DE19510970A1 - Temperaturüberwachungseinrichtung für einen Transformator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturüberwachungsein­ richtung für einen Transformator.

Die Betriebstemperatur von Transformatoren wird in vielen Fällen mit Kontaktthermometern oder auch Thermistoren überwacht, um ei­ nen Schutz gegen thermische Überlastung zu haben. Üblicherweise wird bei bestimmten vorgewählten Temperaturschwellwerten in ei­ ner ersten Stufe zunächst eine Warnung abgegeben und bei einem zweiten, etwas höherem Temperaturschwellwert wird in einer zwei­ ten Stufe die Abschaltung des Transformators ausgelöst, um einer Zerstörung durch thermische Zersetzung der Wicklungsisolation vorzubeugen.

Bei Öltransformatoren wird üblicherweise die Temperatur des Öles in der obersten Schicht überwacht. Bei großen und dementspre­ chend teuren Transformatoren verwendet man auch ein sogenanntes "Thermisches Abbild", das im wesentlichen aus einer in der ober­ sten Ölschicht angeordneten Heizspule und einem im Innern dieser Heizspule angeordneten Temperaturfühler besteht. Die Wicklung der Heizspule wird von einem dem Laststrom des Transformators proportionalen Heizstrom durchflossen. Durch Abgleichwiderstände wird dafür gesorgt, daß sich die Heizspule in gleicher Weise über die Öltemperatur erwärmt wie die Wicklung, deren Erwärmung über das umgebende Öl durch Messung festgestellt wird.

Bei Trockentransformatoren erfolgt die Temperaturüberwachung meist durch Thermistoren, die an die Oberfläche der Unterspan­ nungswicklung angelegt werden, entweder im Kühlkanal der Wick­ lung - falls ein derartiger Kühlkanal vorhanden ist - oder auf der Innenseite der Wicklung, die dem Kern zugewandt ist. Dabei werden die Temperaturfühler axial gesehen im oberen Bereich der Wicklung angeordnet, um den "Heißpunkt" der Wicklung zu erfas­ sen. Entsprechend der zulässigen Heißpunkttemperatur werden dann auch die Warnungs- und Auslösetemperaturschwellwerte einge­ stellt. Falls Lüfter zur Verbesserung der Kühlung vorhanden sind, werden diese mit Hilfe einer weiteren Stufe zugeschaltet, deren Temperaturschwellwert etwas unterhalb des Temperatur­ schwellwertes der Warnungsstufe liegt. Statt der oder zusätzlich zu den Thermistoren können auch Thermometer bzw. Widerstands­ thermometer eingesetzt werden, wenn zusätzlich eine Temperatur­ anzeige erforderlich ist.

Sowohl bei Öl- als auch bei Trockentransformatoren vermeidet man aus Sicherheitsgründen, Temperaturfühler direkt in Hochspan­ nungswicklungen (Oberspannungswicklungen) einzusetzen.

Die vorbeschriebenen Systeme weisen die folgenden Nachteile auf: Bei Öltransformatoren haben die Wicklungen und das Öl sehr un­ terschiedliche Erwärmungszeitkonstanten (einige Minuten bei Wicklungen im Vergleich zu einigen Stunden für das Öl). Deshalb ist mit Hilfe einer Überwachung der Öltemperatur ein wirksamer Schutz der an sich kritischen Heißpunkttemperatur der Wicklungen nicht möglich. Das diesen Schwachpunkt überwindende System des "Thermischen Abbildes" ist relativ teuer und bleibt deshalb der Anwendung bei teuren Großtransformatoren vorbehalten.

Bei Trockentransformatoren entstehen bei der Temperaturmessung relativ große Ungenauigkeiten durch die unsichere Güte der An­ kopplung des Fühlers an die Wicklungsoberfläche. Die genaue Lage des Heißpunktes ist nicht bekannt. Erschwerend tritt die Überla­ gerung der vom Eisenkern erzeugten Wärme hinzu, welche unabhän­ gig vom Laststrom ist. Dieser Effekt führt bei Teilbelastungen zu irritierenden, viel zu hohen Temperaturanzeigen. Eine direkte Temperaturüberwachung der Hochspannungswicklung (Oberspannungs­ wicklung) ist nicht möglich. Die Hochspannungswicklung kann aber im Vergleich zur Unterspannungswicklung höhere Heißpunkttempera­ turen aufweisen und, was insbesondere bei Gießharztransformato­ ren der Fall ist, wesentlich höhere Erwärmungszeitkonstanten. Man kann zwar erreichen, daß die Warnung- und Auslösetemperatur­ schwellwerte an die Heißpunkttemperatur der Hochspannungswick­ lung angelehnt werden, eine Nachbildung der höheren Erwärmungs­ zeitkonstante ist jedoch prinzipiell nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturüberwa­ chungseinrichtung für einen Transformator anzugeben, die das Temperaturprofil innerhalb des Transformators und hierbei insbe­ sondere die kritischen Temperaturen der Wicklungsisolation rela­ tiv genau nachbildet.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbe­ griffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß mittels der vorgeschlagenen Temperaturüberwachungs­ einrichtung eine wenig aufwendige, relativ preiswerte und genaue Möglichkeit geschaffen wird, das sich innerhalb des Transforma­ tors während des Betriebes einstellende Temperaturprofil nachzu­ bilden und hieraus insbesondere die Temperatur der Wicklungsiso­ lation abzuleiten. Der Transformator kann rechtzeitig abgeschal­ tet werden, bevor es zu einer Zerstörung der Wicklungsisolier­ stoffe infolge thermischer Zersetzung kommen kann. Als einziges Eingabesignal benötigt die Temperaturüberwachungseinrichtung den Laststrom des Transformators. Die Hilfsgrößen für die "elektro­ nische Nachbildung" des Transformatortemperaturprofils, wie Er­ wärmungszeitkonstanten der einzelnen Transformatorbaukomponen­ ten, Wärmeübertragungsflächen zwischen den Baukomponenten und Wärmeübergangszahlen können off-line ermittelt und der inte­ grierten Schaltung eingespeichert werden. Vorteilhaft geht auch die Erwärmungszeitkonstante der Hochspannungswicklung (Oberspan­ nungswicklung) in die Temperaturnachbildung ein. Die Temperatur­ nachbildung ist sowohl bei Vollast als auch bei Teilbelastung des Transformators relativ genau.

Die integrierte Schaltung kann zusätzlich in einfacher Weise Maßnahmen einleiten, falls die nachgebildete Temperatur der Wicklungsisolation vorgegebene Temperaturschwellwerte über­ schreitet. Zunächst erfolgt die Zuschaltung eines zusätzlichen Lüfters, danach eine optische und/oder akustische Warnung und schließlich die Abschaltung des Transformators. Eine Anzeige der nachgebildeten Temperatur ist ebenfalls möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Transformator,

Fig. 2 eine Temperaturüberwachungseinrichtung für den Trans­ formator.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Transformator 1 darge­ stellt. Es sind der Eisenkern 2, die Unterspannungswicklung 3, die Isolation 4 zwischen Unter- und Oberspannungswicklung, die Oberspannungswicklung 5 und die äußere Isolation 6 zu erkennen. Während des Betriebes des Transformators ergibt sich ein Wärme­ strom vom Eisenkern 2 zur äußeren Isolation 6.

In Fig. 2 ist eine Temperaturüberwachungseinrichtung für den Transformator 1 dargestellt. Die zentrale Baukomponente ist da­ bei die integrierte Schaltung 8, welche ein zum Laststrom i des Transformators 1 proportionales Signal eingangsseitig empfängt und hieraus die an kritischen Stellen des Transformators - ins­ besondere an der Wicklungsisolation - auftretende Temperatur Θ nachbildet.

Zur Messung des Laststromes i dient eine Stromerfassungseinrich­ tung 9. Die nachgebildete Temperatur Θ kann mittels einer Tempe­ raturanzeige 11 angezeigt werden. Um einen Schutz vor thermi­ scher Überlastung des Transformators zu gewährleisten, kann die integrierte Schaltung 8 beispielsweise bei Überschreiten eines ersten Temperaturschwellwertes einen Lüfter 10 zuschalten, um die Oberfläche des Transformators 1 intensiv zu kühlen. Wird ein höherer, zweiter Temperaturschwellwert überschritten, erfolgt die Beaufschlagung einer optischen oder akustischen Warneinrich­ tung 12. Überschreitet die Temperatur Θ auch einen hohen dritten Temperaturschwellwert, erfolgt eine Abschaltung des Transforma­ tors indem die Einspeisung mittels einer Schalteinrichtung 7 un­ terbrochen wird.

Nachfolgend wird erläutert, auf welche Art und Weise die inte­ grierte Schaltung 8, die Temperatur Θ aus dem Laststrom i nach­ bildet. Grundlage für die elektronische Nachbildung der Tempera­ tur ist die Berechnung der Leistungen der einzelnen Wärmequellen des Transformators. Als Wärmequellen treten die Unterspannungs­ wicklung 3, die Oberspannungswicklung 5 und der Eisenkern 2 auf. Die in der Unterspannungswicklung 3 und der Oberspannungswick­ lung 5 produzierten Stromwärmeverluste ergeben sich aus den ohm­ schen Widerständen der Wicklungen und den Wicklungsströmen. Be­ zeichnet i beispielsweise den Laststrom der Unterspannungswick­ lung 3, so läßt sich der in der Oberspannungswicklung 5 flie­ ßende Strom unter Beachtung des Übersetzungsverhältnisses be­ stimmen. Die integrierte Schaltung 8 berücksichtigt des weiteren die laststromunabhängigen Eisenverluste des Eisenkerns 2, d. h. die Wirbelstromverluste und die Hystereseverluste.

Bei der Abführung der Stromwärmeverluste und der Eisenverluste aus dem Transformator 1 spielen die Erwärmungszeitkonstanten T der Wicklungen, des Eisenkerns und der Isolationen eine Rolle. Die Erwärmungszeitkonstanten T des Eisenkerns 2, der Unterspan­ nungswicklung 3, der Isolation 4, der Oberspannungswicklung 5 und der Isolation 6 werden der integrierten Schaltung 8 einge­ speichert. Die Erwärmungszeitkonstanten der Wicklungen berück­ sichtigen dabei zusätzlich die Erwärmungszeitkonstanten der Wicklungsisolationen.

Die Erwärmungszeitkonstanten T der Transformatorbaukomponenten lassen sich allgemein aus dem Gewicht G, der spezifischen Wärme­ kapazität c, der Wärmeübertragungsfläche A und der Wärmeüber­ gangszahl α berechnen zu

Die theoretische Enderwärmung Θe über die Umgebungstemperatur hinaus (Zeit t → α ist direkt proportional zur Leistung P der Wärmequellen und umgekehrt proportional zur Wärmeübertragungs­ fläche A und zur Wärmeübergangszahl α:

Hieraus läßt sich der zeitliche Verlauf der Temperatur Θ bestim­ men zu

wobei Θo die Übertemperatur bei t = 0 darstellt.

Bei der Nachbildung des sich innerhalb des Transformators ein­ stellenden Temperaturprofils und insbesondere der Temperatur der Wicklungsisolation geht der Sachverhalt ein, daß es sich beim Transformator nicht um einen homogenen Körper handelt, sondern daß die Erwärmungszeitkonstanten der Wicklungen, des Eisenkerns und der Isolationen sowie die Wärmeübertragungsflächen zwischen den Transformatorbaukomponenten und die Wärmeübergangszahlen sehr unterschiedlich sind. Es stellen sich folglich erhebliche Temperaturdifferenzen innerhalb des Transformators ein und es ergeben sich Wärmemischungsprozesse.

Bei der Nachbildung der Temperaturen ist auch die Abhängigkeit der Wärmeübergangszahlen von der Temperatur und die Abhängigkeit des ohmschen Widerstandes der Wicklungen von der Temperatur zu berücksichtigen. Die Stromwärmeverluste nehmen bei konstantem Strom mit der Temperatur zu.

Claims (5)

1. Temperaturüberwachungseinrichtung für einen Transforma­ tor, gekennzeichnet durch eine integrierte Schaltung (8), der eingangsseitig der Laststrom (i) des Transformators vorgebbar ist und der die Erwärmungszeitkonstanten (T) der Unterspannungs­ wicklung (3), der Oberspannungswicklung (5), des Eisenkerns (2) und der Isolationen (4, 6) des Transformators (1) sowie die Wär­ meübertragungsflächen (A) zwischen den Transformatorbaukomponen­ ten und die Wärmeübergungszahlen (α) eingespeichert sind und die hieraus die Temperatur (Θ) der Wicklungsisolation bildet.

2. Temperaturüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (9) bei Erreichen eines vorgebbaren Temperaturschwellwertes einen Lüfter (10) zur intensiven Transformatorkühlung ansteuert.

3. Temperaturüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schalt­ kreis (8) bei Erreichen eines vorgebbaren Temperaturschwellwer­ tes eine Warneinrichtung (12) ansteuert.

4. Temperaturüberwachungseinrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schalt­ kreis (8) bei Erreichen eines vorgebbaren Temperaturschwellwer­ tes die Leistungseinspeisung des Transformators über eine Schalteinrichtung (7) unterbricht.

5. Temperaturüberwachungseinrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Temperaturan­ zeige (11) der gebildeten Temperatur der Wicklungsisolation.