DE102024116005A1 - Arc detection system and transformer with arc detection system - Google Patents
Arc detection system and transformer with arc detection systemInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Lichtbogenerkennungssystem, insbesondere zur Verwendung als Lichtbogenerkennungssystem in einem Transformator mit einem Lichtwellenleiter umfassend einen Kern und mindestens bereichsweise eine den Kern umschließende Ummantelung mit einem geringeren Brechungsindex als der Kern und mindestens bereichsweise ein Lichtabschirmungselement, zum Aufnehmen von elektromagnetischer Strahlung und zum Weiterleiten zumindest eines Teils der elektromagnetischen Strahlung an einen Lichtdetektor, der an einem Ende des Lichtwellenleiters angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, der Lichtwellenleiter in mindestens einem Abschnitt ohne Lichtabschirmungselement ausgebildet ist und dort mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einen zweiten Teilbereich aufweist, wobei der Lichtwellenleiter in dem oder den ersten Teilbereiche/n den Kern und die Ummantelung aufweist und in dem oder den zweiten Teilbereiche/n nur den Kern aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen Transformator mit einem Gehäuse, wobei das Gehäuse mit einem dielektrischen Fluid, insbesondere einem Öl, gefüllt ist, und mindestens einem Lichtbogenerkennungssystem. The invention relates to an arc flash detection system, in particular for use as an arc flash detection system in a transformer, comprising an optical fiber comprising a core and at least a portion of a core-enclosing cladding with a lower refractive index than the core, and at least a portion of a light-shielding element, for receiving electromagnetic radiation and transmitting at least a portion of the electromagnetic radiation to a light detector arranged at one end of the optical fiber, characterized in that the optical fiber is designed without a light-shielding element in at least one section and has at least a first sub-section and at least a second sub-section therein, wherein the optical fiber has the core and the cladding in the first sub-section(s) and has only the core in the second sub-section(s). The invention further relates to a transformer with a housing, wherein the housing is filled with a dielectric fluid, in particular an oil, and at least one arc flash detection system.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtbogenerkennungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 und einen Transformator mit einem Lichtbogenerkennungssystem.The present invention relates to an arc detection system according to the preamble of claim 1 and a transformer with an arc detection system.
Transformatoren, Gleichrichtertransformatoren, Phasenschieber und Drosselspulen umfassen einen Tank, in dem sich eine oder mehrere Spulen befinden, die zum Teil über ihr Magnetfeld miteinander gekoppelt sind. Im Falle eines Gleichrichtertransformators sind zudem Halbleiterelemente enthalten. Diese werden über dielektrische Kühlmittel, wie beispielsweise dielektrische Öle, gekühlt. Während ihrer Lebensdauer von bis zu 50 Jahren kann die durchgesetzte Leistung zusammen mit Umwelteinflüssen, wie z. B. extremen Witterungsbedingungen, Verschleiß an der Isolierung der Transformatorwicklungen verursachen. Dieser Verschleiß kann zu Kurzschlüssen führen, welche zu Lichtbögen führen. Diese Lichtbögen können zu einem Temperaturanstieg und einer Gasentwicklung begleitet von einem Druckanstieg im Inneren des Transformatorgehäuses führen. Der Druck kann sich dabei so weit aufbauen, dass das Gehäuse reißt und die darin enthaltenen Kühlmittel und Gase bei Kontakt mit Luft zu einem Feuer oder gar einer Explosion führen.Transformers, rectifier transformers, phase shifters, and inductors comprise a housing containing one or more coils, some of which are coupled to each other via their magnetic fields. Rectifier transformers also contain semiconductor elements. These are cooled by dielectric coolants, such as dielectric oils. During their service life of up to 50 years, the power delivered, combined with environmental factors such as extreme weather conditions, can cause wear on the insulation of the transformer windings. This wear can lead to short circuits, which in turn cause arcing. These arcs can lead to a temperature increase and the evolution of gases, accompanied by a pressure increase inside the transformer housing. The pressure can build up to such an extent that the housing ruptures, and the coolants and gases inside can, upon contact with air, cause a fire or even an explosion.
Um den Transformator und seine Umgebung vor Schäden zu bewahren, wurden daher verschiedene Sicherheitssysteme für Transformatoren entwickelt. Elektrische Schutzsysteme, zum Beispiel ein Relais mit Differenzstrommessung, schalten den Transformator beim Auftreten von Anomalien ab. Bei Transformatoren mit einer Kühlung mit Flüssigkeiten werden weiter Buchholz-Relais eingesetzt, um den Füllstand des Kühlmittels und den Innendruck des Transformators gleichzeitig zu überwachen. Im Schadensfall kann die Flüssigkeit durch Öffnen eines Ventils abgelassen werden, wodurch sich der Überdruck abbaut. Zusätzlich kann ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff, in den Tank eingeleitet werden. Wichtig ist dabei, dass die Anomalie schnell erkannt wird.To protect the transformer and its surroundings from damage, various transformer safety systems have been developed. Electrical protection systems, such as a relay with differential current measurement, disconnect the transformer when anomalies occur. In liquid-cooled transformers, Buchholz relays are also used to simultaneously monitor the coolant level and the transformer's internal pressure. In the event of damage, the coolant can be drained by opening a valve, thus relieving the overpressure. Additionally, an inert gas, such as nitrogen, can be introduced into the tank. It is crucial that the anomaly is detected quickly.
Weiter bekannt sind Transformatorschutzeinrichtungen, die den Einsatz eines Lichtwellenleiters dessen äußere Kunststoffhülle (oder „jacket“ im englischen Sprachgebrauch) entfernt wurde, vorgeschlagen. Eine solche Transformatorschutzeinrichtung ist in der die
Ausgehend hiervon stellt sich die Erfindung die Aufgabe, die Sensitivität einer solchen Lösung zu verbessern.Based on this, the invention aims to improve the sensitivity of such a solution.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Lichtbogenerkennungssystem ist insbesondere zur Verwendung als Lichtbogenerkennungssystem in einem Transformator vorgesehen. Es umfasst einen Lichtwellenleiter umfassend einen Kern und mindestens bereichsweise eine den Kern umschließende Ummantelung mit einem geringeren Brechungsindex als der Kern und mindestens bereichsweise ein Lichtabschirmungselement, wobei der Lichtwellenleiter zum Aufnehmen von elektromagnetischer Strahlung und zum Weiterleiten zumindest eines Teils der elektromagnetischen Strahlung an einen Lichtdetektor, der an einem Ende des Lichtwellenleiters angeordnet ist, ausgebildet ist. Dieses Lichtbogenerkennungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter in mindestens einem Abschnitt ohne Lichtabschirmungselement ausgebildet ist und dort mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einen zweiten Teilbereich aufweist, wobei der Lichtwellenleiter in dem ersten oder den ersten Teilbereiche/n den Kern und die Ummantelung aufweist und in dem oder den zweiten Teilbereiche/n nur den Kern aufweist.According to the invention, this problem is solved by the features of claim 1. The arc detection system according to the invention is particularly intended for use as an arc detection system in a transformer. It comprises an optical waveguide comprising a core and at least a portion of a cladding enclosing the core with a lower refractive index than the core, and at least a portion of a light-shielding element, wherein the optical waveguide is configured to receive electromagnetic radiation and to transmit at least a portion of the electromagnetic radiation to a light detector arranged at one end of the optical waveguide. This arc detection system is characterized in that the optical waveguide is configured without a light-shielding element in at least one section and has at least a first sub-section and at least a second sub-section therein, wherein the optical waveguide has the core and the cladding in the first sub-section(s) and has only the core in the second sub-section(s).
Unter Lichtabschirmungselement versteht man jegliche Vorrichtung, die verhindert, dass Licht in den Lichtwellenleiter eindringen kann, dies ist insbesondere dann wichtig, wenn ein Teil des Lichtwellenleiters sich außerhalb eines Transformators befindet.A light shielding element is any device that prevents light from entering the optical fiber; this is particularly important when part of the optical fiber is located outside a transformer.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch den Einsatz zweier verschiedener Teilbereiche einmal mit und einmal ohne die Ummantelung, die Sensitivität des Erkennungssystems im Vergleich zu Lichtwellenleitern ohne diese beiden Teilbereiche erhöht werden kann. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass die Chance, dass eintretendes Licht durch Totalreflexion bis zum Lichtdetektor gelangt, verbessert wird.Surprisingly, it has been shown that by using two different sections, one with and one without the cladding, the sensitivity of the detection system can be increased compared to optical fibers without these two sections. This can be attributed to the fact that the probability of incoming light reaching the light detector via total internal reflection is improved.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Lichtbogenerkennungssystem mit mehreren ersten Teilbereichen und zweiten Teilbereichen ausgebildet sein, wobei die ersten Teilbereiche und zweiten Teilbereiche abwechselnd angeordnet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die ersten Teilbereiche und zweiten Teilbereiche periodisch abwechselnd zueinander angeordnet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die ersten Teilbereiche und zweiten Teilbereiche eine Ausdehnung in Längsrichtung des Lichtwellenleiters von 0,5 cm bis 5 cm aufweisen, wobei insbesondere die Ausdehnung der ersten Teilbereiche und der zweiten Teilbereiche in Längsrichtung gleich groß ist. Hierdurch lässt sich der Einsatz des Lichtwellenleiters noch weiter verbessern.According to one embodiment, the arc flash detection system can be configured with multiple first and second sub-sections, wherein the first and second sub-sections are arranged alternately. According to another embodiment, the first and second sub-sections can be arranged periodically, alternating with each other. According to yet another embodiment, the first and second sub-sections can have a longitudinal extent of 0.5 cm to 5 cm along the optical fiber, with the longitudinal extent of the first and second sub-sections being, in particular, the same. This further improves the performance of the optical fiber.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine Abschnitt mindestens 0,5 Meter lang sein. Damit können große Bereiche eines Transformators überwacht werden, insbesondere wenn auch laterale Abschnitt frei vom Lichtabschirmungselement ist.According to one embodiment, at least one section can be at least 0.5 meters long. This allows large areas of a Transformers should be monitored, especially if the lateral section is also free of the light shielding element.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Lichtwellenleiter an einem zweiten Ende, das gegenüber dem Ende an dem der Lichtdetektor angeordnet ist, liegt, eine Linse, insbesondere eine Halbkugellinse aufweisen. Hierdurch kann mehr Licht in den Lichtwellenleiter eintreten.According to one embodiment, the optical waveguide can have a lens, in particular a hemispherical lens, at a second end opposite the end where the light detector is located. This allows more light to enter the optical waveguide.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Lichtwellenleiter mindestens eine Verzweigung mit mehreren Armen aufweisen. Hierdurch wird es ermöglicht auch an schwierig zugängliche Bereiche in einem Transformator zu gelangen, ohne dass dabei der Lichtwellenleiter übermäßig stark gebogen werden muss, um aus diesem Bereich zurückzukehren. Durch die Verzweigung kann auch eine große Volumenabdeckung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung erreicht werden.According to one embodiment, the optical waveguide can have at least one branch with multiple arms. This makes it possible to reach even difficult-to-access areas in a transformer without having to bend the optical waveguide excessively to return from these areas. The branching also allows for a large volume coverage for detecting electromagnetic radiation.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine Lichtwellenleiter einen zweiten Abschnitt aufweisen in dem der Lichtwellenleiter durchgehend bis zum Lichtdetektor hin das Lichtabschirmungselement aufweist, um den zweiten Abschnitt gegen elektromagnetische Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, abzuschirmen. Der Lichtwellenleiter wird so vor dem Eindringen von äußerer elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise dem Sonnenlicht, geschützt, sobald der zweite Abschnitt des Lichtwellenleiters außerhalb eines Transformators angeordnet ist. Die Detektion ist somit auf die sicherheitsrelevanten Lichtbögen innerhalb des Gehäuses des Transformators beschränkt.According to one embodiment, the at least one optical waveguide can have a second section in which the optical waveguide continuously incorporates a light-shielding element up to the light detector in order to shield the second section against electromagnetic radiation, in particular sunlight. The optical waveguide is thus protected from the penetration of external electromagnetic radiation, such as sunlight, as soon as the second section of the optical waveguide is located outside a transformer. Detection is therefore limited to the safety-relevant arcs within the transformer housing.
Gemäß einer Ausführungsform kann der zweite Abschnitt des mindestens einen Lichtwellenleiters mindestens 0,5 Meter, bevorzugt mindestens 5 Meter, lang sein. Selbst Längen von über 50 Meter sind möglich. Der Lichtdetektor kann aufgrund der Länge des zweiten Abschnitts des Lichtübertragungsmittels so positioniert werden, dass er leicht zugänglich ist, ohne dass die Funktionsweise eingeschränkt wird.According to one embodiment, the second section of the at least one optical waveguide can be at least 0.5 meters long, preferably at least 5 meters. Lengths of over 50 meters are also possible. Due to the length of the second section of the light transmission medium, the light detector can be positioned for easy access without compromising its functionality.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Lichtbogenerkennungssystems kann der Lichtdetektor einer der folgenden sein: lichtempfindliche Sensoren auf Halbleiterbasis, insbesondere eine Photodiode, eine Avalanche-Photodiode, ein Phototransistor, ein Photowiderstand, ein CCD-Sensor, ein APS-CMOS Sensor, ein pyroelektrischer Sensor oder ein lichtempfindlicher Sensor auf Vakuum-Röhrenbasis insbesondere ein Photomultiplier oder eine Photokathode.According to one embodiment of the arc detection system, the light detector can be one of the following: semiconductor-based light-sensitive sensors, in particular a photodiode, an avalanche photodiode, a phototransistor, a photoresistor, a CCD sensor, an APS-CMOS sensor, a pyroelectric sensor, or a vacuum tube-based light-sensitive sensor, in particular a photomultiplier or a photocathode.
Da der Detektor außerhalb des Transformatorgehäuses angeordnet werden kann, können solche Detektoren bzw. Sensoren eingesetzt werden, die bei normalen Umgebungstemperaturen und Drücken verwendet werden können.Since the detector can be positioned outside the transformer housing, detectors or sensors that can be used at normal ambient temperatures and pressures can be employed.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Lichtwellenleiter flexibel bzw. biegsam ausgebildet sein. Dabei kann bevorzugt der Biegeradius mindestens zehnmal größer sein als der Faserdurchmesser, unter mechanischer Spannung mindestens fünfzehnmal. Bei Faserdurchmessern von 1 mm sollte der Biegeradius damit mindestens 15mm betragen. Somit lässt sich der Lichtwellenleiter um Bauteile innerhalb des Gehäuses eines Transformators herum verlegen.According to one embodiment, the optical fiber can be flexible. Preferably, the bending radius can be at least ten times larger than the fiber diameter, and at least fifteen times larger under mechanical stress. For fiber diameters of 1 mm, the bending radius should therefore be at least 15 mm. This allows the optical fiber to be routed around components inside the housing of a transformer.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einem Transformator gemäß Anspruch 8 gelöst.The object of the invention is also achieved with a transformer according to claim 8.
Der erfindungsgemäße Transformator umfasst ein Gehäuse, wobei das Gehäuse mit einem dielektrischen Fluid, insbesondere einem Öl, gefüllt ist, und mindestens ein Lichtbogenerkennungssystem, insbesondere wie oben beschrieben. Dank dem Lichtbogenerkennungssystems können in einem Transformator schon frühzeitig Sicherungsmaßnahmen ergriffen werden. In der Variante, in der das oben beschriebene Lichtbogenerkennungssystem zum Einsatz kommt, kann insbesondere die Sensitivität der Lichtdetektion erhöht werden.The transformer according to the invention comprises a housing, wherein the housing is filled with a dielectric fluid, in particular an oil, and at least one arc flash detection system, in particular as described above. Thanks to the arc flash detection system, safety measures can be taken at an early stage in a transformer. In the variant in which the arc flash detection system described above is used, the sensitivity of the light detection can be increased in particular.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Innenseite des Gehäuses zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig poliert sein und/oder eine lichtreflektierende Beschichtung, insbesondere eine weiße Farbschicht, aufweisen. Hierdurch kann auch an der Innenseite reflektiertes Licht eines Lichtbogens in den Lichtwellenleiter gelangen und somit die Sensitivität der Bogenerkennung erhöhen.According to one embodiment, the inside of the housing can be polished at least partially, and in particular completely, and/or have a light-reflecting coating, especially a white paint layer. This allows light from an arc reflected on the inside to enter the optical waveguide and thus increase the sensitivity of the arc detection.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Brechungsindex des dielektrischen Fluids niedriger als der Brechungsindex des Kerns und/oder der Ummantelung sein. Somit wird eine Totalreflexion zumindest von Teilen des einfallenden Lichts ermöglicht, so dass letztendlich der Lichtdetektor einen Lichtbogen detektieren kann.According to one embodiment, the refractive index of the dielectric fluid can be lower than the refractive index of the core and/or the cladding. This allows total internal reflection of at least some of the incident light, so that the light detector can ultimately detect an electric arc.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Lichtdetektor außerhalb des Gehäuses angeordnet sein und der Lichtwellenleiter zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet sein und kann zumindest ein Teil des Lichtwellenleiters innerhalb des Transformators so ausgebildet sein, dass der Lichtwellenleiter elektromagnetische Strahlung empfängt, die innerhalb des Gehäuses auftritt. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Lichterkennung und die Sicherheit des Transformators erhöht werden. Wenn ein solches Lichtbogenerkennungssystem in einen Transformator eingebaut wird, kann der Lichtwellenleiter die elektromagnetische Strahlung empfangen, wenn ein Lichtbogen im Transformator auftritt. Gleichzeitig kann der Lichtdetektor außerhalb des Tanks angeordnet werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Lichterkennung und die Sicherheit des Transformators erhöht werden.According to one embodiment, the light detector can be arranged outside the housing, and the optical fiber can be arranged at least partially inside the housing. At least a portion of the optical fiber within the transformer can be configured to receive electromagnetic radiation emitted inside the housing. This can increase the reliability of the light detection and the safety of the transformer. When such an arc flash detection system is installed in a transformer, the optical fiber can receive the electromagnetic radiation. If an arc flash occurs in the transformer, the light detector can be positioned outside the tank. This increases the reliability of the light detection and the safety of the transformer.
Wenn der mindestens eine Lichtwellenleiter selbst die elektromagnetische Strahlung empfängt, die von einem zwischen den Wicklungen eines Transformators auftretenden Lichtbogen emittiert wird, und sie an den Lichtdetektor weiterleitet, kann die Position des Lichtdetektors beliebig gewählt werden. Dadurch wird die Positionierung des Lichtdetektors unabhängig von der Position der Wicklungen. So kann man eine Position außerhalb des Transformators wählen. Durch den Einsatz des Detektors in einem weniger rauen Umfeld verringert sich der Verschleiß und gleichzeitig wird der Detektor selbst leicht zugänglich. Der Einsatz des oder der Lichtwellenleiter/s ermöglicht es weiterhin, die Vorrichtung an die verschiedenen Transformatorgrößen anzupassen. Hierzu ist es ausreichend, eine geeignete Länge auszuwählen.If the optical fiber (or fibers) itself receives the electromagnetic radiation emitted by an arc occurring between the windings of a transformer and transmits it to the light detector, the position of the light detector can be chosen arbitrarily. This makes the position of the light detector independent of the position of the windings. Thus, a position outside the transformer can be selected. By using the detector in a less harsh environment, wear is reduced, and the detector itself becomes easily accessible. Furthermore, the use of the optical fiber(s) allows the device to be adapted to different transformer sizes. For this, it is sufficient to select a suitable length.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Lichtwellenleiter an mindestens einem, insbesondere mehreren Stellen innerhalb des Gehäuses befestigt sein, wobei der Lichtwellenleiter dort eine weitere Hülle, insbesondere eine für elektromagnetische Strahlung undurchlässige Hülle, aufweist. Damit wir die Positionierung der Lichtwellenleiter im Gehäuse gesichert und das Erkennungssystem über einen langen Zeitraum zuverlässig Lichtbögen erfassen.According to one embodiment, the optical fiber can be attached at at least one, and in particular several, points within the housing, wherein the optical fiber has a further sheath there, in particular a sheath impermeable to electromagnetic radiation. This ensures the positioning of the optical fibers in the housing and allows the detection system to reliably detect arcs over a long period of time.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Lichtwellenleiter so befestigt sein, dass ein oder mehrere der ersten Teilbereiche und/oder der zweiten Teilbereiche einem stromführenden Bauteil oder mehreren stromführenden Bauteilen im Gehäuse lediglich durch ein dielektrisches Kühlfluid getrennt, gegenüberliegen. Somit kann der Lichtwellenleiter das Licht eines Lichtbogens direkt „sehen“ und ist nicht auf Reflektionen an anderen Bauteilen angewiesen, um den Lichtbogen erkennen zu können.According to one embodiment, the optical fiber can be mounted in such a way that one or more of the first sub-sections and/or the second sub-sections are located opposite a current-carrying component or components in the housing, separated only by a dielectric cooling fluid. Thus, the optical fiber can directly "see" the light of an electric arc and does not rely on reflections from other components to detect the arc.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Transformators kann der mindestens eine Lichtwellenleiter mit Hilfe einer abgedichteten Durchführung durch das Gehäuse des Transformators geführt werden. Durch die Verwendung einer abgedichteten Durchführung wird die normale Funktionsweise des Transformators bei verbesserter Sicherheitsüberwachung nicht eingeschränkt. Zudem ermöglicht die abgedichtete Durchführung auch die Möglichkeit, verschiedene Lichtwellenleiter an der Durchführung koaxial miteinander zu verbinden. So wird ein Lichtwellenleiter, der frei von einem Lichtabschirmungselement ist, im Transformator eingesetzt und ein zweiter Lichtwellenleiter mit Lichtabschirmungselement auf der Außenseite verwendet.According to one embodiment of the transformer, the at least one optical fiber can be routed through the transformer housing using a sealed bushing. The use of a sealed bushing does not impair the normal operation of the transformer while improving safety monitoring. Furthermore, the sealed bushing also allows for the coaxial connection of different optical fibers at the bushing. For example, one optical fiber without a light-shielding element is used inside the transformer, and a second optical fiber with a light-shielding element is used on the outside.
Somit erhöht die Montage des Lichtbogenerkennungssystems mit einer abgedichteten Durchführung nicht nur die Sicherheit des Transformators, sondern erleichtert auch das Nachrüsten des Lichtbogenerkennungssystems bei bereits ausgelieferten Transformatoren, die entsprechende Anschlüsse, beispielsweise Blindflansche, umfassen.Therefore, mounting the arc detection system with a sealed feedthrough not only increases the safety of the transformer, but also facilitates the retrofitting of the arc detection system to transformers that have already been delivered and include corresponding connections, such as blind flanges.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Transformator mit mehreren Lichtwellenleitern, die unabhängig voneinander, insbesondere abgedichtet, durch das Gehäuse des Transformators geführt sind ausgebildet sein, wobei diese mit einem, insbesondere nur einem, Lichtdetektor verbunden sein können. Somit lassen sich auch große Volumen wirksam überwachen.According to one embodiment, the transformer can be designed with several optical fibers that are independently routed through the transformer housing, particularly in a sealed manner, and which can be connected to one, or in particular only one, light detector. This allows even large volumes to be effectively monitored.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann mindestens ein Lichtwellenleiter innerhalb einer oder mehrerer Wicklungen angeordnet sein und/oder zusammen mit einer oder mehreren Wicklungen gewickelt sein, insbesondere so, dass die ersten Teilbereiche und die zweiten Teilbereiche zumindest teilweise innerhalb der Wicklungen angeordnet sind.According to one embodiment, at least one optical waveguide can be arranged within one or more windings and/or wound together with one or more windings, in particular such that the first sub-areas and the second sub-areas are at least partially arranged within the windings.
Durch die Nähe des Lichtübertragungsmittels zu den stromführenden Wicklungen des Transformators können auch Lichtbögen mit geringer Intensität, insbesondere unter 1 Candela, detektiert werden. Auch Lichtbögen, die nicht die gesamte Isolierstrecke überwinden, sogenannte Teilentladungen können detektiert werden. Somit kann entsprechend frühzeitig reagiert werden. Dies führt zu einer erhöhten Systemsicherheit.Due to the proximity of the light transmission medium to the transformer's live windings, even low-intensity arcs, especially those below 1 candela, can be detected. Partial discharges, arcs that do not span the entire insulation gap, can also be detected. This allows for timely intervention, leading to increased system safety.
Da Lichtwellenleiter typischerweise nicht elektrisch leitend sind, können Sie im Transformator auch direkt an stromführenden Teilen verlegt werden, auch wenn diese eine hohe Spannung aufweisen. Ein flexibler Lichtwellenleiter kann um die Wicklungen gelegt werden und einfach an die verschiedenen Baugrößen und Varianten der Transformatoren angepasst werden und ermöglicht ein besonders für die Nachrüstung vorteilhaftes Verlegen des Lichtwellenleiters. Somit ist es auch möglich, kleine Lichtbögen zu detektieren und die Sicherheit des Systems weiter zu erhöhen.Since optical fibers are typically non-conductive, they can be routed directly alongside live parts in transformers, even those carrying high voltage. A flexible optical fiber can be wrapped around the windings and easily adapted to the various sizes and types of transformers, making it particularly advantageous for retrofitting. This also allows for the detection of small arcs and further enhances system safety.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Transformator eine Steuereinheit umfassen, die so ausgebildet ist, dass sie den Transformator abschaltet und/oder einen Ausgleichsbehälter isoliert und/oder ein Ablassventil am Transformatorgehäuse öffnet und/oder das Einleiten eines inerten Gases, insbesondere Stickstoff, über ein Einlassventil initiiert, wenn der Lichtdetektor elektromagnetische Strahlung über den mindestens einen Lichtwellenleiter erfasst. Insbesondere trennt die Steuereinheit den Transformator von der Stromversorgung, wenn die Signale des Lichtdetektors einen entsprechenden Grenzwert bzgl. Dauer, und/oder Intensität und/oder Wellenspektrum überschreiten.According to one embodiment, the transformer can include a control unit configured to switch off the transformer and/or insulate an expansion tank and/or open a drain valve on the transformer housing and/or initiate the introduction of an inert gas, in particular nitrogen, via an inlet valve when the light detector detects electromagnetic radiation via the at least one optical fiber. detected. In particular, the control unit disconnects the transformer from the power supply if the signals from the light detector exceed a corresponding limit value with regard to duration, and/or intensity and/or wave spectrum.
Das frühzeitige Trennen des Transformators von der Stromversorgung verhindert weiteren Energieeintrag in den Transformator. Durch das Öffnen des Ventils kann Überdruck abgebaut werden. Das Einleiten eines inerten Gases reduziert das Risiko, dass es zu einem Feuer kommt. Die Sicherheit des Transformators kann durch dieses Lichterkennungssystem erhöht werden und die auf den beschriebenen Schadensfall folgenden Wartungsarbeiten sind vergleichsweise gering. Disconnecting the transformer from the power supply early prevents further energy input into the transformer. Opening the valve allows excess pressure to be released. Introducing an inert gas reduces the risk of fire. This light detection system enhances the transformer's safety, and the maintenance required after the described fault is comparatively minimal.
Die Erfindung betrifft auch eine Energieübertragungsvorrichtung, insbesondere ein Gleichrichtertransformator oder ein Phasenschieber oder eine Drosselspule mit einem Lichtbogenerkennungssystem, nach einem der Ansprüche 1 bis 7.The invention also relates to an energy transmission device, in particular a rectifier transformer or a phase shifter or a choke coil with an arc detection system, according to any one of claims 1 to 7.
Die Erfindung wird nachfolgend bezugnehmend auf die Figuren anhand von Ausführungsbeispielen weiter im Detail beschrieben. Hierbei können einzelne Merkmale der jeweiligen Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden, um neue erfindungsgemäße Ausgestaltungen zu erzielen.
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1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Transformator mit einem Lichtbogenerkennungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform. -
2 zeigt schematisch einen Transformator mit einem Lichtbogenerkennungssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform. -
3 zeigt ein Lichtbogenerkennungssystem gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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1 schematically shows a transformer according to the invention with an arc detection system according to a first embodiment. -
2 schematically shows a transformer with an arc detection system according to a second embodiment. -
3 shows an arc detection system according to a third embodiment of the invention.
Gemäß einer Variante der Erfindung, sind das Gehäuse 3 und der Deckel 5 auf ihrer Innenseite teilweise und/oder vollständig poliert und/oder mit einer lichtreflektierenden Beschichtung 6, beispielsweise einer weißen Farbschicht, ausgebildet.According to one variant of the invention, the housing 3 and the lid 5 are partially and/or completely polished on their inside and/or formed with a light-reflecting coating 6, for example a white paint layer.
Die Hoch- und Niederspannungswicklungen 7, 9 werden über ein in den Tank 3 gefülltes Kühlmittel 25 gekühlt. Hierbei kommt üblicherweise ein dielektrisches Fluide, wie beispielsweise ein Öl, zum Einsatz. Dieses kann entflammbar sein.The high- and low-voltage windings 7, 9 are cooled by a coolant 25 filled in tank 3. A dielectric fluid, such as an oil, is typically used for this purpose. This fluid can be flammable.
Schematisch dargestellt werden auch bekannte Schutzvorrichtungen für den Transformator 1, wie beispielsweise ein Feuermelder 27, ein Buchholzrelais 29, das zwischen den Tank 3 und einem Ausgleichsbehälter 30 angeordnet ist, ein Ablassventil 31 für Kühlmittel 25, ein Einlassventil 33 für das Einblasen eines inerten Gases, beispielsweise Stickstoff, ein Relais mit Differentialstrommessung 35, ein erster Schutzschalter 37 auf der Hoch- und ein zweiter Schutzschalter 39 auf der Niederspannungsseite. Diese Vorrichtungen sind mit einer Steuereinheit 41 verbunden.Also shown schematically are known protective devices for the transformer 1, such as a fire alarm 27, a Buchholz relay 29 arranged between the tank 3 and an expansion tank 30, a drain valve 31 for coolant 25, an inlet valve 33 for injecting an inert gas, for example nitrogen, a relay with differential current measurement 35, a first circuit breaker 37 on the high-voltage side and a second circuit breaker 39 on the low-voltage side. These devices are connected to a control unit 41.
Der Transformator 1 kann auch mit weiteren Schutzvorrichtungen, wie beispielsweise einer Berstscheibe, ausgestattet sein. Eine solche Berstscheibe bricht ab einem vorbestimmten Druck, so dass Kühlmittel 25 zum Druckabbau abfließen kann, bevor des Gehäuse 3 aufplatzt. Der Transformator 1 kann auch mit weniger Schutzvorrichtungen ausgestattet sein.The transformer 1 can also be equipped with additional protective devices, such as a rupture disc. Such a rupture disc breaks at a predetermined pressure, allowing coolant 25 to flow out to relieve the pressure before the housing 3 bursts. The transformer 1 can also be equipped with fewer protective devices.
Die Steuereinheit 41 ist so ausgebildet, dass beim Vorliegen vorbestimmter Parameter, wie beispielsweise ein Anschlagen des Buchholzrelais 29 und/oder ein ungewöhnlicher Spannungswert am Relais 35, Sicherheitsmaßnahmen wie Abschalten und/oder Ablassen von Kühlmittel 25 und/oder Einblasen von einem inerten Gas, wie Stickstoff, eingeleitet werden.The control unit 41 is designed so that, in the presence of predetermined parameters, such as a striking of the Buchholz relay 29 and/or an unusual voltage value at the relay 35, safety measures such as switching off and/or draining of coolant 25 and/or injecting an inert gas, such as nitrogen, are initiated.
Erfindungsgemäß umfasst der Transformator weiter ein Lichtbogenerkennungssystem 43. Das Lichtbogenerkennungssystem 43 umfasst einen Lichtwellenleiter 45 und einen Lichtdetektor 47, der mit einem ersten Ende 45a des Lichtwellenleiters 45 verbunden ist. Das Lichtbogenerkennungssystem 43 kann am Gehäuse 3 des Transformators 1 angeordnet werden. Dabei kann der Lichtdetektor 47 außerhalb des Transformators 1 angeordnet und der Lichtwellenleiter 45 innerhalb desselben. Das Lichtbogenerkennungssystem 43 beziehungsweise der Lichtdetektor ist ebenfalls mit der Steuereinheit 41 verbunden.According to the invention, the transformer further comprises an arc flash detection system 43. The arc flash detection system 43 comprises an optical fiber 45 and a light detector 47, which is connected to a first end 45a of the optical fiber 45. The arc flash detection system 43 can be arranged on the housing 3 of the transformer 1. The light detector 47 can be arranged outside the transformer 1 and the optical fiber 45 inside it. The arc flash detection system 43, or the light detector, is also connected to the control unit 41.
Gemäß einer Variante könnte mehr als ein Lichtbogenerkennungssystem 43 oder mehrere Lichtwellenleiter 45, die mit einem gemeinsamen Lichtdetektor 47 verbunden sind, vorgesehen sein.According to one variant, more than one arc detection system 43 or several optical fibers 45 connected to a common light detector 47 could be provided.
Dabei ist der Lichtwellenleiter 45 so ausgebildet, dass er zumindest teilweise, bevorzugt über die ganze Länge, Licht von außen aufnehmen kann und nicht nur an seinem zweiten Ende 45b. Somit kann ein größerer Bereich im Inneren des Transformators 1 überwacht werden.The optical fiber 45 is designed such that it can receive light from the outside at least partially, preferably along its entire length, and not only at its second end 45b. This allows a larger area inside the transformer 1 to be monitored.
In einem solchen Lichtwellenleiter 45 wird bei der Verwendung in der Kommunikationstechnik Licht, das am zweiten Ende 45b des Kerns 81 eingekoppelt wird, durch den Lichtwellenleiter geführt. Am anderen Ende 45a des Kerns 81 kann das Licht dann wieder ausgekoppelt werden und durch den Lichtdetektor 47 erfasst und analysiert werden.In such an optical waveguide 45, when used in communication technology, light coupled in at the second end 45b of the core 81 is guided through the optical waveguide. At the other end 45a of the core 81, the light can then be coupled out again and detected and analyzed by the light detector 47.
Licht, das in den Kern 81 eingekoppelt wird, wird entsprechend der Brechungsgesetze ab dem Grenzwinkel am Übergang zur Ummantelung 83 total reflektiert. Bei Winkeln kleiner dem Grenzwert, werden die Lichtstrahlen in der Ummantelung 83 und dem Lichtabschirmungselement 85 absorbiert. Um den Einfallswinkel für Licht, das am Ende 45b des Lichtwellenleiters 45 eintritt, zu vergrößern kann gemäß einer Variante am Ende 45b eine Linse 87, hier insbesondere eine Halbkugellinse, angeordnet sein.Light coupled into the core 81 is totally reflected according to the laws of refraction from the critical angle at the transition to the cladding 83. At angles smaller than the critical angle, the light rays are absorbed in the cladding 83 and the light-shielding element 85. To increase the angle of incidence for light entering the end 45b of the optical waveguide 45, a lens 87, in particular a hemispherical lens, can be arranged at the end 45b according to one variant.
Erfindungsgemäß hat der Lichtwellenleiter 45 einen Abschnitt 46 mit ersten Teilbereichen 46a und zweiten Teilbereichen 46b. Der Abschnitt 46 liegt hier der Niederspannungswicklung 9 direkt gegenüber. Der Lichtwellenleiter kann aber auch weitere solche Abschnitte aufweisen, die beispielsweise der Hochspannungswicklung 7 oder anderen stromführenden Bauteilen gegenüberliegen.According to the invention, the optical fiber 45 has a section 46 with first subsections 46a and second subsections 46b. Here, section 46 is located directly opposite the low-voltage winding 9. However, the optical fiber can also have further such sections, which, for example, are located opposite the high-voltage winding 7 or other current-carrying components.
In den ersten Teilbereichen 46a hat der Lichtwellenleiter 45 kein Lichtabschirmungselement 85, sondern weist nur noch den Kern 81 und die Ummantelung 83 auf. In den zweiten Teilbereichen 46b hat der Lichtwellenleiter nur noch den Kern 81.In the first subsections 46a, the optical waveguide 45 has no light-shielding element 85, but only the core 81 and the cladding 83. In the second subsections 46b, the optical waveguide has only the core 81.
Gemäß der in
Gemäß einer Variante können die ersten Teilbereiche 46a und zweiten Teilbereiche 46b eine Ausdehnung I1bzw. I2 in Längsrichtung des Lichtwellenleiters 45 von 0,5 cm bis 5 cm aufweisen. According to one variant, the first sub-areas 46a and second sub-areas 46b can have an extent I1b and I2 respectively in the longitudinal direction of the optical waveguide 45 of 0.5 cm to 5 cm.
Da im Abschnitt 46 kein Lichtabschirmungselement mehr am Lichtwellenleiter 45 vorhanden ist, kann dort Licht entlang der Längenausdehnung des Lichtwellenleiters 46 in den Lichtwellenleiter 46 eintreten. Da das dielektrische Kühlmittel einen Brechungsindex haben kann, der geringer als der Kern 81 ist, kann zumindest ein Teil des in den Lichtwellenleiter eingefallenen Lichts durch Totalreflexion im Lichtwellenleiter 46 verbleiben und den Lichtdetektor 47 erreichen. Selbst im umgekehrten Fall, kann durch Teilreflexion Licht bis zum Detektor gelangen.Since there is no longer a light-shielding element on the optical waveguide 45 in section 46, light can enter the optical waveguide 46 along its length. Because the dielectric coolant can have a refractive index lower than that of the core 81, at least some of the light entering the optical waveguide can remain within it by total internal reflection and reach the light detector 47. Even in the reverse case, light can reach the detector by partial internal reflection.
Da es sich bei den Signalen nicht um die Übermittlung von Informationsströmen handelt, ist es auch unerheblich, ob das auftretende Licht ganz oder nur teilweise in den Lichtwellenleiter 45 eingespeist werden kann. Entscheidend ist, dass mindestens ein Teil des Lichts im Glasfaserkabel weitergeleitet wird, so dass es am Ende auf den Lichtdetektor 47 treffen kann. Zum Erfassen eines Lichtbogens kann es insbesondere schon ausreichend sein, wenn weniger als 1% des Lichts in die Faser gelangt und dort verbleibt.Since the signals do not involve the transmission of information streams, it is irrelevant whether the light emitted can be fully or only partially fed into the optical fiber 45. What is crucial is that at least some of the light is transmitted within the fiber optic cable so that it can ultimately reach the light detector 47. For detecting an arc, it may be sufficient if less than 1% of the light enters and remains in the fiber.
Beim Lichtdetektor 47 kann es sich um einen halbleiterbasierten Lichtdetektor handeln, wie beispielsweise eine CCD-Kamera, eine Photodiode, eine Avalanche-Photodiode, einen Phototransistor, einen Photowiderstand; eine APS-CMOS Kamera, einen pyroelektrischen Sensor oder einen lichtempfindlichen Sensor auf Vakuum-Röhrenbasis, beispielsweise einen Photomultiplier oder eine Photokathode.The light detector 47 can be a semiconductor-based light detector, such as a CCD camera, a photodiode, an avalanche photodiode, a phototransistor, a photoresistor; an APS-CMOS camera, a pyroelectric sensor or a vacuum tube-based light-sensitive sensor, such as a photomultiplier or a photocathode.
Um die Position des Lichtwellenleiters 45 im Gehäuse 3 zu sichern, kann der Lichtwellenleiter mit mindestens einem Befestigungsmittel, hier zwei Befestigungsmitteln 89a und 89b innerhalb des Gehäuses 3 befestigt werden. Bei den Befestigungsmitteln 89a, 89b kann es sich um Klemmen oder Schrauben oder Flansche handeln.To secure the position of the optical fiber 45 in the housing 3, the optical fiber can be fastened inside the housing 3 with at least one fastening element, here two fastening elements 89a and 89b. Regarding the fastening elements Teln 89a, 89b could refer to clamps, screws, or flanges.
Hier wird der Lichtwellenleiter 45 direkt am Eisenkern 11 befestigt. Im Bereich der Befestigung weist der Lichtwellenleiter 45 bevorzugt eine weitere Hülle 91, insbesondere eine für elektromagnetische Strahlung undurchlässige Hülle, auf. Im Bereich des Befestigungsmittels 89a ist dies beispielsweise das Lichtabschirmungselement 85.Here, the optical waveguide 45 is attached directly to the iron core 11. In the area of attachment, the optical waveguide 45 preferably has a further sheath 91, in particular a sheath that is opaque to electromagnetic radiation. In the area of the fastening element 89a, this is, for example, the light-shielding element 85.
Das Lichtbogenerkennungssystem 43 im Transformator 1 funktioniert erfindungsgemäß wie folgt.The arc detection system 43 in the transformer 1 functions according to the invention as follows.
Tritt ein Lichtbogen zwischen der Hochspannungswicklung 7 und der Niederspannungswicklung 9 oder an einer anderen Stelle auf, so kann der Lichtwellenleiter 45 die vom Lichtbogen ausgehende elektromagnetische Strahlung aufnehmen. Zumindest ein Teil der Strahlung läuft daraufhin durch den Lichtwellenleiter 45 bis zum Lichtdetektor 47 und kann dort erfasst werden.If an arc occurs between the high-voltage winding 7 and the low-voltage winding 9, or at any other point, the optical fiber 45 can absorb the electromagnetic radiation emitted by the arc. At least part of the radiation then travels through the optical fiber 45 to the light detector 47, where it can be detected.
Das entsprechende Signal wird daraufhin vom Lichtdetektor 47 zur Steuereinheit 41 weitergeleitet. Beim Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts bzgl. Intensität und/oder Dauer und/oder Wellenspektrum der detektierten Strahlung wird diese eine oder mehrere der oben beschriebenen Sicherungsmaßnahmen einleiten.The corresponding signal is then forwarded from the light detector 47 to the control unit 41. If a predetermined limit value with regard to intensity and/or duration and/or wave spectrum of the detected radiation is exceeded, one or more of the safety measures described above will be initiated.
Da der Lichtdetektor 47 erfindungsgemäß außerhalb des Gehäuses 3 angebracht ist, ist er geschützt vor der Wärme und dem elektrischen Feld im Inneren des Transformators 1. So werden gleichzeitig die Zugänglichkeit, die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Lichtdetektors 47 erhöht und damit die Sicherheit des Transformators 1 verbessert.Since the light detector 47 is mounted outside the housing 3 according to the invention, it is protected from the heat and the electric field inside the transformer 1. This simultaneously increases the accessibility, reliability and service life of the light detector 47 and thus improves the safety of the transformer 1.
Es hat sich ferner gezeigt, dass durch die abwechselnde Anordnung von Bereichen mit und ohne Ummantelung 83 sich die Sensitivität der Erfassungsvorrichtung im Vergleich zu Lichtleitern vollständig ohne Ummantelung 83 oder vollständig mit Ummantelung 83 verbessert.It has also been shown that the alternating arrangement of areas with and without sheathing 83 improves the sensitivity of the detection device compared to fiber optics completely without sheathing 83 or completely with sheathing 83.
Gemäß einer Variante sind die ersten Bereiche 46a dort angeordnet wo der Lichtwellenleiter 45 eine größere Krümmung aufweisen muss, während die zweiten Bereiche 46b dort angeordnet sind in denen der Lichtwellenleiter 45 geradlinig ausgebildet ist.According to one variant, the first areas 46a are arranged where the optical waveguide 45 must have a greater curvature, while the second areas 46b are arranged where the optical waveguide 45 is straight.
Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das verwendete Lichtbogenerkennungssystem 53 vom Lichtbogenerkennungssystem 43 dadurch, dass der Lichtdetektor 47 nicht am Gehäuse 3 angeordnet ist, sondern von diesem gelöst weiter entfernt, beispielsweise in der Nähe der Steuereinheit 41 oder in der Steuereinheit 41 angeordnet ist.In comparison to the first embodiment, the arc detection system 53 used differs from the arc detection system 43 in that the light detector 47 is not arranged on the housing 3, but is detached from it and located further away, for example near the control unit 41 or in the control unit 41.
Das dargestellte Lichtbogenerkennungssystem 53 in der zweiten Ausführungsform umfasst einen Lichtwellenleiter 55, der sich in einen ersten Abschnitt 55a innerhalb des Gehäuses 3 und einen zweiten Abschnitt 55b außerhalb des Gehäuses 3 gliedern lässt.The illustrated arc detection system 53 in the second embodiment comprises an optical waveguide 55, which can be divided into a first section 55a inside the housing 3 and a second section 55b outside the housing 3.
Der erste Abschnitt 55a des Lichtwellenleiters 55 im zweiten Ausführungsbeispiel umfasst weiter zwei Arme 57a und 57b. Arm 57a ist in die Niederspannungswicklung 9 eingebracht bzw. eingewickelt. Im Bereich der Wicklung 9 befinden sich die abwechselnd angeordneten ersten und zweiten Teilbereiche 46a und 46b, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. In den Teilbereichen 46a hat der Lichtwellenleiter den Kern 81 und die Ummantelung 83, während in den zweiten Teilbereichen nur noch der Kern 81 vorhanden ist.The first section 55a of the optical fiber 55 in the second embodiment further comprises two arms 57a and 57b. Arm 57a is inserted into or wound within the low-voltage winding 9. Within the winding 9 are the alternating first and second subsections 46a and 46b, as described in the first embodiment. In subsection 46a, the optical fiber has the core 81 and the cladding 83, while in the second subsection only the core 81 is present.
Der zweie Arm 57b erstreckt sich bis zur Hochspannungswicklung 7 und kann wie Arm 57a gemäß einer Variante auch in die Wicklung eingebracht werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verzweigt sich Arm 57b nochmals in einen dritten Arm 57c und einen vierten Arm 57d.The second arm 57b extends to the high-voltage winding 7 and, like arm 57a in one variant, can also be inserted into the winding. In the illustrated embodiment, arm 57b branches again into a third arm 57c and a fourth arm 57d.
Der dritte Arm 57c teilt sich am Ende nochmals in drei weitere Arme 57e, 57f und 57g auf. Am jeweiligen Ende ist eine Linse 87 angeordnet. Die Arme 57e, 57f und 57g sind ohne Lichtabschirmungselement 85 ausgebildet und haben erste und zweite Teilbereiche 46a und 46b gemäß der ersten Ausführungsform.The third arm 57c divides at its end into three further arms 57e, 57f and 57g. A lens 87 is arranged at each end. The arms 57e, 57f and 57g are designed without a light-shielding element 85 and have first and second sub-sections 46a and 46b according to the first embodiment.
Der vierte Arm 57d weist bis zu seinem Ende das Lichtabschirmungselement 85 auf. Alternativ könnte auch hier ein Abschnitt mit ersten und zweiten Teilbereichen gemäß der ersten Ausführungsform ausgebildet sein. Am Ende des vierten Arms 57d befindet sich eine Linse 87.The fourth arm 57d has the light-shielding element 85 extending to its end. Alternatively, a section with first and second sub-areas according to the first embodiment could also be formed here. A lens 87 is located at the end of the fourth arm 57d.
Da die Drähte der Wicklungen 7 und 9 stromführend sind, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass in diesem Bereich ein Lichtbogen innerhalb des Transformators 1 auftritt. Durch die räumliche Nähe des Lichtübertragungsmittels 55 zu den Wicklungen 7 und 9 können auch Lichtbögen mit sehr geringer Intensität, insbesondere unter 1 Candela, erfasst werden. Auch Lichtbögen, die nicht die gesamte Isolierstrecke überwinden, sogenannte Teilentladungen, können detektiert werden. So kann ein etwaiger Verschleiß der Leitungsisolierung frühzeitig erkannt werden, wodurch die Sicherheit des Gesamtsystems erhöht wird.Since the wires of windings 7 and 9 are live, there is a high probability that an arc will occur in this area within the transformer 1. Due to the proximity of the light transmission medium 55 to windings 7 and 9, even arcs with very low intensity, especially below 1 candela, can be detected. Even arcs that do not span the entire insulation gap, so-called partial discharges, can be detected. This allows for the early detection of any wear and tear on the cable insulation, thereby increasing the safety of the overall system.
Gemäß weiterer Varianten kann der Lichtwellenleiter 55 noch weitere Arme aufweisen, die in andere Bereiche des Gehäuses 3 führen. Dank der Verwendung mehrerer Arme reicht es aus, einen Detektor 47 zu verwenden. Gleichzeitig wird es ermöglicht das ganze Volumen des Transformators zu überwachen. Dank der Verzweigungen kann auch in Bereiche vorgedrungen werden, die man beim Verlegen eines einzigen Lichtwellenleiters aufgrund des durch die Materialeigenschaften des Lichtwellenleiters vorgegebenen minimalen Biegeradius nicht erreichen könnte. Dank der Abzweigungen kann man in Transformatoren mit vielen Wicklungen den Lichtwellenleiter beispielsweise jeweils geradlinig zwischen zwei Wicklungen verlegen. Bei einem einzigen Lichtwellenleiter müsste der Lichtwellenleiter jeweils gebogen werden um zum nächsten Wicklungspaar gelangen zu können. Hierfür ist nicht immer Platz vorhanden.According to further variations, the optical fiber 55 can have additional arms leading to other areas of the housing 3. Thanks to the use of multiple arms, a single detector 47 is sufficient. Simultaneously, it becomes possible to monitor the entire volume of the transformer. The branches also allow access to areas that would be inaccessible when laying a single optical fiber due to the minimum bending radius dictated by the material properties of the optical fiber. For example, in transformers with many windings, the branches allow the optical fiber to be laid in a straight line between each pair of windings. With a single optical fiber, the fiber would have to be bent to reach the next pair of windings. Space for this is not always available.
Im zweiten Ausführungsbeispiel tritt der Lichtwellenleiter 55 über eine abgedichtete Durchführung 59 vom Inneren des Gehäuses 3 nach außen hindurch und endet am Lichtdetektor 47. Der Lichtdetektor 47 ist hier über ein Kabel 63 mit der Steuereinheit 41 verbunden.In the second embodiment, the optical fiber 55 passes through a sealed feedthrough 59 from the inside of the housing 3 to the outside and terminates at the light detector 47. The light detector 47 is connected to the control unit 41 via a cable 63.
Beim Lichtwellenleiter 55 kann es sich, wie in der ersten Ausführungsform mit ersten und zweiten Teilbereichen 46a und 46b handeln. Insbesondere, wie auch im ersten Ausführungsbeispiel, kann der Lichtwellenleiter 55 ein flexibler Lichtwellenleiter sein, der dem Innenraum des Transformators 1 somit angepasst werden kann.The optical fiber 55 can, as in the first embodiment, consist of first and second sub-sections 46a and 46b. In particular, as also in the first embodiment, the optical fiber 55 can be a flexible optical fiber that can thus be adapted to the interior of the transformer 1.
Damit wird besonders das Nachrüsten an Transformatoren 1 mit verschiedenen Größen und Formen erleichtert. Außerdem kann erneut die Sicherheit des Gesamtsystems erhöht werden, da eine nahezu beliebige Verlegung des Lichtwellenleiters eine Optimierung der Lichtbogendetektion ermöglicht, indem der Lichtwellenleiter in die Nähe der gefährdeten Bereiche gelegt wird.This makes retrofitting transformers of various sizes and shapes particularly easy. Furthermore, the overall system safety can be increased again, as the ability to route the optical fiber almost arbitrarily allows for optimized arc detection by placing the fiber optic cable near hazardous areas.
Insbesondere kommen dabei Lichtwellenleiter mit einer Mindestlänge von 0,5 Metern des ersten Abschnitts des Lichtübertragungsmittels 55a zum Einsatz.In particular, optical fibers with a minimum length of 0.5 meters of the first section of the light transmission medium 55a are used.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist der Lichtwellenleiter 55 bereichsweise so ausgebildet, dass Licht über einen Großteil seiner Länge auch lateral und nicht nur am Ende in den Lichtwellenleiter 55 eindringen kann. Wie erwähnt können aber auch ein oder mehrere Abschnitte, insbesondere weiter entfernt von den Bereichen, in denen Lichtbögen erwartet werden, innerhalb des Gehäuses 3 mit dem lichtundurchlässigen Lichtabschirmungselement 85 bedeckt sein.In the second embodiment, the optical waveguide 55 is designed in such a way that light can penetrate the optical waveguide 55 laterally over a large part of its length and not only at the end. As mentioned, however, one or more sections, particularly those further away from the areas where arcs are expected, can also be covered within the housing 3 with the opaque light-shielding element 85.
Der Lichtwellenleiter 11 ist außerhalb mit einem lichtundurchlässigen Lichtabschirmungselement 85, insbesondere einer lichtundurchlässigen Beschichtung, versehen. Das lichtundurchlässige Lichtabschirmungselement 85 verhindert dabei das Eintreten von externen Lichtstrahlen aus der Umgebung, beispielsweise von Sonnenlicht, in der Lichtwellenleiter 55. Damit ist sichergestellt, dass der Lichtdetektor 47 keine falschen Signale erhält, womit ein unnötiges Abschalten des Systems verhindert wird.The optical fiber 11 is provided externally with an opaque light-shielding element 85, in particular an opaque coating. The opaque light-shielding element 85 prevents external light rays from the environment, such as sunlight, from entering the optical fiber 55. This ensures that the light detector 47 does not receive false signals, thus preventing unnecessary shutdown of the system.
Gemäß einer Variante können innerhalb und außerhalb des Gehäuses 3 zwei verschiedene Lichtwellenleiter verwendet werden, die dann an der Durchführung 59 koaxial miteinander verbunden werden.According to one variant, two different optical waveguides can be used inside and outside the housing 3, which are then coaxially connected to each other at the feedthrough 59.
Die abgedichtete Durchführung 59 erhöht die Kompatibilität des Lichtbogenerkennungssystems mit verschiedenen Transformatormodellen, was sich insbesondere positiv auf die Eignung zum Nachrüsten auswirkt. Außerdem kann durch das Abdichten die Systemsicherheit erhöht werden.The sealed bushing 59 increases the compatibility of the arc fault detection system with various transformer models, which has a particularly positive effect on its suitability for retrofitting. Furthermore, sealing enhances system safety.
Da das in den Lichtwellenleiter aufgenommene Licht diesen nicht mehr verlässt, und die Absorptionsrate gering, insbesondere geringer als 20% pro Kilometer, ist, kann der zweite Abschnitt des Lichtwellenleiter 55b relativ lang ausgebildet sein, beispielsweise selbst über 50 Meter. Somit kann der Standort des Lichtdetektors 47 beliebig weit vom Transformator 1 gewählt werden, insbesondere innerhalb der Steuereinheit 41. Der Lichtdetektor ist damit leicht zugänglich und geschützt angeordnet.Since the light absorbed into the optical waveguide does not leave it, and the absorption rate is low, in particular less than 20% per kilometer, the second section of the optical waveguide 55b can be relatively long, for example even over 50 meters. Thus, the location of the light detector 47 can be chosen to be any distance from the transformer 1, in particular within the control unit 41. The light detector is therefore easily accessible and protected.
Um die Überwachung des Innenraums weiter zu verbessern kann zusätzlich noch ein weiterer oder mehrere weitere Lichtwellenleiter 65 bereitgestellt werden. Der zweite Lichtwellenleiter 65 ist über eine zweite abgedichtete Durchführung 67 am ersten Ende 65a mit dem gleichen Lichtdetektor 47 verbunden, könnte aber auch einen eigenen Lichtdetektor aufweisen. Am zweiten Ende 65b ist eine Linse 87 angeordnet. Im Bereich vor der Linse 87 wurde die Ummantelung 83 und das Lichtabschirmungselement 85 entfernt, so dass der Kern 81 frei im dielektrischen Fluid liegt.To further improve the monitoring of the interior, one or more additional optical fibers 65 can be provided. The second optical fiber 65 is connected to the same light detector 47 at its first end 65a via a second sealed feedthrough 67, but could also have its own light detector. A lens 87 is arranged at the second end 65b. In the area in front of the lens 87, the sheathing 83 and the light-shielding element 85 have been removed, so that the core 81 lies freely in the dielectric fluid.
Merkmale mit Bezugszeichen, die schon im Zusammenhang mit dem Transformator 1 oder 51 der ersten oder zweiten Ausbildungsform benutzt wurden, werden nicht erneut beschrieben. Es wird auf die Beschreibung der
Das Lichtbogenerkennungssystem 71 gemäß der dritten Ausführungsform greift teilweise das Lichtbogenerkennungssystems der zweiten Ausführungsform auf. So umfasst der Lichtwellenleiter 75 zwei Abschnitte 75a und 75b sowie zwei Arme 77a und 77b. Gemäß einer Variante kann das Lichtbogenerkennungssystem 43 der ersten Ausführungsform verwendet werden oder weitere Varianten mit mehreren Armen, wie in der
Das Lichtbogenerkennungssystem 71 umfasst einen Lichtwellenleiter 75, einen Lichtdetektor 47 und eine dichte Durchführung 59. Die Durchführung 59 ermöglicht das Abdichten gegenüber einem Gehäuse mittels geeigneter Dichtungen, wie beispielsweise O-Ringen an der Flanschfläche. Der Lichtwellenleiter 75 kann durch die Durchführung 59 hindurch angeordnet sein, oder aber zwei Lichtwellenleiter werden an der Durchführung 59 koaxial miteinander verbunden.The arc detection system 71 comprises an optical fiber 75, a light detector 47, and a sealed feedthrough 59. The feedthrough 59 allows for sealing against a housing by means of suitable seals, such as O-rings on the flange surface. The optical fiber 75 can be arranged through the feedthrough 59, or two optical fibers can be coaxially connected to each other at the feedthrough 59.
Der Lichtwellenleiter 75 kann in einen ersten Abschnitt 75a und einen zweiten Abschnitt 75b gegliedert werden kann.The optical fiber 75 can be divided into a first section 75a and a second section 75b.
Der Lichtwellenleiter 75 ist im ersten Abschnitt 75a zur Durchführung 59 hin mit dem Lichtabschirmelement 85 bedeckt. Daran anschließend verzweigt sich der Lichtwellenleiter 75 im ersten Abschnitt 75a in die zwei Arme 77a und 77b.The optical waveguide 75 is covered with the light-shielding element 85 in the first section 75a towards the feedthrough 59. Subsequently, the optical waveguide 75 branches in the first section 75a into the two arms 77a and 77b.
Am ersten Arm 77a wird im Endbereich 79a das Lichtabschirmelement 85 und die Ummantelung 83 entfernt, so dass der Kern 81 freiliegt. Am Ende kann eine Linse 87 angeordnet sein.On the first arm 77a, the light-shielding element 85 and the casing 83 are removed in the end region 79a, so that the core 81 is exposed. A lens 87 can be arranged at the end.
Am zweiten Arm 77b wird im Endbereich 79b das Lichtabschirmelement 85 entfernt und am Ende kann eine Linse 87 angeordnet sein. Erfindungsgemäß hat der Arm77b daher am Endbereich 79b einen Abschnitt 46 mit ersten Teilbereichen 46a und zweiten Teilbereichen 46b. In den ersten Teilbereichen 46a weist der Lichtwellenleiter 75 nur noch den Kern 81 und die Ummantelung 83 auf. In den zweiten Teilbereichen 46b hat der Lichtwellenleiter 77 nur noch den Kern 81.On the second arm 77b, the light-shielding element 85 is removed in the end region 79b, and a lens 87 can be arranged at the end. According to the invention, the arm 77b therefore has a section 46 at the end region 79b with first sub-regions 46a and second sub-regions 46b. In the first sub-regions 46a, the optical waveguide 75 has only the core 81 and the cladding 83. In the second sub-regions 46b, the optical waveguide 77 has only the core 81.
Gemäß der in
Gemäß einer Variante können die ersten Teilbereiche 46a und zweiten Teilbereiche 46b eine Ausdehnung I1bzw. I2 in Längsrichtung des Lichtwellenleiters 45 von 0,5 cm bis 5 cm aufweisen.According to one variant, the first sub-areas 46a and second sub-areas 46b can have an extent I1b and I2 respectively in the longitudinal direction of the optical waveguide 45 of 0.5 cm to 5 cm.
Der Lichtwellenleiter 75 im zweiten Abschnitt 75b zwischen Durchführung 59 und dem Lichtdetektor 47 ist vollständig vom Lichtabschirmelement 85 bedeckt, um einen Lichteintritt, z.B. Sonnenlicht, zu verhindern.The optical waveguide 75 in the second section 75b between feedthrough 59 and the light detector 47 is completely covered by the light shielding element 85 to prevent light ingress, e.g. sunlight.
Der Lichtdetektor 47 kann über einen Anschluss 73 mit einer externen Steuereinheit, wie der Einheit 41 in der
Mit dem Lichtbogenerkennungssystem 71 kann man somit existierende Transformatoren nachrüsten. Dazu wird der Lichtwellenleiter im ersten Bereich 75a durch eine Öffnung am Transformatorgehäuse eingeführt. Danach wird die Durchführung dichtend am Flansch des Transformators befestigt und der Lichtdetektor 47 an der Steuereinheit angeschlossen. Gleichzeitig verlegt man die Arme 77a, 77b innerhalb des Detektorgehäuses und bringt sie in die Nähe der kritischen Bereiche des Transformators.The arc fault detection system 71 allows existing transformers to be retrofitted. For this purpose, the optical fiber is inserted through an opening in the transformer housing in the first section 75a. The bushing is then sealed to the transformer flange, and the light detector 47 is connected to the control unit. Simultaneously, the arms 77a and 77b are routed inside the detector housing and positioned near the critical areas of the transformer.
Dank der Erfindung ist es möglich, die Vorteile der Lichtdetektion zu nutzen, um Probleme im Transformator schnell zu erkennen und Gegenmaßnahmen einleiten zu können, während es gleichzeitig möglich ist, die empfindlichen Detektoren außerhalb des Transformators anzuordnen und somit vor den harten Bedingungen im Transformator zu schützen. Hierzu verwendet man erfindungsgemäß einen Lichtwellenleiter, der das Licht von Lichtbögen aufnimmt und an den Detektor weiterleitet. Dank der Ausgestaltung mit ersten und zweiten Teilbereichen wird die Sensitivität erhöht.Thanks to the invention, it is possible to utilize the advantages of light detection to quickly identify problems in the transformer and initiate countermeasures, while simultaneously allowing the sensitive detectors to be positioned outside the transformer and thus protected from the harsh conditions inside. For this purpose, an optical waveguide is used according to the invention, which captures the light from electric arcs and transmits it to the detector. The design with first and second sub-sections increases the sensitivity.
Die Erfindung wurde anhand eines Transformators erläutert, ist aber genauso für andere Energieübertragungsvorrichtungen einsetzbar, beispielsweise in einem Gleichrichtertransformator oder einem Phasenschieber oder einer Drosselspule.The invention has been explained using a transformer as an example, but can be used for other energy transmission devices as well, for example in a rectifier transformer, a phase shifter or a choke coil.
Bezugszeichen:Reference symbol:
- 11
- Transformatortransformer
- 33
- Gehäuse (des Transformators)(Transformer housing)
- 55
- GehäusedeckelHousing cover
- 66
- lichtreflektierenden Beschichtung/Farbschichtlight-reflecting coating/paint layer
- 77
- HochspannungswicklungHigh-voltage winding
- 99
- Niederspannungswicklunglow-voltage winding
- 1111
- Eisenkerniron core
- 1313
- HochspannungsverbindungsleitungenHigh-voltage transmission lines
- 15a, 15b15a, 15b
- erste isolierte Kontaktefirst isolated contacts
- 1717
- NiederspannungsverbindungsleitungenLow-voltage connecting lines
- 19a, 19b19a, 19b
- zweite isolierte Kontaktesecond isolated contacts
- 2121
- HochspannungsleitungHigh-voltage power line
- 2323
- Niederspannungsleitunglow-voltage line
- 2525
- Kühlmittelcoolant
- 2727
- FeuermelderFire alarm
- 2929
- BuchholzrelaisBuchholz relay
- 3030
- AusgleichsbehälterExpansion tank
- 3131
- Ablassventildrain valve
- 3333
- EinlassventilInlet valve
- 3535
- Relaisrelay
- 3737
- Schutzschaltercircuit breaker
- 3939
- Schutzschaltercircuit breaker
- 4141
- Steuereinheitcontrol unit
- 4343
- Lichtbogenerkennungssystemarc flash detection system
- 4545
- Lichtwellenleiteroptical fibers
- 45a45a
- erstes Ende des Lichtwellenleitersfirst end of the optical fiber
- 45b45b
- zweites Ende des Lichtwellenleiterssecond end of the optical fiber
- 4646
- AbschnittSection
- 46a46a
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- 46b46b
- zweiter Teilbereichsecond sub-area
- 4747
- LichtdetektorLight detector
- 5151
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- Lichtbogenerkennungssystemarc flash detection system
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- Lichtwellenleiteroptical fibers
- 55a55a
- erster Abschnitt des Lichtwellenleitersfirst section of the optical fiber
- 55b55b
- zweiter Abschnitt des Lichtwellenleiterssecond section of the optical fiber
- 57a57a
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- 57e57e
- fünfter Arm des Lichtwellenleitersfifth arm of the optical waveguide
- 57f57f
- sechster Arm des Lichtwellenleiterssixth arm of the optical waveguide
- 57g57g
- siebter Arm des Lichtwellenleitersseventh arm of the optical waveguide
- 5959
- Durchführungimplementation
- 6363
- KabelCable
- 6565
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- 6767
- zweite Durchführungsecond execution
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- Lichtbogenerkennungssystemarc flash detection system
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- erster Abschnitt des Lichtwellenleitersfirst section of the optical fiber
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- zweiter Abschnitt des Lichtwellenleiterssecond section of the optical fiber
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- erster Arm des Lichtwellenleitersfirst arm of the optical waveguide
- 77b77b
- zweiter Arm des Lichtwellenleiterssecond arm of the optical waveguide
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- EndbereichEnd area
- 79b79b
- EndbereichEnd area
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- Kerncore
- 8383
- Ummantelungsheathing
- 8585
- Lichtabschirmungselementlight-shielding element
- 8787
- Linselens
- 89a, 89b89a, 89b
- BefestigungsmittelFasteners
- 9191
- HülleCovering
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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2025
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