DE659487C - Einrichtung zur Messung der Leitertemperatur von elektrischen Kabeln - Google Patents

Description

Es sind Einrichtungen zur Kontrolle und gegebenenfalls zur Verhinderung des Auftretens von Übertemperaturen in elektrischen Kabeln und Leitungen bekannt, bei denen die Temperatur nicht im Kabel selbst, sondern in einer sog. thermischen Nachbildung gemessen wird. Zu dem Zweck wird die Wärmewirkung eines vom Kabelstrom abgezweigten oder induzierten Stromes gemessen oder zur Betätigung von Anzeigevorrichtungen oder Sicherungselementen ausgenützt. Hierher sind auch jene Apparaturen zu zählen, die den Temperaturverlauf eines stromdurchflossenen Körpers mit Hilfe von Rädergetrieben mit teilweise stromabhängiger Drehzahl überwachen.

Insbesondere ist ein Verfahren zur Herstellung eines thermischen Abbildes aus einem kurzen Stück eines Einleiterkabels bekanntgeworden, wobei die Drähte aus dem Kabelstück entfernt und durch dünne, aber gegeneinander isolierte und in Serie geschaltete Drähte ersetzt werden. Durch diese Herstellungsweise ist die Länge¹ des Abbildes auf höchstens ein halbes Meter begrenzt, so daß die Temperatur verteilung in seiner Umgebung nicht mehr jener in der Umgebung eines langgestreckten Kabels entspricht. Daher soll der die Messung fälschende, abkühlende Einfluß der Enden durch zusätzliche Heizspulen ausgeglichen werden. Regeln für deren räumliche Gestaltung und elektrische Bemessung sind bisher nicht bekanntgeworden, so daß die Herstellung solcher Abbilder mühsame, kostspielige und zeitraubende Versuche voraussetzt. Trotzdem gelingt es nicht, mit solch kurzen Abbildern eine befriedigende Temperaturmessung bei rasch veränderlichen Vorgängen auszuführen, da das Strömungsbild einer solchen punktförmigen Wärme- Stromquelle von dem einer stabförmigen erheblich abweicht.

Nach anderen bekanntgewordenen Methoden wird in einem kurzen Vergleichskabelstück der mittlere Draht des Leiters durch einen isolierten Widerstandsdraht ersetzt und dieser über einen Stromwandler geheizt, wobei die im wirklichen Kabel herrschende Bleimanteltemperatitr durch Heiz- und Kühlvorrichtungen auf das Nachbild dadurch übertragen werden soll, daß Thermoelemente an den beiden Bleimänteln gegeneinandergeschaltet sind und bei Temperaturabweichungen zwischen dem Mantel des Kabels und dem des Nachbildes die Heiz- oder die Kühlvorrichtung einschalten. Entsprechende Steuereinrichtungen sind bisher nicht bekanntgeworden. Jedenfalls können diese erst betätigt werden, wenn zwischen den beiden Thermoelementen, also zwischen Kabel und Nachbildung, erhebliche Temperaturunterschiede auftreten. Damit ist aber die eigentliche Aufgabe, nämlich die Messung der wahren Kabeltemperatur, unmöglich geworden. Gemessen wird immer

nur jene Temperatur, die vor einer unbekannten Zeit in dem Kabel geherrscht hat.

Bei plötzlichen Belastungserhöhungen, w sie z. B. durch das Einschalten vieler LampÄu oder Dreschmaschinen während eines sommö^C liehen Gewitters oder durch den Ausfall eiiiffs Speiseleitung oder gar bei Kurzschlüssen au'f-^; treten, wo unter schwierigen und unübersichtlichen äußeren Umständen sofort entschieden ίο werden muß, ob das Kabel noch in Betrieb bleiben darf, versagen die oben beschriebenen Einrichtungen völlig. Von einer zuverlässigen Temperaturmeßeinrichtung muß verlangt werden, daß sie jederzeit die wahre Temperatur des Kabels ohne Verzögerung anzeigt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Leiter temperatur von elektrischen Kabeln mittels eines dem zu messenden Kabel thermisch entsprechenden ■20 Vergleichskabels mit in seinem Innern liegender Wärmemeßeinrichtung, das in der Nähe des zu messenden Kabels derart verlegt ist, daß es den gleichen Erwärmungs- und Abkühlungsverhältnissen wie dieses ausgesetzt ist; gemäß der Erfindung sind die Temperaturfühler auf eine kurze Strecke in der Mitte des mehrere Meter langen Vergleichskabels angebracht. Durch Versuche konnte festgestellt werden, daß schon ein Vergleichskabelstück von einigen Metern Länge in der Mitte eine Leitertemperatur aufweist, die jener in einem gleich belasteten und unter thermisch ähnlichen Bedingungen verlegten, aber unendlich langen Kabel verhältnisgleich ist. Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beschrieben, welche die Einrichtung in Verbindung mit einem Drehstromhochspannungskabel darstellt. Die Phasen UVW des Kabels 1 führen die Ströme I₁,1₂,1₃. Der Bleimantel führe bei Erdschluß den Strom I₀. Die für volle Betriebsspannung isolierten und beispielsweise in Stern geschalteten Stromwandler 2 führen über ein Hilfskabel 3, dessen sämtliche Leitungen nur geringe Spannung gegen Erde haben, dem an der Fortleitung der elektrischen Energie nicht beteiligten Vergleichskabel 4 die Ströme I₁', I/, I₃' und dessen Bleimantel den Strom I₀' zu. Die Buchstaben a, b, c, d an den Leiterenden dienen zur Kennzeichnung zusammengehöriger Zuleitungen. Das Vergleichskabel 4 wird in der Nähe des Kabels 1 und im übrigen unter ganz gleichen Umständen verlegt, aber in einer solchen Entfernung, daß die beiden Kabel sich nicht gegenseitig erwärmen. Zwecks Verkleinerung der Stromwärmeverluste in den Zuleitungen kann man, wenn größere Entfernungen zu überwinden sind, in den Zuleitungen 3 nur kleine Ströme fließen lassen, die durch die in der Zeichnung dargestellten Stromtransformatoren s, deren primäre und sekundäre Wicklungen keine hohe Isolation gegeneinander haben müssen, wieder auf passende i,. Stromwerte I₁', I₂' und I₃' hochtransformiert Ifeden '

s Vergleichskabel 4 erhält für einen oder Leiter ein temperaturempfindliches Or- ' 6. Es ist in der Mitte des Kabelstückes auf einer kurzen Strecke angebracht, um; zu vermeiden, daß der starke Temperaturabfall an den Enden des Vergleichskabels 4 die Meßergebnisse fälscht. Das Vergleichskabel 4 kann an sich einen beliebigen Leiterquerschnitt haben. Die Isolationsstärke und die Verlegungstiefe sowie das Verhältnis der ursprünglichen Ströme I₁, I₂, I₃ zu den übertragenen Strömen I₁', I₂', V müssen dann so gewählt werden, daß das Vergleichskabel 4 in seinem thermischen Verhalten dem zu messenden Kabel völlig entspricht, zum mindesten aber so weit entspricht, daß bei einer Temperaturänderung im Kabel im gleichen Sinne eine Temperaturänderung im Vergleichskabel erfolgt. So können zur Erreichung einer höheren Meßempfindlichkeit die Leiter des Vergleichskabels 4 bei Vollast eine höhere Temperatur aufweisen als das Kabel 1. Am Verlegungsort des Vergleichskabels 4 soll der Erdboden bzw. die Umgebung keine günstigere Kühlwirkung ausüben als an irgendeiner Stelle des Kabels 1. Es ist dann in einfachster Weise unter weitgehendem Ausschluß rechnerischer Fehler im Vergleichskabel 4 dieselbe Wärmeverteilung erzwungen wie im zu messenden Kabel. Es ist also bei dieser An-Ordnung nicht nötig, daß die Leiter des die Energie übertragenden Kabels und des Vergleichskabels gleiche Querschnitte haben. Auch ist es gleichgültig, ob es sich dabei um Einleiterkabel oder Mehrleiterkabel handelt und ob endlich das die Energie übertragende Kabel und das Vergleichskabel im Erdboden, in der Luft oder im Wasser liegen. Die temperaturempfindlichen Organe 6 des Vergleichskabels können in verschiedenster Weise aufgebaut sein. Prinzipiell genügt es, einen Leiter des Vergleichskabels bei einem mehrphasigen System mit einem temperaturempfindlichen Organ auszurüsten. Es können z. B. in seilförmigen Leitern in bekannter Weise einzelne Drähte gegen die übrigen Drähte des Leiters isoliert eingelegt und deren Widerstand überwacht werden, wobei zweckmäßig das mittlere Stück aus einem Metall mit hohem spezifischem Widerstand ρ und hohem Temperaturkoeffizienten α gewählt wird, da die Widerstandsänderung dem Produkt ρ · α proportional ist, während die Anschlußstücke zur Unterdrückung des Einflusses der auf falscher Temperatur befindlichen Kabelenden aus temperaturunabhängigem Material hergestellt sein können. Ebenso können

in an sich bekannter Weise an einigen Stellen des Seiles Thermoelemente eingefügt werden, deren Schweißstellen im. mittleren Stück des Kabels liegen. Ein großer Vorteil der neuen Anordnung ist, daß sämtliche Leiter des Vergleichskabels 4 gegenüber Erde keine nennenswerte Spannung zu führen brauchen und deshalb die Meßapparate ohne Schwierigkeit und unter Vermeidung von Fehlerquellen

ίο direkt an die temperaturempfindlichen Organe 6 angeschlossen werden können. Gerade dieser Umstand gestattet es, die Temperaturfühler an der empfindlichsten Stelle des Vergleichskabels unterzubringen, und zwar innerhalb der Kabelisolation nahe am Leiter. Der Leiter selbst darf nämlich, wie die Erfahrung zeigt, bei stoßartigen Kurzschlußbeanspruchungen Temperaturen von mehr als ioo° annehmen, ohne daß das Isolationsmaterial, in dem ein starker Temperaturabfall auftritt, überbeansprucht wird, da die im Leiter aufgespeicherte geringe Wärmemenge nicht das ganze Kabel durchheizen kann. Nun war es bisher unmöglich, temperaturempfindliche Organe in die Isolation des Kabels einzubetten, ohne die Verteilung des starken elektrischen Feldes zu" stören, d. h. also, ohne das Kabel durch die Überwachungseinrichtung empfindlich zu schwächen. *

In der Abbildung ist angenommen, daß jeder Leiter des Vergleichskabels mit einer in die Isolation vorgeschobenen schraubenlinienförmigen Einlage 6 aus Draht oder Band versehen sei, und zwar nur im mittleren Stück des Kabels. Die Herausführung an die Enden des Kabels erfolgt z. B. mittels angelöteter temperaturunabhängiger Zuleitungsdrähte oder aber in der Weise, daß die Windungen des Temperaturfühlers in der Mitte des Kabels hinreichend eng gesponnen sind und daß derselbe Draht entweder mit großer Steigung oder parallel zu den Leitern herausgeführt wird.

Durch geeignete Bemessung der Widerstände 6 und der Stromquelle 12 kann ein weiterer Vorteil erzielt werden. Man kann nämlich ohne Schwierigkeiten erreichen, daß die in den Widerständen 6 erzeugte Wärmemenge im Vergleichskabel nahezu dieselbe Temperatursteigerung hervorruft wie die elektrischen Verluste im Hauptkabel.

Von den Kabeln 4 und 1 so weit entfernt, daß die örtliche Temperatur von diesen nicht mehr merklich beeinflußt wird, liegen die Widerstände 7. Sie sind in dem vorliegenden Beispiel ebenfalls aus temperaturabhängigem Material hergestellt. Am einfachsten liegen die Verhältnisse wiederum, wenn die Widerstände 6 und 7 genau gleich sind. Der Widerstandunterschied von 6 tmd 7 ist dann jeweils ein Maß für die Temperaturdifferenz der Widerstände, d. h. für die Übertemperatur des Kabels gegenüber der Umgebung. Sind drei Widerstände 7 gewählt, so kann mit diesen jeder Temperaturwiderstand im Vergleichskabel 4 für sich ausgeglichen werden. Bei sorgfältiger Abstimmung der Widerstände 6 genügt es allerdings, nur einen einzigen Widerstand 7 zu benutzen. Die thermische Zeitkonstante dieses Widerstandes ist ohne große Bedeutung, da sich die Bodentemperatur nur langsam ändert. Begnügt man sich damit, festzustellen, welche Temperatur im Kabel herrscht, so kann an Stelle der Widerstände 7 ein temperatur unabhängiger Vergleichswiderstand beim Instrument 10 untergebracht werden. Falls im Vergleichskabel 4 Thermoelemente eingebaut sind, müssen natürlich auch an Stelle der Widerstände 7 Thermoelemente vorgesehen werden. Die Stromquelle 12 fällt in diesem Falle fort, die zu ihr führenden Verbindungsleitungen werden kurzgeschlossen.

Die Temperaturfühler 6 und die Vergleichswiderstände 7 sind in dem dargestellten Bei- spiel über das Kabel 9, dessen Leitungswiderstand von der Temperatur unabhängig oder aber klein gegenüber 6 und 7 ist, zu einem Umschalter n geführt, mit dem jeder der Temperaturfühler 6 nebst seinem Vergleichswiderstand 7 für sich allein an der Meßapparatur 10 angeschlossen werden kann. 10 ist in dem Ausführungsbeispiel ein an sich bekanntes Kreuzspulengalvanometer. Es könnte ebenso eine vollständige Brückenschaltung gewählt werden, in der die Widerstände 6 und 7 zwei Brückenhälften bilden. Als Anzeigeinstrument dient dann ein gemeinsames Brückengalvanometer. Sind die Widerstände 6 und 7 gut abgeglichen, so kann das Instrument 10 direkt in Temperaturgraden geeicht sein oder die Übertemperaturen der Leiter anzeigen. Auch können die Widerstände 6 und 7 so abgeglichen werden, daß erst bei Überschreitung einer gewissen Temperaturgrenze ein positiver Ausschlag am Instrument 10 auftritt. Das Instrument 10 kann auch als Registrierinstrument ausgeführt werden, wobei sich der weitere Vorteil ergibt, daß der ordnungsgemäße Betrieb der Leitungsstrecke jederzeit no urkundlich nachgewiesen werden kann, insbesondere wenn das Instrument plombiert wird. Es ist auch möglich, ein Registrierinstrument und ein Anzeigegerät zu betätigen. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit wird man in diesem Falle die Temperaturfühler 6 doppelt ausführen und an den einen das Anzeigegerät, an den anderen das Registrierinstrument anschließen. Selbstverständlich kann man das Meßinstrument durch ein Relais ersetzen, das eine automatische Abschaltung des Kabels bewirkt. Zu dem gleichen Zwecke

kann man Zeigerinstrumente mit Zeigerkontakten gebrauchen.

Die Batterie 12 kann mit Hilfe eines Gleichrichters in einem konstanten Ladezustand gehalten werden. Wird bei Spannungslosigkeit des Netzes keine Reserve gefordert, so kann die Batterie 12 auch ganz fortfallen.

Die Eichung der ganzen Anordnung kann in folgender Weise vorgenommen und jederzeit kontrolliert werden, ohne daß das Hauptkabel stromlos gemacht werden muß. Die Sekundärseiten der Stromwandler 2 werden kurzgeschlossen; über das Kabel 3 werden dem Kabel 4 oder den Stromtransformatoren 5 Ströme von solcher Frequenz, Größe und gegebenenfalls von solcher gegenseitiger Phasenlage zugeführt, wie sie bei Vollast im Kabel ι von den Stromwandlern 2 sekundärseitig abgegeben werden; diese Ströme kön-

ao nen durch Amperemeter im Zug des Kabels 3 experimentell festgestellt werden.

Es läßt sich auch bei einem Gleichstromkabel eine gleiche Temperaturüberwachung treffen.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   ι. Einrichtung zur Messung der Leite'rtemperatur von elektrischen Kabeln mittels eines dem zu messenden Kabel thermisch entsprechenden Vergleichskabels mit in seinem Innern liegender Wiärmemeßeinrichtung, das in der Nähe des zu messenden Kabels derart verlegt ist, daß es den gleichen Erwärmungs- und Abkühlungsverhältnissen wie dieses ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler auf eine kurze Strecke in der Mitte des mehrere Meter langen Vergleichskabels angebracht sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der Strom dem Vergleichskabel über Stromwandler, die in dem zu messenden Kabel angeordnet sind, zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei zu messenden Mehrphasenkabeln die Stromwandler sekundär in Stern geschaltet sind und der Sternpunkt mit dem Bleimantel des Vergleichskabels verbunden ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen