DE19707139A1 - Vorrichtung zur optoelektronischen Ermittlung der Menge und der Erzeugungsrate nicht gelöster Gase sowie Ölstand- und Leckagebestimmung in mit Flüssigkeit gefüllten Anlagen und -geräten wie Transformatoren und Wandlern zum Schutz und zur Überwachung dieser Anlagen und Geräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gasentwicklung und zur Ölpegelstandmessung in mit Flüssigkeit gefüllten Hochspannungsanlagen/geräte zur Überwachung und zum Schutz dieser Anlagen/Geräte. Die Gase können durch Zersetzung der Flüssigkeit infolge von Temperatur oder infolge von Teilentladungen, Durchschlägen oder anderen Einflüssen erzeugt werden oder aber auch von außen eindringen.

Aus dem Transformatorschutzbereich ist das Buchholz- Relais bekannt. Dieses Relais wird zwischen dem Transformatorkessel und dem Ausgleichsgefäß eingebaut. Die durch einen Fehler im Transformator erzeugten nicht gelösten Gase gelangen auf ihrem Weg zu der höchsten Stelle, nämlich dem Ausgleichsgefäß, in das Buchholz-Relais und sammeln sich in einem mit Schwimmer versehenen Raum. Beim Erreichen einer Mindestgasmenge betätigt der Schwimmer einen Schalter, der einen Alarm auslösen kann. Dieses Signal kann auch zum Abschalten des Transformators verwendet werden. Zur Betätigung des Relais wird eine relativ große Gasmenge benötigt, die in der Regel nur durch größere Schäden hervorgerufen werden kann. Dieses Relais kann somit keine Aussage über den Isolationszustand des Transformators im Vorstadium großer Fehler liefern. Außerdem ist damit keine Aussage über die Geschwindigkeit der Gasentwicklung möglich. Das Relais reagiert lediglich auf eine bestimmte Mindestgasmenge. In welchem Zeitraum diese Gasmenge sich sammelt, kann von dem Schwimmer nicht angezeigt werden. Die Geschwindigkeit der Gasansammlung stellt jedoch einen der wesentlichen Parameter zur Bestimmung der Art, Größe und Gefährlichkeit des Fehlers dar. Kleine unbedeutende Fehler mit sehr langsamer Gasentwicklung verursachen nach langer Zeit die gleiche Gasmenge wie ein sehr großer Fehler nach sehr kurzer Zeit. Trotz unterschiedlicher Ursachen reagiert das Buchholz-Relais auf beide Fehler gleich.

Weiterhin ist die Integration eines solchen Buchholz-Relais in eine moderne rechnergestützte Überwachung von Transformatoren sehr schwierig. Außerdem können mit den bisherigen Vorrichtungen der Ölpegelstand und eine Ölleckage nicht ermittelt und überwacht werden. Weiterhin ist die kapazitive Messung der Anwesenheit von Luftblasen in Flüssigkeiten für Schmierzwecke bekannt. Diese besteht aus einem Zylinderkondensator, der vom Flüssigkeits-Luftgemisch durchströmt wird und in dem das Vorhandensein von Luftblasen in der Flüssigkeit durch eine Kapazitätsänderung angegeben wird (DE 34 43 742 A1).

Ein weiteres Patent (DE 41 36 639 A1) zur Messung nicht gelöster Gase in mit flüssigkeitsgefüllten Hochspannungsanlagen und -geräten basiert auf einer kapazitiven Messung unter Zugrundelegung von unterschiedlichen ε_r in Gasen und in Flüssigkeiten.

Das Buchholz-Relais ist ein mechanisches Gebilde, welches relativ unempfindlich ist. Zur Betätigung wird eine große Gasmenge benötigt. Daher wird diese Schutzeinrichtung bislang nur bei Transformatoren mit großem Ölvolumen eingesetzt. Wenn das Buchholz-Relais anspricht, sind in der Regel bereits große Zerstörungen erfolgt. Die Betätigung des Relais erfolgt mechanisch. Das Relais enthält mehrere bewegliche Teile. Die Anpassung an ein rechnergestütztes Überwachungssystem ist schwierig. Die Schutzeinrichtung erlaubt keine Aussage über einen kontinuierlich wachsenden Fehler im Transformator, da die Anzeige eine integrale Größe darstellt, welche erst beim Erreichen der Mindestgasmenge eine Meldung auslösen kann. Es ist keine Aussage über die Geschwindigkeit der Gasentwicklung und die Zeit, in der die Mindestgasmenge erzeugt wurde, möglich. Die Geschwindigkeit der Gasentwicklung ist für die Beurteilung des Fehlers jedoch von großer Bedeutung. Somit ist das Buchholz- Relais für eine rechnergestützte kontinuierliche, fein auflösende Überwachung eines Transformators nicht geeignet. Das Buchholz-Relais ist somit ein unempfindliches statisches System, welches auf langsam ankommende Gase aus unkritischen Fehlern in gleicher Weise, wie auf eine infolge gefährlicher Fehler verursachte schnelle Gasproduktion reagiert.

Die aus der Offenlegungsschrift DE 34 43 742 A1 bekannte Feststelleinrichtung von Luftblasen in Schmierflüssigkeiten ist zum Schutz und zur Überwachung von Hochspannungsgeräten wie Transformatoren und Wandler ungeeignet. Der Kondensator wird von dem Gas-Flüssigkeitsgemisch durchströmt. Eine Bestimmung der absoluten Gasmenge innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums ist daher nicht möglich. Die Gasrate kann ebenfalls nicht ständig ermittelt werden. Lediglich beim Vorhandensein einer Mindestluftmenge in der Flüssigkeit erfolgt ein Signal. Die Gase werden nicht gesammelt und können somit nicht direkt zur Analyse herangezogen werden.

Das Patent DE 41 36 639 A1 basiert auf einen kapazitiven Sensor mit einem aufwendigen Aufbau. Bei allen genannten Vorrichtungen ist eine Ölstandbestimmung und Leckageerkennung nicht vorgesehen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine gegenüber dem Buchholz-Relais wesentlich empfindlichere, robustere und einfachere Vorrichtung zu bauen, welche neben der Anzeige geringer Gasmengen die Geschwindigkeit der Gasansammlung ermittelt, wodurch eine empfindliche rechnergestützte, kontinuierliche Überwachung des Isolations- und/oder Betriebszustandes von flüssigkeitsgefüllten Transformatoren und anderen flüssigkeitsgefüllten Anlagen/Geräten ermöglicht wird. Außerdem wird hiermit eine Ölstandbestimmung und Leckageerkennung ermöglicht.

Die mit der Erfindung erzielten Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik bestehen in der einfachen Ermittlung der angesammelten Gesamtgasmenge und der Geschwindigkeit, mit der die Gase im Detektor(Kondensator) gesammelt werden. Da auch sehr geringe Gasansammlungen gemessen werden können, ist die neue Vorrichtung nicht nur zum Schutz und zur Überwachung von großen Transformatoren geeignet, sondern auch zum Schutz und zur Überwachung von Anlagen und Geräten mit geringerem Flüssigkeits- und Gasvolumen wie z. B. Wandlern. Für Transformatoren stellt die Erfindung einen Ersatz oder eine Ergänzung zu dem bisher üblichen Buchholz-Relais dar, indem sie nicht nur eine wesentlich größere Empfindlichkeit aufweist, sondern durch die ständig vorliegende Kenntnis der Gasmenge und Gasrate in digitaler Form, eine Speicherung und Auswertung der Daten als Grundlage für eine dynamische Beurteilung des Isolationszustandes ermöglicht. Die Vorrichtung enthält keine beweglichen Teile und hat einen sehr einfachen Aufbau, der somit wenig störanfällig ist. Die Vorrichtung kann Gasmengen mit einem Volumen kleiner 1 ml detektieren und ist somit mehr als 100fach empfindlicher als die herkömmlichen Buchholz-Relais. Außerdem reagiert die Vorrichtung auf jede Veränderung des Gaszustandes sofort und weist somit ein dynamisches Verhalten auf. Weiterhin kann mit dieser Vorrichtung eine automatische Überwachung des Ölpegelstandes und eine Erkennung der Leckagen durchgeführt werden. Die Montage der Vorrichtung ist sehr einfach und kann an jeder geeigneten Stelle der Anlage erfolgen, ohne die Funkion der Anlage zu beeinträchtigen. Die Gase werden in dem Sensor von der Flüssigkeit getrennt und sammeln sich an der höchsten Stelle des Sensors. Von dort können sie über die Gasablaßvorrichtung in einen Behälter geführt und für eine eventuelle Analyse vorbereitet werden. Der Aufbau der Sensoren ist sehr einfach. Sie können in unterschiedlichen Größen aufgebaut und beliebig kombiniert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Buchholz- Relais wesentlich empfindlichere und unter anderem auf die Geschwindigkeit der Gasentwicklung sowie auf die absolute Gasmenge sensible und den Ölpegelstand bestimmende und zur Rechnersteuerung geeignete elektrische Vorrichtung zu erfinden, die zum Schutz und zur kontinuierlichen Überwachung von mit Flüssigkeit gefüllten Anlagen, wie z. B. Transformatoren und Wandlern, eingesetzt werden kann.

Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen einschließlich dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein rohrförmiger Sensor, welches auf dem Umfang mit Lichtsender und -Empfänger versehen ist. Auf der oberen Öffnung befindet sich die Entgasungsvorrichtung.

Fig. 2 in schematischer Darstellung ein rohrförmiger Sensor, bei dem der Lichtsender und -Empfänger auf der oberen Seite des Rohrs angeordnet ist und die Gasstrecke aus dem Abstand des Lichtsenders und Empfängers zur Öloberfläche ermittelt wird.

Fig. 3 in schematischer Darstellung die Anordnung des optoelektronischen Sensors( Fig. 1 oder Fig. 2) und eines Gassammlers auf dem Buchholz- Relais.

Fig. 4 Auswerteeinheit zur Messung der absoluten Gasmenge und die Geschwindigkeit der Gasansammlung.

Die Erfindung nach Anspruch 1 besteht aus 2 Teilen, welche im folgenden im einzelnen beschrieben und anhand von Beispielen erläutert werden. Die zwei Teilbereiche sind:

• - Meßwertaufnahme,
• - Meßwertumformung und -verarbeitung.

1. Meßwertaufnahme

Der wesentliche Teil der Meßwertaufnahme stellt eine optoelektronische Sensoranordnung dar, bestehend aus einem oder mehreren Sensoren, welche einseitig an die zu schützende Anlage anmontiert werden. Die Sensoren enthalten jeweils eine Öffnung zum Füllen, welche im allgemeinen auf der unteren Seite angeordnet ist. Durch diese Öffnung gelangt bei der Inbetriebnahme und jeweils nach jeder Betätigung der Gasablasvorrichtung die Isolierflüssigkeit in den Sensor. Beim Vorhandensein von Fehlern in der zu schützenden Anlage gelangen die nicht gelösten Gase auf ihrem Weg nach oben durch die gleiche Öffnung in die Sensoren und verdrängen entsprechend ihres Volumens die Flüssigkeit. Zusätzlich enthalten die Sensoren an ihrer oberen Seite eine Öffnung, welche zur Entleerung der angesammelten Gase vorgesehen ist. Diese Öffnung ist mit einer Vorrichtung versehen, welche nach der Füllung der Sensors mit Gas oder auch nach vorgegebenen Zeiten oder Gasmengen automatisch oder manuell betätigt wird. Dadurch gelangen die Gase entweder in die Luft oder in die dafür vorgesehenen Behälter. Von dort können die Gase zur Analyse weiter geleitet werden.

Einige Ausführungsbeispiele hierzu zeigen die Fig. 1-3. Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine Rohrausführung mit Lichtsendern und -Empfängern auf der Oberfläche des Rohrs. Anstelle der in Fig. 1 gezeigten Entgasungsschraube kann hier eine Entgasungsvorrichtung eingebaut werden, welche automatisch oder manuell angesteuert werden kann. Die Ansteuerung der Entgasungs­ vorrichtung kann unter anderem durch die Geschwindigkeit der Gasentwicklung und die gesamte Menge der sich in der Sensoranordnung angesammelten Gase erfolgen. Der Sensor kann je nach der geforderten Empfindlichkeit unterschiedlich aufgebaut sein. Fig. 2 zeigt ein Sensors, bei dem der Lichtsender und -Empfänger auf der oberen Seite des Sensors angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt schematisch eine mögliche Anordnung zum Einbau einer Meßaufnahmevorrichtung in einen Transformator. Im Normalzustand ist der Sensor mit Öl aus dem zu schützendem Gerät gefüllt. Dadurch ist die Strecke zwischen den Lichtsendern und- Empfängern lichtundurchlässiger im Vergleich zu einer teilweisen oder vollständigen Füllung mit Gas. Wenn Gase in den Sensor kommen, verdrängen sie das Öl so daß die Strecke des gasgefüllten Bereiches zwischen den Lichtsendern und -Empfängern lichtdurchlässiger wird. Die Länge des lichtdurchlässigen Bereiches ist somit ein Maß für die Gasmenge, die durch den Sensor erfaßt wird.

Die Lichtsender- und Empfänger können auch auf der oberen Seite des Sensors angebracht werden. In diesem Fall ist es sinnvoller, daß der Innendurchmesser des Sensors von unten nach oben aufgeweitet wird.

2. Meßwertumformung und -verarbeitung

Die durch einen Fehler im Transformator oder in anderen Anlagen/Geräten erzeugten nicht gelösten Gase steigen nach oben und gelangen in die unter dem Schutzanspruch 1. der Erfindung erläuterten Sensoranordnung und verdrängen entsprechend ihres Volumens die Isolierflüssigkeit. Dadurch werden Teile der Sensoranordnung abhängig von der Gasmenge lichtdurchlässiger. Die Länge der lichtdurchlässigen Strecke ist proportional zu dem in der Sensoranordnung angesammelten Gasvolumen. Eine Messung dieser lichtdurchlässigen Strecke und deren Vergleich mit dem Anfangswert der Strecke, bei der der Sensor ausschließlich mit der Isolierflüssigkeit gefüllt ist, ergibt die Änderung der lichtdurchlässigen Strecke und ist somit ein Maß für die Gasentwicklung und die Gasansammlung. Die Geschwindigkeit der Änderung der lichtdurchlässigen Strecke ist identisch mit der Geschwindigkeit der Gasansammlung und kann somit neben der Gasmenge und Gaszusammensetzung als ein Indikator für die Fehlerart und die Fehlergröße herangezogen werden.

Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild einer möglichen Schaltung zur Messung und Auswertung der Menge und der Geschwindigkeit der Gasansammlung. Die vom A/D-Umsetzer ankommenden digitalisierten Meßwerte werden zunächst auf einen permanenten Speicher übertragen. Mit Hilfe eines Auswerteprogrammes wird die Änderung der lichtdurchlässigen Strecke in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt und je nach Geschwindigkeit der Änderung dieser Strecke werden unterschiedliche Befehle wie z. B. Alarm oder Ausschalten ausgelöst. Beim Erreichen einer bestimmten lichtdurchlässigen Strecke, welche auf die vollständige Befüllung des Sensors mit Gas hindeutet, kann ein Signal ausgelöst werden oder auch ein Befehl zum automatischen Entgasen des Sensors gegeben werden. Sämtliche Funktionen der Auswerteeinheit werden von einem Mikrocontroler gesteuert.

Weiterhin können die Daten an einen angeschlossenen Rechner weitergeleitet werden. Dort werden sie mit Hilfe eines Expertenprogramms weiter verarbeitet und ständig aktualisiert, so daß eine automatische Fehleranalyse möglich wird. Bei geringer Änderung der Gasstrecke, d. h. langsamer Gasentwicklung, werden aus Gründen der Datenreduktion nicht alle Werte zur Analyse gespeichert. Erfolgt dagegen eine schnelle Änderung der Gasstrecke, welche auf einen großen Fehler hindeutet, so wird der Abstand zwischen den Einzelmessungen verkleinert und alle Meßwerte zur Weiterverarbeitung herangezogen.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur optoelektronischen Ermittlung der Menge und der Erzeugungsrate nicht gelöster Gase sowie Ölstand- und Leckagebestimmung in mit Flüssigkeit gefüllten Anlagen und -geräten wie Transformatoren und Wandlern zum Schutz und zur Überwachung dieser Anlagen und Geräte, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere optoelektronische Sensoren einseitig an die zu schützende Anlage anmontiert werden, daß an der Montagestelle eine Öffnung vorhanden ist, durch die Flüssigkeit und/oder Gas aus der zu schützenden Anlage in den Sensor fließt, daß der Sensor zunächst mit der Flüssigkeit aus der zu schützenden Anlage durch diese Öffnung gefüllt, jedoch nicht damit durchströmt wird, daß durch einen Durchschlag, eine Teilentladung, oder andere Fehler in der Anlage erzeugte Zersetzungsgase oder von außen eindringende Gase, welche nicht in Lösung gehen, in den Sensor eindringen und Teile der Flüssigkeit aus dem Sensor durch die Öffnung wieder verdrängen, daß die Gase innerhalb des Sensors sich von der Flüssigkeit trennen und an der höchsten Stelle sammeln, daß der Sensor mit einem elektronischen System verbunden ist, welche ständig die gesamte Gasmenge und die Gaserzeugungsrate bestimmt, daß daraus der Isolations- und/oder Betriebszustand der Anlage/des Gerätes ermittelt wird, daß dadurch eine kontinuierliche und/oder nicht kontinuierliche Überwachung des Isolations- und Betriebszustandes erfolgt und im Falle einer Leckage oder Flüssigkeitsreduktion der Ölstand sinkt und diese Flüssigkeitsreduktionsstand angezeigt wird und gegebenenfalls ein Alarm oder eine Abschaltung ausgelöst wird und dadurch die Anlage/das Gerät geschützt wird.

2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einem Behälter besteht, welcher mit Lichtsendern und -Empfängern versehen ist und an die zu schützende Anlage montiert wird.

3. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor nicht von der Flüssigkeit und/oder dem Gas durchflossen werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit und/oder das Gas durch eine Öffnung, die im allgemeinen an der untersten Stelle des Sensors vorgesehen ist, in den Sensor gelangt und daß nur die Flüssigkeit durch diese Öffnung wieder herausgedrängt werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die obere Seite des Sensors mit einer Gasablaßvorrichtung versehen ist, die automatisch angesteuert oder manuell betätigt werden kann und der Entleerung der angesammelten Gase dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Sensoren an beliebigen Stellen der zu schützenden Anlage anmontiert werden können.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren ohne große konstruktive Veränderung der zu schützenden Anlage an bestehende Rohrverbindungen sowohl von neuen als auch von sich im bereits im Betrieb befindlichen Anlagen oder auch direkt an den Flüssigkeitstank montiert werden können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren vor dem Buchholz-Relais oder als Erweiterung des Buchholz- Relais am Transformator eingebaut werden können.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gase in den Sensoren von der Flüssigkeit trennen und sich im oberen Bereich, der im allgemeinen senkrecht anzuordnenden Sensoren, sammeln.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren mit einer elektronischen Meß- und Auswerteeinheit verbunden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Menge als auch die Geschwindigkeit der in den Sensoren angesammelten Gase ermittelt werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgrößen digitalisiert gespeichert, weitervorarbeitet, und einem nachgeschalteten Rechner zugeführt werden können.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung der Ölablaßvorrichtung, Auslösung von Alarm und Überwachung der Anlage/des Gerätes sowohl manuell als auch automatisch erfolgen kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Gase sowohl ins freie als auch in einem hierzu vorgesehenen Behälter geführt werden können, wodurch eine Analyse der Gaszusammensetzung erfolgen kann.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit der Gasermittlung gegenüber dem herkömmlichen Buchholz-Relais um mehr als den Faktor 100 gesteigert werden kann, wodurch auch Anlagen mit geringer Flüssigkeit- und Gasmenge geschützt werden können.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die herkömmlichen Buchholz-Relais so umgebaut und erweitert werden können, daß neben der Wahrnehmung bisheriger Funktionen zusätzlich die Gasmenge und die Gasrate ermittelt werden können und damit eine Diagnose ermöglicht wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Leckage oder Ölverlustes der Ölpegel im Sensor abfällt und auch nach einer Entgasung des Sensors nicht wieder den normalen Zustand erreicht und von der Auswerteeinheit der reduzierte Pegelstand angezeigt und gegebenenfalls einen Alarm auslöst oder eine Abschaltung der zu schützenden Anlage bewirkt.