DE19822868C1 - Vorrichtung zum Erfassen der Entstehung von nicht gelösten Gasen in einer mit Flüssigkeit gefüllten Anlage, insbesondere einer Hochspannungsanlage - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Entstehung von nicht gelösten Gasen (G) in einer mit Flüssigkeit (F) gefüllten Anlage, insbesondere einer Hochspannungsanlage, wie einem Hochspannungstransformator (1), mit einem Gehäuse (14), welches einen über einen Flüssigkeitsanschluß (11) mit der Flüssigkeit (F) verbundenen Innenraum (17) umgibt, mit einer an den Innenraum (17) angeschlossenen Ultraschallmeßeinrichtung (23), welche zum Messen des Abstandes des Spiegels der in dem Innenraum (17) enthaltenen Flüssigkeit (F) zu einer Bezugsfläche (16) bestimmt ist, mit einer Entlüftungseinrichtung (20, 21), mittels der das Gehäuse (17) entlüftbar ist, und mit einer Druckausgleicheinrichtung (17, 18), welche einen Druckausgleich bewirkt, wenn nicht gelöstes Gas (G) in den Innenraum (17) einströmt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt bei einfacher Herstell- und Montierbarkeit eine verbesserte Meßgenauigkeit zur Verfügung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Entstehung von nicht gelösten Gasen in einer mit Flüssigkeit gefüllten Anlage, insbesondere einer Hochspannungsanlage, wie einem Hochspannungstransformator.

Die Entstehung von nicht gelösten Gasen deutet bei Anlagen der voranstehend erwähnten Art in der Regel auf einen Defekt. So bilden sich derartige Gase in Hochspannungsanlagen bei Teilentladungen, Hitze, Durchschlägen aus der Flüssigkeitsfüllung. Indem die Gasentstehung sowohl hinsichtlich ihres Volumens als auch hinsichtlich ihres zeitlichen Verlaufs erfaßt wird, können Rückschlüsse auf die ordnungsgemäße Funktion der jeweiligen Anlage gezogen werden.

Eine bekannte, allgemein als "Buchholz-Relais" bezeichnete und beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE 41 36 639 C2 beschriebene Vorrichtung zum Erfassen der Entstehung bestimmter Gasvolumina wird beispielsweise zum Schutz von Hochspannungstransformatoren eingesetzt. Das bekannte "Buchholz-Relais" wird in eine Verbindungsleitung geschaltet, die das flüssigkeitsbefüllte Transformatorgehäuse mit einem Ausgleichsbehälter verbindet, über den die Ausdehnung der Flüssigkeitsfüllung beispielsweise bei Temperaturunterschieden ausgeglichen wird.

Das "Buchholz-Relais" umfaßt einen Sammelraum, in welchem ein auf dem Flüssigkeitsspiegel aufliegender Schwimmer angeordnet ist. Der Schwimmer ist mit einer Signalerzeugungseinrichtung verkoppelt. Die nicht gelösten, in der Flüssigkeit aufsteigenden Gase gelangen auf ihrem Weg zu dem Ausgleichsbehälter in den Sammelraum des Relais, aus welchem sie entsprechend ihrem Volumen die Flüssigkeit verdrängen. Sobald das Absinken des Flüssigkeitsspiegels unterhalb eines bestimmten Niveaus anzeigt, daß ein kritisches Gasvolumen innerhalb des Sammelraums versammelt ist, wird ein Warnsignal ausgelöst.

Der Nachteil des "Buchholz-Relais" besteht darin, daß es zwar die quantitative Erfassung der Gasentstehung ermöglicht, daß es aber keine Aussage über deren zeitlichen Verlauf liefert. Der zeitliche Verlauf der Gasentstehung stellt jedoch ein wichtiges Kriterium für die Beurteilung der Art des jeweiligen die Gasentstehung auslösenden Schadens dar.

Es ist versucht worden, die Nachteile eines "Buchholz- Relais" dadurch zu beseitigen, daß, wie in der DE 41 36 639 C2 ebenfalls beschrieben, anstelle eines solchen Relais eine Kondensatoranordnung eingesetzt wird. Auch diese Anordnung wird an die Flüssigkeitsleitung angeschlossen, die das Gehäuse der Anlage mit dem Ausgleichsbehälter verbindet. Bei ordnungsgemäßem Zustand befindet sich zwischen den Kondensatorplatten Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit wird durch das im Fall eines Schadens entstehende Gas verdrängt. Damit einhergehend verändert sich die Kapazität der Kondesatoranordnung. Diese Änderung wird von einer entsprechend ausgebildeten elektrischen Auswerteinrichtung erfaßt, welche nicht nur eine Information über das entstandene Gasvolumen, sondern auch über den zeitlichen Verlauf der Entstehung abgibt. Nachteilig an der Verwendung einer derartigen Kondensatoranordnung ist, daß sie aufwendig herzustellen und kompliziert zu montieren ist und daß das von ihr gelieferte Meßergebnis ungenau ist.

Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 91 13 593 U1 eine Meßvorrichtung zur Kontrolle der Wicklungspressung von Öl-Transformatoren und Kompensations-Drosselspulen bekannt. Dabei wird eine Messung der durch die Last des jeweils überwachten Transformators ausgelösten Ölschwingungen durchgeführt. Zu diesem Zweck ist eine Meßeinrichtung mit dem Entlüftungshahn eines Buchholzrelais' verbunden. Beim Zuschalten oder Abschalten einer Last schwingt die Wicklung des Transformators mit ihrer mechanischen Eigenfrequenz ein und aus. Die dadurch ausgelöste Ölschwingungsamplitude und die Frequenz der Ölschwingungen werden durch die Meßeinrichtung ausgewertet.

Schließlich ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 35 37 192 A1 eine Meßanordnung zum Messen der Veränderung einer Flüssigkeitsmenge, insbesondere der Ölmenge in einer Brennkraftmaschine, bekannt, bei der eine Ultraschallmeßeinrichtung eingesetzt wird, um die Höhe eines Flüssigkeitsspiegels bezogen auf eine Bezugsfläche zu ermitteln. Die Ultraschallmeßeinrichtung sendet zu diesem Zweck Ultraschallsignale in Richtung des Flüssigkeitsspiegels und ermittelt, aus der Laufzeit der Signale den jeweiligen Abstand des Flüssigkeitsspiegels zu der Bezugsfläche.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfacher Herstell- und Montierbarkeit eine verbesserte Meßgenauigkeit zur Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erfassen der Entstehung von nicht gelösten Gasen in einer mit Flüssigkeit gefüllten Anlage gelöst, welche mit einem Gehäuse, welches einen über einen Flüssigkeitsanschluß mit der Flüssigkeit verbundenen Innenraum umgibt, mit einer an den Innenraum angeschlossenen Ultraschallmeßeinrichtung, welche zum Messen des Abstandes des Spiegels der in dem Innenraum enthaltenen Flüssigkeit zu einer Bezugsfläche bestimmt ist, mit einer Entlüftungseinrichtung, mittels der das Gehäuse entlüftbar ist, und mit einer Druckausgleicheinrichtung ausgestattet ist, welche einen Druckausgleich bewirkt, wenn nicht gelöstes Gas in den Innenraum einströmt.

Aufgrund ihres unkomplizierten, aus einem Minimum an einzelnen Elementen bestehenden Aufbaus kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung einfach und kostengünstig hergestellt werden. Dabei ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß zu jedem Betriebszeitpunkt Verhältnisse vorliegen, die ein optimales Ergebnis der Ultraschallmessung sicherstellen. Die Ultraschallmessung wird zu diesem Zweck so durchgeführt, daß das Meßsignal gegen den Flüssigkeitsspiegel gerichtet ist, so daß der Abstand des Flüssigkeitsspiegels zu der Bezugsfläche erfaßt wird. Dazu kann das Meßsignal auf die Oberfläche der Flüssigkeit gerichtet sein. Genauso ist es auch denkbar, das Ultraschallmeßsignal von unten, also durch die Flüssigkeit hindurch, gegen den Flüssigkeitsspiegel zu richten. In beiden Fällen erhält man aus dem Ultraschallmeßsignal eine Aussage über die Menge des sich in dem Innenraum sammelnden Gases.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verbleibt nach der Entlüftung des Gehäuses zwischen der Bezugsfläche und dem Flüssigkeitsspiegel ein Gasvolumen. Auf diese Weise ist stets ein Gaspolster zwischen der Bezugsfläche und dem Flüssigkeitsspiegel vorhanden ist, welches die Durchführung einer einwandfreien Ultraschallmessung, bei der die Meßsignale auf die Oberfläche der Flüssigkeit gerichtet sind, von Beginn der Inbetriebnahme an ermöglicht.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse vertikal ausgerichtet ist und daß die Bezugsfläche durch die obere Stirnfläche des Gehäuses gebildet ist. Ein derart ausgebildetes Gehäuse läßt sich nicht nur leicht herstellen, sondern kann auch in seinen Abmessungen ohne weiteres so ausgelegt werden, daß sich das Gas problemlos in ihm sammelt. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Gehäuse zylinderförmig ist.

Vorteilhaft ist es auch, wenn eine Steuer- und Auswerteinrichtung vorgesehen ist, welche die von der Ultraschallmeßeinrichtung gelieferten Signale auswertet und in Abhängigkeit vom Resultat der Auswertung Steuersignale abgibt. Die Verwendung einer derartigen Auswerteinrichtung ermöglicht die vollautomatische Auswertung der Gasentstehung und die ebenso automatische Abgabe von qualifizierten Warnsignalen im Fall einer Störung.

Eine weitere zweckmäßige und einfach herzustellende Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungseinrichtung eine beabstandet zur Bezugsfläche in den Innenraum mündende Entlüftungsleitung umfaßt. Dabei sollte vorzugsweise ein Ventil vorgesehen sein, durch welches die Entlüftungsleitung in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Vorrichtung öffen- und verschließbar ist.

Ebenso zweckmäßig ist es, wenn die Druckausgleicheinrichtung als Bypassleitung ausgebildet ist, die im Bereich des Flüssigkeitsanschlusses in dem Innenraum mündet. Dabei sollte auch in diesem Fall ein Ventil vorgesehen sein, durch welches die Bypassleitung in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand innerhalb des Innenraums öffen- und verschließbar ist.

Die Montage einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung kann zusätzlich dadurch vereinfacht werden, daß die Vorrichtung mit ihrem Flüssigkeitsanschluß in eine Öffnung eines Gehäuseteils der Anlage einsetzbar ist. Insbesondere im Hinblick auf die Nachrüstbarkeit bestehender Anlagen ist es dabei günstig, wenn der Innenraum des Gehäuses an die Entlüftungsöffnung eines mit der Anlage verbundenen Buchholz-Relais anschließbar ist. Dies kann problemlos in einer Weise erfolgen, die keine Änderungen an dem Buchholzrelais erforderlich macht, so daß dessen Funktion unverändert erhalten bleibt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen mit Flüssigkeit gefüllten Hochspannungstransformator;

Fig. 2 eine an dem Hochspannungstransformator gemäß Fig. 1 eingesetzte Vorrichtung zum Erfassen der Entstehung von nicht gelösten Gasen in der Flüssigkeit in einem ersten Betriebszustand in einer Schnittansicht;

Fig. 3 die Vorrichtung gemäß Fig. 2 in einer zweiten Betriebsstellung.

Der Hochspannungstransformator 1 weist ein Gehäuse 2 auf, dessen nicht dargestellter Innenraum mit einer Flüssigkeit F gefüllt ist. Der mit Flüssigkeit F gefüllte Innenraum des Gehäuses 2 ist über eine ebenfalls mit der Flüssigkeit F gefüllte Verbindungsleitung 3 mit einem Ausgleichsbehälter 4 verbunden.

In die Verbindungsleitung 3 ist ein "Buchholz-Relais" 5 geschaltet, welches einen nicht gezeigten Schwimmer umfaßt, welcher auf der in dem Sammelraum enthaltenen Flüssigkeit F schwimmt. Zum Entlüften des Sammelraums zu Beginn einer Inbetriebnahme ist eine Entlüftungsöffnung 6 vorgesehen, welche ein ebenso nicht gezeigtes Innengewinde aufweist.

In die Entlüftungsöffnung 6 ist die Vorrichtung 10 zum Erfassen der in der Flüssigkeit F entstehenden nicht gelösten Gase G mit ihrem als Einschraubflansch ausgebildeten Flüssigkeitsanschluß 11 eingeschraubt. Der Flüssigkeitsanschluß weist eine Durchgangsöffnung 12 auf, deren Durchmesser dem mittleren Durchmesser (beispielsweise 3 mm) der Gasblasen G entspricht, als die das Gas G in der Flüssigkeit F aufsteigt. Der Flüssigkeitsanschluß 11 ist an eine Bodenplatte 13 angeformt, welche die untere Stirnseite eines zylindrisch ausgebildeten, vertikal ausgerichteten Gehäuses 14 der Vorrichtung 10 verschließt.

Das Gehäuse 14 der Vorrichtung 10 umfaßt mit ihrer Seitenwand 15 und ihrer oberen Stirnwand 16 einen Innenraum 17. Im unteren an die Bodenplatte 13 angrenzenden Bereich der Seitenwand 15 mündet eine Bypassleitung 18 in den Innenraum 17. Zum Öffnen bzw. Verschließen der Bypassleitung 18 ist ein Ventil 19 vorgesehen, dessen Schließstellung durch eine Steuer- und Überwachungseinrichtung 30 gesteuert wird. In einem Abstand a, der etwa einem Drittel der Gesamthöhe h des Innenraums 17 entspricht, beabstandet zur oberen Stirnwand 16, mündet in der Seitenwand 15 zusätzlich eine Entlüftungsleitung 20. Zum Öffnen bzw. Verschließen der Entlüftungsleitung 20 ist ein Ventil 21 vorgesehen, dessen Schließstellung ebenfalls durch die Steuer- und Überwachungseinrichtung 30 gesteuert wird.

In die obere Stirnwand 16 des Gehäuses 14 ist eine Aufnahme 22 für einen Ultraschallmeßkopf 23 eingeformt, welcher in Richtung der unteren Bodenplatte 13 ausgerichtet ist. Der Ultraschallmeßkopf 23 liefert seine Meßsignale an die Steuer- und Auswerteinrichtung 30.

Um vor der Inbetriebnahme des Hochspannungstransformators 1 den Sammelraum des Buchholz-Relais 5 und der Innenraum 17 der Vorrichtung 10 zu entlüften, wird das Ventil 21 geöffnet. Daraufhin steigt Flüssigkeit F in den Sammelraum des Buchholz-Relais 5 und den Innenraum 17, bis der Innenraum 17 bis zum Niveau der Mündung 20a der Entlüftungsleitung 20 gefüllt ist (Fig. 2). Ebenso wie das Ventil 21 wird auch das Ventil 19 der Bypassleitung 18 geöffnet, um einen Druckausgleich in dem Innenraum 17 der Vorrichtung 10 sicherzustellen.

Durch die infolge des Öffnens der Ventile 19 und 21 aufsteigende Flüssigkeit F werden in dem Sammelraum des Buchholz-Relais 5 und dem Innenraum 17 der Vorrichtung 10 enthaltene Gase bis auf dasjenige Gasvolumen GV verdrängt, welches zwischen der Mündung 20a der Entlüftungsleitung 20 und der oberen Stirnwand 16 des Gehäuses 14 der Vorrichtung 10 eingeschlossen ist. Nach dem Entlüftungsvorgang wird das Ventil 21 geschlossen, so daß kein Gas G mehr über die Entlüftungsleitung aus dem Innenraum 17 austreten kann.

Beispielsweise bei einem Defekt des Hochspannungstransformators 1 infolge von mit dem Defekt einhergehenden Teilentladungen, Wärmeentwicklung oder Durchschlägen im Innenraum des Gehäuses 2 entstehende ungelöste Gase G steigen aufgrund der natürlichen Auftriebskraft als Gasblasen geringer Größe in der Flüssigkeit F auf. Dabei gelangen sie in die Verbindungsleitung 3 und passieren auf ihrem Weg in Richtung des Ausgleichsbehälters 4 das Buchholz-Relais 5. In dessen Sammelraum werden die Gase G gesammelt.

Die in dem Sammelraum gesammelten Gase G steigen über die Entlüftungsöffnung 6 des Buchholz-Relais 5 zunächst in die Durchgangsöffnung 12 und treten in den Innenraum 17 der Vorrichtung 10 ein. Dabei verdrängen die in der Durchgangsöffnung 12 aufsteigenden Gasblasen G die in der Durchgangsöffnung 12 stehende Flüssigkeit F, so daß ein entsprechendes Volumen der Flüssigkeit F unter Ausgleich des Drucks im Innenraum 17 in die geöffnete Bypassleitung 18 gedrängt wird.

Der Ultraschall-Meßkopf 23 sendet und empfängt Ultraschall-Meßsignale auf die Oberfläche der in dem Innenraum 17 enthaltenen Flüssigkeit F. Die ausgesendeten Meßsignale werden auf der Oberfläche der Flüssigkeit F reflektiert. Aus der Laufzeit zwischen dem Aussenden der Meßsignale und ihrem Empfang nach der Reflektion wird das mit dem Eintritt von Gasen G in den Innenraum 17 und der Verdrängung von Flüssigkeit in die Bypassleitung 18 einhergehende Absinken des Flüssigkeitsspiegels im Innenraum 17 durch die Steuer- und Auswerteinrichtung 30 ermittelt. Diese bestimmt aus dem Absinken des Flüssigkeitsspiegels zum einen den zeitlichen Verlauf der Gasentstehung und zum anderen das Gesamtvolumen des entstandenen Gases G. Die derart bestimmten Auswertungsergebnisse werden nicht dargestellten Überwachungseinrichtungen zur Weiterverarbeitung, beispielsweise zum Auslösen eines Alarms, zur Verfügung gestellt.

Sobald der Flüssigkeitsspiegel im Innenraum 17 an das Niveau der Mündung 18a der Bypassleitung 18 gelangt, wird das Ventil 19 geschlossen, so daß kein Gas G über die Bypassleitung 18 entweichen kann (Fig. 3).

Das vom Innenraum 17 der Vorrichtung 10 eingeschlossene Volumen ist im Verhältnis zu dem im Sammelraum des Buchholz-Relais 5 eingeschlossenen Volumen so gering, daß durch das Eintreten von Gas G in den Innenraum 17 der Vorrichtung 10 die grundsätzliche Schutzfunktion des Buchholz-Relais 5 nicht beeinträchtigt wird. Dessen Schwimmer verlagert seine Lage bei einem Absinken des Flüssigkeitsspiegels im Sammelraum des Buchholz-Relais 5. Erreicht der Schwimmer eine bestimmte, die Entstehung einer kritischen Gasmenge kennzeichnende Stellung, so wird über einen mit dem Schwimmer gekoppelten, hier nicht gezeigten Schalter ein Alarm ausgelöst.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Erfassen der Entstehung von nicht gelösten Gasen (G) in einer mit Flüssigkeit (F) gefüllten Anlage, insbesondere einer Hochspannungsanlage, wie einem Hochspannungstransformator (1), mit einem Gehäuse (14), welches einen über einen Flüssigkeitsanschluß (11) mit der Flüssigkeit (F) verbundenen Innenraum (17) umgibt, mit einer an den Innenraum (17) angeschlossenen Ultraschallmeßeinrichtung (23), welche zum Messen des Abstandes des Spiegels der in dem Innenraum (17) enthaltenen Flüssigkeit (F) zu einer Bezugsfläche (16) bestimmt ist, mit einer Entlüftungseinrichtung (20, 21), mittels der das Gehäuse (17) entlüftbar ist, und mit einer Druckausgleicheinrichtung (17, 18), welche einen Druckausgleich bewirkt, wenn nicht gelöstes Gas (G) in den Innenraum (17) einströmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Entlüftung des Gehäuses (17) zwischen der Bezugsfläche (16) und dem Flüssigkeitsspiegel ein Gasvolumen (GV) verbleibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) vertikal ausgerichtet ist und daß die Bezugsfläche (16) von der oberen Stirnfläche des Gehäuses (14) getragen ist.

4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) zylinderförmig ist.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und Auswerteinrichtung (30) vorgesehen ist, welche die von der Ultraschallmeßeinrichtung (23) gelieferten Signale auswertet und in Abhängigkeit vom Resultat der Auswertung Steuersignale abgibt.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungseinrichtung eine beabstandet zur Bezugsfläche in den Innenraum mündende Entlüftungsleitung (20) umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (21) vorgesehen ist, durch welches die Entlüftungsleitung (20) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Vorrichtung (10) öffen- und verschließbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der die Bezugsfläche tragenden Wand (16) des Gehäuses (14) eine Aufnahme (2) für den Meßkopf (23) der Ultraschallmeßeinrichtung ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleicheinrichtung als Bypassleitung (18) ausgebildet ist, die im Bereich des Flüssigkeitsanschlusses (11) in den Innenraum (17) mündet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (18) vorgesehen ist, durch welches die Bypassleitung (18) in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand innerhalb des Innenraums (17) öffen- und verschließbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Durchgangsöffnung (12) des Flüssigkeitsanschlusses (11) dem durchschnittlichen Durchmesser der in der Flüssigkeit (F) aufsteigenden Gasblasen (G) entspricht.

12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsanschluß (11) in eine Öffnung (6) eines Gehäuseteils der Anlage einsetzbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (17) des Gehäuses (14) an die Entlüftungsöffnung (6) eines mit der Anlage (1) verbundenen Buchholz-Relais (5) anschließbar ist.