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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur kontinuierlichen Überwachung eines in Öl gelösten Gases.
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- Das Vorhandensein verschiedener gelöster Gase in Öl ist
normalerweise unerwünscht, da die Gase die elektrischen und
chemischen Eigenschaften des Öls beeinflussen können. Durch
Analyse der auftretenden Gase ist es möglich festzustellen,
welche Art von Gas im Öl vorhanden ist und in welcher
Konzentration verschiedene Gase vorhanden sind. Bei Kenntnis
der im Öl vorhandenen Gase ist es normalerweise auch
möglich, Schlüsse auf die Ursache für die Bildung des Gases zu
ziehen. Es ist bestens bekannt, daß dann, wenn Wasserstoff
im Öl auftritt, welches im Kontakt mit elektrischen
Bauteilen steht, beispielsweise in einem Transformator, der in
einem ölgefüllten Tank eingetaucht ist, dies ein sehr klares
Zeichen für das Auftreten elektrischer Entladungen im
Transformator ist oder dafür, daß es in irgendeinem Teil des
Transformators zu einem lokalen bedeutenden Anstieg der
Temperatur kommt. Im letztgenannten Falle bilden sich auch
andere charakteristische Gase, wie zum Beispiel Ethylen usw..
Die Bildung von Wasserstoff findet praktisch unmittelbar
nach dem Auftreten einer Entladung statt. Im Falle von
bkalen sogenannten heißen Stellen findet die Bildung des Gases
hinsichtlich seiner Menge in einer mehr kontinuierlichen
Weise statt, die von der Temperatur und dem Ort des Fehlers
abhängig ist.
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Das normale Verfahren zur Durchführung von Analysen von
Gasen im Öl besteht darin, daß Ölproben derart in besondere
Gefäße, zum Beispiel in Spritzen, entnommen werden, daß die
Proben nicht durch Luft kontaminiert werden. Die Probe wird
dann in ein Labor gegeben, wo die Ölprobe entgast wird, das
heißt, das gelöste Gas wird vom Öl getrennt. Die Trennung
erfolgt durch eine geeignete Vakuumpumpe, in der das Gas
gesammelt wird, und sein Volumen wird unter normalen
Bedingungen gemessen.
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Dann wird eine kleine, aber genau bemessene Probe von diesem
Gasgemisch entnommen, und die Probe wird in einen
Gaschromatografen gegeben, der die verschiedenen Gase trennt und
ihren relativen Anteil mißt. Bei Kenntnis der Menge des Öls,
welche der Probe entspricht, ist es dann möglich, die
Konzentration eines individuellen Gases im Transformatoröl zu
berechnen.
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Ein solches Verfahren zur Prüfung, ob gelöstes Gas im Öl
vorhanden ist, und zur Feststellung sowohl der Art des Gases
als auch seiner Konzentration ist eine sehr komplizierte
Prozedur, die unter anderem geregelt ist in einer IEC-Norm,
Veröffentlichung 567, "Guide for the sampling of gases and
oil fron oil-filled electrical equipment and for the
analysis offree and dissolved gases". Es ist erforderlich, daß
das die Proben durchführende Personal für diese Arbeit aus
gebildet ist. Das Meßverfahren benötigt auch viel Zeit, da
eine Probe normalerweise an ein spezielles Labor gesandt
werden muß, welches mit teuren und empfindlichen
Meßeinrichtungen ausgerüstet ist. Ein Ergebnis kann bestenfalls in 24
Stunden erhalten werden.
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Jedoch basieren die Berechnungen der Gaskonzentrationen usw.
auf relativ einfachen mathematischen Beziehungen. Worauf man
in erster Linie abzielt, ist die Konzentration ci gas-oil
des Gases (i), welches in dem Öl gelöst ist, ausgedrückt in
m³ gas (i) bei dem Druck pi und der Temperatur T pro m³ Öl.
Mit Hilfe des Gaschromatografen ist es möglich, die relative
Konzentration des Gases (i) in dem abgetrennten Gasvolumen
zu bestimmen, die im Gleichgewicht mit dem gelösten Gas (i)
steht. Diese relative Gaskonzentration wird dann angegeben
als m³ Gas (i) in der Gasphase pro m³ für die gesamte
Gasphase und wird als ci gas-gas bezeichnet. Die Konzentration
des im Öl gelösten Gases (i) kann dann berechnet werden
gemäß
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ci gas-oil = λi ci gas-gas
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wobei λi der sogenannte Ostwald Koeffizient ist, der für
alle interessierenden Gase bekannt ist.
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In bestimmten Zusammenhängen kann es von Interesse sein, die
Partialdrücke der verschiedenen Gase zu kennen. Wenn der
Gesamtdruck P in dem entnommenen Gas bestimmt ist, kann der
Partialdruck für ein bestimmtes Gas (i) bestimmt werden
gemäß
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pi = P ci gas-oil /λi
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P kann verstanden werden als der Druck, der in einem
Behälter von einem m³ gemessen werden würde, wenn alles in einem
m³ Öl gelöstes Gas in dem Gasbehälter, der vorher evakuiert
wurde, übergeführt würde.
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Das Meßglied in einem Gaschromatografen besteht aus einem
sogenannten Heißdraht-Detektor, der in großer
Ausführlichkeit unter anderem beschrieben wird in einem Buch mit dem
Titel "Gas Chromatographic Detectors" von D. J. David,
veröffentlicht von John Wiley & Sons. Dieser Detektor besteht
aus einem Rohr mit einem achsial gespannten elektrischen
Widerstandsdraht. Um die Natur eines unbekannten Gases und
seine Konzentration in einem Gemisch aus diesem Gas und
einem Trägergas zu bestimmen, wird dieses Gemisch in das Rohr
geleitet. Es wurde gefunden, daß der Wärmeverlust dürch
Wärmeleitung zu den Wänden des Rohres pro Längeneinheit des
Widerstandsdrahtes
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W = 2πλm (T-T&sub0;)/ln(r/a)
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beträgt, wobei λm die mittlere Wärmeverlustkapazität des
Gases oder Gasgemisches ist, T-T&sub0; die Temperaturdifferenz
zwischen dem Draht und dem Rohr, r der Radius des Rohres und
a der Radius des Widerstandsdrahtes. Dies bedeutet, daß der
Widerstandsdraht eine bestimmte Temperatur annehmen wird,
die von dem in dem Rohr anwesenden Gas oder Gasgemisch
abhängig ist, was seinerseits bedeutet, daß der elektrische
Widerstand des Drahtes verwendet werden kann zur Bestimmung
der Natur des Gases oder seiner Konzentration in dem
Genisch. Der Widerstandsdraht ist gewöhnlich Teil des
veränderlichen Widerstandes in einer konventionellen Wheatstone
Brücke. Durch geeignete Bemessung der anderen Widerstände
der Brücke und Eichung für unbekannte Gase kann eine
Beziehung zwischen dem Nullstrom der Brücke und der Konzentration
des geringer vorhandenen Gases in der Mischung in dem Rohr
bestimmt werden.
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Wasserstoff hat eine viel größere thermische Leitfähigkeit
als jedes andere Gas. Der Heißdrahtdetektor reagiert daher
empfindlich auf Wasserstoff, der einem Hintergrundgas
(Sauerstoff-Stickstoff) oder einem Trägergas (Argon)
beigemischt ist. Der Heißdrahtdetektor wird daher meistens zum
Erkennen und Messen von Wasserstoff verwendet.
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Andere Verfahren zur Wasserstoffüberwachung in
Transformatorenöl sind auch auf dem Markt vorhanden. Ein solches
Verfahren wird unter anderem beschrieben in dem Prospekt H3W 1A7
von Morgan Schaffer Corporation, Montreal, Canada. Deren
TRANSFO-TESTER besteht aus einer Sonde und einem tragbaren
Testset. Der im Inneren des Transformatortanks anzuordnende
Fühler besteht im wesentlichen aus einem Hohlraum mit
gasdurchlässigen Wänden, die von einem Bündel feiner
Teflonröhren gebildet werden. Der Fühler ist mit Anschlußleitungen
für das Testset versehen. Das Meßverfahren basiert auf
freiem oder gelöstem Wasserstoff in der Umgebung des
Meßfühlers, welcher durch die Teflonwände in den Fühlerhohlraum
eindiffundiert bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.
Diese Wasserstoffkonzentration steht in direkter Beziehung
zu der Konzentration des im Öl gelösten Wasserstoffs und
kann direkt abgelesen werden, da das Testset mit bekannter
Konzentration geeicht ist.
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In einem Artikel in der Zeitschrift IEEE Trans on Electrical
Insulation, Band EI Nr. 6, Dez. 1981, Seite 501 - 509, wird
ein "Apparatus for Continuously Monitoring Hydrogen Gas
Dissolved in Transformer Oil" beschrieben. In diesem Gerät wird
Wasserstoff von dem Öl mit Hilfe einer Polyimidmembran ge
trennt. Dies ist möglich, weil die Wasserstoffmoleküle
kleiner als die Moleküle anderer Gase sind. Das durchgetretene
Wasserstoffgas wird in einer Gaskammer gesammelt. Da ein
Gassensor auf Halbleiterbasis in diesem Gerät verwendet
wird, braucht der Wasserstoff dem Sensor nicht
kontinuierlich zugeführt werden. Es ist daher notwendig, das
durchgetretene Gas in der Gaskammer für ein bestimmtes
Zeitintervall zu sammeln, bevor es dem Sensor zugeführt wird. Gemäß
dem Artikel wird das gesammelte Gas dem Sensor pro 72
Stunden einmal zugeführt, was als eine sehr weite Interpretation
des Begriffes "kontinuierliche Überwachung" betrachtet
werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung eines in
Öl gelösten Gases zu entwickeln, welches eine wirklich
kontinuierliche Überwachung des Gases mit sicheren und
einfachen Mitteln sowie schnelle Ergebnissen ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur
kontinuierlichen Überwachung eines in Öl gelösten Gases gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches durch
die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten
Merkmale gekennzeichnet ist.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der
Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 2
gekennzeichnet.
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Weiterentwicklungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind
gekennzeichnet durch die Merkmale der zusätzlichen Ansprüche
3 bis 6.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird beschrieben anhand
seiner Anwendung zur Überwachung von Gas, das im Öl eines
Transformators gelöst ist; das Verfahren kann aber auch für
andere Anwendungen benutzt werden.
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Vom oberen Teil des ölgefüllten Transformators,
beispielsweise von der Eintrittsöffnung des Ölkühlers des
Transformators, geht ein dünnes Rohr aus, welches an den unteren Teil
des Transformatorkessels angeschlossen ist. Das Rohr ist
derart unterteilt, daß das in dem Rohr fließende Öl zunächst
durch ein Rückschlagventil fließen kann, dann über ein
vorzugsweise zylindrisches Gefäß, welches im folgenden als
Separatorzelle bezeichnet wird, dann durch eine Pumpe und
schließlich durch ein Rückschlagventil, bevor das Öl in den
Transformatorkessel zurückgeführt wird.
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Die Separatorzelle hat zweckmäßigerweise ein Volumen von
einigen Litern, obwohl dieses Volumen in keiner Weise kritisch
ist. Der innere Raum ist durch einen Glasfilter in zwei
Teile unterteilt. Das Glasfilter soll eine Porengröße von
einigen Zehnteln eines Millimeters haben, derart, daß bei
dem herrschenden Öldruck an seiner Oberseite durch das
Filter ein Ölstrom von einigen Litern pro Minute
hindurchfließt. Das durch das Filter fließende Öl wird im unteren
Teil der Separatorzelle gesammelt. Durch Niveauregelung des
Öls wird eine Ölmenge, die gleich der durch das Glasfilter
strömenden Menge ist, in den Transformatorkessel
zurückgepumpt. Die Niveauregelung stellt jedoch sicher, daß der
untere Teil des Separators unterhalb des Glasfilters in zwei
getrennte Räume unterteilt wird, einem Gasraum nahe dem
Filter und einem ölgefüllten Raum am Boden der Separatorzelle.
Wenn ein stationärer Zustand erreicht worden ist, hat das
Gas im Gasraum genau die Zusammensetzung und den inneren
Druck P, die in dem Öl an beliebiger anderer Stelle im
Transformatorkessel herrschen. Durch eine Austrittsöffnung
in dem Teil der Separatorzelle, in dem sich die Gasphase
befindet, kann der innere Druck P des Gases kontinuierlich ge
messen und an einen Kontrollraum übertragen werden.
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Als Gassensor bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird ein
bekannter Heißdraht-Detektor verwendet. Von dem oberen Teil
des Gasraumes geht ein Rohr aus, welches das Gas dem ersten
Ende des Heißdraht-Detektors zuführt. Von dem zweiten Ende
des Heißdraht-Detektors wird das Gas über ein zweites Rohr
zu dem unteren Teil des Gasraumes zurückgeführt. Dieses
zweite Rohr ist mit Kühlflanschen umgeben, wodurch ein
Temperaturunterschied in dem Gas zwischen dem Eingang und dem
Ausgang des Heißdraht-Detektors entsteht. Hierdurch wird das
Gas veranlaßt, mit einer bestimmten Geschwindigkeit
kontinuierlich durch den Heißdraht-Detektor zu fließen.
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Durch Einfügung des Widerstandsdrahtes des
Heißdraht-Detektors in eine Wheatstone-Brücke ist es, wie oben erwähnt,
möglich, mit Hilfe des möglichen Brücken-Nullstromes, der
bei der Anwesenheit von Wasserstoff im Gas auftritt, diesen
Wasserstoff kontinuierlich zu messen. Der Grund hierfür
besteht darin, daß Wasserstoff eine thermische Leitfähigkeit
hat, die um ein Vielfaches größer ist als die aller anderen
Gase, so daß eine geringe Beimischung von Wasserstoff in dem
Gasgemisch sich in einer starken Kühlung und folglich einer
starken Widerstandsänderung des heißen Drahtes bemerkbar
macht. Diese Messung kann zweckmäßigerweise in einem
Kontrollraum erfolgen, und es kann vorgesehen werden, daß ein
hoher Wasserstoffwert eine Alarmvorrichtung aktiviert. Ein
weiterer Vorteil einer Separatorzelle gemäß der Erfindung,
zusätzlich zu der Möglichkeit der Messung der Summe P der
inneren Partialdrücke p, besteht darin, daß, wie bereits
erwähnt, der Vorrichtung über ein Septum zu jeder Zeit eine
Gasprobe entnommen werden kann. Diese Gasprobe kann in einem
Labor hinsichtlich des Gehaltes an anderen interessierenden
Gasen analysiert werden.
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Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur
kontinuierlichen Überwachung eines in Öl gelösten Gases wird
nun genauer mit Hilfe der beigefügten Zeichnung erläutert.
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Die einzige Figur zeigt eine vorzugsweise zylindrisch
geformte Separatorzelle 1, die in Richtung des durch Pfeile
angedeuteten Stromes mit einer oberen Ölkammer 2 für das 1
versehen ist, welches durch ein Glasfilter 3 mit einer
Porengröße fließt, die, wie bereits erwähnt, einen Ölstrom von
einigen Litern pro Minute bei dem an der oberen Seite
herrschenden Öldruck erlaubt. Das Öl, welches durch das Filter
tröpfelt, wird in dem unteren Ölraum 4 der Separatorzelle
gesammelt. Zwischen der freien Oberfläche des gesammelten
Öls und dem Glasfilter bildet sich auf diese Weise ein
Gasraum 5. An diesen Gasraum ist ein Heißdraht-Detektor 6
angeschlossen. Die Verbindung erfolgt über ein erstes Rohr 7,
welches von dem oberen Teil des Gasraumes nahe dem unteren
Teil des Glasfilters ausgeht. Das durch dieses Rohr
geleitete Gas durchströmt einen Heißdraht-Detektor und wird
wieder dem unteren Teil des Gasraumes durch ein zweites Rohr 9
zugeführt, welches mit Kühlflanschen 8 versehen ist.
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Die Größe des Gasraumes wird nun durch das Niveau des Öls am
Boden der Separatorzelle bestimmt. Um dieses Niveau konstant
zu halten, gehört zu der Vorrichtung eine
Niveau-Regeleinrichtung, zu der unter anderem eine Pumpe 10 gehört, die in
dem Rohr angeordnet ist, durch welches das Öl zum
Transformatorkessel zurückgeleitet wird. Zu der Niveau-Regeleinrich
tung gehören in bekannter und konventioneller Weise ein
Niveaumeßglied (nicht dargestellt), ein Verstärker und ein
Antrieb für die Pumpe.
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Infolge des Temperaturunterschiedes, der, bedingt durch die
Kühlflansche zwischen dem Gas im Eingangsrohr von und im
Ausgangsrohr zu dem Heißdraht-Detektor herrscht, strömt eine
gewisse Menge des im Gasraum vorhandenen Gases
kontinuierlich durch den Heißdraht-Detektor. Natürlich sind auch
andere Einrichtungen zur Zirkulation des extrahierten
Gasgemischteils möglich, wie zum Beispiel jede Art von
Detektor. Die Anordnung mit einer natürlichen
Temperatur-Differenz wird nur als Beispiel des möglichen Verfahren zur
Herbeiführung einer Zirkulation genannt.
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Der Widerstandsdraht 11 des Heißdraht-Detektors ist, wie
erwähnt, als der variable Widerstand in eine gewöhnlich
Wheatstone-Brücke eingefügt. Durch Eichung für bekannte Gase kann
die Beziehung zwischen dem Nullstrom der Brücke und dem
kontinuierlichen Gasstrom bestimmt werden.
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Um zu verhindern, daß die "Gasblase" im Separator im Falle
eines Pumpenstillstandes nach oben zum Transformatorkessel
wandert, sind sogenannte Rückschlagventile 12 und 13 vorge
sehen, und zwar sowohl in der Leitung, welche Öl zur
Separatorzelle führt, als auch in der Leitung, welche das Öl
zurück zum Transformatorkessel führt. Von dem Gasvolumen
können über Rohre Ausgänge zu einem Septum 14 und zu einem
Druckmeßinstrument 15 hergestellt werden. Das
Druckmeßinstrument 15 zeigt die Summe P der Partialdrücke
der in dem Gasvolumen vorhandenen Gase an.