DE9310253U1 - Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur von Bauelementen und Geräten - Google Patents

Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur von Bauelementen und Geräten

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Description

ELBAG Elektro-Schaltschrank-u. Gerätebau GmbH
Brückenstraße 28
56348 Weisel
Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur von Bauelementen
und Geräten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur von Bauelementen und Geräten mit Hilfe von Widerstands-Temperatursensoren gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Es ist seit langem bekannt, thermisch beanspruchte Bauelemente und Geräte mit entsprechenden Schutzschaltungen zu versehen. Hierzu wird beispielsweise mit Hilfe von Widerstands-Temperatursensoren die jeweilige Temperatur ermittelt und dann bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur -und damit auch eines vorgegebenen Widerstandswertes, der im folgenden auch als oberer Schwellenwertwiderstand bezeichnet wird-, eine Schutzvorrichtung, z.B. ein Lüfter zur Kühlung des jeweiligen Bauelementes oder Gerätes, angeschaltet.
Es ist ferner-bekannt, eine unmittelbare Überwachung der Wicklungstemperatur von Transformatoren oder Elektromotoren mit Hilfe von Kaltleiterwiderstände durchzuführen, die in die jeweilige zu überwachende Wicklung eingebettet werden. Dabei weisen die Kaltleiter den Vorteil auf, daß sie kaum mehr als streichholzkopfgroß sind und der Wicklungstemperatur mit nur geringem Nachlauf folgen. Ihr Verhalten entspricht bei Überschreiten einer im voraus festgelegten Wicklungstemperatur etwa der Funktion eines sich öffnenden Kontaktgliedes, da ihr Widerstand sich in einem eng begrenzten Temperaturbereich fast
sprunghaft um mehrere Zehnerpotenzen ändert. Bei einem Temperaturanstieg um nur einige Grad Celsius lassen sich daher kleinere elektromagnetisch betätigte Schaltgeräte (Schütze) unmittelbar abschalten, wenn der Kaltleiter mit der Betätigungsspule des Schaltgerätes in Reihe geschaltet wird. Im allgemeinen betätigen die Sensoren jedoch z.B. über eine Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit ein kleineres Relais, das seinerseits dann Schütze jeder gängigen Größe und Bauart schaltet.
Nachteilig bei bekannten Temperaturüberwachungsvorrichtungen ist vor allem, daß ein Drahtbruch zwischen Temperatursensor und Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit oder ein Kurzschluß des Temperatursensors eine Fehlauslösung des Schaltgerätes bewirkt. Denn bei einem Drahtbruch mißt die Meßwerterfassungsund Auswerteeinheit ebenfalls einen Widerstand, der in der Regel größer ist als der obere Schwellenwertwiderstand und erzeugt daher ein Signal zur Ansteuerung entsprechender Schutzvorrichtungen. Dadurch werden häufig Leistungstransformatoren etc. über einen längeren Zeitraum abgeschaltet, bei denen eine thermische Überlastung gar nicht vorliegt. Bei einem Kurzschluß hingegen wird selbst bei starker Erwärmung des zu überwachenden Bauteiles oder Gerätes kein Signalwert zu einer Ansteuerung entsprechender Schutzvorrichtungen erzeugt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die auf einfache Weise zwischen dem Vorliegen einer thermischen Überlastung der zu überwachenden Bauelemente und Geräte und einer Störung durch Drahtbruch und/oder einem Kurzschluß der Temperatursensoren unterscheidet, so daß eine Fehlauslösung thermischer Schutzvorrichtungen beim Vorliegen entsprechender Störungen des Temperatursensors vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Die Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, daß zur Temperaturmessung nicht nur der Widerstand des entsprechenden Sensors in Verbindung mit der Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit bestimmt, sondern daß die Meßwerterfassungsund Auswerteeinheit zusätzlich auch die zeitliche Widerstandsänderung des Sensors ermittelt und zur Bewertung der gemessenen Widerstandswerte heranzieht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt also nur dann ein Schaltsignal für die entsprechende Schutzvorrichtung (Lüfter, Abschaltschütz etc.), wenn sowohl der der vorgegebenen Temperatur entsprechende obere Schwellenwertwxderstand Ro erreicht oder sogar überschritten ist und gleichzeitig die sich ergebende Widerstandsänderung pro Zeiteinheit 6R/6t (Steigung der Widerstandskurve) einen vorgegebenen maximalen Wert (6R/6t)max nicht überschreitet.
Ermittelt die Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit hingegen eine Widerstandsänderung pro Zeiteinheit, die größer als der vorgegebene Grenzwert (6R/6t)max ist, so bewertet die Vorrichtung dieses lediglich als Störung und zwar: als Drahtbruch, falls der ermittelte Widerstandswert R den oberen Schwellenwertwiderstand Ro erreicht oder überschreitet, und als Kurzschluß, sofern der ermittelte Widerstandswert R einen vorgegebenen Widerstandswert Ru (unterer Schwellenwertwiderstand) unterschreitet. Dabei liegt der untere Schwellenwertwiderstand unterhalb des niedrigsten Widerstandes, den der entsprechende Sensor im gesamten in Frage kommenden Temperaturintervall aufweist.
Vorzugsweise werden als Widerstands-Temperatursensoren Kaltleiter verwendet, da diese Sensoren sehr klein gehalten werden können und einen einfachen Aufbau entsprechender Schutzschaltungen ermöglichen. Derartige Sensoren sind daher besonders für den Einbau in die jeweils temperaturkritische Wicklung eines Transformators oder eines Elektromotors geeignet.
Bei der Verwendung von Kaltleitern hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn (5R/6t)max ^ 2,5 KOhm/s gewählt wird, also eine Bewertung als Störung vorliegt, falls die gemessene Widerstandsänderung 6R/6t innerhalb von z.B. 3 Sekunden größer ist als 10 KOhm.
Die Messung der Widerstandsänderung pro Zeiteinheit kann besonders einfach mit Hilfe eines in der Meßwerterfassungsund Auswerteeinheit enthaltenen getakteten Schieberegisters erfolgen, wobei die einzelnen gemessenen Widerstandswerte nacheinander in das Schieberegister eingelesen und durch Differenzenbildung der Schieberegisterinhalte die Widerstandsänderungen ermittelt werden. Die eigentliche Bewertung der gemessenen Temperatur- bzw. Widerstandswerte und deren zeitliche Änderungen 5R/6t erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines entsprechenden Mikroprozessors. Dadurch ist es insbesondere möglich, die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung relativ klein und handhabbar zu halten und trotzdem eine genaue Störüberwachung der entsprechenden Bauteile und Geräte auf Kurzschluß und Drahtbruch vorzunehmen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig.l ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines Leistungstransformators,
Fig.2 Temperatur-Widerstandsdiagramme zur Erläuterung der Erfindung und
Fig.3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines dreiphasigen Elektromotors.
In Fig. 1 ist mit 1 schematisch ein Gießharztransformator bezeichnet, der eine äußere Primärwicklung (z.B. für eine Spannung von 36 kV) und eine innere temperaturkritische Sekundärwicklung (z.B. für eine Spannung von 400 V) aufweist. Beide Wicklungen sind in an sich bekannter Weise um einen Transformatorkern 4 herumgewickelt.
In die Sekundärwicklung 3 sind zwei Kaltleiter 5, 6 als Widerstands-Temperatursensoren eingebaut, die über elektrische Verbindungsleitungen 7, 8 mit jeweils einem Analog-Digitalwandler (A/D-Wandler) 9, 10 verbunden sind. Den A/D-Wandlern 9, 10 ist über entsprechende Leitungen 11, 12 eine Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit 13 mit einem Mikroprozessor 130, einem Speicher 131 und einem Schieberegister 132 nachgeschaltet, die die von den A/D-Wandlern 9, 10 kommenden Signale mit vorgegebenen Schwellenwerten (die den Schwellenwertwiderständen Ro und Ru entsprechen) vergleicht sowie die zeitliche Änderung der Widerstandswerte 5R/6t ermittelt und mit den gemessenen Sensorsignalen verknüpft.
Der Ausgang der Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit 13 ist mit einem Relais 15 verbunden, welches einen Lüfter 16 zur Kühlung des Transformators 1 ein- bzw. ausschaltet, wenn die Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit 13 entsprechende Schaltsignale erzeugt. Dabei bildet der Kaltleiter 5 zusammen
mit dem A/D-Wandler 9 und der Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit 13 einen ersten Meßkreis zur Einschaltung des Lüfters 16 und der Kaltleiter 6 zusammen mit dem A/D-Wandler 10 und der Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit 13 einen Schaltkreis zur Abschaltung des Lüfters 16.
Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Hilfe der in Fig.2 dargestellten Temperatur-Widerstandsdiagramme für den Fall eines Drahtbruches näher erläutert:
Mit 20 ist in Fig.2 die Abhängigkeit des Widerstandes des Kaltleiters 5 und mit 21 diejenige des Kaltleiters 6 von der Wickeltemperatur T bezeichnet. Der obere Schwellenwertwiderstand Ro (z.B. 1,6 KOhm) ist derart gewählt, daß seine mit dem Bezugszeichen 22 versehene Gerade die Widerstandskurven 20, 21 der Kaltleiter 5 und 6 im Bereich der Widerstandsanstiege schneidet. Durch die senkrechte Linie 23 ist eine sprunghafte Widerstandsänderung angedeutet, die durch einen Drahtbruch der Verbindungsleitungen 7, 8 (Fig.l) verursacht wird. Mit dem Bezugszeichen 24 ist der untere Schwellenwertwiderstand Ru (z.B. 20 KOhm) angedeutet, dessen Unterschreiten als Kurzschluß gedeutet wird.
Im Betrieb des Transformators 1 möge sich die Wicklung 3 zunächst von der Raumtemperatur (20 0C) auf z.B. 40 0C erwärmen. Dabei erhöht sich der Widerstand des Kaltleiters 5 nur relativ langsam. Tritt dann z.B. bei 40 0C ein Drahtbruch ein, so ändert sich der gemessene Widerstandswert sprunghaft auf einen Wert größer 100 KOhm (Linie 23 in Fig.2), so daß der Schwellenwertwiderstand Ro überschritten wird. Bei herkömmlichen Schaltungen würde dieses in der Regel zu einem Schaltsignal für das Einschalten des Lüfters 16 oder zum Abschalten des gesamten Transformators 1 führen, obwohl die
Vl *n ,
Einschalttemperatur TE des Lüfters im vorliegenden Fall erst bei 100 0C liegt.
Demgegenüber überprüft die erfindungsgemäße Schaltung zusätzlich zu dem jeweils ermittelten Widerstand R auch dessen zeitliche Änderung 6R/6t und vergleicht diese mit vorher ermittelten im Normalfall noch auftretenden maximalen Widerstandsänderungen (6R/5t)max (z.B. 2,5 KOhm/s). Ist, wie im vorliegenden Fall, aufgrund des Kurzschlusses die Widerstandsänderung 6R/5t > (ÖR/6t)max, so wird lediglich ein Störsignal erzeugt, welches auf den Drahtbruch hinweist (z.B. Aufleuchten einer entsprechenden Warnlampe); der Lüfter 16 selbst hingegen wird nicht angeschaltet bzw. der gesamte Transformator nicht abgeschaltet.
Sofern ein Drahtbruch nicht vorliegt erfolgt ein Anschalten des Lüfters 16 sobald der Widerstand Ro erreicht und die ermittelte Widerstandsänderung 6R/6t <. (6R/6t)max ist. Nach dem Anschalten des Lüfters 16 kühlt sich der Transformator 1 wieder ab, wobei die Abschaltung des Lüfters 16 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch den zweiten Meßkreis übernommen wird. Hierzu muß der Bereich des hohen Widerstandsanstieges des Kaltleiters 6 bei niedrigeren Temperaturen (z.B. bei etwa 70 0C) liegen als bei dem Kaltleiter 5. Aus der entsprechenden hohen Widerstandsabnahme beim Abkühlen in diesem Bereich wird dann das Abschaltsignal für den Lüfter 16 gewonnen. Um sicherzustellen, daß diese Widerstandsabnahme nicht auf einen Kurzschluß zurückzuführen ist, wird überprüft, ob der sich ergebende Widerstand ober- oder unterhalb des Widerstandes Ru liegt. Außerdem kann alternativ oder zusätzlich wiederum eine Überwachung der zeitlichen Widerstandsänderung erfolgen.
Außer den in Fig.l dargestellten zwei Meßkreisen können auch noch weitere Meßkreise, etwa für die Anzeige einer Warntemperatur und die Abschaltung des Transformators, vorhanden sein. Bei Verwendung von Kaltleitern ist dann jeweils ein getrennter Temperatursensor erforderlich, sofern die einzelnen Temperaturbereiche auseinanderfallen.
Schließlich kann auch mit nur einem Kaltleiter eine An- und Abschaltung des Kühlers bewirkt werden. In diesem Fall muß darauf geachtet werden, daß der Widerstandswert des Kaltleiters, bei dem das Abschalten erfolgt (z.B. 1,4 KOhm), unterhalb des Widerstandswertes von Ro (z.B. 1,6 KOhm) liegt.
Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur auf die Überwachung der Temperatur von Transformatoren beschränkt, sondern ist zur thermischen Überwachung verschiedenster Bauteile und Geräte geeignet. Dabei können statt Kaltleiter auch andere Widerstands-Temperatursensoren, beispielsweise mit linearer Widerstands-Temperaturkennlinie in dem betrachteten Temperaturintervall, verwendet werden.
Fig. 3 zeigt eine entsprechende Temperaturüberwachung der temperaturkritischen Ständerwicklungen eines dreiphasigen Motors 30. In jeder der drei Wicklungen ist dabei ein Kaltleiter 31-33 angeordnet, die in Serie geschaltet und wiederum mit einem A/D-Wandler 34 verbunden sind. Die digitalisierten Meßwerte werden einer Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit 35 zugeführt, welche wiederum zusätzlich zu den jeweiligen Widerstandswerten deren zeitliche Änderungen ermittelt und zur Bewertung der gemessenen Widerstandswerte heranzieht.
Der Aufbau der Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheiten 13 und 35 ergibt sich zwangsläufig aus den beschriebenen Funktionen.
Dabei können die Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheiten 13 und 35 entweder rein hardwaremäßig realisiert werden, indem die einzelnen Sensorsignale mit Hilfe logischer Schaltungen bewertet werden. Die zeitliche Widerstandsänderung bzw. die entsprechende Temperaturänderung kann hierbei durch Einlesen der entsprechenden Werte in ein Schieberegister mit einem vorgegebenen Takt erfolgen, so daß aus der Differenz des Inhaltes zweier Register sich direkt die gewünschte zeitliche Widerstandsänderung ergibt.
Eine weitere Möglichkeit der Realisierung der Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheiten 13 und 35 ist in Fig.l angedeutet. Sie besteht in der Verwendung eines an sich bekannter Mikroprozessoren 130, der in bestimmten Zeitintervallen die jeweils an den Ausgängen der A/D-Wandler 9, 10 anstehenden digitalen Meßwerte abtastet, in dem Speicher 131 abspeichert und dann die Schwellenwertvergleiche entsprechend einem vorgegebenen Programm vornimmt. Die Ermittlung der zeitlichen Widerstandsänderung kann dabei ebenfalls, wie vorstehend beschrieben, mit Hilfe eines getakteten Schieberegisters 132 erfolgen oder aus den gespeicherten Temperatur- bzw. Widerstandswerten berechnet werden.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel hat es sich besonders bewährt, den jeweiligen temperaturabhängigen Widerstand der Kaltleiter 5 und 6 in Spannungsänderungen umzuwandeln, die zwischen 0 und 5 V liegen. Der Eingangsspannungsbereich von 5V wird dann durch Verwendung von 8 Bit Parallel-A/D-Wandlern 9, 10 jeweils in Werte von 0 bis 255 unterteilt. Dieses entspricht einer Auflösung von ca. 20 mV. Dabei wurden Kaltleiter verwendet, bei denen der für den Temperaturanstieg wichtige Bereich etwa bei 50 Ohm bis KOhm liegt. Der Eingangsspannungsteiler der A/D-Wandler 9,
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wurde bei dem Ausführungsbeispiel so gewählt, daß eine gute Auflösung vorhanden ist (8 Bit Werte: 12 bis 227). Dadurch konnte ein Temperaturanstieg sehr genau ausgewertet werden und war leicht von einem Drahtbruch oder Kurzschluß in den Anschlußleitungen 7, 8 zu unterscheiden.
Der Eingangsspannungsbereich der vorstehend erwähnten A/D-Wandler 9, 10 wurde wie folgt unterteilt:
Kaltleiter
widerstand: 		Eingangsspan
nung: 		8 Bit Wert: Auswertung:
< 20 Ohm < 100 mV < 5 Kurzschluß
50 - 10 KOhm 240 mV - 4,5 V 12 - 227 Normalbereich
>100 KOhm > 4,95 V > 247 Drahtbruch
1,4 KOhm 2,9 V 148 Ausschaltpkt
1,6 KOhm 3,1 V 163 Einschaltpkt
- 11 -
Bezugszeichenliste
1 Gießharztransformator
2 Primärwicklung
3 Sekundärwicklung
4 Transformatorkern
5,6 Widerstands-Temperatursensoren, Kaltleiter
7,8 elektrische Verbindungsleitungen
9,10 Analog-ZDigitalwandler, A/D-Wandler
11,12 elektrische Verbindungsleitungen
13 Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit
130 Mikroprozessor
131 Speicher
132 getaktetes Schieberegister
14 Elektrische Leitung
15 Relais
16 Lüfter, Schutzvorrichtung
20 Widerstandskurve des Kaltleiters
21 Widerstandskurve des Kaltleiters
22 ' obere Schwellenwertgerade
23 Widerstandskurve bei einem Drahtbruch
24 untere Schwellenwertgerade
30 Elektromotor
31-33 Kaltleiter
34 A/D-Wandler
35 Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit
36 Relais
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Claims (7)

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur von Bauelementen und Geräten (l;30) mit Hilfe von Widerstands-Temperatursensoren (5,6;31-33), denen eine Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit (13;35) nachgeschaltet ist, welche beim Erreichen vorgegebener Widerstandswerte (Ro) der Temperatursensoren (5,6;31-33) Schaltsignale zur Ansteuerung entsprechender Schutzvorrichtungen (16) der Bauelemente und Geräte (l;30) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit (13;35) derart ausgebildet ist, daß sie die Widerstandsänderungen (OR) der Temperatursensoren (5,6;31-33) pro vorgegebener Zeiteinheit (6t) ermittelt, und daß sie nur dann beim Überschreiten des jeweils vorgegebenen Widerstandswertes (Ro) ein Schaltsignal erzeugt, wenn die Widerstandsänderung pro Zeiteinheit <5R/<5t einen vorgegebenen Wert (6R/6t)max nicht überschreitet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit (13;35) derart ausgebildet ist, daß nur dann bei überschreiten des jeweils vorgegebenen Widerstandswertes (Ro) ein Schaltsignal erzeugt wird, wenn die Widerstandsänderung OR/Ot kleiner als 2,5 KOhm/s ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit (13;35) ein getaktetes Schieberegister (132) zur Ermittlung der zeitlichen Widerstandsänderungen
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6R/6t enthält, wobei die einzelnen gemessenen Widerstandswerte nacheinander in das Schieberegister (132) eingelesen und durch Differenzenbildung der Schieberegisterinhalte die Widerstandsänderung ermittelt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungs- und Auswerteeinheit (13;35) im wesentlichen aus einem Mikroprozessor (130) mit vorgeschalteten Analog-Digitalwandlern (9,10;34) besteht, der die jeweils an seinem Eingang anstehenden digitalisierten Temperaturoder Widerstandswerte abtastet, in einen Speicher (131) abspeichert und die entsprechenden Schwellenwertvergleiche mit den vorgegebenen Widerstandswerten sowie die Bewertungen mit den ebenfalls vom Mikroprozessor (130) selbst oder einem separaten getakteten Schieberegister (132) ermittelten zeitlichen Widerstandsänderungen 6R/5t durchführt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Widerstands-Temperatursensoren (5,6;31-33) um Kaltleiter handelt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu überwachende Gerät ein Gießharztransformator (1) ist, bei dem die Kaltleiter (5,6) innerhalb der temperaturkritischen Wicklung (3) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu überwachende Gerät ein Elektromotor ist (30), bei dem die Kaltleiter (31-33) innerhalb der Ständerwicklung angeordnet sind.
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