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Thermische überlastungsschutzeinrichtung für elektrische Anlageteile
Die Erfindung betrifft eine thermische überlastungsschutzeinrichtung für elektrische
Anlageteile, welche die thermischen Eigenschaften durch elektrische Größen nachbildet.
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Wird ein Anlageteil überlastet, so besteht die Gefahr, daß seine Temperatur
mehr oder weniger rasch einen Wert überschreitet, welcher als Grenze des Zulässigen
betrachtet werden muß. Um bei einem solchen Zustand die Abschaltung der gefährdeten
Anlegeteile einzuleiten, werden diese bekanntlich mit temperaturabhängigen Auslöseorganen,
wie Temperaturfühlern, thermischen Abbildern oder Thermorelais ausgerüstet. Ein
Abschaltbefehl wird in diesen Fällen dann gegeben, wenn eine bestimmte, durch die
thermischen Glieder festgelegte Zeit verstrichen ist. Die Ablaufzeit entspricht
etwa der Zeit, während der der Anlageteil ohne Schaden zu nehmen überlastet werden
kann. Thermische Abbilder werden meist an Stromwandler angeschlossen und besitzen
Meßglieder, deren Zeitkonstante den thermischen Zeitkonstanten der zu schützenden
Anlageteile möglichst genau entsprechen. Sie können selbst aus thermischen Relais
bestehen, welche durch den Strom unmittelbar oder mittelbar über besondere Heizspulen
aufgeheizt werden. Sie können aber auch aus Widerstands-Kondensator-Gliedern bestehen,
wobei die Kondensatoren bis zur Erreichung einer bestimmten vorgeschriebenen Spannung
aufgeladen werden, welche der Höchsttemperatur entspricht. Diese Spannung bewirkt
dann über ein Relais die Auslösung des Schalters oder gibt eine entsprechende Meldung
weiter. Diese Abbilder können auch mehrstufig sein, derart, daß die thermischen
Verhältnisse beispielsweise zwischen dem Kupferdraht einer Wicklung und seiner Isolation
durch ein erstes RC-Glied und die Erwärmung zwischen der Isolation und dem umgebenden
Kühlmittel durch ein weiteres RC-Glied nachgebildet werden.
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Solche Abschaltungen könnten häufig vermieden werden, wenn der Überlastungszustand
schon von Anfang an bekannt wäre, und dadurch Maßnahmen zur Entlastung des gefährdeten
Anlageteiles ve.ranlaßt werden könnten, bevor die Abschaltung unvermeidlich geworden
ist. Diese Aufgabe stellt sich besonders in großen vermaschten Netzen, bei denen
der Einsatz von Generatoren, Transformatoren und Leitungen sowie der Verlauf der
Wirk- und Blindleistungen von einer zentralen Leitstelle aus gesteuert werden. Erfolgt
in einem System solcher Art an irgendeiner Stelle ein Kurzschluß, so muß er durch
den Kurzschlußschutz unverzüglich beseitigt werden. Die Folge davon kann eine Überlastung
von Anlageteilen, besonders in der Nähe der Kurzschlußstelle, sein. Greift die Leitstelle
nun nicht ein und sorgt für rasche Behebung der Überlastungen, so werden weitere
Abschaltungen unter der Einwirkung der thermischen Überwachungsorgane der betroffenen
Anlageteile die Folge sein. Dies wieder kann entsprechende Vorgänge an weiteren
Netzstellen nach sich ziehen. Um sachgemäß eingreifen zu können, müßte die Leitstelle
daher wissen, welche Anlageteile überlastet sind und wieviel Zeit noch zur Verfügung
steht, bis eine automatische Abschaltung durch die thermischen Überwachungsorgane
eintritt.
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Es ist bekanritgeworden, die Belastung von flüssigkeitsgekühlten elektrischen
Geräten im Verhältnis zur Temperatur des Kühlmittels anzuzeigen. Hierfür wird sowohl
die Temperatur des Kühlmittels als auch die Temperatur der Wicklung gemessen und
aus dem Verhältnis beider die noch vorhandene Restleistung bestimmt oder unmittelbar
abgelesen, welche dem elektrischen Gerät noch zugemutet werden kann. Bei Erniedrigung
der Temperatur des Kühlmittels also intensiverer Kühlung kann man erreichen, daß
die Nennleistung unbedenklich überschritten werden kann, ohne daß die vorgeschriebene
Höchsttemperatur erreicht wird. Diese Einrichtung ist daher dann von Vorteil, wenn
die Aufgabe besteht, zu wissen, wie weit man noch nicht überlastete Geräte weiter
belasten. darf. Diese Einrichtung kann aber nicht verwendet werden um festzustellen,
wie lange ein bereits überlastetes Gerät noch in Betrieb gehalten werden kann, ohne
daß der überlastungsschutz bereits auslöst. Der Überlastungsschutz hat in diesem
Falle
bereits angesprochen, und es ist zu erwarten, daß in einigen Minuten oder auch länger
oder kürzer eine Abschaltung erfolgt. In diesem Fall ist überhaupt keine Belastungsreserve
vorhanden, die soeben beschriebene Einrichtung nutzt dann nichts mehr. Vielmehr
ist es dem Lastverteiler wichtig zu wissen, wieviel Zeit er noch hat, um Reserveanlageteile,
Maschinen. andere Transformatoren, Einschalten oder Umschaltungen im Netzt vornehmen
zu können, bevor der Überlastungsschutz den Anlageteil abschaltet.
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Erfindungsgemäß wird daher eine thermische Überlastungseinrichtung
vorgeschlagen, bei der Mittel vorgesehen sind, welche am Beginn und während einer
Überlastung die Zeit bestimmen und melden, wie lange der Anlageteil noch in Betrieb
gehalten werden kann, bevor er seine höchstzulässige Temperatur erreicht.
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Solche Mittel können nun Einrichtungen sein, welche den Erwärmungszustand
eines Anlageteiles laufend überwachen, bei Eintritt einer Oberlastung desselben
ein Signal nach außen geben und dieses aufrechterhalten, solange der Überlastungszustand
besteht. Zugleich läßt man ein Rechenglied in Funktion treten, das ausgehend vom
jeweiligen Erwärmungszustand des Anlageteiles und unter Berücksichtigung seiner
Belastung unverzüglich die Zeit bestimmt, die bis zum Zeitpunkt, in dem die zugelassene
Höchsttemperatur erreicht würde, noch zur Verfügung steht. Auch diese wird nach
außen gemeldet. Diese Zeitberechnung wird laufend wiederholt, bis der Oberlastungszustand
beseitigt oder der überwachte Anlageteil abgeschaltet ist.
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In den Zeichnungen (F i g. 1 bis 3) sind Beispiele der Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Ist der überwachte Anlageteil ein Transformator, so läßt sich die Einrichtung
entsprechend F i g. 1 folgendermaßen verwirklichen: Zwei Thermoelemente 3 und 4
sind so in den Ölraum des Transformators 1 eingebaut, daß sie der mittleren oder
der höchsten Öltemperatur ausgesetzt sind. 3 ist unmittelbar vom Öl umspült, während
4
an der Heizwicklung eines wärmeisolierten Heizelementes liegt, das außen
der gleichen Öltemperatur ausgesetzt ist wie das erste Thermoelement 3, aber über
den Stromwandler 2 und den Hilfsstromwandler 5 erwärmt wird und seine Wärmeisolation
so bemessen ist, daß die Temperaturdifferenz zwischen Heizwicklung und Öl nach Größe
und zeitlichen Verhalten gleich ist wie diejenige zwischen dem Kupfer der überwachten
Wicklung und dem Öl. Die Thermoelementspannungen sind dann ein Maß für die Öltemperatur
und für die Temperatur des Wicklungskupfers. Ein überstromrelais 6, angeschlossen
an den Stromwandler 2 spricht an, sobald und solange der Wicklungsstrom den Dauerstromwert
überschreitet. Mit einem Kontakt schließt es den Signalstromkreis 10, und mit einem
zweiten Kontakt setzt es das Rechenglied 8 in Gang. Dieses arbeitet nach dem digitalen
Prinzip. Es ist so programmiert, daß es ausgehend von den Thermoelementspannungen,
sowie unter Berücksichtigung des Stromes in der Wicklung, der Wärmewiderstände und
Zeitkonstanten der Wärmeübergänge zwischen Kupfer und Öl und 0I und Kühlmittel
die Zeit bestimmt und nach außen meldet, welche vom Einsitzmoment der Rechnung bis
zum Zeitpunkt verstreichen müßte, in dem die Kupfertemperatur den zulässigen Grenzwert
erreichen würde. Diese Rechnung kann nur einmal, bei Eintritt der Überlastung durchgeführt,
in regelmäßigen zeitlichen Abständen oder laufend, also unmittelbar nach Ablauf
jedes Rechnungsganges wiederholt werden, bis die Überlastung verschwunden ist oder
der Transformator abgeschaltet wurde. Mit 7 sind Verstärker bezeichnet, welche die
Thermospannung auf den für das Rechenglied 8 erforderlichen Wert verstärken. Die
Meldeleitung des Rechengerätes, über die der jeweilige Zustand an eine Zentralstelle
gemeldet wird, ist mit 11 bezeichnet. 9 ist das Temperaturrelais, das nach Erreichen
der gerade noch zulässigen Höchsttemperatur den Auslösebefehl für die Schalter des
Transformators gibt.
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In F i g. 2 ist eine Anordnung dargestellt, welche zur Feststellung
der Temperatur ein thermisches Abbild 7 mit dem zu schützenden Anlageteil entsprechenden
Zeitkonstanten und ein zweites thermisches Abbild 15 verwendet, dessen Zeitkonstawen
kleiner sind als beim ersten Abbild. Hierdurch wird erreicht, daß die der gerade
noch zulässigen Temperatur entsprechende Spannung erheblich früher an den Kondensatoren
18 und 19 entsteht als bei dem ersten Abbild bzw. bei dem Anlageteil
selbst. Die Zeit nun, bis zu der diese hohe Spannung an den Kondensatoren
18 und 19 entsteht, kann in dem Zeitglied 25 gemessen werden und ist
proportional der Zeit, die notwendig wäre. um den Anlageteil abzuschalten. Diese
Zeit kann nun an einer Zentralstelle, an die Warte eines Kraftwerkes oder an die
Lastverteilerstelle eines Netzes über die Leitung 26 gegeben werden, und gibt dort
gleich umgerechnet die noch verbleibende Zeit an. bis zu der die Abschaltung erfolgt.
Man kann dann hiernach sich einrichten, welchen Netzteil man zuschaltet. Je größer
die Zeit ist, um so sorgfältiger kann die Zuschaltung überlegt und durchgeführt
werden, eventuell sogar eine Maschine in Betrieb genommen werden. Im einzelnen ist
die Wirkungsweise folgende: Mit 1 ist der Anlageteil dargestellt, welcher
von der Sammelschiene 2 über den Schalter 3 gespeist wird. Er kann ein Transformator,
eine Leitung oder auch ein Generator sein. Zwischen dem Schalter 3 und dem Anlageteil
1 liegt der Stromwandler 4. Dieser wird mit einer Gleichrichteranordnung
5 verbunden, welche den Wechselstrom gleichrichtet. Der gleichgerichtete Strom wird
dann an den Widerstand 6 geführt, an dem eine bestimmte stromproportionale Spannung
entsteht. Diese Spannung wird über einen Verstärker 38 an das thermische Abbild
7 geführt. Der Verstärker hat die Aufgabe, die quadratische Abhängigkeit der Erwärmung
vom Strom nachzubilden; er übersetzt die lineare Änderung des Stromes in eine quadratische.
Das thermische Abbild 7 besteht aus den Kondensatoren 8 und 9 und den Widerständen
10,11 und 31. Ferner wird dort noch eine konstante aber einstellbare
Spannung 12 zugeführt, welche die Umgebungstemperatur berücksichtigen soll. Die
am Ausgang des Verstärkers 38 erscheinende Spannung wird mit U, bezeichnet.
Diese versucht über den Widerstand 31 den Kondensator 8 und gleichzeitig über den
Widerstand 10 den Kondensator 9 aufzuladen. Die Spannung, welche am Kondensator
8 auftritt, ist nun proportional der Temperatur am zu schützenden Anlageteil. Die
Zeit wird bestimmt durch die Widerstände 10 und 31 sowie die Kondensatoren
8 und 9. Die am Kondensator 8 auftretende Spannung ist mit Uz bezeichnet.
Erreicht
diese Spannung eine bestimmte Höhe, welche der höchst zulässigen Temperatur entspricht,
so spricht das Relais 13 an und schaltet den Schalter 3 über den Auslöser 14 aus.
Um nun die Zeit vorher festzustellen, bevor der Schalter auslöst, werden über den
Schließkontakt 28 die Spannung U, welche also dem Quadrat des durch den Anlageteil
hindurchfließenden Stromes proportional ist, über den Widerstand 32, und die am
Kondensator 8 und 9 entstehenden Spannungen U., und U3 über die Kontakte 22 und
23 einem weiteren thermischen Abbild 15 zugeführt. Dieses besteht ebenfalls aus
Kondensatoren und Widerständen. Die Widerstände sind 16 und 17 und können etwa die
gleiche Größe haben wie beim ersten Abbild 7. Die Kondensatoren 18 und 19 dagegen
müssen einen erheblich kleineren Wert als die Kondensatoren 8 und 9 besitzen. Die
Zeitkonstante dieses Abbildes ist daher kleiner, und an dem Kondensator 18 entsteht
eine Spannung U4, die erheblich schneller anwächst als die Spannung Uz. Das Anwachsen
dieser Spannung wird ebenfalls durch die zugeführte Spannung U, erreicht.
Das zweite Abbild ist über die Kontakte 22 und 23 angeschlossen, wobei der Kontakt
28 zunächst offenbleibt. An den Kondensatoren 18 und 19 liegen dann zunächst die
gleichen Spannungen U., und U,, wie an den Kondensatoren 8 und 9. Um nun eine Messung
der jeweiligen Temperatur am Beginn und während der überlastung vornehmen zu können,
werden über eine Steuereinrichtung 21, beispielsweise durch den Druckknopf 24 von
einer Zentrale aus die Kontakte 22 und 23 geöffnet und der Kontakt 28 geschlossen.
Die Einschaltung kann natürlich auch selbsttätig erfolgen, beispielsweise wie in
der F i g. 1 durch ein Überstromrelais, das bei jeder Überlastung sofort anspricht.
Dadurch wird die stromproportionale Spannung U1 über den Widerstand 32 an das zweite
Abbild gegeben. Dies arbeitet nun in gleicher Weise wie das erste Abbild, nur mit
kürzerer Zeit, so daß am Kondensator 18 die Spannung U4 rasch anwächst. Es muß nun
die Zeit festgestellt werden, welche zwischen der Umschaltung des zweiten Abbildes
15 und dem Entstehen des Wertes der Spannung U4 verfließt, welche der zulässigen
Temperatur entspricht. Hierzu wird die Zeitmeßeinrichtung 25 benutzt, welche zugleich
mit dem Abbild 15 über den Kontakt 33 eingeschaltet ist und nach Erreichen dieses
Wertes der Spannung U4 über das Relais 20 wieder ausgeschalt wird. Diese so gemessene
Zeit wird dann über die Leitung 26 an die betreffende Zentralstelle gegeben, wo
sie als die Zeit, bis zu der der Anlageteil noch in Betrieb bleiben kann, angegeben
wird.
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Man kann nun das zweite Abbild 15 auch in der Weise betätigen, daß
in bestimmten Abständen das Abbild 15 umgeschaltet wird und laufend eine Meldung
an die Zentralstelle gegeben werden kann. Hierzu benutzt man die Impulseinrichtung
27, welche sofort beim Auftreten eines Überstromes oder auch von einer Zentralstelle
von Hand aus eingeschaltet werden kann. Diese erzeugt Impulse, welche die Steuereinrichtung
21 periodisch betätigen, wobei die Abstände der Impulse so groß sein müssen, daß
zwischen ihnen die für die Entstehung der Spannung U4 notwendige Zeit verstreichen
kann. Es wird also dann im Takt dieser Impulse eine Meldung über das Zeitglied 25
an die Zentralstelle gegeben.
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Das erste Abbild kann, ähnlich wie in F i g. 1 dargestellt, auch aus
mehreren Thermoelementen bestehen, die ihre Spannung über Verstärker an das zweite
Abbild 15, das wie in F i g. 2 geschaltet ist, geben.
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Natürlich kann auch die digitale Anordnung der F i g. 1 mit einem
ersten Abbild nach F i g. 2 verbunden sein.
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Eine weitere Möglichkeit deutet die F i g. 3 an. Dort sind wie bei
F i g. 1 die Thermoelemente unmittelbar in das zu messende Medium gesteckt. Die
jeweiligen in Thermogliedem 34 und 35 erzeugten Spannungen werden dem Digitalrechengerät
28 zugeführt. Dort wird nun nach Einschalten durch das Steuergerät 21 die jeweilige
Spannung festgestellt, die in bekannter Weise im Rechengerät gespeichert wird; dann
wird nach einer festgesetzten Zeit, beispielsweise einer Sekunde, der Kontakt 36
und 37 geschlossen und die Spannung noch einmal gemessen. Die Differenz beider Spannungen
ist dann ein Maß der Erwärmung. Das Gerät ist so durch 29 programmiert, daß es aus
dieser Differenz der Spannungen die Zeit bestimmen kann, nach welcher die höchst
zulässige Temperatur erreicht wird. Diese wird dann über die Leitung 30 an eine
Zentralstelle weitergegeben.
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Mit den angegebenen Anordnungen, welche nur als Beispiele dienen,
kann nun eine Schutzeinrichtung geschaffen werden, welche den großen Vorteil besitzt,
jederzeit, nach Eintritt eines Fehlers sofort feststellen zu können, welche Anlageteile,
Leitungen, Transformatoren oder Generatoren überlastet sind und wie lange diese
Anlageteile noch in Betrieb bleiben können. Man kann die Einrichtungen von der Zentralstelle
aus steuern, man kann sie auch selbsttätig den jeweiligen Zustand melden lassen,
je nach der gewählten Steuerung. Der Lastverteiler hat dabei die Möglichkeit, bestimmen
zu können, wo es am nötigsten ist, neue entlastende Anlageteile zuzuschalten und
damit die Überlastung zu beseitigen, bevor eine Abschaltung erfolgt.