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Gerät zur ermittlung der Gasdichte
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Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Anzeige und/oder Kontrolle
der Dichte von isolierenden Gasen elektrischer Hochspannungsschaltanlagen, insbesondere
zur Erfassung des Vermischungsgrades der isolierenden, in der Nähe des atmosphärischen
Druckes gehaltenen Gase mit Luft.
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Bei gasisolierten Schaltanlagen, die ständig mit einem Überdruck des
Isoliergases betrieben werden, wird die Isolierfähigkeit des Gases einfach mit einem
Druckseßgerät überwacht.
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Bei neuerlichen Anlagen der Leichtbauweise, deren Isoliergas druck
in der Nähe des atmosphärischen Druckes gehalten wird, fehlt im Norialbetrieb ein
wesentlicher Gasüberdruck zur eindeutigen Überwachung. Zudem wäre ein meßbarer Überdruck
durch innere Erwärmungen und/oder Änderungen des atmosphärischen Druckes starken
Schwankungen unterworfen. Diese Einflüsse lassen sich zwar kompensieren, dafür sind
Jedoch teuere und komplizierte Meßgerät erforderlich.
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Bs sind weitere Methoden bekannt, die Isolationsfähigkeit eines Gases
zu ermitteln. Hierbei wird eine Gasprobe entnommen und deren Gas in einer Einrichtung
auf seine elektrische
Durchschlagsfestigkeit oder Wärmeleitfähigkeit
hin untersucht, was auch Rückschlüsse auf die Gasdichte zuläßt. Denkbar wäre es
auch, das entnommene Gas mit einer bekannten, physikalischen Gaswaage abzuwiegen.
Diese Verfahren sind aufwendig und bei einer gasisolierten Schaltanlage mit einer
Vielzahl von ständig zu überwachenden, gas- und lichtbogendicht geschotteten Behältern
nicht praktikabel. Bei einer automatisierten Durchführung der bekannten Prüfmethoden
ist eine Anzeige zumindest dann nicht gewährleistet, wenn die hierzu benötigten
Hilfsstromkreise bei einer Störung ausfallen. Es kann dann nicht mehr erkannt werden,
welche Anlagenteile gefährdet sind, die sofort freigeschaltet werden müssen. Im
übrigen sollte das Isoliergas durch die Prüfung weder verbraucht noch verunreinigt
werden.
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Die Erfindung hat daher ein Meßgerät zum Ziel, das eine direkte und
stete Anzeige liefert sowie einfach und robust aufgebaut ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen im Isoliergas angeordneten Körper,
mit vorzugsweise geringem spezifischem Gewicht, dessen vom Auftrieb abhängiges Gewicht
zur Anzeige gebracht bzw. für eine Kontrolle nutzbar gemacht ist.
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Hierbei wird das archimedische Prinzip auf Gase übertragen und der
Umstand ausgenutzt, wonach auf einem im Gas angeordneten Körper bestimmten Volumens
von der Gasdichte abhändige Auftriebskräfte einwirken, die ein Eigengewicht scheinbar
verändern. Diese Gewichtsveränderung ist z.B. über einen Zeiger, direkt und stetig
wahrnehmbar. Da sie in Praxi nur gering ausfällt, wird zu ihrer Sichtbarmachung
die Anwendung des Prinzips der Differentialwägung empfohlen.
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Hierbei sind zwei Körper mit unterschiedlichem spezifische Gewicht
vorgesehen, die durch die Gasverdrlngung unterschiedliche Änderungen ihres Eigengewichtes
erfahren, wobei die Gewichtsdifferenz zur Anzeige gebracht wird. Eine solche Differentialwaage
kann einfach durch einen mit den Körpern belasteten Vaagebalken verwirklicht sein.
Infolge der Gewichtsveränderungen erfährt der Balken eine Schwerpunktsverlagerung
und pendelt für eine Anzeige aus.
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Das neue Gerät läßt auch die Dichtebestimmung von Flüssigkeiten zu.
Ferner ist es - bei entsprechender Eichung - auch für die Kontrolle von Gasdrücken
und -temperaturen geeignet.
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Ein wesentlicher Anwendungsbereich ist Jedoch die Bestimmung des Mischungsverhältnisses
eines Isoliergases, z.B. SF6,mit einem anderen Gas, z.B. Luft, in gasisolierten
Schaltanlagen.
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Der Erfindungsgegenstand ist an Hand beigefügter Zeichnungen näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt in beispielhafter Anordnung eine schematische Darstellung
eines Anzeigegerätes für die Darstellung des Mischungsverhältnisses von Luft und
Isoliergas SF6. Das System befindet sich in dem geschlossenen Kasten 1. Das spezifische
Gewicht des Prüfmediums ist mitr bezeichnet.
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An dem ortsfesten Drehpunkt D ist ein Pendelsystem drehbar gelagert,
bestehend aus dem Körper 2 mit dem Volumen V1, dem Schwerpunkt S1 und dem spezifischen
Gewicht t 1, ferner aus dem zweiten Körper 3 mit den entsprechenden Größen V2, S2
und t21 und schließlich aus dem die beiden Körper 2 und 3 verbindenden Waagebalken
4 mit dem resultierenden Schwerpunkt S des gesamten Systems. Ferner ist an dem Pendelsystem
der Zeiger 5 befestigt, der auf der ortsfesten Skala 6 von einer Mittelstellung
aus die Ausschlagwinkel + α anzeigt.
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In der Ruhestellung befindet sich der Schwerpunkt S senkrecht unter
dem Drehpunkt D im Abstande C. Das System ist damit im stabilen Gleichgewichtszustand
und pendelt nach einem Anstoß stets in diese Stellung zurück. Voraussetzung für
dieses stabile Gleichgewicht sind gleiche Momente zu beiden Seiten des Drehpunktes
D. Gewählt wird ein großes V1 und ein geringes 3C andererseits ein kleines V2 und
ein großes2.
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Wird, ausgehend von einem bestimmten γ-Wert und der Ruhepunktslage,
d.h. beize = 0, nunmehr dert γ-Wert vergrößert, d.h. wird beispielsweise die
in dem Kasten 1 befindliche Luft durch das Isoliergas SF6 ersetzt, dann vergrößert
sich das spezifische Gewicht der Mischung. Folglich erhalten die beiden Körper 2
und 3 einen erhöhten Auftrieb, dieser ist Jedoch volumenbedingt1 d.h. der Körper
2 erhält
mit dem größeren Volumen V1 einen größeren Gewichtsverlust,
als der Körper 3. Damit verschiebt sich der Gesamtschwerpunkt S nach rechts zu S'.
Infolge der Stabilität des Gleichgewichtssystems schwingt der Waagebalken soweit
aus, bis nunmehr der Schwerpunkt S' unter dem Drehpunkt D liegt. Damit ergibt sich
der gezeigte Ausschlagwinkel Z Die hier benannten Größen, einschließlich der Hebellängen
a und b stehen zueinander in einem bestimmten mathematischen Verhältnis, das sich
mit der Formel: (s. Fig. 1 ) ausdrücken läßt.
Diese Formel zeigt, das sich durch Variation der Konstruktionsgrößen für beliebige
Mischungsverhältnisse beliebige Ausschlagwinkel Z erzielen lassen, und der Expfindlichkeitsbereich
in der Nähe des Nullpunktes der Skala gedehnt ist, so daß es zweckmäßig ist, den
Anzeigekontrollbereich in diese Zone zu verlegen. Für die Skaleneichung reichen
zwei Meßwerte aus, die restlichen Werte stehen dazu in einer bestimmten Abhängigkeit
und lassen sich leicht berechnen.
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Begrenzt wird diese Genauigkeit des Systems durch die Empfindlichkeit
des Pendellagers, ferner durch Wärmeausdehnung, wenn die Hebellängen a und b unterschiedlich
sind.
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Für den angegebenen Anwendungsbereich ergeben sich jedoch keine Schwierigkeiten,
d.h. der Einfluß der Wärmeausdehnung ist hier zu vernachlässigen.
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Für die Lagerung kann bei einem physikalischen Gerät ein Präzisions-Schneidenlager
vorgesehen werden, für die hier genannte Verwendung genügt ein relativ robustes,
von der Erfindung vorgeschlagenes sog. Spitzen-Rollenlager.
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Zur Unterscheidung eines derartigen Lagers werden in den Fig. 2 -
4 herkömmliche Spitzenlagerformen gezeigt, und zwar in Fig. 2 ein echtes Spitzenlager
mit komplizierten Reibungsverhältnissen im Spitzenbereich und einer Anfälligkeit
gegen Wärmeausdehnung. Fig. 3 zeigt ein durchbrochenes Spitzenlager, wobei sich
ein Reibungskranz ergibt, auch noch mit einer Wärmeanfälligkeit. Schließlich erkennt
man in Fig. 4 ein bekanntes als Spitzenlager getarntes Zapfenlager, das in der Feinmechanik
Verwendung findet.
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In Fig. 5 ist ein Querschnitt durch das neue Spitzen-Rollenlager
gezeigt.
Hier ist wiederum eine echte Spitze vorgesehen, die Jedoch nicht bis zur Spitze
des Innenkegels reicht, sondern auf der unteren Innenkegelfläche frei aufliegt.
Bei wärmebedingten Längenänderungen wandert die Spitze jeweils mehr oder weniger
tief in den Innenkegel hinein. Die Reibungsverhältnisse an diesem System lassen
sich mittels der mikroskopischen Vergrößerung nach Fig. 6 darstellen. Darin ist
zu erkennen, daß auch die feinste Spitze in einer gerundeten Stirnfläche mündet.
Beim Drehen der Spitze rollt diese Rundung auf einer kreisbahn auf der schrägen
Unterlage ab.
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Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch den Rollkreis der Spitze und zwar
bei Rollwinkeln von + 450 Die Auflage, d.h. der Abrollkreis in der Kegelinnenwand,
ist im gleichen Maßstabe gezeichnet, sie stellt - zumindest im Bereich der Rollkreise
-praktisch eine Bbene dar. Die seitliche Rollbewegung beträgt in Wirklichkeit nur
einige 1/100 , die Höhenbewegung ist noch weit geringer.
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Die Lage der Spitze in dem Kegelinnenmantel ist bedeutungslos, sie
kann sich durch grobe äußere Erschütterungen beliebig ändern, sie gelangt Jedoch
durch einen Erschütterungsschlag nie in die äußere Kegelspitze1 da sie stets durch
die Elastizität des Aufpralls zurückgestoßen wird.
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Da die gesamte Pendelmasse nur das Gewicht von einigen Gram aufweist,
bleibt die gehärtete Stahlspitze sowie auch die Kegelfläche nahezu verschleißfrei.
Das Lager benötigt keine Schmiermittel und ist wenig schmutzanfällig; es ist ohnehin
in dem geschlossenen Raum keiner Staubbildung ausgesetzt.
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Aufgrund der Verschleißfestigkeit sowie der Unanfälligkeit gegen
Erschütterungen kann bei dem Lager auf Arretiereinrichtungen verzichtet werden.
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Fig. 8 zeigt ein maßstabgetreues Modell, es ist auf der ortsfesten
Bodenplatte 7 montiert, auf der die Lagerschenkel 8 und die Skala 9 befestigt sind.
Das Lager 10 ist in der vorgenannten Weise ausgebildet. Auf der linken Balkenarm
11 ist der zu verdrängende hermetisch verschlossene Körper 12, eine Gla-Hohlkugel,
mit einer Wandstärke von ca. 0,5 - befestigt.
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Der rechte Balkenarm besteht aus dem Gewindestift 13, auf dem
das
massive Ausgleichsgewicht 14 verdrehbar angeordnet ist; ferner ist am Ende des Gewindestiftes
13 der Zeiger 15 befestigt. Mit Hilfe des Gewindestiftes 16 und dem darauf verstellbaren
Gewicht 17 läßt sich der Gesamtschwerpunkt des beweglichen Systems in seiner Höhenlage
verändern. Damit ist eine VersteDZarkeit der Länge c gemäß Fig. 1 ermöglicht, welche
maßgebend ist für die Empfindlichkeit des Gerätes und die Größe des Ausschlagwinkels.
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Im dargestellten Zustand befindet sich das Gerät in reiner Luft unter
Normaldruck. Der Zeiger 15 weist auf den Nullpunkt der Skala 9. Wird das Gerät nun
in reines Isoliergas SF6 unter gleichem Normaldruck gebracht, dann schwenkt der
Zeiger bis auf die Mischung 100, d.h. 100% des Mischungsverhältnisses.
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In der waagerechten Stellung ist ein Mischungsverhältnis von 80X Volumenprozent
SF6 und 20% Luft gegeben.
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Fig. 9 und 10 zeigen eine industriemäßige Ausführungsform des Gerätes.
Fig. 9 zeigt dabei die Seitenansicht; Fig. 10 einen Querschnitt.
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Wiederum ist eine Grundplatte 18 vorgesehen mit zwei Anschlußstutzen
19 und 20 für die Gaszuführung, mit denen das Gerät über Schraubverbindungen am
Schaltanlagengehäuse festgemacht wird. Auf dieser Grundplatte ist ferner der Lagerbügel
21 befestigt, dessen freie Schenkel die Einsetzmuttern 22 tragen. In diese sind
wiederum die Gewindestifte 23 eingeschraubt, die auf einer Stirnfläche kegelige
Ausdrehungen aufweisen. Mittels der Kontermuttern 24 werden die Teile festgesetzt.
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Zwischen Dichtung 25 und Rahmen 26 ist die lUlarsichtschale 27 auf
der Grundplatte 18 befestigt.
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Der schwenkbare Teil, bestehend aus dem Knotenstück 28, den eingepreßten
Stiften 29 - 31, den Stellringen 32 und 33 sowie der angeklebten Glas-Hohlkugel
34, wird in vormontierter, geeichter Form eingesetzt.
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Nun können in vielerlei Formen auf der Klarsichtschale 27 und der
Glas-Hohlkugel 34 Anzeigemarkierungen vorgesehen werden.
Der besondere
Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß es sich um eine geringe Anzahl
sehr einfacher Bauelemente handelt, die sich leicht montieren lassen, ferner darin,
daß es sowohl eine frontale als auch seitliche Beobachtungsmöglichkeit gibt.
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Zu Fernmeldungszwecken ist ein einfacher Sensor 35 vorgesehen, der
auf die Stellung des Stellringes 32 anspricht.
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Bei Verwendung dieser Direktanzeigegeräte ist es sinnvoll, wenn sich
die Perumeldung nur auf die Auslösung eines Alarmsignales beschränkt, wobei eine
solche Warneinrichtung einer größeren Anzahl von Sensoren zugeordnet ist.
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Da nach Auslösen eines Alarmes ohnehin WartungspersonaCStation begehen
muß, kann es durch Kontrolle der Direktanzeigegeräte leicht die Fehlerstelle feststellen,
um entsprechende Maßnahen zu treffen.
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U. U. erweist es sich als zweckmäßig, mehrere Gasräume über Rohrleitungen
mit nur einem Direktanzeigegerät zu verbinden.
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Hierbei sind allerdings Absperrschieber bzw. Rückschlagventile und
auch eine Umwälz-Pumpeinrichtung sinnvoll.
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In den Fig. 11 und 12 sind die äußeren Erscheinungsformen des Anzeigegerätes
dargestellt, und zwar in Fig. 11 für seitliche und in Fig. 12 für frontale Beobachtungsrichtung.
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Da sich beim Direktanbau dieser Geräte in der Anlage größere Sichtweiten
ergeben können, ist es sinnvoll, die Anzeige so kontrastreich wie möglich zu gestalten.
Hierzu werden die Innenwände der glarsichtschale mit entsprechend markierten und
ausgesparten Folien beklebt. In gleicher Weise wird die bewegliche Kugel behandelt,
letztere erhält die Markierung mit dem Zeiger 36. Vorgesehen ist die ortsfeste Markierung
37 für den zulässigen Bereich. In Fig. 11 zeigt die gestrichelte Zeigerstellung
den Nullrert, d.h. Luft ohne SF6 - Beimischung an. Aus dieser Fig. 11 ist gleichfalls
die Befestigung des Gerätes mittels normaler Schraubverbindungen 38 zu erkennen.
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Da das Gerät, wie eingangs ausgeführt, auf die Dichte des Prüfmediums
anspricht, kann es ohne weiteres auf Gasdruck geeicht werden und somit auch Manometer
ersetzen.
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Sofern es sich um geschlossene Gaskammern handelt,
spielt
eine durch Stromwärme bedingte Druckerhöhung keine Rolle, da sich dadurch nicht
die Gasdichte ändert.
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Anders verhält es sich, wenn mit der Erwärmung zugleich ein Druckausgleich
erfolgen kann. In diesem Fall läßt sich das Gerät als Temperaturmesser eichen. Unter
besonderen Umständen ist sogar eine barometrische Eichung möglich.
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Im allgemeinen läßt sich die Länge der Strecke c in der Weise bestimmen,
daß das bewegliche System auf einen mathematischen Pendel umgerechnet wird, dessen
Schwingperiode dann mit der des beweglichen Systems einheitlich ist. So ergeben
sich für die barometrische Eichung Schwingzeiten für eine Periode in der Größenordnung
von 30 sec.
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Grundsätzlich ist das System auch zur Dichtebestimmung von Flüssigkeiten
zu verwenden, hierbei kann die Glas-Hohlkugel durch einen massiven Leichtmetallkörper
und das Ausgleichgewicht durch einen Schwermetallkörper ersetzt werden, die Gleichgewichtsbedingungen
nach vorgenannter Formel bleiben unverändert erhalten. Wird beispielsweise das Gerät
auf reines Wasser für die Nullstellung geeicht, dann kann die Skala auf die Konzentration
von in Wasser gelöster Salze oder sonstiger Beimischungen geeicht werden.