EP0783198A1 - Überwachung der Spaltgasbildung in Transformatoren - Google Patents

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EP0783198A1
EP0783198A1 EP96100103A EP96100103A EP0783198A1 EP 0783198 A1 EP0783198 A1 EP 0783198A1 EP 96100103 A EP96100103 A EP 96100103A EP 96100103 A EP96100103 A EP 96100103A EP 0783198 A1 EP0783198 A1 EP 0783198A1
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EP
European Patent Office
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temperature
pressure
volume
contact
liquid
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EP96100103A
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English (en)
French (fr)
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EP0783198B1 (de
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Jürgen Bastian
Anne Isobel Bastian
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Individual
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Priority to AT96100103T priority patent/ATE171314T1/de
Priority to EP96100103A priority patent/EP0783198B1/de
Priority to US08/771,842 priority patent/US5900538A/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/53—Cases; Reservoirs, tanks, piping or valves, for arc-extinguishing fluid; Accessories therefor, e.g. safety arrangements, pressure relief devices
    • H01H33/55—Oil reservoirs or tanks; Lowering means therefor
    • H01H33/555—Protective arrangements responsive to abnormal fluid pressure, liquid level or liquid displacement, e.g. Buchholz relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H35/00—Switches operated by change of a physical condition
    • H01H35/24—Switches operated by change of fluid pressure, by fluid pressure waves, or by change of fluid flow
    • H01H35/26—Details
    • H01H35/28—Compensation for variation of ambient pressure or temperature

Definitions

  • Whether a fault current occurring in a transformer can be detected and which methods and devices can be used depends mainly on whether, based on the respective type of construction, the fault current has a detectable effect and whether a temporary or permanent effect appears as a fault can kick.
  • a further limitation is the delay in response, which is due to the fact that cracked gas bubbles can only be detected with a time delay by means of a gas collecting container, which has led to the inclusion of pressure wave sensitivity for error detection.
  • Buchholz relay in its function as a pressure wave detector.
  • the Buchholz relay has a damage-reducing rather than a damage-preventing role: switching off the transformer generally prevents the bursting event, but does not always avoid damage to the transformer itself.
  • the listed devices for fault indication have in common that they should or can either indicate fault currents in a late phase of their escalation or else unusual operating states, in particular overload.
  • the pressure measurement could be reduced to the normal operating pressure, i.e. refer to the constant temperature that causes it.
  • the monitoring of the pressure would therefore be particularly easy to carry out, since every pressure increase would indicate an error, each pressure drop would indicate a leak.
  • Construction-specific, optimal use of legal relationships as a general aim of the invention temperature-related volume monitoring in breathing and gas cushion transformers; Temperature-related pressure monitoring with hermetic transformers.
  • the breathing transformer with expansion tank is mechanically moved, preferably the measurement technology for the integrally filled hermetic transformer.
  • the respective liquid volume is related to the temperature that alone determines this volume in undisturbed operation.
  • the method can also be used for the gas cushion transformer. With the latter type, however, the method of temperature-related pressure monitoring can also be used with restrictions.
  • the respective pressure in the liquid can be related to the respective temperature with this type of transformer, as detailed below.
  • the method is particularly suitable for the integrally filled transformer, since with the same elasticity of the boiler and the exclusion of falsifying factors, the pressure increase in this case is greater than that of the gas cushion. If the temperature and volume remained the same, the pressure would be constant, and the measured pressure value only had to be compared with the value of the last measurement, with no temperature or volume reference being necessary.
  • DGPT d éte Frankfurt g az / p ression / t empérature for monitoring - optionally - gas development, pressure or temperature with a single one Device
  • function-like devices for the protection of transformers of various designs.
  • the present invention enables a low-current fault to be detected and developed. According to the prior art, the detection of high-current errors or the issuing of a warning signal or the shutdown which takes place is effected by various devices, various principles being used.
  • the present invention is a supplement to these devices. It is primarily about recognizing low-current, non-high-current, errors aligned. Since there is agreement that a current-causing fault only occurs very rarely without it having been preceded by a low-current fault - assuming that the fault has its origin in a defect on the transformer side - the invention is intended to detect the low-current fault which avoids current-causing faults will.
  • the invention described below mainly relates to integrally filled transformers.
  • the non-mechanical variant (claims 4-6) can only be used in other hermetic transformers if there are influences causing false indications, e.g. strong sunlight can be excluded.
  • points 1 and 2 relate generally to the aim of the invention and construction, point 3 relates only to the non-mechanical variant.
  • the composition of the cracked gases is determined by the type of fault and the liquid, and since different gases dissolve at different speeds in different insulating liquids, different faults are detected at different speeds, but basically within the escalation that can be processed by measurement and switching technology and well below the threshold a fault current in which the current-limiting fuses would operate.
  • FIGS. 1 to 3H The constructive implementation of the utilization of the principle for diagnostic and damage prevention purposes using simple mechanical devices is shown schematically in FIGS. 1 to 3H.
  • Numeral 1 denotes a floating piston, numeral 1a a bellows analogous to this. Floating pistons and bellows determine the direction of movement of the volume-dependent contact element A.
  • Numeral 2 denotes a temperature-driven (temperature-dependent) component, for example a bimetal element, which is used for the direction of movement of the temperature-dependent contact element B in Fig. 1 / H / i or B 1 and B 2 in the other schematic drawings.
  • Numeral 3 in Fig. 2 / E represents the connection to the expansion vessel.
  • Numeral 4 in Fig. 3 / N 2 indicates an oil leak.
  • Number 5 represents the transformer tank cover of a hermetic transformer.
  • 1, 1 / H and 1 / H / i show the undisturbed operation of an alternately loaded transformer.
  • the volume of the liquid is determined solely by the respective average temperature of the liquid; while maintaining the distances to B 1 and B 2, the contact element A moves upwards when heated and downwards when cooled.
  • Fig. 1 / H / i causes the direction of equality of the two contact elements to the continuous contact between the two contact elements (in analogy state inversion, due to the I of the contact elements B 1 and B 2 ntegration in B).
  • Fig. 2 / E and 2 / H of the accident is shown in each case reformed gas formation due to leakage or arc: the temperature un-dependent increase in the volume causes Berühung of the contact elements A and B 1 caused thereby alarm or the transformer is switched off .
  • Fig. 2 / E schematically illustrates the operation of a transformer with E xpansionsgefäß, Fig. 2 / H in H ermetiktransformator represents.
  • FIG. 3 / N 2 and 3 / H the liquid loss fault is shown, with FIG. 3 / N 2 showing the mode of action in an nitrogen-loaded, FIG. 3 / H in an integrally filled hermetic transformer.
  • Fig. 1 / H / i shows the constructive and the respective state of the contact elements defining a consequence of the I ntegration of the contact elements B 1 and B 2 in B.
  • the float or floating piston 1 When the mean operating temperature and thus the liquid volume increase, the float or floating piston 1 is pushed upwards and pulls the contact plate (contact element A) upwards; at the same time, the rise in the mean operating temperature with the appropriate design and location of the bimetal element 2 causes the associated contact elements B 1 and B 2 to move upward at the same speed and while maintaining the spacing of the contact elements from one another.
  • the bimetal temperature sensor 2 is therefore to be placed so that the temperature prevailing there is the average temperature of the insulating medium. If the average operating temperature falls, the process proceeds in the opposite direction (Fig. 1, Fig. 1 / H).
  • contact A and B 1 will close a circuit (Fig. 2, Fig. 2 / E, Fig. 2 / H). If the volume does not decrease as a result of a leak (Fig. 3, Fig 3 / N 2 , Fig. 3 / H) the contacts A and B 2 move towards each other until they touch and the circuit is closed, whereby, as in the case of contacting A and B 1, an alarm is triggered or the switch-off of the transformer is effected.
  • the sensitivity of the temperature-related volume monitoring depends on whether the prevailing conditions are actually recorded. In particular, it must be ensured that the formation of fission gas increases the volume of the floating piston or the bellows bottom. In addition, false triggering due to vibrations and changes in the properties of the equipment (aging) must be excluded.
  • a plunger actuated directly or indirectly by a movable piston in a gas cylinder could be used (applies to contact elements B 1 and B 2 , or B in 1 / H / i).
  • Volume changes of the integrally filled hermetic transformer can only be used diagnostically if either the volume changes are recorded as pressure changes or a design change is carried out which provides the temperature-dependent contact element with a volume-dependent correspondence.
  • a bellows 1a with a tension and compression spring, which extends from the underside of the cover 5 into the transformer and is closed on the oil side and is open or closed to the outside (the version which is closed to the outside is shown), the movements of which are so coordinated that they represent the temperature-related volume changes, which leads to a uniform movement of the three contact elements or two contact elements in Fig. 1 / H / i.
  • the ratio of bellows height: bellows width and the choice of spring force must be determined empirically, especially since the volume and pressure ratios bring about a slight shift by introducing the bellows and the resulting change in volume. (Without a tension and compression spring, an inelastic bellows would assume an undesirable position due to the buoyancy.)
  • sack-like structures equipped with a tension and compression spring would also be conceivable, whereby weldable plastics, possibly as laminates with a gas barrier layer, could be used.
  • a closed version of a bellows can also be used.
  • the use of a tension and compression spring is not absolutely necessary in the case of a gas-tight bellows that remains in a vertical position, but because of the tendency of the gas to advance the volume expansion of the liquid, it has a compensatory and corrective-stabilizing effect and thus enables tighter tolerances.
  • the version with an open bellows is preferred.
  • the opening must be protected from environmental influences, for example by fitting a U-shaped tube that is curved downwards and sealed against the transformer cover.
  • Transformers that are not integrally filled are generally characterized by low elastic and plastic deformability. However, if plastic deformation occurs, it is essential to re-calibrate to avoid false triggering due to the apparent decrease in liquid volume.
  • the ideal internal pressure variable hermetic transformer is not plastically deformable and can be deformed indefinitely. Plastic deformations due to overpressure and material fatigue can occur in real hermetic transformers. Plastic deformations are generally considered to be irreversible. It is theoretically possible to fill a hermetic transformer so that there is overpressure at all temperatures. Plastic deformations limit elastic deformability. They are fundamentally undesirable and can be reduced to a minimum by appropriate design measures. It will in the following, however, because they cannot be excluded in principle.
  • the proportion of the transformer internal volume increase attributable to the plastic deformation causes a slight reduction in the target pressure. This depends on the type of construction and the load cycles. The more rigid the transformer, the less plastic and elastic deformation and the greater the pressure fluctuation. In a transformer in which, for example, the cooling fins and tank are made of die-cast aluminum and form a whole, the plastic deformation can be neglected. Plastic deformation is known to transformer operators; when it occurs, it requires refilling one or more times with small amounts of the respective insulating liquid in order to restore the target delivery pressure. (Normally this is not done, since the restoration of the delivery condition target pressure is only desirable for test purposes.) Therefore, the corrected target pressure curve p ' should be created depending on the plastic deformation.
  • the corrected setpoint pressure curve describes the course of the transformer internal pressure as a function of the mean temperature of the insulating liquid and the elastic deformability of the transformer, the total volume increase as a result of the temperature increase being taken into account.
  • the corrected desired pressure curve (p 'should) be determined empirically or (electronic) to create due to temperature-related pressure measurements over again when a drop in the actual pressure at the insufficient kompensieten desired pressure values gives (p set ⁇ p' to ⁇ p '' to , etc.). In practice, depending on the load cycle extremes and choice of materials, this case will occur rarely or frequently.
  • the location and number of temperature measuring points must be determined empirically, except in the event that the representativity of the temperature measured in the thermometer pocket of the transformer or at another location which is favorable in terms of measurement technology is ensured for the mean temperature of the insulating liquid.
  • a correction factor may have to be taken into account. The latter is type-specific and can therefore only be determined empirically. The smaller the transformer, the smaller the temperature differences in the liquid in it - provided there is sufficient possibility of convection.
  • Temperature-related volume monitoring (claims 1 to 3) has no disadvantage compared to conventional mechanical monitoring of pressure and / or temperature (e.g. patents from Smith and Sangster) due to the fact that it functions purely mechanically.
  • the disadvantage is compared to the metrological-electronic method (claims 4 to 6), which is characterized in that it can be automatically verified (claim 4).
  • the automatic re-calibration which is repeated again and again, may only take place in the case of a drop that is significant in terms of measurement technology (significant in terms of measurement technology must be defined empirically) - not with an increase! - the measured and recalculated values are below the theoretical (original) target pressure values - and only within arbitrarily defined limit values that result from empirically obtained data. Small leaks are detected by the temperature-related pressure monitoring analogue to plastic deformations and cause an automatic re-calibration. There is no re-calibration in the opposite direction.
  • the described method and the associated arrangement not only cover all functions that are performed with the devices which react to dynamic pressure changes and function analogously to the Buchholz relay in the case of the internal pressure-variable hermetic transformer, with or without a gas cushion; in addition, the monitoring of the operating state of the transformer is made possible by means of a computer.
  • any back pressure exerted by the hermetic liquid container causes an increase in pressure which can be measured in the liquid.
  • This pressure increase is caused by the expansion of the liquid, which in turn is a consequence of the temperature increase.
  • a pressure increase of 0.1 bar in a hermetic transformer with a certain elasticity corresponds to a temperature increase of y K
  • a pressure increase of 0.2 bar corresponds to a correspondingly greater temperature increase of 2 y K.
  • these correspondences only apply to a very narrow pressure and temperature range, because the elasticity of the transformer, especially the integral-filled, very limited.
  • the volume of liquid is determined by the mean temperature, the choice of the most favorable measuring point depends on the design and the viscosity of the liquid, and the plastic deformability is construction and material-specific, the mean temperature and the plastic deformation can only be determined empirically .
  • the representativity of the temperature measurement (e.g. thermometer pocket) must be checked before setting up a target pressure curve.
  • the delivery condition-target pressure curve can be assumed up to the tolerable internal pressure of 1.2bar or 1.3bar (overpressure of 0.2- 0.3 bar) with the simple means of heating the liquid and applying little external pressure.
  • the prevailing external pressure should be slightly above the prevailing internal pressure.
  • Example integrally filled, stretchable transformers or hermetic transformers with gas cushion.
  • a gradual pressure increase can be carried out the respective values are brought about without heating the liquid by adding the appropriate amount of insulating liquid.
  • the quantity to be added is determined by the thermal expansion coefficient. This requires the basis of a temperature reference curve with entered values.
  • a correction factor may have to be taken into account, since the heating of the liquid causes an uncompensated disproportionate pressure increase due to the greater expansion of the gas and this expansion component is not partially compensated for by the gas partially dissolving.
  • the method of temperature-related pressure measurement is possible not only for integrally filled transformers but also for those with a gas cushion.
  • the restrictions listed above, in particular sun exposure, must be observed.
  • An alternative to this is to adhere to a waiting period before the initial verification of a building type, in order to carry out the verification only after gas saturation has taken place.
  • the method described has a slight inaccuracy factor which is due to the disproportionate expansion of the gas with respect to the liquid.
  • this inaccuracy factor is not significant in terms of measurement technology; if the gas is in contact with the liquid, it is partially compensated for by the higher gas solubility with a simultaneous increase in pressure and temperature.
  • expansion caused by strong solar radiation or the increase in pressure caused by this can simulate a fault current. If this danger is present, the mechanical variant of the invention, namely the temperature-related liquid volume monitoring, will prove to be more reliable.
  • the course of the multiple solubility curves is determined by the type of fault, the insulating liquid and the respective gases. This fact does not limit the principle of operation itself, but relativizes the sensitivity of the measuring system.
  • the actual pressure is recorded and digitized using a pressure probe.
  • the digitized value is compared with the associated digitized target pressure value. This comparison happens constantly, e.g. every 10 sec. If the actual pressure falls below the set pressure value, the set pressure value is automatically re-calibrated to compensate for the plastic deformation that has occurred or a possible loss of liquid.
  • the once created and compensated for each time of measurement temperature-dependent target pressure curve (p 'should ⁇ p' 'should ⁇ p''' is intended, etc.) provides the reference values with which the actual values are compared. This is done by comparing the digitized values, either computer-dependent or independent.
  • the pressure measurement is very reliable, the measurement accuracy is very high; Even inexpensive non-dedicated pressure gauges measure pressure changes of ⁇ 1mbar and use the measured values for digital display after conversion.
  • the invention pursues the purpose of also and in particular detecting errors - in their non-mechanical design in hermetic transformers - to which the current-limiting fuses cannot respond. This also includes the nominal current ranges in which the current-limiting fuse does not work reliably.
  • errors that are difficult to detect in particular such as a creeping turn short in a so-called gas dissolving or gas absorbing oil, can also be detected early and in particular in a hermetic transformer.
  • temperature-related pressure monitoring offers the possibility of releasing gas unselectively in the event of a pressure rise that is not caused by the liquid temperature, possibly after an alarm, since it is irrelevant in the temperature range above the dew point of the gases concerned, whether the gas cover is made from pure nitrogen or from cracked gases enriched nitrogen.
  • Temperature-related pressure monitoring is unsuitable for transformers with gas cushions where exposure to the sun cannot be ruled out.
  • temperature-related volume monitoring (mechanical variant) is recommended, especially since this variant also includes a leakage oil monitor function.
  • mechanical variant in order to enable a sufficiently reliable error display, e.g. false indications caused by vibrations can be avoided.
  • re-calibration is cumbersome and can only be carried out by hand; self-adjustment is impossible.
  • the liquid that is free of cracked gas when filling will always have a higher flash point than that saturated with cracked gases.
  • the saturation limit for fission gases is temperature-dependent.
  • the formation of fission gases, which go into solution without delay, does not cause a measurable increase in pressure and is therefore not immediately detectable. However, this is not relevant to loss prevention. It is therefore irrelevant that the temperature-related pressure monitoring for extremely low-energy faults works best in a medium saturated with fission gas. Escape of fission gases from the saturated liquid during cooling causes a spread between the actual pressure values and the target pressure values and thus, if necessary, an error message or shutdown. The temperature-related monitoring of the (target) volume or (target) pressure prevents a dangerous drop in the flash point.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung ungelöster Spaltgase in Isolierflüssigkeiten von Transformatoren zum Zweck der Überwachung und der Früherkennung von Fehlern oder eines Öllecks in Transformatoren mit Hilfe temperaturbezogener Volumen- oder Drucküberwachung. <IMAGE>

Description

    Stand der Technik
  • Ob ein in einem Transformator auftretender Fehlerstrom detektiert werden kann und welche Verfahren und Vorrichtungen dazu eingesetzt werden können, hängt hauptsächlich davon ab, ob, auf den jeweiligen Bautyp bezogen, der Fehlerstrom eine detektierbare Wirkung hat und ob eine vorübergehende oder bleibende Wirkung als Störung in Erscheinung treten kann.
  • Bei der Messung der Öl-Temperatur, ob als Hotspot- oder mittlere Temperatur, kann bei Bezug auf die zu erwartende Temperatur ein gestörter Betrieb angezeigt werden und, bei Verwendung einer Maximalanzeige (Schleppzeiger), ein in der Vergangenheit aufgetretener ungewöhnlicher Betriebszustand festgehalten werden. Gleiches gilt für die Druckmessung, die natürlich nur im Hermetik-Transformator verwendet werden kann. Da die Aussagekraft der Temperaturmessung davon abhängt, wie weit die gemessenen Werte von den anzunehmenden Werten entfernt sind, und diese nur unter Berücksichtigung der von äußeren Umständen abhängigen Geschwindigkeit der Wärmeübertragung angegeben werden können, ist die Messung absoluter Werte für die frühzeitige Erkennung eines Fehlerstroms nur bedingt tauglich.
  • Die Aussagekraft dieser Messungen hängt, von der Anzeige von Überlasten abgesehen, weitgehend davon ab, ob die jeweiligen Parameter Druck und Temperatur auf andere Parameter bezogen werden können, wobei die Messung des jeweils fließenden Stromes die wichtigste Rolle spielt. Beispiele für die Überwachung der Parameter Temperatur und Druck unter Bezugnahme auf den jeweils fließenden Strom sind in mehreren Patentdokumenten zu finden, insbesondere US Patent 4,654,806 (Poyser et al.).
  • Wird nur die Stromstärke überwacht, wie dies, unter Berücksichtigung der Erwärmungsequivalenz (I2·t), bei strombegrenzenden Sicherungen der Fall ist, können stromschwache Fehlerströme nicht detektiert werden. (Tritt der Fehler auf der Unterspannungsseite auf, ist er durch primärseitige strombegrenzende Sicherungen auch bei großen Fehlerströmen nur schwer oder erst spät detektierbar.) Die gleiche Einschränkung betrifft auch Überwachungsvorrichtungen, die auf vorübergehende Phänomene ansprechen sollen, wie beispielsweise das Buchholzrelais in seiner Funktion als Spaltgasdetektor: Gelangt kein Spaltgas in detektierbarer Menge auf seinem Weg zum Ausdehnungsgefäß in die Gasauffangkammer, oder geht das Gas sofort in Lösung, ist eine Detektion entweder nicht möglich, oder das - bei diesen Vorgang ermöglichenden Bedingungen - aus der Lösung austretende Gas bewirkt eine verspätete Fehlauslösung.
  • Eine weitere Einschränkung stellt die Verzögerung des Ansprechens dar, die darin begründet ist, daß mittels Gasauffangbehälter Spaltgasblasenbildung nur zeitverzögert detektiert werden kann, was zur Einbeziehung der Druckwellenempfindlichkeit zur Fehlererkennung geführt hat. (Buchholz-Relais in seiner Funktion als Druckwellendetektor.) Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei plötzlich auftretenden energiestarken Lichtbögen das Buchholz-Relais in seiner Funktion als Druckwellen-Detektor (Strömungsmelder) eher eine schadenmindernde als schadenverhindernde Rolle hat: Abschaltung des Transformators verhütet zwar in der Regel den Berstfall, vermeidet jedoch nicht immer den Schaden am Transformator selbst.
  • Den aufgeführten Vorrichtungen zur Fehleranzeige ist gemein, daß sie entweder Fehlerströme in einer späten Phase ihrer Eskalation oder aber ungewöhnliche Betriebszustände, insbesondere Überlast, anzeigen sollen oder können.
  • Angesichts der angeführten Einschränkungen und angesichts der Tatsache, daß - abgesehen von Blitzeinschlägen und ähnlichen vom Netz her auf den Transformator einwirkenden Stoßspannungen, die in Fehlerströmen resultieren - stromstarken Fehlerströmen fast immer stromschwache Fehlerströme vorausgehen, kommt der Detektion stromschwacher Fehlerströme eine große schadenverhütende Bedeutung zu. Da stromschwache Fehlerströme immer molekulare Veränderungen und gewöhnlich die Entstehung von Spaltgasen in der Isolierflüssigkeit bewirken, diese wiederum, abhängig vom jeweiligen Bautyp, ein kurzzeitig detektierbares Anwachsen des Volumens aus Flüssigkeit und darin vorhandenen und vorübergehend ungelösten Gasen oder des Drucks, bezogen auf die jeweilige Temperatur, zur Folge haben, ist es Ziel der im folgenden beschriebenen Erfindung, diesen Umstand diagnostisch zu nutzen. Bleibt die Betriebstemperatur gleich, oder ist sie nur sehr geringen Schwankungen unterworfen, wie dies bei einem Hermetik-Transformator möglich wäre, dessen Verlustwärmeabführung von der Stromaufnahme gesteuert würde, könnte die Druckmessung auf den Normal-Betriebsdruck, d.h. auf die ihn bedingende konstante Temperatur bezogen werden. Bei diesem theoretischen Sonderfall wäre deshalb die Überwachung des Drucks besonders einfach durchzuführen, da jeder Druckanstieg einen Fehler, jeder Druckabfall eine Undichtigkeit anzeigen würde.
    • Bautypenspezifische optimale Nutzung gesetzmäßiger Zusammenhänge als allgemeines Ziel der Erfindung: temperafurbezogene Volumenüberwachung bei atmenden und Gaspolster-Transformatoren; temperafurbezogene Drucküberwachung bei Hermetiktransformatoren.
  • Die diagnostische Nutzung des Zusammenhangs zwischen Flüssigkeitstemperatur, -volumen und -druck in der vorliegenden Erfindung geschieht bei verschiedenen Transformatorentypen auf verschiedene Weise. Bei der konstruktiven Umsetzung des Prinzips wird beim atmenden Transformator mit Ausdehnungsgefäß mechanisch verfahren, beim integral-befüllten Hermetiktransformator vorzugsweise meßtechnisch. Beim atmenden Transformator wird, wie in Fig.1 dargestellt, das jeweilige Flüssigkeitsvolumen auf die dieses Volumen im ungestörten Betrieb allein bedingende Temperatur bezogen. Die Methode kann auch für den Gaspolster-Transformator angewendet werden. Bei letzterem Typ kann jedoch, mit Einschränkungen, auch die Methode der temperaturbezogenen Drucküberwachung angewendet werden.
  • Da im Hermetiktransformator jede Volumenzunahme einen Druckanstieg verursacht, kann bei diesem Transformatorentyp der jeweilige Druck in der Flüssigkeit auf die jeweilige Temperatur bezogen werden, wie unten ausführlich ausgeführt. Die Methode eignet sich besonders für den integral befüllten Transformator, da bei gleicher Elastizität des Kessels und Ausschluß verfälschender Faktoren in diesem Fall der Druckanstieg größer ist als bei dem mit Gaspolster versehenen. Blieben Temperatur und Volumen gleich, wäre damit Druckkonstanz gegeben, und der gemessene Druckwert brauchte nur mit dem Wert der letzten Messung verglichen zu werden, wobei kein meßtechnischer Temperatur- oder Volumenbezug nötig wäre.
    • Kritik des Standes der Technik
  • Im Zusammenhang der im folgenden beschriebenen Erfindung interessieren, auf dem Bereich Hermetiktransformatoren, neben strombegrenzenden Sicherungen hauptsächlich die derzeitig verwendeten Überwachungseinrichtungen, insbesondere DGPT ( détecteur gaz/pression/ t empérature zur Überwachung von - wahlweise - Gasentwicklung, Druck oder Temperatur mit einem einzigen Gerät) und funktionsähnliche Einrichtungen zum Schutz von Transformatoren verschiedener Bauweise.
  • Beim Buchholzschutz und dem kombinierten Gerät zur Überwachung entweder sich bildender Gase oder von Druck oder Temperatur (DGPT) wird jeweils nur ein Ereignis bzw. Parameter herangezogen. So ist es zum Beispiel nicht möglich, mit dem DGPT durch Druckmessung festzustellen, ob der jeweilige Druck dem bei der Bezugstemperatur zu erwartenden Druck entspricht (Temperaturanstieg bewirkt Volumen- und dadurch Druckanstieg: in einem elastischen System entspricht also ein bestimmter Druck einer bestimmten mittleren Flüssigkeitstemperatur). Folglich kann diese Beziehung diagnostisch oder schadenverhütend ausgenutzt werden. In der Begründung zum US Patent 3,855,503 (Ristuccia), wie auch in anderen Patentschriften, wird darauf eingegangen, daß in Hermetiktransformatoren bei Vorliegen eines inneren Fehlers die Druckkurve steiler ansteigt als die Temperaturkurve; diese Tatsache wird jedoch nur in der Weise zur Fehlerdetektion genutzt, daß die Kurvensteilheit selbst, nicht aber das Abweichen einer temperaturbezogenen Istdruckkurve von der temperaturbezogenen Solldruckkurve den inneren Fehler anzeigt, wie es in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird. Die widersprüchlichen Aussagen darüber, ob der Druckanstieg dem Temperaturanstieg vorauseile oder umgekehrt, sind wohl darauf zurückzuführen, daß die Temperatur an verschiedenen Orten gemessen wurde und nicht der mittleren Temperatur entsprach. Es wird im folgenden auf die relevanten Stellen der angeführten Patentschriften hingewiesen.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht das Erkennen eines stromschwachen Fehlers und seine Entwicklung. Das Erkennen stromstarker Fehler bzw. das Geben eines Warnsignals oder die erfolgende Abschaltung wird nach dem Stand der Technik von verschiedenen Vorrichtungen bewirkt, wobei verschiedenartige Prinzipien zur Anwendung kommen. Die vorliegende Erfindung ist eine Ergänzung zu diesen Vorrichtungen. Sie ist vorrangig auf das Erkennen stromschwacher, nicht stromstarker, Fehler ausgerichtet. Da Übereinstimmung darüber herrscht, daß nur sehr selten ein stromstarker Fehler auftritt, ohne daß ihm ein stromschwacher Fehler vorausgegangen wäre - wobei angenommen wird, der Fehler habe seinen Ursprung in einem transformatorseitigen Mangel - soll mit der Erfindung der stromschwache Fehler erkannt, der stromstarke Fehler vermieden werden.
  • US Patent 4,223,364 (Sangster) bezieht sich auf mit Gaskissen beaufschlagte Transformatoren und führt in der Begründung an, daß der Bezug zwischen Temperatur und Druck in solchen Transformatoren nicht genau dem Boyleschen Gesetz folgt. Unerwähnt bleibt, daß Sonneneinstrahlung das Gas unter dem Transformatorendeckel stark erwärmen und einen erheblichen Innendruck und damit eine Verfälschung der zu erwartenden Beziehungen verursachen kann. Die Wechselwirkung der verschiedenen Faktoren ist in ihrer verfälschenden Wirkung ungenügend berücksichtigt. Nicht nur wird das Gaspolster durch die Ausdehnung der sich erwärmenden Flüssigkeit in seinem Volumen bestimmt; der Druck wird durch die Eigenerwärmung des Gases in Kontakt mit der Flüssigkeit beeinflußt, sowie durch äußere Einflüsse wie z.B. Sonneneinstrahlung. Auch die Löslichkeit der im Gaspolster enthaltenen Gase ist ein Einflußfaktor.
  • Wie in US Patent 4,223,364 (Sangster) ausgeführt, bestehen bei der Messung von Temperatur und Druck in Gaskissen-Transformatoren einige Gesetzmäßigkeiten hinsichtlich der Verzögerung des Ansstiegs der Druckwerte, die zur Begründung der Notwendigkeit der parallelen und komplementären Messung von Druck und Temperatur herangezogen werden. Diese sind jedoch auch in dem angeführten Patent nicht in all ihren Wechselwirkungen dargestellt. Insbesondere werden die Beziehungen zwischen Temperatur, Volumen und Druck nicht diagnostisch genutzt.
  • Wie im US Patent 4,223,364 (Sangster) ausgeführt wird (Spalte 1, Zeile 63ff), wird auf den Typ Luftkissentransformator Bezug genommen (z.B. Fig. 3 des angeführten Dokuments) und dient die Temperaturmessung nicht dem Zweck, Temperatur und Druck zu diagnostischen Zwecken aufeinander zu beziehen. Folglich wird auch nicht die Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit gemessen. Insbesondere wird ausgeführt, daß die im heißeren Teil der Flüssigkeit im oberen Teil des Transformators gemessene Temperaturerhöhung der Druckerhöhung vorauseilen soll (Spalte 2, Zeile 59ff). In diesem wie in den im folgenden aufgeführten Patenten sind Druck und Temperatur meßtechnisch nicht bzw. in ungeeigneter Weise (US Patent 4,223,364, Sangster) aufeinander bezogene Parameter.
  • Im U.S. Patent 4,223,364 (Sangster) wird sogar in Fig. 1 eine Apparatur beschrieben, bei der, bei der Annahme der Gegenläufigkeit von Druck und Temperatur, die auf einen um die Achse (22) beweglichen zweiarmigen Hebel einwirken, bei niedrigerer Temperatur ein größerer Druck nötig wäre, um einen Schaltmechanismus zu betätigen, als dies der Fall wäre, wenn zu diesem Zeitpunkt eine höhere Temperatur vorläge. (Erläuterungen Spalte 5, Zeilen 11ff. der zitierten Patentschrift) Bei nicht drehbarer Anordnung des dort beschriebenen Gestänges sind die Funktionen Druck und Temperatur "completely decoupled" (Spalte 5, Zeile 8/9) d.h. unabhängig voneinander wirkend, was unzutreffend als "cumulative" bezeichnet wird. Auch die Aussage "completely decoupled" entspricht nicht dem Sachverhalt der Bedingtheit des einen Parameters durch den anderen.
  • Das von Sangster erwähnte (Spalte 5, Zeile 12) "pivotal coupling" der Druck- und Temperaturüberwachung, ist unrichtig gewertet. Wenn nämlich in Fig. 1 7 einen zweiarmigen Hebel mit Drehpunkt 22 darstellt, führt dies dazu, daß gleichzeitig auftretende gleichmäßige Erhöhung von Druck und Temperatur die gleiche Bewegung des Auslösestifts (nach rechts) bewirkt wie bei einer Anordnung ohne Drehpunkt. Ein Anwachsen der Temperatur ohne Anwachsen des Drucks widerspricht den Gegebenheiten im (Hermetik-)Transformatorenkessel, ist also irrelevant. Wächst aber, in der Ausführung mit 22 als Drehpunkt, der Druck allein, so ist zur Bewegung des Auslösestifts bei niedriger Temperatur ein höherer Druck erforderlich als bei hoher Temperatur. Dieser Effekt dürfte wohl nicht im Sinn des Erfinders (Sangster) sein; die von ihm gegebene Erklärung läßt aber keinen anderen Schluß zu als den, daß er sich nicht darüber im klaren war, daß die Umfunktionierung des Befestigungspunktes 22 in einen Drehpunkt für 7 keinen sicherheitstechnischen Gewinn bedeutet: Das die Fehleranzeige bzw. Abschaltung bewirkende Element könnte im schlimmsten Fall daran gehindert werden.
  • Unter Bezugnahme auf ein früheres Patent (US Patent No. 2,273,540, Smith) wird von Sangster auf Einschränkungen zu besagter Gesetzmäßigkeit bei Transformatoren, insbesondere das Nichtvorliegen eines konstanten (Gas-)Volumens hingewiesen (Spalte 1, Zeile 62ff), es wird jedoch nicht erwähnt, daß die durch Sonnen-Einstrahlung bewirkte Erwärmung des Luftkissens eine erhebliche Verschiebung der Verhältnisse bewirkt.
  • Nicht zuletzt aus diesem Grund ist die Drucküberwachung in Transformatoren mit Gaspolster problematisch, sie wäre es selbst bei Bezug des Drucks auf die Flüssigkeitstemperatur. Ihr Funktionieren hängt weitgehend vom Standort ab.
  • Sowohl im US Patent 2,273,540 (Smith) als auch im US Patent 4,223,364 (Sangster) erfolgt die Betätigung des Schalters mechanisch, wobei Temperaturanstieg oder Druckanstieg - unabhängig voneinander oder in ungeeigneter Beziehung zueinander - die Betätigung von Gestängen, Hebeln, Stößeln oder ähnlichen mechanischen Teilen bewirkt. Obwohl weder von Smith noch von Sangster ein echt "kumulativer" Effekt von Temperatur- und Druckanstieg nachgewiesen wird, wird offenbar ein solcher Effekt von beiden erstrebt. (Smith, S.4, Spalte 1, Zeilen 15ff; Sangster, Spalte 5, Zeilen 11ff)
  • In der hier vorliegenden Erfindung wird eine derartige Wirkung weder erstrebt, noch erzielt, noch wird sie für sinnvoll gehalten. Ein hoher Druck in einem Transformator läßt umso eher auf einen Fehler schließen, je niedriger die Flüssigkeitstemperatur ist. Dieser Umstand ist offenbar weder von Smith noch von Sangster erkannt worden.
  • Im US Patent 3,855,503 (Ristuccia), in dem eine zeitliche Verzögerung des Anstiegs der Temperaturkurve gegenüber der Druckkurve erwähnt wird, wird dieser Umstand nicht zur Fehlerdiagnose herangezogen. Die gemessenen Signale werden lediglich mit den jeweils zulässigen Bezugswerten verglichen, ohne daß die Druckwerte temperaturbezogen wären. Die Erklärung der von Ristuccia festgestellten Anomalie liegt in der mangelnden Repräsentativität des Meßpunktes: Ein Bezug von Hotspot-Temperaturmeßwerten auf den Solldruck wäre deshalb diagnostisch wenig sinnvoll.
  • Wie in der Erklärung zu Fig. 4,5 und 6 des Patentes 3,855,503 weiter ausgeführt wird, geschieht die Messung von Druck und Temperatur unabhängig voneinander: Der jeweilige Druck wird nicht auf die jeweilige Temperatur bezogen.
  • Im US Patent 4,654,806 (Poyser et al.), das ein "microprocessor-based transformer monitoring system" beschreibt, werden einzelne Input-Parameter überwacht, d.h. mit "historischen" Werten verglichen. Auch hier wird nicht der jeweilige temperaturbezogene Istdruckwert mit einem temperaturbezogenen Solldruckwert verglichen.
  • Die im vorhergehenden angeführten Patentschriften beziehen sich auf große Transformatoren mit Gaspolster.
  • Die im folgenden beschriebene Erfindung bezieht sich in ihrer nicht-mechanischen Variante hauptsächlich auf integral gefüllte Transformatoren. Die nicht-mechanische Variante (Ansprüche 4-6) kann in anderen Hermetiktransformatoren nur dann angewendet werden, wenn Fehlanzeigen bewirkende Einflüsse, wie z.B. starke Sonneneinstrahlung ausgeschlossen werden können.
    • Beschreibung der Erfindungs- und Konstruktionsziele
  • Die hier beschriebene Erfindung beruht
    • 1. auf der bekannten Tatsache, daß einer bestimmten mittleren Flüssigkeitstemperatur ein bestimmtes Volumen und damit, bei Hermetik-Bauweise, ein bestimmter Druck entspricht, der bei integralbefüllten Typen keiner meßtechnischen Korrektur zur Kompensation vorübergehend wirksamer Verfälschungsfaktoren bedarf, und
    • 2. auf dem Umstand, daß schwache Fehlerströme, auf die die strombegrenzenden Sicherungen nicht ansprechen können, zu Spaltgasbildung führen, was wiederum eine Volumen- bzw. Druckerhöhung bewirkt, ohne daß diese Volumen- oder Druckerhöhung von einer meßtechnisch relevanten Temperaturerhöhung begleitet sein müßte, zumal die Temperaturerhöhung punktuell auftritt und die Vergleichmäßigung der Temperatur nur zeitlich verschoben meßbar wäre, sowie
    • 3. auf der Möglichkeit der Erstellung von selbstabgleichenden (kompensierten) Solldruck-Bezugskurven als Funktion der gemessenen Öltemperatur und den sich zum beliebigen Meßzeitpunkt ergebenden Unterschieden zur Istdruckkurve, sowie der Möglichkeit der Digitalisierung der Meßwerte zur einfacheren diagnostischen Verwertung.
  • Während die Punkte 1 und 2 das Erfindungs- und Konstruktionsziel allgemein betreffen, betrifft Punkt 3 nur die nicht-mechanische Variante.
  • Ein weiterer Umstand soll von der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden: Primärseitige stromstarke Fehler treten in der Regel so plötzlich auf, daß auch sehr schnelle Schalter nicht schnell genug darauf zu reagieren vermögen. Dagegen fangen sekundärseitige Fehlerströme gewöhnlich als schleichende Windungsschlüsse an, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit eskalieren, im allgemeinen jedoch eher langsam.
  • Mit der konstruktiven Verwertung der Gegebenheiten und ihrer bautypenspezifischen Umsetzung in der vorliegenden Erfindung soll ermöglicht werden, daß außer stromstarken Fehlern, auf die die strombegrenzenden Sicherungen ansprechen, auch stromschwache Fehler in allen Isolierflüssigkeiten erkannt werden, die sich bekanntlich dadurch auszeichnen, daß ein in ihnen auftretender Fehler eine molekulare Umwandlung verursacht, die eine, bei Bezug auf die jeweilige Betriebstemperatur überproportionale, Druckerhöhung bewirkt. Das Wirkprinzip bleibt selbst bei solchen Gasen erhalten, die relativ schnell in Lösung gehen; der zeitliche Abstand bis zum Ansprechen wird - insbesondere bei Flüssigkeiten, bei denen molekulare Umbildungen nur mit geringer Spaltgasbildung einhergehen - auch wenn die Gesamtenergie gleich ist, bei kleineren Fehlerströmen mit geringer Spaltgasbildung nicht nur absolut, sondern auch relativ größer sein als bei größeren Fehlerströmen. Da die Zusammensetzung der Spaltgase von der Art des Fehlers und der Flüssigkeit bestimmt wird, und da sich verschiedene Gase verschieden rasch in verschiedenen Isolierflüssigkeiten lösen, werden verschiedene Fehler verschieden schnell detektiert, jedoch grundsätzlich innerhalb der meß- und schalttechnisch verarbeitbaren Eskalation und weit unter der Schwelle eines Fehlerstroms, bei dem die strombegrenzenden Sicherungen in Funktion treten würden.
    • Beschreibung der Schemazeichnungen zur Erläuterung des Prinzips der temperaturbezogenen Volumenüberwachung bei verschiedenen Transformatorentypen und verschiedener Gestaltung des volumenabhängigen Störfall-Detektorelements.
  • Die konstruktive Umsetzung der Nutzbarmachung des Prinzips zu diagnostischen und schadenverhütenden Zwecken unter Verwendung einfacher mechanischer Vorrichtungen wird in Fig. 1 bis Fig. 3H schematisch dargestellt.
  • Mit Ziffer 1 wird ein Schwimmkolben, mit Ziffer 1a ein diesem analoger Balg bezeichnet. Schwimmkolben und Balg bestimmen die Bewegungsrichtung des volumenabhängigen Kontaktelements A. Mit Ziffer 2 wird ein temperaturgetriebenes (temperaturabhängiges) Bauteil z.B. Bimetallelement bezeichnet, das für die Bewegungsrichtung des temperaturabhängigen Kontaktelements B in Fig. 1/H/i bzw. B1 und B2 in den übrigen Schemazeichnungen verantwortlich ist. Ziffer 3 in Fig. 2/E stellt die Verbindung zum Expansionsgefäß dar. Ziffer 4 in Fig. 3/N2 deutet ein Ölleck an. Ziffer 5 stellt die Transformatorenkesselabdeckung eines Hermetiktransformators dar.
  • In Fig. 1, Fig. 1/H und Fig. 1/H/i ist der ungestörte Betrieb eines wechselnd belasteten Transformators dargestellt. Das Volumen der Flüssigkeit wird allein durch die jeweilige mittlere Temperatur der Flüssigkeit bedingt; das Kontaktelement A bewegt sich unter Beibehaltung der Abstände zu B1 und B2 bei Erwärmung nach oben, bei Abkühlung nach unten. In Fig. 1/H/i bewirkt die Richtungsgleichheit der beiden Kontaktelemente den ununterbrochenen Kontakt der beiden Kontaktelemente (Analogie bei Zustandsumkehrung, bedingt durch die Integration der Kontaktelemente B1 und B2 in B).
  • In Fig. 2, Fig. 2/E und 2/H ist jeweils der Störfall Spaltgasbildung infolge Fehlerstrom bzw. Lichtbogen dargestellt: Die Temperaturunabhängige Vergrößerung des Volumens bewirkt Berühung der Kontaktelemente A und B1, wodurch Alarm ausgelöst oder der Transformator abgeschaltet wird.
  • Fig. 2/E stellt schematisch die Wirkungsweise in einem Transformator mit Expansionsgefäß, Fig. 2/H in einem Hermetiktransformator dar.
  • In Fig. 3, Fig. 3/N2 und Fig. 3/H ist der Störfall Flüssigkeitsverlust dargestellt, wobei Fig. 3/N2 die Wirkungsweise in einem sticksktoffbeaufschlagten, Fig. 3/H in einem integralbefüllten Hermetiktransformator aufzeigt. Der durch Ölleck eingetretene Flüssigkeitsverlust, verdeutlicht durch Ziffer 4 in Fig. 2/N2, bewirkt eine temperaturunabhängige Flüssigkeitsvolumenabnahme, was zur Berührung der Kontaktelemente A und B2 und damit zu einer Störfallanzeige oder Abschaltung des Transformators führt.
  • Fig. 1/H/i zeigt die konstruktive und den jeweiligen Zustand der Kontaktelemente bestimmende Konsequenz der Integration der Kontaktelemente B1 und B2 in B.
    • Erläuterungen zu den Schemazeichnungen an repräsentativen Beispielen:
  • Bei Anstieg der mittleren Betriebstemperatur und damit des Flüssigkeitsvolumens wird der Schwimmer bzw. Schwimmkolben 1 nach oben gedrückt und zieht die Kontaktplatte (Kontaktelement A) nach oben; gleichzeitig bewirkt der Anstieg der mittleren Betriebstemperatur bei entsprechender Ausführung und Lokalisierung des Bimetallelements 2, daß sich die damit verbundenen Kontaktelemente B1 und B2 mit der gleichen Geschwindigkeit und unter Wahrung der Abstände der Kontaktelemente untereinander ebenfalls in die gleiche Richtung nach oben bewegen. Der Bimetall-Temperaturfühler 2 ist deshalb so zu plazieren, daß die dort herrschende Temperatur die mittlere Temperatur des Isoliermediums ist. Fällt die mittlere Betriebstemperatur, verläuft der Vorgang in der entgegengesetzten Richtung (Fig. 1, Fig. 1/H).
  • Bei nicht temperaturerhöhungsbedingtem Volumenzuwachs infolge Spaltgasbildung kommt es durch Berühung der Kontakte A und B1 zur Schließung eines Stromkreises (Fig. 2, Fig. 2/E, Fig. 2/H) Bei nicht temperaturbedingter Volumenabnahme infolge eines Lecks (Fig. 3, Fig. 3/N2, Fig. 3/H) bewegen sich die Kontakte A und B2 aufeinander zu, bis sie sich berühren und der Stromkreis geschlossen wird, wordurch wie im Fall der Berührung von A und B1 ein Alarm ausgelöst oder die Abschaltung des Transformators bewirkt wird.
  • Fig. 1/H/i, Funktionsweise bei alternativer Gestaltung.
    Die beiden im vorhergehenden beschriebenen volumengetriebenen (volumenabhängigen) Kontaktelemente lassen sich in ein einziges Kontaktelement zusammenfassen, wenn zwei Bedingungen erfüllt werden:
    • 1. Bei normalem Betrieb steht das temperaturabhängige Kontaktelement B mit dem volumengetriebenen (volumenabhängigen) Kontaktelement A in Berührung. Unterbrechung des Kontakts tritt im Störfall ein. (Fig. 1/H/i zeigt die Nutzung der Möglichkeit an der in Hermetiktransformatoren günstigsten Ausfühung mit Balg).
    • 2. Der in der vorhergehenden Beschreibung durch den Abstand zwischen B1 und B2 definierte Toleranzbereich wird dadurch geschaffen, daß eines der Kontaktelemente oder beide als Kontaktzone in Bewegungsrichtung ausgebildet sind (Fig. 1/H/i zeigt das temperaturbezogene Kontaktelement als Kontaktzone).
      Das druckgetriebene Kontaktelement berührt, so lange der Istdruck dem Solldruck annähernd gleich ist, das temperaturgetriebene Kontaktelement. Entspricht jedoch der Istdruck nicht dem Solldruck, was bei einem Fehler oder bei Eintreten eines Lecks der Fall ist, so wird der Kontakt unterbrochen, und es erfolgt Fehlermeldung bzw. Abschaltung. (Kontakt A verläßt die Kontaktfläche B.)
      Diese Ausführung stellt funktional gewissermaßen die Photonegativ-Entsprechung der vorher beschriebenen Ausführung dar: Im ersten Fall ist der ungestörte Betrieb durch die Unmöglichkeit des In-Berührung-Bringens des volumenabhängigen Kontaktelements mit einem der temperaturabhängigen Kontaktelemente, im zweiten Fall durch die Unmöglichkeit der Unterbrechung des bestehenden Kontakts gekennzeichnet.
  • Die spiegelbildlichen Entsprechungen sind nicht dargestellt.
    • NB:
    Theoretisch ist es möglich, daß ein lange anhaltender extrem stromschwacher Fehler "postum" angezeigt wird, nämlich dann, wenn die Flüssigkeit mit einem Spaltgas saturiert ist und dieses beim Abkühlen aus der Flüssigkeit austritt. Diese Möglichkeit ist von erheblicher schadenverhütenden Bedeutung (schleichender, nicht eskalierender, Windungsschluß).
    Sensibilität und mögliche Fehlauslösungen
  • Die Feinfühligkeit der temperaturbezogenen Volumenüberwachung hängt davon ab, ob die jeweils herrschenden Verhältnisse tatsächlich erfaßt werden. Insbesondere muß gewährleistet sein, daß sich Spaltgasbildung volumenvergrößernd auf den Schwimmkolben bzw. den Balgboden auswirkt. Außerdem müssen Fehlauslösungen durch Schwingungen und Veränderungen der Eigenschaften der Apparatur (Alterung) ausgeschlossen werden.
  • Erleichtert man den Spaltgasen, sich unter dem entsprechend geformten Schwimmer bzw. Schwimmkolben zu sammeln, wird der Vorgang des In-Lösung-Gehens aufgrund der kleineren Kontaktoberflächen langsamer ablaufen, und es ergibt sich damit eine größere Empfindlichkeit der Fehlerdetektion. (Fig. 2/E)
  • Prinzipiell wären Varianten der beschriebenen Ausfühungen möglich: Anstatt eines Bimetallelements könnte ein von einem beweglichen Kolben in einem Gaszylinder direkt oder indirekt betätigter Stößel verwendet werden (betrifft Kontaktelemente B1 und B2, bzw. B in 1/H/i).
  • Um durch Vibration ausgelöste Fehlauslösungen zu verhüten, kann eine geeignete Schwingungsdämpfung vorgesehen werden. Erfahrungsgemäß sind Vibrationen von Festkörpern jedoch in einem flüssigen Medium, anders als in einem gasförmigen, durch das Medium selbst stark gedämpft.
    • Möglichkeit der Nutzung des beschriebenen Funktionsprinzips der temperaturbezogenen Volumenüberwachung in integralbefüllten und anderen Hermetiktransformatoren (Figs. 1/H; 1/H/i; 2/H; 3/H).
  • Volumenveränderungen des integralbefüllten Hermetiktransformators sind nur dann diagnostisch nutzbar, wenn entweder die Volumenveränderungen als Druckveränderungen erfaßt werden oder eine konstruktive Veränderung durchgeführt wird, die dem temperaturabhängigen Kontaktelement eine volumenabhängige Entsprechung verschafft.
  • Dies geschieht am einfachsten durch Anbringung eines von der Unterseite der Abdeckung 5 in den Transformator hineinreichenden und nach der Ölseite geschlossenen und nach außen offenen oder geschlossenen (gezeigt wird die nach außen geschlossene Ausführung) Balgs 1a mit Zug- und Druckfeder, dessen Bewegungen so abgestimmt sind, daß sie die temperaturbedingten Volumenveränderungen repräsentieren, was zu einer gleichförmigen Bewegung der drei Kontaktelemente bzw. zwei Kontaktelemente in Fig. 1/H/i führt. Das Verhältnis Balghöhe : Balgbreite sowie die Wahl der Federkraft ist empirisch zu bestimmen, zumal die Volumen- und Druckverhältnisse durch Einbringen des Balgs und die damit gegebene Volumenveränderung eine leichte Verschiebung bewirken. (Ohne Zug- und Druckfeder würde aufgrund des Auftriebs ein unelastischer Balg eine unerwünschte Lage einnehmen.)
  • Anstatt eines Balgs, der aus einem dichten und mit der Isolierflüssigkeit kompatiblen Chemiewerkstoff, z.B. PTFE bestehen könnte, wären auch mit Zug- und Druckfeder ausgerüstete sackartige Gebilde denkbar, wobei schweißbare Kunststoffe, u.U. als Laminate mit Gassperr-schicht, verwendet werden könnten.
  • Durch entsprechende Gestaltung und Dimensionierung, d.h. die zweckentsprechende Wahl des Verhältnisses der Balghöhe zur Balgbreite und des damit gegebenen Hubs, bzw. Wegs des Kontaktelements B bzw. der Kontaktelemente B1 und B2 ist auch eine geschlossene Ausführung eines Balgs verwendbar. Die Mitverwendung einer Zug- und Druckfeder ist bei einem gasdichten und in vertikaler Stellung verbleibenden Balg nicht unbedingt erforderlich, wirkt jedoch wegen der Tendenz des Gases, der Volumenausdehnung der Flüssigkeit vorauszueilen, kompensatorisch und korrektiv-stabilisierend und ermöglicht dadurch engere Toleranzen.
  • Wegen der Möglichkeit leichter Verfälschungen der Gasausdehnung aufgrund des Einflusses der Außentemperatur und anderer Störelemente, insbesondere Sonneneinstrahlung, wird die Ausführung mit offenem Balg bevorzugt. Die Öffnung ist vor Umwelteinflüssen zu schützen, etwa durch Aufsetzen eines nach unten gekrümmten und gegen den Transformatorendeckel abgedichteten U-förmigen Rohres.
  • Die im vorhergehenden beschriebene Ausführung ist prinzipiell auch in Gaspolstertransformatoren einsetzbar.
    • Vorteil der Nutzung des erläuterten Prinzips bei Verwendung meßtechnischer Mittel (nicht-mechanische Variante) in Hermetiktransformatoren, insbesondere integralbefüllten. Messung der jeweiligen mittleren Temperatur, bei Überwachung des Drucks anstelle des Volumens.
  • Nicht integralbefüllte Transformatoren zeichnen sich im allgemeinen durch geringe elastische und plastische Verformbarkeit aus. Tritt jedoch plastische Verformung auf, ist, wegen der dadurch bedingten scheinbaren Flüssigkeitsvolumenabnahme eine Nacheichung zur Vermeidung von Fehlauslösungen unumgänglich.
  • In der im folgenden beschriebenen konstruktiven Umsetzung des Prinzips wird die Möglichkeit der Selbsteichung bzw. Selbstnacheichung bei der temperaturbezogenen Drucküberwachung, die gewissermaßen eine Sonderform der temperaturbezogenen Volumenüberwachung darstellt, aufgezeigt.
    • Solldruckkurve und plastische Verformung
  • Der ideale innendruckvariable Hermetiktransformator ist nicht plastisch verformbar und unbegrenzt elastisch verformbar. Beim realen Hermetiktransformator können plastische Verformungen durch Überdruck und Werkstoffermüdung auftreten. Plastische Verformungen gelten allgemein als irreversibel. Es ist theoretisch möglich, einen Hermetiktransformator so zu befüllen, daß bei allen auftretenden Temperaturen Überdruck herrscht. Plastische Verformungen schränken die elastische Verformbarkeit ein. Sie sind grundsätzlich unerwünscht und können durch entsprechende konstruktive Maßnahmen auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Es wird im folgenden jedoch darauf eingegangen, weil sie nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden können.
  • Der auf die plastische Verformung entfallende Anteil der Transformator-Innenvolumenzunahme bewirkt eine geringfügige Solldruck-Minderung. Diese hängt vom Bautyp und von den Lastspielen ab. Je starrer der Transformator, desto geringer sind plastische und elastische Verformung und desto größer ist die Druckschwankung. In einem Transformator, bei dem zum Beispiel Kühlrippen und Tank aus dickwandigem Alu-Druckguß hergestellt sind und ein Ganzes bilden, kann die plastische Verformung vernachlässigt werden. Die plastische Verformung ist Transformatorenbetreibern bekannt; sie erfordert bei ihrem Auftreten, zur Wiederherstellung des Lieferzustand-Solldrucks, ein- oder mehrmaliges Nachfüllen mit geringen Mengen der jeweiligen Isolierflüssigkeit. (Normalerweise wird darauf verzichtet, da die Wiederherstellung des Lieferzustand-Solldrucks nur für Prüfzwecke wünschenswert ist.) Deshalb muß die korrigierte Solldruckkurve p' soll in Abhängigkeit von der plastischen Verformung erstellt werden. Nur durch Neutralisierung der durch plastische Verformung verursachten Verfälschung der Bezugskurve (psoll bzw. p'soll) kann der Unterschied zwischen pist und psoll bzw. p'soll zur Fehlerfrühanzeige genutzt werden. Ist die plastische Verformung meßtechnisch insignifikant, so gilt p soll = p' soll
    Figure imgb0001
    . Da betriebstechnisch insignifikante, meßtechnisch jedoch signifikante kleinste Undichtigkeiten für die beschriebene temperaturbezogene Drucktmessung analog plastischen Verformungen sind, gilt das für plastische Verformung Gesagte grundsätzlich auch für geringfügige Undichtigkeiten. Die temperaturbezogene Drucküberwachung übernimmt also die Rolle des Leckölwächters, und zwar ohne Mehraufwand.
  • Die korrigierte Solldruckkurve beschreibt den Verlauf des Transformatoreninnendrucks in Abhängigkeit von der mittleren Temperatur der Isolierflüssigkeit und der elastischen Verformbarkeit des Transformators, wobei die Gesamt-Volumenzunahme als Folge der Temperatursteigerung mitberücksichtigt wird.
  • Die korrigierte Solldruckkurve (p' soll) ist empirisch zu ermitteln bzw. aufgrund temperaturbezogener Druckmessungen immer wieder (elektronisch) neu zu erstellen, wenn sich ein Abfall der Istdruckwerte unter die ungenügend kompensieten Solldruckwerte ergibt (psoll → p' soll → p''soll, usw.). In der Praxis wird dieser Fall, je nach Lastspielextremen und Werkstoffwahl selten oder häufig auftreten.
  • Die elektronisch einfach und billig durchzuführende Selbsteichung bzw. Nacheichung verleiht dem damit zu schützenden Gegenstand, insbesondere dem integral befüllten Transformator, ein hohes Schutzniveau. Dagegen ist die Umständlichkeit der Nacheichung bei einem mechanischen System, sowie die dadurch verursachten direkten und indirekten Kosten und die größere Anfälligkeit für Fehlanzeigen als Nachteil dieses Systems anzusehen.
  • Da davon ausgegangen werden muß, daß an verschiedenen Orten des Isoliermediums verschiedene Temperaturen herrschen, müssen empirisch Ort und Anzahl der Temperaturmeßpunkte ermittelt werden, außer für den Fall, daß die Repräsentativität der in der Thermometertasche des Transformators oder an einem anderen meßtechnisch günstigen Ort gemessenen Temperatur für die mittlere Temperatur der Isolierflüssigkeit gewährleistet ist. Unter Umständen ist ein Korrekturfaktor zu berücksichtigen. Letzterer ist bautypenspezifisch und deshalb nur empirisch zu ermitteln. Je kleiner der Transformator, desto geringer sind die Temperaturunterschiede in der darin befindlichen Flüssigkeit - ausreichende Konvektionsmöglichkeit vorausgesetzt.
  • Die temperaturbezogene Volumenüberwachung (Ansprüche 1 bis 3) hat gegenüber der herkömmlichen mechanischen Überwachung von Druck und/oder Temperatur (z.B. Patente von Smith und Sangster) keinen sich aus der Tatsache der rein mechanischen Funktionsweise ergebenden Nachteil. Der Nachteil besteht jedoch gegenüber dem meßtechnisch-elektronischen Verfahren (Ansprüche 4 bis 6), das sich dadurch auszeichnet, daß automatisch nachgeeicht werden kann (Anspruch 4).
  • Es ergibt sich daraus eine sicherheitstechnische Besserstellung des entsprechend überwachten integral gefüllten Transformators gegenüber anderen Bauweisen.
    • Art der detektierbaren Fehler
  • Die plastische Verformung ergibt ein Abfallen der Meßwertkurve unter die Kurve, die von den theoretischen Solldruckwerten beschrieben wird. Da sie zu einer Verfälschung der Bezugswerte führt, muß automatisch nachgeeicht werden. Bei Abweserheit plastischer Verformung und Abwesenheit von Undichtigkeiten entfällt die Notwendigkeit der Nacheichung.
  • Die immer wieder erfolgende automatische Neueichung darf nur bei einem meßtechnisch signifikanten Abfall (meßtechnisch signifikant ist empirisch zu definieren) - nicht bei einem Anstieg! - der gemessenen und neuerrechneten Werte unter die theoretischen (ursprünglichen) Solldruckwerte erfolgen - und nur innerhalb arbiträr festgelegter Grenzwerte, die sich aus empirisch gewonnenen Daten ergeben. Kleine Undichtigkeiten werden von der temperaturbezogenen Drucküberwachung analog plastischen Verformungen erfaßt und bewirken eine automatisch erfolgende Nacheichung. Eine Nacheichung in umgekehter Richtung erfolgt nicht. (In der Praxis des Einsatzes von Hermetiktransformatoren mit sogenannter integraler Befüllung mit Oberspannung 20kV hat sich gezeigt, daß zumindest die durch Teilentladungen und transiente Überspannungen bewirkte Spaltgasbildung nicht zu einem betriebstechnisch signifikanten Druckanstieg führt. Es wird deshalb auch im allgemeinen nicht von der Möglichkeit der Anbringung eines Gassammelbehälters mit Überdruckventil Gebrauch gemacht.)
  • Durch die temperaturbezogene Drucküberwachung der beschriebenen Ausführung wird ermöglicht, daß sowohl bei plötzlichem Druckabfall als auch bei thermisch unbegründetem langsamen oder plötzlichen Druckanstieg Fehlermeldung erfolgt. Es kann auch eine Fehlermeldung bei mehrmals erfolgter automatischen Nacheichung, die das Vorliegen einer nicht mehr tolerierbaren Undichtigkeit wahrscheinlich macht, vorgesehen werden.
  • Der Vergleich der Istdruckwerte mit den Solldruckwerten hat also vier Funktionen:
    • a) Er gestattet bei geringfügigem und langsam erfolgendem Druck-Abfall unter die unkorrigiert-theoretischen, bzw. unvollständig kompensierten Solldruckwerte eine aufgrund plastischer Verformung oder geringfügiger Undichtigkeiten erforderliche Neueichung der Solldruckwerte (p' soll);
    • b) er gestattet durch Ansprechen auf (nicht thermisch bedingten) Druckanstieg Fehleranzeige sowohl bei langsamem als auch plötzlichem Druckanstieg und damit Anzeige auch von Fehlern, auf die weder dem Buchholzrelais analoge Vorrichtungen, noch die Sicherungen reagieren (sehr langsam, wie z.B. bei einem schleichenden Windungsschluß, entstehende Gase gehen leichter in Lösung, treten aber bei sich abkühlender saturierter Flüssigkeit wieder aus und bewirken eine Spreizung zwischen Istdruckkurve und Solldruckkurve);
    • c) er gestattet durch Ansprechen auf plötzlichen Druckabfall Fehler-Anzeige (bzw. Trafo-Abschalten) bei Eintreten eines starken Lecks.
    • d) er gestattet, bei Erfassung der Häufigkeit der Nacheichung in einem bestimmten Zeitraum, eine Fehlermeldung, die das wahrscheinliche Vorliegen einer nicht mehr tolerierbaren Undichtigkeit wahrscheinlich erscheinen läßt.
    N.B.
    Beim - nicht wünschenswerten und nur in Ausnahmefallen ratsamen - Nachfüllen von Isolierflüssigkeit müßte
    Figure imgb0002
    manuell
    Figure imgb0003
    nachgeeicht werden. (Nacheichung nach oben anstatt nach unten)
  • Mit dem beschriebenen Verfahren und der dazugehörenden Anordnung werden nicht nur alle Funktionen abgedeckt, die mit den auf dynamische Druckveränderung reagierenden und analog dem Buchholzrelais funktionierenden Vorrichtungen beim innendruckvariablen Hermetik-Trafo, ob mit oder ohne Gaspolster, erfüllt werden; darüberhinaus wird die Überwachung des Betriebszustandes des Transformators mittels Rechner ermöglicht.
    • Erstellung der Solldruckkurve
  • Da bekanntlich Flüssigkeiten praktisch inkompressibel sind, bewirkt jeder vom hermetischen Flüssigkeitsbehälter ausgeübte Gegendruck eine in der Flüssigkeit meßbare Druckerhöhung. Diese Druckerhöhung wird von der Flüssigkeitsausdehnung bewirkt, die wiederum eine Folge der Temperaturerhöhung ist.
  • So entspricht ein Druckanstieg um 0,1bar in einem Hermetik-Transformator bestimmter Elastizität einem Temperaturanstieg um yK, ein Druckanstieg um 0,2bar einem entsprechend stärkeren Temperaturanstieg von 2yK. Diese Entsprechungen gelten jedoch nur für einen recht engen Druck- und Temperaturbereich, da die Elastizität des Transformators, insbesondere des integral-befüllten, sehr begrenzt ist.
  • Da das Flüssigkeitsvolumen durch die mittlere Temperatur bestimmt wird, die Wahl des günstigsten Meßpunktes sowohl von der Konstruktion als auch von der Viskosität der Flüssigkeit abhängt und die plastische Verformbarkeit konstruktions- und werkstoffspezifisch ist, können die mittlere Temperatur und die plastische Verformung zuverlässig nur empirisch bestimmt werden.
  • Insbesondere die Repräsentativität der Temperaturmessung (z.B. Thermometertasche) muß vor Aufstellung einer Solldruckkurve überprüft werden.
  • Erklärung: Je höher die Viskosität der Isolierflüssigkeit, desto größer sind die Temperaturunterschiede, insbesondere wenn die höhere Viskosität nicht durch einen höheren Ausdehnungskoeffizienten und damit bessere Thermosiphon-Wirkung nahezu völlig kompensiert wird. Wenn auf höchste Präzision der temperaturbezogenen Drucküberwachung verzichtet werden kann, genügen im allgemeinen die Werte der Temperaturmessung in der Thermometertasche als Bezugswerte.
    • Erstellung der Lieferzustand-Solldruckkurve (p soll ) mittels Außendruckbeaufschlagung, falls erforderlich, zur Kompensierung auch geringster, sonst unter Umständen auftretender, plastischer Verformung, zur Ermittlung des bautypenspezifischen Unterschieds zwischen p soll und p' soll .
  • Da ein von außen auf den Transformator einwirkender Druck die elastische Verformung lediglich im Sinne einer Innendruckerhöhung beeinflußt, dabei aber plastischen Verformungen entgegenwirkt, kann die Lieferzustand-Solldruckkurve bis zum tolerierbaren Innendruck von angenommen 1,2bar oder 1,3bar (Überdruck von 0,2-0,3 bar) mit den einfachen Mitteln der Flüssigkeitserwärmung und geringer Außendruckbeaufschlagung erfolgen. Der jeweils herrschende Außendruck sollte geringfügig über dem jeweils herrschenden Innendruck liegen.
    • Beispiel: integralbefüllte dehnungsfähige Transformatoren, bzw. Hermetik-Transformatoren mit Gaspolster.
    • 1. Befüllung bei 20°C: angezeigter Druck 1,0bar.
    • 2. Außendruckerhöhung auf 1,1bar bewirkt Innendruckanstieg auf 1,0<p'<1,1 bar.
    • 3. Erwärmung bis zur Erreichung eines Innendrucks 1,1bar.
    • 4. Außendruckerhöhung auf 1,2bar bewirkt Innendruckanstieg auf 1,1<p'',1,2bar.
    • 5. Erwärmung bis zur Erreichung eines Innendrucks von 1,2bar.
    • [6. Außendruckerhöhung auf 1,3bar bewirkt Innendruckerhöhung auf 1,2<p'''<1,3bar.
    • 7. Erwärmung bis zur Erreichung eines Innendrucks von 1,3bar.]
    Schritte 6 und 7 nur falls mit Innendrücken über 1,2bar gerechnet wird.
  • Alternativ zur temperaturbedingten Druckerhöhung kann eine schrittweise Druckerhöhung auf die jeweiligen Werte ohne Erwärmung der Flüssigkeit durch Hinzufügung der entsprechenden Menge von Isolierflüssigkeit bewirkt werden. Dabei wird die hinzuzufügende Menge vom thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten bestimmt. Dies erfordert die Zugrundelegung einer Temperatur-Bezugskurve mit eingegebenen Werten. Bei Transformatoren mit einem membranumhüllten Gaspolster (Ballon) ist u.U. ein Korrekturfaktor zu berücksichtigen, da die Erwärmung der Flüssigkeit einen nicht kompensierten disporportionalen Druckanstieg durch die stärkere Ausdehnung des Gases bewirkt und diese Ausdehnungskomponente nicht durch ein teilweises In-Lösung-Gehen des Gases teilkompensiert wird.
  • Prinzipiell ist das Verfahren der temperaturbezogenen Drucktmessung nicht nur bei integral befüllten Transformatoren sondern auch bei solchen mit Gaspolster möglich. Es sind jedoch die oben aufgeführten Einschränkungen, insbesondere Sonneneinwirkung zu beachten. Zur Vermeidung zu häufiger automatischer Nacheichungen, die eine Undichtigkeit dadurch vortäuschen, daß durch das teilweise in Lösung gehende Gas ein Unterdruck entsteht, ist beim Befüllen des mit Gaspolster ausgerüsteten Transformators sinnvollerweise folgendermaßen vorzugehen: Nach der Erstbefüllung mit einer zur Erzielung einer hohen Imprägniergüte entgasten Isolierflüssigkeit wird der Transformator entleert und mit einer mit dem Puffergas, sinnvollerweise Stickstoff, gesättigten Isolierflüssigkeit neu befüllt. Eine Alternative dazu stellt das Einhalten einer Wartefrist vor der durchzuführenden Ersteichung einer Bautype dar, um die Eichung erst nach erfolgter Gassättigung durchzuführen.
  • Das beschriebene Verfahren weist bei Transformatoren mit Gaspolster einen geringfügigen Ungenauigkeitsfaktor auf, der durch die disproportionale Ausdehnung des Gases gegenüber der Flüssigkeit bedingt ist. Dieser Ungenauigkeitsfaktor ist jedoch meßtechnisch nicht signifikant; er wird, wenn das Gas mit der Flüssigkeit in Berühung steht, teilweise durch die höhere Gaslöslichkeit bei gleichzeitiger Erhöhung von Druck und Temperatur kompensiert. Eine durch starke Sonneneinstrahlung bewirkte Ausdehnung, bzw. der dadurch verursachte Druckanstieg kann jedoch einen Fehlerstrom vortäuschen. Wenn diese Gefahr gegeben ist, wird sich die mechanische Variante der Erfindung, nämlich die temperaturbezogene Flüssigkeitsvolumenüberwachung als zuverlässiger erweisen.
    • Flüssigkeitsspezifische Überlegungen
  • Bei der Bewertung der Meßgenauigkeit ist zu berücksichtigen, daß verschiedene Isolierflüssigkeiten auf elektrische Fehler einschließlich Teilentladungen sehr unterschiedlich reagieren, wobei auch die Spaltgase ein sehr unterschiedliches Löslichkeitsverhalten in der jeweiligen Isolierflüssigkeit zeigen: Gas evolving Öle sind durch temperaturbezogene Drucküberwachung leichter zu überwachen als Gas absorbing Öle. (Der Fehler wird schneller angezeigt.) Analog dazu gilt, daß die Feinfühligkeit der Überwachung mit zunehmender Spaltgassättigung der Isolierflüssigkeit zunimmt.
  • Der Verlauf der multiplen Löslichkeitskurven wird von der Art des Fehlers, der Isolierflüssigkeit und den jeweiligen Gasen bestimmt. Diese Tatsache schränkt nicht das Funktionsprinzip an sich ein, sondern relativiert die Feinfühligkeit des Meßsystems.
    • Meßwerterfassung und Meßwertbezug
  • Der Istdruck wird durch Drucksonde erfaßt und digitalisiert. Der digitalisierte Wert wird mit dem dazugehörigen digitalisierten Solldruckwert verglichen. Dieser Vergleich geschieht ständig, z.B. alle 10 sec. Bei Unterschreitung des Istdruckwertes unter den Solldruckwert erfolgt automatisch Nacheichung des Solldruckwerts zur Kompensation der eingetretenen plastischen Verformung oder eines eventuellen Flüssigkeitsverlusts.
  • Die einmal erstellte und zum jeweiligen Meßzeitpunkt kompensierte temperaturabhängige Solldruckkurve (p' soll, → p''soll → p'''soll usw.) liefert die Bezugswerte, mit denen die Istwerte verglichen werden. Dies geschieht durch Vergleich der digitalisierten Werte, entweder rechnerabhängig oder -unabhängig. Die Druckmessung ist sehr zuverlässig, die Meßgenauigkeit sehr hoch; selbst preiswerte non-dedicated Druckmeßgeräte messen Druckveränderungen von <1mbar und verwerten die Meßwerte zur digitalen Anzeige nach erfolgter Wandlung.
    • Bewertung von Undichtigkeiten
  • Es liegt in der Natur der hier beschriebenen Meßwerterfassung, daß durch kleinste Undichtigkeiten hervorgerufene Nacheichungen der Solldruckkurve analog solchen durch geringfügige plastische Verformungen hervorgerufenen erfolgen. Dies ist durchaus wünschenswert und bedeutet keine Einschränkung des Wirkungsprinzips.
    • Anwendungsbereich
  • Es wird bei der Bestimmung des prioritären Anwendungsbereichs davon ausgegangen, daß die kostengünstigste und verbreitetste Schutzart strombegrenzende Sicherungen darstellen. Da sich die beschriebene Erfindung als Ergänzung zu den strombegrenzenden Sicherungen versteht und außerdem ein alarmgebendes oder schaltendes Element voraussetzt, wird davon ausgegangen, daß sie Alarm oder Abschaltung auslösende Vorrichtungen anderer Art an oder in den für die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung geeigneten Transformatorentypen ersetzen kann.
  • Da Meßwertvergleiche und die Verarbeitung eines Fehlfunktionssignals immer vergleichsweise träger arbeiten als strombegrenzende Sicherungen, verfolgt die Erfindung den Zweck, auch und insbesondere solche Fehler - in ihrer nicht-mechansichen Ausführung in Hermetiktransformatoren - zu detektieren, auf die die strombegrenzenden Sicherungen nicht reagieren können. Dazu gehören auch die Nennstrombereiche, bei denen die strombegrenzende Sicherung nicht zuverlässig arbeitet. Mit der Erfindung in ihrer meßtechnischen, nicht-mechanischen, Variante, d.h. der temperaturbezogenen Drucküberwachung, können insbesondere schwer detektierbare Fehler wie etwa ein schleichender Windungschluß in einem sog. gas dissolving bzw. gas absorbing Öl auch und insbesondere in einem Hermetiktransformator frühzeitig erkannt werden.
  • In mit Gaspolster beaufschlagten Transformatoren bietet die temperaturbezogene Drucküberwachung die Möglichkeit, bei nicht flüssigkeitstemperaturbedingtem Druckanstieg, unter Umständen nach erfolgtem Alarm, unselektiv Gas abzulassen, da es im Temperaturbereich über dem Taupunkt der betreffenden Gase unerheblich ist, ob die Gasabdeckung aus reinem Stickstoff oder aus mit Spaltgasen angereichertem Stickstoff besteht. Es muß jedoch gewährleistet sein, daß kein Druckanstieg durch äußere Faktoren wie z.B. Sonneneinstrahlung bewirkt wird, da sonst, nach Ablassen von Gas, während des Abkühlungszyklus ein Leck vorgetäuscht würde, bzw. eine verfälschende Nacheichung vorgenommen würde. Bei mit Gaspolster beaufschlagten Transformatoren, bei denen Sonneneinwirkung nicht ausgeschlossen werden kann, ist die temperaturbezogene Drucküberwachung ungeeignet. Bei Gaspolster-Transformatoren, bei denen mit Verfälschungen der Druckmessungsergebnisse zu rechnen ist, bietet sich die temperaturbezogene Volumenüberwachung (mechanische Variante) an, zumal auch in dieser Variante eine Leckölwächter-Funktion enthalten ist. Um jedoch eine hinreichend zuverlässige Fehleranzeige zu ermöglichen, müssen z.B. durch Schwingungen hervorgerufene Fehlanzeigen vermieden werden. Bei der mechanischen Variante ist ein Nacheichen umständlich und nur von Hand durchzuführen, ein Selbstnachstellen unmöglich. Diese Überlegungen zeigen, daß die temperaturbezogene Drucküberwachung dem integral gefüllten Transformator einen sicherheitstechnischen Vorteil gegenüber anderen Bautypen verschafft.
    • Sichereheitstechnische Vorteile
  • Die beim Befüllen spaltgasfreie Flüssigkeit wird immer einen höheren Flammpunkt aufweisen als die mit Spaltgasen gesättigte. Wie für Fremdgase ist auch die Sättigungsgrenze für Spaltgase temperaturabhängig. Die Bildung von Spaltgasen, die verzögerungsfrei in Lösung gehen, bewirkt keinen meßbaren Druckanstieg und ist deshalb nicht sofort detektierbar. Dies ist jedoch nicht schadenverhütungsrelevant. Daß die temperturbezogene Drucküberwachung für extrem energiearme Fehler am besten im spaltgasgesättigten Medium funktioniert, ist deshalb unerheblich. Austritt von Spaltgasen aus der gesättigten Flüssigkeit bei Abkühlung bewirkt eine Spreizung zwischen Istdruckwerten und Solldruckwerten und damit gegebenenfalls Fehlermeldung oder Abschaltung. Die temperaturbezogene Überwachung des (Soll-)Volumens bzw. (Soll-)Drucks verhütet ein gefährliches Abfallen des Flammpunktes.
  • Es ist damit gewährleistet, daß bei nach IEC 1100 als K-Klasse eingestuften Isolierflüssigkeiten der große, ein Weiterbrennen im Berstfall vermeidende Abstand zwischen höchstzulässiger Betriebstemperatur und Flamm- bzw. Brennpunkt erhalten bleibt. Der Sicherheitsvorteil für O-Klasse Flüssigkeiten ist ebenfalls von großer brandtechnischer, wenn auch nicht klassifikatorischer Bedeutung.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur auf die jeweilige mittlere Temperatur des flüssigen Isoliermediums bezogenen Volumenüberwachung mit mechanischen Mitteln zur Erkennung von inneren Fehlern in elektrischen Maschinen, insbesondere Transformatoren, sowie von Undichtigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturabhängiges und durch Temperaturveränderung getriebenes Kontaktelement einerseits und ein volumenabhängiges und durch Volumenveränderung getriebenes Kontaktelement andererseits in ihrer Stellung zu einander in der Weise verändert werden, daß die Veränderung des Abstands in der Bewegungsrichtung der temperatur- und volumenabhängigen Kontaktelemente zu einander entweder einen Kontakt bewirkt und einen Stromkreis schließt oder, bei entsprechender Ausführung der Kontaktelemente, einen bestehenden Kontakt unterbricht, wodurch in jedem Fall der gestörte Betrieb als solcher angezeigt und die Auslösung eines Alarms oder die Abschaltung des Transformators oder beides bewirkt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer durch die Erhöhung bzw. Erniedrigung der mittleren Flüssigkeitstemperatur bedingten Zunahme bzw. Abnahme des Flüssigkeitsvolumens drei Kontaktelemente - davon entweder zwei fest mitainander verbundene und temperaturgetriebene sowie ein volumengetriebenes Element oder, bei umgekehrter Ausführung, ein temperaturgetriebenes und zwei fest miteinander verbundene volumengetriebene Elemente - sich bei ungestörtem Betrieb unter Beibehaltung der zwischen ihnen bestehenden Abstände in die gleiche Richtung bewegen und, bei Störung des Verhältnisses durch Spaltgasbildung oder Flüssigkeitsverlust, der Abstand zwischen den Kontaktelementen sich in der Weise verändert, daß je nach Störungsursache ein Kontakt zwischen zwei Kontaktelementen entsteht, von denen jeweils eines temperaturgetrieben, das andere volumengetrieben ist, und durch die so erfolgte Schließung des vorher unterbrochenen Stromkreises ein Alarm ausgelöst oder die Abschaltung des Transformators oder beides bewirkt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder das temperaturabhängige oder das volumenabhängige Kontaktelement oder beide als in Bewegungsrichtung bestrichene Kontaktzonen ausgebildet sind und bei ungestörtem Betrieb der Kontakt zwischen temperaturabhängigem und volumenabhängigem Kontaktelement aufrechterhalten bleibt, im Störfall jedoch der Kontakt abreißt und dadurch Alarmauslösung oder Abschaltung oder beides erfolgt.
  4. Verfahren und verfahrensgemäße Vorrichtung zur manometrischen oder manometrischelektronischen Ermittlung und diagnostischen Nutzung des Phänomens der Bildung von Spaltgasen, die durch Teilentladungen, einen elektrischen Fehler oder extreme Überlast und Hotspots in einer Isolierflüssigkeit entstehen, in elektrischen Geräten, insbesondere Transformatoren in Hermetik-Bauweise, zur Feststellung von Fehlern und zu deren Anzeige und/oder zur Abschaltung des Geräts, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf manometrischelektronischem Weg erstellte temperaturbezogene Solldruckkurve dazu eingesetzt wird, durch Vergleich mit der temperaturbezogenen Istdruckkurve ein überproportionales d.h. temperaturunabhängiges Ansteigen des Drucks, ob langsam oder plötzlich, sowie ein plötzliches Abfallen, als Störfall in Erscheinung treten zu lassen, wobei Solldruckkurve und Istdruckkurve auf die jeweilige mittlere Temperatur des flüssigen Isoliermediums bezogen werden.
  5. Verfahren und verfahrensgemäße Vorrichtung zur manometrischen oder manometrischelektronischen Ermittlung und diagnostischen Nutzung des Phänomens der Bildung von Spaltgasen, die durch Teilentladungen, einen elektrischen Fehler oder extreme Überlast und Hotspots in einer Isolierflüssigkeit entstehen, in elektrischen Geräten, insbesondere Transformatoren in Hermetik-Bauweise, zur Feststellung von Fehlern und zu deren Anzeige und/oder zur Abschaltung des Geräts, dadurch gekennzeichnet, daß in Transformatoren mit konstanter Flüssigkeitstemperatur und konstantem Flüssigkeitsvolumen der jeweilige Druckmeßwert mit dem letzten Druckmeßwert verglichen wird und bei Überschreiten oder Unterschreiten eines festgelegten Unterschieds Alarm erfolgt und/oder der Transformator abgeschaltet wird.
  6. Verfahren und verfahrensgemäße Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Häufigkeit der in einem Zeitraum erfolgten Nacheichungen erfaßt wird und durch deren Anzeige auf die Wahrscheinlichkeit des Vorliegens einer nicht tolerierbaren Undichtigkeit aufmerksam gemacht wird.
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