wird immer einen höheren Flammpunkt aufweisen
als die mit Spaltgasen gesättigte. Wie für Fremdgase ist auch die Sättigungsgrenze
für Spaltgase temperaturabhängig. Die Bildung von Spaltgasen, die verzögerungsfrei
in Lösung gehen, bewirkt keinen meßbaren Druckanstieg und ist deshalb nicht sofort
detektierbar. Dies ist jedoch nicht schadenverhütungsrelevant. Daß die temperturbezogene
Drucküberwachung für extrem energiearme Fehler am besten im spaltgasgesättigten Medium
funktioniert, ist deshalb unerheblich. Austritt von Spaltgasen aus der gesättigten
Flüssigkeit bei Abkühlung bewirkt eine Spreizung zwischen Istdruckwerten und Solldruckwerten
und damit gegebenenfalls Fehlermeldung oder Abschaltung. Die temperaturbezogene Überwachung
des (Soll-)Volumens bzw. (Soll-)Drucks verhütet ein gefährliches Abfallen des Flammpunktes.
[0081] Es ist damit gewährleistet, daß bei nach IEC 1100 als K-Klasse eingestuften Isolierflüssigkeiten
der große, ein Weiterbrennen im Berstfall vermeidende Abstand zwischen höchstzulässiger
Betriebstemperatur und Flamm- bzw. Brennpunkt erhalten bleibt. Der Sicherheitsvorteil
für O-Klasse Flüssigkeiten ist ebenfalls von großer brandtechnischer, wenn auch nicht
klassifikatorischer Bedeutung.