DE2711797C2

DE2711797C2 - Gerät zur Ermittlung der Gasdichte

Info

Publication number: DE2711797C2
Application number: DE19772711797
Authority: DE
Inventors: Franz-Karl Dipl.-Ing. 4000 Düsseldorf Grossmann
Original assignee: CALOR-EMAG ELEKTRIZITAETS-AKTIENGESELLSCHAFT 4030 RATINGEN DE
Current assignee: CALOR-EMAG ELEKTRIZITAETS-AKTIENGESELLSCHAFT 4030 RATINGEN DE
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1985-03-21
Also published as: DE2711797A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Anzeige und/ oder Kontrolle der Dichte von isolierenden Gasen elektrischer Hochspannungsschaltanlagen, insbesondere zur Erfassung des Vermisehungsgrades der isolierenden, in der Nähe des atmosphärischen Druckes gehaltenen Gase mit Luft.

Bei gasisolicrlen Schaltanlagen, die ständig mit einem Überdruck des Isoliergases betrieben werden, wird die Isolierfähigkeit des Gases einfach mit einem Druckmeßgerät überwacht.

Bei neuerlichen Anlagen der Leichtbauweise, deren Isoliergasdruck in der Nähe des atmosphärischen Drukkes ghalten wird, fehlt im Normalbetrieb ein wesentlicher Gasüberdruck zur eindeutigen Überwachung. Zudem wäre ein meßbarer Oberdruck durch innere Erwärmungen und/oder Änderungen des atmosphärischen Druckes starken Schwankungen unterworfen. Diese Einflüsse lassen sich zwar kompensieren, dafür sind jedoch teuere und komplizierte Meßgeräte erforderlich.
Es sind weitere Methoden bekannt die Isolation ;fähigkeit 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 entr.ommene 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 Prüinicihcdcn 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 verunrein/gt werden. Die Erfindung hat daher ein Meßgerät zur Aufgabe, das eine direkte und stete Anzeige liefert sowie einfach und robust aufgebaut ist

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.

Hierbei wird das archimedische Prinzip auf Gase übertragen und der Umstand ausgenutzt, wonach auf einem im Gas angeordneten Körper bestimmten Volumens von der Gasdichte abhängige Auf'-riebskräftc cinwirken, die sein 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. Hierbei

4^r> sind zwei Körper mit unterschiedlichem spezifischem Gewicht vorgesehen, die durch die Gasverdrängung unterschiedliche Änderungen ihres Eigengewichtes erfahren, wobei die Gewichtsdifferenz zur Anzeige gebracht wird. Eine solche Differentialwaage kann einfach durch einen mit den Körpern belasteten Waagebalken verwirklicht sein. Infolge der Gewichtsveränderungen erfähr: der Balken eine Schwerpunktsverlagerung und pendelt für eine Anzeige aus.
Ein wesentlicher Anwendungsbereich ist die Bestimmung des Mischungsverhältnisses eines Isoliergases, z. B. SFe, mit einem anderen Gas. z. B. Luft, in gasisolierten Schaltanlagen.

Der Erfindungsgegenstand ist an Hand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in beispielhafter Anordnung eine schematische Darstellung eines Anzeigegerätes für die Darstellung des Mischungsverhältnisses von Luft und Isoliergas SI·",,. Das System befindet sich in dem geschlossenen Kasten 1. Das spezifische Gewicht des Prüfine-

b5 diums ist mit ;' bezeichnet. An dem ortsfesten Drehpunkt D ist ein Pendelsystcm drehbar gelagert, bestehend aus dem Körper 2 mit dem Volumen Vi, dem Schwerpunkt S\ und dem spezifischen Gewicht y\, fcr-

ner aus dem zweiten Körper 3 mit den entsprechenden Größen Vi, & und ^, 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 ±λ anzeigt

In der Ruhestellung befindet sich der Schwerpunkt 5 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 Vi und ein geringes ;ί, andererseits ein kleines V-i und ein großes^.

Wird, ausgehend von einem bestimmten ^-Wert und der Ruhepunktslage, d. h. bei «=0, nunmehr der ■/-Wert vergrößert, d. h. wird beispielsweise die in dem Kasten 1 befindliche Luft durch das Isoliergas SFe ersetzt, dann vergrößert sich das spezifische Gewicht der Mischung. Folglich erhalten die beiden Körper 2 und 3 einen erhöhten Auftrieb, dieser ist jedoch volumenbec'iagt, d. h. der Körper 2 erhält mit dem größeren Volumen V, 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 so weit aus, bis nunmehr der Schwerpunkt S' unter dem Drehpunkt D liegt. Damit ergibt sich der gezeigte Ausschlagwinkel a.

Die hier benannten Größen, einschließlich der Hebellängen a und b stehen zueinander in einem bestimmten mathematischen Verhältnis, das sich mit der Formel

fr. - y)

sin (arctg b/_c - _g) sin (arctg a/_c + _a)

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(s. F i g. 1) ausdrücken läßt.

Diese Formel zeigt, daß sich durch Variation der Konstruktionsgrößen für beliebige Mischungsverhältnisse beliebige Ausschlagwinkel λ erzielen lassen, und der Empfindlichkeitsbereich 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. Begrenzt wird diese Genauigkeit des Systems durch die Empfindlichkeil des Pendellagers, ferner durch Wärmeausdehnung, wenn die Hebellängen α und b unterschiedlich sind.

Für den angegebenen Anwendungsbereich ergeben sich jedoch keine Schwierigkeiten, d. h. der Einfluß der Wärmeausdehnung ist hier zu vernachlässigen.

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 sogenanntes Spitzen-Rollenlager.

Zur Unterscheidung eines derartigen Lagers werden in den F i g. 2—4 herkömmliche Spitzenlagerformen gezeigt, und zwar in Fig,2 ein echtes Spitzenlager mit eo komplizierter Reibungsverhältnissen im Spitzenbereich und einer Anfälligkeit gegen Wärmeausdehnung. F i g. 3 zeigt ein durchbrochenes Spitzenlager, wobei sich ein Reibungskranz ergibt, auch noch mit einer Wiirmeanfälligkcii. Schließlich erkennt man in F i g. 4 ein bekannics t5 als Spitzenlager getarnfes Zapfenlager, das in der Feinmechanik Verwendung findet.

In F i κ. 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. F i g. 7 zeigt einen Schnitt durch den Rollkreis der Spitze und zwar bei Rollwinkeln von ±45°. Die Auflage, d. h. der Abrollkreis in der Kegelinnenwand, ist im gleichen Maßstabe gezeichnet, sie stellt — zumindest im Bereich der Rollkreise — praktisch eine Ebene dar. Die seitliche Rollbewegung beträgt in Wirklichkeit nur einige Vioo mm, die Höhenbewegung ist noch weit geringer.

Die Lage der Spitze in dem Kegelinnenmantel ist bedeutungslos, sie kann sich durch v'obe äußere Erschütterungen beliebig ändern, sie gelangt jedoch durch einen Erschütterungsschlag nie in die äußere Kegelspitze, da sie stets durch die Elastizität des Aufpralls zurückgestoßen wird.

Da die gesamte Pendelmasse nur das Gewicht von einigen Gramm 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.

Aufgrund der Verschleißfestigkeit sowie der Unanfälligkeit gegen Erschütterungen kann bei dem Lager auf Arretiereinrichtungen verzichtet werden.

F i g. 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 dem linken Balkenarm 11 ist der zu verdrängende hermetisch verschlossene Körper 12, eine Glas-Hohlkugel, mit einer Wandstärke von ca. 0,5 mm befestigt. Der rechte Balk^narm besteht aus dem Gewindestift 13, auf dem das massive Ausgleichsgewicht 14 verdrehbar angeordnet ist; ferner ist am Ende des Gewir.destifies 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 Versteilbarkeit der Länge c gemäß F i g. 1 ermöglicht, welche maßgebend ist für die Empfindlichkeit des Gerätes und die Größe des Ausschlagwinkels.

Im dargestellten Zustand befindet sich das Gerät in reiner Luft unter Normaldruck. Der Zeiger 15 weist auf den N"'.lpunkt der Skala 9. Wird das Gerät nun in reines Isoliergas SFi, unter gleichem Normaldruck gebracht, dann schwenkt der Zeiger bis auf die Mischung 100, α. h. 100% des Mischungsverhältnisses. In der waagerechten Stellung ist ein Mischungsverhältnis von 80% Volumenprozent SFb und 20% Luft gegeben.

Fig.9 und 10 zeigen eine industriemäßige Ausführungsform des Gerätes. F i g. 9 zeigt dabei die Seitenansicht; F i g. i0 einen Querschnitt.

Wiederum ist eine Grundplatte 18 vorgesehen mit zwei Anschlußstuizen 19 und 20 für die Gaszuführung, mit denen das Gera« über Schraubverbindungen am Schaltanlagcngehäuse festgemacht wird. Auf dieser Grundplatte ist ferner der Lagcrbügel 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.

Zwischen Dichtung 25 und Rahmen ist die Klarsichtschale 27 auf der Grundplatte 18 befestigt.

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.

Nun können in vielerlei Formen auf der Klarsichtschale 27 und der Glas-Hohlkugel 34 Anzcigemarkierungen vorgesehen werden.

Der besondere Vorteil dieser Ausführmngsform besteht darin, daß es sich um eine geringe Anzahl sehr einfacher Bauelemente handelt, die sich leicht moritieren lassen, ferner darin, daß es sowohl eine frontale als auch seitliche Beobachtungsmöglichkeit gibt.

Zu Fernmeldungszwecken ist ein einfacher Sensor 35 vorgesehen, der auf die Stellung des Siciiringcs 32 anspricht. Bei Verwendung dieser Direktanzeigegeräte ist es sinnvoll, wenn sich die Fernmeldung nur auf die Auslösung eines Alarmsignals beschränkt, wobei eine solche Warneinrichtung einer größeren Anzahl von Sensoren zugeordnet ist.

Da nach Auslösen eines Alarms ohnehin Wartungspersonal die Station begehen muß, kann es durch Kontrolle der Direktanzeigegeräte leicht die Fehlerstelle feststellen, um entsprechende Maßnahmen zu treffen.

Unter Umständen erweist es sich als zweckmäßig, mehrere Gasräume über Rohrleitungen mit nur einem Direktanzeisegerät zu verbinden. Hierbei sind allerdings Absperrschieber bzw. Rückschlagventile und auch eine Umwälz-Pumpeinrichtung sinnvoll.

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 Beobachtungsrichiung.

Da sich beim Direktanbau dieser Geräte in der Anlage größere Sichtweiten ergeben können, ist es sinnvoll, die Anzeige so kontrastreich wie möglich zu gestauten. Hierzu werden die Innenwände der Klarsichtschale 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 Fi g. 11 zeigt die gestrichelte Zeigerstellung den Nullwert, d.h. Luft ohne SF_h-Beimischung an. Aus dieser F i g. 11 ist es gleichfalls die Befestigung des Gerätes mittels normaler Schraubverbindungen 38 zu erkennen.

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.

Sofern es sich um geschlossene Gaskammern handelt, spielt eine durch Stromwärme bedingte Druckerhöhung keine Rolle, da sich dadurch nicht die Gasdichte ändert.

Anders verhält es sich, wenn mit der Erwärmung zugleich ein Druckausgleich erfolgen kann. In diesem Fall läßt sich das Gerät als Temperatur eichen. Unter besonderen Umständen ist sogar eine barometrische Eichung möglich.

Im allgemeinen läßt sich die Länge der Strecke c in der Weise bestimmen, daß das bewegliche System auf einen mathematischen Pendel umgerechnet wird, des- b5 sen 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 see.

Grundsätzlich ist das System auch zur Dichtebestimmung von Flüssigkeiten zu verwenden, hierbei kann die Glas-Hohlkugel durch einen massiven Leichlmetallkorper und das Ausgleichgcwicht durch einen Schwermctallkörpcr ersetzt werden, die Glcichgcwichtsbcdingungen nach vorgenannter Formel bleiben unverändert erhalten. Wird beispielsweise das Gerät iiuf reines Wasser für die Nullstellung geeicht, dann kann die Skala auf die Konzentration von in Wasser gelöster Salze oder sonstiger Beimischungen geeicht werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 gekennzeichnet durch einen im Isoliergas angeordneten Körper (2, \2. 34), mit vorzugsweise geringem spezifischem Gewicht, dessen vom Auftrieb abhängiges Gewicht zur Anzeige gebracht bzw. für eine Kontrolle nutzbar gemacht ist

2 Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Körper (2, 12, 34) von einem geschlossenen, dünnwandigen Kolbengefäß, z. B. einer Glaskugel, gebildet ist

3. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Körper (2,12,34) den einen Arm eines verschwenkbareri Waagebalkens bildet und am anderen Arm ein Gegengewicht (3,14, 32) mit einem zum vorgenannten Körper sich unterscheidenden spezifischen Gewicht festgemacht ist

4. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewicht (3,14,32) am Waagebalken längsverschiebbar ist

5. Meßgerät nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch verstellbare Zusatzgewich ic (17,33). die auf den Schwerpunkt des Waagebalkens einwirken.

6. Meßgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Lagerung der beweglichen Teile ein Spitzen- Rollen-Lager verwandt ist wobei die Spitzen der Drehachse sich auf der Oberfläche eines Innenkegels einer Bohrung abrollen, ohne den Bohrgrund zu erreichen.

7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät in einer Klarsichtschale (27) eingeschlossen ist und Markierungen (36,37) an ortsfesten und beweglichen Teilen derart angeordnet sind, daß die Wahrnehmung der Kontrollanzeige sowohl von frontaler als auch von seitlicher Richtung möglich ist.

8. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Sensors (35) für eine Fernkontrolle.

9. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät an der Außenseite eines Schaltanlagenbehälters angeordnet ist und mit zwei Anschlußstutzen (19, 20) für die Gaszuleitung, die gleichzeitig zur Befestigung des Gerätes dienen, ausgestattet ist.