DE3710879A1 - System zur abfuehlung von uebertemperaturen an stromkabeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Temperatursteuergerät, das sich ins­ besondere zur Überwachung, Warnung und zu anderen Reaktionen auf einen Übertemperaturzustand eines Stromkabels eignet.

Heutzutage werden Stromkabel in der Erde entweder in offenen Kabelröhren, in denen die Luftzirkulation schwankt, oder in­ nerhalb großer Städte in der Nähe von unterirdischen Dampfrohren verlegt. All diese Bedingungen verändern den Temperaturverlauf in dem betroffenen Kabel. Die zur Zeit verlegten Stromkabel weisen keine Hilfsmittel zur Verfolgung der Temperatur des Ka­ belleiters auf, insbesondere wenn sie Überströmen unterworfen werden. Die Erfahrung mit unterirdischen Stromkabeln lehrt be­ sonders, daß der Zustand der Überlastung und somit der Übertem­ peraturen derart gravierend sein kann, daß sich die Stromkabel selbst entzünden und verbrennen. Zu ähnlichen Erfahrungen ge­ hört, daß sich Stromkabel in den Gebäudewänden entzünden, wenn sie Starkstromeinrichtungen speisen.

Im Anwendungsbereich der Abfühlung und Steuerung von Übertempe­ raturen sind weit verbreitet elektrische Isoliermaterialien mit temperaturabhängigen Widerstands- oder Kapazitätseigenschaften verwendet worden. So ist in der USA-Patentschrift Nr. 25 81 212 von Spooner und Greenhalgh ein Schutz elektrischer Bettdecken und ähnlicher Gegenstände vor Überhitzung für solche Materiali­ en vorgesehen, die einen wesentlichen Sicherheitsfaktor bieten. Gemäß der genannten Patentschrift ist das Isoliermaterial ar­ beitsmäßig mit Schaltmitteln verknüpft und verläuft gemeinsam mit dem Heizelement, so daß die Stromzufuhr zur Erwärmung der Bettdecke unterbrochen wird, wenn die Temperatur irgendwo in der Bettdecke ein vorherbestimmtes Maximum überschreitet. Da das Isoliermaterial in einer solchen Funktion nicht physika­ lisch oder anderweitig irreversibel verändert wird, ist es für diesen Zweck wiederholt brauchbar, da es als eine Art elektri­ scher Schalter wirkt, der ständig die Grenztemperatur im Be­ trieb der Bettdecke überwacht.

In der USA-Patentschrift Nr. 25 81 213 von Spooner, Jr. ist ferner ein temperaturempfindliches Signalisier- und Ortungs­ system beschrieben, das im Grunde in Gestalt eines temperatur­ empfindlichen Kabels vorliegt, das sich für übliche Verbindun­ gen in Anschlußdosen eignet. Das wärmeempfindliche Material in dem Gebilde bewirkt den Betrieb einer Warn- und/oder Anzeige­ schaltung, bevor das wärmeempfindliche Material dauerhaft ge­ schädigt wird. Gemäß der genannten Patentschrift sind drei Leiter, von denen der dritte einen ziemlich niedrigen Wider­ stand aufweist, in einem Spannungsmeßkreis angeordnet. Falls an einem beliebigen Punkt längs des Kabels eine ausreichend hohe Temperatur erreicht wird, vervollständigt die Stromleitung durch das wärmeempfindliche Material, das die beiden ersten Leiter trennt, einen Meßstromkreis in der Weise, daß eine Nadel abgelenkt oder eine Glocke oder eine andere Warneinrichtung in Gang gesetzt wird. Dies zeigt einen von der Norm abweichenden Erwärmungszustand in dem zu überwachenden Bereich an.

Die mit Stromkabeln verbundenen Probleme der Übertemperaturen sind bislang nicht in Betracht gezogen worden, und sie sind, wie oben erörtert, einmalig.

Aus neueren unterirdischen Kabelbränden hat sich ein Bedarf für einen Apparat ergeben, der Übertemperaturen auf der gesamten Länge von Stromkabeln überwacht, auf diese rea­ giert, vor ihnen warnt oder auf andere Weise sie wahrnimmt.

Gegenstand der Erfindung ist ein an Stromkabel anpaßbares Gerät zur Abfühlung von Übertemperaturen, das auf der gesamten Länge des Kabels die Temperaturen überwacht und beim Überschreiten ei­ ner vorherbestimmten Temperatur die Stromzufuhr zum Kabel unter­ bricht. Im Falle sehr großer Kabellängen können mehrere Geräte dieser Art benutzt werden, um erhitzte Stellen örtlich festzule­ gen.

Die Geräte zur Abfühlung von Übertemperaturen enthalten einen Fühldraht, ein Festkörper-Steuergerät, eine Temperatur-Überwa­ chungseinrichtung und einen Warnstromkreis. Der Fühldraht liegt auf der gesamten Länge am Stromkabel an. Das Festkörper-Steuer­ gerät ist an den Fühldraht angepaßt und versorgt ihn mit Strom, damit die erhitzte Stellen innerhalb des Stromkabels wahrgenom­ men werden. Außerdem ist das Steuergerät an einen Temperatur- Anzeiger zur Überwachung der Temperatur des Fühldrahtes und in ähnlicher Weise an einen Relaiskreis angepaßt, der beim Überschreiten einer vorher­ bestimmten maximalen Temperatur den Warnstromkreis auslöst. Der Fühldraht weist zwei in einem gleichförmigen Abstand gehaltene Leiter auf, die durch ein biegsames, wärmeempfindliches organi­ sches Material gegeneinander isoliert werden, das bei gewöhnli­ chen Temperaturen ein elektrischer Isolator ist, aber bei er­ höhten Temperaturen seinen elektrischen Widerstand so weit än­ dert, daß ein bedeutsamer Strom bei mäßigen Potentialen gelei­ tet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung wieder­ gegeben und werden im folgenden ausführlich erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine teilweise abgebrochene Seitenansicht des Fühl­ drahtes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Fühldraht der Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den an ein Stromkabel ange­ paßten Fühldraht gemäß der Erfindung,

Fig. 4 ein Schaltbild des Festkörper-Steuergerätes gemäß der Erfindung,

Fig. 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des Festkörper-Steuergerätes gemäß der Erfindung und

Fig. 6 das an ein Stromkabel angepaßte System zur Abfüh­ lung von Übertemperaturen und zur Wahrnehmung ei­ ner heißen Stelle auf der gesamten Länge des Strom­ kabels.

Fig. 1 zeigt einen Fühldraht 1 gemäß der Erfindung mit einem Detektordraht 2, auf dem als konzentrische Hülle 3 eine Zusam­ mensetzung eines wärmeempfindlichen, polymeren Materials stranggepreßt ist, so daß sie mit ihm in einem direkten Kontakt steht, aber nicht unbedingt an ihn gebunden sein muß und sich über die gesamte Länge des Detektordrahtes 2 erstreckt. Über der isolierenden Hülle 3 ist ein zweiter Detektordraht 4 oder eine geflochtene Umhüllung aufgebracht, und zum Schutz und zur Iso­ lierung des zweiten Detektordrahtes 4 ist ein Vinylmantel 5 vorgesehen. Das symmetrische Verhältnis der verschiedenen Kompo­ nenten ist in der Fig. 2 veranschaulicht, die einen Quer­ schnitt durch den Aufbau des Fühldrahtes wiedergibt.

In Fig. 3 ist die Lage des Fühldrahtes innerhalb eines Strom­ kabels 6 gemäß der Erfindung zu sehen, das ein Netzwerk lei­ tender Drähte 7 enthält, durch die der elektrische Strom über­ tragen wird. Der Fühldraht 1 ist in den leitenden Drähten 7 ein­ gebettet und verläuft über die gesamte Länge des Stromkabels 6. Ein isolierender Schutzmantel 8 ist als endgültiger Außenisola­ tor vorgesehen.

Bei der Anfertigung des Stromkabels 6 kann der Fühldraht 1 vor der Aufbringung des Schutzmantels 8 an einer beliebigen Stelle innerhalb des Netzwerkes der leitenden Drähte 7 eingelegt wer­ den. Wie in der Fig. 3 gezeigt ist, befindet sich der Fühl­ draht 1 bei der bevorzugten Ausführungsform in der Nähe des Schutzmantels 8.

Fig. 4 ist ein elektrisches Schaltbild eines Festkörper-Steu­ ergerätes 9, das im Gerät zur Abfühlung von Übertemperaturen ge­ mäß der Erfindung verwendet wird.

Wie in der Fig. 4 veranschaulicht ist, enthält das Festkörper- Steuergerät 9 in Form von Verknüpfungsschaltungen zwei Kompara­ toren 12 und 14 und ein Differenzglied 16, sowie eine Gleich­ spannungsquelle.

Ein elektrisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des Festkörper-Steuergerätes verwendet, wie in der Fig. 5 zu sehen ist, ein Steuerglied mit einer Brückenschaltung innerhalb des Gerätes zur Abfühlung von Übertemperaturen gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 5 bildet der Fühldraht 1 einen Schenkel der Brük­ kenschaltung, der zur Last bzw. dem Stromkabel 6 parallel ge­ schaltet ist. Die Brückenschaltung weist Widerstände R 3 und R 4, ein Relais 20, einen Kondensator C 3 und eine Induktionsspule L 1 auf.

Durch die Verstellung der veränderbaren Induktionsspule wird die Brückenschaltung so abgeglichen, daß sie kein Signal abgibt. Wenn ein örtlicher Temperaturanstieg stattfindet, ändert sich die Impedanz des wärmeempfindlichen, polymeren Materials, so daß es von einem Strom durchflossen werden und somit ein Un­ gleichgewicht in der Brückenschaltung hervorrufen kann. Infolge dieses Ungleichgewichtes wird über den Kondensator C 3 eine Spannung abgegeben, die den Lastkreis öffnet und/oder ein Warn­ signal auslöst.

Fig. 6 enthält ein Schaltbild zur Veranschaulichung des voll­ ständigen Systems zur Abfühlung von Übertemperaturen in Strom­ kabeln gemäß der Erfindung. Zu diesem System gehören das Strom­ kabel 6 der Fig. 3, an dem sich über seine gesamte Länge der Fühldraht 1 erstreckt und anliegt, das Festkörper-Steuergerät 9 mit einem Temperatur-Anzeiger 10 und ein Warngerät 11, das in üblicher Weise ein hörbares und/oder visuelles Warnsignal abgibt, also eine Sirene oder Lichter usw. sind.

Die Merkmale der Erfindung können im weitesten Sinne auf einen Leiter mit einem einzelnen Draht oder mit mehreren Drähten für Stromkabel oder eine Stromverteilung angewendet werden. Das Ge­ rät zur Abfühlung von Übertemperaturen ist insbesondere für un­ terirdische Kabel geeignet, die bei Spannungen von 5 bis 138 kV, vorzugsweise von 15 bis 30 kV Strom liefern.

Bei der Benutzung des Gerätes gemäß der Erfindung zur Abfühlung von Übertemperatur-Zuständen längs eines Stromkabels sei auf die Fig. 6 bezug genommen. Das Stromkabel 6 wird mit einem Fühldraht 1 angefertigt, der innerhalb des isolierenden Schutz­ mantels 8 untergebracht wird und sich über die gesamte Länge des Stromkabels 6 ausdehnt; es kann eine beliebige passende Län­ ge aufweisen, aber bei sehr großen Kabellängen ist es wünschens­ wert, eine Anzahl einzelner Fühldrähte einzuführen.

Der Fühldraht 1 besteht aus einem Kupferdraht mit einem Durch­ messer von etwa 0,9 mm (US-Maß 20 AWG), der den Detektordraht 2 bildet, und der wärmeempfindlichen, poly­ meren Hülle 3 von etwa gleichförmiger Dicke von ungefähr 0,05 bis 2,5 mm (2/1000 bis 1/10 Zoll), vorzugsweise von 0,25 mm (1/10 Zoll), die darauf stranggepreßt ist.

Der Aufbau des Fühldrahtes, der gemäß der Erfindung angewendet wird, ist in der USA-Patentanmeldung Nr. 5 48 376 von Greenhalgh beschrieben.

Wie dort angegeben, kann die konzentrische Hülle 3 der Fig. 1 aus einem polymeren Material, z. B. einem Polyamidharz (Nylon), Po­ lyvinylchlorid bzw. Zelluloseestern mit Zusätzen sein, die ihm die gewünschten elektrischen Eigenschaften verleihen. Diese wär­ meempfindlichen Materialien haben einen hohen negativen Koeffi­ zienten des spezifischen induktiven Leitungsvermögens oder einen positiven Temperatur-Koeffizienten des Widerstandes. Es wird je­ doch die Verwendung von Acrylnitril-Butadiengummi vorgeschlagen, der ein höheres Verhältnis des spezifischen induktiven Leitungs­ vermögens bei der Temperatur von 90°C zu dem bei der Raumtem­ peratur aufweist, das um einen Faktor 3 bis 5 höher als das der bislang bekannten Stoffe ist. Außerdem enthält der Acrylnitril-Butadiengummi im wesentlichen keinen freien bzw. elementaren Schwefel, in dessen Gegenwart die Leiter aus Kup­ ferdraht korrodieren können. Wie Greenhalgh weiter herausgefun­ den hat, sind diese Substanzen wärmehärtbar und somit keiner Deformation und keiner zusätzlichen Wanderungserscheinung un­ terworfen, die für den beabsichtigten Zweck bzw. die beabsich­ tigte Funktion schädlich sein würden. Zusätzlich sind diese Zusammensetzungen der Vermischung mit Additiven zugänglich, die ihre Eigenschaft der Temperaturempfindlichkeit steigern. Insbe­ sondere wenn die Zusammensetzungen mindestens 0,5 Gewichtspro­ zent Carbonsäureeinheiten enthalten, wird der Widerstand gegen die Hochtemperatur-Alterung erhöht, genauso wie physikalische Eigenschaften zusammen mit dem Verhältnis einer Änderung des elektrischen Ansprechens auf das spezifische induktive Leitver­ mögen verbessert werden, falls die Temperatur von der Raumtempe­ ratur auf 90°C zunimmt. Andere Zusätze, z. B. Polyvinylchlorid und Ton, können in die Zusammensetzungen hineingemischt werden, um die Eigenschaften der Formulierungen zu verbessern.

Das Material für die Hülle 3 wird vorzugsweise unter mehreren Materialien ausgewählt, zu denen gehärterter Acrylnitril-Buta­ diengummi mit mindestens 1% Acrylnitril und im wesentlichen ohne freien Schwefel, gehärterterAcrylnitril-Butadiengummi mit min­ destens 0,5% monomeren Carbonsäure-Einheiten und Polyvinyl­ mischungen dieser Gummiarten gehören.

Bei der Installation des Stromkabels 6 werden die Detektordräh­ te 2 und 4 des Fühldrahtes am Festkörper-Steuergerät 9 ange­ schlossen. Der Detektordraht 2 aus dem Fühldraht 1 wird dabei mit dem ersten Komparator 12 verbunden, zu dem ein Kondensator C 1, ein Transistor Q 1 und ein veränderbarer Widerstand R 1 ge­ hören.

Der zweite Detektordraht 4 aus dem Fühldraht 1 wird mit dem an­ deren Komparator 14 verbunden, der einen Kondensator C 2, einen Transistor Q 2 und einen veränderbaren Widerstand R 2 enthält. Die Gleichspannung wird an die Steuerschaltung angelegt, und der Gleichstromwiderstand wird ständig über die Detektordrähte 2 und 4 überwacht.

Bei der Umgebungstemperatur oder der Temperatur während der In­ betriebnahme werden durch eine Verstellung der Widerstände R 1 und/oder R 2 die Komparatoren 12 und 14 auf dieselbe Spannung eingestellt. Nach einer Erhöhung der Temperatur auf 35°C wer­ den die beiden Komparatoren erneut auf eine unterschiedliche, gemeinsame Bezugsspannung eingestellt, um die Empfindlichkeit und die Kalibrierung des Gerätes festzusetzen.

Das Differenzglied 16 enthält vier Dioden, vier Transistoren und vier Widerstände und wirkt dahingehend, daß Potentialunter­ schiede zwischen den Komparatoren 12 und 14 überwacht werden und es bei Erreichen einer zuvor eingestellten Spannungsdiffe­ renz zwischen 0,1 und 10 V, vorzugsweise bei 0,7 V, das Warngerät 11 auslöst. Zusätzlich kann ein Relais vorgesehen sein, das parallel zum Stromspeisekreis des Stromkabels 6 geschaltet ist, um den Zustand der Übertemperaturen zu umgehen und dadurch ein unterirdisches Feuer zu verhindern.

Das Warngerät 11 kann zu einem beliebigen üblichen System ge­ hören einschließlich hörbarer Töne, aufblitzenden Lichtes usw.

Die Erfindung ist nicht auf das spezielle, beschriebene Ausfüh­ rungsbeispiel beschränkt, sondern liegt im Rahmen der beigefüg­ ten Ansprüche.

Claims (5)

1. Anordnung mit einer Übertemperatur-Abtasteinrichtung, von der ein Übertemperaturzustand in einem Stromkabel aus ei­ nem einzelnen Draht oder mehreren Drähten überwacht, wahrge­ nommen, gemeldet oder anderweitig zur Anzeige gebracht wird, gekennzeichnet durch

• a) einen Fühldraht (1), der sich mit dem Stromkabel in ei­ nem Schutzmantel (8) erstreckt und zwei Detektordrähte (2 und 4) aufweist, die beide mit einer elektrischen Stromquelle verbunden und durch einen gleichförmigen Abstand auf ihrer gesamten Länge mit Hilfe eines wär­ meempfindlichen, polymeren Materials voneinander ge­ trennt sind, das als Hülle (3) konzentrisch zu einem Detektordraht (2) stranggepreßt ist und gemeinsam mit dem letzteren (2) verläuft,
• b) eine Festkörper-Steuervorrichtung (9), die elektrisch mit dem Stromkabel (6) verbunden ist und Mittel (10, 11) auf­ weist zur ständigen Überwachung und Anzeige von Änderun­ gen im elektrischen Widerstand durch die wärmeempfind­ liche Hülle (3) und
• c) eine Alarmeinrichtung (11), die mit der Festkörper-Steuer­ vorrichtung (9) verbunden ist, und einen Übertemperatur Zustand in dem Stromkabel (6) anzeigt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Material unter mehreren Materialien aus­ gewählt ist, zu denen ein Nylon-Polyamidharz, Polyvinylchlorid, Zelluloseester, gehärterter Acrylnitril-Butadiengummi mit we­ nigstens 1% Acrylnitril und im wesentlichen ohne Schwefel, ge­ härterter Acrylnitril-Butadiengummi mit wenigstens 0,5% monome­ ren Carbonsäure-Einheiten und Polyvinylchloridmischungen der Gummiarten gehören.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material ein Acrylnitril-Butadiengummi mit 25 bis 45% monomeren Acrylnitril-Einheiten ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material hinzugemischt und gebunden und Zinkoxid das Härtemittel ist, wobei die Mischung zumindest 7% Catalpo- Ton enthält, so daß das zusammengesetzte polymere Material ein spezifisches Verhältnis von Induktivität zu Kapazität größer als 30 bei einer Temperatur von 90° C und bei Raumtemperatur aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Steuergerät (5) zur Messung des Widerstandes am ersten Detektordraht (2) einen ersten Komparator (12) in ei­ nem elektrischen Stromkreis mit diesem Detektordraht (2), zur Messung des Widerstandes am zweiten Detektordraht (4) einen zweiten Komparator (14) in einem elektrischen Stromkreis mit diesem Detektordraht (4), zur Messung von Potentialdifferenzen zwischen den Komparatoren (12 und 14) ein Differenzglied (16) und ein Relais enthält, das bei Erreichen einer zuvor einge­ stellten Spannungsdifferenz von 0,1 bis 10 V das Warngerät (11) betätigt und zugleich der elektrische Stromkreis geshunted wird, der das Stromkabel (6) speist.