DE2439931A1

DE2439931A1 - Verfahren und vorrichtung zum erfassen eines kurzschlusses in einer elektromagnetischen induktionsmaschine

Info

Publication number: DE2439931A1
Application number: DE19742439931
Authority: DE
Inventors: Shinichi Kune; Tokio Takage
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1973-08-20
Filing date: 1974-08-20
Publication date: 1975-04-17
Also published as: CH579281A5; GB1475162A

Description

Patentanwälte Liedi, Dr. Pontani, NcitJ:, Zeiiler München 22, Steinsdorf straße 21-22, Telefon 089 / 29 84

KABUSHIKI KAISHA MEIDENSHA No. 1-17, 2-chome, Ohsaki, Shinagawa-ku, TOKYO / Japan

und

THE TOKYO ELECTRIC POWER CO. , INC.. No. 1-3, 1-chome, Uchisaiwai-cho, Chiyoda-ku, TOKYO / Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses in einer elektromagnetischen Induktionsmaschine

Die Erfindung betrifft elektromagnetische Induktionsmaschinen, wie beispielsweise Transformatoren, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses, der in einer stromfüh-

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N/M

renden Wicklung, welche einen Teil eines magnetischen Kreises einer elektromagnetischen Induktionsmaschine bildet, erzeugt wird.

Als Mittel zum Erfassen von Kurzschlußzuständen in einer stromführenden Wicklung einer elektromagnetischen Induktionsmaschine, beispielsweise einem Transformator, wird in den meisten Fällen ein Differentialrelais verwendet, das auf einen bestimmten prozentualen Anstieg des Stromes in der Wicklung, in welcher eine Kurzschlußbedingung herrscht, anspricht. Die Anzeigemittel dieser Art sprechen auf einen bestimmten Grenzwert des Stromes an, der größer ist als ein bestimmter Wert, der von den dem Relais anhaftenden Arbeitskenngrößen abhängt. Demgemäß kann es vorkommen, daß das Relais außer Betrieb bleibt, obwohl der Kurzschluß bereits einen ernsthaften Zustand erreicht hat, so daß die kurzgeschlossene Wicklung irreparabel ausbrennt. Wenn das Differential relais so ausgestaltet ist, daß es zur Beseitigung des Problems mit einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Kurzschlußströmen ausgestattet ist, ergibt sich ein anderes prinzipielles Problem. Es besteht nämlich dann die Gefahr, daß das Relais in Abhängigkeit von der Magnetisierungsstromspitze, welche bei Einschalten der Induktionsmaschine in der stromführenden Wicklung fließt, falsch betrieben wird. Man benötigt daher zusätzliche Mittel, welche mit dem Relais verbunden sind, um einen derartigen unerwünschten Betrieb des Relais zu verhindern. Nicht nur das Anordnen von zusätzlichen Mitteln wirkt sich in erhöhtem Aufwand und kompliziertem Aufbau des Erfassungssystems aus, sondern es ergeben sich verschiedene Einschränkungen hinsichtlich des vollkommenen Verhinderns eines falschen Betriebes des Relais.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich daher mit der Beseitigung der im vorstehenden genannten Nachteile, welche den bekannten Schutzeinrichtungen für elektromagnetische Induktionsmaschinen anhaften.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu zeigen, mit dem man einen Kurzschluß der in einer stromführenden Wicklung .einer elektromagnetischen Induktionsmaschine entstanden ist, zuverlässig ermitteln kann. Ferner zeigt die Erfindung eine Vorrichtung, mit der.das Verfahren in einfacher und wirtschaftlicher Weise in die Praxis umgesetzt werden kann.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in einer stromführenden Wicklung, welche einen Teil eines magnetischen Kreises einer elektromagmetischen Induktionsmaschine bildet, eine entstandene Kurzschlußbedingung in der Weise ermittelt wird, daß eine Änderung in der Verteilung des Streuflusses des magnetischen Kreises ermittelt wird, wenigstens an einem elektrisch leitenden Element eine Spannung gebildet wird, welche in Abhängigkeit von der Größe der Änderung der Streuflußverteilung steht und ein Signal gebildet wird, wenn die so erzeugte -Spannung höher ist als ein vorbestimmter einstellbarer Wert. Die Verteilung · des Streuflusses, welche erfaßt werden soll, kann die Verteilung einer radialen Komponente des Streuflusses sein, welche in einer Richtung verläuft, die im wesentlichen parallel zur Achse der stromführenden Wicklung ist. Auch kann die Verteilung einer axialen Komponente des Streuflusses in radialer Richtung der stromführenden Wicklung erfaßt werden. In den Fällen, in denen es erwünscht ist, die axiale Verteilung der radialen Komponente des Streuflusses zu ermitteln, kann in vorteilhafter Weise ferner der Streufluß in der Nähe eines axialen Zwischenteils der stromführenden Wicklung erfaßt werden, entlang wenigstens eines zusätzlich elektrisch leitenden Elements eine Spannung erzeugt werden, welche von der Größe des Streuflusses in der Nähe des axialen Zwischenstückes der Wicklung abhängt und ein Signal erzeugt werden, wenn diese Spannung, welche im zusätzlichen leitfähigen Element hervorgerufen wird, höher ist als ein vorbestimmter einstellbarer Wert. .

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Zur Durchführung der im vorstehenden genannten Verfahren zeigt die Erfindung eine Vorrichtung, welche folgende Bauteile aufweist: Schaltkreismittel, welche mit dem Streufluß des magnetischen Kreises, der die stromführende Wicklung enthält, gekuppelt sind und welche auf eine Änderung der Streuflußverteilung ansprechen, so daß an diesem Schaltkreis eine Spannung entsteht, die von dem Betrag der Änderung der Streuflußverteilung abhängig ist sowie einstellbare signalerzeugende Mittel, welche in Abhängigkeit von dieser Spannung ein Ausgangssignal liefern, wenn die erzeugte Spannung höher ist als ein vorbestimmter, einstellbarer Wert. Die Schaltkreise können wenigstens ein elektrisch leitendes Element aufweisen, das im wesentlichen von der gesamten Längs aus dehnung der stromführenden Wicklung mitumfaßt ist und das auf die Verteilung der radialen Komponente des Streuflusses in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zur Achse der stromführenden Wicklung liegt, anspricht. Das leitfähige Element kann im wesentlichen koaxial zur stromführenden Wicklung gewickelt sein und auf eine asymmetrische Verteilung der radialen Komponente des Streuflusses in einer im wesentlichen parallel zur Achse der stromführenden Wicklung parallelen Richtung ansprechen. Die Schaltkreismittel können wenigstens ein Paar von zusätzlichen elektrisch leitfähigen Elementen aufweisen, von denen jedes von einem axialen inneren Endteil einer jeden axialen Hälfte der stromführenden Wicklung mitumfaßt ist und welche auf den Streufluß, der in der Nähe eines axialen Zwischenteils der stromführenden Wicklung erzeugt wird, ansprechen. Jedes dieser zusätzlichen leitfähigen Elemente kann im wesentlichen koaxial zu der stromführenden Wicklung gewickelt sein. Als Alternative zu dem leitfähigen Element bzw. zu den leitfähigen Elementen können die Schaltkreismittel wenigstens ein Paar von feldempfindlichen halbleitenden Elementen enthalten, welche so angeordnet sind, daß sie bei eingeschwungenem Zustand der Induktionsmaschine wie in Abwesenheit eines Kurzschlusses in der stromführenden Wicklung diese mit im wesentlichen gleichen Werten des Stromflusses in entgegengesetzten Richtungen gekuppelt sind, wobei diese

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halbleitenden Elemente in Reihe und in solchen Richtungen miteinander verbunden sind, daß die in den halbleitenden Elementen induzierten Spannungen bei im wesentlichen gleichen Anteilen des Stromflusses bei normalen Betriebsbedingungen der Maschine gegeneinander aufgehoben sind. Die feldempfindlichen Halbleiter elemente können auf einer Linie angeordnet sein, die im wesentlichen parallel zur Achse der stromführenden Wicklung und im wesentlichen symmetrisch zur Mitte der axialen Längsausdehnung der Wicklung ist. Die so angeordneten halbleitenden Elemente sprechen auf eine Änderung der Verteilung der radialen Komponente des Streuflusses in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zur Achse der stromführenden Wicklung liegt, an. Als Alternative zu einer derartigen Anordnung der halbleitenden Elemente können die halbleitenden Elemente auch in der Nachbarschaft axialer Enden von primären und sekundären Wicklungen der Induktionsmaschine angeordnet sein and auf eine Änderung in der Verteilung einer axialen Komponente des Streuflusses in radialer Richtung der primären und sekundären Windungen atisprechen. Die feldempfindlichen Halbleiter- . elemente, welche bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Anwendung kommen können, können aus Halbleitern gebildet sein, die einen Hall-Effekt oder einen magnetischen Widerstand aufweisen.

Die einstellbaren signalerzeugenden Mittel können ein Relais enthalten, das eine Spule aufweist, die zwischen die Anschlüsse der -leitfähigen Elemente oder die Anschlüsse eines jeden der leitfähigen Elemente, falls zwei oder mehr leitfähige Elemente verwendet werden, angeschlossen-, ist. Im Falle der Verwendung von feldempfindlichen Halbleitern kann die Spule des Relais an die Serienverbindung der feldempfindlichen Halbleiterelemente angeschlossen sein. Ferner kann ein veränderlicher Widerstand zwischen die Relaisspule und einen Anschluß des leitfähigen Elementes oder eines jeden der leit-' fähigen Elemente bzw. des einen Endes der Serienverbindung der feldempfindlichen Halbleiterelemente geschaltet sein. Die Mittel zur Erzeugung eines einstellbaren Signales können ferner Einstellmittel zum. Einstellender

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Lage eines Ankers des Relais enthalten. Die Einstellmittel können als Feder ausgebildet sein, die mit dem Anker des Eelais verbunden sind, so daß eine Einstellung der Lage des Ankers relativ gegenüber dem stationären Kontakt, der dem Relais zugeordnet ist, möglich ist.

In den beiliegenden Figuren sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und es soll anhand dieser Figuren die Erfindung noch näher erläutert werden. Sich entsprechende Teile und Elemente in den verschiedenen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer elektromagnetischen Induktionsmaschine gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 1, jedoch bei entstandener

Kurzschlußbedingung in der elektromagnetischen Induktionsmaschine;

Fig. 3a eine Teilansicht eines Längsschnittes einer diametralen Hälfte

eines Transformators, der aus zylindrisch angeordneten Primär- und Sekundärwicklungen besteht, die koaxial um einen Kern angeordnet sind;

Fig. 3b eine graphische Darstellung, die die axiale Verteilung der

radialen Komponente des Streuflusses im magnetischen Kreis des Transformators, der in Fig. 3a dargestellt ist, bei Abwesenheit eines Kurzschlusses in der Primärwicklung des Transformators darstellt;

Fig. 4a eine Teilansicht eines Längsschnittes, der eine diametrale

Hälfte eines Transformators darstellt, der einen ähnlichen Aufbau aufweist, wie der in Fig. 3a dargestellte und in welchem leitfähige Elemente eingebaut sind;

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Fig. 4b einen Querschnitt durch die Anordnung in der Fig. 4a;

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild, das den Gesamtschaltplan eines

ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels darstellt und welches in den in den Fig. 4a ,und 4b dargestellten Transformatoren eingebaut ist;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der axialen Verteilung der radialen

Komponente der magneto-motorischen Kraft in der Primärwicklung des Transformators in den Fig. 4a und 4b, für den Fall, daß ein Kurzschluß in der Wicklung erzeugt ist;

Fig. 7 ein Schaltbild, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für

die einstellbaren signalerzeugenden Mittel darstellt und das ein Teil der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;

Fig. 8 eine Teilansicht eines Längsschnittes einer diametralen Hälfte

eines Transformators, in welchem leitfähige Elemente eingebaut sind und welche Teile einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind;

Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche die axiale Verteilung der

radialen Komponente der magneto-motorischen Kraft darstellt, die in der Primärwicklung des in Fig. 8 dargestellten Transformators erzeugt wird, falls ein Kurzschluß in einem axialen Teilbereich der Wicklung auftritt;

Fig. 10 ein Schaltbild, das den Gesamtschaltkreis eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung darstellt und welches in einem Transformator gemäß Fig. 8 eingebaut ist;

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Fig. 11 eine Vorderansicht eines Leistungstransformators, in welchem

eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eingebaut ist;

Fig. 12 ein Schaltbild, das gleichbedeutend mit der Ausführungsform

in Fig. 11 ist;

Fig. 13a eine Teilansicht eines Längsschnittes einer diametralen Hälfte eines Transformators, in welchem feldempfindliche Halbleiterelemente eingebaut sind; diese bilden einen Teil eines vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 13b eine Kurvendarstellung, die die axiale Verteilung der radialen Komponente des Streuflusses,der in den magnetischen Kreis des Transformators in Fig. 13a erzeugt wird, bei Abwesenheit eines Kurzschlusses in der Primärwindung des Transformators darstellt;

Fig. 14 ein Schaltbild, das den Gesamtschaltkreis des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt;

Fig. 15a eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 13a, jedoch bei einer

Bedingung des Transformators, in welcher ein Kurzschluß in der Primärwicklung des Transformators vorhanden ist;

Fig. 15b eine Kurvendarstellung, welche die axiale Verteilung der

radialen Komponente des Streuflusses im Transformator der Fig. 13a bei Anwesenheit eines Kurzschlusses in der Primärwicklung des Transformators darstellt;

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Fig. 16a eine Teilansicht eines Längsschnittes einer diametralen Hälfte eines Transformators, in welchem ein fünftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eingebaut ist;

Fig. 16b eine Kurvendarstellung, welche die radiale Verteilung einer

axialen Komponente des Streuflusses, der im Transformator in Fig. 16a bei Abwesenheit eines Kurzschlusses in der Primärwicklung des Transformators erzeugt wird, darstellt;

Fig. 17 ein Schaltbild, das den Gesamtschaltkreis der fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 18a eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 1, jedoch bei einem

Transformatorzustand, in welchem ein Kurzschluß in einem radialen inneren Teil der Primärwicklung vorhanden ist;

Fig. 18b eine Kurvendarstellung, welche die Verteilung einer axialen

Komponente des Streuflusses darstellt, der in einem Transformator der Fig. 18a bei Kurzschlußverhalten erzeugt wird;

Fig. 19a eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 16a, jedoch ist im

Transformator in einem radial äußeren Teil der Primärwicklung ein Kurzschluß vorhanden und

Fig. 19b eine Kurvendarstellung, welche die radiale Verteilung einer axialen Komponente des Streuflusses darstellt, der in einem Transformator der Fig. 19a bei Kurz Schluß verhalten erzeugt wird.

Bevor im einzelnen die Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert werden sollen, sei darauf hingewiesen, daß diese lediglich zur Erläuterung der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung dienen sollen.

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Es können natürlich auch andere elektrische Einrichtungen, welche die elektromagnetische Induktion ausnützen, zur Anwendung kommen.

In Fig. 1 ist eine elektromagnetische Induktionsmaschine bzw. ein Transformator dargestellt. Dieser weist eine Primärwicklung 20 auf, welche an eine Wechselspannungsquelle 22 angeschlossen ist. Ferner besitzt er eine Sekundärwicklung 24, welche an eine Last bzw. an einen Verbraucher angeschlossen ist. Der Verbraucher wird mittels eines Stromes, der in die Sekundärwicklung 24 bei erregter Primärwicklung 20 induziert wird, betrieben. Von der Wechselspannungsquelle 23 wird ein Primärstrom I in die Primärwicklung geliefert. Ferner ist ein nicht näher dargestellter Magnetkern vorhanden, der magnetisch mit den Primär- und Sekundärwicklungen 20 und 24 gekuppelt ist. Wenn nun ein Kurzschluß beispielsweise in einem bestimmten lokalisierten Bereich 20a der Primärwicklung 20 auftritt, wie das in Fig. 2 dargestellt ist, fließt ein zirkulierender Strom I in der Schleife des kurzgeschlossenen Bereiches 20a der Primärwicklung 20. Um den Kurzschlußstrom I unwirksam zu machen, fließt ein erhöhter Primärstrom Γ durch die restlichen Teile der Primärwicklung 20. Der Zuwachs Γ-I des Primärstromes ist proportional dem Verhältnis der Anzahl der Windungen des kurzgeschlossenen Bereiches 20a zur Anzahl der Windungen der gesamten Primärwicklung 20. Dieser Zuwachs ist auf einen Bereich unterhalb eines relativ kleinen Wertes beschränkt, auch dann, wenn der Kurzschlußstrom I bis zu einem solchen Wert anwachsen

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kann, daß der kurzgeschlossene Bereich 20a der Primärwicklung 20 durchbrennt. Der Zuwachs I' -I des Primärstromes wird darüber hinaus von der Streuimpedanz Z zwischen dem kurzgeschlossenen Bereich 20a und den restlichen Teilen der Primärwicklung 20 bestimmt. Wenn daher der kurzgeschlossene Bereich 20a nahe dem Ende der Primärwicklung 20 liegt, ist der Zuwachs des Primärstromes, der durch die Bildung des Kurzschlusses hervorgerufen wird, auf einen äußerst geringen Wert beschränkt, da die Streuimpedanz in Eichtung zum Ende der Wicklung hin anwächst. Die bekannten Transformatorschutzeinrichtungen, wie beispielsweise das im vor-

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stehenden erwähnte Differentialrelais, vermögen auf einen derart geringen Zuwachs des Primärstromes nicht anzusprechen.

Demgemäß ist es Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Kurzschlußstromzuständen der Wicklung zu zeigen,und zwar bei einer Umkippstufe des Kurzschlusses, bei der der Kurzschlußstrom. I noch unterhalb eines relativ geringen Wertes liegt und demgemäß die Wicklung, in der der Kurzschluß vorhanden ist, noch nicht beeinträchtigt ist.

In Fig. 3a ist der Transformator, in welchem eine Ausführungsform gemäß der Erfindung eingebaut werden soll, in der Weise aufgebaut, daß die Primär- und Sekundärwicklungen 20 und 24 im wesentlichen zylindrische Formen aufweisen und koaxial um den Magnetkern, der mit der Bezugszahl 28 versehen ist, gewickelt sind. Der magnetische Kreis, der durch die Primär- und Sekundärwicklungen 20 und 24 und den Magnetkern 28 gebildet wird, erzeugt im eingeschwungenen Zustand des Transformators einen Streufluß mit einer Radialkomponente, welche in der Nähe des axialenZwischenteils der Primärwicklung 20 nicht vorhanden ist und welche in ähnlichen Verteilungsmustern in entgegengesetzten Richtungen in der Nähe der axialen Enden der Primärwicklung 20 auftaucht, wie das durch B und -B in Fig. 3b dargestellt ist. Die Verteilung der radialen Komponente des Streuflusses in einer zur Achse der Primärwicklung parallelen Richtung ist demgemäß symmetrisch bezüglich der Mitte der gemeinsamen Achse der Primär- und Sekundärwicklungen bei eingeschwungenem Zustand des Transformators, d. h. in Abwesenheit eines Kurzschlusses in der Primärwicklung.

In den Fig. 4a und 4b enthält der Transformator neben dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ferner ein Gehäuse 30, das eine Seitenwand 30a aufweist. Diesf3 umgibt koaxial die Anordnung der Primär- und Sekundärwicklungen 20 und 24 sowie den Magnetkern 28, wie aus Fig. 4b deutlich zu ersehen ist. Ein wendelförmig gewundenes leitfähiges Element 32 ist an

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der inneren Umfangsfläche der Seitenwand 30a des Gehäuses 30 befestigt. Das leitfähige Element ist so angeordnet, daß es koaxial die Primärwicklung 20 umgibt. Das wendeiförmige leitfähige Element 32 ist mit der radialen Komponente des Streuflusses gekoppelt. Dieser Streufluß hat in axialer Richtung der Primärwicklung 20 eine Verteilungscharakteristik, wie sie in Fig. 3b im eingeschwungenen Zustand des Transformators dargestellt ist. Falls es erwünscht ist, kann das wendeiförmige leitfähige Element auch an der äußeren Umfangsfläche des Magnetkerns 28 angeordnet sein. Es wird dann koaxial von der Primärwicklung 20 über die Sekundärwicklung 24 hin umgeben und ist mit 32' in den Fig. 4a und 4b bezeichnet. Während das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung lediglich ein leitfähiges Element 32 bzw. 32' aufweist, können natürlich auch beide leitfähigen Elemente 32 und 32' gleichzeitig zur Anwendung kommen, falls dies notwendig ist.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, besitzt das leitfähige Element 32 bzw. 32' Anschlußklemmen a und b, welche mit Anschlußklemmen a' und b' eines einstellbaren Signalgenerators 34 verbunden sind. Dieser Signalgenerator besitzt ferner Ausgangsklemmen a" und b". Der einstellbare Signalgenerator 34 kann ein elektrisches Signal erzeugen, wenn die Spannung zwischen den Eingangsklemmen a' und b' höher ist als ein vorbestimmter eingestellter Wert.

Bei eingeschwungenem Zustand des Transformators und bei Fehlen eines Kurzschlusses in der Primärwicklung 20 hat die radiale Komponente des Streuflusses eine axiale Verteilung, welche symmetrisch ist bezüglich des axialen Mittelpunktes der Primärwicklung 20, wie das in Fig. 3a dargestellt ist. Die magneto-motorischen Kräfte, welche in die wendeiförmigen leitfähige.n Elemente 32 bzw. 32' infolge des Streuflusses B und -B in der Nachbarschaft der axialen Enden der Primärwicklung 20 induziert werden, heben sich daher gegenseitig auf. Es erscheint daher zwischen

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den Klemmen a und b der leitfähigen Elemente 32 bzw. 32' keine induzierte Spannung. Es fohlt daher auch eine Spannung zwischen den Eingangsklemmen a' und b' des Signalgenerators 34 und infolgedessen bleibt der Signalgenerator 34 außer Betrieb.

Wenn jedoch ein Kurzschluß, beispielsweise in einem axialen Bereich 20a der Primärwicklung 20 auftritt, wie das in Fig. 4a gezeigt ist, fließt ein umlaufender Strom in der Schleife, welche im kurzgeschlossenen Bereich 20a gebildet wird. Dieser Strom fließt in einer Richtung, welche durch ρ bezeichnet ist. Demgemäß fließt ein erhöhter primärer Strom durch die übrigen Teile der Primärwicklung 20 in einer Richtung, welche durch q bezeichnet ist. Dieser Strom hat das Bestreben, die magneto-motorische Kraft, welche vom Kurzschlußstrom induziert wird, unwirksam zu machen. Demgemäß induziert der durch die Primärwicklung 20 fließende Strom magnetomotorische Kräfte mit radialen Komponenten, welche eine Verteilungscharakteristik in axialer Richtung der Wicklung 20 aufweisen, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. In Fig. 6 ist auf der Abszisse F die radiale Komponente der magneto-motorischen Kraft und auf der Ordinate D der axiale Abstand vom Ursprung O, der mit dem kurzgeschlossenen Bereich 20a der Primärwicklung 20 zusammenfällt, aufgetragen. Demgemäß ergibt sich aua den so entstandenen magneto-motorischen Kräften ein Streufluß, der eine radiale Komponente aufweist, welche in den Fig. 4a und 4b durch B bezeichnet ist. Aus der axialen Verteilungscharakteristik der magneto-motorischen Kraft, welche in Fig. 6 dargestellt ist, ergibt sich, daß der Streufluß, der unter Kurzschlußbedingung erzeugt wird, in axialer !Richtung der Primärwicklung 20 eine asymmetrische Verteilung aufweist, außer der Kurzschlußbereich 20a ist im axialen Mittelpunkt der Primärwicklung 20 angeordnet. Demgemäß wird eine Spannung zwischen den Klemmen a undb (Fig. 5) des wendeiförmigen Elementes 32 bzw. 32', welches mit der radialen Komponente des Streuflusses B gekoppelt ist, induziert. Bei

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Versuchen hat es sich ergeben, daß die Spannung, welche auf diese Weise in das wendeiförmige leitfähige Element 32 bzw. 32' induziert wird, in der Größenordnung von einigen Volt liegt, für den Fall, daß es sich um einen Leistungstransformator mit einer Nennleistung von 20 MVA handelt. Bei Leistungstransformatoren mit höherer Nennleistung ergeben sich einige 10 Volt induzierter Spannung. Wenn nun zwischen den Klemmen a und b der wendeiförmigen Elemente 32 bzw. 32' eine Spannung erscheint, wird der einstellbare Signalgenerator 34 in Betrieb gesetzt und erzeugt ein Signal, wenn die ihm zugeführte Spannung höher ist als ein bestimmter vorher eingestellter Spannungswert. Die Ausgangsklemmen a" und b" des Signalgenerators 34 können mit einer geeigneten Warnvorrichtung oder einer geeigneten Schutzeinrichtung verbunden sein. Diese kann den Transformator von der Spannungsquelle abtrennen.

Die Fig. 7 zeigt ein bevorzugstes Ausführungsbeispiel des einstellbaren Signalgenerators 34. Dieser Signalgenerator 34 enthält ein Relais 36 mit einer Relaisspule 38, die an die Eingangsklemmen a' und b' über einen veränderbaren Widerstand 40 angeschlossen sind. Ferner ist ein Ankerkern 42 vorgesehen, der in axialer Richtung bewegt werden kann, wenn ein Strom durch die Relaisspule 38 fließt. Ferner sind normalerweise offene Kontakte 44 vorgesehen, welche dann geschlossen werden, wenn der Ankerkern 42 betrieben wird. Diese normalerweise offenen Kontakte liegen zwischen den Ausgangsklemmen a" und b" des Signalgenerators Die Spannungshöhe, welche an das Relais 36 angelegt werden muß, damit dieses in Betrieb gesetzt wird, kann durch Einstellen des Widerstandswertes des veränderlichen Widerstandes 40 eingeregelt werden. Der veränderliche Widerstand 40 ist bevorzugt vom nichtinduktiven Typ. Der Ankerkern 42 kann von einem stationären Element über ein längeneinstellbares Element, wie beispielsweise eine einstellbare Feder 46, abgestützt werden, so daß die axiale Lage des Ankerkerns 42 relativ zu den Kontakten 44 einstellbar ist.

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Die axiale Verteilung der radialen Komponente des Streuflusses, welcher unter Kurzschlußbedingungen der Wicklung erzeugt wird, ist normalerweise asymmetrisch bezüglich der Mitte der Achse der Wicklung, wie im vorstehenden schon erläutert wurde. Für den Fall jedoch, daß der Kurzschlußbereich 20a im axialen Mittelpunkt der Primärwicklung 20 liegt, wie das in Fig. 8 dargestellt ist, ist die Verteilungscharakteristik der radialen Komponente der magneto-motorischen Kräfte, welche in der Wicklung erzeugt werden, symmetrisch bezüglich der Mitte der Achse der Wicklung, wie aus Fig. 9 hervorgeht. Die magneto-motorischen Kräfte, welche in den axialen Endteilen der Primärwicklung 20 erzeugt werden, heben sich gegenseitig auf, so daß zwischen den Klemmen der leitfähigen Elemente 32 bzw. 32' keine induzierte Spannung erscheint. Das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung kann jedoch auch dieses Problem beseitigen.

In Fig. 8 ist ein Paar von wendeiförmigen leitfähigen Elementen 48 und 50 an der inneren Umfangsfläche der Seitenwand 30a des Transformatorgehäuses zusätzlich zu den schon im vorstehenden beschriebenen leitfähigen Elementen 32 bzw. 32' oder zusätzlich zu weiteren Elementen 32 und 32' angeordnet. Jedes d ieser zusätzlichen leitfähigen Elemente 48 und 50 umgibt koaxial die axialen inneren Endteile einer jeden axialen Hälfte der Primärwicklung Demgemäß sind sie mit der radialen Komponente des Streuflusses in der Nähe des axialen Zwischenteiles bzw. axialen Mittelteiles der Primärwicklung 20 gekoppelt. Falls erwünscht, können die zusätzlichen leitfähigen Elemente auch an der äußeren Umfangsfläche des Magnetkerns 28 angeordnet sein, wie das durch die Bezugszeichen 48' und 50' angedeutet ist. Hierbei ist dann jedes der leitfähigen Elemente 48' und 50' koaxial vom inneren Endteil einer jeden axialen Hälfte der Primärwicklung 20 über den entsprechenden Teil der Sekundärwicklung 24 hin umgeben.

Die Anschlußklemmen der leitfähigen Elemente 32 bzw. 32', 48 bzw. 48' und 50 bzw. SO' sind mit dem einstellbaren Signalgenerator 34 verbunden.

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Dieser kann aus parallelen Schaltungen bestehen, von denen jede ähnlich aufgebaut ist wie die Schaltung in Fig. 7. Der Signalgenerator 34 kann daher ein elektrisches Signal erzeugen, wenn zwischen den Klemmen wenigstens eines der leitfähigen Elemente 32 bzw. 32', 48 bzw. 48' und 50 bzw. 50' eine Spannung erscheint. Es wird dann wenigstens eine Schaltung, aus denen der Signalgenerator 34 zusammengesetzt ist, erregt.

Bei Fehlen eines Kurzschlusses der Primärwicklung 20 in der Anordnung gemäß Fig. 8 heben sich die magneto-motorischen Kräfte, welche in den axialen Endbereichen der leitfähigen Elemente 32 bzw. 32' erzeugt werden, gegenseitig auf, da die Verteilung der radialen Komponente des Streuflusses symmetrisch zur Achse ist. Ferner werden keine magneto-motorischen Kräfte in den zusätzlichen leitfähigen Elementen 48 bzw. 48' und 50 bzw. 50' erzeugt, weil kein Streufluß in der Nachbarschaft des axialen Zwischenstückes bzw. Mittelbereiches der Primärwicklung 20 vorhanden ist, wie aus der Kurvendarstellung der Fig. 3b zu ersehen ist. Es wird daher in die leitfähigen Elemente 32 bzw. 32' und auch in jedes der zusätzlichen leitfähigen Elemente 48 bzw. 48' und 50 bzw. 50' keine Spannung induziert. Demgemäß bleibt der einstellbare Signalgenerator 34 unbetrieben, solange der Transformator in seinem eingeschwungenen Zustand betrieben wird. Wenn jedoch ein Kurzschluß in einem axialen Bereich der Primärwindung erzeugt wird, der außermittig liegt, erscheint eine Spannung, die in jedem der leitfähigen Elemente 32 bzw. 32', 48 bzw. 48' und 50 bzw. 50' induziert ist. Dies ist auch ersichtlich aus der axialen Verteilungscharakteristik der magneto-motorischen Kräfte, wie sie in der Fig. 6 dargestellt ist. Demgemäß wird der Signalgenerator 34 in der Fig. 10 in Betrieb gesetzt und erzeugt ein elektrisches Signal, wenn die Spannung an den Klemmen irgendeines der leitfähigen Elemente 32 bzw. 32', 48 bzw. 48' und 50 bzw. 50' höher ist als ein vorbestimmter Wert. Wenn jedoch der Kurzschlußbereich 20a im axialen Mittelpunkt der Primärwicklung 20 liegt, wie das in Fig. 8 dargestellt ist, werden die magneto-motorischen Kräfte, welche in die axialen

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Endteile der leitfähigen Elemente 32 bzw. 32' induziert werden, gegeneinander aufgehoben, so daß keine Spannung in die leitfähigen Elemente 32 bzw. 32' induziert wird. Dies beruht darauf, daß die axiale Verteilungscharakteristik der radialen Komponenten der magneto-motorischen Kräfte, welche in der Primärwicklung 20 erzeugt werden, wie im vorstehenden im Zusammenhang mit der Fig. 9 schon erläutert worden ist, symmetrisch ist. Unter diesen Betriebsbedingungen sind jedoch die zusätzlichen leitfähigen Elemente 48 bzw. 48' und 50 bzw. 50' mit der. radialen Komponente des Streuflusses gekoppelt. Dieser Streufluß resultiert aus den magneto-motorischen Kräften, welche im axialen Mittelteil der Primärwicklung 20 erzeugt werden, wie das aus der Kurvendarstellung in der Fig. 9 ersichtlich ist. Demgemäß wird in jedes der zusätzlichen leitfähigen Elemente 48 bzw. 48' und 50 bzw. 50' eine Spannung induziert. Wenn diese induzierte Spannung an wenigstens einem der leitfähigen Elemente 48 bzw. 48' und 50 bzw. 50' höher ist als der vorher eingestellte Spannungswert, erzeugt der Signalgenerator 34, der in Fig. 10 dargestellt ist» ein Ausgangssignal, das die Kurzschlußbedingung des Transformators anzeigt. Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann man demgemäß auch Kurzschlüsse erfassen, die an beliebigen Stellen der Wicklung, insbesondere auch im Mittelteil der Wicklung liegen.

Während nun bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen das leitfähige Element bzw. die leitfähigen Elemente unabhängig vom Transformatoraufbau gebildet sind, können das leitfähige Element bzw. die leitfähigen Elemente auch von Teilen gebildet werden, die Teil des Transformatoraufbaues sind. Hierdurch wird zusätzlicher Aufwand eingespart und auch die Herstellungskosten sowie die Installation der Transformator-Schutzeinrichtung vereinfacht sich. Die Fig. 11 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung.

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In Fig. 11 enthält der Transformator ein Paar im wesentlichen zylindrische Einheiten 52 und 52' von Windungen, welche um parallele vertikale Teile eines Kernaufbaues 54 angeordnet sind. Ein Paar von oberen horizontalen Gliedern 56 und 56' sind an vorderen und rückwärtigen Enden oberer Löcher (nicht dargestellt) des Transformators befestigt und über ein Paar von Seitengliedern 58 und 58' miteinander verbunden. In gleicher Weise ist ein Paar von unteren horizontalen Gliedern 60 und 60' an den vorderen und rückwärtigen Enden der unteren Löcher (nicht dargestellt) des Transformators befestigt und über Paare von Seitengliedern 62 und 62' miteinander verbunden. Die oberen horizontalen Glieder 56 und 56' und die unteren horizontalen Glieder 60 und 60' sind gegen die oberen und unteren Löcher mittels der zugeordneten Seitenglieder 58, 58', 62 und 62' gepreßt, so daß der Lamellenaufbau des Kernaufbaues 54 dicht aneinanderliegt. Die oberen und unteren horizontalen Glieder 56 und 60 an der Vorderseite des Kernaufbaues 54 sind über ein vorderes vertikales Glied 64 und in gleicher Weise sind die oberen und unteren horizontalen Glieder 56' und 60' an der rückwärtigen Seite des Kernaufbaues 54 über ein rückwärtiges vertikales Glied 64' miteinander verbunden. Jedes der vorderen und rückwärtigen vertikalen Glieder 64 und 64' erstreckt sich im wesentlichen parallel zu den Achsen der zylindrischen Wicklungseinheiten 52 und 52' und besitzt einen länglichen Teil, welcher sich auch über die Achse der Wicklungseinheiten hin erstreckt. Die Glieder 56 bis 64 und 56' bis 64' sind alle aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt.

Bei diesem so aufgebauten Transformator sind isolierende Bauteile 66 und zwischen beispielsweise dem oberen horizontalen Glied 56 und dem vorderen vertikalen Glied 64 und zwischen dem oberen horizontalen Glied 56 und dem oberen Seitenglied 58 angeordnet. Demgemäß wird von den leitfähigen Gliedern 56 bis 64 und 56' bis 64' ein elektrischer Stromkreis gebildet, wie er in Fig. 12 dargestellt ist. Dieser besitzt einen Anschluß g, der vom oberen Encje des vorderen vertikalen Gliedes 64, das vom oberen horizontalen

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Glied 56 mittels des isolierenden Bauteiles 66 isoliert ist, gebildet wird. Der andere Anschluß h wird von dem vorderen Ende des oberen Seitengliedes 56, das vom oberen horizontalen Glied 56 mittels des isolierenden Bauteiles isoliert ist, gebildet. Wie aus Fig. 12 zu ersehen ist, beginnt der elektrische Stromkreis an der Klemme g und endet an der Klemme h und verläuft über das vordere vertikale Glied 64, das vordere horizontale Glied 60, das untere Seitenglied 62, das rückwärtige untere horizontale Glied 60', das rückwärtige vertikale Glied 64', das rückwärtige obere horizontale Glied 56' und das obere Seitenglied 58. Die radiale Komponente des Streuflusses, welche infolge eines Kurzschlusses in den Wicklungseinheiten 52 bzw. 52' erzeugt wird, ist demgemäß mit den vorderen und rückwärtigen vertikalen leitfähigen Gliedern 64 und 64' gekoppelt. Diese bilden Teile des In Fig. 12 gezeigten Schaltkreises. Demgemäß erscheint an den Klemmeng und h eine induzierte Spannung, wenn der Transformator Kurzschlußbedingungen aufweist. Die Klemmen g und h, welche in Fig. 12 bezeichnet sind, werden mit einem einstellbaren Signalgenerator verbunden, der ähnlich aufgebaut ist wie die Schaltung 34 in Fig. 7. Die beschriebene Isolieranordnung, welche im Zusammenhang mit dem Transformator in Fig. 11 beschrieben worden ist, ist lediglich als Beispiel aufzufassen. Es sind zahlreiche Änderungsmöglichkeitea gegeben, ohne daß das Grundprinzip, daß wenigstens ein elektrisch leitfähiges Glied bzw. elektrisch leitfähiges Element einen Teil des Transformatoraufbaues bildet,'wobei ein Teil dieses elektrisch leitfähigen Elementes eine in Richtung der Achse einer jeden der Wicklungseinheiten 52 und 52' verlaufende Ausdehnung aufweist und ferner , mit seinen Enden an einen einstellbaren Signalgenerator der vorbeschriebenen Art angeschlossen ist.

Die Fig. 13a zeigt eine Anordnung, bei der feldempfindliche Halbleiterelemente vorgesehen sind. Diese können beispielsweise einen Hall-Effekt oder einen magnetischen Widerstand aufweisen. Diese halbleitenden Elemente werden anstelle der leitfähigen Elemente bei den im vorstehenden

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beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet. Bekanntlich haben Halbleiter mit Hall-Effekt die Eigenschaft, daß bei Stromfluß durch einen Streifen des Halbleiters und bei Anlegen eines magnetischen Feldes an den Streifen in einer Richtung senkrecht zur Stromflußrichtung eine Spannung an dem Streifen erscheint, und zwar in einer Richtung senkrecht zu den Richtungen des Stromflusses und des Magnetfeldes. In gleicher Weise besitzt ein Halbleiter, der einen magnetischen Widerstands effekt aufweist, die Eigenschaft, daß der scheinbare Widerstand anwächst und demgemäß eine Änderung bezüglich der Spannung am Streifen des Halbleiters in Erscheinung tritt, wenn der Streifen einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Die Anordnung zur Erfassung des Kurzschlusses ist im einzelnen in Fig. 13 dargestellt. Hierbei werden die vorstehenden Halbleitereigenschaften ausgenutzt. In Fig. 13a ist ein erstes Paar von feldempfindlichen Halbleiterelementen 70 und 70' und ein zweites Paar von feldempfindlichen Halbleiterelementen 72 und 72' mittels Klebemittel oder mittels anderer geeigneter Befestigungsmittel an der inneren Umfangsfläche der Seitenwand 30a des Transformatorgehäuses 30 befestigt. Die Halbleiterelemente 70 und 70', 72 und 72' sind auf einer Linie angeordnet, die parallel zur gemeinsamen Achse der Primär- und Sekundärwicklungen 20 und 24 liegt. Ferner sind sie symmetrisch zum Mittelpunkt der gemeinsamen Achse der Wicklungen 20 und 24. Demgemäß sind die Halbleiterelemente 70 und 70' mit einer radialen Komponente des Streuflusses gekoppelt. Diese radiale Komponente hat gleiche Größen und liegt in radial entgegengesetzten Richtungen, wie das durch φ und -Φ in der Kurvendarstellung der Fig. 13b angedeutet ist. In gleicher Weise sind die Halbleiterelemente 72 und 72' mit radialen Komponenten des Streuflusses gekoppelt. Auch diese haben im wesentlichen gleiche Werte und erstrecken sich in radial entgegengesetzten Richtungen, wie das in Fig. 13b durch φ'_ο und -φ'_ο dargestellt ist. Die dargestellten Verhältnisse ergeben sich bei eingeschwungenem Zustand des Transformators. Die Halbleiterelemente 70 und 70' sind miteinander in Reihe verbunden, und zwar in der Weise, daß die

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Richtungen der Stromflüsse einander entgegengesetzt sind, Ih gleicher Weise sind auch die Halbleiterelemente 72 und 72' miteinander verbunden. Die Verschaltung der Halbleiterelemente ist im einzelnen in Pig. 14 dargestellt. Die in Reihe geschalteten Halbleiter elemente 70 und 70' haben Klemmen! und j, welche an Eingangsklemmen i' und j' des einstellbaren Signalgenerators 34 bzw. der einstellbaren signalerzeugenden Schaltung 34 angeschlossen sind. In gleicher Weise haben die in Reihe geschalteten Halbleiterelemente 72 und 72' Klemmen k und 1, welche an Eingängsklemmen k' und Γ des Signalgenerators 34 angeschlossen sind. Der Signalgenerator ist in der vorbeschriebenen Weise aufgebaut und kann demgemäß aus mehreren Schaltungsbereichen bestehen, von denen jeder so aufgebaut ist, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Dieser Signalgenerator erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, wenn eine Spannung an wenigstens einer der Serienschaltung der Halbleiterelemente 70 und 70' und der Serienschaltung der Halbleiterelemente 72 und 72' erscheint, die höher ist als ein vorbestimmter Spannungswert. "__

Wenn der in Fig. 13a dargestellte Transformator im eingeschwungenen Zustand betrieben wird und ein Kurzschluß in der Primärwicklung 20 des Transformators fehlt, werden die Spannungen, die an den miteinander in Reihe geschalteten Halbleiterbauelementen entstehen, gegeneinander in der vorbeschriebenen Art und Weise aufgehoben. Das liegt daran, daß die radialen Komponenten des Streuflusses in der axialen Richtung der Primärwicklung eine Charakteristik aufweisen, wie sie in Fig. 13b dargestellt ist. Die Spannung, welche am Halbleiterelement 70 infolge der radialen Komponente Φ des Streuflusses erzeugt wird, wird durch die Spannung (welche sichtlich bezüglich des Absolutwertes gleich groß ist und welche entgegengesetzes Vorzeichen hat), die im Halbleiterelement 70* durch die radiale Komponente -φ des Streuflusses erzeugt wird, aufgehoben. In gleicher Weise wird die Spannung, welche im Halbleiterelement infolge der radialen Komponente Φ'_ο des Streuflusses erzeugt wird, durch die Spannung., welche

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im Halbleiterelement 72' durch die Radialkomponente -Φ de;

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erzeugt wird, aufgehoben. Demgemäß erscheint zwischen den Klemmen i und j der in Eeihe geschalteten Halbleiterelemente 70 und 70' und zwischen den Klemmen k und I der in Reihe geschalteten Halbleiterelemente 72 und 72' (Fig. 14) keine Spannung. Der einstellbare Signalgenerator 34 bleibt daher außer Betrieb, und zwar während des eingeschwungenen Zustandes des Transformators.

Wenn jedoch ein Kurzschluß in einem axialen Bereich 20a der Primärwicklung 20 in Erscheinung tritt, wie das in Fig. 15a angedeutet ist, fließt ein zirkulierender Strom im Kurzschlußbereich 20a mit einer Flußrichtung, welche durch r angedeutet ist. Infolgedessen fließt ein erhöhter Primärstrom durch die restlichen Teile der Primärwicklung 20 in einer durch s angedeuteten Richtung. Dieser Strom ist bestrebt, die magneto-motorischen Kräfte, welche infolge des Kurzschlußstromes in die Primärwicklung 20 induziert werden, aufzuheben. Wenn beispielsweise der Kurzschlußbereich 20a in der Nähe des feldempfindlichen Halbleiters 70 angeordnet ist, wie das in Fig. 15a dargestellt ist, ändert sich die radiale Komponente des Streuflusses, der mit diesem speziellen Halbleiterelement 70 gekoppelt ist, von dem Wert Φ auf den Wert Φ' . Die Gleichheit zwischen den Spannungen, die an den Halbleiterelementen 70 und 70' bei Normalbetrieb erzeugt werden, ist nun gestört, so daß an den Klemmen i und j der in Reihe geschalteten Halbleiterelemente 70 und 70' (Fig. 14) eine Spannung erscheint. Diese Spannung ist abhängig vom Anwachsen bzw. Abfallen der radialen Komponente des Streuflusses, der mit dem Halbleiterelement 70 gekoppelt ist. Wenn die Spannung zwischen den Klemmen i und j höher ist als ein vorbestimmter Wert, erzeugt der einstellbare Signalgenerator 34 ein Ausgangssignal, das anzeigt, daß im Transformator ein Kurzschluß vorhanden ist.

Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind so aufgebaut, daß sie die radiale Komponente des Streuflusses ausnutzen. Die in Fig. 16a gezeigte Ausführungsform der Erfindung kann die Verteilung

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der axialen Komponente des Streuflusses in radialer Richtung der Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators erfassen. Die Primär- und Sekundärwicklungen 20 und 24 sind in Fig. 16a mittels oberer Klemmringe und 74', die an den oberen Enden der Wicklungen 20 und 24 angeordnet sind und unterer Klemmringe 76 und 76', welche an den unteren Enden der Wicklungen 20 und 24 angeordnet sind, in koaxialer Stellung gehalten. Die oberen Klemmringe 74 und 74' (oder die unteren Klemm'ringe 76 und 76' falls erwünscht) enthalten befestigte bzw. eingebettete feldempfindliche Halbleiterelemente 78 und 78'. Diese sind so angeordnet, daß sie mit den axialen Komponenten des Streuflusses gekoppelt sind, wobei sie ebenfalls wieder im wesentlichen mit gleichen Werten der axialen Komponenten ge- koppelt sind, wie das durch φ in Fig. 16b dargestellt ist. Aus der Fig. ergibt sich, daß die beiden halbleitenden Elemente 78 und 78' in Reihe miteinander in der Weise verbunden sind, daß die Stromflüsse in ihnen entgegengesetzte Richtungen aufweisen. Die Reihenschaltung der beiden halbleitenden Elemente 78 und 78' haben Klemmen m und n, welche an Eingangsklemmen m' und n' des im vorstehenden erwähnten einstellbaren Signalgenerators 34 angeschlossen sind.

Im eingeschwungenen Betrieb des Transformators hat die axiale Komponente des Streuflusses in radialer Richtung der Primär- und Sekundärwicklungen 20 und 24 eine Verteilungscharakteristik, wie sie in der Kurvendarstellung der Fig. 16b dargestellt ist. Die feldempfindlichen und halbleitenden Elemente 78 und 78' sind daher mit gleichen Werten des Streuflusses Φ gekoppelt und die in die halbleitenden Elemente 78 und 78' induzierten Spannungen heben sich gegeneinander auf, wenn die Halbleiterelemente so verschaltet sind, wie es in Fig. 17 dargestellt ist. Es erscheint demgemäß zwischen den Klemmen m und η der Serienschaltung der halbleitenden Elemente 78 und 78' keine Spannung und demgemäß bleibt der Signalgenerator 34 außer Betrieb. Wenn jedoch ein Kurzschluß in einem radialen inneren Bereich 20b der Primärwicklung 20 auftritt, wie das in Fig. 18a dargestellt ist, oder wenn ein Kurzschluß in einem radialen

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äußeren Bereich 20c der Primärwicklung 20 auftritt, wie das in Fig. 19a dargestellt ist, so ergibt sich eine Änderung in der radialen Verteilungscharakteristik der axialen Komponente des Streuflusses, wie das in den Kurvendarstellungen 18b bzw. 18c gezeigt ist. Die axiale Komponente des Streuflusses, welche mit dem der Primärwicklung 20 zugeordneten Halbleiterelement 78 gekoppelt ist, wächst vom Wert Φ auf Φ , wie es in Fig. 18b dargestellt ist oder fällt vom Wert φ auf φ' , wie es aus Fig. 19b hervorgeht. Die bei Normalbetrieb vorhandene Gleichheit zwischen den Spannungen an den beiden in Reihe geschalteten Halbleiterelementen 78 und 78' ist nun gestört, so daß zwischen den Klemmen m und η der in Reihe geschalteten Halbleiterelemente 78 und 78' (Fig. 17) eine Spannung erscheint. Die an den Klemmen m und η erscheinende Spannung ist abhängig vom Anwachsen Φ - Φ bzw. vom Abnehmen Φ' - Φ_Ί des Streuflusses,der mit dem Halbleiterelement 78 gekoppelt ist. Wenn die zwischen den Klemmen m und η erscheinende Spannung der in Reihe geschalteten Halbleiterelemente 78 und 78' höher ist als ein vorbestimmter Wert, wird der einstellbare Signalgenerator 34 in Betrieb gesetzt und erzeugt ein Ausgangssignal.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß ein Kurzschluß, der in einer elektromagnetischen Induktionsmaschine, beispielsweise einem Transformator, entstanden ist, mit hoher Empfindlichkeit erfaßt werden kann. Der Kurzschluß kann bereits in einem frühen Stadium der Kurzschlußbedingung erfaßt werden. Aufgrund der Erfindung kann daher die Induktionsmaschine vor einer ernsthaften Zerstörung aufgrund eines Kurzschlusses geschützt werden. Die eingeschwungenen Betriebs zustände der Induktionsmaschine können nicht nur durch einen Kurzschluß in der stromführenden Wicklung gestört werden, sondern auch durch schwerwiegende mechanische Deformationen von Konstruktionselementen bzw. Teilen der Induktionsmaschine. Erhebliche mechanische Deformationen bewirken ebenfalls eine Änderung der Verteilung des Streuflusses und demgemäß kann mit der Erfindung nicht nur

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ein Kurzschluß bzw. ein entstehender Kurzschluß in der stromführenden Wicklung erfaßt werden, sondern auch mechanische Deformationen innerhalb der Induktionsmaschine. Die vorstehenden Ausführungsbeispiele sind so ausgestaltet, daß keine Spannung an den Eingangsklemmen des einstellbaren Signalgenerators erscheint, wenn die Induktionsmaschine im eingeschwungenen Zustand arbeitet. Natürlich kann die Vorrichtung auch so ausgestaltet sein, daß eine erwünschte Spannung für diesen Fall am Signalgenerator steht, falls hierfür der eine oder andere Grund vorliegt. In diesem Fall bleibt jedoch der Signalgene ratör außer Betrieb, da die Spannungshöhe, von welcher der Betrieb des Signalgenerators abhängt,*, einstellbar ist. Um die Empfindlichkeit des Signalgeneratörs für einen größeren Bereich zu steigern, kann zusätzlich ein elektronischer Verstärker zum Signalgenerator verwendet werden. ■■..-,. ·

Es sei darauf hingewiesen, daß die vorstehenden Ausführungsformen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind, welche lediglich zur Erläuterung der Erfindung dienen sollen,. weshalb- nicht ausgeschlossen ist, daß noch andere Ausführungsformen zum Erfindungsgegenstand gehören.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erfassung eines Kurzschlusses in einer stromführenden Wicklung eines magnetischen Kreises einer elektromagnetischen Induktionsmaschine, dadurch gekennzeichnet,, daß die Änderung der Verteilung des Streuflusses des magnetischen Kreises erfaßt wird, daß an wenigstens einem elektrisch leitfähigem Element eine Spannung erzeugt wird, welche abhängig ist von der Größe der Änderung der Streuflußverteilung und daß ein Signal erzeugt wird, wenn diese Spannung höher ist als ein vorbestimmter einstellbarer Wert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Komponente des Streuflusses in einer Richtung, welche im wesentlichen parallel zur Achse der stromführenden Wicklung verläuft, erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine axiale Komponente des Streuflusses in radialer Richtung der stromführenden Wicklung erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ferner die radiale Komponente des Streuflusses in der Nachbarschaft eines axialen Zwischenteiles bzw. des Mittelteiles der stromführenden Wicklung erfaßt wird, daß wenigstens an einem zusätzlichen elektrisch leitfähigen Element eine Spannung erzeugt wird, die von der Größe des Streuflusses in der Nähe des axialen Zwischenbereiches bzw. Mittelteiles der Wicklung abhängt und daß dann ein Signal erzeugt wird, wenn diese Spannung am zusätzlichen leitfähigen Element höher ist als ein vorbestimmter vorher eingestellter Wert.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung durch eine magneto-motorische Kraft hervorgerufen wird, die in die stromführende Wicklung durch die Änderung der Streuflußverteilung induziert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung mittels des Hall-Effektes erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung mittels des magnetischen Wider stands effektes erzeugt wird.

8. Vorrichtung zur Erfassung eines Kurzschlusses in einer stromführenden Wicklung eines magnetischen Kreises einer elektromagnetischen Induktionsmaschine, insbesondere einem Transformator, zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch Schaltungsmittel (32, 32', 48, 48', 50, 50', 64, 64', 70, 70', 72, 72'), welche mit dem Streufluß des magnetischen Kreises gekoppelt sind und in Abhängigkeit von einer Änderung der Verteilung des Streuflusses eine Spannung erzeugen, die abhängig ist von der Größe der Änderung der Streuflußverteilung und durch einen einstellbaren Signalgenerator (34), der in Abhängigkeit von dieser Spannung ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Spannung höher ist als ein vorbestimmter einstellbarer Spannungswert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel wenigstens ein elektrisch leitendes Element (32 bzw. 32' y 64 bzw. 64') aufweisen, das im wesentlichen eine gemeinsame Längsausdehnung mit der axialen Längsausdehnung der stromführenden Wicklung (20) aufweist und das auf die Verteilung einer radialen Komponente des Streuflusses im wesentlichen in Richtung parallel zur Achse der stromführenden Wicklung anspricht.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Element (32 bzw. 32') wendelförmig ausgebildet ist und im wesentlichen koaxial zur stromführenden Wicklung (20) angeordnet ist und auf eine asymmetrische Verteilung der radialen Komponente des Stromflusses im wesentlichen in Richtung parallel zur Achse der stromführenden Wicklung anspricht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel ferner wenigstens ein Paar von zusätzlichen elektrisch leitenden Elementen (48, 50 bzw. 48', 50') aufweisen, wobei sich jedes dieser zusätzlichen Elemente entlang eines axialen inneren Endteiles einer jeden axialen Hälfte der stromführenden Wicklung (20) erstreckt und auf den Streufluß der in der Nähe eines axialen Zwischenstückes bzw. eines axialen Mittelteiles (20a) der stromführenden Wicklung (20) anspricht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der zusätzlichen leitfähigen Elemente (48, 50 bzw. 48', 50') wendelförmig ausgebildet ist und sich im wesentlichen koaxial zur stromführenden Wicklung (20) erstreckt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein leitfähiges Element (64 bzw. 64') vorgesehen ist, das ein leitfähiges Teil des Aufbaues der Induktionsmaschine bildet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Element (64 bzw. 64') mit seinen Enden an voneinander isolierten Klemmen liegt.

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15. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel wenigstens ein Paar von feldempfindlichen Halbleiterelementen (70, 72 bzw. 70', 72') aufweist, welche im wesentlichen mit gleichen Größen des Streuflusses, die in entgegengesetzten Richtungen bei eingeschwungenem Betrieb der Induktionsmaschine liegen, gekoppelt sind und welche miteinander in Reihe geschaltet sind, so daß die in ihnen fließenden Ströme entgegengesetzte Richtungen aufweisen, wodurch die in den halbleitenden Elementen eines jeden Paares aufgrund des Streuflusses induzierten Spannungen im wesentlichen gleiche Werte aufweisen und bei eingeschwungenem Betrieb der Induktionsmaschine aufheben.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13," dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitenden Elemente (70, 70'; 72, 72') auf einer Linie angeordnet sind, die im wesentlichen parallel zur Achse der stromführenden Wicklung (20) liegt und daß die Anordnung der halbleitenden Elemente symmetrisch bezüglich. der Mitte der axialen Längsausdehnung der Wicklung ist, wobei die halbleitenden Elemente auf eine Änderung der Verteilung der radialen Komponente des Streuflusses im wesentlichen in Richtung parallel zur Achse der. stromführenden Wicklung ansprechen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitenden Elemente (78, 78') in der Nähe der axialen Enden der primären und sekundären Wicklungen (20, 24) der Induktionsmaschine angeordnet sind und auf eine Änderung der Verteilung der axialen Komponente des Streuflusses in radialer Richtung der primären und sekundären Wicklungen ansprechen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitenden Elemente (70, 70'; 72, 72'; 78, 78') einen Hall-Effekt aufweisen. ' /

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19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15, 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitenden Elemente (70, 70'; 72, 72'; 78, 78') einen magnetischen Widerstands effekt aufweisen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Signalgenerator (34) ein Relais (36) mit einer Relaisspule (38) aufweist, welche an die Schaltungsmittel (32, 32'; 48, 48'; 50, 50'; 64, 64'; 70, 70'; 72, 72'; 78, 78') angeschlossen ist und daß ein veränderbarer Widerstand (40) zwischen eine Klemme der Schaltungsmittel und die Relaisspule geschaltet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Signalgenerator (34) ferner einstellbare Mittel zum mechanischen Einstellen der relativen Lage eines Ankerkernes (42) des Relais (36) aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel eine Feder (46) aufweisen, welche an ihrem einen Ende mit dem Ankerkern (42) verbunden ist und am anderen Ende gegen einen stationären Träger abgestützt ist.

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