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Thermische Uberlastungsschutzeinrichtung für Trockentransformatoren
mit einem in diesen eingebauten Wärmefühler Die Erfindung betrifft eine Überlastungsschutzeinrichtung
für Trockentransformatoren mit einem in diesen eingebauten Wärmefühler, der bei
Überschreitung eines Temperaturgrenzwertes mittels einer durch Verdampfung einer
Flüssigkeit hervorgerufenen Druckerhöhung eine Membran sprungartig zwecks Herbeiführung
eines Schaltvorganges herausdrückt.
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Das vo.i der Überlastungsschutzeinrichtung ausgelöste Signal kann
eine Warnung, Entlastung oder Außerbetriebnahme des betroffenen Transformators.
mittelbar oder unmittelbar bewirken.
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Überlastungsschutzeinrichtungen für Ültransformatoren, die diesem
Zweck dienen, sind seit Jahrzehnten bekannt und haben sich bestens bewährt. Sie
sind jedoch in allen bekannten Ausführungsformen auf Trockentransformatoren nicht
zuverlässig anwendbar. Diese Schutzeinrichtungen beruhen ganz allgemein auf der
temperaturabhängigen Ausdehnung geeigneter Stoffe und Körper, deren Ausdehnung als
Maß für die Temperatur anzusehen ist. Zu dieser Gruppe von Schutzeinrichtungen gehören
erstens die Bimetalltypen, bei denen die temperaturabhängige Krümmung eines Bimetallstreifens
ausgenutzt wird; ferner die Bauformen, bei denen der unterschiedliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizient
von Stäben derart ausgenutzt wird, daß ihr jeweilig temperaturabhängiger
Längenunterschied
zur Betätigung von Kontakten dient, und schließlich die Quecksilberthermostaten,
bei denen das sich mit steigernder Temperatur ausdehnende Quecksilber in einem geschlossenen
Raum, vorzugsweise Rohr, je nach Temperatur und Ausdehnung Kontakte schließt oder
öffnet.
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Es sind auch Schutzeinrichtungen bekannt, bei denen die temperaturabhängige
Volumenänderung geeigneter Flüssigkeiten bei vorgegebener Temperatur die Wände ihres
Gefäßes sprengt und dabei einen beabsichtigten Schaltvorgang auslöst. Eine große
Zahl ebenfalls bekannter Temperaturwächter nutzt die Aggregatszustandsänderung von
Körpern aus, die je nach Wahl bei Erreichen ihres Schmelzpunktes bei bestimmter
Temperatur eine durch beispielsweise Federn bewirkte Kontaktbetätigung. zulassen.
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Andere Temperaturwächter nutzen entweder den Dampfdruck über dem Spiegel
einer geeigneten Flüssigkeit oder den Gasdruck eines abgeschlossenen Gasvolumens
zur Betätigung von Kontakten unter Zuhilfenahme von Wellrohren, Membranen, Bourdonrohren
u. dgl. aus. Zu den zuletzt genannten sind auch jene Einrichtungen zu zählen, bei
denen der Gasdruck in einem abgeschlossenen Raum durch temperaturabhängiges Lösungsvermögen
eines gleichfalls in diesem Raum befindlichen Stoffes für das betreffende Gas sich
ändert.
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Ferner ist eine thermische Überlastungseinrichtung bekannt, die aus
einer Schutzanordnung bzw. -anlage mit zwei Blasebälgen (Wellrohren), einem Hebelsystem
und einer vorgespannten Feder sowie einem Wärmeelement besteht, wobei der Hauptblasebalg
von dem zuletzt genannten Wärmeelement über ein langes, zweifach gekrümmtes Rohr
räumlich getrennt ist. Die Aufgabe einer derartigen relativ komplizierten Temperaturmeßanordnung
besteht darin, das Ansprechen des Wärmeelementes in Abhängigkeit von der Außentemperatur
zu bringen, zu welchem Zweck die Vorspannung der Feder entsprechend verändert wird,
die entgegen dem Hauptblasebalg wirkt, so daß ein Kompensationssystem entsteht.
Eine solche Schutzanordnung ist nur für Öltransformatoren v org,cehen und für Trockentransformatoren
schon irn Hinblick auf einen gegenüber den Öltransformatoren anderen Aufbau und
andere Wärmeverhältnisse weder bestimmt noch geeignet, zumal bei dieser bekannten
Kompensationsanordnung ein kombinierter Effekt der Temperatur der Flüssigkeit und
des Stromes in einem um das Wärmeelement herum gewickelten Heizleiter hervorgerufen
werden soll, der von einem zusätzlichen, von dem Belastungsstrom des zu schützenden
Haupttransformators durchflossenen Stromwandler gespeist wird. Die Anwendung der
bekannten Kompensationsanordnung auf Trockentransformatoren scheidet von vornherein
schon deswegen aus, weil ein von dem Belastungsstrom des Haupttransformators durchflossener
Heizleiter unweigerlich zur Herabsetzung der Isolationsfestigkeit der Isolationsstrecke
zwischen den Zylinderwicklungen bzw. zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Feldverteilung
führen würde. Eine derartige Anwendungsmöglichkeit dürfte auch deswegen ausgeschlossen
sein, weil die auf Wärme reagierende Vorrichtung aus einer teilweise mit Flüssigkeit
gefüllten, in diese (das Öl) eingetauchten Hohlkugel -bzw. metallnen Zylinder besteht,
die bzw. der mit dem Rohr aus dem Deckel des Transformatorkessels vorsteht, so daß
eine Bauart entsteht, die zum Einführen in den Luftspalt zwischen den zylindrischen
Wicklungen eines Trockentransformators ungeeignet ist. Abgesehen. von der anderen
Aufgabenstellung und von dem abweichenden Aufbau des zu schützenden Gerätes wird
bei der bekannten Schutzanordnung - infolge der vorstehend angegebenen Wirkung der
vorgespannten Feder entgegen dem Hauptblasebalg - nur eine schleichende Auslösung
des Schalters herbeigeführt.
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Bei der Erfindung handelt es sich gegenüber dem Bekannten um eine
thermische Überlastungsschutzeinrichtung für Trockentransformatoren mit einem in
diesen eingebauten besonderen Wärmefühler. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus,
daß die Verdampfungsflüssigkeit sich in einem an einem Ende verschlossenen, am entgegengesetzten
Ende aus dem Bereich der Wicklungen des Trockentransformators nach außen hinausragenden
Hartglasrohr mit axialem Wärmefluß befindet und durch ein von dem zuletzt genannten
Ende in das Isolierrohr eingeschmolzenes, in die Flüssigkeit tauchendes, mit dem
Isolierrohr einen radialen Wärmefluß gebendes Kapillarrohr mit einem unmittelbar
über ihm befindlichen Flüssigkeitsraum verbunden ist, welcher von einer den Abschluß
nach der Umgebung hin bildenden, unter der Wirkung des inneren Vakuums durch den
äußeren Atmosphärendruck nach innen durchgedrückten Membran abgeschlossen ist, so
daß das Kapillarrohr und das Hartglasrohr zusammen mit einer den Flüssigkeitsraum
bildenden, außerhalb des Hochspannungspotentials befindlichen Einschmelzung und
dem Membranhalter mit der Membran eine bis auf die beiden zuletzt genannten Teile
stabförmige Einheit ergeben.
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Durch eine derartige sinnreiche Kombination von Teilmerkmalen nach
der Erfindung wird eine Wärmefühlerbauart geschaffen, welche die besonderen Verhältnisse
und den Aufbau der Trockentransformatoren weitestgehend berücksichtigt sowie einen
wirksamen und zuverlässigen Schutz derartiger Transformatoren in dem in - Frage
kommenden Temperaturbereich zwischen etwa 76° C und 1q.0° C gewährleistet, indem
ein schneller Wärmeübergang zwischen der Wicklung und dem Temperaturfühler stattfindet,
ohne daß irgendeine nennenswerte Beeinträchtigung der Feldverteilung auftritt. Die
Kontakteinrichtung spricht hierbei momentan an; infolge der stabartigen Ausbildung
insbesondere des aktiven Teils des Wärmefühlers und des sich hieraus ergebenden
geringen ursprünglich mit der Isolierflüssigkeit gefüllten Dampfraumes wird jede
Dampfkondensation und daher jegliche schleichende Auslösung der Schalteinrichtung
ohne
Anwendung zusätzlicher Mittel selbst dann vermieden, wenn relativ erhebliche Temperaturunterschiede
zwischen der wärmsten Stelle des Wärmefühlers und der Umgebungstemperatur bestehen.
Die Arbeitsweise des Auslöseorgans ist lageunempfindlich und der Einbau der thermischen
Überlastufhgsschutzeinrichtung gerade bei ihrer Verwendung für Trockentransformatoren
besonders einfach und übersichtlich. Die Membran sorgt nicht nur für eine sprungartige
Kontaktbetätigung, sondern springt bei einer etwaigen Beschädigung des Hartglasrohres
in ihre von Natur aus gegebene, nach außen gewölbte Lage zurück, wodurch sich die
Schutzeinrichtung selbst als beschädigt meldet.
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Eine zweckmäßige Ausführung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, daß das äußere, aus Hartglas bestehende Isolierrohr
mit dem inneren Kapillarrohr durch ringförmige Verschmelzungen verbunden ist, die
den Raum zwischen dem äußeren Rohr und dem Kapillarrohr in mindestens zwei abgeschlossene
Hohlräume aufteilen, von denen der dem verschlossenen Ende des äußeren Rohres zugekehrte
Raum zur Aufnahme der Flüssigkeit dient und mit dem offenen Ende des Kapillarrohres
in Verbindung steht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zur Füllung dienende
Flüssigkeit einen gegenüber Wasser geringen elektrischen Leitwert hat und nicht
brennbar ist.
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Die Wahl der Verdampfungsflüssigkeit in dem Temperaturfühler hängt
von dem als zulässig betrachteten Temperaturgrenzwert des zu schützenden Trockentransformators
ab. Entsprechend diesem Temperaturgrenzwert muß eine Flüssigkeit mit geeignetem
Dampfdruck ausgesucht werden. Für den in erster Linie in Frage kommenden Temperaturbereich
zwischen 76 und 14o° C konnten die nachstehenden Flüssigkeiten als geeignet festgestellt
werden:
| Arbeits- elektrische |
| temperatur Leitfähigkeit |
| etwa bei |
| Tetrachlorkohlenstoff 76' C 4 - 1o-18 S/cm |
| Benzol. . . . . . . . . . . . . . 8o° C 1-10-18 - |
| Trichloräthylen ...... 87° C - |
| Tuluol . . . . . . . . . -. . . . . 11o° C 1.10-14 - |
| Xylol............... 140 ° C 1.10-15 - |
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Es zeigt Fig. i einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführung einer
Überlastungsschutzeinrichtung, Fig. 2 den Einbau der Schutzeinrichtung in einen
Trockentransformator in schematischer Darstellung und Fig. 3 ein Diagramm, aus dem
die in den verschiedenen Wicklungshöhen erreichten Temperaturen im Transformator
ersichtlich sind. In einem als Temperaturfühler dienenden Hartglasrohr 4. ist an
dessen oberem Ende mit einer Metalleinschmelzung 3 ein Haltekörper 2 für eine Sprungmembran
i eingesc molzen.. Das Hartglasrohr 4 ist an seinem anderen Ende verschlossen.
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In dem Hartglasrohr 4 ist ein Kapillarrohr 5 eingeschmolzen, das auf
der einen Seite in die Flüssigkeit 6, die sich in dem Hartglasrohr 4 befindet, eintaucht,
auf der anderen Seite mit dem Flüssigkeitsraum 8 in der Membranhalterung 2 in Verbindung
steht. Das Hartglasrohr 4 ist an seinem oberen Ende io zugeschmolzen, so daß der
Flüssigkeitsraum 8 der Membranhalterung 2 nur über das Kapillarrohr 5 mit der Flüssigkeit
6 in dem Hartglasrohr 4 in Verbindung steht.
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Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit ist das Kapillarrohr 5 noch
durch zwei.brückenartige Verschmelzungen 9 mit dem umgebenden Hartglasrohr 4 mechanisch
verbunden. Die durch die Verschmelzungen 9 bzw. io entstandenen Hohlräume i i zwischen
dem Kapillarrohr 5 und dem Hartglasrohr 4 sind tote Räume und tragen nicht zur Wirkung
des Temperaturfühlers bei.
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Der Membranhalter 2 trägt eine Springmembran i, die einen Arbeits-
bzw. Ruhekontakt eines Relais betätigt. Die Membran i hat von Natur aus eine mechanisch
nach außen gewölbte Ruhelage i' Da aber die Flüssigkeit 6 unter Vakuum in das Hartglasrohr
4 eingebracht ist, wird die Membran i unter der Wirkung des inneren Vakuums durch
den äußeren Atmosphärendruck nach innen gedrückt. Die Membran. i nimmt also die
in; dar Abbildung ausgezogen dargestellte Lage ein.
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Der durch die Membran einerseits und den Membranhalter andererseits
gebildete Flüssigkeitsraum 8 steht mit der Flüssigkeit in dem Hartglasrohr 4, die
mit den zu überwachenden Wicklungsteilen engen Kontakt hält, nur über das Kapillarrohr
5 in Verbindung. Steigt die Temperatur der Flüssigkeit 6 infolge Erwärmung der Transformatorenwicklungen
an, so wächst auch der absolute Dampfdruck der Flüssigkeit 6. Der Raum 7 oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels füllt sich mit Dampf, dessen steigender Druck die Flüssigkeit
durch die Kapillare 5 in den Flüssigkeitsraum 8 vor der Membran i treibt. Sobald
aber ein Dampfdruck von o,8 atü erreicht ist, wird die Membran i durch den im Temperaturfühler
herrschenden Druck sprungartig nach außen gedrückt, nimmt jetzt die strichpunktiert
gezeichnete Lage i' ein und löst über den zwangläufig mitbewegten Stößel 12 der
Kontakteinrichtung 13 einen Warn- bzw. Steuerimpuls aus. Die zur Füllung des Temperaturfühlers
benutzte Flüssigkeit 6 ist so ausgewählt, daß ihre Dampfdruckkurve den geforderten
Temperatur- und Druckwerten entspricht.
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Die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperaturfühlers
hat außerdem noch den Vorzug, daß bei einer etwaigen Beschädigung des Hartglasrohres
4 die Membran in ihre von Natur aus gegebene Lage i' zurückspringt, wodurch sich
das Schutzgerät selbst als beschädigt meldet. Das Konstruktionsmerkmal, -nach welchem
der
Flüssigkeitsraum 8 vor der Membran i. mit der Flüssigkeit 6 in dem Temperaturfühler
nur über die Kapillare 5 in Verbindung steht, verhindert auch, daß der sick an der
wärmsten Stelle des Wärmefühlers ausbrildende Dampf in dem Flüssigkeitsraum vor
der Membran, der in der Regel einer niedrigen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist,
wieder kondensiert und statt der sprunghaften Aus-Lösung eine schleichende Auslösung
hervorrufen würde.
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Durch das Kapillarrohr 5 ist auch eine weitgehende Trennung der wirksamen
Flüssigkeitsfüllung 6 in dem Temperaturfühler von dem Flüssigkeitsraum 8 gewährleistet.
Die Konvektion zwischen der Flüssigkeitsfüllung 6 und dem Flüssigkeitsraum 8 wird
auf diese Weise so weit unterbänden, daß die Arbeitsweise des Auslöseorgans auch
dann noch lageunabhängig bleibt, wenn die den; Raum 8 umgebende Temperatur niedriger
ist als. die Temperatur, in der sich der eigentliche Temperaturfühler befindet.
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Ein wirksamer thermischer Schutz des Trockentransformators wird bei
Einbau der beschriebenen Überlastungsschutzeinrichtung nur dann erreicht, wenn die
jeweils höchste Temperatur der inneren Wicklung oder die seiner unmittelbaren Umgebung
temperaturrichtig, von dem Wärmefühler erfaßt wird.
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Wie die schematische Darstellung des Einbaues eines Wärmefühlers in
einen Transformator 17 in Fig. 2 erkennen läßt, ist der Wärmefühler 4 von oben zwischen
=die beidem Wicklungen 14 und i5 in den Betlüftungskanal 16 eingesetzt. Der über
dem Membran$alter 2 befindliche Kontaktsatz befindet' sich dabei außerhalb der auf
Hochspannungspotential liegenden Wicklung, etwa in Höhe der Spanneisen 18. Der thermische
aktive Teil des Wärmefühlers ragt, wie Fig. 2 zeigt, in seiner Ausdehnung weder
nach oben noch nach unten über den Bereich der höchsten Transformatortemperaturen
hinaus.
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Fig. 3 gibt einen Überblick über die in verschiedenen Zylinderhöhen
erreichten Temperaturen im Transformator. Kurve a entspricht der unbeeinflußten
Umgebungstemperatur; Kurve b der Lufttemperatur zwischen beiden zylindrischen Wicklungen
und Kurve c der Wicklung des innren Zylinders. Die höchsten für die Wicklungsisolation
kritischen Temperaturen liegen, praktisch unabhängig von der Nennleistung und der
Ausführungsform bei allen handelsüblichen Trockentransfbrmatoren mit Selbstkühlung,
ungefähr bei 70 ... 85 °/& der inneren zylindrischen Wicklung. Die Temperatur
der inneren Wicklung ist in der Regel etwa 15 ... 2o° höher als die
Lufttemperatur im Kühlkanal auf entsprechend gleicher Zylinderhöhe. Diese Temperaturdifferenz
zwischen der Luft- und der Wicklungstemperatur wird bei Festlegung derAus-Lösetemperatur
der überlastungsschutzeinrichtung berücksichtigt.