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Einrichtung zur Messung und lJberwachung der Alterungserscheinungen
an den Wicklungen von Transformatoren oder Maschinen mittels Temperaturüberwachung
Es ist bekannt, daß die Lebensdauer der Wicklung von Transformatoren, Wandlern und
elektrischen Maschinen unter Voraussetzung einwandfreier Werkstattarbeit und Materialien
im wesentlichen vom Zustand der Wicklungsisolation abhängig ist, die unter Wirkung
der Betriebstemperatur eineAlterung erfährt.
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Mit guter Annäherung gilt dabei die Annahme, daß die Lebensdauer einer
Wicklung für je 8 bzw. 5° C Temperaturzunahme im Temperaturbereich > I05° C bzw.
< I05° C, bezogen auf den heißesten Punkt, um jeweils etwa die Hälfte verkürzt
wird. Da eine fortlaufende Überwachung der Alterungsgeschwindigkeit und der Lebensdauer
eine bessere Ausnutzung der Betriebsmittel ermöglicht und ihre Wirtschaftlichkeit
erhöht, hat man daher schon die Betriebsstunden unter Berücksichtigung der Alterungsgeschwindigkeit
selbsttätig summiert.
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Zu diesem Zweck sind Einrichtungen bekanntgeworden, die die Messung
der Alterungsgeschwindigkeit von Wicklungen bzw. deren Isolationen mit mechanischen
Mitteln durchführen. Die Erfassung der Wicklungstemperatur erfolgt dabei stets indirekt
über Zwischenglieder z. B. unter Verwendung einer über Stromwandler vom Betriebsstrom
geheizten Bi-Metallspirale oder eines Ausdehnungskörpers, deren temperaturabhängige
Formänderungen ein stufenloses Getriebe mit nachgeschaltetem Zählwerk steuern.
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Neben diesen mit mechanischen Mitteln arbeitenden sehr komplizierten
Meßeinrichtungen hat man auch schon Blindleistungszähler verwendet, deren Spannungsspule
an konstanter Spannung liegt. Die Strom spule ist über eine Drossel mit stark temperaturabhängigem
Kern, dessen Permeabilität mit der Temperatur rasch abnimmt, ebenfalls an Spannung
gelegt.
Die jeweilige Wicklungstemperatur soll dadurch erfaßt werden, daß der temperaturempfindliche
Eisenkern mit einem der Belastung proportionalen Strom geheizt wird.
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Da jedoch alle diese Meßeinrichtungen nicht die thermische Trägheit
der zu überwachenden Wicklungen berücksichtigen, hat man auch schon deren thermisches
Abbild zur Heizung eines Brückenwiderstandes mit hohem Temperaturkoeffizienten herangezogen,
während die übrigen Zweige der Meßbrücke aus temperaturunabhängigem Material bestehen.
Die Skala der Temperaturmeßbrücke ist den bekannten Alterungskurven für die verschiedenen
Isolationsklassen entsprechend geeicht. Zur Summierung der Alterungsgeschwindigkeit
muß dann der Gleichgewichtspunkt der Brücke in konstanten Zeitabständen abgetastet
und das Resultat gespeichert werden.
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In wesentlich einfacherer Weise läßt sich dies bei der Einrichtung
zur Messung und Überwachung der Alterungserscheinungen an den Wicklungen von elektrischen
Wandlern oder Maschinen mittels Temperaturüberwachung dadurch erreichen, daß erfindungsgemäß
ein die Wicklungstemperatur unmittelbar erfassendes Meßgerät einen an konstanter
Spannung liegenden Widerstand steuert, der die Lebensdauer der Isolation als Funktion
der mittleren Wicklungstemperatur abbildet, und daß der diesen Widerstand durchfließende
Strom über die Zeit integriert und das Resultat zur Anzeige gebracht ist. Als Temperaturmeßgerät
dient dabei in zweckmäßiger Ausgestaltung des Erfindungsgedankens die den ohmschen
Widerstand des Prüflings messende Kombination eines wattmetrischen und eines amperemetrischen
Systems.
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Das Prinzip eines entsprechenden Meßgeräts mit dem wattmetrischen
System 1 und dem amperemetrischen Triebsystem 2 ist in Fig. I der Zeichnung dargestellt.
Natürlich können die beiden Triebsysteme auch getrennt je für sich auf je eine Triebscheibe
wirken. In diesem Fall wird man eine der beiden Triebscheiben mit einem von der
Winkelstellung abhängigen veränderlichen Radius versehen, um eine Winkelabhängigkeit
des Drehmomentes zu erzielen.
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Ebenso ist es natürlich möglich, an Stelle eines Induktionsmeßgerätes
ein eisengeschlossenes elektrodynamisches Meßgerät zu verwenden. Der Spannungsspule
3 des wattmetrischen Systems wird z. 13. über Wandler die Differenz iIU = U1 - U2
der Primär-und Sekundärspannung zugeführt, während der Primärstrom J ebenfalls über
Wandler der Stromspule 4 des Systems zugeführt wird. Derselbe Strom speist ferner
in Reihenschaltung die Stromspule 5 des amperemetrischen Systems 2 mit der Kurzschlußwicklung
6. Da das wattmetrische System ein Drehmoment mit der Näherung J1 - J2 mißt, entspricht
der Ausschlag a des Meßgerätes dem Summenwiderstand der Primär- und Sekundärwicklung,
was bei nicht zu hohen Ansprüchen an die Meßgenauigkeit genügt.
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Für exakte Messungen, also unter Berücksichtigung des Magnetisierungsstromes
JJlz und der Wattkomponente des Magnetisierungsstromes J,e4« (die geometrische Summe
dieser beiden Ströme ist nach Fig. 2 mit Ja bezeichnet) erweist es sich als zweckmäßig,
dem Meßgerät nicht nur den Primärstrom zuzuführen, sondern einen Strom, der der
geometrischen Summe von Primärstrom und Sekundärstrom gleich oder proportional ist
und wobei die Anteile dieser beiden Stromkomponenten durch den Ausdruck J = J1 Q1
+ J2 22 (I) gegeben sind. Hierbei entspricht el R, (2) R2 (2) dem Verhältnis des
Widerstandes R1 der Primärwicklung zum Widerstand R2 der Sekundärwicklung, d. h.
et R2 1. Mit dieser Voraussetzung ent-R1 spricht das Drehmomentengleichzewicht der
Gleichune
Damit wird der Ausschlag des Meßgerätes
Wie aus dem Transformatordiagramm in Fig. 2 hervorgeht, ergibt sich aus der primären
Klemmenspannung U1 nach Abzug des ohmschen und induktiven Spannungsabfalls die primäre
elektromotorische Kraft1, die bei einem Übersetzungsverhältnis von
Da nun das wattmetrische System die Blindkomponenten eliminiert, ergibt sich für
den Ausschlag a
und durch Einführung von Gleichung (2)
I: I gleich ist mit - E, der Sekundärwicklung, welche entsprechend nach Abzug des
sekundär wirksamen ohmschen und induktiven Spannungsabfalls die sekundäre Klemmenspannung
U2 liefert. Mit g, bzw. gal sind die Phasenwinkel zwischen U1 und J bzw. zwischen
den Vektoren U1 - U2 und J1 bezeichnet, während ys den Winkel zwischen U1U2 und
J, q72 den Phasenwinkel zwischen U2 und J2 veranschaulicht.
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Aus dem Diagramm ist weiter zu entnehmen: Setzt man ferner den Primärstrom
J1 oder den Sekundärstrom " gleich Null, so ergibt sich für den Ausschlag gleichfalls
Der Ausschlag des Meßgerätes ist also in jedem Betriebszustand sowohl dem Widerstand
der Primärwicklung als auch dem Widerstand der Sekundär-
wicklung
proportional. Daher kann das Meßgerät sowohl in Ohm primär als auch in Ohm sekundär
geeicht werden. Das. bedeutet aber, daß das Meßgerät ebenso ia °C primär und in
°C sekundär, also in Temperaturgraden der beiden Wicklungen, geeicht werden kann,
da Widerstand und Temperatur, wie bekannt, linear voneinander abhängen. Da die Übertemperatur
des heißesten -Punktes 8,, der Wicklung bei Röhrenwicklungen dem Ausdruck #hs =
#0 + (#c - #m) entspricht, wobei 0o die Deckelölübertemperatur, ° e die mittlere
Wicklungsübertemperatur und °m die mittlere Ölübertemperatur darstellen, und da
6 - Om = f (0 c) als lineare Funktion betrachtet werden kann, so ergibt der Ausschlag
des Instrumentes auch die Temperatur = °hs = a des heißesten Punktes bei entsprechender
Eichung an, da die Außentemperatur #a durch die Widerstandsmessung mit erfaßt wird.
Mit anderen Worten, die Temperatur des heißen Punktes ist eine lineare Funktion
der mittleren Wicklungstemperatur.
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Wenn gemäß Fig. 3 ein solches mit zwei Triebscheiben versehenes Meßgerät
einen Widerstand W steuert, der die Lebensdauer T = a e-bass als Funktion der Temperatur
des heißesten Punktes abbildet, d. h. also mit steigender Temperatur nach einer
Exponentialfunktion abnimmt, so entspricht der Strom, der aus einer Spannungsquelle
mit konstanter Spannung über diesen Widerstand fließt, der jeweiligen Abnutzungs-
oder Alterungsgeschwindigkeit V des Transformators. Leitet man diesen Strom über
einen Amperestundenzähler Ah, so entspricht die Drehzahl je Zeiteinheit dem Strom
und somit der Alterungsgeschwindigkeit V.
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Der Amperestundenzähler integriert die Alterungsgeschwindigkeit über
die Zeit, er gestattet also, an einem nachgeschalteten Zählwerk den jeweiligen Lebensdauerverbrauch
Z in 0Io festzustellen. Gibt man in dem Zählwerk einer zweiten Zahlenrolle die Ausgangsstellung
1000/o und subtrahiert der Ah-Zähler den jeweils erreichten Lebensdauerverbrauch,
so gibt der Zählerstand den jeweils verfügbaren Lebensdauerrest an.
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Die Meßeinrichtung gibt somit an: I. Die mittlere Temperatur der
Wicklung6, in (°C), 2. durch entsprechende Eichung auch ßhs in (°C), 3. die jeweilige
Alterungsgeschwindigkeit V in %/h oder Jahr, 4. den jeweiligen Verbrauch an LebensdauervorratZ
in % von ZO, 5. den jeweiligen Rest an Lebensdauervorrat Z,-Z in °/0.
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Der Meßeinrichtung liegt folgende Überlegung zugrunde: Es entspricht
der Temperatur ßhsl 1 eine Lebensdauer T1, der Temperatufths2 eine Lebensdauer T2.
Werden diese Temperaturen während der Zeiten t1 bzw. t2 gefahren, so erreicht die
Abnutzung oder der Lebensdauerverbrauch die Werte:
allgemein
des gesamten Lebensdauervorrats.
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Nach n Belastungszeitabschnitten innerhalb der Zeit
ist somit die Summe der Abnutzungen
Die mittlere Alterungsgeschwindigkeit während der Zeit
ist somit
also Vm in Ol,lh. (I0) Die gesamte Abnutzung nach diesen n Belastungsabschnitten
ist
wenn jedem Belastungsabsclmitt die Abnutzungsgeschwindigkeit
zugeordnet wird.
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Der gesamte Lebensdauervorrat entspricht der resultierenden Zahl
der Belastungsabschnitte und der Summe aller Belastungszeiten
die der resultierenden Lebensdauer Tr entspricht.
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Also ist der gesamte Lebensdauervorrat
Nun ist T1, T2...Tn = f(#hs) und somit
Die Genauigkeit der Meßeinrichtung ist durch die Feinheit der Abstufung des Widerstandsabgriffs,
der z. B. über einen Goldkollektor vorgenommen werden könnte, sofern elektronische
Steuerung vermieden wird, ferner durch die Empfindlichkeit des Meßinstruments und
des Ah-Zählers bestimmt. Innerhalb der üblichen Grenzen, und es kommt ja in erster
Linie das Vollastgebiet in Betracht, ist die Einrichtung geeignet, gefährliche Überlastungen
mit ihren besonders hohen Alterungsgeschwindigkeiten sowie den jeweiligen
Lebensdauerrest
neben der Betriebstemperatur anzuzeigen.