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Elektrische Temperaturüberwachungseinrichtung, insbesondere zum überwachen
der Temperatur elektrischer Starkstrom-und Hochspannungskabel Zur Überwachung der
Betriebstemperatur elektrischer Kabel ist es bekannt, in Abständen längs des Kabels
oder im Kabel selbst Thermometer anzubringen, die durch Fernanzeige beobachtet werden.
Eine solche Anzeige erfaßt aber nur die Temperatur an den Stellen, an denen sich
die Thermometer befinden, und erfordert überdies, insbesondere bei langen Kabeln,
einen erheblichen Aufwand. Es sind auch zur Überwachung elektrischer Kabel und anderer
Gegenstände, z. B. als Feuermelder in Gebäuden, Meßleitungen bekannt, die entweder
einen Leiter oder eine Isolierung aufweisen, die bei einer bestimmten Temperatur,
bei deren Überschreitung eine Gefahr für das zu überwachende Objekt zu erwarten
ist, schmelzen und ein elektrisches Signal auslösen. Diese Leitungen haben den Nachteil,
daß sie jedesmal an den Stellen, an denen die Temperaturerhöhung stattfindet, eine
irreversible Veränderung erfahren. Sie müssen daher nach jeder Signalauslösung zum
mindesten stellenweise ausgewechselt werden. Zur tÇberwachung der Wickeltemperatur
einer elektrischen Maschine hat man ferner auf der Außenfläche oder im Innern der
Maschinenwicklung eine Meßleitung angebracht, deren Widerstandsänderung in einer
Widerstandsbrückenschaltung zur Temperaturanzeige ausgenutzt wird. Mit dieser Anordnung
läßt sich aber nur jeweils die mittlere Temperatur des Prüfobjektes erfassen. Weiterhin
ist eine elektrische Temperaturüberwachungseinrichtung bekannt, die sich eines als
üblicher Kondensator, z. B. als kurzer Zylinderkondensator oder als Wickelkondensator,
ausgebildeten Meßkörpers bedient, der zwischen den als Elektroden dienenden metallischen
Belegungen ein Dielektrikum von temperaturabhängiger Kapazität besitzt. Dabei wird
die Temperatur dieses Meßkondensators mit Hilfe zweier parallel geschalteter Resonanzkreise
bestimmt, von denen der eine den Meßkondensator und der andere einen abstimmbaren
und in Temperaturgraden eichbaren Vergleichskondensator enthält. Mit dieser Anordnung
läßt sich wiederum nur die Temperatur des Meßkondensators, also nur die Temperatur
an einer örtlich eng begrenzten Stelle, bestimmen, nämlich an der Stelle, an der
sich der örtlich eng begrenzte Meßkondensator befindet. Darüber hinaus ist es nicht
einmal möglich, irgendwelche Temperaturunterschiede innerhalb des Meßkondensators
festzustellen, z. B. wenn sich dessen Enden auf verschiedenen Temperaturen befinden.
Es wird immer nur die mittlere Temperatur dieses Kondensators gemessen. Wollte man
daher mit dieser bekannten Anordnung die Temperaturverteilung längs eines ausgedehnten
Objektes, z. B. längs eines elektrischen
Kabels, überwachen, dann müßte man schon
eine Vielzahl solcher Meßkondensatoren in genügend kleinen Abständen anordnen und
zur Messung ihrer Kapazität einzeln mit Meßgeräten oder nacheinander mit einem gemeinsamen
Meßgerät über getrennte Leitungen verbinden, was einen außerordentlich hohen Aufwand
bedeuten würde.
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Bei der elektrischen Temperaturüberwachungseinrichtung nach der Erfindung
wird ebenfalls ausgegangen von einem Meßkörper, der zwischen EIektroden ein Dielektrikum
besitzt, dessen Dielektrizitätskonstante sich in Abhängigkeit von der Temperatur
ändert. Erfindungsgemäß hat zur Überwachung von Ort und Größe der Temperaturänderung
des zu überwachenden Objektes der Meßkörper die Form einer an sich bekannten isolierten
elektrischen Leitung, und diese ist an eine an sich bekannte, auf elektrische Stoßstellen
ansprechende Echo einrichtung angeschlossen.
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In dieser Meßleitung nach der Erfindung bilden sich an den Stellen,
an denen die Temperatur von derjenigen der benachbarten Leitungsabschnitte abweicht,
dielektrische Stoßstellen aus, die für elektrische Wellen, die in die Leitung geschickt
werden, als Refiexionsstellen wirken und mit der Echoeinrichtung, z. B. einem Impulsreflektographen,
nachgewiesen und geortet werden können. Gleichzeitig läßt sich dabei aus der Größe
des reflektierten Impulses auch der Betrag der an irgendeiner Stelle der Meßleitung
vorhandenen höheren oder tieferen Temperatur bei vorhergehender Eichung des Meßgerätes
in ausreichendem
Maße feststellen. Infolge dieser Eigenschaft,
gleichzeitig die Stellen abweichender Temperatur orten und die dort herrschende
Temperatur ermitteln zu können, eignet sich die Einrichtung nach der Erfindung insbesondere
zur Überwachung von Objekten größerer Längenausdehnung, wie z. B. von elektrischen
Starkstrom- oder Hochspannungskabeln.
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Der technische Aufwand ist dabei erheblich kleiner, als es mit den
bekannten Einrichtungen zur Temperaturüberwachung so ausgedehnter Objekte erforderlich
wäre.
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Vorzugsweise werden für die Einrichtung nach der Erfindung Meßleitungen
verwendet, deren Isolierung aus einem festen Stoff besteht, dessen Dielektrizitätskonstante
sich in dem zu überwachenden Temperaturgrenzgebiet relativ stark ändert. Geeignete
elektrische Isolierstoffe sind z. B. thermoplastische Kunststoffe mit oder ohne
Weichmacherzusatz. Vorteilhaft besteht eine solche Isolierung aus Polyvinylchlorid,
dem Weichmacher, z. B. Trikresylphosphat, zugesetzt sein können. Im übrigen kann
die Meßleitung wie eine übliche isolierte elektrische Leitung aufgebaut sein.
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Die Leiter sind jedoch vorteilhafterweise konzentrisch angeordnet.
Ein besonderer Mantel ist nicht in allen Fällen erforderlich.
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Die Meßleitung wird zweckmäßig neben oder in der Nähe des zu überwachenden
Objektes, vorteilhaft in gut wärmeübertragender Verbindung mit diesem, angeordnet.
Zur Überwachung elektrischer Kabel kann die Meßleitung neben dem Kabel in der Erde
oder im gleichen Kabelkanal verlegt sein. Bei mehreren parallel nebeneinanderliegenden
Kabeln können auch eine oder mehrere Meßleitungen gemeinsam mit diesen Kabeln verlegt
sein. Die Meßleitungen können aber auch im Kabel selbst angeordnet sein, z. B. im
Leiter oder, bei mehradrigen Kabeln, in den Zwickeln zwischen den einzelnen Adern.
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Die erfindungsgemäß verwendete Meßleitung ist für beliebig häufige
Benutzung geeignet, da die durch eine Temperaturänderung geänderte Dielektrizitätskonstante
bei Erreichen der jeweiligen Ausgangstemperatur jeweils wieder ihren ursprünglichen
Wert annnimmt. Es kommt allerdings darauf an, daß die Meßleitung im Betriebe keine
Formänderungen erfährt, welche an sich schon eine bleibende Änderung ihrer elektrischen
Eigenschaften zur Folge hat. Solche Formänderungen können beispielsweise durch Druckbeanspruchungen
oder dann eintreten, wenn die Meßleitung im Betriebe Temperaturen erreicht, bei
denen der Isolierstoff der Meßleitung bereits stark erweicht.
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Um dies zu verhindern, empfiehlt es sich, in die Meßleitung abstandhaltende
Mittel aus einem formbestängeren elektrisch isolierenden Stoff einzubauen. Beispielsweise
können solche Abstandhalter die Form offener Wendeln haben, welche den gegenseitigen
Abstand der Leiter sicherstellen. Für Temperaturen bis unterhalb 1300 C können sie
beispielsweise aus Polykarbonaten, für noch höhere Temperaturen beispielsweise aus
einem fluorierten Kohlenwasserstoff oder einem Silikon bestehen.
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Wenn die Meßleitung überall die gleiche Temperatur aufweist, sind
keine elektrischen Stoßstellen vorhanden, und die Echoeinrichtung zeigt nichts an.
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Die Überwachungseinrichtung würde in diesem Falle auch dann nicht
ansprechen, wenn die Temperatur der Meßleitung die in dem betreffenden Beispiel
zulässige Grenze, beispielsweise die höchste oder niedrigste zulässige Betriebstemperatur
eines zu über-
wachenden Objektes oder eine dieser entsprechende Temperatur, über-
bzw. unterschreiten würde. In solchen Fällen ist es aber immer möglich, mit Hilfe
einer zusätzlichen, an sich bekannten Einrichtung die gesamte Kapazität der Meßleitung
zu bestimmen, die sich ja in gleichem Maße wie die Dielektrizitätskonstante des
Isolierstoffes ändert, und aus der Änderung der Gesamtkapazität der Meßleitung deren
Temperatur zu ermitteln. In gleicher Weise kann man auch die mittlere Temperatur
der Meßleitung bestimmen, wenn örtliche Temperaturunterschiede oder Temperaturänderungen
vorhanden sind.
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Die Erfindung bietet weiterhin die Möglichkeit, die höchste an irgendeiner
Stelle der Meßleitung herrschende Temperatur genau zu bestimmen, indem die Glimmeins
atzspannung der Meßleitung gemessen wird. Die Glimmeinsatzspannung verschiebt sich
nämlich mit steigender Dielektrizitätskonstanten der Meßleitung nach kleineren Spannungen
hin, da sich die Feldstärke in gasgefüllten Hohlräumen der Isolierung proportional
mit der Dielektrizitätskonstanten ändert. Zu diesem Zweck ist in einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung die Isolierung der Meßleitung derart ausgebildet, daß
sie gas gefüllte Hohlräume von im wesentlichen regelmäßiger Größe und Anordnung
aufweist. Vorzugsweise sind dabei diese gasgefüllten Hohlräume ganz oder überwiegend
an der Stelle der Meßleitung angeordnet, an der die elektrische Feldstärke am größten
ist, bei einer konzentrischen Meßleitung also unmittelbar über dem Innenleiter.
Beispielsweise kann die Isolierung der Meßleitung ganz oder in Form einer oder mehrerer
konzentrischer Zonen aus einem möglichst regelmäßigen, elektrisch isolierenden Schaumstoff
bestehen. Am genauesten läßt sich die Temperatur ermitteln, wenn die gasgefüllten
Hohlräume völlig gleichmäßig groß sind. Zu diesem Zweck sind vorteilhaft, vorzugsweise
unmittelbar über dem Leiter, mindestens zwei Lagen aus isolierendem Band gewickelt,
von denen zum mindesten die innere Lage mit gasgefüllten Fugen gewickelt ist.
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Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 schaubildlich die Abhängigkeit der
Dielektrizitätskonstanten von der Temperatur, beispielsweise für Polyvinylchlorid
allein und mit verschiedenen Gehalten an Trikresylphosphat.
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Die Erfindung ist an Hand der Fig. 2 bis 10 an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In Fig. 2 bis 5 sind schematisch drei Ausführungsbeispiele der
Meßleitung im Längsschnitt dargestellt. Die Fig. 6 bis 10 zeigen die gesamte Überwachungseinrichtung
und deren Wirkungsweise.
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Man erkennt aus Fig. 1, daß sich beispielsweise bei Polyvinylchlorid
die Dielektrizitätskonstante in einem Temperaturbereich, dessen Lage jeweils von
dem verwendeten Weichmachergehalt abhängt, stark ändert.
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Diese Änderungen sind groß genug, um in einer Meßleitung, die mit
diesem Stoff isoliert ist, bei einer in einen solchen Bereich fallenden Temperaturerhöhung
zur Ausbildung hinreichend definierter Reflexionsstellen gegenüber elektrischen
Wellen zu führen, so daß sich diese Stellen mit Hilfe einer Echoeinrichtung, etwa
eines Impulsreflektographen, ausmessen lassen. Beträgt z. B. bei einem zu überwachenden
Kabel die im Dauerbetrieb zulässige Temperatur der Kabelumgebung 400 C, so kann
zweckmäßig für die Meßleitung eine Mischung mit 30 0in Trikresylphosphat gewählt
werden. Bei einer Überschreitung der zulässigen Temperatur um 100 C ändert sich
dann
die Dielektrizitätskonstante um das 1,4fache, bei einer Temperaturerhöhung
um 200 C um das 1,7fache und bei einer Temperaturerhöhung um 300 C um das 1,9fache.
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Die Meßleitung besteht gemäß Fig. 2 aus dem Innenleiter 1, der Isolierung
2 und dem Außenleiter 3, wobei der Außenleiter zugleich den Mantel der Meßleitung
darstellt. Die Isolierung 2 ist beispielsweise aus Polyvinylchlorid mit oder ohne
Weichmacherzusatz hergestellt.
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Von der Meßleitung der Fig. 2 unterscheidet sich die Ausführungsform
der Fig. 3 dadurch, daß die Isolierung 2 als Abstandhalter zwischen Innen- und Außenleiter
eine offene Wendel 4 enthält, die beispielsweise aus fluoriertem Kohlenwasserstoff
besteht.
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Durch diese Wendel wird die Meßleitung formbeständiger.
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Die Meßleitungen nach Fig. 4 und 5 dienen gleichzeitig dazu, aus
der Bestimmung der Glinuneinsatzspannung die örtlich erhöhte Temperatur der Meßleitung
genauer zu ermitteln. Zu diesem Zweck ist gemäß Fig. 4 unter der wie gemäß Fig.
2 aufgebauten Isolierung 2 und über dem Innenleiter 1 eine konzentrische Isolierschicht
5 aus regelmäßigem isolierendem Schaumstoff, z. B. aus geschäumtem Polyvinylchlorid,
angeordnet. Bei der Meßleitung nach Fig. 5 sind über dem Innenleiter 1 zwei Lagen
6 und 7 aus isolieren dem Band mit Fuge gewickelt. Während dabei die Fugen 9 der
zweiten Lage beim Aufbringen der Isoleerung 2 von dieser ausgefüllt werden, bleiben
die Fugen 8 des Bandes 6 frei und mit Luft gefüllt und bilden so einen genau definierten
gas gefüllten Hohlraum innerhalb der Isolierung.
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In Fig. 6 ist schematisch der Anschluß eines Impulsreflektographen
10 an den Innenleiter 1 und den Außenleiter 3 der Meßleitung von der Länge A-E dargestellt.
Die aus dem Gerät kommenden Impulse laufen auf dem Innenleiter in die Meßleitung
hinein, und die reflektierten Anteile kommen zurück in das Gerät und werden auf
dessen Oszillographenschirm sichtbar gemacht. Es entsteht das Oszillogramm der Fig.
7, nämlich eine gerade Linie mit dem Eingangsimpuls IA und dem am Ende der Meßleitung
reflektierten Impuls IE, wenn sich die Meßleitung auf ihrer ganzen Länge auf gleicher
Temperatur befindet und demnach in der Isolierung der Meßleitung keine Inhomogenitätsstellen
vorhanden sind. Fig. 8 zeigt für diesen Fall graphisch die Verteilung der Temperatur
T der Meßleitung über ihre Länge A-E. Ändert sich die Temperaturverteilung der Meßleitung,
dann ändert sich in entsprechendem Maße auch das Oszillogramm. Es entsteht beispielsweise
das Oszillogramm der Fig. 9 mit zwei zusätzlichen Impulsen I, und 12, wenn an zwei
Stellen der Meßleitung gemäß der graphischen Darstellung der Fig. 10 die erhöhten
Temperaturen Tz und T2 auftreten. Die Höhe dieser Impulse ist ein praktisch ausreichendes
Maß für die Lage der Stellen erhöhter Temperatur von den Enden der Meßleitung aus
gemessen.
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Aus der Höhe der reflektierten Impulse und deren Abstand vom Eingangsimpuls
bzw. von dem am Ende der Meßleitung reflektierten Impuls lassen sich also
Schlüsse
auf den Ort der Stellen höherer oder tieferer Temperatur und auf die örtlichen Temperaturwerte
ziehen.