DE1051387B - Verfahren zur Ortung von Erdschluessen in einem in Betrieb befindlichen Elektrolysesystem mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Einzelzellen mittels einer der Gleichspannung ueberlagerten Pruefwechselspannung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Beim Betrieb von in Serie geschalteten Elektrolysezellen zeigt sich im Laufe längerer Zeitspannen, daß sich das an der Zellenkette einstellende Potential Null gegen Erde, im folgenden der System-Nullpunkt genannt, erheblich verschiebt. Dies folgt aus dem Sachverhalt, daß sich der Isolationswiderstand der einzelnen Zellen, im Laufe der Zeit verringert, wodurch Erdschlüsse entstehen. Dies hat wiederum zur Folge, daß unter Umständen lebensgefährliche Berührungsspannungen insbesondere an solchen Zellen bzw. öfen wirksam werden können, welche sich in größerer Entfernung von dem jeweiligen System-Nullpunkt befinden. Es sei jedoch vorausgeschickt, daß keinesfalls der Ofen mit Nullpotential ein Ofen mit Isolationsfehlern ist.

Aus diesem Grunde, besteht ein dringendes Bedürfnis, Erdschlüsse in Elektrolysesystemen schnell und sicher zu orten, damit die schadhaften Zellen repariert bzw. durch neue ersetzt werden können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht also in der Entwicklung eines geeigneten Verfahrens, welches es gestattet, bei einem in Betrieb befindlichen Elektrolysesystem mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Einzelelementen insbesondere die niedrigohmigen Erdanschlüsse schnell, sicher und ohne größeren Aufwand ausfindig zu machen. Bislang verfuhr man folgendermäßen:

Man beobachtete zwei gemäß Abb. 1 in das System geschaltete Spannungsmesser 1. Zeigten diese annähernd die gleiche Voltzahl, so wurde angenommen, daß das System frei von Erdschlüssen sei. In diesem Falle befand sich also der System-Nullpunkt in der Nähe der Mitte der; Zellenreihe 2. Es war jedoch keinesfalls ausgeschlossen, daß trotz vorhandenen Gleichgewichtes Erdschlüsse im System vorhanden waren, die dieses. Gleichgewicht infolge ihrer zufälligen Größe und Verteilung nicht nennenswert störten und somit nicht erkannt werden konnten. Bei einer Verschiebung des System-Nullpunktes pflegte man die Spannungsvexschiebung der Zellenreihe gegen Erde zu messen. Einer solche Messung brachte jedoch niemals eindeutige Ergebnisse,, sofern man von dem theoretisch denkbaren, in der Praxis jedoch kaum vorkommenden Fall absieht, daß nur ein einziger Erdschluß im System vorhanden ist. Bei Vorhandensein mehrerer Erdschlüsse kann nämlich aus der Spannungsverteilungskurve nur ein resultierender Erdschluß festgestellt werden. Dies wird aus den ■nachfolgend aufgeführten Beispielen ersichtlich.

Weitere Rückschlüsse und somit eine halbwegs sichere Lokalisierung der Erdschlüsse waren jedoch durch die Ermittlung der Spannungsverteilung unmöglich, denn auch bei der verschiedensten Verteilung der Isolationsfehler kann diesen der gleiche System-Verfahren zur Ortung von Erdschlüssen

in einem in Betrieb befindlichen

Elektrolysesystem mit einer Vielzahl

von in Reihe geschalteten Einzelzellen

mittels einer der Gleichspannung

überlagerten Prüfwechselspannung

Anmelder:
Vereinigte

Aluminium -Werke Aktiengesellschaft,
Bonn, Am Nordbahnhof

Ludwig Hafner, Lünen,

und Dipl.-Ing. Hasso Paulus, Dannstadt,

sind als Erfinder genannt worden

Nullpunkt zugeordnet werden, und es kann sich der gleiche Wert für den Gesamtwiderstand ergeben. Somit ist durch seine Messung am Gesamtsystem die Verteilung der Fehler feststellbar. Eine Auftrennung des Systems in Teilabschnitte ist aber andererseits aus betrieblichen Gründen nicht durchführbar.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung seien die besonderen Verhältnisse bei Elektrolysesystemen an einem Beispiel zunächst verdeutlicht:

Die zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium dienende Anlage (Abb. 1) bestehe aus hunderfünfzig in Reihe geschalteter Öfen 3, an die die Gesamtspahnüng der Gleichrichter in Höhe von rund 840 V angeschlossen ist. Der Strom in diesem Kreis, der mit gittergesteuerten Gleichrichtern durch Spannungsregelung konstant gehalten wird, beträgt 30 000 Amp. Die gesamte Gleichstromanlage ist an keinem Punkt gewollt geerdet. Am dritten Ofen 4 der Anlage befinde sich ein Erdschluß von etwa 20 Ω, am hundersten Ofen 5 ein solcher von etwa 60 Ω. Die Lage des System-Nullpunktes als Schwerpunkt sämtlicher Isolationsfehler ist ähnlich wie ein Massenschwerpunkt

809 767/218

Claims (2)

ermittelbar und durch folgende mathematische Beziehung gegeben: »0 = Hierin bedeutet Σ m* H;=fortlaufende Ofennummer, i»„.= Leitwert des zugehörigen Erdschlusses. Aus dieser Beziehung ergibt sich, daß im vorliegenden Beispiel — die Kenntnis von Lage und Größe der jeweiligen Erdschlüsse vorausgesetzt — der System-Nullpunkt beim siebenundzwanzigsten Ofen liegt. Umgekehrt läßt sich jedoch aus der Lage des meßbaren System-Nullpunktes kein Rückschluß auf die Verteilung der Erdschlüsse ziehen. Die durch die Erde fließenden Teilströme ergeben sich durch triviale Rechnung, im vorliegenden Beispiel also zu je 7,5 Amp. Eine Stromdifferenz von nur 7,5 Amp. oder die hierdurch hervorgerufene Änderung des Spannungsabfalls pro Ofen vor und hinter dem Erdschluß ist jedoch meßtechnisch nicht verwertbar, da der Erdstrom in dem gewählten Beispiel, welches größenordnungsmäßig den tatsächlichen Verhältnissen entspricht, nur 0,25 °/o des Hauptstromes beträgt. Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß die geringe Induktivität des Elektrolysesystems ausreichend ist, den induktiven Widerstand des Systems in die Größenordnung der Erdungen zu bringen, wenn man einen beliebigen Punkt des Elektrolysesystems auf ein genügend hohes Wechselspannungspotential mit einer Frequenz von beispielsweise 10 bis 12 kHz bringt. Die Induktivität des gesamten Elektrolysesystems beträgt zwar nur 1 mH; da die Erdschlüsse jedoch reine ohmsche Widerstände darstellen, ermöglicht diese geringe Induktivität die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn die Frequenz hoch genug gewählt wird. Die Erfindung bezieht sich also auf ein Verfahren zur Ortung von Erdschlüssen in einem in Betrieb befindlichen Elektrolysesystem mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Einzelzellen mittels einer der Gleichspannung überlagerten Prüfwechselspannung, wobei erfindungsgemäß eine Prüfspannung von so hoher Frequenz gewählt wird, daß der induktive Widerstand des Systems die Größenordnung des ohmschen Widerstandes der Erdschlußstelllen erreicht und in an sich bekannter Weise die beim Vorhandensein von Erdschlüssen sich einstellenden Stromableitungen längs des Systems mit hochselektiven, induktiv wirkenden Empfängern gesucht werden. Zur Zeit der Erfindung war es zur Ermittlung von Unterbrechungsstellen, Kurz- und Erdschlüssen, sowie in der Entstehung begriffenen Isolationsfehlern bekannt, als Prüfspannung Wechselstrom zu verwenden, um aus der Wellenlänge eines an dem Fehlerort gebildeten Schwingungskreises die Lage des Fehlers zu bestimmen. Beispielsweise hat man einen Schwingungskreis zwischen Leitung und Erde benutzt, in dem die Kapazität des angeschlossenen Leitungsstückes gegen Erde zur Geltung kam. Diese verändert sich bei Bruch der Leitung entsprechend der Länge des angeschlossenen Leitungsstückes. Ein solches und ähnliche bekannte Verfahren setzen jedoch voraus, daß zur exakten Eingrenzung des Kurzschlußpunktes ein Abklemmen des defekten Leitungsteiles vom Stromverbraucher erforderlich ist. Derartige Verfahren sind also zur Auffindung von Erdschlüssen bei einem in ίο Betrieb befindlichen Elektrolysesystem ungeeignet. Abb. 2 zeigt das Schaltbild des Elektrolysesystems mit angeschlossenem Tonfrequenzgenerator 6. Am dritten Ofen 4 befinde sich wieder ein Erdschluß von 20 Ω, am hundertsten Ofen 5 ein solcher von 60 Ω. Abb. 3 zeigt das Ersatzschaltbild der Abb. 2. Abb. 4 zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild. Der Tonfrequenzgenerator 6 habe eine Frequenz von 12 kHz; der induktive Widerstand des gesamten Elektrolysesystems beträgt bei einer Induktivität von 1 mH somit ao XZses=2π/·ί-=2·3;14· 12· 103· 1 · 10-3=74 Ω. Er liegt somit in der Größenordnung des ohmschen Widerstandes der Erden. Durch triviale Rechnung ergibt sich die im vereinfachten Ersatzschaubild dargestellte Stromverteilung. Der durch die am dritten Ofen 4 mit 20 Ω angenommene Erde fließende Strom beträgt 80°/» des zugeführten Stromes, während der verbleibende Reststrom nur 2Ofl/o desselben beträgt. Bei einer solchen Stromverteilung läßt sich mit geeigneten Wandlern und Empfängern eine klare Differenz vor und hinter dem Erdschluß feststellen, der somit aufgefunden ist. In der Praxis ist eine ungünstigere Verteilung der Erdschlüsse möglich, aber auch in diesen Fällen ist eine sichere Ortung der niedrigohmigen Erden mög-Hch, wenn die Frequenz bis etwa 5OkHz oder gegebenenfalls noch weiter gesteigert wird. Patentansprüche;

1. Verfahren zur Ortung von Erdschlüssen in einem in Betrieb befindlichen Elektrolysesystem mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Einzelzellen mittels einer der Gleichspannung überlagerten Prüfwecbselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüf spannung von so hoher Frequenz gewählt wird, daß der induktive Widerstand des Systems die Größenordnung des ohmschen Widerstandes der Erdschluß stellen erreicht und daß in an sich bekannter Weise die beim Vorhandensein von Erdschlüssen sich einstellenden Stromableitungen längs des Systems mit hochselektiven, induktiv wirkenden Empfängern gesucht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des hochfrequenten Stromes ein Tonfrequenzgenerator mit einem Frequenzbeneich von mindestens 3 kHz, vorzugsweise 12 bis 100 kHz, verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 417 678, 893 373.

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