DE1051965B

DE1051965B - Temperature monitoring device for electrical windings during operation

Info

Publication number: DE1051965B
Application number: DEC16113A
Authority: DE
Inventors: Joseph Carlebach
Original assignee: JOSEPH CARLEBACH
Current assignee: JOSEPH CARLEBACH
Priority date: 1957-03-15
Filing date: 1957-03-15
Publication date: 1959-03-05

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des Ohmschen Widerstandes und damit der Temperatur von Wicklungen elektrischer Maschinen, Transformatoren und Spulen während des Betriebes und kann sowohl als Geber für von der Temperatur abhängige Steuer- und Regeleinrichtungen verwendet werden als auch Schutzvorrichtungen auslösen, wenn eine vorbestimmte Temperaturgrenze erreicht wird.The invention relates to an arrangement for measuring the ohmic resistance and thus the temperature of windings of electrical machines, transformers and coils during operation and can be used both as a transmitter for temperature-dependent control and regulation devices will also trigger protective devices when a predetermined temperature limit is reached.

Von einer Schutzvorrichtung für elektrische Wicklungen wird verlangt, daß sie einerseits dieselben vor der Annahme einer die Isolation gefährdenden Temperatur schützt und daß sie andererseits die volle Ausnutzung der Maschine ermöglicht und dieselbe nicht abschaltet, bevor die Wicklung ihre maximal noch zulässige Temperatur erreicht hat.A protective device for electrical windings is required to be on the one hand the same the assumption of a temperature endangering the insulation and that on the other hand it protects the full Utilization of the machine enables and the same does not switch off before the winding reaches its maximum has reached the permissible temperature.

Schutzschalter, die heute allgemein Verwendung finden, benutzen Bimetall und elektromagnetische Auslösung. Dabei wird unabhängig vom Maschinensystem, seinem Aufstellungsort, seinen Betriebsbedingungen, seiner Kühlung und Belastungsari, der Schutzschalter nur der Stromaufnahme oder dem unter normalen Betriebsbedingungen vermuteten, noch gerade zulässigen Stromzeitprodukt angepaßt. Die Unzulänglichkeit dieser Methode macht sich z. B. besonders bei Motoren bemerkbar, die in Gruben bei unzureichender Ventilation arbeiten oder bei Maschinen, die häufig kurzzeitig eingeschaltet werden. Der in kurzen Zeitabständen wiederholt auftretende hohe Einschaltstrom erwärmt die Maschine schnell auf sie gefährdende Temperaturen, während das sich viel schneller abkühlende Bimetall die Maschine nicht vor weiteren Einschaltungen schützt. Auch plötzlich auftretenden großen Überlastungen kann das Bimetall nicht angepaßt werden, und hierfür müssen zusätzliche magnetische Sofortauslöser im Schutzschalter angebracht werden. Außerdem findet man häufig noch besondere Vorrichtungen, die bei anomalen Wärmeanstiegsgeschwindigkeiten, wie sie z. B. bei Phasenausfall auftreten und denen das — anderen Bedingungen angepaßte — Bimetall ebenfalls nicht folgen kann, die Abschaltung auslösen.Circuit breakers in common use today use bimetal and electromagnetic tripping. Regardless of the machine system, its installation location, its operating conditions, its cooling and load capacity, the circuit breaker only the power consumption or the current-time product assumed under normal operating conditions, adjusted. the Inadequacy of this method makes z. B. especially noticeable in engines that are in pits insufficient ventilation or with machines that are frequently switched on for a short time. Of the High inrush currents that occur repeatedly at short intervals heat the machine up quickly dangerous temperatures, while the bimetal, which cools down much faster, does not prevent the machine further activations. The bimetal can also cause sudden major overloads not be adapted, and this requires additional magnetic instantaneous releases in the circuit breaker be attached. In addition, one often finds special devices which, in the event of abnormal heat rise rates, how they z. B. occur in the event of a phase failure and which the - other conditions adapted - bimetal can also not follow, triggering the shutdown.

Verursacht durch die verschiedenen thermischen Charakteristiken der Schutzeinrichtung und der zu schützenden Maschine ergibt sich die Notwendigkeit der Sonderausführungen von Schutzschaltern, die verschieden en Wärmeträghedtsgraden entsprechen. Überdies wird das S ehalt vermögen von Leistungsschaltern durch die beschränkte Kurzschlußfestigkeit von Bimetallen beeinflußt.Caused by the different thermal characteristics of the protective device and the to protective machine results in the need for special versions of circuit breakers, which are different en heat transfer degrees. In addition, the sustaining capacity of circuit breakers is increased due to the limited short-circuit strength of bimetals influenced.

Für die Temperaturmessung von Transformatorenwicklungen sind Lösungen bekanntgeworden, die die Temperatur des Wicklungsleiters aus der in dem Transformator verlorengegangenen Wirkleistung bestimmen, die sich durch Messung der Differenz der TemperaturüberwachungseinrichtungFor the temperature measurement of transformer windings solutions have become known that the Determine the temperature of the winding conductor from the active power lost in the transformer, which is determined by measuring the difference of the temperature monitoring device

für elektrische Wicklungenfor electrical windings

während des Betriebesduring operation

Anmelder:Applicant:

Joseph Carlebach, Düsseldorf,
Stresemannstr. 27Joseph Carlebach, Düsseldorf,
Stresemannstrasse 27

Joseph Carlebach, Düsseldorf,
ist als Erfinder genannt wordenJoseph Carlebach, Düsseldorf,
has been named as the inventor

von dem Transformator aufgenommenen und der von ihm abgegebenen Leistung ergibt. Diese Differenzlei stumg wird dem Produkt aus einem äquivalenten Ohmschen Wicklungswiderstand und dem Strotnquadrat gleichgesetzt. Durch mechanische Kupplung einer Leistungs- und einer Stromquadratmeßanordnung soll sich eine Meßanzeige ergeben, die dem Wicklungswiderstand proportional ist. Die Annahme, daß diese Differenzleistung, die die Wirkverlustleistung des Transformators darstellt, gleich dem Produkt aus Stromquadrat und dem Ohmschen Wicklungswiderstand ist, gilt nur bei eisenlosen Transformatoren und ergibt bei Transformatoren mit Eisenkern, infolge der in der Wirkverlustleistung enthaltenen Eisenverluste, ungenaue Ergebnisse. Nachdem die Eisenverluste von der Spannung abhängig sind, wird die Temperaturanzeige der Meßanordnung zusätzlich noch spannungsabhängig und ergibt — insbesondere bei auftretenden Überspannungen — unrichtige Werte. Überdies kann diese Methode nur für Transformatoren und nicht für die Messung der Wicklungstemperatur von umlaufenden Maschinen und deren Schutz verwendet werden.the power absorbed by the transformer and the power delivered by it results. This difference stumg is the product of an equivalent ohmic winding resistance and the square of the Strot equated. By mechanical coupling of a power and a current square measuring arrangement should result in a measurement display that is proportional to the winding resistance. The assumption that this differential power, which represents the active power loss of the transformer, is equal to the product is made up of the square of the current and the ohmic winding resistance, only applies to ironless transformers and results in transformers with an iron core, due to the fact that the active power loss is contained Iron losses, inaccurate results. Since the iron losses are dependent on the voltage, will the temperature display of the measuring arrangement is also voltage-dependent and results - in particular in the event of overvoltages - incorrect values. In addition, this method can only be used for transformers and not for measuring the winding temperature used by rotating machines and their protection.

Es sind auch Anordnungen angegeben worden, bei denen die Überlagerung eines Meßgleichstronis über den Wechselbetriebsstrom zur Bestimmung des Wicklungsgleichstromwiderstandes und damit der Wicklungstemperatur herangezogen wird. Soll diese Methode die Genauigkeit einfacher, bekannter thermometrischer Messungen erreichen, so sind hierfür hohe Meßströme erforderlich, die eine zusätzliche wesentliche Mehrbelastung des Wicklungsleiterquerschnittes darstellen. Die diesen Meßströmen zugeordneten — zur Vermeidung hoher Meßleistungsverluste ■— niedrigen Meßgleichspannungen lassen dann die Kon-Arrangements have also been given in which the superimposition of a Meßgleichstronis over the alternating operating current to determine the winding DC resistance and thus the winding temperature is used. This method aims to improve the accuracy of the simpler, more well-known thermometric Achieve measurements, high measuring currents are required for this, which is an additional essential Represent additional load on the winding conductor cross-section. The assigned to these measuring currents - to avoid high losses of measurement power ■ - low DC measurement voltages then allow the con-

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taktübergangswiderstände mit in die Widerstandsmessung eingehen und führen daher zu ungenauen Meß resul taten.clock transition resistances are included in the resistance measurement enter and therefore lead to inaccurate measurement results.

Neben diesen Wicklungstemperaturbestimmungen werden auch thermometrische Methoden verwandt, die die Einbringung von Temperaturfühlern an die vermuteten wärmsten Orte der Maschine oder aber die Anordnung eines über die Wicklung verteilten Temperaturfühlers erfordern. Bei diesen Temperaturmeßmethoden wird auf die Temperatur des Wicklungsleiters von der Temperatur eines, nur einem Teil dieses Wicklungsleiters benachbarten Fühlerelementes geschlossen. Der Momentanmeßwert dieser Methoden hängt somit von der von der Wicklung durch Konvektion auf das Fühlerelement übertragenen zeitabhängigen Wärmemenge und nicht von der momentanen Temperatur der Wicklung ab. Diese Methoden können daher, wegen ihrer thermischen Trägheit, nur verzögert reagieren und sind für den Schutz der Wicklung bei plötzlichen Überlastungen unbrauchbar.In addition to these winding temperature determinations, thermometric methods are also used, the installation of temperature sensors in the suspected warmest places of the machine or else require the arrangement of a temperature sensor distributed over the winding. With these temperature measurement methods is on the temperature of the winding conductor from the temperature of one, only a part this winding conductor adjacent sensor element closed. The instantaneous reading of these methods thus depends on the time-dependent transmitted from the winding by convection to the sensor element Amount of heat and not on the current temperature of the winding. These methods can therefore, because of their thermal inertia, they only react with a delay and are responsible for the protection of the Winding unusable in the event of sudden overloads.

Alle diese den bisherigen Anordnungen anhaftenden Mängel werden durch die Verwendung der Erfindung behoben.All of these deficiencies inherent in the previous arrangements will be eliminated through the use of the invention Fixed.

Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu der Hauptwicklung oder als ein Teil derselben in der Maschine eine Hilfswicklung aus Konstantan oder einem anderen Material, dessen Temperaturkoeffizient vernachlässigbar klein gegenüber dem der Hauptwicklung ist, eingebracht. Werden die Ströme dieser beiden Wicklungen einer Quotienten- oder einer anderen Rechenoperation oder Vergleichsgrößenmeßeinrichtung zugeführt, so' kann das unterschiedliche Verhalten der beiden Ströme nur von einer Widerstandsänderung der Hauptwicklung verursacht werden und ist daher ein Maß für deren Temperatur.According to the invention, in addition to or as a part of the main winding in the machine an auxiliary winding made of constantan or some other material whose temperature coefficient is negligible is small compared to that of the main winding. Will the currents of these two windings fed to a quotient or other arithmetic operation or comparative quantity measuring device, so 'the different behavior of the two currents can only be attributed to a change in resistance Main winding and is therefore a measure of its temperature.

Nachdem der Widerstand der Hilfswicklung bei allen vorkommenden Temperaturen konstant bleibt, kann das Meßergebnis nur durch eine Temperaturänderung der Hauptwicklung, jedoch nicht durch eine Temperaturänderung der Hilfswicklung beeinflußt werden. Im Gegensatz zu den bekannten Meßmethoden ist die Genauigkeit der Meßanzeige der erfindungsgemäßen Anordnung somit unabhängig davon, ob die Hilfswicklung die Temperatur der Hauptwicklung bereits angenommen hat oder nicht, und die Anordnung arbeitet daher ohne jede thermische Trägheit. Überdies ergibt diese Anordnung wegen der Möglichkeit der Potentialgleichheit von Hilfs- und Hauptwicklung — auch bei Hochspannungsmaschinen — eine einfache Einbauart, und sie eignet sich sowohl für feststehende als auch für rotierende Wicklungen.After the resistance of the auxiliary winding remains constant at all occurring temperatures, the measurement result can only be achieved by changing the temperature of the main winding, but not by a Temperature change of the auxiliary winding can be influenced. In contrast to the known measuring methods the accuracy of the measurement display of the arrangement according to the invention is therefore independent of whether the auxiliary winding has already assumed the temperature of the main winding or not, and the arrangement therefore works without any thermal inertia. Moreover, this arrangement is because of the possibility the equipotentiality of the auxiliary and main winding - also in high-voltage machines - a simple installation, and it is suitable for both fixed and rotating windings.

Eine Ausführungsform der Erfindung könnte z. B. aus einer — im Vergleich zum Hauptwicklungsleiter — dünnen Hilfswicklung mit vernachlässigbaren Temperatürkoeffizienten bestehen, deren Windungszahl je Volt mit der der Hauptwicklung übereinstimmt und dieser parallel geschaltet oder mit einer Anzapfung der Hauptwicklung verbunden ist. Werden die Ströme dieser beiden Wicklungen entweder direkt oder über Stromtransformatoren einer Quotientenmeßeinrichtung zugeführt, so wird sich dessen Meß anzeige unabhängig vom Belastungszustand der Maschine — entsprechend den für parallele Wicklungen geltenden Gesetzen umgekehrt wie die Ohmschen Widerstände der Haupt- und Hilfswicklung verhalten. Die Zeichnung stellt diesen Fall schematisch dar. A und B sind die Stromzuführungspunkte für die Haupt- und Hilfswicklung, C₁ D, E und F sind die Anschlußpunkte der Stromtransformatoren für die Quotientenmeßeinrichtung.An embodiment of the invention could e.g. B. consist of a - compared to the main winding conductor - thin auxiliary winding with negligible temperature coefficients, the number of turns per volt with that of the main winding and this is connected in parallel or connected to a tap on the main winding. If the currents of these two windings are fed either directly or via current transformers to a quotient measuring device, its measurement display will behave independently of the load condition of the machine - in accordance with the laws applicable to parallel windings, the opposite of the ohmic resistances of the main and auxiliary windings. The drawing shows this case schematically. A and B are the power supply points for the main and auxiliary windings, C ₁ D, E and F are the connection points of the current transformers for the quotient measuring device.

ίο Als Anzeigevorrichtung könnte z. B. eine Brückenanordnung oder ein Dreheisenquotientenmesser oder aber ein elektrodynamisches Doppelspulinstrument verwendet werden, das direkt in Temperaturgrade geeicht werden kann. Wird eine feststehende Spule des elektrodynamischen Doppelspulmeßwerkes von dem Strom einer Wicklung durchflossen, während sowohl die bewegliche als auch die zweite feststehende Spule von dem Strom der zweiten Wicklung durchflossen wird, wobei die Stromrichtung so· gewählt ist, daß die beiden auf die bewegliche Spule wirkenden Drehmomente einander entgegenwirken, so· wird der Drehungswinkel des Meßwerkzeigers nur von dem Verhältnis der beiden Ströme der Hilfs- und Hauptwicklung bestimmt und damit ein Maß für den Widerstand oder die Temperatur der Hauptwicklung sein. Um diese Anordnung zur Auslösung von Schutzvorrichtungen zu verwenden, könnte der Quotientenmesser z. B. als Kontaktinstrument ausgebildet werden. Soll der Meßwert der Meß- oder Auslöseanordnung bei einer bestimmten Temperatur der Hauptwicklung einen vorgegebenen Wert annehmen oder gleich Null werden, so kann dies durch entsprechende Wahl des Übersetzungsverhältnisses der Meßanordnung und eventuell Zuschaltung von festen oder veränderlichen Impedanzen oder Kompensationsspannungen erreicht werden.ίο As a display device could z. B. a bridge arrangement or a moving iron quotient meter or an electrodynamic double-coil instrument can be used, which can be calibrated directly in temperature degrees. If a fixed coil of the electrodynamic Doppelspulmeßwerkes of the current flowing through a winding, while both The current of the second winding flows through the movable as well as the second stationary coil the direction of the current is chosen so that the two torques acting on the movable coil counteract each other, the angle of rotation of the measuring mechanism is only dependent on the Determines the ratio of the two currents of the auxiliary and main winding and thus a measure of the resistance or the temperature of the main winding. To this arrangement for triggering protective devices to use, the quotient meter could e.g. B. be designed as a contact instrument. Should the measured value of the measuring or triggering arrangement at a certain temperature of the main winding accept a predetermined value or become equal to zero, this can be done by selecting the Transmission ratio of the measuring arrangement and possibly the connection of fixed or variable Impedances or compensation voltages can be achieved.

Claims

Claim:

Device for continuous resistance and temperature measurement during operation and Encoder for temperature-dependent control, regulating or protection devices for electrical windings of machines, converters and apparatus, characterized by an electrical product, Quotient, percentage, sum, difference or comparison variable measuring device or one Compilation of the same, of both the current of an auxiliary winding, consisting of one Material whose temperature coefficient is negligibly small compared to that of the main winding as well as the current of the main winding itself or voltages that these currents are connected to, generate fixed or variable impedances.

Considered publications:
German patents No. 706 429, 764 503,
421481;

French Patent No. 1 091178;
British Patent No. 129,515.

1 sheet of drawings