EP0111470A2 - Thermal protective device for transformers and inductances - Google Patents

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EP0111470A2 EP83890212A EP83890212A EP0111470A2 EP 0111470 A2 EP0111470 A2 EP 0111470A2 EP 83890212 A EP83890212 A EP 83890212A EP 83890212 A EP83890212 A EP 83890212A EP 0111470 A2 EP0111470 A2 EP 0111470A2
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Abstract

Zur Überwachung des thermischen Zustandes von Großtransformatoren ist es bekannt das sogenannte "Thermische Abbild" zu verwenden. Einem Temperaturfühler im heißesten Öl wird mittels einer Heizwicklung der rechnerische hot-spot Temperatursprung Wicklung-Öl überlagert. Bei dieser Methode wird nur der Endwert des Temperatursprunges richtig angezeigt, nicht jedoch der tatsächliche Temperaturverlauf bei Laständerung im Bereich von zwei bis drei Wicklungs-Zeitkonstanten. Aufgabe der Erfindung ist es eine derartige Einrichtung zu schaffen. Diese Einrichtung zur thermischen Überwachung von Transformatoren und Drosselspulen mit erzwungener Umlaufkühlung insbesondere Ölumlaufkühlung und erzwungener Strömung des Kühlmediums durch die Wicklung, umfaßt ein Gefäß das mit Kühlmedium gefüllt ist und eine einen Thermofühler umgebende Wicklung aufweist wobei diese Wicklung über einen Stromwandler mit einem dem Strom der Transformatorenwicklung proportionalen Strom gespeist ist. Gemäß der Erfindung ist das Gefäß (5) von einem Teil des aus dem Kessel (1) über eine Umwälzpumpe (3) und einem Kühler (4) geführte Kühlmedium gespeist. Die Abzweigung für dieses Kühlmedium ist vor oder nach der Umwälzpumpe (3) und vor dem Kuhler (4) vorgesehen.It is known to use the so-called "thermal image" to monitor the thermal condition of large transformers. A temperature sensor in the hottest oil is superimposed by means of a heating winding on the calculated hot-spot temperature jump winding oil. With this method, only the end value of the temperature jump is displayed correctly, but not the actual temperature profile when the load changes in the range of two to three winding time constants. The object of the invention is to provide such a device. This device for the thermal monitoring of transformers and choke coils with forced circulation cooling, in particular oil circulation cooling and forced flow of the cooling medium through the winding, comprises a vessel which is filled with cooling medium and has a winding surrounding a thermal sensor, this winding having a current transformer with a current of the transformer winding proportional current is fed. According to the invention, the vessel (5) is fed by a part of the cooling medium led out of the boiler (1) via a circulation pump (3) and a cooler (4). The branch for this cooling medium is provided before or after the circulation pump (3) and before the cooler (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur thermischen Überwachung von Transformatoren und Drosselspulen mit erzwungener Umlaufkühlung, insbesondere Ölumlaufkühlung und erzwungener Strömung des Kühlmediums durch die Transformatoren- bzw. Drosselspulenwicklung, die mit Kühlmedium gefülltes und einen Thermofühler umgebende Wicklung aufweisendes Gefäß umfaßt, wobei diese Wicklung über einen Stromwandler mit einem dem Strom der Transformatorenwicklung proportionalen Strom gespeist ist.The invention relates to a device for the thermal monitoring of transformers and choke coils with forced circulation cooling, in particular oil circulation cooling and forced flow of the cooling medium through the transformer or choke coil winding, which comprises a cooling medium-filled winding and a vessel having a winding, this winding via a current transformer is fed with a current proportional to the current of the transformer winding.

Transformatoren mit erzwungener Ölkühlung weisen neben den bekannten Vorzügen den Kachteil auf, daß bei Ausfall der Ölpumpen und damit der forcierten Ölströmung in den Wicklungen die Wicklungskühlung stark beeinträchtigt wird. In einem solchen Störungsfall sind entsprechend den Notbetriebsvorschriften Maßnahmen wie Leistungsreduktion oder Abschaltung zu treffen, die die thermische oder elektrische Zerstörung des Transformators, letztere infolge von Gasentwicklung, verhindern. Sind Trafostationen unbemannt, müssen Schutzgeräte diese Aufgabe übernehmen.In addition to the known advantages, transformers with forced oil cooling have the disadvantage that if the oil pumps fail and thus the forced oil flow in the windings, the winding cooling is severely impaired. In such a malfunction, measures such as power reduction or shutdown must be taken in accordance with the emergency operating regulations, which prevent the thermal or electrical destruction of the transformer, the latter as a result of gas development. If transformer stations are unmanned, protective devices must take on this task.

Zur Überwachung des thermischen Zustandes von Großtransformatoren wird derzeit noch vorzugsweise das sogenannte "Thermische Abbild" verwendet. Einem Temperaturfühler im heißesten Öl wird mittels einer Heizwicklung der rechnerische hot-spot-Temperatursprung Wicklung-Öl überlagert. Je nach Gerätetyp kann der Temperaturfühler ein Widerstandsdraht (Fernanzeige) oder eine flüssigkeitsgefüllte Kammer (direkte Anzeige mit Steuerkontakten) sein. Die Heizwicklung wird mit einem dem Wicklungsstrom proportionalen Strom (Thermokopiewandler) gespeist und soll in ihrem thermischen Verhalten demjenigen der zu überwachenden Wicklung angepaßt sein. Letztere Forderung wird meist nur angenähert erfüllt, da es praktisch nicht möglich ist, die Vielzahl der Parameter mit einer einfachen Heizwicklung zu berücksichtigen. Schließlich wird der hot-spot-Temperatursprung auf einen gerechneten oder gemessenen Betriebszustand hin mittels des veränderbaren Heizwicklungsstromes (Parallelwiderstand) eingestellt. Diese Art der Einstellung ändert den thermischen Widerstand der Heizwicklung nicht. Daraus leitet sich ab, daß die Thermokopie ohne spezielle Anpassung auf den thermischen Widerstand der zu überwachenden Wicklung nur den Endwert des Temperatursprunges richtig anzeigen kann, nicht jedoch den tatsächlichen Temperaturverlauf bei Laständerung im Bereich von zwei bis drei Wicklungs-Zeitkonstanten.To monitor the thermal state of large transformers, the so-called "thermal image" is currently still preferably used. A temperature sensor in the hottest oil is superimposed by means of a heating coil on the calculated hot-spot temperature jump in winding oil. Depending on the device type, the temperature sensor can be a resistance wire (remote display) or a liquid-filled chamber (direct display with control contacts). The heating winding is fed with a current proportional to the winding current (thermocopy converter) and its thermal behavior should be adapted to that of the winding to be monitored. The latter requirement is usually only approximated, since it is practically impossible to take into account the large number of parameters with a simple heating winding. Eventually the hot spot temperature jump is set to a calculated or measured operating state by means of the variable heating winding current (parallel resistance). This type of setting does not change the thermal resistance of the heating coil. From this it follows that the thermocopy can only correctly display the final value of the temperature jump without special adaptation to the thermal resistance of the winding to be monitored, but not the actual temperature profile when the load changes in the range of two to three winding time constants.

Wie voran erwähnt, zeigt die Thermokopie für den Kormalbetrieb von derart gekühlten Transformatoren gut an. Bei Ausfall aller Ölförderpumpen verändern sich die thermischen Parameter der Wicklungen drastisch. Einerseits steigt der Wärmeübergangswiderstand auf ein mehrfaches der mit forcierter Ölströmung erzielbaren Wertes an und zum anderen stellt sich zur Aufrechterhaltung einer auch nur geringen natürlichen Ölströmung über die relativ großen hydraulischen Widerstände von Kühler und Wicklung eine große Temperaturspreizung entlang der zu kühlenden Wicklung ein. Diese letztlich gravierende Erhöhung der hot-spot-Temperatur wird von der normalen Thermokopie nicht angezeigt, da sie auf den thermischen Widerstand der Wicklung im Normalbetrieb eingestellt ist.As mentioned above, the thermocopy shows well for the normal operation of such cooled transformers. If all oil pumps fail, the thermal parameters of the windings change drastically. On the one hand, the heat transfer resistance rises to a multiple of the value that can be achieved with forced oil flow and, on the other hand, a large temperature spread along the winding to be cooled occurs due to the relatively large hydraulic resistances of the cooler and winding in order to maintain even a small natural oil flow. This ultimately serious increase in the hot spot temperature is not indicated by the normal thermocopy, since it is set to the thermal resistance of the winding in normal operation.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Einrichtung zu schaffen, die die oben angeführten Nachteile vermeidet und die eine ausreichende thermische Überwachung für Transformatoren und Drosselspulen mit erzwungener Umlaufkühlung und mit erzwungener Strömung des Kühlmediums durch die Wicklung des Transformators bzw. der Drosselspule.The object of the invention is therefore to provide a device which avoids the disadvantages mentioned above and which has adequate thermal monitoring for transformers and choke coils with forced circulation cooling and with forced flow of the cooling medium through the winding of the transformer or the choke coil.

Die erfindungsgemäße Einrichtung der eingangs erwähnten Art, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß von einem Teil des aus dem Drosselspulen- bzw. Transformatorenkessel über_eine Umwälz-Pumpe und einem Kühler geführtes Kühlmedium gespeist ist, wobei die Abzweigung für dieses Kühlmedium vor bzw. nach der Umwälz-Pumpe und vor dem Kühler vorgesehen ist.The inventive device of the type mentioned is characterized in that the vessel from one Part of the cooling medium fed from the choke coil or transformer boiler via a circulation pump and a cooler is fed, the branch for this cooling medium being provided before or after the circulation pump and upstream of the cooler.

Mit dieser Erfindung ist es erstmals möglich die tatsächlichen thermischen, hydraulischen Verhältnisse der Transformatorenwicklung mit einer Einrichtung nachzuvollziehen. Dadurch ist auch eine optimale thermische Überwachung des Transformators bei einem Kotbetieb z.B. Ausfall der Umwälz-Pumpen gegeben.With this invention it is possible for the first time to understand the actual thermal, hydraulic conditions of the transformer winding with one device. This also enables optimal thermal monitoring of the transformer in a manure operation, e.g. Failure of the circulation pumps.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Gefäß innerhalb des Transformatorenkessels angeordnet. Dadurch ist die Öltemperatur im Transformatorenkessel maßgebend für das Temperaturniveau der Thermokopieeinrichtung.According to a special embodiment of the invention, the vessel is arranged inside the transformer tank. As a result, the oil temperature in the transformer tank is decisive for the temperature level of the thermocopy device.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Gefäß außerhalb des Transformatorenkessels angeordnet. In diesem Fall kann dieses Gefäß in einem Schaltschrank untergebracht werden, nämlich wenn die Thermokopieeinrichtung nur für die Transformatorenwicklung Verwendung findet.According to a further feature of the invention, the vessel is arranged outside the transformer tank. In this case, this vessel can be accommodated in a control cabinet, namely if the thermocopy device is only used for the transformer winding.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, daß in der Leitung die das Öl zur Wicklung führt, ein hydraulischer Ersatzwiderstand für die Transformatorenwicklung vorgesehen ist. Bei einem Ausfall der forcierten Ölströmung wird dadurch der hydraulische Widerstand der Transformatorenwicklung für die Thermosyphonkühlung wirksam.A special embodiment of the invention is to be seen in the fact that a hydraulic equivalent resistor is provided for the transformer winding in the line which leads the oil to the winding. If the forced oil flow fails, the hydraulic resistance of the transformer winding for thermosiphon cooling becomes effective.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß in der Leitung ein hydraulischer Ersatzwiderstand für den Öl-Kühler vorgesehen ist. Bei einem Ausfall der forcierten Ölströmung wird dadurch der hydraulische Widerstand der Öl-Kühler für die Thermosyphonwirkung wirksam.Another feature of the invention is that a hydraulic equivalent resistor for the oil cooler is provided in the line. If the forced oil flow fails, the hydraulic resistance of the oil cooler becomes effective for the thermosiphon effect.

Kach einem Merkmal der Erfindung ist als Ersatzwiderstand ein Rückschlagventil od. ein hydraulisches Absperrorgan vorgesehen. Diese Ausgestaltung ist eine einfache Ausführung für den Ersatzwiderstand. Diese Lösung ist wirtschaftlich sicherlich die optimalste.According to a feature of the invention, a check valve or a hydraulic shut-off device is provided as an equivalent resistor. This configuration is a simple design for the equivalent resistor. Economically, this solution is the most optimal.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze, Fig. 2 ein Detail daraus Fig. 3 einen Schnitt A - A der Fig. 2.The invention is explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. 1 shows a schematic diagram, FIG. 2 shows a detail thereof, FIG. 3 shows a section A - A of FIG. 2.

Gemäß der Fig. 1 ist im Transformatorenkessel 1 die Transformatorenwicklung 2 angeordnet. Außerhalb des Transformatorenkessels 1 sind die für die erzwungene Ölumlaufkühlung notwendigen Ölumwälz-Pumpen 3 und die Öl-Kühler 4 vorgesehen. Wie ja allgemein bekannt beruht die forcierte Kühlung der Wicklung 2 darauf, daß das aus dem Transformatorenkessel 1 . kommende Öl durch die Umwälz-Pumpen 3 über die Öl-Kühler 4 wieder in den Transformatorenkessel 1 und direkt in die Wicklungen 2 gepumpt wird.1, the transformer winding 2 is arranged in the transformer tank 1. Outside of the transformer tank 1, the oil circulation pumps 3 and the oil coolers 4 required for the forced oil circulation cooling are provided. As is well known, the forced cooling of the winding 2 is based on the fact that it is from the transformer tank 1. Coming oil is pumped through the circulation pumps 3 through the oil cooler 4 back into the transformer tank 1 and directly into the windings 2.

Die Einrichtung zur thermischen Überwachung besteht aus einem Gefäß 5 -- in diesem Fall außerhalb des Transformatorenkessels 1 angeordnet -- , einem Thermofühler 6 und einer den Thermofühler 6 umgebenden Wicklung 7. Die Wicklung 7 wird über einen nicht dargestellten Stromwandler mit einem dem Strom der Transformatorenwicklung 2 proportionalen Strom gespeist. Ferner wird dem Gefäß 5 über eine bzw. mehrere Leitungen 8 Öl aus dem Transformatorenkessel 1 zugeführt. Dieses Öl wird aus den Hauptleitungen 9 nach der Ölumwälz-Pumpe 3 und vor den Öl-Kühlern 4 abgezweigt. Nach dem Umfließen der Wicklung 7 fließt das öl wieder in den Transformatorenkessel 1. Vor dem Gefäß 5 ist in die Leitung 8 ein hydraulischer Ersatzwiderstand 10 für die Transformatorenwicklung 2 und vor diesen Ersatzwiderstand 10 ein weiterer hydraulischer Ersatzwiderstand 11 für die Öl-Kühler 4 angeordnet.The device for thermal monitoring consists of a vessel 5 - in this case arranged outside the transformer tank 1 -, a thermal sensor 6 and a winding 7 surrounding the thermal sensor 6. The winding 7 is connected to the current of the transformer winding via a current transformer (not shown) 2 proportional current fed. Furthermore, oil is supplied to the vessel 5 from the transformer tank 1 via one or more lines 8. This oil is branched off from the main lines 9 after the oil circulation pump 3 and before the oil coolers 4. After the flow around the winding 7, the oil flows back into the transformer tank 1. In front of the vessel 5, a hydraulic equivalent resistor 10 for the transformer winding 2 is arranged in the line 8, and another hydraulic equivalent resistor 11 for the oil cooler 4 is arranged in front of this equivalent resistor 10.

Die Ersatzwiderstände 10, 11 können aus einzelnen Platten 12 bestehen, die Bohrungen 13 aufweisen. Durch genaue definierte Anordnung dieser Platten 12, die über einen Distanzierungsbolzen zusammengehalten werden, wird der benötigte hydraulische Widerstand erreicht.The equivalent resistors 10, 11 can consist of individual plates 12 which have bores 13. The required hydraulic resistance is achieved by a precisely defined arrangement of these plates 12, which are held together by a spacer bolt.

Zu bemerken wäre noch, daß anstelle des hydraulischen Ersatzwiderstandes 10 für die Transformatorenwicklung 2, die Wicklung 7 entsprechend ausgebildet werden könnte. Ebenso könnten mehrere Einrichtungen für diese thermische Überwachung mehrerer Wicklungen parallel geschaltet werden.It should also be noted that instead of the hydraulic equivalent resistor 10 for the transformer winding 2, the winding 7 could be designed accordingly. Likewise, several devices for this thermal monitoring of several windings could be connected in parallel.

Abschließend sei noch bemerkt, daß diese Einrichtung vor allem den Umstand berücksichtigt, daß bei einem Notbetrieb mit einer oder keiner Ölumwälz-Pumpen 3 der erheblich erhöhte Temperatursprung Wicklung - Öl sofort registriert wird.Finally, it should be noted that this device takes into account the fact that in an emergency operation with one or no oil circulation pumps 3, the significantly increased temperature jump winding - oil is registered immediately.

Claims (6)

1. Einrichtung zur thermischen Überwachung von Transformatoren und Drosselspulen mit erzwungener Umlaufkühlung, insbesondere Ölumlaufkühlung und erzwungener Strömung des Kühlmediums durch die Transformatoren- bzw. Drosselspulenwicklung, die ein mit Kühlmedium gefülltes und eine einen Thermofühler umgebende Wicklung aufweisendes Gefäß umfaßt, wobei diese Wicklung über einen Stromwandler mit einem dem Strom der Transformatorenwicklung proportionalen Strom gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (5) von einem Teil des aus dem Drosselspulen- bzw. Transformatorenkessel (1) über eine Umwälz-Pumpe (3) und einem Kühler (4) geführten Kühlmedium gespeist ist, wobei die Abzweigung für dieses Kühlmedium vor bzw. nach der Umwälz- Pumpe (3) und vor dem Kühler (4) vorgesehen ist.1. Device for the thermal monitoring of transformers and choke coils with forced circulation cooling, in particular oil circulation cooling and forced flow of the cooling medium through the transformer or choke coil winding, which comprises a vessel filled with cooling medium and a winding surrounding a thermal sensor, this winding via a current transformer is fed with a current proportional to the current of the transformer winding, characterized in that the vessel (5) from part of the cooling medium led out of the choke coil or transformer tank (1) via a circulating pump (3) and a cooler (4) is fed, the branch for this cooling medium is provided before or after the circulation pump (3) and before the cooler (4). 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (5) im Transformatorenkessel (1) angeordnet ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the vessel (5) is arranged in the transformer tank (1). 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (5) außerhalb des Transformatorenkessels (1) angeordnet ist.3. Device according to claim 1, characterized in that the vessel (5) is arranged outside the transformer tank (1). 4. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (8) die das Öl zur Wicklung (7) führt, ein hydraulischer Ersatzwiderstand (10) für die Transformatorenwicklung (2) vorgesehen ist.4. Device according to at least one of claims 1-3, characterized in that in the line (8) leading the oil to the winding (7), a hydraulic equivalent resistor (10) for the transformer winding (2) is provided. 5. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (8) ein hydraulischer Ersatzwiderstand (11) für den Öl-Kühler (4) vorgesehen ist.5. Device according to at least one of claims 1-4, characterized in that a hydraulic equivalent resistor (11) for the oil cooler (4) is provided in the line (8). 6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ersatzwiderstand (10 bzw. 11) ein Rückschlagventil od. ein hydraulisches Absperrorgan vorgesehen ist.6. Device according to claim 4 or 5, characterized in that a check valve or a hydraulic shut-off device is provided as the equivalent resistor (10 or 11).
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