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Einrichtung zur Messung der örtlichen Temperaturen hochspannungsführender
Bauteile, insbesondere Transformatorwicklungen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Messung von Temperaturen einzelner Stellen oder einzelner Teilgebiete von hochspannungsführenden
Bauteilen, insbesondere bei Transíormatorwicklungen mit lloch-oder Höchstspannung,
sowie zur gleichzeitigen oder schrittweisen Messung dieser Temperaturen an vielen
Stellen eines Transformators oder einer anderen elektrischen Einrichtung.
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Bei den Bestrebungen um eine wirtschaftlichere Ausbildung elektrischer
Einrichtungen für Hochspannung und insbesondere bei den Bemühungen um die Verkleinerung
der Ausmaße und der Gewichte von Transformatoren für Hoch-und Höchstspannung und
um deren bessere Ausnutzung im Betrieb ist es störend, daß die Temperaturen der
einzelnen wichtigen Stellen der aktiven und der tragenden Teile dieser Einrichtungen
im Betrieb oder im betriebsmäßigen Zustand im Prüffeld nicht auf einfache Weise
gemessen werden können.
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Dadurch befindet sich die Entwicklung von Transformatoren und anderen
elektrischen Einrichtungen für Hoch-und Höchstspannung im Nachteil gegenüber der
Entwicklung auf anderen Gebieten der Starkstromtechnik, insbesondere von rotierenden
elektrischen Maschinen, bei denen es schon seit langem üblich ist, Temperaturfühler
in verschiedene Stellen der Wicklung und des aktiven Eisens sowohl der Erstausführungen
als auch der in Reihenfertigung hergestellten Maschinen einzubauen.
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Die Ursache, warum ähnliche Messungen bisher bei Transformatoren
für Hoch-und Höchstspannung und auch bei anderen mit solchen Spannungen arbeitenden
elektrischen Einrichtungen weder üblich noch möglich waren, liegt in der Tatsache,
daß die bisher bekannten Verfahren, die funktionsmäßig für solche Messungen geeignet
wären, nicht ohne Metall-oder sonstige stromleitende Bestandteile sowohl in den
eigentlichen Fühlern als auch in den Verbindungsleitungen von den gemessenen Stellen
zum Anzeige-oder Registriergerät ausführbar sind. Die Forderung der Betriebssicherheit
von Transformatoren oder anderen Hochspannung führenden Einrichtungen (mit Ausnahme
solcher, deren Betriebsspannung in der Nähe der unteren Grenze des Begriffes » Hochspannun
« liegt) schließt aber die Verwendung fremder Metallbestandteile in der Nähe von
hochspannungsführenden Bauteilen aus. Bei Transformatoren mit Höchstspannung kommt
noch die Bedingung hinzu, daß die Teile der Meßeinrichtung, welche in den Wirkungsbereich
der Höchstspannung hineinragen, aus Isolierstoffen mit sehr kleinen dielektrischen
Verlunten bestehen müssen, deren Dielektrizitätskonstan-
ten den Werten der Dielektrizitätskonstanten
des Isoliermaterials bzw. des Isolier-und Kühlmittels des Transformators möglichst
nahekommen.
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Die örtlichen Temperaturen wichtiger Stellen der Wicklungen von Erstausführungen
werden manchmal bei der Erwärmungsprüfung im Kurzschlußzustand mittels Thermoelementen
bestimmt, die im voraus in die Wicklungen eingebaut wurden. Die wirkliche tZbertemperatur
dieser Stellen im Betrieb kann aber auch dann nur schätzungsweise bestimmt werden,
und zwar dadurch, daß zu den im Kurzschlußzustand festgestellten tXbertemperaturen
der einzelnen Stellen der Wicklung der abgeschätzte, durch die Eisenverluste verursachte
Temperaturzuwachs dieser Stellen addiert wird. Die Richtigkeit der auf diese Weise
gewonnenen Ergebnisse wird noch dadurch herabgesetzt, daß die Strömung des Kühlmittels
(z. B. des ) ls) im Betrieb insbesondere bei Transformatoren
mit
natürlicher Zirkulation des Kühlmittels sehr von der Strömung im Kurzschlußzustand
abweicht. Der Hauptnachteil dieses VeRahrens zur Messung der örtlichen Temperaturen
besteht jedoch darin, daß die Thermoelemente nach der Kurzschlußprüfung aus der
Wicklung entfernt werden müssen. Auf diese Weise können deshalb nur die örtlichen
Temperaturen der äußeren Wicklung bzw. der äußeren Schicht der äußeren Wicklung
gemessen werden, wobei die Kenntnis der örtlichen Temperaturen der inneren Wicklung
bzw. der inneren Wicklungen viel wichtiger zu sein pflegt, als die Kenntnis der
örtlichen Temperaturen der äußeren Wicklung.
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Es sind bereits Meßverfahren zur Bestimmung der örtlichen Temperaturen
von TransformatonvicMungen bekannt, bei denen ein Widerstandsthermometer, welches
in die Wicklung eingebaut ist, als Fühler verwendet wird. Es wird über einen gesonderten
Isoliertransformator gespeist. Diese Verfahren können nur bei solchen Wicklungen
wirtschaftlich angewendet werden, bei denen die Spannung an der unteren Grenze des
Begriffes » Hochspannung « liegt. Bei Wicklungen für höhere Spannungen können diese
Verfahren nur in Bereichen angewendet werden, die in der Nähe der geerdeten Wicklungsstellen
liegen.
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Diese Verfahren eignen sich also nicht zur Messung von Temperaturen
an beliebigen Stellen der Wicklung oder an einer größeren Anzahl von Stellen derselben
Wicklung.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren werden die örtlichen Temperaturen
der Enden der Wicklungen durch in diese Enden eingebaute Thermoelemente gemessen,
wobei die Leiter der Thermoelemente zusammen mit dem aktiven Leiter, mit dem sie
das gleiche Potential besitzen. durch die Durchführung aus dem Transformator herausgeführt
werden. Das Anzeigegerät (ein Mill*oltmeter) ist unmittelbar an der Durchführung
angeordnet und muß z. B. mittels eines Fernglases abgelesen werden. Es ist klar,
daß auf diese Weise bloß die Temperaturen der Enden der Wicklungen gemessen werden
können.
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Es sind auch Verfahren zur Messung der Temperaturen von Hochspannungswicklungen
bekannt, die den Zuwachs des Widerstandes der Wicklung mit Hilfe eines überlagerten
Gleichstromes messen. Mit diesen komplizierten Verfahren können jedoch nicht die
örtlichen Temperaturen gemessen werden, sondern bloß die mittleren Werte der Temperatur
z. B. einer ganzen Phase.
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Ein weiterer bekannter Vorschlag besteht darin, daß die Spulen der
Wicklung an den Stellen, deren Temperatur gemessen werden soll, von öl-und wärmedichten
Kästen aus Isolierstoff umgeben sind, aus denen Steigrohre über den Deckel des Transformatorkessels
herausgeführt werden. Die Temperatur der Wicklung soll dann entweder durch Ablesung
des Ölstandes in den herausragenden Enden der Steigrohre bestimmt werden, oder es
können an die Steigrohre Anzeigegeräte oder Schutzrelais angeschlossen werden, welche
auf die Druck-oder Lagenänderungen des Öls ansprechen, die durch die Wärmedehnung
des Inhalts der die Wicklung umfassenden Kästen entstehen. Dieser an sich sinnreiche
Vorschlag konnte sich praktisch wohl vor allem deshalb nicht einführen, weil die
Erfüllung der Bedingung des dauernd vollkommen öldichten Anschlusses der die Spulen
umgebenden Kästen an die Leiter der Spulen auf unüberwindliche Schwierigkeiten stößt.
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Die Unmöglichkeit der Messung der örtlichen Temperaturen von Transformatorwicklungen
hat zur Entwicklung der sogenannten Wärmeabbilder oder Temperaturabbilder geführt,
die mit Wärmequellen und Wärmekapazitäten ausgerüstet sind, welche den Verlusten
im Transformator und den Wärmekapazitäten seiner einzelnen Teile entsprechen. Diese
Temperaturabbilder sollen dem Leiter des Energiebetriebes (Lastverteiler u. dgl.)
in jedem Augenblick die Temperaturen der wärmsten Stellen, insbesondere der wichtigen
großen Transformatoren angeben ; diese Meßwerte sollen ihm dann als Grundlage für
die wirtschaftliche Ausnutzung der Transformatoren in den verschiedenen Betriebszuständen
des energetischen Systems dienen. Der Nachteil der Temperaturabbilder besteht bisher
darin, daß sie nur auf Grund der Wärmeberechnung des Transformators eingestellt
werden können, da ihre Einstellung auf Grund der tatsächlichen Temperaturen der
wärmsten Stellen des Transformators nicht durchführbar ist, solange diese tatsächlichen
Temperaturen nicht gemessen werden können, also unbekannt sind.
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Da die Wärmeberechnung der Transformatoren bisher unsicher ist, sind
die Wärmeabbilder, sofern sie überhaupt angewendet werden, vorsichtshalber gewöhnlich
auf eine höhere Temperatur eingestellt, als den Ergebnissen der Temperaturberechnung
der heißesten Stellen entspricht. Dies führt aber zur unvollkommenen Ausnutzung
der Transformatoren im Betrieb. Außerdem können Wärmeabbilder für Transformatoren
mit mehr als zwei Wicklungen und für spezielle Transformatoren, z. B. für Lokomotivtransformatoren
u. a., kaum in zufriedenstellender Weise entwickelt und eingestellt werden.
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Dasselbe gilt im wesentlichen auch für das bekannte Verfahren der
indirekten Messung der Temperatur der heißesten Stelle der Wicklung eines O1-transformators,
bei dem der statische und dynamische Druck des Ols in dem Rohr gemessen wird, das
den Transformator mit dem Konservator verbindet.
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Es wäre für die Entwicklung von großen Transformatoren mit hoher
Ausnutzung des aktiven Materials wertvoll, wenn es möglich wäre, die tatsächliche
Verteilung der örtlichen Temperaturen in der Richtung der Länge (Höhe) der einzelnen
Wicklungen des Transformators bzw. auch längs ihres Umfanges zu messen. Man könnte
dann zuverlässig feststellen, wo sich die heißesten Stellen der einzelnen Wicklungen
(die sogenannten hot spots) befinden, ob ihre tXbertemperatur den zulässigen Wert
vom Standpunkt der geforderten Lebensdauer der Isolation nicht überschreitet, ob
irgendwelche Stellen (insbesondere an den inneren Wicklungen, an den Anschlußstellen
von Anzapfungen u. dgl.) nicht ungenügend gekühlt sind, ob irgendwo unzulässig hohe
Erwärmungen infolge lokaler Konzentrierung von Zusatzverlusten auftreten u. dgl.
In ähnlicher Weise könnten auch die Wirkungen von Maßnahmen festgestellt werden,
welche die Verminderung solcher zu hoher örtlicher Temperaturen bezwecken. Andererseits
würde die tatsächliche Messung der örtlichen Temperaturen zeigen, ob die tYbertemperaturen
des aktiven Materials in manchen Gebieten, z. B. in den unteren Teilen von Transformatorwicklungen,
nicht unnötig niedrig sind, so daß wesentliche Einsparungen erzielt werden können,
z. B. durch geeignete Abstufung des Querschnitts der Wicklungen (Vergrößerung in
den wärmeren und Verminderung in den
kälteren Gebieten). Außerdem
kann die genaue Kenntnis der örtlichen, also auch der höchsten örtlichen Temperaturen
der einzelnen Transformatorwicklungen, die an einer Erstausführung unter verschiedenen
Betriebsbedingungen gemessen wurden, zuverlässige Unterlagen für die Einstellung
der obenerwähnten Temperaturabbilder für weitere Transformatoren liefern, die genau
nach der Erstausführung hergestellt wurden.
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Die vorliegende Erfindung bietet die Möglichkeit, die örtlichen Temperaturen
von Transformatorwicklungen für hohe und Höchstspannungen und auch die Temperaturen
anderer Bauteile, die in der Nähe der Hochspannung führenden Teile liegen und deren
Temperaturen bisher im Betrieb nicht gemessen werden konnten, unter Spannung, also
im Betrieb, zu messen. Die Erfindung ermöglicht es auch, gleichzeitig oder fast
gleichzeitig die Temperaturen vieler Stellen solcher Wicklungen oder anderer Bauteile
sowie auch die zeitlichen Verläufe solcher Temperaturen zu messen.
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Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung zur Messung der örtlichen Temperaturen
von hochspannungsführenden, durch ein strömendes Medium gekühlten Bauteilen, insbesondere
von Transformatorenwicklungen, bei welcher durch Anordnung von Wänden aus solierstoff
ein an die Oberfläche des Bauteiles, dessen Temperatur gemessen werden soll, anliegender
Hohlraum (Geber) in Form einer Kammer oder eines Kanals gebildet ist, an den eine
elektrisch und thermisch isolierende Rohrleitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet.
daß der durch die Anordnung von isolierenden Wänden gebildete Hohlraum mindestens
eine Eintrittsöffnung besitzt und daß die elektrisch und thermisch isolierende Rohrleitung
zu einem Temperaturfühler, z. B. einem Thermoelement, führt, welcher außerhalb des
Bereichs der Hochspannung angeordnet ist, und daß eine Pumpe oder eine andere Fördervorrichtung
vorgesehen ist, die kurzzeitig, periodisch oder kontinuierlich den Inhalt des Hohlraums
durch die Rohrleitung zum Temperaturfühler und an diesem vorbeisaugt.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann grundsätzlich auf zwei Arten
verwendet werden. Bei dem einen Verfahren ist die Messung kontinuierlich, indem
das die Temperatur messende Medium während der ganzen Meßdauer mit sehr kleiner
Geschwindigkeit durch den Geber und von diesem durch das thermisch und elektrisch
isolierende Rohr fließt. Die zweite Methode arbeitet mit einer Temperaturwelle ;
hierbei befindet sich das die Temperatur messende Medium immer zuerst während einer
längeren Zeit in Ruhe, worauf es dann plötzlich mit einer verhältnismäßig hohen
Geschwindigkeit aus dem Geber angesaugt und an dem Fühler des Temperaturmessers
vorbeigeführt wird. Das Verfahren der Temperaturwelle ist gewöhnlich vorteilhafter,
insbesondere bei der Messung der Temperaturen mehrerer Stellen einer Wicklung oder
einer anderen Einrichtung. Voraussetzung der Anwendbarkeit dieses Verfahrens ist
jedoch eine kleine Trägheit des Fühlers des Temperaturmessers und des zugehörigen
Anzeige-oder Registriergerätes.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen, die schematisch mehrere
Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt Fi g. 1 eine erste Ausführungsform
im Querschnitt,
Fig.2 eine zweite Ausführungsform im Querschnitt, F i g. 3 einen
Längsschnitt durch F i g. 2, F ig. 4 einen Längsschnitt durch einen Geber, wie er
für Scheibenspulen von ) ltransformatoren geeignet ist, F i g. 5 einen Querschnitt
durch F i g. 4, Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Geber, wie er für Lagenwicklungen
(Rohr-, Zylinderspulen) von dItransformatoren geeignet ist, F i g. 7 einen Längsschnitt
durch F i g. 6, Fi g. 8 den wirksamen Teil eines Temperaturfühlers und eines entsprechenden
Meßstellenumschalters und Fig. 9 und 10 zwei charakteristische Kurven, die bei Anwendung
des Verfahrens der Temperaturwelle mit der erfindungsgemäßen Einrichtung gemessen
werden.
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In den Figuren bezeichnet 1 den Bauteil, dessen Temperatur zu messen
ist, 2, 3 und 8 sind die Wände, die den Hohlraum (Geber) 4 bilden, welcher die Form
einer Kammer oder eines Kanals besitzt, 5 ist ein Rohr aus thermisch und elektrisch
isolierendem Stoff, das aus dem Hohlraum 4 zum Meßfühler6 führt. Das temperaturmessende
Medium, das mit dem Kühlmedium identisch ist, tritt durch eine oeffnung 7 in den
Hohlraum4 ein. Die Bewegung des Meßmediums wird durch eine Pumpe 23 bewirkt.
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Bei der Anordnung gemäß Fi g. 1 ist der Hohlraum des Gebers 4 an
der der Oberfläche des Teils 1 zugekehrten Seite unmittelbar durch diesen Bauteil
begrenzt, der entweder unbedeckt oder isoliert sein kann (z. B. eine isolierte Transformatorwicklung).
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Die Isolation ist in der F i g. 1 nicht dargestellt.
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In der Ausführung gemäß Fig. 2 und 3 ist der Hohlraum des Gebers
4 an der der Oberfläche des Bauteils 1 zugekehrten Seite durch eine Wand 3 begrenzt,
die mit Vorteil dünn ist und an dieser Oberfläche dicht anliegt. Mit der Wand 3
sind Rippen 8 verbunden, die mit Vorteil aus einem elektrisch isolierenden, aber
gut wärmeleitenden Stoff hergestellt sind.
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Die Rippen 8 ragen in den Hohlraum des Gebers 4 hinein, teilen ihn
in mehrere Kanäle und setzen durch ihre verhältnismäßig große Oberfläche den Wärmewiderstand
zwischen dem Bauteil 1 und dem die Temperatur messenden Medium im Hohlraum 4 herab.
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Der Baustoff und die Dicke der Wände 2, welche das Innere des Gebers
4 von dem umgebenden, in der Regel strömenden Kühlmedium trennen, werden derart
gewählt, daß sie eine wirksame Wärmeisolation bilden.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung beruht auf der physikalischen
Erkenntnis, daß an einem Wärmewiderstand kein Temperaturgefälle entsteht, falls
durch den Widerstand kein Wärmefluß strömt, bzw. daß an einem Wärmewiderstand ein
sehr kleines Temperaturgefälle entsteht, falls durch ihn ein sehr kleiner Wärmefluß
strömt. Bei der Ausführung gemäß F i g. 1 besteht der Wärmewiderstand aus dem Widerstand
des Wärmeübergangs aus dem Bauteil 1 in das temperaturmessende Medium. In der Ausführung
gemäß Fig. 2 und 3 besteht der Wärmewiderstand aus dem Widerstand des Wärmeübergangs
vom Bauteil 1 in die Wand 3, ferner aus dem Widerstand des Wärmeübergangs aus der
Wand3 und den Rippen 8 in das temperaturmessende Medium und schließlich aus einem
entsprechenden
Teil des Widerstandes der Wärmeströmung in der Wand
3 umd in den Rippen 8. Falls der Bauteil 1 z. B. durch mehrere Papierschichten isoliert
ist, wie es bei Transformatorwicklungen der Fall ist, kommt in beiden Fällen noch
der Wärmewiderstand der Isolierung hinzu.
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Es sei einfachheitshalber zuerst angenommen, daß der Wärmewiderstand
zwischen dem temperaturmessenden Medium im Geber4 und dem umgebenden Kühlmedium,
welcher in Fig. 2 und 3 symbolisch durch die Wände 2 angedeutet ist, unendlich groß
ist.
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Bei Anwendung des Verfahrens der Temperaturwelle strömt dann beim
Beginn der Zeit, während welcher sich die neue Füllung des temperaturmessenden Mediums
im Geber 4 im Ruhezustand befindet, Wärme aus dem Bauteill in das temperaturmessende
Medium. Da der Inhalt des Gebers 4 und damit auch die Wärmekapazität seiner Füllung
klein ist, entnimmt das temperaturmessende Medium dem Bauteil 1 nur eine kleine
Wärmemenge. Während der Zeit, in der sich das Medium im Geber 4 im Ruhezustand befindet,
nähert sich die Temperatur des Mediums mehr und mehr der Temperatur des Bauteils
1. Am Ende dieser Zeigt ist dann die Temperatur des Mediums im Geber 4 praktisch
dieselbe wie diejenige des Bauteils 1. Der Wärmefluß über den erw&nten Wärmewiderstand
zwischen dem Bauteil 1 und dem Medium im Geber 4 nähert sich dem Nullwert, so daß
auch das Temperaturgefälle an diesem Wärmewiderstand sich dem Nullwert nähert.
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Der Unterschied zwischen der Temperatur des Bauteiles 1 und der Endtemperatur
des temperaturmessenden Mediums im Geber 4 wird durch die Unvollkommenheit der Wärmeisolation
2 zwischen dem temperaturmessenden Medium im Geber 4 und dem umgebenden Kühlmedium
verursacht. Dieser Unterschied bildet eine Komponente des Meßfehlers bei diesem
Verfahren. Um richtige Ergebnisse zu erzielen, ist es also notwendig, daß der Wärmewiderstand
der Wärmeisolation2 vielmal größer ist als der Wärmewiderstand zwischen dem Bauteil
1 und dem Medium im Geber. Bei Erfüllung dieser Bedingung ist die Endtemperatur
des Mediums im Geber 4 praktisch die gleiche wie die Temperatur des Bauteiles 1,
auch wenn dieser mit einer (elektrischen) Isolation versehen ist, da auch das Temperaturgefälle
an dieser Isolation im Bereich des Gebers in diesem l ; 2all praktisch Null ist.
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Der dadurch verursachte Meßfehler, daß im Bereich des Gebers der
Bauteil 1 nicht gekühlt wird, ist klein, falls der Flächenbereich des Gebers relativ
klein ist und falls die Wärmeleitfähigkeit des Bauteiles 1 groß ist. Dies ist gewöhnlich
bei Transformatorwicklungen der Fall, insbesnndere bei Transformatorwicklungen für
große Leistungen.
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Beim Durchsaugen des Inhaltes des Gebers 4 durch das Rohr 5 zum Temperaturmesser
6 verläuft ein nicht stationärer Prozeß des Wärmeaustauschers zwischen dem temperaturmessenden
Medium und den Wänden des Rohrs 5. Der durch diesen Prozeß verursachte Meßfehler
ist klein, wenn das temperaturmessende Medium im Rohr 5 laminar strömt, der Koeffizient
des Wärmeübergangs zwischen dem Medium und der Rohrwand klein und wenn die Temperaturleitfähigkeit
des Mediums und des Rohrmaterials niedrig ist. Alle diese Bedingungen werden bei
Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Messung örtlicher Temperaturen der
Wicklungen von
bltransformatoren sehr gut erfüllt, da das temperaturmessende Medium
in der Regel Transformatoröl ist und die Rohre aus Hartpapier bzw. aus einem hochmolekularen
Polyamid bestehen. Infolge der sehr kurzen Zeit, in welcher das Medium (der Geberinhalt)
an jedem Element der Rohrwand vorbeiläuft, ist die Dauer des Wärmeaustausches sehr
kurz und betrifft bloß eine sehr dünne Schicht an der inneren Oberfläche des Rohres.
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Alle erwähnten Fehler der Ergebnisse können für die einzelnen Parameter
durch Eichung festgestellt und in die Resultate als Korrektur eingeführt werden.
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Die Abhängigkeiten der Meßfehler beim kontinuierlichen Verfahren
sind denjenigen beim Verfahren der Temperaturwelle im wesentlichen ähnlich.
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Das kontinuierliche Verfahren ist in bezug auf die Güte der Wärmeisolierung
anspruchsvoller und eignet sich insbesondere zur Verfolgung schneller Temperaturänderungen
der in Betracht kommenden Bauteile, insbesondere Wicklungen.
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Das temperaturmessende Medium kann mit dem Kühl-bzw. Isoliermedium
des Transformators oder einer anderen elektrischen Einrichtung identisch sein.
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Das temperaturmessende Medium kann also Transformatoröl, synthetisches
61, Luft, Isoliergas u. dgl. sein. Es kann sich aber auch von dem Kühl-bzw.
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Isoliermedium unterscheiden. In diesem Fall wird es durch ein besonderes,
elektrisch isolierendes Rohr in die einzelnen Geber befördert, so daß das temperaturmessende
Medium in einem geschlossenen Kreislauf durch das Meßsystem fließt. Ist das temperaturmessende
Medium mit dem Kühl-bzw. Isoliermedium identisch, so kann es entweder ebenfalls
in einem geschlossenen Kreis umlaufen, oder es kann nach Durchfließen des Temperaturfühlers
bzw. der Pumpe 23 in den Ablauf abgelassen werden (Luft kann in die Atmosphäre abgeblasen
werden). Es kann auch in ein Sammelgefäß bzw. bei ) ltransformatoren unmittelbar
in das Transformatorgefäß oder in den Konservator u. dgl. abgelassen werden.
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Der in F i g. 4 und 5 dargestellte Geber zur Messung örtlicher Temperaturen
von Scheibenspulen wird in den Kühlkanal zwischen zwei solchen Spulen eingebaut.
Seine Höhe gleicht der Höhe des Kanals, seine radiale Breite der Spulenbreite, und
sein Maß in der Umfangsrichtung gleicht im dargestellten Fall annähernd einem Zwölftel
des Spulenumfanges. In diesem Bereich ersetzt der Geber auch die Funktion von drei
Distanzstücken, welche die Preßkraft der Wicklung von einer Spule auf die andere
übertragen.
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Mittels eines Schwalbenschwanzes 13 wird der Geber - ähnlich wie die
erv ; ähnten Distanzstücke -durch einen Längsteil festgehalten, der an dem einen
der zwei Isolierzylinder des Transformators befestigt ist, welche den Raum für die
erwähnte Spule begrenzen. Mittels eines Ansatzes 14 stützt sich der Geber gegen
den zweiten Isolierzylinder. Durch Anordnung der Wände 2, 3, 8 wird ein Hohlraum
4 in der Form eines Kanalsystems gebildet, an das an der Stelle 9 die hier nicht
dargestellte Leitung aus elekfrisch und thermisch isolierenden Rohren angeschlossen
wird. Oben und unten ist der Raum der Kanäle 4 durch dünne Wände 3 begrenzt, mittels
welcher der Geber dicht an die Oberflächen der hier nicht dargestellten Spulen anliegt,
deren Temperatur zu messen ist. Dabei wird angenommen, daß die Temperaturen dieser
zwei benachbarten Spulen praktisch gleich sind. Die Wände3 sind mit Rippen 8 verbunden,
welche
gemeinsam mit den Außenwänden 2 an der oberen und unteren Seite des Gebers Kanäle
4 bilden, welche in mehreren, im dargestellten Fall in neun, Gängen längs der ganzen
Länge des Gebers verlaufen. Die oberen und unteren Kanäle 4 sind durch eine horizontale
Wand 24 voneinander getrennt, welche in der Mitte der Höhe des Gebers die Wände
2 und die Rippen 8 zu einem starren Ganzen verbindet und zugleich auch den Boden
der Teilkanäle 4 bildet.
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Beim Meßprozeß fließt die Wärme aus den Leitern der Spule über deren
Isolation in die dünnen Wände 3 und von dort nicht nur direkt, sondern auch indirekt
über die Rippen 8 und die Wand 24 in das temperaturmessende Medium, welches die
Kanäle 4 füllt. Die Kanäle 4 sind im dargestellten Beispiel in zwei Zweigen angeordnet,
welche bei den Eingangsöffnungen7A bzw. 7B beginnen, die am äußeren bzw. inneren
Umfang des Gebers angeordnet sind.
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Nach drei Gängen, die nebeneinander in Richtung vom äußeren und inneren
Umfang zur Mitte des Gebers angeordnet sind, verbinden sich die beiden Zweige an
der Stelle4A, worauf dann weitere drei Gänge im mittleren Teil des Gebers folgen,
die an der Stelle 4 B enden. An dieser Stelle ist in der waagerechten Wand 24 eine
oeffnung angeordnet, welche den oberen und unteren Kanal verbindet.
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Von der Stelle4 B führt eine kurze Bohrung im massiven Teil des Gebers
zur Ausgangsöffnung 9, an welche die nicht dargestellte Rohrleitung s angeschlossen
ist. Da der mittlere Teil der Scheibenspulen im Betrieb gewöhnlich wärmer ist als
ihre äußeren Teile und da sich die von der erfindungsgemäßen Einrichtung angegebenen
Temperaturen möglichst wenig von den höchsten Temperaturwerten unterscheiden sollen,
die in der Wicklung vorkommen, ist der für Scheibenspulen bestimmte Geber durch
Schlitze 10 in zwei äußere Teile 12, die sogenannten Vorwärmer, und in einen mittleren
Teilig, den eigentlichen Geber, aufgeteilt. Die SchlitzelO vermindern den Meßfehler,
der sonst dadurch entstände, daß im thermisch gut leitenden Material des Gebers
eine verhältnismäßig große Wärmemenge aus dem an den mittleren Teil der Spulenbreite
anliegenden Gebiet in die beiden Randgebiete fließen würde.
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Die Teile 12 wirken als Vorwärmer hautpsächlich bei Anwendung des
kontinuierlichen Meßverfahrens.
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Bei Messung mit dern Verfahren der Temperaturwelle wirken die Teile
12 als außerordentlich wirksame Wärmeisolation des eigentlichen Gebers 11 gegenüber
dem umgebenden strömenden Kühlmittel.
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Der eigentliche Geberkörper, der aus den Wänden 2, 4, 24 und 8 besteht,
wird vorteilhaft aus einem Gemisch von Epoxydharz und Quarzmehl hergestellt.
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Die dünnen Wände 3 werden mit Vorteil aus einem Glasfaserlaminat verfertigt.
Die beiden genannten Stoffe besitzen die notwendige elektrische Isolierfestigkeit
und eine verhältnismäßige gute Wärmeleitfähigkeit.
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Der Geber für die Messung der örtlichen Temperaturen von Lagenwicklungen,
der in Fig. 6 und 7 dargestellt ist, wird an die äußere Oberfläche der gewählten
Stellen der Lagenwicklung 1 angelegt und z. B. durch Bandagen 17 aus Isolierfaden
dort festgehalten. Durch Anordnung der Wände 2, 3 aus Isolierstoff ist der Geber
wieder als Hohlraum 4 gestaltet, der die Form einer Kammer oder eines Kanals besitzt,
aus dem die Rohrleitung 5 mit thermisch und
elektrisch isolierenden Wänden zu dem
nicht dargestellten Temperaturfühler führt. Der Hohlraum4 besitzt an der Seite zur
Oberfläche der Wicklung 1 eine dünne Wand 3, die an dieser Oberfläche dicht anliegt.
An den übrigen Seiten ist der Hohlraum 4 des Gebers durch die Wand 2 begrenzt, die
die Form einer rechteckigen flachen Schale besitzt, deren Ränder an die Ränder der
Wand 3 angeklebt sind. Die Wand 2 wird vorteilhaft aus einem elektrisch isolierenden
Stoff mit kleiner Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Mit der Wand 3 sind Rippen 8 verbunden,
welche aus einem elektrisch isolierenden, aber Wärme gut leitenden Stoff hergestellt
sind. Die Rippen 8 ragen in den Hohlraum 4 hinein und bilden hier gemeinsam mit
den Wänden 2 und 3 einen Kanal, welcher das temperaturmessende Medium mehrmals abwechselnd
in beiden Richtungen quer durch den Geber führt. Die Rippen 8 werden vorteilhaft
aus einem Stück mit der Wand 3 gebildet. Die Rippen 8 stehen nicht in direkter Berührung
mit der Wand 2.
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Beim Meßprozeß strömt die Wärme aus den Leitern über deren Isolation
in die Wand3 und aus dieser in das temperaturmessende Medium nicht nur unmittelbar,
sondern auch über die Rippen 8, welche in der gegebenen Anordnung mit dem temperaturmessenden
Medium in einer besonders großen Fläche in Berührung stehen. Das temperaturmessende
Medium tritt in den Hohlraum 4 des Gebers durch die öffnung 7 ein. Um eine hohe
Genauigkeit der Meßergebnisse zu erzielen, kann der Geber noch mit einer besonderen
Wärmeisolierung 16 gegen das umgebende strömende Kühlmedium ausgerüstet werden.
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Falls der senkrechte Kühlkanal, in dem der Geber gelagert ist, durch
einen Isolierzylinder 15 begrenzt wird, ist es vorteilhaft, wenn zwischen diesem
Zylinder und dem Geber nur ein so großer Zwischenraum belassen wird, wie er aus
Montagegründen notwendig ist. Die Wahl eines so kleinen Zwischenraums begrenzt wirksam
die Kühlung des Gebers durch das umgebende Kühlmedium. Andererseits wird die äußere
Form des Gebers, wie aus F i g. 7 ersichtlich ist, entsprechend den Grundsätzen
der Strömungslehre derart gewählt, daß er unten rund und oben zusammenlaufend ist,
damit im aufsteigenden Strom des Kühlmediums keine toten Winkel entstehen. Bei der
gewählten Form teilt sich der Strom des Kühlmittels erst dicht unter dem unteren
Rand des Gebers, und er vereinigt sich schon dicht über dessen oberen Rand.
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Die Rohrleitung 5, welche den Geber mit dem Temperaturfühler 6 verbindet,
kann im Gebiet der starken elektrischen Felder aus Hartpapierrohren zusammengesetzt
werden, und zwar entweder aus dickwandigen Rohren mit nur einer Wand oder aus dünnwandigen
Rohren mit einer Doppelwand, wobei sich in der Regel dasselbe Medium zwischen den
beiden Wänden befinden muß, welches auch das Kühlmedium bildet. Außerhalb des Gebietes
der starken elektrischen Felder, d. h. in größeren Entfernungen von den Hoch-oder
Höchstspannung führenden Teilen, können z. B. dickwandige Rohre aus hochmolekularem
Polyamid verwendet werden.
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F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des aktiven Teils des Temperaturfühlers
und des Meßstellenumschalters. An das obere Ende der Rohrleitung5 ist im dargestellten
Fall eine Thermoelementkammer 18 angeschlossen, in deren engstem Querschnitt die
Lötstelle eines Thermoelementes 6 (z. B. Kupferkonstanten
) angeordnet
ist, das durch ein Isolierröhrchen, z. B. eine keramische Kapillare, zentriert wird,
wobei diese Kapillare auch die Leiter des Thermoelementes aus dem Meßraum herausführt.
Das Rohr 19, welches aus Metall hergestellt werden kann, verbindet die Thermoelementkarnmer
18 mit dem Gehäuse 20 des Drehhahns 21. Die Anzahl der in das Gehäuse 20 mündenden
Rohre 19 entspricht der Anzahl der Meßstellen. Der Drehhahn 21 vermittelt in an
sich bekannter Weise die Verbindung der eben gewählten Meßstelle mit dem Rohr 22,
welches zur Pumpe 23 (F i g. 1) führt. Mit dem Drehhahn 21 ist mechanisch ein nicht
dargestellter Umschalter der Thermoelemente verbunden, welcher das Anzeigegerät
jeweils mit dem Kupferleiter jenes Thermoelementes verbindet, dessen Thermoelementkammer
18 durch den Drehhahn 21 an das Rohr 22 angeschlossen ist. Alle Konstantenleiter
der Thermoelemente können zu einer gemeinsamen » Kaltlötstelle « verbunden werden,
von der eine Kupferleitung zum Anzeigegerät führt.
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Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Messung der örtlichen
Temperaturen der Wicklungen von öltransformatoren wird der Temperaturfühler 6 lmd
der Meßstellenumschalter mit Vorteil am Deckel des ölkessels angebracht. Die gemeinsame
kalte Lötstelle liegt dann dicht unter dem Deckel in der höchsten Ölschicht, deren
Temperatur als Vergleichsbasis für alle Angaben der Meßeinrichtung dient. Dies ist
deshalb von Vorteil, weil die Temperatur der höchsten Ölschicht leicht durch die
üblichen Taschensonden, die am Transformatordeckel angeordnet sind, gemessen werden
kann. Das Anzeigegerät kann z. B. ein Spiegelmillivoltmeter sein.
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Fig. 9 und 10 zeigen zwei typische zeitliche Verläufe der Angaben
dieses Millivoltmeters bei der Verwendung des Verfahrens der Temperaturwelle zur
Messung in einem Transformator mit Ölkühlung. Der Verlauf gemäß Fig. 9 entspricht
einer Meßstelle, deren Temperatur höher ist, als die Temperatur der höchsten Ölschicht
unter dem Transformatordeckel.
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F i g. 10 gilt für Meßstellen, deren Temperaturen im gegebenen Augenblick
niedriger sind als die Temperatur der höchsten Ölschicht. Sie gilt also z. B. für
die Meßstellen im unteren Teil der Transformatorwicklung. Die waagerechte Achse
der beiden Diagramme entspricht der Temperatur der obersten ölschicht, in der die
gemeinsame » Kaltlötstellez aller Thermoelemente angeordnet ist. Die weitere Beschreibung
gilt für beide Figuren. Der sinkende Asta der beiden Kurven entspricht dem Zeitraum,
in dem durch die Thermoelementkammer der Inhalt des Rohrs 5 fließt. Die oltemperatur
im Rohr5 nähert sich während der Ruhepause vor der Messung der in den einzelnen
Tiefen herrschenden Temperatur des das Rohr5 umgebenden öls. Der ansteigende Ast
b entspricht dem tJbergangszustand, in dem bl aus dem eigentlichen Geber 4 bereits
durch die Thermoelementkammer 18 zu fließen beginnt, aber ein Teil des Wärmeinhaltes
dieses öls an die innere Oberfläche der Rohre 5 abgegeben wird. Die Ordinate des
Abschnittes c der Kurven gibt mit Berücksichtigung der entsprechenden Korrektionen
den Temperaturunterschied der gemessenen Stelle und des Ols unter dem Transformatordeckel
an. Der Abschnitt d entspricht dem Durchfluß des Inhaltes des Vorwärmers 12 durch
die Thermoelementkammer 18 Sobald ein Sinken der Anzeige beobachtet wird, was
durch
den Abschnittd ausgedrückt ist, kann durch den Meßstellenumschalter eine weitere
Meßstelle angeschaltet werden.
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Statt des Drehhahnes21 mit rotierendem Umschalter kann an lede Thermoelementkammer
18 auch ein selbständiges Absaugrohr angeschlossen werden, welches abgedichtet aus
dem Transformatorkessel z. B. zu einem Meßtisch herausgeführt und dort z. B. durch
einen selbständigen handbedienten Hahn abgeschlossen wird. Beginnend mit der Thermoelementkammer
18 können diese Absaugrohre bereits aus Metall hergestellt werden.
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Zum Absaugen des Öls aus der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung kann
eine Pumpe23 (Fig. 1) verwendet werden. In gewissen Fällen, insbesondere bei Anwendung
des kontinuierlichen Verfahrens bei öltransformatoren, kann zur Erzielung der notwendigen
Strömungsgeschwindigkeit des Meßöls auch das natürliche Gefälle, welches durch die
Höhe des ölspiegels im Konservator bestimmt ist, ausreichend sein.
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Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur dauernden Kontrolle
der tJbertemperaturen der heißesten Stellen wichtiger Transformatoren im Betrieb
kann die erfindungsgemäße Einrichtung derart automatisiert werden, daß das Meßöl
in bestimmten Zeitabständen schrittweise aus den einzelnen Meßstellen über die entsprechenden
Thermoelementkammern abgesaugt wird und die festgestellten Thermospannungen selbsttätig
registriert werden. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Einrichtung ständig
Angaben über die Möglichkeit der Ausnutzung der Temperaturreserve der Transformatoren
in Störzuständen des energetischen Systems oder in der Winterzeit u. dgl. liefern.