DE630852C - Anordnung zur Messung der Temperatur eines Wechselstromleiters unter Belastung - Google Patents

Description

Es ist bekannt, zur Messung der Temperatur von Wechselstromleitern deren Widerstandsänderung zu benutzen,, die man nach Abschalten des Betriebsstromes in bekannter Weise mißt. Diese an sich sehr genaue Meßmethode hat den Nachteil, daß sie während des Betriebes versagt. Man hat deshalb vorgeschlagen, die Temperatur eines' Wechselstromleiters unter Belastung zu bestimmen durch eine geeignete Temperaturmeßeinrichtung, ζ. B. ein Thermoelement, das in größtmöglicher Nähe des Leiters angeordnet wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß das Temperaturmeßgerät an fertigen Maschinen oder Apparaten nur unter Schwierigkeiten, manchmal auch gar nicht angebracht werden kann und daß besondere Leitungen von der Meßstelle bis zur Beobachtungsstelle geführt werden müssen. Außerdem hat die Meßanordnung eine unter Umständen störende, erhebliche Zeitkonstante.

Die Erfindung beseitigt diese Nachteile, indem sie auf einfache Weise ermöglicht, Temperaturänderungen eines Wechselstromleiters unter Belastung festzustellen. Erfindungsgemäß wird zur Messung des Widerstandes bzw. der Widerstandsänderung über ein oder mehrere gleichphasig mit dem Strom gesteuerte Ventile einem Gleichstrommeßinstrument die Wirkkomponente des komplexen Spannungsabfalles^ der von dem Betriebsstrom in dem Leiter hervorgerufen wird, zugeführt. Aus der Wirkkomponente des komplexen Spannungsabfalles kann nämlich unmittelbar auf den Ohmschen Widerstand des stromdurchflossenen Leiters zurückgeschlossen werden.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Zunächst sind in den Fig. 1 bis 4 an 4-0 einem Stromwandler beispielsweise einige zur erfindungsgemäßen Messung geeignete \^rorrichtungen schematisch gezeichnet, während die Fig. 5 bis 8 einige Anwendungsbeispiele zeigen.

In den Fig. 1 bis 4 ist mit ι der Eisenkern eines Stromwandlers bezeichnet. 2 ist die Primärwicklung und 3 die Sekundärwicklung des Wandlers. Zur Messung der Ohmschen Spannungskomponente dient ein Gleich- 5» Strommeßgerät 4 mit einem gesteuerten Ventil 5. Der Steuerkreis des Ventils ist mit 6 bezeichnet. Das Gleichstrommeßgerät 4 ist in Reihe mit dem Ventil 5 an die Klemmen der Primärwicklung 2 gelegt. In der Fig. t ist der Steuerkreis des Ventils 6 an die Sekundärklemmen eines Stromwandlers 7 geschaltet. Infolgedessen ist der Strom in dem

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Wilhelm Thal in Berlin-Siemensstadt. .

Steuerkreis 6 um iSo° gegen den die Primärwicklung 2 durchfließenden Betriebsstrom phasenverschoben,, d. h, also mit diesem in' Phase. Es wird also das Ventil S gleichphä-S sig mit dem Strom gesteuert und infolgedes'-s sen von dem Meßinstrument 4 die Ohmsche· Spannungskomponente der Wicklung 2 angezeigt. Diese Ohmsche Spannungskomponente ist aber nicht nur bedingt durch den Ohmsehen Spannungsabfall in der Wicklung 2, sondern auch durch denjenigen in der Sekundärwicklung 3 und die Verluste des Eisenkernes i. Da bei einem Stromwandler mit sehr niedrigen Sättigungen des Eisenkernes gearbeitet wird, so können die Eisenverluste in der Regel vernachlässigt werden, so daß praktisch von dem Instrument ein Mittelwert aus den Ohmschen Widerständen der Wicklungen 2 und 3 gemessen wird. Ist die spezifische Strombelastung beider Wicklungen gleich groß, dann ergibt die Messung praktisch einen eindeutigen Widerstandswert. Auch bei mäßig ungleicher Belastung sind die Abweichungen vom Mittelwert so gering, daß immer noch aus den Meßergebnissen auf die Temperatur zurückgeschlossen werden kann.

In das Meßergebnis der oben beschriebenen Anordnung geht noch die Stromstärke in der Wicklung 2 ein, weil ja der Ohmsche Spannungsabfall unmittelbar von dieser Stromstärke abhängig ist. Man kann diesem Umstände ohne weiteres Rechnung tragen, wenn es sich um eine Prüfung mit einer vorausbestimmten Stromstärke handelt und diese während der Messung konstant gehalten wird.

Außerdem ist der Ausschlag des Meßgerätes 4 ein Maß für den gesamten Ohmsehen Widerstand, so daß Widerstandsänderungen nur schwer ablesbar sind. Diesen zuletzt genannten Nachteil kann man entweder dadurch beseitigen, daß man den Nullpunkt des Meßgerätes 4 in bekannter Weise durch zusätzliche mechanische Kräfte, z. B. mit Hilfe der Richtfeder, unterdrückt. Man kann aber auch den dem kalten Zustand der Wicklung 2 entsprechenden Ausschlag durch eine entgegengesetzt gerichtete Spannung auf Null kompensieren. Eine derartige Anordnung ist in der Fig. 2 dargestellt In Reihe mit dem Ventil 5 und Meßgerät 4 ist noch ein Ohmscher Widerstands geschaltet, der mit den Sekundärklemmen eines Stromwandlers 9 verbunden und dessen Widerstandswert stromunabhängig ist. Der Stromwandler 9 ist so geschaltet, daß er eine der Meßspannung entgegengesetzt gerichtete Spannung an den Klemmen des Widerstandes 8 erzeugt, deren Größe so bemessen ist, daß bei kaltem Zustand der Wicklungen 2 und 3 das Meßgerät 4 auf Null steht. Diese Anordnung hat gegenüber einer mechanischen Nullpunkt-Unterdrückung den Vorteil, daß sie für jede ■Stromstärke richtig ist, da sich die Sekundärvsjiannung des Wandlers 9 proportional mit /der Stromstärke ändert, während die mechanische Nullpunktunterdrückung für jede Stromstärke besonders neu geeicht werden müßte.

Die Anordnung in der Fig. 2 ist noch insofern gegenüber der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung geändert, als der in der Fig. 1 zur Speisung des Steuerkreises des Ventils dienende Stromwandler 7 fortgefallen ist und der Steuerkreis 6 unmittelbar an die Sekundärklemmen des Wandlers geschaltet ist. Da der Sekundärstrom des Wandlers gegenüber dem Primärstrom hinreichend genau um i8o° verschoben ist, wird auch auf diese Weise das Ventil gleichphasig mit dem Primärstrom gesteuert.

Die bisher beschriebenen Anordnungen genügen für Messungen, die zur Prüfung einer Maschine oder eines Apparates vorgenommen werden sollen, denn in diesen Fällen kann man mit einer konstanten Primär Stromstärke arbeiten. Es macht sich aber immer mehr der Wunsch geltend, Maschinen und Apparate vor allem auch während des Betriebes zu überwachen, wobei dann naturgemäß die Stromstärke innerhalb weiterer Grenzen schwankt. Eine für den zuletzt genannten Zweck geeignete Anordnung ist in der Fig. 3 dargestellt. Bei dieser wird an Stelle eines Einspulenmeßgerätes ein Kreuzspulmeßgerät 4 verwendet, dessen Meßstromzweig ebenso wie das Einspulengerät an die Klemmen des zu überwachenden Leiters angeschlossen ist, während der Richtstromzweig von einer Spannung gespeist wird, die proportional dem den Leiter durchfließenden Strom ist. Zur Erzeugung einer solchen Spannung dient bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ein in den Stromkreis der i°5 Primärwicklung 2 gelegter temperaturunabhängiger Nebenschluß widerstand 10. Ebensogut kann für diesen Zweck auch gemäß Fig. 4 ein Stromwandler 11 benutzt werden. Zweckmäßig ist die Anordnung so getroffen, daß "« beide Stromzweige des Kreuzspulinstrumentes über dasselbe Ventil 5 gespeist werden. Von dem Kreuzspulinstrument wird bei Anordnung gemäß Fig. 3 und 4 zunächst einmal der Wert J-(R + δR) : J, d. h. R + öR gemessen. Man kann auch hierbei wieder lediglich die der Temperaturänderung entsprechende Widerstandsänderung δ R zur Anzeige bringen, wenn man den dem kalten Zustand des Leiters entsprechenden Wert R kompensiert, z. B. indem man das Meßinstrument mit einer dritten Spule versieht, die in

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der Ebene der Meßstromspule angeordnet ist und von einer von dem Primärstrom abhängigen Spannung gespeist wird. Man kann auch die der Meßstromspule zufließende Spannung unmittelbar kompensieren.

Die oben beschriebenen Anordnungen sollen nur als Ausführungsbeispiele des Erfmdungsgedankens gelten. Sie können in der mannigfachsten Weise abgeändert werden, z. B.

to können überall, wo erforderlich, Transformatoren zur Verbindung von Wechselstromkreisen benutzt werden u. dgl. m.

Die Brauchbarkeit einer Anordnung gemäß der Erfindung geht über die Messung des Widerstandes bzw. der Temperatur erheblich hinaus. Sie kann z. B. auch zur Anzeige von Windungsschlüssen und Erdschlüssen von Maschinen und insbesondere Transformatoren benutzt werden. Wenn man dabei die dem Meßgerät zugeführte Spannung und die Speisung des Steuerkreises des Ventils verschiedenen Seiten des Transformators entnimmt, dann haben Betriebsstörungen infolge der durch sie bedingten Phasenverschiebung zwisehen Primär- und Sekundärwicklung augenblickliche Ausschlagähderungen des anzeigenden Gerätes zur Folge. Man kann nach dieser Richtung noch einen Schritt weiter gehen und den Steuerkreis des Ventils aus einer fremden, synchronen, in der Phase jedoch von dem Betriebsstrom unabhängigen Spannungsquelle speisen. In diesem Fall werden die durch Betriebsstörungen hervorgerufenen Phasenverschiebungen noch stärker bemerkbar gemacht, so daß die Anordnung gemäß der Erfindung als hochwertiger Transformator- und Generatorschutz dienen kann. Damit ist ihre Verwendung zur Temperaturkontrolle aber nicht aufgehoben, wenn man Mittel vorsieht, um den Steuerkreis des Ventils für Temperaturmessung vorübergehend an eine mit dem Betriebsstrom phasengleiche Spannungsquelle zu schalten. Da die Anordnung keine Zeitkonstante hat, kann die Temperatur nach Einschaltung sofort abgelesen werden,

In der Fig. 5. ist eine Schaltung gezeichnet, die besonders zweckmäßig zur Überwachung von Maschinen oder Apparaten benutzt wird,

so bei denen eine Leistung von einer primären auf eine sekundäre Wicklung übertragen wird. Mit 12 ist der Eisenkern eines Leistungstransformators bezeichnet, dessen Primärwicklung 13 und dessen Sekundärwicklung 14 ist. 15 und 16 sind an die Klemmen der Wicklungen gelegte Spannungswandler, deren Sekundärwicklungen über ein Gleichstrommeßinstrument 4 und ein Ventil 5 gegeneinandergeschaltet sind. Das Ventil wird von einem Stromwandler 17 gesteuert. Der Richtstromkreis des Instrumentes erhält seine Spannung vor! einem Nebenschlußwiderstand, der an die Sekundärklemmen des Stromwandlers 18 angeschlossen ist. Dabei werden bei ungleicher Primär- und Sekundärspannung durch geeignete Dimensionierung der Spannungswandler diese Spannungsabfälle auf den gleichen Maßstab gebracht. Diese Anordnung ist insofern besonders einfach, weil sie einer Stromkorrektur nicht bedarf und von ihr ohne weiteres der Wert der Widerstandsänderung δ R bzw. der Temperaturänderung angezeigt wird. Sie hat außerdem den besonderen Vorteil, daß sie nicht nur zur Temperaturüberwachung benutzt werden kann, sondern daß von ihr auch anderweitige Betriebsstörungen, wie z. B. ein einseitiger Windungskurzschluß oder ein Erdschluß, angezeigt werden. Die durch derartige Störungen hervorgerufenen Spannungsdifferenzen sind so groß, daß das Instrument aus seinem Skalenbereich heraus ausschlägt. Durch Anordnung von Erdkontakten oder ähnlich arbeitenden Vorrichtungen kann man derartige Betriebsstörungen dann optisch oder akustisch zur Anzeige bringen.

Bei Mehrphasensystemen kann man sich mit' der Überwachung einer Phase begnügen. In vielen Fällen wird auf diese Weise eine hinreichende Temperaturkontrolle ermöglicht. Man kann aber auch alle Phasen überwachen und mit Hilfe einer bekannten Summenschaltung die Summe der Ohmschen Komponenten der Spannungsdifferenzen bilden.

Wenn der zu messende Leiter, wie wohl meist, eine Wicklung ist, von der auf einen Eisenkern Leistung übertragen oder aus diesem entnommen werden soll, dann kann man in solchen Fällen, wo die Sättigung des Eisenkernes nur in sehr geringen Grenzen schwankt, dessen Verluste als konstant annehmen, so daß von der Anzeige des Meßgerätes 4 ein konstanter Wert in Abzug gebracht werden muß. Zu diesem Zweck kann man z.B. eine Hilfsspule verwenden, die neben oder über der Meßinstrumentenspule angeordnet ist und von einer konstanten Spannung gespeist wird. In vielen Fällen ändert sich aber die Sättigung des Eisenkernes nicht unerheblich, z. B. muß man bei Leistungstransformatoren mit stärkeren Spannungs Schwankungen rechnen, die infolge der ohnedies hohen Sättigung des Eisenkernes starke Änderungen der Eisenverluste zur Folge haben. Man kann aber, da sich diese Änderungen innerhalb eines kleinen Bereiches der Magnetisierungskurve vollziehen, diesen Bereich praktisch als linear betrachten und infolgedessen die Änderung mit verhältnismäßig einfachen Mitteln ausreichend kompensieren, 12a wenn man zu diesem Zweck die Spannung heranzieht. Ein Ausführungsbeispiel dafür

Claims (18)

1. ist in der Fig. 6 dargestellt. Mit 12, 13 und 14 ist wieder der Transformator bezeichnet. Die verwendete Schaltung entspricht im wesentlichen der in der Fig. 5 dargestellten. Lediglich ist parallel zu beiden Spulen ein Nebenschlußwiderstand 19 geschaltet, der von der Spannung durchflossen wird und aus stark temperaturabhängigem Material besteht. Durch, geeignete Bemessung des Neben-Schluß Widerstandes 19 gelingt es, die mit der Spannung schwankenden Eisenverluste des' Kernes 12 in einem für die praktische Verwendung ausreichenden Maße zu kompensieren. An Stelle des Nebenschluß wider Standes 19 kann man auch Vorschaltwiderstände vor das Instrument legen, die ebenfalls aus temperaturabhängigem Material bestehen und deren Temperatur von der Spannung beeinflußt wird.

   ao Die den Gegenstand der Erfindung bildende Anordnung ist nicht beschränkt auf die Temperaturbestimmung von Leitern, die neben einem Ohmschen auch einen induktiven Spannungsabfall haben." Man kann vielmehr vorteilhaft den Erfindungsgegenstand auch in solchen Fällen anwenden, wo es sich um die Temperaturmessung bzw. auch um die Widerstandsmessung wechselstromdurchflossener Leiter handelt, die rein Ohmschen Spannungsabfall haben. In diesem Fall kann man z. B. einen ■ Kupferoxydulgleichrichter verwenden. Fälle, in denen eine solche Anordnung zweckmäßig verwendet wird, kommen z. B. bei der Herstellung von Graphit vor, wo durch die Graphitmasse sehr starke Ströme geschickt werden und bisher zur Messung des für die Fabrikation wichtigen Widerstandes der Betriebsstrom jeweils abgeschaltet werden mußte. Neben Widerstands- bzw. Temperatur messungen kann der Erfindungsgegenstand auch z. B. zur Prüfung von Eisenkernen herangezogen werden. Ausführungsbeispiele dafür sind in den Fig. 7 und 8 dargestellt. In der Fig. 7 ist eine Anordnung gezeichnet, ♦5 mit deren Hilfe man z. B. den Wert W\'kg einer Eisensorte bestimmen kann. 20 ist ein Eisenkern, der mit. einer Wicklung 21 versehen ist. Die Wicklung wird aus einer Wechselstromquelle gespeist. Die Stromstärke wird an einem Amperemeter 22 abgelesen. Die Ohmsche Spannungskomponente wird wieder von· dem Meßinstrument 4 angezeigt. Das Ventil wird gleichphasig mit dem Strom gesteuert, Indem sein Steuerkreis 6 an einen Nebenschlußwiderstand 23 im Wechselstromkreis angeschlossen ist. Wenn man die Widening 21 so ausführt, daß ihr Ohmscher Widerstand nahe Null wird, dann ist die einzige Veränderliche, die in dem Meßgerät ■* So zur Anzeige kommt, ein den Eisenverlusten des Kernes· 20 proportionaler Wert. Durch langsame Steigerung des Stromes in der Wicklung 21 kann man also die Magnetisierungskurve des Kernes 20 punktweise aufnehmen. In der Fig. 8 ist eine Anordnung gezeichnet, die es gestattet, unmittelbar den Wert ig φ zu bestimmen. 20 ist wieder der Eisenkern und 21 die wechselstromdurchfiossene Wicklung. Als Meßgerät dient in diesem Fall ein Kreuzspulinstrument, dessen Meßzweig über das Ventil 5 an die Klemmen der Wicklung 21 angeschlossen ist, während der Richtstromzweig über ein gesteuertes Ventil 24 angeschlossen ist, dessen Steuerphase gegenüber der Steuerphase des Ventils 5 um 90⁰ verschoben ist. Auch für diese Schaltung ist erforderlich, daß der Ohmsche Widerstand der Wicklung 21 vernachlässigbar klein ist. Man kann auch hierbei unter Verwendung des Amperemeters 22 den tg φ-Wert und damit die Permeabilität punktweise über den gesamten Bereich, bezogen auf die Amperewindungen, bestimmen.

   Patentansi'Rüche:

   i. Anordnung zur Messung der Temperatur eines Wechselstromleiters unter Belastung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Widerstandes bzw. der Widerstandsänderung über ein oder mehrere gleichphasig mit dem Strom gesteuerte Ventile einem Gleichstrommeßinstrument die Wirkkomponente des komplexen Spannungsabfalles, der von dem Betriebsstrom in dem Wechselstromleiter hervorgerufen wird, zugeführt wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem kalten Zustand des Leiters entsprechende Ausschlag . des Meßinstrumentes durch eine too gleiche, entgegengesetzt gerichtete Spannung auf Null kompensiert wird.
3. -3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspannung unmittelbar oder mittelbar aus dem den Leiter enthaltenden Wechselstromkreis entnommen und zweckmäßig über das vor das Meßinstrument geschaltete, gesteuerte Ventil dem Meßinstrument zugeführt wird. »0
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkung des in kaltem Zustand in dem Leiter erzeugten Ohmschen Spannungsabfalles auf das Meßinstrument durch mechanische Vorspannung des Meßinstrumentes kompensiert wird.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, insbesondere zur Prüfung der Wicklungen von Meß wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil von der Sekundärseite des zu prüfenden Wandlers her gesteuert wird.
6. 6. Anordnung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Verwendung eine% Quotientenmeßinstrumentes für Gleicht strom, dessen Meßstromzweig über ein gesteuertes Ventil an die Klemmen des zu, überwachenden Leiters angeschlossen ist, während der Richtstromzweig zweckmäßig über dasselbe Ventil von einer Spannung gespeist wird, die dem den Leiter durchfließenden Strom proportional ist und zweckmäßig aus einem Nebenschlußwiderstand oder einem Stromwandler entnommen wird.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1 zur Überwachung von Maschinen oder Apparaten, bei denen eine Leistung von einer primären auf eine sekundäre Wicklung übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ohmsche Komponente der Dif-

   ao ferenz der auf den gleichen Maßstab bezogenen Primär- und Sekündärspannungsabfälle als Maß der Widerstandsänderung der Wicklungen dient.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7 für Maas schinen oder Geräte in Mehrphasennetzen, gekennzeichnet durch die Verwendung einer an sich bekannten Summenschaltung zur Bildung der Differenzsumme aller Phasen.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 1 zur Überwachung von Eisenkerne enthaltenden Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß durch besondere spannungs-, d. h. verlustabhängige Anordnungen die Empfindlichkeit des Meßgerätes entsprechend dem Einfluß der veränderlichen Eisenverluste geändert und dadurch deren Einwirkung auf die Messung wenigstens nahezu kompensiert wird.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Verwendung von temperaturabhängigen, vor das Meßinstrument geschalteten Widerständen, die in Abhängigkeit von der Betriebsspannung erwärmt werden.
11. 11. Anordnung nach'Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Hilfswicklung auf dem beweglichen Teil des Meßinstrumentes, deren Erregung abhängig von der Betriebsspannung ist.
12. 12. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen parallel zu beiden Stromzweigen des Meßinstrumentes angeordneten Nebenschluß mit tem-

    ' peraturabhängigem Widerstand.
13. 13. Anordnung nach Anspruch 1, insbesondere zum Schutz von Leistungstransformatoren, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßinstrument zugeführte Spannung und der Strom für den Steuerkreis des Ventils von verschiedenen Seiten des Transformators entnommen werden.
14. 14. Anordnung nach Anspruch 1, insbesondere zum . Schutz von Leistungstransformatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis des Ventils aus einer fremden, in der Phase von dem Betriebsstrom unabhängigen Spannungsquelle gespeist wird.
15. 15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter vorgesehen ist, der es gestattet, für die Temperaturmessung den Steuerkreis des Ventils an eine mit dem Betriebsstrom phasengleiche Spannungsquelle zu schalten.
16. 16. Anordnung nach Anspruch r, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Bestimmung magnetischer Werte eines Eisenkernes.
17. 17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung des Eisenkernes eine Wicklung dient_; deren Ohmscher Widerstand vernachlässigbar klein ist.
18. 18.- Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des ig φ ein Ouotientenmeßinstrument für Gleichstrom dient, dessen beide Zweige über gesteuerte Ventile an die Klemmen der auf dem Eisenkern ange-.ordneten Wicklung angeschlossen sind, wobei das im Meßstromzweig liegende Ventil konphas mit dem Strom, das im Richtstromzweig liegende Ventil um 90⁰ phasenverschoben gegen den Strom gesteuert wird.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen