DE938622C - Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Wicklungstemperaturen von Umspannern, Drosselspulen und elektrischen Maschinen mit Gleichstrommesswerken waehrend des Betriebes - Google Patents

Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Wicklungstemperaturen von Umspannern, Drosselspulen und elektrischen Maschinen mit Gleichstrommesswerken waehrend des Betriebes

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DE938622C
DE938622C DED12080A DED0012080A DE938622C DE 938622 C DE938622 C DE 938622C DE D12080 A DED12080 A DE D12080A DE D0012080 A DED0012080 A DE D0012080A DE 938622 C DE938622 C DE 938622C
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DE
Germany
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current
voltage
coil
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square
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DED12080A
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English (en)
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Fritz Dipl-Ing Hofmann
Albert Dipl-Ing Kammerer
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Deutsche Bundesbank
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Deutsche Bundesbank
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H6/00Emergency protective circuit arrangements responsive to undesired changes from normal non-electric working conditions using simulators of the apparatus being protected, e.g. using thermal images

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  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Description

  • Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Wicklungstemperaturen von Umspannern, Drosselspulen und elektrischen Maschinen mit Gleichstrommeßwerken während des Betriebes Zusatz zum Pabe@nt 933 35'0 Gegenstand des Patentes 933 350 ist eine Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Wicklungstemperaturen von Umspannern, Drosselspulen und elektrischen Maschinen mit Leistungsmeßwerken, deren Stromspulen mit den Ein- oder Ausgangsströmen der Umspanner, Drosselspulen oder elektrischen Maschinen, deren Spannungsspulen mit den Ein- oder Ausgangsspannungen (Klemmenspannungen) der Umspanner, Drosselspulen oder Maschinen und von der EMK in einer auf dem Eisenkern der Umspanner, Drosselspulen oder Maschinen angebrachten Hilfswicklung oder von einer aus diesen Spannungen gebildeten Differenzspannung, nötigenfalls unter Zwischenschaltung von elektrischen Nachbildungen, gespeist werden und die an Stelle der Meßsystemfedern mit gegendrehenden Stromquadrat- oder Stromproduktmeßwerken gekuppelt sind, die mit den Ein- oder Ausgangsströmen der Umspanner, Drosselspulen oder Maschinen oder mit aus diesen Strömen gebildeten Mittelwerten (bzw. ihren verhältnisgleichen Stromwerten) gespeist werden. Für die praktische Ausführung werden in dem genannten Patent zweckmäßig geschaltete Wechselstrommeßwerke beschrieben. Gegenstand vorliegender Erfindung ist der Ersatz der Wechselstrommeßwerke durch Gleichstrommeßwerke, die den Vorteil geringeren Leistungsverbrauches haben.
  • Die Gleichstrommeßwerke werden über Gleichrichter gespeist. Erste Voraussetzung hierfür ist, daß die Phasenverschiebung der Ströme in den beiden Spulen des Leistungsmeßwerkes vor den Gleichrichtern konstant bleibt. Kleine Phasenverschiebungen können dabei zugelassen werden, wenn die Winkelabweichungen so unbeträchtlich sind, daß der Kosinus des Phasenverschiebungswinkels praktisch gleich z gesetzt werden darf. Zweitens muß vorausgesetzt werden, daß eine Änderung desjenigen Anteiles der Speisespannung der Spannungsspule, der mit dem Strom in der Stromspule phasengleich ist, sich im Betrag der Speisespannung stark ausprägt.
  • Die genannten Bedingungen werden für den Umspanner erfüllt, wenn die Spannungsspule beispielsweise aus der Differenz zwischen Primär- und Sekundärspannung unter Abzug des Spannungsabfalles des Primär- und Sekundärstromes an äußeren Nachbildungen der Primär- und Sekundärstreureaktanzen und die Stromspule aus einem Mittelwert aus Primar-und Sekundärstrom gespeist werden. Aus dieser Anordnung folgt mit den bekannten Transformatorgleichungen, daß die auf diese Weise erzeugte Spannung Ur bei zweckmäßiger Bemessung der Wandlerübersetzungen nur noch den Spannungsabfall. des Primärstromes J1 am Wirkwiderstand y1 der Primärwicklung und den Spannungsabfall des Sekundärstromes J2 am Wirkwiderstand y2 der Sekundärwicklung enthält, daß also die Spannungsspule (in der Regel über einen Vorwiderstand) mit dem auf das Übersetzungsverhältnis r bezogenen Spannungsabfall Ur = y1 J1 + y2 J2 ( gespeist wird, während in der Stromspule der Strom J, = QJl + e, i, ( fließt. Wenn dabei die Faktoren e1 und O2 so bemessen sind, daß ist, so kann geschrieben werden Die Gleichungen (z) und (q.) zeigen, daß Spannungs-und Stromspule von stets phasengleichen Strömen durchflossen werden, auch wenn ,j1 und ,T2 bei kleinen Belastungen infolge des Magnetisierungsstromes ja = T, - T2 stark voneinander verschieden sind und um einen großen Winkel ö voneinander abweichen. Das Gleichstrommeßwerk im Zusammenwirken mit dem Stromquadratmeßwerk ergibt dann den Ausschlag Das ist der gleiche Wert, der aus den Gleichungen (1q. bis (i6) des Hauptpatentes für die entsprechende Anordnung mit Wechselstrommeßwerken abgeleitet wurde. Andere Anordnungen, die die genannten Bedingungen nicht erfüllen, z. B. die Schaltungen nach den Abb. 7 und 8 des Hauptpatentes, lassen sich nicht in dieser einfachen Weise durch solche mit Gleichstrommeßwerken ersetzen. Die Schwierigkeit liegt dabei nur beim Leistungsmeßwerk, denn das zugehörige Stromquadrat- oder Stromproduktmeßwerk wird von zwei Strömen gespeist, deren Phasenunterschied gleich Null ist oder einen konstanten Wert hat, so daß es ohne weiteres über Gleichrichterbrücken versorgt werden könnte. Die Schwierigkeit wird dadurch umgangen, daß für den Leistungsteil ein anderes an sich bekanntes Verfahren der Leistungsmessung benutzt wird, das darin besteht, das Quadrat eines Summenausdruckes aus Strom und Spannung zu messen und davon das Quadrat der entsprechenden Differenz aus Strom und Spannung abzuziehen. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, däß als Anzeigegeräte handelsübliche einfache Geräte benutzt werden können, die erheblich geringeren Leistungsverbrauch haben als die entsprechenden Wechselstromgeräte und bei denen die Meßergebnisse gleichzeitig frequenzunabhängig werden.
  • Die Leistungsmessung wird beispielsweise mit sogenannten Thermoumformern oder mit Chronnotronröhien durchgeführt, die erst kürzlich auf den Markt gekommen sind. Bei den Thermoumformern (Bild r der Zeichnung) wird einem Heizwiderstand y" die Summe zweier Meßwechselströme, einem anderen Heizwiderstand yb die Differenz dieser Ströme zugeführt. Von den Meßwechselströmen entspricht der eine dem Spannungsausdruck, der andere dem Stromausdruck des Hauptpatentes. Es sind dabei die Augenblickswerte dieser Meßströme kurz mit i. bzw. ii bezeichnet. Soll beispielsweise das Gerät für die Schaltung nach Abb. 8 des Hauptpatentes benutzt werden, so ist unter i" der Strom zu verstehen, der (über einen Vorschaltwiderstand) der Spannungsspule des Meßwerkes 1 zugeführt wird, und unter ii ist die Stromsumme 21 Il + Q2 I2 zu verstehen, mit dem die Stromspule des Meßwerkes I gespeist wird. In jedem der Heizwiderstände y" und 7b wird dann eine bestimmte Stromwärme erzeugt. Mit den Heizwiderständen sind Thermoelemente r und 2 isoliert verbunden, an denen Thermospannungen u" und ub erzeugt werden, die den Stromwärmen verhältnisgleich sind, so daß also u. - Cl (Zu + 2i)2 bzw. 26b = C2 (Zu - 2i)2 (6) wird. Macht man die Konstanten und der Thermoumformer gleich groß, nämlich gleich c, so erhält man aus der Differenz der Thermospannungen die Leistung i N = u. -" ub = C [(Zu + 2i) 2 - (Zu - 2i) 21 = C 42u @i .
  • (7) Der Mittelwert der Leistung ist N= ua-ub= cUI cosg9, wobei U und I die Effektivwerte von Spannung und Strom und 9i die Phasenverschiebung zwischen ihnen bedeuten. Die Wechselstromleistung kann somit einfach .aus der Differenz der Thermospannungen 1 ua - ub ermittelt werden. Sinngemäß wie die Leistung läßt sich auch das Stromquadrat erfassen. Zu diesem Zweck ist ein dritter Thermoumformer vorgesehen, durch dessen Heizwiderstand der Strom i. geschickt wird, der dem entsprechenden Stromausdruck des Hauptpatentes proportional ist. In der Schaltung nach Abb. 8 des Hauptpatentes stellt i, die Stromsumme Q,I1 + Q,I2 dar, die in einer Meßschaltung nach Abb. 8 dem Stromquadratmeßwerk II zugeführt wird. An dem Thermoelement 3 entsteht dann die Thermospannung u..
  • Die Differenzspannung ua - ub legt man nun an die eine Spule, die Thermospannung uo an die andere Spule eines Quotientenmeßgerätes - für Gleichstrom. Das Quotientenmeßgerät kann entweder ein gewöhnliches Kreuzspulmeßgerät oder ein anderes Meßgerät von ähnlicher Wirkungsweise sein, z B. ein T-Meßgerät oder ein Meßgerät, bei dem die gekreuzten Spulen feststehen und der Dauermagnet beweglich ist.
  • Eine bekannte Ausführung des T-Meßgerätes hat einen dauermagnetisierten Ringkern, in dessen Innenraum sich ein koaxialer Weicheisenkern befindet. In dem Zwischenraum zwischen Ring und Kern bewegt sich eine Rähmchendrehspule, die den Kern umschließt. Um 9o° gegen die erste Drehspule versetzt und in T-förmiger Anordnung fest mit dieser verbunden ist eine zweite Rähmchenspule angebracht, die den Ringquerschnitt umschließt.
  • Die Heizwiderstände und Thermoelemente kann man z. B. etwa in der Weise zusammenschalten, wie Bild x zeigt. Die ganze Schaltung ist hierbei so abgeglichen, daß das Meßgerät Null zeigt, wenn alle Heizwiderstände die Temperatur der Umgebung haben. R1 und R2 sind zusätzliche ohmsche Widerstände, die wie üblich den Spulen des Meßwerkes vorgeschaltet werden.
  • An Stelle von Thermoelementen können auch Widerstandsthermometer verwendet werden (Bild 2,); man erhält auf diese Weise stärkere Meßströme. Die Heizwiderstände erhalten in diesem Falle eine Bewicklung aus temperaturabhängigem Widerstandsmaterial, z. B. Nickel oder Platin, das gegenüber den Heizwiderständen isoliert sein muß. Um störende Luftströmungen fernzuhalten, werden die Heizwiderstände mit den Widerstandsdrähten zweckmäßig in Glaskolben eingeschlossen, die gegebenenfalls luftleer gemacht oder mit einem neutralen Gas gefüllt werden müssen, wenn die Temperatur der Heizwiderstände eine Oxydation befürchten läßt. Die temperaturabhängigen Widerstände R", und Raa werden dann in den oberen Zweig einer Wheatstonschen Brücke gelegt, während der untere Zweig der Brückenschaltung durch zwei nicht temperaturabhängige Widerstände R" und R", gebildet wird. Die Brückenschaltung wird durch eine kleineAkkumulatorenbatterie (eh) 1 U + T 12 - 1 U -T 12 = (U + T cos p)2 + J2 sin2 p - [(U - T cos (p)2 + J2 sin2 4 = 4 U T cos (P . An Stelle der thermischen Geräte können grundsätzlich alle anderen Meßgeräte treten, die das Quadrat eines Stromes messen, z. B. dynamometrische, Ferraris- und Weicheisensysteme. Sie haben nur die Bedingung zu erfüllen, daß das Drehmoment des i zJ + j 12-Meßwerkes in gleicher Weise vom Ausschlag erregt, sie kann aber die erforderliche Gleichspannung eh auch von einem Gleichrichter (Bild 3) erhalten, der - nötigenfalls unter Benutzung einer Einrichtung zur Stabilisierung der Spannung, z. B. mittels einer Glimmlampenstabilisierung - an ein vorhandenes- Wechselstromnetz angeschlossen ist. Im Nullstromzweig der Brückenschaltung liegt die eine Spule eines gewöhnlichen Kreuzspulmeßgerätes; die zweite Spule des Kreuzspulmeßgerätes ist dagegen in den Nullstromzweig einer weiteren Wheatstonschen Brücke geschaltet, die ebenfalls wieder aus der erwähnten Batterie (eh) bzw. von dem Gleichrichter gespeist wird. In der linken Hälfte des oberen Brückenzweiges liegt dann nur ein temperaturabhängiger Widerstand Raa, der als einziger von einem Strom i. (vgl. oben) geheizt wird; in der rechten Hälfte des oberen Brückenzweiges liegt dagegen der temperaturunabhängige Widerstand Rba, der mit den übrigen Widerständen Raa, R"a und Rda wieder so abgeglichen ist, daß der Strom im Brückenzweig verschwindet, wenn alle Widerstände der Brückenschaltung - die gleiche Temperatur haben.
  • Für Schaltungen, in denen nicht das einfache Stromquadrat, sondern entsprechend etwa der Anordnung gemäß Abb. 7 des Hauptpatentes ein Stromprodukt gebildet werden soll, sind wie bei dem Leistungsmesser zwei Thermoumformei bzw. zwei Widerstandsthermometer vorzusehen, die von der Summe der Ströme bzw. Stromsummen, deren Produkt gebildet werden soll, z. B.
  • (QI il + 92 T2) + (61 il + 62 T2) und von deren Differenz (e1 T 1 + Q2 J2) - (ß1 T 1 + 62 J2) durchflossen werden.
  • Es ist nicht unbedingt nötig, die Summe der Ströme i.. + ii und ihre Differenz iu - ii durch galvanische Zusammenschaltung zu bilden. Man kann vielmehr diese Ausdrücke auch in kleinen Zwischenstromwandlern mit getrennten Wicklungen bilden, so daß die Heizwiderstände der thermischen Geräte aus besonderen Wicklungen der Zwischenwandler gespeist werden können. Die Zwischenwandler haben den Vorteil, daß vorhandene Meßwandler ohne Einschränkung für die Temperaturmessung mitbenutzt werden können. Die allgemeine Anwendbarkeit von Zwischenwandlern ergibt sich schon daraus, daß das beschriebene Leistungsmeßverfahren sich nicht nur aus den Augenblickswerten, sondern auch aus dem Zeigerdiagramm nach Bild 4 für einen Strom j und eine Spannung ü ableiten läßt. Aus diesem Bild ist zu entnehmen (U und J sind die Beträge von Z1 und j) abhängt wie das Drehmoment des 1 Ü- j 12-Meßwerkes, damit die Differenz 1 ü + J 12- 1 Ü + J 12 durch Gegeneinanderwirken der beiden Drehmomente richtig erfaßt wird.
  • Bild g zeigt beispielsweise eine Meßanordnung für einen Umspanner mit Ferrarismeßwerken, die gegenüber normalen Leistungsmessern mit Ferrarissystem den Vorteil leichterer Justierbarkeit haben. Der Umspanner selbst ist nicht gezeichnet; unter ih, ji, U2 und ,j2 - seien die den MeBwandlern entnommenen Spannungen und Ströme verstanden. Jedes der freien FerrarisstromquadratmeBwerke i, 2 und 3 besteht aus zwei zueinander parallel geschalteten Spulen q. und 5, von denen je einer ein Widerstand 6 zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwecks Erzielung eines kräftigen Drehmomentes vorgeschaltet ist.
  • Die Parallelwiderstände 7 dienen - soweit nötig -in an sich bekannter Weise zur Beseitigung der Frequenzabhängigkeit. Die über Zwischenwandler 8 und 9 gespeisten, einander entgegenwirkenden MeB-werke i und 2 zur Feststellung der Leistung haben, wie bei Ferrarissystemen (ohne Gegenfeder) üblich, ein vom Ausschlag unabhängiges Drehmoment, während das Gegenmoment des über den Zwischenwandler io gespeisten Systems 3 für das Stromsummenquadrat (Q,11 -f- Q2 T2) 2 beispielsweise durch exzentrische Anordnung seiner Triebscheibe ein mit dem Ausschlag a zunehmendes. Drehmoment hat, damit Gleichung (5) für den Ausschlag erfüllt werden kann.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Wicklungstemperaturen von Umspannern, Drosselspulen und elektrischen Maschinen während des Betriebes nach Patent 933 350, gekennzeichnet durch LeistungsmeBwerke die das Quadrat eines Summenausdruckes aus Strom und Spannung messen und davon das Quadrat der entsprechenden Differenz aus Strom und Spannung abziehen.
  2. 2. MeBeinrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Messung der Summen- und Differenzquadrate von Strom und Spannung mittels Thermoumformern, deren Gleichspannungsdifferenz der einen Spule eines Gleichstromverhältnismessers zugeführt wird und dessen andere entgegenwirkende Spule von einem Thermoumformer gespeist wird, der das Stromquadrat oder Stromprodukt miBt.
  3. 3. MeBeinrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Messung der Summen- und Differenzquadrate von Strom und Spannung in einer Brückenschaltung, deren veränderliche Zweige aus temperaturabhängigen, von den zu messenden Strömen geheizten Widerständen besteht, in deren Nullstromzweig die eine Spule eines Gleichstromverhältnismessers gelegt ist und dessen andere entgegenwirkende Spule aus dem Nullstromzweig einer gleichartigen Brückenschaltung gespeist wird, die das Stromquadrat oder das Stromprodukt mißt. q.. MeBeinrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Bildung der Strom- und Spannungssummen bzw. -differenzen mittels Zwischenwandlern.
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