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Überlast- und Fehlerschutz für flüssigkeitsgekühlte Geräte mit Ausdehnungsgefäß,
insbesondere Transformatoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Überlast- und Fehlerschutz-Einrichtung
für flüssigkeitsgekühlte Apparate und :Maschinen, insbesondere Transformatoren,
Drosselspulen und andere, die mit einem Ausdehnungsgefäß verbunden sind. Als Meßgröße
wird die Wärmeausdehnung des Kühlmittels (meist Trafoöl) verwendet, wobei gleichzeitig
eine Verbesserung der Selbstkühlung solcher Geräte erreicht wird.
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Es wurden verschieden wirkende Schutz- und Kühleinrichtungen für Öltransformatoren
bekannt, um die Wicklungsisolationen vor unzulässiger Erwärmung zu schützen und
so die Betriebsfähigkeit solcher Geräte zu erhalten. Da aus isoliertechnischen Gründen
die jeweilige Temperatur der Wicklungen nicht direkt gemessen werden kann, bedient
man sich der indirekten Meßmöglichkeiten mittels Thermoelementen, Widerstandsthermometern
und Meßeinrichtungen, die die Ölausdehnung infolge Erwärmung des Transformators
erfassen und daraus auf die Wicklungstemperatur schließen lassen. Die Messung der
Ülaus-dehnung gestattet außerdem noch die Feststellung und Signalisierung anderer
unerwünschter Vorgänge im Transformator, die meist durch örtliche Überhitzung oderLichtbogeneinwirkunghervorgerufen
werden, oder durch mechanische und isoliertechnische Mängel bedingt sind.
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Ein bekanntes Schutzgerät, welches in das Überströmrohr zwischen dem
Trafokessel und dem Ausdehnungsgefäß eingebaut wird, spricht auf Grund seiner Ausrüstung
mit Schwimmern, Strömungsklappen und Öl-, bzw. Gasstandsmeßräumen grundsätzlich
nur auf bereits vorhandene Mängel und Fehler an und signalisiert .diese oder schaltet
bei schweren Fehlern die Anlage ab. Wie die Praxis zeigt, sind dann die Schäden
meist so schwer, daß die betroffene Anlage zumindest fürsorglich überholt werden
muß, wenn nicht schon urreparable Schäden vorlagen.
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Die Leistungsreserve oder die noch mögliche Überlastbarkeit der Anlage
läßt ein solches Schutzgerät nicht erkennen. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es
jedoch wichtig zu wissen, ob ,eine solche wertvolle Anlage zu jedem beliebigen Zeitpunkt
und in jeder möglichen Betriebssituation noch ohne die Gefahr einer Beschädigung
weiter belastet werden kann.
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Eine andere bekannte Schutzeinrichtung, bei welcher die Ölausdehnung
als Bezugswert für die Wicklungstemperatur meßtechnisch verwendet wird, spricht
ebenfalls auf verschiedene Betriebsfehler an und ist für die Anzeige der Leistungsreserve
des Transformators ausgelegt. Durch ein in der Rohrleitung zwischen Trafokessel
und Ausdehnungsgefäß eingebautes Drossel- bzw. Stauorgan wird diedurch die Wärmedehnung
verursachte Ölströmung erfaßt und meßtechnisch ausgewertet. Der Staudruck vor dem
Stauorgan läßt zusammen mit dem Säulendruck des im Ausdehnungsgefäß stehenden Kühlöles
Rückschlüsse auf die Wicklungstemperaturen und damit auf die Leistungsreserve des
Transformators zu, sofern gleichmäßig verlaufende Last- und Kühlbedingungen vorliegen.
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Wie allgemein bekannt, wäre die Ölstandshöhe im Ausdehnungsgefäß mit
genügender Genauigkeit als Maß für Wicklungstemperatur, Belastungszustand und damit
Leistungsreserve eines Transformators dann verwendbar, wenn wenig schwankende und
für Stunden vorausbestimmbare Betriebslast und annähernd gleichbleibende Wärmeabführung
aus der Anlage vorläge. Durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Kühlöles bedingt,
kann die Wärmeabführung von der Entstehungsstelle über die Kesselwand an die Außenluft
oder weitere Kühleinrichtungen nur durch Konvektion erfolgen, woraus sich die hohe
Zeitkonstante für den Wärmeausgleich innerhalb der Anlage ergibt. Daraus ergibt
sich bei der üblichen Bauweise der Transformatoren der Nachteil, daß obenliegende
Wicklungsteile wesentlich heißer werden als unterliegende. Man kann sich nun an
die mittlere Öltemperatur halten und die obere Temperaturspitze einbeziehen. Bei
dem verhältnismäßig großen Ölvolumen in der Anlage ist aber dann eine durch örtliche
Übererwärmung oder sonstige Fehler verursachte Volumenzunahme relativ klein und
kann aus der geringen Ülstandsänderung nicht mehr erkannt oder für Meßzwecke genutzt
werden. Deshalb soll beim vorerwähnten Schutzgerät vermittels der Staudrossel auch
eine geringe, aber spontane Volumenzunahme erfaßt und erkennbar zum Gewichtsdruck
der Ölsäule im Ausdehnungsgefäß addiert werden. Die Vorteile einer
solchen
Anordnung werden jedoch zum Teil wieder hinfällig, weil das Kühlöl seine Viskosität
mit der Temperatur erheblich ändert, so daß sich stetig ändernde Strömungsverhältnisse
im Drosselorgan ergeben und damit der Staudruck vor der Drossel unerfaßbar gefälscht
wird und die Messung den Genauigkeitsanforderungen nicht mehr genügt. Weiter wirkt
jede Drosselstelle zwischen Trafokessel und Ausdehnungsgefäß umlaufhindernd für
:das Kühlöl und schließt das Ausdehnungsgefäß vom Kühlvorgang aus.
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Schließlich ist die Anordnung von Schutzeinrichtungen zwischen Trafokessel
und Ausdehnungsgefäß deshalb nachteilig, weil erforderliche Überprüfungen nicht
während des Betriebes der Anlage und meist nur nach vorherigem Ablassen des Kühlöles
vorgenommen werden können.
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Durch die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung werden nicht nur ,die
Nachteile der genannten Schutzarten vermieden, sondern noch eine vorbeugend wirksam
werdende bessere Selbstkühlung erreicht. Von Vorteil ist weiter, daß auch bei Ausfall
der elektrischen Signale noch optische und akustische Warn-und gegebenenfalls Schaltsignale
gegeben werden. Schließlich stellt die Möglichkeit, die Schutzeinrichtung auch während
des Betriebes der Anlage jederzeit überprüfen oder für andere Betriebsverhältnisse
umstellen zu können, einen technischen Fortschritt dar.
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Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist .darin zu sehen, daß das Luftpolster
über dem Kühlöl im Ausdehnungsgefäß nur nach Maßgabe eines oben angeordneten einstellbaren
Drosselorgans ins Freie entweichen kann, so daß neben dem Gewichtsdruck der Kühlölsäule
noch der Druck des Luftpolsters meßtechnisch wirksam wird.
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Eine vorteilhafte Doppelwirkung wird bei .der erfindungsgemäßen Anordnung
und Ausrüstung des Ausdehnungsgefäßes insofern erreicht, als das beträchtliche Kühlvermögen
des Ausdehnungsgefäßes wirksam in den gesamten Kühlölumlauf einbezogen ist, wodurch
eine intensive Mischung des Kühlöles der Gesamtanlage erzwungen wird und demzufolge
örtliche Übererwärmungen an jeder Stelle der Aniage schnellstens entweder durch
die Ölumwälzung abgeführt oder die ihr zukommende und erfaßbare Ölausdehnung bewirken.
Damit wird die der Hauptmessung zugrunde gelegte mittlere Öltemperatur, bzw. die
von ihr abhängige Kühlölsäule im Ausdehnungsgefäß, von meßtechnisch latent werdenden
oberen und unteren Spitzenwerten so weitgehend befreit, daß sie mit genügender Genauigkeit
und für jeden Betriebsfall als Bezugswert für die Beurteilung der Leistungsreserve
dienlich ist.
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Weitere Vorteile der erfindungsmäßigen Schutz-und Kühleinrichtung
werden in der folgenden Beschreibung kenntlich gemacht und hervorgehoben.
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Durch die Schemazeichnung ist eine Ausführungsmöglichkeit der Schutzeinrichtung
gemäß der Erfindung dargestellt.
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Ein zur Erreichung einer möglichst hohen Ölsäule vorzugsweise hochstehendes
Ausdehnungsgefäß 1 von beliebiger aber in der Höhe gleichbleibender Querschnittsform
wird so abseits und über die zu schützende Anlage, im Beispielsfalle ein Öltransformator,
18 angeordnet, daß ein linearer Ölanstieg und demzufolge eine lineare Meßskala erreicht
wird und das Ausdehnungsgefäß zwecks besserer Luftkühlung aus dem Bereich der vom
Trafo aufsteigenden Warmluft kommt. Über ein Drosselorgan 2, das als einstellbares
Ventil (z. B. Nadelventil) oder als auswechselbare Düse oder Blende ausgebildet
sein kann, wird der Luftdurchgang vom Behälter 1 zur Umgebungsluft reguliert. ln
dem beispielsweise mit Silikagel oder Chlorcalizium ,gefüllten Filter 3 wird die
durchgehende Luft in bekannter Weise von Feuchtigkeit und Staub befreit. Der Ein-
und Auslaßstutzen 4 kann in bekannter Weise als Signalpfeife ausgebildet werden,
die bei Ausfall aller anderen Schutzeinrichtungen ein der zu erwartenden normalen
oder extremen Luftströmung angepaßtes Warnsignal abgibt. Der Stutzen 4 kann weiter
vorteilhaft mit einem pneumatischen Schaltkontakt bekannter Art ausgerüstet werden,
der bei anormalem Luftstrom anspricht und entsprechend genutzt werden kann. Mit
dem Ausdehnungsgefäß 1 ist ein Stand- und Meßrohr 5 verbunden, das vorteilhaft aus
durchsichtigem Werkstoff wie Glas, oder aus nichtmagnetisierbarem Metall wie Neusilber
usw. hergestellt sein kann. Der Schwimmer 11 kann sowohl mit einer Leuchtmarkierung
versehen sein, die eine optische Anzeige des Ölstandes im Ausdehnungsgefäß bei Tag
und Nacht ermöglicht, als auch mit einem energiereichen Permanentmagneten 10 versehen
werden, der beim Passieren der beispielsweise eingezeichneten Steuerkontakte 6,
7, 9 und 12 deren Weicheisen-Schaltzungen .bis zur Kontaktgabe bewegt. Die Steuerkontakte
können in bekannter Weise und unter Anordnung von magnetischen oder mechanischen
Halteeinrichtungen für jeden erforderlichen Schaltvorgang ausgebildet werden. Es
kann weiter ein Feindruckmesser 14, beispielsweise ein Balgenmanometer, :als Anzeigeinstrument
.dienen, das sowohl für die Fernanzeige mit einem Widerstandsgeber 13 .als auch
mit entsprechenden Maximal- und Minimalkontakten ausgerüstet werden kann, so daß
die vorerwähnten Steuerkontakte 6 bis 12 entfallen können oder als zusätzliche Sicherheitskontakte
frei werden.
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In das vom Trafokesse118 zum Ausdehnungsgefäß 1 führende Überströmrohr
17 können ohne Schaden für das Meßergebnis normal übliche Schutzund- Absperreinrichtungen
15 beispielsweise auch Wasser- und Gasabscheider, eingebaut werden. Vorteilhafter
und zugänglicher empfiehlt sich ein Gasfänger und -melder 16, der auch als Überdrucksicherung
für den Transformator ausgebildet werden kann.
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Das im Zentrum des Ausdehnungsgefäßes 1 einmündende Überströmrohr
17 setzt sich als Steigrohr 23 bis zur Höhe des im Beharrungszustand des Transformators
zu erwartenden Ölhöchststandes. Übereinen Verteiler 25, der entsprechend den betrieblichen
Erfordernissen perforiert sein kann, wird das in Pfeilrichtung .ankommende heiße
Trafoöl vorzugsweise an die Behälterwände 1 geleitet, wo es sich abkühlt und niedersinkt.
Durch Anordnung von Kühlrippen, wie durch 26 angedeutet, kann der Kühlvorgang noch
vorteilhaft verstärkt werden. Über eine Ringführung 22 fließt das .abgekühlte Öl
über das Verbindungsrohr 20 in den Trafokessel zurück, wobei die Einmündung in den
Trafokessel so gewählt und verzweigt werden kann, daß .der Kühlölstrom an die erfahrungsgemäß
heißesten oberen Wicklungsstellen gelangt und nach erneuter Wärmeaufnahme durch
die Thermo-Siphon-Wirkung wieder an die mitkühlenden Wände und Deckel des Trafokessels,
bzw. wieder in das Ausdehnungsgefäß 1 getrieben wird. Neben einer der Fallströmung
weichenden Klappe 19, die den natürlichen Strömungsgang vorteilhaft beeinflußt,
kann zur weiteren Verstärkung des Ölumlaufes an geeigneter Stelle des Rücklautrohres
20 eine Förderpumpe eingeordnet werden, die im Bedarfsfalle durch
einen
der Kontakte 9 in Betrieb gesetzt werden kann. Etwa durch die Umwälzung mitgeführte
Schmutzteile und Kondenswasser usw. können sich am Sumpfboden des Ausdehnungsgefäßes
absetzen und beim Verschluß 21 entnommen und untersucht werden. Dies ist auch für
die Entnahme von Ölproben von Vorteil, weil die intensive Ölumwälzung und daraus
resultierende Ölmischung zutreffendere Durchschnittswerte ermöglicht.
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Für bestimmte Betriebsverhältnisse kann eine Anpassung der Drosselstelle
2 an die Außen- oder Innentemperatur erforderlich sein. Diese kann durch selbsttätige
Ausgleicher 27, beispielsweise Bimetallglieder, erreicht werden.
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Die Einstellung, Wirkungsweise und Meßauswertung der erfindungsmäßigen
Kühl- und Schutzeinrichtung ergibt sich folgend: Der Nullpunkt aller Anzeige- und
Kontakteinrichtungen wird auf eine Mindestölstandshöhe im Ausclehnungsgefäß
1 und eine Öltemperatur von 0° C bezogen, wobei die Betriebslast = 0 und
demgemäß die Leistungsreserve der Anlage = 100 % ist. Frosteinwirkung auf die Anlage
kann in jedem Falle außer Betracht bleiben, denn bei abgeschalteter Anlage ist eine
:Messung oder Überwachung im angestrebten Schutzsinne nicht erforderlich und bei
Betrieb der Anlage wird die etwa gespeicherte Kälte vorteilhaft zur Wärmeabführung
wirksam, bis schließlich der Nullzustand = 100% Leistungsreserve erreicht ist. Darüber
hinaus wird mit zunehmender Erwärmung der Anlage die selbsttätige Olumwälzung wirksamer
:.ind damit die Mischung des zunächst verschieden warmen bzw. kalten Öles intensiver,
so daß weitere Frosteinwirkung auf die Außenwände von Trafokessel und Ausdehnungsgefäß
die Ölkühlung beschleunigen, ohne daß unzulässige Plus- oder Minus-Temperaturspitzen
die der Messung zugrunde gelegte »mittlere Öltemperatur« wesentlich fälschen können.
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Gehen die Meßeinrichtungen trotz längerer Zeit abgeschalteter Anlage
infolge warmer Umgebungsluft nicht mehr auf Null zurück, bzw. wird eine geringere
Leistungsreserve als 100 0/a angezeigt, so geht dies meßtechnisch in Ordnung, denn
die Leistungsreserve von 100()/o ist ja auf eine mittlere Temperatur von 0° C bezogen,
also bei höherer Öltemperatur bereits vorbelastet. Der maximale Ölstand im Ausdehnungsgefäß
1 und damit auch im Meßrohr 5 ist entweder vom Hersteller der Anlage gekennzeichnet
und bezieht sich auf die zulässige Grenztemperatur der Wicklungen (meist 105° C),
oder kann nachträglich und unter Zugrundelegung des Kaltölvolumens berechnet werden.
Schließlich ist eine empirische Festlegung dadurch möglich, daß die Anlage mit bekannter
Nennlast über die ebenfalls bekannte Zeitkonstante (etwa 4 bis 5 Stunden) ohne Fremdkühlung
bis zum Beharrungszustand (Gleichgewichtszustand) hochgefahren wird und der sich
nicht mehr wesentlich ändernde höchste Ölstand markiert wird. Zwischen den so festgelegten
Marken 0 und Maximum wird eine lineare Skala der Leistungsreserve 100 % bis 0% reziprok
aufgezeichnet.
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Die Einstellung des Drosselorgans 2 erfolgt nun so, daß bei normalem
Nennlastbetrieb gerade so viel Luft ohne wesentliche Pressung des Luftpolsters aus
dem Ausdehnungsgefäß 1 entweichen kann, als Kühlöl vom Trafokessel her in .das Ausdehnungsgefäß
1 eintritt, so daß der Ölspiegel in dem ,gegen die freie Atmosphäre offenen Meßrohr
5 nicht wesentlich gegen den Ölspiegel 24 voreilen kann. Der Hub des Schwimtners
11, bzw. der Ausschlag des Druckmessers 14 entspricht dann in jeder Stellung dem
jeweiligen Nennlast-Belastungszustand der Anlage, bzw. deren noch vorhandener Leistungsreserve.
Es können demzufolge die Kontakteinrichtungen am Meßrohr 5 oder am Anzeigeinstrument
14 so eingestellt werden, daß beispielsweise Kontakt 9 bei 50% Leistungsreserve
die Fremdkühlung (Lüfter u. dgl.) in Betrieb setzt, 1iontakt 8 bei etwa 10% Leistungsreserve
eine Vorwarnung gibt und Kontakt 6 schließlich Alarm auslöst oder die Anlage abschaltet.
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Zur Kontrolle des Kaltölstandes im Ausdehnungsgefäß 1, auf welchen
die Nullmarke bezogen ist, kann man, weil der Temperaturwert Null in der Praxi kaum
erreicht wird, etwa in Höhe der Nullmarke einen Warnkontakt 12 vorsehen, b-zw. auch
im Druckanzeiger 14 einstellen, der bei Ölmangel anspricht.
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Die für jeden Transformator zutreffende Durchlaßweite am Drosselorgan
2 kann auch rechnerisch ermittelt werden, denn die erforderlichen Bezugswerte. wie
Kupfer- und Eisenverluste, Ölausdehnung bei Nennlast und Beharrungszustand usw.,
sind durch den Hersteller bekannt. Die zu erstellende Rechenformel kann die fixen
Werte als stets gleiche Konstante enthalten, so daß nur die sich von Fall zu Fall
ändernden Werte in die Rechnung einzubeziehen. sind.
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Wird beispielsweise die Anlage gewollt oder ungewollt auf doppelte
Nennlast gefahren, was kurzzeitig dann ohne Gefahr für die Wicklungen ist, wenn
man die noch vorhandene Leistungsreserve kennt, so wird infolge der durch Versuch
oder Berechnung voreingestellten Drosselwirkung 2 eine Pressung des Luftpolsters
im Ausdehnungsgefäß 1 durch die progressiv einsetzende Ölausdehnung verursacht.
Dieser Preßdr uck wirkt auch auf den Ölspiegel 24, so daß die Ölsäule im Meßrohr
5 im Sinne des eingezeichneten Doppelpfeiles voreilt, bzw. der zusätzliche Druck
der Ölsäule auf den Feindruckmesser 14 wirksam wird und demnach eine frühere Kontaktgabe
für zusätzliche Fremdkühlung, Warnung und schließlich Abschaltung der Anlage erfolgt.
In gleicher Weise spricht die Schutzeinrichtung auf alle Fehler in der Anlage an,
.die eine plötzliche und anormale Wärmedehnung des Kühlöles verursachen.
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Die Signalpfeife 4, bzw. die an dieser Stelle angeordnete pneumatische
Schalteinrichtung kann so eingestellt werden, daß sie bei normalen Betriebsverhältnissen
nicht anspricht, aber bei gefährlicher Zunahme der Wärmedehnung und damit der Luftpressung
signalisiert.
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Zur Registrierung sonst kaum wahrnehmbarer oder beachteter Betriebsvorgänge
und kleiner Fehler, kann ein vom Feindruckmesser 14 in bekannter Weise gesteuerter
Schreiber angeordnet werden. Registriert man gleichzeitig die Betriebslast und Außentemperatur,
so läßt ein Vergleich der einzelnen Kurven Rückschlüsse auf die Ursachen einer Fehlermeldung
zu.