WO2001009582A1 - Vorrichtung zur messung des anpressdruckes eines wicklungspresselements in einem leistungstransformator - Google Patents

Vorrichtung zur messung des anpressdruckes eines wicklungspresselements in einem leistungstransformator Download PDF

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    • H01F27/306—Fastening or mounting coils or windings on core, casing or other support

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the contact pressure which is exerted on a winding in a power transformer or other high-current technical device by a winding pressing element.
  • the windings in particular of power transformers, are assembled from a combination of conductors and insulating materials. They represent a complex construction with a basically cylindrical geometry. The windings are arranged after production / winding so that they are enclosed by the iron core of the transformer.
  • Transformer windings must be designed to have sufficient mechanical strength and stability to withstand short circuits and other mechanical forces throughout the life of the transformer. A particularly important aspect is the compression of the windings, which ensures good mechanical stability.
  • FIG. 6 shows, for example, a typical course of the decreasing contact pressure, which was determined off-line in each case after a short circuit occurred.
  • FIG. 7 shows a course that was recorded off-line at planned time intervals.
  • Transformer windings are usually pressed during manufacture. There is no possibility of detecting a change during operation. Corrections can only be corrected for extensive repair work, for example if a winding needs to be replaced.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a device for measuring the contact pressure of a winding press element in a power transformer.
  • the device makes it possible to measure the given contact pressure at any time, and thus also the remaining contact pressure that remains after a long period of operation.
  • 1 is a schematic diagram of the measuring device arranged in a power transformer
  • 2 shows a possible arrangement of a pressure sensor between pressing elements and arrangement of antennas
  • 3 shows a first embodiment variant of an arrangement of a sensor element, the element being arranged in an elastic deformation body
  • FIG. 4 shows a second embodiment variant of an arrangement of a sensor element, the sensor element being arranged in a spring element
  • FIG. 6 shows a typical profile of the contact pressure of a winding press element, which was detected off-line at certain points after a short circuit
  • Fig. 9 a dynamically detectable pressure curve in the event of a short circuit.
  • Fig. 1 shows a principle representation of an arrangement of the device according to the invention in a power transformer.
  • One of several windings 1 is shown.
  • Within the winding 1 there is a leg of an iron core 5 that is not visible in the drawing.
  • winding pressing elements 2 are inserted in each case.
  • a sensor 4 is arranged in the area of the upper pressing elements 2.
  • a plurality of sensors 4 can also be arranged.
  • the arrangement of the sensor 4 is preferably carried out on the side of the pressing elements 2 facing the core yoke 5.
  • sensors 4 that react to pressure or expansion are suitable.
  • the at least one sensor 4 is designed as a wireless, that is, a miniature sensor that can be queried by radio.
  • the sensor element contained in the sensor 4 is electrically connected to at least one high-frequency or microwave antenna, which is referred to as the sensor antenna 3.
  • the core 5 with the windings 1 is located inside a tank 6 in the case of a power transformer. Outside the tank 6, an interrogation electronics 7 is arranged, to which an interrogation antenna 9 is connected via a high-frequency bushing 8 leading through the wall of the tank 6.
  • the interrogation antenna 9 and the sensor antenna 3 are arranged so that a radio connection is possible.
  • the interrogation electronics 7 contains a transmitter and a receiver as well as control and monitoring devices.
  • the measuring device formed by the interrogation electronics 7 in connection with the sensor 4 and the antennas 3, 9 can preferably be implemented and operate in an SAW technology, which is described, for example, in the documents DE-A1-44 13 211 and DE-A1-195 35 543 is described.
  • the abbreviation OFW stands for surface acoustic waves.
  • the radio transmission takes place with frequencies in the range from 30 MHz to 3 GHz.
  • SAW sensors contain a thin plate made of a piezoelectric crystal as a sensor element.
  • the high-frequency signal emitted by the interrogator 7 is received by the antenna 3 of the sensor 4 and converted into a propagating mechanical SAW by an (interdigital) converter.
  • the propagating SAW are reflected back to the transducer in the sensor 4 via suitable reflecting structures, where they are converted back into an electromagnetic wave and radiated by the antenna 3.
  • the physical quantity to be measured must have an effect on the properties of the surface acoustic wave. Most of the time, the speed of propagation and the running distance change.
  • SAW sensors are passive elements, i.e. There are neither batteries nor active electronic elements on the substrate, they are particularly suitable for long-term use in harsh environmental conditions.
  • the sensor 4 contains a sensor element designed as a chip 40 within a hermetically sealed and elastic encapsulation 10.
  • Encapsulation 10 ensures that the sensor element 40 is kept away from chemical influences which could lead to signal falsification and aging effects.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a sensor 4 by arranging an element 40 within an elastic deformable body 100.
  • FIG. 4 shows a combination of a sensor 4 with a spring element 11.
  • FIG. 5 shows a possible antenna arrangement, with several sensor antennas 3 working together with a common interrogation antenna 9.
  • FIGS. 6 and 7 show, similarly to FIGS. 6 and 7 mentioned at the outset, a profile of the contact pressure as a function of time, but the detection is carried out continuously over several years using an arrangement according to the invention.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Anpressdruckes, der in einem Leistungstransformator oder sonstigem starkstromtechnischem Gerät durch ein Wicklungspresselement (2) auf eine Wicklung (1) ausgeübt wird, wobei in das Wicklungspresselement (2) wenigstens ein Sensor (4) mit einem auf Druck oder Dehnung reagierenden Sensorelement (40) eingesetzt ist, und der Sensor (4) dafür eingerichtet ist, über eine Funkverbindung mit einer Abfrageelektronik (7) zu korrespondieren.

Description

Vorrichtung zur Messung des Anpreßdruckes eines Wicklungspreßelements in einem
Leistunqstransformator
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Anpreßdruckes, der in einem Leistungstransformator oder sonstigem starkstromtechnischem Gerät durch ein Wicklungspreßeiement auf eine Wicklung ausgeübt wird.
Die Wicklungen insbesondere von Leistungstransformatoren sind aus einer Kombination von Leitern und Isolierstoffen zusammengebaut. Sie stellen eine komplexe Konstruktion mit grundsätzlich zylindrischer Geometrie dar. Die Wicklungen werden nach der Fertigung/Wicklung so angeordnet, daß sie vom Eisenkern des Transformators umschlossen werden.
Transformatorwicklungen müssen so ausgelegt sein, daß sie eine ausreichende mechanische Festigkeit und Stabilität aufweisen, um Kurzschlüssen und anderen mechanischen Kräften während der gesamten Lebensdauer des Transformators standzuhalten. Ein besonders wichtiger Aspekt ist die Pressung der Wicklungen, die eine gute mechanische Stabilität bewirkt.
Der durch die Pressung auf die Wicklungen des Transformators wirkende Druck verringert sich im Laufe der Zeit als Folge mehrfacher Einflüsse. Die Folgen sind dann eine oft unzureichende mechanische Festigkeit im Fall von Kurzschlüssen und eine erhöhte Wahrscheinlichkeit der Zerstörung des Transformators. Es sind keine in Transformatoren eingebauten Vorrichtungen bekannt, die es ermöglichen würden, Änderungen des Anpreßdruckes festzustellen.
Fig. 6 zeigt beispielsweise einen typischen Verlauf des abnehmenden Anpreßdruk- kes, der off-line jeweils nach einem aufgetretenen Kurzschluß ermittelt wurde. Fig. 7 zeigt einen Verlauf, der off-line in geplanten Zeitabständen erfaßt wurde. Transformatorwickiungen werden üblicherweise während der Herstellung gepreßt. Eine Möglichkeit zur Feststellung einer Änderung während des Betriebs besteht nicht. Möglichkeiten einer Nachpressung zur Korrektur bestehen nur bei umfangreicheren Reparaturarbeiten, z.B. wenn eine Wicklungen erneuert werden muß.
Selbst wenn Anordnungen benutzt werden, mit denen die Pressung mit mechanischen elastischen Elementen während der Betriebszeit in gewissem Maße nachgestellt wird, hat man grundsätzlich keine objektive Information über den tatsächlichen Ist-Zustand der Pressung der Wicklung, und somit keine Information über den Zustand des Transformators.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung des Anpreßdruckes eines Wicklungspreßelements in einem Leistungstransformator anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Anpreßdruck-Messung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Vorrichtung ermöglicht es, jederzeit den gegebenen Anpreßdruck meßtechnisch zu erfassen, und damit auch den nach längerer Betriebszeit noch gegebenen Restanpreßdruck.
Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in Zeichnungsfiguren dargestellt sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der in einem Leistungstransformator angeordneten Meßvorrichtung,
Fig. 2 eine mögliche Anordnung eines Drucksensors zwischen Preßelementen und Anordnung von Antennen, Fig. 3 eine erste Ausführungsvariante einer Anordnung eines Sensorelements, wobei das Element in einem elastischen Verformungskörper angeordnet ist,
Fig. 4 eine zweite Ausführungsvariante einer Anordnung eines Sensorelements, wobei das Sensorelement in einem Federelement angeordnet ist,
Fig. 5 eine Antennenanordnung,
Fig. 6 einen typischen Verlauf des Anpreßdruckes eines Wicklungspreßelements, der off-line punktweise jeweils nach einem Kurzschluß erfaßt wurde,
Fig. 7 einen typischen Verlauf des Anpreßdruckes, der in konstanten Zeitintervallen erfaßt wurde,
Fig. 8 einen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung on-iine erfaßten Verlauf des Anpreßdruckes, und
Fig. 9 einen bei Kurzschluß dynamisch erfaßbaren Druckverlauf.
Fig. 1 zeigt eine PrinzipdarsteJIung einer Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Leistungstransformator. Dabei ist eine von mehreren Wicklungen 1 dargestellt. Innerhalb der Wicklung 1 befindet sich ein in der Zeichnung nicht sichtbarer Schenkel eines Eisenkerns 5. Zwischen dem oberen bzw. unteren Joch des Kerns 5 und der Wicklung 1 sind jeweils Wickiungspreßelemente 2 eingefügt.
im dargestellten Beispiel ist im Bereich der oberen Preßeiemente 2 ein Sensor 4 angeordnet. Es können auch mehrere Sensoren 4 angeordnet sein. Die Anordnung des Sensors 4 erfolgt vorzugsweise auf der dem Kernjoch 5 zugewandten Seite der Preßelemente 2. Geeignet sind je nach Ausführung und Anordnung Sensoren 4, die auf Druck oder Dehnung reagieren.
Der wenigstens eine Sensor 4 ist als drahtloser, d.h., funkabfragbarer Miniatur- Sensor ausgeführt. Das im Sensor 4 enthaltene Sensorelement ist dazu elektrisch mit wenigstens einer Hochfrequenz- oder Mikrowellenantenne verbunden, die als Sensorantenne 3 bezeichnet ist. Der Kern 5 mit den Wicklungen 1 befindet sich bei einem Leistungstransformator innerhalb eines Tanks 6. Außerhalb des Tanks 6 ist eine Abfrageelektronik 7 angeordnet, an die über eine durch die Wand des Tanks 6 führende Hochfrequenzdurchführung 8 eine Abfrageantenne 9 angeschlossen ist. Die Abfrageantenne 9 und die Sensorantenne 3 sind so angeordnet, daß eine Funkverbindung möglich ist. Die Abfrageelektronik 7 enthält einen Sender und einen Empfänger sowie Steuer- und Überwachungseinrichtungen.
Die durch die Abfrageelektronik 7 in Verbindung mit dem Sensor 4 und den Antennen 3, 9 gebildete Meßvorrichtung kann vorzugsweise in einer OFW-Technik ausgeführt sein und arbeiten, die beispielsweise in den Druckschriften DE-A1-44 13 211 und DE-A1-195 35 543 beschrieben ist.
Die Abkürzung OFW steht für akustische Oberflächenwellen. Die Funkübertragung erfolgt mit Frequenzen im Bereich von 30 MHz bis 3 GHz. OFW-Sensoren enthalten ein dünnes Plättchen aus einem piezoelektrischen Kristall als Sensorelement. Das vom Abfragegerät 7 ausgesandte Hochfrequenzsignal wird von der Antenne 3 des Sensors 4 empfangen und durch einen (lnterdigital-)Wandler in eine sich ausbreitende mechanische OFW umgewandelt. Über geeignete reflektierende Strukturen werden die sich ausbreitenden OFW wieder zum Wandler im Sensor 4 reflektiert, wo sie in eine elektromagnetische Welle rückgewandelt und von der Antenne 3 abgestrahlt werden. Bei OFW-Sensoren muß die physikalische Größe, die gemessen werden soll, auf die Eigenschaften der akustischen Oberflächenwelle einwirken. Meistens ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Laufstrecke. Mechanische Kräfte wie Verbiegung und Druck ändern sowohl die akustische Weglänge als auch die elastischen Konstanten des Kristalls und damit die OFW-Geschwindigkeit. Ausgewertet werden in der Abfrageelektronik 7 die Laufzeit bzw. Phasenverschiebung, Signalamplitude und Signalform sowie die Verschiebung der Mittenfrequenz bei re- sonanten Sensoren. Da OFW-Sensoren passive Elemente sind, d.h. auf dem Substrat befinden sich weder Batterien noch aktive elektronische Elemente, eignen sie sich besonders für den langlebigen Einsatz in rauhen Umgebungsbedingungen.
Fig. 2 zeigt eine mögliche Anordnung eines Sensors 4 und zweier damit verbundener Sensorantennen 3. Der Sensor 4 enthält ein als Chip ausgeführtes Sensorelement 40 innerhalb einer hermetisch verschlossenen und elastischen Kapselung 10. Mit der
Kapselung 10 wird erreicht, daß das Sensorelement 40 von chemischen Einflüssen, die zu einer Signalverfälschung und Alterungseffekten führen könnten, ferngehalten wird.
Da die OFW-Sensoren zudem empfindlich auf Dehnungen/Stauchungen ansprechen, ist es vorteilhaft, die Elemente so einzubauen, daß mittels der Gehäuseform eine Druckkraft in eine Dehnung/Stauchung umgewandelt wird. Beispiele für elastisch verformbare Sensoren 4 sind in den Fig. 3 und 4 wiedergegeben.
Fig. 3 zeigt eine Ausführung eines Sensors 4 durch Anordnung eines Elements 40 innerhalb eines elastischen Verformkörpers 100. Fig. 4 zeigt eine Kombination eines Sensors 4 mit einem Federelement 11.
Fig. 5 zeigt eine mögliche Antennenanordnung, wobei mehrere Sensorantennen 3 mit einer gemeinsamen Abfrageantenne 9 zusammenarbeiten.
Fig. 8 zeigt ähnlich wie die eingangs erwähnten Fig. 6 und 7 einen Verlauf des Anpreßdrucks in Abhängigkeit von der Zeit, wobei die Erfassung jedoch on-!ine mittels einer erfindungsgemäßen Anordnung kontinuierlich über mehrere Jahre erfolgt.
Mit derselben Anordnung kann aber auch beispielsweise im Kurzschlußfall eine dynamische Änderung des Anpreßdrucks über einen sehr kurzen Zeitraum, z.B. über 100 ms erfaßt werden, wie in Fig. 9 dargestellt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Messung des Anpreßdruckes, der in einem Leistungstransformator oder sonstigem starkstromtechnischem Gerät durch ein Wicklungspreßelement (2) auf eine Wicklung (1) ausgeübt wird, wobei
a) in das Wicklungspreßelement (2) wenigstens ein Sensor (4) mit einem auf Druck oder Dehnung reagierenden Sensorelement eingesetzt ist, und
b) der Sensor (4) dafür eingerichtet ist, über eine Funkverbindung mit einer Abfrageelektronik (7) zu korrespondieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4) elektrisch mit wenigstens einer Sensorantenne (3) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageelektronik (7) außerhalb eines Transformatortanks (6), der die Wicklung (1 ) enthält, angeordnet ist, und mittels einer durch die Wand des Tanks (6) führenden Hochfrequenzdurchführung (8) mit einer Abfrageantenne (9) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination von Abfrageelektronik (7) und Sensor (4) dafür eingerichtet ist, ein von der Abfrageelektronik (7) gesendetes Hochfrequenzsignal im Sensor (4) zu empfangen und in eine mechanische Oberflächenwelle umzuwandeln, die sich im Sensor (4) ausbreitet, reflektiert wird, nach Rückwandlung in eine elektromagnetische Welle zur Abfrageelektronik (7) gesendet, dort empfangen und ausgewertet wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4) ein OFW (akustische Oberflächeπwellen)- Sensorelement (40) enthält.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch geKenn- zeichnet, daß der Sensor (4) mittels eines Sensoreiements (40) ausgeführt ist, das innerhalb einer hermetischen Kapselung (100) angeordnet ist, die als elastischer Verformungskörper gestaltet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4) in ein Federelement (11 ) eingefügt ist.
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