EP1859331A1 - Verfahren zur kühlungssteuerung an einem leistungstransformator - Google Patents

Verfahren zur kühlungssteuerung an einem leistungstransformator

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EP1859331A1
EP1859331A1 EP05815353A EP05815353A EP1859331A1 EP 1859331 A1 EP1859331 A1 EP 1859331A1 EP 05815353 A EP05815353 A EP 05815353A EP 05815353 A EP05815353 A EP 05815353A EP 1859331 A1 EP1859331 A1 EP 1859331A1
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European Patent Office
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cooling
oil
winding temperature
cooling stage
transformer
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Thorsten Krueger
Manfred Stadelmayer
Karsten Viereck
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Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
    • H01F27/12—Oil cooling

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling devices for cooling an oil-filled power transformer as a function of its oil or winding temperature.
  • Oil-filled power transformers are internationally characterized by their design and type of cooling with a 4-letter code.
  • the first two letters refer to the type of cooling of the transformer itself; for this there is the abbreviation ON for "Oil Natural”, OF for “Oil Forced”, OP for “Oil Forced”, but with an oil cooling system with axial pump, OD for "Oil Directed”, as well as GF for "Gas Forced” (for transformers with SF 6 cooling) as a special design
  • the following two letters indicate the respective type of cooling medium, for which there is AN for "Air Natural”, AF for "Air Forced”, WF for "Water Forced”.
  • transformers By combining different types of cooling of transformers as well as different types of cooling medium therefore exist a variety of types of transformers, which can be represented by the illustrated coding.
  • an oil-filled power transformer usually has several cooling stages, which can be based on different types of cooling or types of cooling medium.
  • the object of the invention is to provide a method that decreases the user this complex activities.
  • This object is achieved by a method having the features of the first claim.
  • this method it is only necessary to identify the type and types of cooling of the respective power transformer and to specify the above-explained letter-coded characterization of the respective type of cooling of the transformer and the cooling medium in its respective cooling stages.
  • These few necessary details about the power transformer are known to the user; They are included on the type plate and can be easily, easily and without transmission errors in a corresponding control unit.
  • the method according to the invention makes use of the circumstance that the calculation rules to be used for calculating the specific 01 and winding temperatures, including the respective variables and parameters, are clearly defined in the cited IEC and therefore mandatory for the user to use. Therefore, these values are already stored non-volatile in the factory so that practically only one parameter has to be entered manually: The 4-letter coding for each existing cooling stage of the corresponding power transformer.
  • the offered by the Applicant electronic control unit TAPCON ® is the 260th
  • Figure 1 shows the method according to the invention in a schematic representation of all sequentially proceeding process steps
  • Figure 2 is an expanded view of important steps in the process and the
  • This calculation is made in accordance with the specific requirements of IEC 354 applicable to the particular transformer. For this calculation, the top oil temperature, the load current, the load factor - that is the quotient of the load current and the rated current - and other specific ones provided by the IEC Parameter used.
  • the term "separate comparison" means that it is first checked whether the calculated value ⁇ exceeds the limit value S 1 for the first cooling stage, if this is the case the first cooling stage is activated and it is checked whether the calculated value ⁇ is so great that it also exceeds the threshold value ⁇ 2 of the second cooling stage, in which case the second cooling stage is also activated, and this comparison is continued in an analogous manner for any further cooling stages.
  • the control unit used for carrying out the method in this example has four switching contacts S1 ... S4; It is for a transformer with up to four different ones
  • Cooling stages 1 ... 4 usable. If fewer cooling stages are available for the respective transformer, the remaining contacts remain unused.
  • Cooling level 0, d. H. Normal operation is usually always called ONAN.
  • Cooling stages with the same type of cooling are indicated in ascending order with an index that corresponds to the number
  • Each cooling stage is associated with characteristic parameters, the gradient gr, the winding exponent y and the winding time constant tau, which depend on the type of transformer and the
  • Cooling stage 1 ... n - here as a percentage switching point in degrees Celsius above the respectively calculated
  • Control unit existing contacts S1 ... S4 are occupied here.
  • Switching contact 5 when exceeding the limit value ⁇ 4 for the last cooling stage 4 triggers a warning signal that signals that the regular cooling stages are obviously not able to
  • Another switching contact 6 is triggered, although the limit value for this warning message is still significantly exceeded; then the entire transformer is shut down to prevent damage.
  • the cooling stages 1... 3 are designed in the ONAF design and, as explained above, are therefore supplemented by an index 1.
  • the last cooling stage 4 in this example is of the OPAF type.
  • both the calculated oil temperature and the calculated winding temperature can be used as the comparison variable in the method according to the invention, which is why here consistently both types of calculated temperature are provided with the same reference symbol ⁇ . Differences arise, however, in terms of responsiveness, since the winding temperature changes much faster than the oil temperature, which follows with a certain inertia of this.

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Description

Verfahren zur Kühlungssteuerung an einem Leistungstransformator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Einrichtungen zur Kühlung eines ölgefüllten Leistungstransformators in Abhängigkeit von dessen öl- oder Wicklungstemperatur.
Ölgefüllte Leistungstransformatoren werden nach ihrer Bauart und Kühlungsart international mit einem 4-Buchstaben-Code charakterisiert. Die ersten beiden Buchstaben beziehen sich dabei auf die Art der Kühlung des Transformators selbst; hierfür gibt es die dem Fachmann bekannten Kürzel ON für „Oil Natural", OF für „Oil Forced", OP für „Oil Forced", jedoch mit einer Ölkühlanlage mit Axialpumpe, OD für „Oil Directed", sowie GF für „Gas Forced" (für Transformatoren mit SF6-Kühlung) als Sonderbauart. Die nachgestellten beiden weiteren Buchstaben bezeichnen die jeweilige Art des Kühlmediums; hierzu gibt es AN für „Air Natural", AF für „Air Forced", WF für „Water Forced".
Durch Kombination unterschiedlicher Kühlungsarten von Transformatoren als auch unterschiedlicher Arten des Kühlmediums existieren mithin die verschiedensten Bauformen von Transformatoren, die sich durch die erläuterte Codierung darstellen lassen.
Weiterhin besitzt ein ölgefüllter Leistungstransformator in der Regel mehrere Kühlstufen, denen verschiedene Kühlungsarten bzw. Arten des Kühlmediums zugrunde liegen können.
Zur Steuerung von Kühleinrichtungen am Leistungstransformator, wie Pumpen oder Lüftern, die in den einzelnen Kühlstufen wirken, ist es bekannt, die jeweilige Temperatur des Isolieröles oder die Wicklungstemperatur zu erfassen bzw. zu berechnen und mit einem vorab vorgegebenen Grenzwert für jede Kühlstufe zu vergleichen, bei dessen Überschreitung die jeweilige Kühleinrichtung in Betrieb gesetzt wird; solange, bis der Grenzwert der jeweiligen Stufe wieder unterschritten ist. Die Berechnungen der erläuterten Momentanwerte der Temperatur des Isolieröles oder der Wicklungstemperatur sind dem Fachmann geläufig, sie sind in der IEC 354 „Loading guide for oil- immersed power transformers", Seiten 25ff, insbesondere Seite 33f, ausführlich beschrieben. Abhängig von der Art des Transformators und der jeweiligen Kühlstufe sind in dieser IEC die unterschiedlichsten Variablen und Parameter sowie insgesamt unterschiedliche Berechnungsvorschriften festgelegt.
Bei einem bekannten Verfahren zur Steuerung von Einrichtungen zur Kühlung eines ölgefüllten Leistungstransformators müssen also zunächst einmal, für jede Kühlstufe getrennt, die jeweiligen Variablen, die der Trafoart in Kombination mit der jeweiligen Kühlungsart entsprechen, mühevoll aus der IEC zusammengesucht und in eine entsprechende Steuereinheit eingegeben werden, damit eine korrekte Berechnung von Öl- bzw. Wicklungstemperatur und in der Folge ein Vergleich mit einem kühlstufenabhängigen Grenzwert erfolgen können. Eine solche Eingabe ist für den Anwender umständlich. Zum einen ist es mühevoll, die einzelnen Parameter korrekt aus der IEC zu entnehmen. Oft steht die IEC dem Anwender gerade nicht zur Verfügung, oft ist das Bedienpersonal im Umgang mit der umfangreichen Publikation ungeübt. Zum anderen können Fehler bei der Auswahl der jeweiligen Parameter und Formeln aus dem Normenwerk und ihrer manuellen Übertragung in eine entsprechende Steuereinheit auftreten.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das dem Anwender diese aufwändigen Tätigkeiten abnimmt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Bei diesem Verfahren ist es nur noch notwendig, Bauart und Kühlungsarten des jeweiligen Leistungstransformators zu identifizieren und die eingangs erläuterte buchstabencodierte Charakterisierung der jeweiligen Kühlungsart des Transformators und des Kühlmediums in seinen jeweiligen Kühlstufen anzugeben. Diese wenigen notwendigen Angaben zum Leistungstransformator sind dem Anwender bekannt; sie sind auf dem Typenschild enthalten und lassen sich leicht, einfach und ohne Übertragungsfehler in eine entsprechende Steuereinheit übernehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Umstand, dass die zur Berechnung der spezifischen 01- sowie Wicklungstemperaturen anzuwendenden Rechenvorschriften, einschließlich der jeweiligen Variablen und Parameter, in der genannten IEC eindeutig festgelegt und somit vom Anwender zwingend zu verwenden sind. Diese Werte sind daher bereits werksseitig nichtflüchtig gespeichert, so dass praktisch nur noch ein Parameter von Hand eingegeben werden muss: Die 4-Buchstaben- Codierung für jede vorhandene Kühlstufe des entsprechenden Leistungstransformators.
Lediglich bei Änderung der IEC, wenn sich die festgelegten Parameter und Rechenvorschriften ändern sollten, wäre eine Änderung der nichtflüchtig gespeicherten Werte notwendig. Da solche Änderungen relevanter Kriterien in verbindliche Normen jedoch nur sehr selten zu erwarten sind, allenfalls nach etlichen Jahren, kann der Aufwand für eine solche interne Nachparametrierung in Kauf genommen werden.
Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich beispielsweise das von der Anmelderin angebotene elektronische Steuergerät TAPCON® 260.
Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 das erfindungsgemäße Verfahren in schematischer Darstellung aller nacheinander ablaufender Verfahrensschritte Figur 2 eine erweiterte Darstellung wichtiger Verfahrensschritte sowie der
Parameterauswahl beim erfindungsgemäßen Verfahren.
Zuerst soll an Hand von Figur 1 das komplette Verfahren beschrieben werden. Einmalig wird werksseitig in dem jeweiligen Regler bzw. dem elektronischen Steuergerät, in dem das Verfahren ablaufen soll, eine nichtflüchtige Speicherung aller möglichen 4-Buchstaben-Codierungen und der zugeordneten spezifischen Variablen und Rechenvorschriften gemäß der erläuterten IEC vorgenommen.
Weiterhin erfolgt zunächst die nichtflüchtige Speicherung von Grenzwerten S1... Sn für die Öl- bzw. Wicklungstemperatur für jede beim entsprechenden Leistungstransformator vorhandene Kühlstufe 1...n.
Nachdem dies erfolgt ist, kann das eigentliche Verfahren beginnen. Zunächst erfolgt die Eingabe der jeweiligen Kühlungsart des Transformators und der Art des Kühlmediums für jede vorhandene Kühlstufe 1...n getrennt im 4-Buchstaben-Code.
Nachfolgend erfolgt im Rechner aus den nichtflüchtig gespeicherten Wertepaaren aller möglicher 4- Buchstaben-Codierungen das Auslesen der It. IEC zutreffenden Rechenvorschriften, Variablen und Konstanten für die eingegebenen Werte zur jeweiligen Berechnung von Öl- bzw. Wicklungstemperatur θ.
Mit diesen Werten erfolgt nachfolgend die tatsächliche Berechnung des aktuellen Öl- bzw. Wicklungstemperatur-Istwertes θ.
Diese Berechnung erfolgt gemäß der für den jeweiligen Transformator zutreffenden spezifischen Vorschriften der IEC 354. Für diese Berechnung werden die Top-Oil-Temperatur, der Laststrom, der Lastfaktor - das ist der Quotient aus Laststrom und Bemessungsstrom - und weitere spezifische, in der IEC vorgesehene Parameter verwendet.
Anschließend erfolgt ein Vergleich der berechneten Öl- bzw. Wicklungstemperatur θ mit dem Grenzwert S1... θn für jede Kühlstufe 1...n getrennt. Für diesen Vergleich werden die nicht flüchtig gespeicherten Grenzwerte S-i... Sn verwendet.
Mit der Formulierung „getrennter Vergleich" ist gemeint, dass zunächst geprüft wird, ob der errechnete Wert θ den Grenzwert S1 für die erste Kühlstufe überschreitet. Ist dies der Fall, wird die erste Kühlstufe aktiviert. Weiterhin wird geprüft, ob der errechnete Wert θ so groß ist, dass er darüber hinaus auch den Grenzwert θ2 der zweiten Kühlstufe überschreitet. In einem solchen Fall wird auch die zweite Kühlstufe aktiviert. Dieser Vergleich wird für eventuell weitere Kühlstufen auf analoge Weise fortgesetzt.
Zusätzlich ist es sinnvoll, bei Überschreiten des Grenzwertes θπ für die letzte (höchste) vorhandene Kühlstufe n zusätzlich noch die Auslösung von einer Warnung, ggf. auch das Stillsetzen des Transformators zu veranlassen. Die wichtigsten Verfahrensschritte sollen nachfolgend an Hand der Figur 2 noch einmal verdeutlicht werden. Das für die Durchführung des Verfahrens in diesem Beispiel verwendete Steuergerät weist vier Schaltkontakte S1...S4 auf; es ist für einen Transformator mit bis zu vier verschiedenen
Kühlstufen 1...4 verwendbar. Sind beim jeweiligen Transformator weniger Kühlstufen vorhanden, bleiben die übrigen Kontakte unbenutzt.
Im oberen Teil von Figur 2 ist gezeigt, wie sich aus der jeweiligen Kühlungsart (das sind die ersten beiden Großbuchstaben) und der entsprechenden Art des Kühlmediums (das sind die folgenden beiden Großbuchstaben) die bereits besprochene 4-Buchstaben-Codierung ergibt.
Die Kühlstufe 0, d. h. der normale Betrieb, erhält üblicherweise immer die Bezeichnung ONAN.
Kühlstufen mit gleicher Kühlungsart werden aufsteigend mit einem Index bezeichnet, der mit der Ziffer
1 beginnt. Jeder Kühlstufe sind charakteristische Parameter, der Gradient gr, der Wicklungsexponent y und die Wicklungszeitkonstante tau, zugeordnet, die von der Art des Transformators und der
Kühlungsart, mithin von der jeweiligen 4-Buchstaben-Codierung, abhängen.
In der Mitte von Figur 2 ist die Matrix aller möglicher 4-Buchstaben-Codierungen und der zugeordneten erläuterten Parameter gezeigt, so wie sie nichtflüchtig gespeichert werden.
Aus dieser Matrix werden die jeweiligen relevanten Parameter ausgelesen, die sich aus der Eingabe der Transformatoren- und Kühlungsart konkret für die einzelnen Kühlstufen ergeben. Mit diesen
Parametern erfolgt dann die Berechnung der aktuellen Öl- bzw. Wicklungstemperatur θ.
Im unteren Teil von Figur 2 ist die nichtflüchtige Speicherung der Grenzwerte θi... θn für jede
Kühlstufe 1...n - hier als prozentualer Schaltpunkt in Grad Celsius über der jeweils berechneten
Wicklungstemperatur 9 ausgedrückt, gezeigt.
Mit diesen nichtflüchtig gespeicherten Werten erfolgt nachfolgend der beschriebene Vergleich der berechneten Temperatur ö mit dem jeweiligen Grenzwert S1. ■• ^n für jede Kühlstufe 1...n getrennt. Im hier gezeigten Beispiel besitzt der Transformator tatsächlich vier Kühlstufen 1...4, so dass alle am
Steuergerät vorhandenen Kontakte S1 ...S4 hier belegt sind.
Zusätzlich sind in diesem Beispiel noch zwei weitere Schaltkontakte 5 und 6 vorgesehen, wobei der
Schaltkontakt 5 bei Überschreiten des Grenzwertes θ4 für die letzte Kühlstufe 4 ein Warnsignal auslöst, das signalisiert, dass die regulären Kühlstufen offensichtlich nicht in der Lage sind, den
(übermäßig) erhitzten Leistungstransformator wieder herunterzukühlen. Eine Ursache hierfür kann z.
B. in einer ausgefallenen Pumpe liegen.
Ein weiterer Schaltkontakt 6 wird ausgelöst, wenn auch der Grenzwert für diese Warnmeldung noch deutlich überschritten wird; dann wird der gesamte Transformator stillgesetzt, um Schäden zu vermeiden.
Im gezeigten Beispiel sind die Kühlstufen 1...3 in der Bauart ONAF ausgeführt und, wie oben erläutert, daher um einem Index 1...3 ergänzt. Die letzte Kühlstufe 4 ist in diesem Beispiel vom Typ OPAF.
Prinzipiell lässt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die berechnete öltemperatur als auch die berechnete Wicklungstemperatur als Vergleichsgröße verwenden, weswegen hier durchgängig beide Arten von berechneter Temperatur mit dem gleichen Bezugszeichen θ versehen sind. Unterschiede ergeben sich allerdings hinsichtlich der Ansprechempfindlichkeit, da sich die Wicklungstemperatur wesentlich rascher ändert als die Öltemperatur, die mit einer bestimmten Trägheit dieser nachfolgt.

Claims

Patentanspruch
Verfahren zur Steuerung von Einrichtungen zur Kühlung eines ölgefüllten Leistungstransformators mit mindestens einer Kühlstufe (1...n) in Abhängigkeit von dessen Öl- oder Wicklungstemperatur θ mit folgenden Merkmalen:
— Eingabe der jeweiligen Kühlungsart des Transformators und der Art des Kühlmediums für jede vorhandene Kühlstufe 1...n getrennt in 4-Buchstaben-Codierung
— Vergleich der jeweiligen eingegebenen 4-Buchstaben-Codierung mit einer vorab nichtflüchtig gespeicherten Tabelle aller technisch möglichen 4-Buchstaben-Codierungen und der zugeordneten spezifischen Variablen und Rechenvorschriften gemäß IEC und im Ergebnis dieses Vergleiches Auslesen der für die eingegebenen 4-Buchstaben-Codierungen zutreffenden Rechenvorschriften, Variablen und Konstanten für die Berechnung der Öl- bzw. Wicklungstemperatur θ
— Berechnung der aktuellen Öl- bzw. Wicklungstemperatur θ gemäß IEC
— getrennter Vergleich der berechneten Öl- bzw. Wicklungstemperatur θ mit jeweils einem nichtflüchtig gespeicherten Grenzwert S1... θn für die Öl- bzw. Wicklungstemperatur für jede vorhandene Kühlstufe 1...n
— Betätigung der jeweiligen Kühlstufe 1...n, wenn deren jeweiliger Grenzwert O1... θn überschritten ist
— Generierung einer Warnung, einer Fehlermeldung oder die Auslösung eines Schutzschalters, falls die aktuelle Öl- bzw. Wicklungstemperatur θ auch einen Grenzwert für die letzte Kühlstufe n überschreitet.
EP05815353A 2005-03-15 2005-11-22 Verfahren zur kühlungssteuerung an einem leistungstransformator Not-in-force EP1859331B1 (de)

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