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Einrichtung zur Messung der Wicklngsternperntur von telektrischen
Maschinen, Umspannern und Drosselspulen während des Betriebes
Beim Betrieb elektrischer
Maschinen, Umspanner oder Drosselspulen ist die Kenntnis der Wicklungstemperaturen
von großer Wichtigkeit, besonders wenn die Maschinen, Umspanner oder Drosselspulen
zeitweise über ihre Nennlast hinaus bis an die thermische Belastungsgrenze der Wicklungen
überlastet werden sollen. Die Temperatur der Wicklungsisolation ist ausschlaggebend
für ihre Lebensdauer; sie darf, wenn frühze;+ige Alterung oder Zerstörung vermieden
werden sollen einen bestimmten, vom Isolationsstoff abhängien Wert nicht überschreiten.
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Die wärmste und deshalb maßgebende Stelle der Isolation liegt im allgemeinen
an der Berührungsfläche zwischen den Leitern der Wicklung und der Isolation. Diese
Stelle hat die Temperatur des Leiters der Wicklung, dessen Temperatur am zuverlässigsten
aus seinem Widerstand für den elektrischen Strom bestimmt wird. Bisher war aber
kein Verfahren bekannt, um diesen Widerstand während des Betriebes zu messen. Man
behalf sich deshalb mit der Temperaturmessung mittels eines thermischen Abbildes,
z. B. des Umspanners, das ungefähr die gleiche thermische Zeitkonstante wie der
Umspanner hat und das mit einem der Umspannerbelastung proportionalen Strom gespeist
wird. Die damit erreichbare Genauigkeit ist naturgemäß nicht groß.
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Ein anderes bekanntgewordenes Verfahren benutzt ein aus Strom- und
Spannungswandlern in geeigneter Weise gespeistes Nullrelais, das Über- und Unterschreitung
eines bestimmten Grenzwertes des
Wicklungswiderstandes eines Umspanners
durch Ausschlag aus seiner Nullage anzeigt. Zur unmittelbaren Messung der augenblicklichen
Temperatur ist dieses Gerät nicht geeignet, weil sein Moment von der Belastung des
Umspanners stark abhängt. Das im folgenden beschriebene neuartige Verfahren gestattet
dagegen die unmittelbare Messung des Wicklungswiderstandes während des Betriebes.
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Der Grundgedanke des neuen Verfahrens besteht darin, daß die Klemmenspannung
der zu überwachenden Wicklung der Spannung einer zweiten Wicklung, die eine besondere
Hilfswicklung oder eine betriebsmäßig ausgenutzte Wicklung sein kann und die den
gleichen magnetischen Fluß wie die Hauptwicklung oder wenigstens einen großen Teil
desselben umschlingt, nach Abzug von an elektrischen Nachbildungen auftretenden,
den beiden Wicklungen nicht gemeinsamen Teilspannungen so entgegengeschaltet wird,
daß der Wirkspannungsabfall im Innern des Wicklungsleiters übrigbleibt und daß aus
dieser Wirkspannung und dem Wicklungsstrom mittels eines Quotientenmessers der Wirkwiderstand
und damit die Wicklungstemperatur ermittelt wird.
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Als erstes Beispiel sei eine Synchronmaschine betrachtet. In BildI
der Zeichnung ist die Verteilung der magnetischen Flüsse in einer solchen Maschine
mit dem Ständer I und dem Läufer 2 schematisch angedeutet; Bild in zeigt einen Schnitt
durch die Maschine senkrecht zur Welle; die Bilder 1 b und 1 c zeigen je einen Schnitt
in Richtung der Welle.
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Die Klemmenspannung U der Maschine setzt sich vektoriell zusammen
aus der vom Hauptfluß 0 induzierten EMK E0, der vom Querfluß a induzierten Spannung
E,, der vom Streufluß , induzierten Spannung E" und dem Spannungsabfall Et im Innern
des Wicklungsleiters, der sich aus einem Wirkanteil und einem vom Feld im Innern
des Leiters herrührenden induktiven Anteil zusammensetzt. Bei Niederfrequenz ist
der Spannungsabfall Ej praktisch gleich dem Ohmschen Spannungsabfall Er rJ, wobei
J den Wicklungsstrom und r den Wirkwiderstand der Wicklung bei der Betriebsfrequenz
bedeuten.
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In einer Hilfswicklung 4, die nach Bild ob in den gleichen Nuten wie
die Hauptwicklung 3 liegt und die auch dem Umlauf der Wicklungsköpfe folgt, werden
nach Übersetzung auf gleiche Windungszahl die gleichen EMKK Eo, E, und E, induziert
wie in der Hauptwicklung. Nur der innere Spannungsabfall der Hilfswicklung ist ein
anderer; er ist bei praktisch unbelasteter Hilfswicklung gleich 0 (siehe Zeigerdiagramm
in Bild Ib). Bildet man (unter Zwischenschaltung von Spannungswandlern oder Spannungsteilern
zum Ausgleich der Windungszahlen) die vektorielle Differenz zwischen der Klemmenspannung
U der Hauptwicklung und der induzierten EMK Eo der Hilfswicklung durch Gegeneinanderschaltung
beider Spannungen, so erhält man als Ergebnis die Spannung UE=Er. (I) Ein Quotientenmeßwerk,
das mit dieser Spannung und mit dein Wicklungsstrom gespeist wird, zeigt einen Ausschlag
Da der Wirkwiderstand r bei gegebener Frequenz eine eindeutige Funktion der Temperatur
ist, kann das Meßgerät mit einer Temperaturskala versehen werden. Wegen ihres kleinen
Leistungsverbrauches benutzt man zweckmäßigerweise Quotientenmeßwerke für Gleichstrom,
z. B. Kreuzspul- oder ihre neuere Abart, sogenannte T-Spul-Meßgeräte, die bei Speisung
über Gleichrichter auch für Wechselstrom geeignet sind. Das Verfahren kann in gleicher
Weise für Asynchronmaschinen, ebenso auch für Läufer von elektrischen Gleich- oder
Wechselstrommaschinen angewendet werden. Der schädliche Einfluß des Übergangswiderstandes
für den Läuferstrom an Stromwendern oder Schleifringen kann dadurch umgangen werden,
daß die Meßspannungen mit besonderen vom Läuferstrom nicht durchflossenen Bürsten
abgegriffen werden. Zweckmäßig wird auch bei Gleichstromankern die Wicklungsspannung
nicht als Gleichspannung an einem Stromwender, sondern als Wechselspannung an zwei
gegenüberliegenden Punkten der Wicklung über Schleifringe abgenommen und mit der
von der Hilfswicklung gelieferten Wechselspannung verglichen. Die gleiche Anordnung
wird auch bei Wechselstromkommutatormaschinen verwendet. Bei gleichmäßig bewickelten
Läufern ist es nicht immer erforderlich, die Hilfswicklung durch alle Nuten laufen
zu lassen. Es genügt unter Umständen ihre Verteilung über eine kleine Zahl gleichmäßig
verteilter Nuten, wenn trotzdem gewährleistet ist, daß sie die induzierten EMKK
der Ruhe und der Drehung im gleichen Verhältnis erfaßt, wie solche in der Hauptwicklung
auftreten.
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Grundsätzlich ist es auch sonst nicht nötig, die Hilfswicklung so
zu führen, daß in ihr alle EMKK genau so induziert werden wie in der Hauptwicklung,
wenn vor dem Spannungsvergleich von der Klemmenspannung der Hauptwicklung alle sonstigen
Spannungsanteile künstlich abgezogen werden, die in der EMK der Hilfswicklung fehlen.
Diesem Zwecke dienen Spannungsabfälle an äußeren Scheinwiderständen, über die der
Wicklungsstrom 7 oder ein ihm verhältnisgleicher Strom geführt ist und die die wirklichen
Verhältnisse in der Maschine phasenrichtig nachbilden. Eine solche Korrektur ist
beispielsweise erforderlich, wenn die Hilfswicklung nicht längs den Köpfen der Hauptwicklung,
sondern dicht am Eisen verlegt wird, so daß sie von dem Streufluß der Hauptwicklung
nichts oder nur einen Teil umschlingt, oder wenn bei höheren Frequenzen die innere
Induktivität des Wicklungsleiters eine merkliche Rolle spielt. Als Beispiel sei
auf die Anordnung der Hilfswicklung 5 an der Synchronmaschine nach Bild xc und das
zugehörige Zeigerbild hingewiesen; Ez erfaßt hier nur einen Teil von E½. Die Nachbildungen
werden in diesen Fällen durch induktive Widerstände gebildet. Die praktische Ausführung
einer derartigen Meßschaltung mit elektrischen Ab-
bildungen wird
in dem folgenden Beispiel für einen Umspanner erläutert.
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Zur Messung der Temperatur einer Umspanner-oder Drosselspulenwicklung
kann eine Hilfswicklung wie bei dem obigen Beispiel der Synchronmaschine so angeordnet
werden, daß sie, dem Lauf der Hauptwicklung folgend, den gleichen magnetischen Fluß
umschlingt wie die Hauptwicklung. Für die Differenz zwischen der Klemmenspannung
der Hauptwicklung U und der induzierten EMK Eh der Hilfswicklung gelten die Gleichungen
(I) und (2) dann ebenso wie bei der Maschine. Wird die Hilfswicklung aber so auf
den Eisenkern gewickelt, daß sie vom Streufluß der Hauptwicklung nicht durchsetzt
wird, so ist Es gleich der vom Hauptfluß in der Hauptwicklung induzierten EMK Eo,
vermindert um die Spannungssumme (E, + E,). Um die Spannung Er aus der Spannung
U und der EMK Ek zu erhalten, muß von der Spannung U die Streuspannung E,, = j k07
durch Bildung des Spannungsabfalles des Stromes J an einer äußeren Abbildungsreaktanz
k# vorweg abgezogen werden: U - E# - Eh = Er. (3) Beim Umspanner kann unter Umständen
eine besondere Hilfswicklung entbehrt werden, da von vornherein mindestens zwei
Wicklungen vorhanden sind, deren eine, auch wenn beide Belastungsströme führen,
die Aufgabe der Hilfswicklung übernehmen kann. Beispielsweise sei die Aufgabe gestellt,
die Temperatur der Wicklungen eines Umspanners zu messen, von dem vorausgesetzt
werden kann, daß sich die Wirkwiderstände seiner Wicklungen bei Erwärmung durch
Belastung im gleichen Verhältnis verändern. Aus dem - der Einfachheit halber auf
das Übersetzungsverhältnis 1 bezogenen - Ersatzschaltbild des Umspanners nach Bild
2 ist zu entnehmen
Er1 + Er2 = U1 - E#1 - E#2 - U2 = U1 - jk#1J1 - jk#2J2 - U2 (4)
d. h., der gesamte Wirkspannungsabfall E,+ Er2 im Umspanner ergibt sich aus der
Primärspannung U1 durch Abzug des Spannungsabfalles des Primärstromes 71 an einer
Nachbildung der primären Streureaktanz kl und des Spannungsabfalles des Sekundärstromes
72 an einer Nachbildung der sekundären Streureaktanz k und durch Abzug der Sekundärspannung
U2 (etwaige aus dem Feld im Innern der Leiter folgende und die Hilfswicklung nicht
beeinflussende EMKK sollen durch die Streureaktanzen kX,l und k<1 miterfaßt werden).
Wenn mit der so gewonnenen Spannung, + Er die eine Spule eines Verhältnismeßgerätes
gespeist wird, muß die andere Spule sinngemäß von einem Mittelwert der Ströme 71
und J2 durchflossen werden. Ein günstiges Ergebnis erhält man, wenn dieser Strom
aus der Vektorsumme Jr = #1J1 + #2J2 (5) gebildet wird, wobei die Faktoren e, und
22 so gewählt werden, daß #1#2/#2#1 = I. (6) Das Verhältnis r1/r2 ist voraussetzungsgemäß
konstant. Das Verhältnismeßgerät zeigt dann den Ausschlag
Daraus folgt bei Einhaltung der Bedingung (6)
Wenn die Bedingung (6)
sich wegen ungleichmäßiger Bemessung der Wicklungen nicht im ganzen Temperaturbereich
einhalten läßt, so kann doch Q1/Q2 so gewählt werden, daß die Bedingung (6) für
den erwärmten Umspanner zutrifft, so daß jedenfalls die Temperatur des erwärmten
Umspanners eindeutig nach Gleichung (8) angezeigt wird. Die Anzeige für den abgekühlten
Umspanner ist deshalb noch nicht unbrauchbar. Wie nämlich aus der Umformung von
Gleichung (7) in
mit Hilfe der Gleichung (6) folgt, zeigt das Meßgerät bei belastetem Umspanner und
bei kühlerer Primärwicklung für r1 einen etwas zu großen Wert
und für r2 einen etwas zu kleinen Wert
an. Bei wärmerer Primärwicklung wird umgekehrt r1 etwas zu klein und r2 etwas zu
groß angezeigt. Insgesamt zeigt das Meßgerät also in beiden Fällen einen Mittelwert
des Widerstandes und damit auch der Temperatur von Primär-und Sekundär vicklung
an. Im Leerlauf ist die Anzeige wieder eindeutig, da für J2= 0 ... α = c/#1
#1 und für J1 = 0...α = s r2 ist.
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In Bild 3 ist die beispielsweise Ausführung einer solchen Meßschaltung
dargestellt. Der Umspanner selbst ist nicht gezeichnet, sondern nur die primären
und sekundären Meßstromkreise, wobei unter den eingetragenen Bezeichnungen U, und
U2 die von den Spannungswandlern gelieferten Meßspannungen und unter J1 und J2 die
den Stromwandlern entnommenen Ströme verstanden sein sollen. Um bei Bildung der
Spannungssununen nach Gleichung (4) eine unmittelbare Gegeneinanderschaltung der
Spannungswandler zu vermeiden, wird ein kleiner Zwischenwandler 6 mit getrennten
Wicklungen zur Speisung mit den primären und sekundären Spannungen über große Vorwiderstände
7 verwendet. In dem primären und sekundären Spannungskreis sind die von den Strömen
71 bzw. J2 erzeugten Spannungsabfälle über nicht näher bezeichnete Zweiwicklungsdrosselspulen,
die die primäre und sekundäre Streureaktanz i und k62 nachbilden, eingefügt. Diese
Drosselspulen haben, wie bereits angedeutet, zur Anpassung und galvanischen Trennung
Sekundärwicklungen für die Spannungskreise. Der dritten Wicklung des Zwischenwandlers
6 wird die Summenspannung (r1J1 + r2J2) entnommen und einem Teil 8 der Hauptspule
des T-Spul-Meßgerätes 9 über eine Gleichrichteranordnung 10 zugeführt. In einem
zweiten Zwischenwandler 11 wird aus den Strömen J1 und 72 die Stromsumme QlJI 7i
+ 272 gebildet und damit der andere Teil 12 der Hauptspule und die Hilfsspule 13
des Meßgerätes 9 über die Gleichrichteranordnung 14 gespeist.
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Das Windungszahlenverhältnis der von den Strömen 71 und 72 durchflossenen
Spulen des Zwischenwandlers 11 wird gleich #1/#2 gemacht. Der Temperaturmeßbereich
des Meßgerätes 9 kann durch Wahl der Windungszahlen der Spulen 8, 12 und I3 auf
den gewünschten Betrag gebracht werden. Wenn ein besonders kleiner Meßbereich gewünscht
wird, kann in an sich bekannter Weise eine Brückenschaltung benutzt werden. Die
Stromsumme #1J1 + #2J2 und die Summenspannung r1J1 + r2 J2 werden dazu über zwei
Zweigwiderstände der Brückenschaltung geschickt, während die Hauptspule im Brückenstromzweig
der Brückenschaltung liegt und die Hilfsspule von der Stromsumme #1J1 + #2J2 durchflossen
wird.
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Der Leistungsverbrauch des T-Spul-Meßgerätes und der zugehörigen Hilfswandler
6 und 11 ist so klein, daß sie in der Regel an vorhandene Meßwandler mit angeschlossen
werden können.
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Die Reaktanznachbildungen k01 und k#2 müssen mit Luftspalt gebaut
sein. Wenn ihr erforderlicher Widerstandswert von vornherein nicht genau bekannt
ist, sind sie mit Anzapfungen auszurüsten, da die Kompensation der Streureaktanzen
des Umspanners ziemlich genau sein muß. An Stelle der Anzapfungen kann ein einstellbarer
Widerstand treten, wenn die an der Nachbildung abgegriffene Meßspannung nicht über
einen beiden Klemmenspannungen U, und U2 gemeinsamen Vorwiderstand 7 (Bild 3), sondern
über einen getrennten Vorwiderstand dem Zwischenwandler 6 zugeführt wird. Wenn die
Streureaktanzen nicht bekannt sind, kann die richtige Einstellung wie folgt gefunden
werden: Bei Kurzschluß des Umspanners werden, da nach Bild 2 Uk = (r1 + r2)Jk +
j(k#1 + k#2)Jk (9) die Reaktanznachbildungen kl und 0t so eingestellt, daß der Strom
in der dritten Wicklung des Stromwandlers 11 ein Minimum wird bzw. daß er um 900
gegen die Spannung an den Nachbildungsreaktanzen verschoben ist. Im sekundären bzw.
primären Leerlauf ist U1 - U2 = r1J1l + jk#1J1l (10) bzw. U1 - U2 = r2J2l + jk#2J2l
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Damit können die Nachbildungen kl und k#2 je für sich so eingestellt
werden, daß der Strom in der Meßgerätspule ein Minimum wird, wobei aber der im Kurzschlußversuch
ermittelte Summenwert k#1 + k"3, auf dessen Genauigkeit es in erster Linie ankommt,
nicht verändert werden darf.
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Die Bestimmung der Summenstreureaktanz k#1 + kQ kann auch durch einen
Betriebsversuch gefunden werden, wie sich aus der etwas umgeformten Gleichung (4)
U1 - U2 = r1J1 + r2J2 + jk#1J1 + jk#2J2 = Er + E# (4a) ableiten läßt. Wenn k#1 =
r, ist, d. h. vorzugsweise k r2 bei symmetrischer Anordnung von Primär- und Sekundärwicklung
gegenüber dem Eisenkern (z. B.
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Scheibenwicklung mit r1 = r2), besteht demnach zwischen Er und E#
eine Phasenverschiebung von 900.
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Wie beim Kurzschlußversuch werden die Nachbildungen der Streureaktanzen
bei gleichbleibendem Verhältnis
so eingestellt, daß der der Meßspule zugeführte Strom ein Minimum ist bzw. daß er
um 90° gegenüber der an den Nachbildungen abgegriffenen Spannung verschoben ist.
Zu diesem Zweck kann z. B. ein Wattmeter benutzt werden, das mit dem genannten Strom
und der genannten Spannung gespeist wird und das bei 90° Phasenverschiebung die
Leistung Null zeigen muß. Mittels eines Ferrais-Triebwerkes oder eines wattmetrischen
Relais, das einen kleinen Hilfsmotor steuert, kann die Einstellung sogar selbsttätig
gemacht werden, wenn zu befürchten ist, daß die Streureaktanzen während des Betriebes
in Abhängigkeit von der Belastung störenden Schwankungen unterworfen sind. Auch
wenn, was häufig der k#1 Fall ist, die Bedingung = r1/r2 nicht eingehalten k#2 wird,
ist der Fehler, der durch das beschriebene Einstellverfahren entsteht, zum mindesten
bei Vollast geringfügig. Auch bei Maschinen kann mit 90° Phasenverschiebung zwischen
der Spannung Er und der EMK E gerechnet werden, so daß das beschriebene Verfahren
auch für Maschinen anwendbar ist.
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Wenn keine große Genauigkeit gefordert und nur auf Messungen bei
belastetem Umspanner Wert gelegt wird, kann, da dann 71 72 ist, in den Meß-
kreisen
der Strom J2 durch den Strom 71 oder umgekehrt ersetzt werden. Unter dieser Voraussetzung
genügt es, nur eine Reaktanznachbildung (k«1 + k,) einzubauen, über die der Strom
J1 oder 72 geschickt wird, und die zweite Spule des Meßgerätes nur mit dem Strom
J, oder J2 zu speisen.
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Bei Umspannern mit Anzapfungen, die während des Betriebes umgeschaltet
werden, müssen auch die Meßkreise nach Maßgabe des für die betreffende Umschaltung
gültigen Ersatzschaltbildes umgeschaltet werden.