DE2723408C2 - Vorrichtung zum Überlastungsschutz elektrischer Geräte - Google Patents

Description

verbunden ist, worin

Φ% die durch den Strom bedingte Übertemperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes über der Temperatur der Kühlflüssigkeit,

β ein Koeffizient, der den Temperaturunterschied zwischen dem am stärksten erhitzten Punkt der primären und sekundären Wicklung des elektrischen Geräts berücksichtigt,

ν die stationäre mittlere Übertemperatur der Wicklung über der Temperatur der dielektrischen Flüssigkeit im Nennbetrieb,

jt das Verhältnis des Ist-Laststroms des elektrischen Geräts zum Soll-Laststrom (das Vielfache seiner Überlastung) und

η ein Koeffizient, der von der Konstruktion des elektrischen Geräts und von den Eigenschaften der dielektrischen Flüssigkeit abhängt,

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sind,

daß die Ausgänge des Temperaturgebers (6) und des Funktionswandlers (8) in Reihe auf eine Summationsschaltung geschaltet sind, deren Ausgang an die Schwellenwertelemente (10, 11, 12, 13, 14) des Umschaltkreises (9) angeschlossen ist, und
daß der Lastabschaltkreis (17) mit dem Schwellenwertelement (14) der hohen Überlastung ein Zeitrelais (23) mit unabhängiger Ansprecheinstellung enthält und mit den Schwellenwertelementen (10,11,12,13) der niedrigen Überlastung über einen Stromkreis (46) zur Verriegelung der Abschaltsignale entsprechend der Geschwindigeit der nacheinander ansprechenden Schwellenwertelemente bei kurzdauernden Laststromsprüngen verbunden ist, die zu keiner gefährlichen Erhöhung der Temperatur der Wicklungen führen, welcher Stromkreis (46) einen durch ein Schwellenwertelement (10) der niedrigen Überlastung gesteuerten monostabilen Multivibrator (48), eine UND-Schaltung (49), die die Signale von dem monostabilen Multivibrator (48) und mit dem Schwellenwertclement (14) der hohen Überlastung erhält, ein mit der UND-Schaltung (49) verbundenes Zeitrelais (50), dessen Ansprecheinuellung die des mit dem Schwellenwertelement (14) der hohen Überlastung verbundenes Zeitrelais (23) überschreitet, und eine zwischen dem Schwellenwertelement (14) und der hohen Überlastung und dem Ausgangssignal der UND-Schaltung (49) gesteuerte NICHT-Schaltung (51) enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgeber (6) und der Funktionswandler (8) einen gemeinsamen Ausgang zur Abgabe der Signale an die Schwellenwertelemente (10,11, 12,13,14) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastabschaltkreis (17) einen durch die Schwellenwertelemente (10, 11, 12, 13, 14) gesteuerten Stromkreis (47) zum Anlegen des Signals bzw. zum Stromlosmachen des elektrischen Geräts nach Ablauf seiner Sollbetriebszeit enthält.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überlastungsschutz elektrischer Geräte, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist. Eine solche Vorrichtung ist aus der GB-PS 1161 985 bekannt. Sie dient dort zum Überlastungsschutz eines Transformators.

Als Grundlage der bekannten Vorrichtung dient ein Wärmemodell, das die Erwärmung der Wicklung des elektrischen Geräts simuliert. Das von der Temperatur der Wicklung abhängige Signal gelangt vom Temperaturgeber zum Umschaltkreis. Es wird mit Rücksicht auf den Temperaturgradienten zwischen dem am stärksten erhitzten Wicklungspunkt und der Öltemperatur im oberen Bereich des Geräts korrigiert. Zur Berücksichtigung des Temperaturgradienten zwischen dem am stärksten erhitzten Wicklungspunkt und der Öltemperatur ist die Korrektureinrichtung in den Stromkreis des Heizelements der Wärmeableitung eingeschaltet, die als Wärmemodell dient. Bei Temperatursteigerung bis auf eine Größe, die einer ungefährlichen Überlastung entspricht, gelangt das Steuersignal über die Schwellenwertelemente in den Gefahrenmeldekreis, so daß ein Signal gegeben wird, das auf eine Überlastung bestimmter Größe deutet. Übersteigt das Steuersignal den Ansprechwert des zugehörigen Schwellenwertelementes, das eine gefährliche Überlastung vorgibt, so wird die Last abgeschaltet.

Im allgemeinen wird bei der bekannten Vorrichtung ein ausreichender Überlastungsschutz des elektrischen Geräts erzielt. Bei der praktischen Realisierung auf dem Prinzip der Verwendung von Wärmemodellen aufgebauter Vorrichtungen ergeben sich jedoch Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten sind damit verbunden, daß bei der physikalischen Modellierung des Temperaturverlaufs vielerlei Variable berücksichtigt werden müssen. Da es aber unmöglich ist, diese Variablen kontinuierlich mit ausreichender Zuverlässigkeit zu gewinnen, arbeitet die bekannte Vorrichtung nicht ausreichend genau. Die Funktionsgenauigkeit von Wärmemodellen ist nämlich von Einflußgrößen wie Zusammensetzung der dielektrischen, zur Kühlung verwendeten Flüssigkeit, den Wicklungs- und Isolier-

Stoffdaten, der Außenlufttemperatur, der Bauart und Θι Leistung und von vielem anderen abhängig. Einflußgrößen wie z. B. eine den Wärmeaustausch störende Änderung der Viskosität des Öls und die Trägheit der Wärmeübertragung vermindern die Genauigkeit der 5 Θ2 Anzeige der Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes, so daß die Gefahr von Fehlauslösungen der Schutzschaltung bzw. eines Ausfalls entsteht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Überlastungsschutz elektrische: Gerate zu schaffen, die es gestattet, die Änderung der Wicklungstemperatur infolge Einwirkung des Laststromes und der Temperatur der dielektriscnen Flüssigkeit infolge Einwirkung verschiedenartiger äußerer Einflußgrößen komplex artig zu erfassen und die Möglichkeit von Ausfällen zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es, die installierte Leistung elektrischer Geräte durch bessere Ausnutzung ihrer Überlastbarkeit während des Betrie- β bes herabzusetzen und die Betriebssicherheit der elektrischen Geräte zu steigern.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand τ der Patentansprüche 2 und 3.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher jo k erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Überlastungsschutz elektrischer Geräte, η

Fig. 2 eine Variante der Ausführung der Prinzipschaltung des Laststromgebers und des Funktionswandlers,

Fig. 3 eine Variante der Verbindung des Temperaturgebers und des Funktionswandlers mit den Schwellenwertelementen des Umschaltkreises,

F i g. 4 eine Variante der Ausführung der Blockschaltungdes Lastabschaltkreises,

Fig.5 eine Variante der Ausführung der Prinzipschaltung des Kreises zur Signalgabe bzw. Stromabschaltung des elektrischen Gerätes,

F i g. 6a die Spannung am Temperaturgeberausgang in Abhängigkeit von der Temperatur der oberen Schichten der dielektrischen Flüssigkeit,

Fig. 6b die Spannung am Ausgang des Funktionswandlers in Abhängigkeit vom Laststrom und

F i g. 6c die Sollbetriebszeit des elektrischen Gerätes in Abhängigkeit von der Temperatur des am stärksten erhitzten Punktes seiner Wicklung.

Der Leistungstransformator 1 (Fig. 1) enthält eine Primärwicklung 2 und eine mit dem Stromkreis des Verbrauchers 4 verbundene Sekundärwicklung 3. Beide Wicklungen sind in öl 5 oder in eine beliebige andere dielektrische Kühlflüssigkeit getaucht.

Die Temperatur des am stärksten erhitzten Punktes der Wicklungen 2 untl 3 des Transformators 1, die bei der Beurteilung des Grades seiner Überlastung den kennzeichnenden Parameter darstellt, kann aus der Gleichung

Θ=θι+Θ₂
ermittelt werden, worin bedeuten:

(1)

die Temperatur des Kühfols 5, die von der Außenlufttempera:ur, der Erwärmung der Wicklungen und den Kühlungsbedingungen (z. B. Vorhandensein von Wind u. ä. abhängig ist);
die vom l.aststrom bedingte Übertemperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes oberhalb der Temperatur (Θι) der Kühlflüssigkeit.

In Übereinstimmung mit der angegebenen Abhängigkeit enthält die Vorrichtung zum Überlastungsschutz des Transformators zwei Geber: einen Temper?turgeber 6 und einen Laststromgeber 7, auf die nachstehend näher eingegangen wird.

Der Temperaturgeber 6 ist in den oberen Schichten des Öls 5 des Transformators 1 angeordnet

Die Größe Θ2 der Gleichung (1) steht in Verbindung mit dem Laststrom des Transformators durch folgende Abhängigkeit:

worin bedeuten:

den Koeffizienten, der die Temperaturdifferenz zwischen dem mittleren und dem am stärksten erhitzten Punkt der Wicklung 2 bzw. 3 des Transformators 1 berücksichtigt;
die stabile mittlere Übertemperatur der Wicklung über der Temperatur des Öls bei Nennbetriebsbedingungen;

das Verhältnis des tatsächlichen Überlastungsstroms des Transformators zum Nennwert (ganzzahliges Vielfaches seiner Überlastung);
einen Koeffizienten, der vom konstruktiven Aufbau des Transformators 1 und den Eigenschaften des Kühlöls 5 abhängig ist.

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Θ die Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes;

Zur Umwandlung des Stroms in eine Spannung, die der durch den Laststrom bedingten Übertemperatur des am stärksten erhitzten Punktes der Wicklung über der Öltemperatiir (Θ2) proportional ist, ist der Stromgeber 7 an einen Funktionswandler 8 angeschlossen, in dem die angeführte Abhängigkeit (2) realisiert wird.

Der Stromgeber 7 bildet zusammen mit dem Funktionswandler 8 die Korrektureinrichtung, in der die Temperatui änderung des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes in Abhängigkeit vom Laststrom berücksichtigt wird.

Der LImschaltkreis 9 der Schutzvorrichtung des Transformators enthält mit dem Temperaturgeber 6 und dem Funktionswandler 8 verbundene Schwellenwertelemente 10,11,12,13,14,Gefahrenmeldekreise 15 und 16 und einen Lastabschaltkreis 17.

Die Ausgangssignale der Schwellenwertelemente 10 ... 14 entsprechen einer Reihe von nach und nach ansteigenden Temperaturwerten des am stärksten erhitzten Wicklungspunkts (z. B. 130, 135, 140, 145 und 150°C), dabei entsprechen die Schwellenwertelemente 10 ... 13 der niedrigen und das Schwellenwertelement 14 der hohen Überlastung des Transformators 1.

Die Schwellenwertelemente 10 und 12 der niedrigen Überlastung sind in die Gefahrenmeldekreise 15 und 16 eingeschaltet. Diese Kreise enthalten Zeitrelais 18 und 19 sowie Signalgeber 20 und 21.

Die Verzögerung der Zeitrelais 18 und 19 ist verschieden groß und wird in Abhängigkeit von der Größe der Eingangssignale der Schwellenwertelemente 10 und 12 gewählt. Da aber das Signal der niedrigen Überlastung am Eingang des Relais 19 insbesondere die

höhere und folglich die gefährlichere Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes kennzeichnet, ist die Verzögerungszeit bei diesem Relais kurzer als beim Relais 18.

Als Signalgeber 20 und 21 können Quellen für Licht- bzw. Schallsignalisierung zum Beispiel Meldelampen bzw. Anzeigerelais benutzt werden.

Anstelle des Signalgebers 21 kann am Ausgang ö^as Gefahrenmeldekreises 16 eine Vorrichtung zum Einschalten des Lüfters zur Belüftung des Transformators 1 zu dessen zusätzlicher Kühlung eingebaut werden.

Ist eine noch mehr aufgegliederte Abstufung der Gefahrenmeldesignaie erforderlich, so können ähnliche Stromkreise auch an andere Schwellenwertelemente angeschlossen werden, deren Anzahl beliebig groß sein kann.

Der Lastabschaltkreis 17 zum Abschalten der Belastung mit der zur Entlastung des Transformators 1 durch Stromlosmachen oder automatisches Abschalten eines Teils der Verbraucher 4 bestimmten Signalabschaltvorrichtung 22 am Ausgang ist ans Schwellenwertelement 14 angeschlossen, dessen Signal der hohen Überlastung der kritischen Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungsspule entspricht, bei der die Gefahr des Isolationsdurchschlages und des Ausfalls des Transformators 1 (z.B. 15O⁰C) entsteht. Die Signalabschaltvorrichtung 22 ist mit dem Schwellenwertelement 14 über das Zeitrelais 23 und mit den Schwellenwertelementen 10 ... 13 niedriger Überlastung über einen nachstehend ausführlich beschriebenen Block 24 verbunden.

In der beschriebenen Vorrichtung dient ein Wärmefühler, zum Beispiel ein Heißleiterwiderstand mit einem Gleichstromoperationsverstärker am Ausgang als Temperaturgeber 6. Als Temperaturgeber 6 kann auch eine andere geeignete Einrichtung, z. B. ein Vielkontaktthermometer und ähnliches verwendet werden.

Der Stromgeber 7 ist ein Meßstromtransformator (F i g. 1 und 2), der in den Stromkreis der Sekundärwicklung 3 des Transformators 1 eingeschaltet ist.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, enthält der Funktionswandler 8 einen Linearwandler 25 zur Umformung des Stroms in eine Spannung, eine an einen Linearwandler 25 angeschlossene Gleichrichterbrücke 26, einen Kondensator 27 zur Glättung der gleichgerichteten Spannung und einen Diodenwandler 28 zur Umformung der gleichgerichteten Spannung am Ausgang des Kondensators 27 in die Spannung U₂ an den Ausgängen Xund Y in Übereinstimmung mit der exponentiellen Abhängigkeit (2).

Der Linearwandler 25 enthält eine Primärwicklung 29, die in den Stromkreis des Gebers 7 eingeschaltet ist, und eine Sekundärwicklung 30, die an die Uleichnchterbrücke 26 angeschlossen ist Der Glättungskondensator 27 ist an die Gleichrichterbrücke 26 an der Seite der gleichgerichteten Spannung angeschlossen.

Der Diodenwandler 28 enthält einen Spannungsteiler, der aus Zener-Dioden Zu Z2 ... Z_n mit Anschlüssen Ai, A₂ - - - A_n aufgebaut ist an welche aus Widerständen R_u R₂ ... R_n die Dioden A, D₂ ... D_n bestehende Stromkreise angeschlossen sind.

Die Minusanschlüsse Y der Dioden D\... D_n sind über einen Widerstand 31 mit der Plusschiene ρ des Stromversorgungskreises verbunden. Ein der Minusschiene g verbundene und am Spannungsteilergang hegender Widerstand 32 dient zur Begrenzung des Stroms in den Zener-Dioden. Der Ausgang der Gleichrichterbrücke 26 liegt an den Minusanschlüssen Y der Dioden Di... D_n.

Der in Fig. 2 gezeigte Funktionswandler wird bevorzugt, kann aber bei Bedarf durch einen beliebigen anderen bekannten Funktionswandler, z. B. einen Relais-Kontaktwandler ersetzt werden.

Die Schwellenwertelemente 10 bis 14 (Fig. 3), die bekannte empfindliche Nullindikatoren darstellen, welche, z. B. mit integrierten Schaltungen ausgeführt sind, sind an den Eingängen über Trenndioden 34,35,36,37, 38 zur Gewährleistung der Ansprechselektion miteinander verbunden und sind entsprechend an Anschlüsse 39, 40, 41, 42, 43 eines mit den Widerständen bzw. Zener-Dioden aufgebauten Eichspannungsteilers 44 angeschlossen. Der Stromversorgungskreis des Teiles 44 ist in der Zeichnung durch die Plus- P und die Minusschiene ζ)dargestellt.

Die Plusanschlüsse der Trenndioden 34 bis 38 liegen am gemeinsamen Ausgang des Widerstandes 33, der mit einem Widerstand 45 in Reihe geschaltet ist. Der Widerstand 45 ist an den Ausgang des Temperaturgebers 6, der Widerstand 33 an den Ausgang des Funktionswandlers 8 (Fig. 2) angeschlossen. Dadurch wird am Eingang des Umschaltkreises 9 (Fig. 1) die Spannung U] des Temperaturgebers 6, die der Temperatur (Θι, Gleichung 1) der oberen Ölschichten proportional ist, und die Spannung U₂ des Funktionswandlers 8, die von der durch den Laststrom bedingten Übertemperatur (Θ2, Gleichungen 1 und 2) des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes über der Öltemperatur abhängig ist, summiert.

Die Bedingung des Ansprechens des Schwellenwertelementes 10 ist die Überhöhung der Eingangsspannung U₃=U] + U₂ oberhalb der Eichspannung £1 an der Minusschiene Q der Stromversorgung und dem Anschluß 39 des Spannungsteilers 44.

Ähnlicherweise ist die Bedingung des Ansprechens jedes Schwellenwertelementes 11 ... 14 die Überhöhung der Eingangsspannung L/3 entsprechend über den Spannungen E₂, Ei... £5 des Teilers 44.

Wie aus dem Schaltbild der Fig.4 ersichtlich ist enthält der Block 24 einen Stromkreis 46 zur Verriegelung der Fehlabschaltsignale und einen Stromkreis 47 zur Abgabe des Gefahrenmeldesignals bzw. zum Abschalten des elektrischen Gerätes nach dem Ablauf seiner Sollbetriebszeit.

Der Stromkreis 46, der die Möglichkeit des Fehlansprechens der Signalabschaltvorrichtung 22 ausschließt enthält einen monostabilen Multivibrator 48, der zur Erzeugung eines kurzzeitigen Impulses aus dem Signal des Schwellenwertelementes 10 der niedrigen Überlastung dient eine logische UND-Schaltung 49, deren erster Eingang mit dem monostabilen Multivibrator 48, und deren zweiter Eingang mit dem Schwellenwertelement 14 verbunden ist und ein Zeitrelais 50, das an den Ausgang der UND-Schaltung 49 angeschlossen und mit der Signalabschaltvorrichtung 22 operativ verbunden ist

Zur Vermeidung des Ansprechens der Zeitrelais 23 mit kürzerer Verzögerungszeit im Vergleich mit dem Zeitrelais 50 ist zwischen das Schwellenwertelement 14 und das Zeitrelais 23 eine NICHT-Schaltung 51 geschaltet die mit der UND-Schaltung 49 elektrisch verbunden ist

Der zur Vermeidung des Ausfalls des Transformators 1 wegen der Zerstörung der Isolation der Wicklung 3 nach dem Ablauf seiner Sollbetriebszeit vorgesehene Stromkreis 47 des Blocks 24 enthält einen Wandler 52 zur Umformung der der Temperatur des am stärksten

erhitzten Wicklungspunktes entsprechenden Signale in die dem Exponentialgesetz der Alterung der Wicklungsisolation entsprechende Spannung und einen Zähler 53, der die Ausgangssignale des Wandlers 52 zur Registrierung der Sollbetriebszeit des Transformators 1 und Abgabe des Steuersignals an die Signalabschaltvorrichtung 22 zum Zeitpunkt des Ablaufs der Sollbetriebszeit nach der Zeit integriert.

Wie aus der in Fig.5 gezeigten Schaltung hervorgeht, ist der Wandler 52 ein symmetrischer Multivibrator, der aus Transistoren 65 und 66 aufgebaut ist, in deren Basis-Kollektor-Pfad Widerstände R_u R\', R2, R2 und Kondensatoren Q und C₂ angeordnet sind, welche die zeitbestimmenden /?C-Kreise bilden, die die Schaltfrequenz des Multivibrators einstellen.

Die angegebenen /?C-Kreise liegen am Minusanschluß h des Stromversorgungskreises über Ausgangsschließer lOi. Hi, 13i, 14, und Öffner H₂,13₂ und 14₂ der Schwellenwertelemente 10 bis 14.

In die Kollektorkreise der Transistoren 65 und 66 sind entsprechende Widerstände Ri und R3 eingeschaltet.

Die Kontakte 12i und 12₂ des Schwellenwertelementes 12 sind im Kollektorkreis eines Transistors 67 angeordnet und dienen zum Einschalten von Impulszählern 68 und 69, die zusammen den Zähler 53 bilden, der die Ausgangssignale des Wandlers 52 zur Bestimmung des Zeitpunktes des Ablaufs der Sollbetriebszeit des Transformators 1 nach der Zeit integriert. Wie bereits erwähnt wurde, ist der Zähler 53 mit der Signalabschaltvorrichtung 22 (F i g. 4) operativ verbunden.

Die beschriebene Vorrichtung hat folgende Arbeitsweise.

Der in den oberen Schichten des Öls 5 (Fig. 1) angebrachte Geber 6 erreicht eine durch den Laststrom und die Kühlbedingungen des Transformators 1 bedingte Temperatur.

Die Spannung U\ am Ausgang des Gebers 6 ist der angegebenen Öltemperatur (Θι, Gleichung 1) proportional, wie die Kennlinie in F i g. 6a zeigt.

Gleichzeitig wird im Stromgeber 7 ein dem Laststrom der mit diesem verbundenen Sekundärwicklung 3 des Transformators 1 proportionaler Strom induziert, der an die Primärwicklung 29 des Linearwandlers 25 am Eingang des Funktionswandlers 8 (Fig.2) gegeben wird. Dabei entsteht in der Sekundärwicklung 30 des Linearwandlers 25 eine dem Strom der Primärwicklung 29 proportionale Spannung, die an die Gleichrichterbrücke 26 gelegt wird. Die gleichgerichtete Spannung wird über den Glättungskondensator 27 an den Eingang des Diodenwandlers 28 gegeben.

Die Funktionsweise des Diodenwandlers 28 ist im Diagramm der F i g. 6b dargestellt Die Kennlinie S des Diagramms ist in Übereinstimmung mii der Gleichung (2) aufgebaut und zeigt die Änderung der Größe Q₂ in Abhängigkeit vom Laststrom. Die geknickte Kennlinie W entspricht der Spannung U2 am Ausgang des Funktionsübersetzers 8 in Abhängigkeit vom gleichen Parameter.

Beim Fehlen des Stromes im Stromkreis des Funktionswandlers 8 (Fig.2) sind die Dioden Di... D_n eo gesperrt und über die Widerstände R\ ...R_n fließt kein Strom.

Sobald am Kondensator 27 Spannung erscheint fließt über die Widerstände 33 und 31 ein Strom, der den Spannungsabfall Ui am Widerstand 33 sicherstellt der einem linearen Gesetz ansteigt das mit der Strecke ON der geknickten Kennlinie Win Fig. 6b übereinstimmt Erreicht die Spannung am Widerstand 31 die Größe, die die Spannung ei an der Plusklemme P und dem Anschluß A\ der Zener-Diode Z\ überschreitet, wird die Diod" D\ leitend, und über den Widerstand R\ fließt ein Strom, der den zusätzlichen Spannungsabfall am Widerstand 33 bewirkt. Der Zeitpunkt der Öffnung der Diode D\ entspricht dem Knick der Ausgangsspannungskennlinie des Stromwandlers im Punkt N der geknickten Kennlinie Wm F i g. 6b.

Beim Ansteigen der Spannung am Widerstand 31 bis auf eine Größe die die Spannung e₂ an der Plusklemme Pund dem Anschluß /I₂ der Zener-Diode überschreitet, wird die Diode Di leitend, und über den Widerstand R₂ fließt ein Strom. Der Zeitpunkt der öffnung der Diode Di entspricht dem Punkt öder geknickten Kennlinie W des Diagramms in F i g. 6b.

Die übrigen Elemente der Schaltung des Diodenwandlers haben eine ähnliche Funktionsweise. Durch Einstellung der Widerstandswerte der Widerstände R] ...R_n und des Übersetzungsverhältnisses des Linearwandlers 25 kann die lineare und stückweise Approximation der Kennlinie der gegebenen Funktion (Geichung 2) vorgenommen werden. Die Genauigkeit der Approximation ist um so größer, je mehr Anschlüsse A_n und entsprechend Elemente Z_n, D_n und R_n in der Schaltung des Diodenwandlers 28 vorhanden sind.

Die Spannung U] des Temperaturgebers 6 und Lh des Funktionswandlers 8 wird an den in Reihe geschalteten Widerständen 45 und 33 (F i g. 3) summiert, die am Ausgang des Temperaturgebers 6 bzw. des Funktionswandlers 8 angeordnet sind. Die Gesamtspannung Uj= U] + Ui wird an den Eingang des Umschaltkreises 9 gelegt. Bei Us> E] wird die Diode 34 leitend, und an den Eingang des Schwellenwertelements 10 kommt die Ansprechspannung. Die Spannung £Ί des Teilers 44 wird so gewählt daß sie mit der Temperatur übereinstimmt die die Nenntemperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes um eine gewisse vorgegebene Größe (z.B. 40⁰C) überschreitet. Das Signal des Schwellenwertelements 10 gelangt über das Zeitrelais 18 des Gefahrenmeldekreises 15 (Fig. 1) an den Signalgeber 20.

Der Signalgeber 20 am Ausgang des Stromkreises 15 setzt den Bedienungsmann davon in Kenntnis, daß die Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes außerhalb des Nennwertbereiches liegt (in unserem Beispiel stimmt er mit 130⁰C überein).

Liegt die Eichspannung E₂ des Teilers 44 oberhalb der Gesamtspannung ίΛ, so wird die Diode 35 leitend und das Schwellenwertelement 11 (T i g. 3) spricht an, dessen Signal mit der niedrigen Überlastung in unserem Beispiel mit der Temperatur von 135°C übereinstimmt Das Signal des Schwellwertelementes 11 wird an den Eingang des Funkiiorisübersei^ers 52 (F 1 g. 4) ue;> Lastabschaltkreises 17 geleitet worauf nachstehend ausführlicher eingegangen wird.

Bei weiterer Zunahme der Wicklungstemperatur (z. B. bis auf 140° V) steigt die Gesamtspannung (Ui) bis auf e^;ne Größe, die die Eichspannung £3 des Teilers 44 (Fig.3) überschreitet die Diode 36 öffnet das Schwellenwertelement 12 spricht an und schaltet über das Relais 19 (Fig. 1), das eine kürzere Verzögerungszeit als das Relais 18 aufweist den zweiten Signalgeber 21 ein, der den Bedienungsmann vor der drohenden Überlastung des Transformators 1 warnt Wie bereits erwähnt wurde, kann anstatt des Notsignals am Ausgang des Stromkreises 16 ein Steuersignal zum Einschalten der in der Zeichnung nicht gezeigten Belüftungsanlage des Transformators 1 abgegeben

werden, so daß die Temperatur des am stärksten erhitzten Punktes der Wicklung durch zusätzliche Kühlung vermindert wird.

Ähnlich dem Signal des Schwellenwertelementes 11 wird das Signal des Schwellenwertelementes 13 der niedrigen Überlastung (in unserem Beispiel stimmt dies mit der Temperatur von 145° C überein) an den Eingang des Funktionsübersetzers 52 geleitet.

Beim Erreichen der kritischen Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes (z. B. 150° C), was der Bedingung Ui> £5 entspricht, spricht auf die bereits beschriebene Weise das Schwellenwertelement 14 der hohen Überlastung an, dessen Signal an den Eingang des Lastabschaltkreises 17 (F i g. 1) gelangt, der für drei Betriebsmöglichkeiten ausgelegt ist.

Im ersten Fall steigt der Laststrom der Wicklung 3 des Transformators 1 stufenlos an.

Dabei löst das Signal des Schwellenwertelementes 14 das Zeitrelais 23 (Fig. 1 und 4) aus, dessen Verzögerungszeit kürzer als die des Relais 19 ist. Das Ausgangssignal des Relais 23 löst die Signalabschaltvorrichtung 22 aus, die einen Teil der Energieverbraucher 4 automatisch abschaltet.

Die Relais 18, 19, 23 können zusammen mit den sie auslösenden Schwellenwertelementen 10, 12 und 14 durch ein Zeitrelais mit einer Verzögerungszeit ersetzt werden, die von der Größe des Ausgangssignals abhängig ist. Das Relais hat drei Ausgänge auf die Signalgeber und die Signalabschaltvorrichtung.

Im zweiten Fall ändert sich die Belastung des Transformators sprungweise.

Bei kurzzeitigen sprungweisen Stromüberlastungen entsteht am Eingang des Stromkreises 17 ein Signal der hohen Überlastung. Inzwischen erreicht aber die tatsächliche Überhitzung wegen der Wärmeträgheit der Wicklung nicht den gefährlichen Wert (der stabile Überhitzungswert wird in Δ t= 15... 20 min erreicht).

Die in diesem Fall auftretende rasche Steigerung der Gesamtspannung Uz, die mit den Überlastungen bei der stabilen Wicklungstemperatur übereinstimmt, kann zum Ansprechen des Schwellenwertelements 14 führen, dessen Signal bei seinem Anlegen, wie im vorherigen Fall, ans Relais 23, dessen Verzögerungszeit kürzer als At ist, das unbegründete Abschalten eines Teiles der Verbraucher 4 herbeiführen würde. Zum Vermeiden derartiger Fehlauslösungen ist im Block 24 des Lastabschaltkreises 17 (Fig.4) ein Stromkreis 46 zur Verriegelung der Fehlauslösesignale mit dem Relais 50 vorgesehen, dessen Verzögerungszeit länger als die des Relais 23 ist. Der Stromkreis 46 siebt die Signale der hohen Überlastung nach dem Lastsirom aus.

Die selektive Wirkung des Stromkreises 45 beruht darauf, daß die beschriebenen sprungweisen Änderungen des Laststroms das gleichzeitige Ansprechen aller Schwellenwertelemente hervorrufen, während bei der allmählichen Wicklungsüberhitzung die Schwellenwertelemente hmtereinanderfolgend über die von der Geschwindigkeit der Laständerung abhängigen Zeitintervalle ansprechen.

Beim Ansprechen des Schwellenwertelementes 10 wird ein Signal an den Eingang des monostabilen Multivibrators 48 gegeben, in dem es in einen kurzzeitigen Stromimpuls verwandelt wird, der einem der Eingänge der UND-Schaltung 49 zugeführt wird.

Sollte gleichzeitig mit dem angegebenen Impuls an den zweiten Eingang der Schaltung 49 das Signal vom Schwellenwertelement 14 der hohen Überlastung kommen, entsteht am Ausgang der UND-Schaltung 49 ein Signal, welches das Relais 50 mit der verlängerten Verzögerungszeit auslöst.

Um zu vermeiden, daß dabei eine Frühauslösung des Relais 23 vorkommt, gelangt vom Ausgang der UND-Schaltung 49 das Signal an den Eingang der NICHT-Schaltung 51, die das Relais 23 verriegelt.

Bei einem Slromanstieg wird also die Belastung von der Signalabschaltvorrichtung 22 vom Ausgangssignal des Zeitrelais 50 abgeschaltet, d.h. das Ansprechen

ίο kommt nur in dem Fall vor, wenn die Überlastung die Wicklungsüberhitzung herbeiführt, die eine gefährliche Größe erreicht, welche von der Zeitverzögerung des gegebenen Relais gewährleistet wird.

Beim allmählichen Belastungsanstieg spricht das Schwellenwertelement 10 an und löst den monostabilen Multivibrator 48 aus, das von diesem an den Eingang der UND-Schaltung 49 abgegebene Signal stimmt aber zeitlich nicht mit dem Signal überein, das an den anderen Eingang der gleichen Schaltung vom Schwellenwertelement 14 kommt, so daß am Ausgang der UND-Schaltung 49 kein Signal entsteht. Wie bereits erwähnt wurde, wird in diesem Fall das Relais 23 ausgelöst, dessen Ausgangssignal das Ansprechen der Signalabschaltvorrichtung 22 herbeiführt.

Dritter Fall. Infolge des langzeitigen Einsatzes des Transformators nähert sich der Verschleiß seiner Wicklungen der vorgegebenen Grenze an, so daß sein weiterer Betrieb von der Gefahr ernster Betriebsstörungen begleitet ist.

Der Zeitpunkt des völligen Verschleißes der Wicklungsisolation kann mit Hilfe des Zählers 53 (Fig.4) bestimmt werden, an den die Signale vom Wandler 52 kommen. Dem letzteren kommt die Aufgabe zu, die von den Gebern 6 und 7 über die Schwellenwertelemente 10 ... 14 kommenden Signale in Signale zu verwandeln, die den Momentanwerten der Isolationsalterung in Übereinstimmung mit dem Gesetz proportional sind, das durch die bekannte Gleichung von Montsinger

ausgedrückt ist.
In der Gleichung bedeuten:

L die tatsächliche Lebensdauer (die Sollbetriebszeit) der Isolation;

La die Betriebszeit der Isolation bei konstanter Temperatur, die als normativ angenommen wird, was der nominalen Sollbetriebszeit des Transformators entspricht;

so Θ die Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes, die durch die Gleichung (1) bestimmt wird;

a den iCoeffizienten, nach dem die Änderung der Betriebszeit der Isolation bei Änderung der Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes berücksichtigt und der von den physikalischen Eigenschaften des Werkstoffes der Isolation bestimmt wird.

Nach Angaben des Internationalen Elektrotechnischen Ausschusses (S. International Electrotechnical Commission, Technical Committee No. 0,74: Power Transformers. Draft Loading Guide for Oil — immersed Transformers. November 1965) ändert sich die Lebens-

dauer der Wicklung auf je 6° C der Änderung ihrer Temperatur in bezug auf den Nennwert um das Zweifache.

Die Funktionsweise des Wandlers 52 und des Zählers

53 soll anhand des in Fig. 6c gezeigten Diagramms der Abhängigkeit der Sollbetriebszeit des elektrischen Gerätes von der Temperatur des am stärksten erhitzten Punktes seiner Wicklung veranschaulicht werden.
Die exponentiell Kurve H des Diagramms zeigt die ^r,

relative Änderung der Sollbetriebszeit —— des Transfor-

Mt

mators 1 von der Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes und ist in Übereinstimmung mit der Gleichung (3) aufgebaut.

Beim Ansprechen des Schwellenwertelementes 10 ichließt sein Schließer IO2 (F i g. 5), mit dessen Hilfe die Spannung über den öffner 112 an die zeitbestimmenden Kreise R\ — C₂ (R\' — C\) des in Form eines symmetrischen Multivibrators ausgeführten Wandlers 52 gegeben wird.

Zu diesem Zeitpunkt ist z. B. der Transistor 65 leitend, was mit dem fixierten gesperrten Zustand des Transistors 66 über den Stromkreis G - R\ bis zu dem Zeitpunkt übereinstimmt, zu dem die Spannung am Kondensator Ci den Pegel seines Öffnens über den Stromkreis Emitterelektrode — Basiselektrode des Transistors 66 — Widerstand R\' überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt wird der Transistor 66 leitend, und der Kondensator G, der an seinen Kollektorkreis angeschlossen ist, wird an die Plusschiene #der Stromversorgung über den Stromkreis Emitterelektrode —Kollektorelektrode des offenen Transistors 66 angeschlossen. An der Basiselektrode des Transistors 65 liegt in diesem Fall die Sperrspannung am Kondensator G. die den angegebenen Transistor bis zum Zeitpunkt der Entladung des Kondensators G über den Widerstand R2 und der Aufladung des Kondensators G bis zum Pegel des Öffnens des Transistors 65 im gesperrten Zustand hält.

Die Frequenzen der Umschaltungen des Wandlers 52 in der betrachteten Folge wird von der Zeitkonstante der Stromkreise 7?i - C₂ (Ai' - C₁) und R₂ - C₂ (R₂' - G) bestimmt und beträgt zum Beispiel zwei Impulse pro Minute, was mit dem durch den Ordinatenpunkt Fi der in Fig. 6c gezeigten Kennlinie bestimmten Momentanwert übereinstimmt. Dabei zeigt der im Kollektorkreis des Transistors 67 über den Öffner 12, eingeschaltete Impulszähler 68 die Größe des Verschleißes der Isolation der Transformatorwicklung an, die der Anzahl von Impulsen in der Zeit proportional ist, während der die Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes mit der Abszisse des Punktes F, übereinstimmte.

Beim Ansprechen des Schwellenwertelementes 11 sperrt sein Schließer 11, und öffnet der Öffner H₂, der den Stromkreis zur Auslösung des Wandlers 52 vom entsprechenden Schwellenwertelement 11 unterbricht, über den Offner 13₂ des Schweiienwerteiementes 13 und den Schließer Hi wird in diesem Fall die Stromversorgungsspannung an die zeitbestimmenden Kreise R₂ - C₂ und weiter R₂' - C₁ gelegt, die die andere höhere Frequenz des Multivibrators, ζ. Β, vier Impulse pro Minute bestimmen, was mit dem Momentanwert des Isolaüonsverschleißes übereinstimmt, der durch den Ordinatenpunkt F₂ der in Fi g. 6c angegebenen Kennlinie bestimmt wird.

Das Ansprechen des Schwellenwertelementes 12 führt zum Öffnen des Öffners 12] im Stromkreis des Zählers 68 und zum Schließen des Schließers 12₂ im Stromkreis des Zählers 69, so daß der erste 68 der erwähnten Zähler ab-, der zweite 69 eingeschaltet wird.

Beim Ansprechen des Schwellenwertelementes 13 schließt sein Schließer 13| und öffnet der Öffner 13₂ des entsprechenden Schwellenwertelementes 13. Die Stromversorgungsspannung wird an die zeitbestimmenden Stromkreise /?i - G (R\ - G) gelegt, die die gleiche Schaltfrequenz des Multivibrators bestimmen, wie auch beim Ansprechen des Schwellenwertelementes 10 (in unserem Beispiel zwei Impulse pro Minute).

Beim Ansprechen des Schwellenwertelementes 14 wird auf ähnliche Weise der Wandler 52 über die Stromkreise R₂-C₂ (R₂-Q) ausgelöst und den Stromkreis des Kontaktes 13 verriegelt. Dabei stimmt die Schaltfrequenz des Multivibrators mit der entsprechenden Frequenz beim Ansprechen des Schwellenwertelementes 11 überein. Die Ausgangssignale des Wandlers 52 gelangen in zwei letzteren Fällen an den Impulszähler 69. Um den Verschleiß zu fixieren, der mit den Ordinaten der Punkte Fj und F₄ der Kurve H in F i g. 6c übereinstimmt, sind die Zähleranzeigen mit dem MaßstabkoefHzienten zu multiplizieren, der durch das Verhältnis der entsprechenden Koordinaten (F] zu Fi und Fa zu F₂) bestimmt wird.

Wie auch der Zähler 68 bewirkt der Impulszähler 69 die Zeitintegration von Momentanwerten der Ausgangsspannung des Wandlers 52 in der Zeitperiode, während der die Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes mit dem Ansprechwert des entsprechenden F.lementes übereinstimmt.

Obwohl in der in Fig. 5 gebrachten Schaltung zwei Impulszähler 68, 69 gezeigt sind, wobei der Wandler 52 mit vier Schwellenwertelementen (10, 11, 13, 14) verbunden ist, kann die Anzahl der Zähler der Schwellenwertelemente beliebig groß sein, und sie hängt von der vorgegebenen Genauigkeit zur Bestimmung der Sollbetriebszeit des Transformators ab. Es liegt auf der Hand, daß die Anzeigegenauigkeit mit der Vergrößerung ihrer Anzahl zunimmt.

Die Messung der Sollbetriebszeit mit Hilfe von einigen Zählern mit verschiedenen Maßstabkoeffizienten gestattet es, die Kurve Hdes Diagramms in Fig. 6c im weiten Bereich der Temperaturwerte Θ mit hoher Genauigkeit zu wiedergeben.

Unter den Schwellenwertelementen, die den Wandler 52 auslösten, können auch solche sein, die bei niedrigen Temperaturwerten im Vergleich mit der für das Ansprechen des Schwellenwertelementes 10 erforderlichen Temperatur ansprechen.

Wegen der langen Betriebszeit des Zählers 53. die Hunderttausende Betriebsstunden betragen kann, entsteht die Gefahr seines Überlaufens, zu dessen Vermeidung an den Zähler eine (nicht gezeigte) Programmeinrichtung angeschlossen wird, die seinen periodischen kurzzeitigen Betrieb (z. B. im Laufe einer Minute jede halbe Stunde bzw. jede Stunde) gewährleistet.

Der Zähler 53 enthält einen Ausgangskreis, der mit der Signalabschaltvorrichtung 22 verbunden ist, die beim Erreichen des Verschleißes der vorgegebenen Größe, z. B. wenn die bezogene Lebensdauer des Transformators 150 000 Betriebsstunden erreicht, den Transformator 1 stromlos macht oder ein Ton- bzw. Schallsignal abgibt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Überlastungsschutz elektrischer Geräte mit in eine dielektrische Flüssigkeit getauchter Wicklung, enthaltend einen in der oberen Schicht der dielektrischen Flüssigkeit angeordneten Temperaturgeber, eine Korrektureinrichtung mit einem Laststromgeber zur Berücksichtigung der durch den Laststrom bedingten Temperaturänderungen des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes, einen Umschaltkreis mit Schwellenwertelementen für die niedrigen Überlastungen, die beim fortlaufenden Ansteigen der Temperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes wahlweise ansprechen, ein Schwellenwertelement für die hohe Überlastung, dessen Ausgangssignal der Tsmperatur des am stärksten erhitzten Wicklungspunktes entspricht, Gefahrenmeldekreise, die durch die Signale der Schwellenwertelemente der niedrigen Überlastung gesteuert werden, und einen Lastabschaltkreis, der durch die Signale des Schwellenwertelements der hohen Überlastung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung einen Funktionswandler (8) enthält, der ein Signal der Übertemperatur der Wicklung über der Temperatur der dielektrischen Flüssigkeit ergibt, das eine Spannung darstellt, die mit dem Laststrom durch die Abhängigkeit

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