DE4136639C2 - Vorrichtung zur elektrischen Ermittlung nicht gelöster Gase in mit Flüssigkeit gefüllten Hochspannungsanlagen und Geräten als Grundlage zur Fehlererkennung und Überwachung dieser Anlagen und Geräte - Google Patents

Vorrichtung zur elektrischen Ermittlung nicht gelöster Gase in mit Flüssigkeit gefüllten Hochspannungsanlagen und Geräten als Grundlage zur Fehlererkennung und Überwachung dieser Anlagen und Geräte

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gasentwicklung in mit Flüssigkeit gefüllten Hochspannungsanlagen zur Überwachung und zum Schutz dieser Anlagen. Die Gase können durch Zersetzung der Flüssigkeit infolge von Hitze, Teilentladungen, Durchschlägen oder anderen Einflüssen erzeugt werden oder auch von außen eindringen.
Aus dem Transformatorschutzbereich ist das Buchholz-Relais bekannt. Dieses Relais wird zwischen dem Transformatorkessel und dem Ausgleichsgefäß eingebaut. Die durch einen Fehler im Transformator erzeugten nicht gelösten Gase gelangen auf ihrem Weg zu der höchsten Stelle, nämlich dem Ausgleichsgefäß, in das Buchholz-Relais und sammeln sich in einem mit Schwimmern versehenen Raum. Beim Erreichen einer Mindestgasmenge betätigt der Schwimmer einen Schalter, der einen Alarm auslösen kann. Dieses Signal kann auch zum Abschalten des Transformators verwendet werden. Zur Betätigung des Relais wird eine relativ große Gasmenge benötigt, die in der Regel nur durch größere Schäden hervorgerufen werden kann. Dieses Relais kann somit keine Aussage über den Isolationszustand des Transformators im Vorstadium großer Fehler liefern. Außerdem ist damit keine Aussage über die Geschwindigkeit der Gasentwicklung möglich. Das Relais reagiert ledig­ lich auf eine bestimmte Mindestgasmenge. In welchem Zeitraum diese Gasmenge sich sammelt, kann von dem Schwimmer nicht angezeigt werden. Die Geschwindigkeit der Gasansammlung stellt jedoch eine der wesentlichen Parameter zur Bestimmung der Art, Größe und Gefährlichkeit des Fehlers dar. Kleine unbedeutende Fehler mit sehr langsamer Gasentwicklung verursachen nach langer Zeit die gleiche Gasmenge, wie ein sehr großer Fehler nach sehr kurzer Zeit. Trotz unterschiedlicher Ursachen reagiert das Buchholz-Relais auf beide Fehler ähnlich.
Die Integration eines solchen Buchholz-Relais ist in der modernen rech­ nergestützten Überwachung von Transformatoren problematisch. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Buchholz-Relais wesentlich empfindlichere und unter anderem auf die Geschwindigkeit der Gasentwicklung sowie auf die absolute Gasmenge sensible und zur Rechnersteuerung geeignete elektrische Vorrichtung zu erfinden, die zum Schutz und zur kontinuierlichen Überwachung von mit Flüssigkeit gefüllten Hochspannungsanlagen, wie z. B. flüssigkeitsgefüllte Transformatoren und Wandlern, eingesetzt werden kann.
Die aus der DE 34 43 742 A1 bekannte Feststelleinrichtung von Luftblasen ist zur Beurteilung des Isolationszustandes von Hochspannungsanlagen und zum Schutz und zur Überwachung dieser Anlagen nicht geeignet.
Diese Meßvorrichtung besteht aus einem Zylinderkondensator, welcher von einem Flüssigkeits-Luftgemisch durchströmt wird und wo das Vorhandensein von Luftblasen in der Flüssigkeit durch eine Kapazitätsänderung angegeben wird.
In DE 32 34 561 A1 wird eine Vorrichtung zur Gasanalyse an Öltransformatoren vorgestellt. Diese Vorrichtung dient der Analyse der in Transformatorenöl gelösten Gase auch während des Betriebs des Transformators.
Kritik des Standes der Technik
Das Buchholz-Relais ist ein mechanisches Gebilde, welches relativ unempfindlich ist. Zur Betätigung wird eine große Gasmenge benötigt. Daher wird diese Schutzeinrichtung bislang nur bei großen Transformatoren mit großem Ölvolumen eingesetzt. Wenn das Buchholz-Relais anspricht, sind in der Regel bereits große Zerstörungen vorhanden. Die Betätigung des Relais erfolgt mechanisch. Das Relais enthält mehrere bewegliche Teile. Die Anpassung an ein rechnergestütztes Überwachungssystem ist schwierig. Die Schutzeinrichtung erlaubt keine kontinuierliche Aussage über den Fehler im Transformator, da die Anzeige eine integrale Größe darstellt, welche erst beim Erreichen der Mindestgasmenge eine Meldung auslösen kann. Es ist keine Aussage über die Geschwindigkeit der Gasentwicklung und die Zeit, in der die Mindestgasmenge erzeugt worden ist, möglich. Die Geschwindigkeit der Gasentwicklung ist für die Beurteilung des Fehlers jedoch von großer Bedeutung. Somit ist das Buchholz-Relais für eine rechnergestützte kontinuierliche, feiner auflösende Überwachung eines Transformators nicht geeignet. Das Buchholz-Relais ist somit ein unempfindliches statisches System, welches auf langsam ankommende Gase aus unkritischen Fehlern in gleicher Weise reagiert, wie auf infolge gefährlicher Fehler verursachte schnelle Gasproduktion.
Die aus der DE 34 43 742 A1 bekannte Feststelleinrichtung von Luftblasen in Schmierflüssigkeiten ist zum Schutz und zur Überwachung von Hochspannungsgeräten wie Transformatoren und Wandlern ungeeignet. Der Kondensator wird von dem Gasflüssigkeitsgemisch durchströmt. Eine Bestimmung der absoluten Gasmenge ist inner­ halb eines vorgegebenen Zeitraums nicht möglich. Die Gasrate kann ebenfalls nicht ermit­ telt werden. Es kann nicht festgestellt werden, wann eine Gasblase in den Sensor hineingeht und wann sie ihn verläßt. Lediglich beim Vorhandensein einer Mindestluftmenge in der gesamten Flüssigkeit kann eine Meldung erfol­ gen. Die Gase werden nicht direkt gesammelt und können somit nicht unmittelbar zur Analyse herangezogen werden.
Die aus der DE 32 34 561 A1 bekannte Vorrichtung dient der Analyse der in Transformatorenöl gelösten Gase. Diese Vorrichtung ist als eine Erweiterung des Gas-in- Öl-Analyseverfahrens anzusehen. Eine Bestimmung oder Menge der nichtgelösten Gase sowie der Gasrate ist mit diesem Verfahren nicht möglich.
Problem
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine gegenüber dem Buchholz-Relais wesentlich empfindlichere, robustere und einfachere Vorrichtung zu bauen, welche neben der Anzeige geringer Gasmengen die Geschwindigkeit der Gasansammlung ermit­ telt, wodurch eine empfindliche rechnergestützte, kontinuierliche Überwachung des Isolations­ und/oder Betriebszustandes von flüssigkeitsgefüllten Transformatoren und anderen flüssigkeitsgefüllten Hochspannungsanlagen ermöglicht wird.
Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik
Die mit der Erfindung erzielten Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik bezüglich des Buchholz-Relais sind wie folgt:
  • - Die notwendige Gasmenge zum Ansprechen ist um mehr als das 1000-fache geringer und ist somit gegenüber dem Buchholz-Relais wesentlich empfindlicher.
  • - Neben der momentan ankommenden und der gesamten Gasmenge wird die Gasrate ständig ermittelt.
  • - Das Buchholz-Relais reagiert nur auf die Gasmenge unabhängig von der Zeit, in der die Gase entstanden sind, reagiert auf kleine unbedeutende Fehler nach längerer Zeit ähnlich wie auf große und gefährliche Fehler und weist somit ein statisches und integrales Verhalten auf. Die Erfindung nach Anspruch 1 weist dagegen ein dynamisches Verhalten auf und kann die Fehler klassifizieren.
  • - Im Gegensatz zum Buchholz-Relais enthält die Erfindung nach Anspruch 1 keine beweglichen Teile und ist somit robuster und störsicherer.
Die mit der Erfindung nach Anspruch 1 gegen­ über dem Stand der Technik bezüglich der Feststelleinrichtung von Luftblasen (DE 34 43 742 A1) erzielten Verbesserungen sind wie folgt:
  • - Die Vorrichtung nach DE 34 43 742 A1 wird ständig von der Flüssigkeit durchflossen, während bei der Erfindung nach Anspruch 1 die Vorrichtung nur einseitig mit der zu schützenden Anlage verbunden ist, wodurch Flüssigkeit hinein und herausfließen kann, während Gas nur hineinfließt, so daß die Vorrichtung eine Gasfalle darstellt.
  • - In den Hochspannungsanlagen treten im Falle eines Fehlers sporadisch Gase auf, welche nicht in die gesamte Flüssigkeit gleichmäßig verteilt werden, sondern direkt nach oben wandern. Die Vorrichtung nach DE 34 43 742 A1 stellt ein Durchlaufverfahren dar und kann somit die Luftmenge nur dann richtig angeben, wenn die Luft nahezu gleichmäßig im Öl verteilt ist. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 kann dagegen sowohl die sporadisch und kurzzeitig auftretenden Gase, als auch die z. B. durch Lecks über längere Zeit eindringenden Gase ermitteln und jeweils zuordnen.
  • - In der Vorrichtung nach Anspruch 1 der Erfindung trennen sich in der Vorrichtung die Gase von der Flüssigkeit und können mit Hilfe einer vorgesehenen Gasablaßvorrichtung wahlweise entweder ins Freie gelassen, oder zur Analyse weitergeleitet werden. Es sind somit je nach Bedarf die Gesamtheit oder Teile der ankommenden Gase ständig verfügbar.
  • - Die Auswerteeinheit der Vorrichtung gemäß der Erfindung verfügt über die Daten der absoluten Gasmenge, der Gasrate und der gesamten Gasmenge mit dem jeweiligen Zeitpunkt und/oder Zeitraum des Auftretens sowie Anzahl und Datum der Entleerungen für beliebig lange Zeiten. Diese Daten werden als Basis für die Beurteilung des Betriebszustandes der zu schützenden Anlage herangezogen.
  • - Die einzelnen Kondensatoren können mit unterschiedlicher Größe und Form aufgebaut und beliebig kombiniert werden.
Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen einschließlich dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen dreieckigen Plattenkondensator mit konstantem Plattenabstand,
Fig. 2 in schematischer Darstellung einen dreieckigen Plattenkondensator mit ungleichmäßigem Plattenabstand,
Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Kondensatoranordnung in konzentrischer Zylinderform,
Fig. 3a Aufsicht auf der Kondensatoranordnung nach Fig. 3,
Fig. 3b Schnitt A-B der Kondensatoranordnung nach Fig. 3,
Fig. 4a in schematischer Darstellung die Anordnung vom Buchholz- Relais an einem Transformator,
Fig. 4b in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Anordnung von Meßkondensatoren als Ersatz oder Ergänzung des Buchholz-Relais,
Fig. 5 Blockdiagramm des elektronischen Meßsystems zur Messung der absoluten Gasmenge und die Geschwindigkeit der Gasansammlung.
Die Erfindung nach Anspruch 1 besteht aus 2 Teilen, welche im folgen­ den im einzelnen beschrieben und anhand von Beispielen erläutert werden. Die zwei Teilbereiche sind:
  • - Meßwertaufnahme,
  • - Meßwertumformung und -verarbeitung.
Meßwertaufnahme
Der wesentliche Teil der Meßwertaufnahme stellt eine Kondensatoran­ ordnung dar, bestehend aus einem oder mehreren Kondensatoren, welche einseitig an die zu schützende Anlage anmontiert werden. Die Kondensatoren enthalten jeweils eine Öffnung zum Füllen, welche im allgemeinen auf der untersten Seite angeordnet ist. Durch diese Öffnung gelangt bei der Inbetriebnahme und jeweils nach jeder Betätigung der Gasablaßvorrichtung die Isolierflüssigkeit in die Kondensatoren. Beim Vorhandensein von Fehlern in der zu schützenden Anlage gelangen die nicht gelösten Gase auf ihrem Weg nach oben durch die gleiche Öffnung in die Kondensatoren und drängen entsprechend ihrem Volumen die Flüssigkeit zurück. Zusätzlich enthalten die Kondensatoren an ihrer oberen Seite eine Öffnung, welche zur Entleerung der angesammelten Gase vorgesehen ist. Diese Öffnung ist mit einer Vorrichtung versehen, welche nach der Füllung der Kondensatoren mit Gas, der Ansammlung bestimmter Gasmengen oder auch nach vorgegebenen Zeiten automatisch oder manuell betätigt wird. Dadurch gelangen die Gase entweder in die Luft oder in die dafür vorgesehenen Behälter. Von dort können die Gase zur Analyse weitergeleitet werden.
Einige Ausführungsbeispiele hierzu zeigen die Fig. 1-3. Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine Plattenkondensatorausführung in Dreiecksform. Anstelle der in Fig. 1 gezeigten Entgasungsschraube 3 kann hier eine Entgasungsvorrichtung eingebaut werden, welche automatisch oder manuell angesteuert wird. Die Ansteuerung der Entgasungsvorrichtung kann durch die Geschwindigkeit der Gasentwicklung, die gesamte Menge der sich in der Kondensatoranordnung angesammelten Gase oder andere Kriterien erfolgen. Der Kondensator kann je nach der geforderten Empfindlichkeit unterschiedlich aufgebaut sein. Die beiden Elektroden 4 können bei sehr empfindlichen Messungen als Schutzringelektroden ausgeführt werden. Die Platten werden über isolierte Distanzstücke miteinander verklebt und durch Halteschrauben 1 festgeschraubt. Die Elektroden 4 können aus Kupfer oder auch aus anderen leitenden Materialien hergestellt werden. Die Seitenteile 5 und der Bodenteil 6 bestehen aus nicht leitendem Material. Das Dielektrikum gelangt über den Schlauchanschluß 8 in den Raum zwischen den Kondensatorplatten. Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung der Kondensatoranordnung. Im Unterschied zu der Anordnung in Fig. 1 sind hier die beiden Elektroden nicht planparallel sondern konisch angeordnet.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung der Kondensatoranordnung in konzentrischer Zylinderform. Dieser Kondensator besteht aus mehreren ineinander konzentrisch angeordneten elektrisch leitenden Zylindern. Die einzelnen Zylinder sind gegeneinander isoliert aufgebaut und die Anschlüsse isoliert ausgeführt (1, 2, 3). Sie können von außen zusammen­ geschaltet werden. Die leitenden Zylinderelektroden werden von beiden Seiten mit den Isolierkappen 7 gas- und öldicht abgeschlossen. Die Elektroden werden durch die Kunststoffbolzen 8 gegeneinander fixiert. Flüssigkeit und Gase gelangen durch den isolierten Anschluß 10 in den Raum zwischen den Elektroden. Die Gase, welche nach oben steigen, können durch die Entgasungsvorrichtung 11 entleert werden. Diese Gase können zur Bestimmung der Gaszusammensetzung gaschromatografisch untersucht werden.
Fig. 4 zeigt schematisch eine mögliche Anordnung zum Einbau einer Meßaufnahmevorrichtung an einem Transformator. In Fig. 4a ist die Anordnung des Buchholz-Relais schematisch dargestellt. Fig. 4b zeigt eine Möglichkeit des Einbaus der Meßkondensatoranordnung anstelle des Buchholz-Relais. Die Meßkondensatoranordnungen können ebenfalls an andere geeignete Stellen eingebaut werden.
Meßwertumformung und -verarbeitung
Die durch einen Fehler im Transformator oder in anderen Anlagen erzeugten nicht gelösten Gase steigen nach oben und gelangen in die unter dem Schutzanspruch 1. der Erfindung erläuterte Kondensatoranordnung und verdrängen entsprechend ihrem Volumen die Isolierflüssigkeit. Dadurch wird die Kapazität der Anordnung abhängig von der Gasmenge geringer. Die Kapazitätsänderung ist proportional zu dem in der Kondensatoranordnung angesammelten Gasvolumen. Eine Messung dieser veränderten Kapazität und deren Vergleich mit dem Anfangswert der Kapazität, bei der der Kondensator ausschließlich mit der Isolier­ flüssigkeit gefüllt ist, ergibt die Kapazitätsänderung und ist somit ein Maß für die Gasentwicklung und die Gasansammlung. Die Geschwindigkeit der Kapazitätsänderung ist identisch mit der Geschwindigkeit der Gasansammlung und kann somit neben der Gasmenge und Gaszu­ sammensetzung als ein Indikator für die Fehlerart und die Fehlergröße herangezogen werden.
Fig. 5 zeigt das Blockdiagramm des elektronischen Systems zur Messung und Auswertung der Menge und der Geschwindigkeit der Gasansammlung. Die digitalisierten Meßwerte werden zunächst auf einen permanenten Speicher übertragen. Mit Hilfe eines Auswerteprogrammes wird die Änderung der Kapazitätswerte in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt und je nach Geschwindigkeit der Kapazitätsänderung werden unterschiedliche Befehle wie z. B. Alarm oder Ausschalten ausgelöst. Beim Erreichen einer Mindestkapazität, welche auf die vollständige Befüllung der Kapazitätsanordnung mit Gas hindeutet, kann ein Signal ausgelöst werden oder auch ein Befehl zum automatischen Entgasen der Kapazitätsanordnung gegeben werden. Sämtliche Funktionen der Auswerteeinheit werden von einem Mikrocontroller gesteuert.
Weiterhin können die Daten einem angeschlossenen Rechner weiter­ geleitet werden. Dort werden sie mit Hilfe eines Expertenprogramms weiterverarbeitet und ständig durch Analyse der Meßwerte erweitert, wodurch eine automatische Fehleranalyse möglich wird. Grundsätzlich kann die Kapazitätsmessung in kurzen Zeitabständen erfolgen. Bei geringer Änderung, d. h. langsamer Gasentwicklung werden aus Gründen der Datenreduktion nicht alle Werte zur Analyse gespeichert. Erfolgt dagegen eine schnelle Kapazitätsänderung, welche auf einen großen Fehler hindeutet, so wird der Abstand zwischen den Einzelmessungen verkleinert und alle Meßwerte zur Weiterverarbeitung herangezogen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur elektronischen Ermittlung der Menge und Produktionsrate nicht gelöster Gase in mit Flüssigkeit gefüllten Hochspannungsanlagen zum Schutz und zur Überwachung dieser Anlagen,
dadurch gekennzeichnet, daß an die zu schützende Anlage eine Kondensatoranordnung montiert ist, wobei an der Montagestelle eine Öffnung vorhanden ist, die bewirkt, daß die Kondensatoranordnung zunächst mit der Flüssigkeit gefüllt ist, bei Auftreten infolge eines Durchschlages, einer Teilentladung, einer Zersetzung oder eines Eindringens von außen nicht in Lösung gehender Gase, diese Gase entsprechend ihrem Volumen ein Zurückdrängen der Flüssigkeit aus der Kondensatoranordnung und dementsprechend Änderungen der Kapazität der Kondensatoranordnung verursachen
und daß der Kondensatoranordnung eine elektrische Auswertevorrichtung zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Ermittlung und Überwachung des Isolations- oder des Betriebszustandes der Anlage nachgeschaltet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Ka­ pazitäten in der Kondensatoranordnung als Plattenkondensator oder als Zylinderkon­ densator oder als eine andere geometrische Form ausgeführt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung nicht von Flüssigkeit und/oder Gas durchflossen wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung an der untersten Stelle der Kondensatoranordnung vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Seite der Kondensatoranordnung eine weitere Öffnung enthält, welche der Entleerung der Gase dient und mit einer Gasablaßvorrichtung versehen ist, die automatisch angesteuert oder manuell betätigt werden kann.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Kondensatoranordnungen an beliebigen Stellen der zu schützenden Anlage montiert sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung an Rohrverbindungen oder direkt am Flüssigkeitstank gas- und öldicht befestigt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoran­ ordnung vor einem Buchholz-Relais oder anstelle eines Buchholz-Relais eingebaut ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung angeordnet ist, um ein Sammeln der Gase in oberen Bereich der Kondensatoranordnung zu ermöglichen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswertevorrichtung sowohl die Menge, als auch die Geschwindigkeit der in der Kondensatoranordnung eingedrungenen Gase automatisch ermittelt werden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten digitali­ siert, gespeichert und einem nachgeschalteten Rechner weitergeleitet werden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter vorgesehen ist, in den die Gase geführt werden, um eine Analyse der Gaszusammensetzungen zu ermöglichen.
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