DE10361884B3

DE10361884B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit Flüssigkeit befüllten Anlage

Info

Publication number: DE10361884B3
Application number: DE10361884A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Birner; Rüdiger Dr. Kutzner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: US7614299B2; EP1714115A1; WO2005059483A1; CN100592041C; BRPI0417678A; CN1894565A; CA2550031A1; US20100043544A1; JP2007514940A; US20070119230A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit einer Flüssigkeit befüllten Anlage, wobei die Anlage eine Zuflussleitung mit mindestens einem Ausdehnungsgefäß aufweist und wobei die Vorrichtung einen in der Flüssigkeit schwimmenden Auftriebskörper enthält. Der schwimmende Auftriebskörper ist dabei mit einer im Ausdehnungsgefäß festgelegten Welle verbunden und bezüglich der Welle drehbar gelagert. Durch die Messung des durch den Auftriebskörper erzeugten Drehmoments oder des Winkels zur Horizontalen lässt sich das oberhalb der Flüssigkeit befindliche Gasvolumen schnell und mit einer hohen Genauigkeit erfassen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit Flüssigkeit gefüllten Anlage mittels eines schwimmenden Auftriebskörpers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit einer Flüssigkeit befüllten Anlage, wobei die Anlage über eine Zuflussleitung mit mindestens einem Ausdehnungsgefäß verbunden ist und wobei die Vorrichtung einen in der Flüssigkeit schwimmenden Auftriebskörper enthält. Ausdehnungsgefäß im Sinne der Erfindung steht für ein Gefäß, das die sich über die Zuflussleitung der Anlage ausdehnenden Flüssigkeit aufnehmen kann, sowie für einen Gassammelbehälter, wie z.B. ein Buchholzrelais, das einem Flüssigkeitsausdehnungsgefäß vorgeschaltet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit Flüssigkeit befüllten Anlage mittels eines schwimmenden Auftriebskörpers in einem Ausdehnungsgefäß der Anlage.

In Großtransformatoren ist aufgrund der vorhandenen großen magnetischen und elektrischen Verluste während des Betriebes und der damit verbundenen Erwärmung der Transformatoren eine ausreichende Kühlung der Anlagen zwingend erforderlich. Zu diesem Zweck werden die Kerne und die Wicklungen dieser Transformatoren in einem Flüssigkeitsbehälter, insbesondere einem Ölkessel, gelagert. Die im Kessel befindliche Kühlflüssigkeit – zumeist ein Transformatoröl – dehnt sich während des Betriebes aufgrund der Erwärmung des Transformators aus, wobei die überschüssige Kühlflüssigkeit in einem, oberhalb des Transformators angebracht Ausdehnungsgefäß aufgefangen wird. Zusätzlich zur wärmebedingten Ausdehnung der Flüssigkeit können aufgrund der starken Erwärmung der Kühlflüssig keit bzw. aufgrund auftretender chemisch-physikalische Prozesse im Transformator zusätzlich Gase aus der Kühlflüssigkeit herausgelöst werden bzw. innerhalb der Anlage oder den Verbindungsleitungen entstehen. Ebenfalls kann über ein Leck innerhalb der Anlage oder der Verbindungsleitungen die Umgebungsluft in diesen gasdichten Kreislauf eindringen und sich innerhalb der Anlage bzw. in den Ausdehnungsgefäßen ansammeln. Aufgrund ihrer Dichte sammeln sich diese Gase in den oberhalb des Transformators befindlichen Ausdehnungsgefäßen.

Diese Ausdehnungsgefäße werden in ihrer Funktion als Gassammelbehälter zumeist auch Buchholzrelais genannt. Nach der deutschen Industrienorm DIN 42566 ist für den Betrieb eines ölgekühlten Transformators bei dem Überschreiten eines vorgegebenen Gasvolumens innerhalb der Anlage die Auslösung einer Warnmeldung vorgeschrieben. Das Erreichen des vorgegebenen Gasvolumens wird dabei innerhalb des Buchholzrelais als entsprechendes Ausdehnungsgefäß und Gassammelbehälter detektiert, der einem eigentlichen Flüssigkeitsausdehnungsgefäß vorgeschaltet ist. Das Flüssigkeitsausdehnungsgefäß dient ausschließlich zur Aufnahme der sich ausdehnenden Flüssigkeit und ist daher ein offenes, mit der Umgebungsluft in Kontakt stehendes, System. Falls in dem Flüssigkeitsausdehnungsgefäß eine Flüssigkeit vorhanden ist und innerhalb der Anlage keine zusätzlichen Gase gebildet werden, ist das Ausdehnungsgefäß (Buchholzrelais) vollständig mit Flüssigkeit gefüllt. Aufgrund der in dem Ausdehnungsgefäß detektierten Warnmeldung ist ein möglicher, kritischer Zustand des Transformators aufgezeigt und kann durch eine eingehende Inspektion des Transformators ermittelt werden.

Darüber hinaus ist aus der DE 101 33 615 C1 eine Vorrichtung zur Erfassung ungelöster Gase in mit Flüssigkeit gefüllten Anlagen, insbesondere Hochspannungsanlagen, offenbart, wobei mittels der Vorrichtung der zeitliche Verlauf der Gasentstehung in einem Buchholzrelais ermittelt wird. Die im Rahmen der DE 101 33 615 C1 vorgeschlagene Messeinrichtung besteht aus einer Differenzdruckmesseinrichtung, die über zwei flüssigkeitsgefüllte Leitungen mit mindestens zwei Druckmessanschlüssen verbunden ist. Die flüssigkeitsgefüllten Leitungen sind dabei zum einen mit dem Inneren des Buchholzrelais und zum anderen mit einer nach oben offenen Referenz-Flüssigkeitssäule verbunden.

Weiterhin beschreibt die WO 03/098 763 A1 ein modifiziertes Buchholzrelais zur Überwachung des durch einen fehlerhaften Betrieb eines Transformators entstehendes Gasvolumen. Gegenstand der dortigen Erfindung ist, dass auf unterschiedlichen Höhenniveaus innerhalb des Buchholzrelais Schwimmer angeordnet sind, die mittels eines Gestänges bezüglich eines Drehpunktes drehbar gelagert sind. Korrespondierend zu den jeweiligen Schwimmern sind Zungenschalter angeordnet, die aufgrund der Bewegung der Schwimmer bei Unterschreiten einer bestimmten Flüssigkeitsmenge mittels des Gestänges geschaltet werden. Variationen des Gasvolumens im Buchholzrelais können jedoch nur für bestimmte Volumeneinheiten detektiert werden. Eine Detektion selbst kleinster Volumenveränderungen ist mit der dortigen Erfindung nicht möglich.

Die US 6,202,487 B1 , die US 2,753,885 B und die US 6,606,906 B2 offenbaren eine Vorrichtung zur Detektion der Flüssigkeitshöhe innerhalb eines Behälters. Die Messung erfolgt zum einen durch die Bestimmung des Drehmomentes bzw. des Drehwinkels. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass eine Detektion des über der Flüssigkeit befindlichen Gasvolumens mit diesen Vorrichtungen nicht ohne weiteres möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das in einer mit Flüssigkeit befüllten Anlage vorhandene Gasvolumen schnell und sicher zu detektieren.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 3.

Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein schwimmender Auftriebskörper mit einer im Ausdehnungsgefäß festgelegten Welle verbunden und bezüglich der Welle drehbar gelagert ist. Im Sinne der Erfindung umfasst die drehbare Lagerung der Welle das Anlenken des Auftriebskörpers bezüglich einer starren Welle, sowie die Drehung der Welle um die Drehachse der Welle mit einem mit der Welle fest verbundenen Auftriebskörper. Der schwimmende Auftriebskörper bildet das Höhenniveau der Flüssigkeitsoberfläche innerhalb des Ausdehnungsgefäßes ab, so dass aus der zusätzlichen Kenntnis der Form und Größe des Ausdehnungsgefäßes auf das oberhalb der Flüssigkeit befindliche Gasvolumen geschlossen werden kann.

Zweckmäßigerweise verbindet ein Verbindungselement, insbesondere ein Stab mit geringem Durchmesser und kleinem Eigenge wicht, die Welle mit dem von diesem beabstandeten Auftriebskörper. Die relative Höhe der Welle bezüglich der Flüssigkeitsoberfläche und die Länge der Verbindung bestimmen die Messbreite des zu detektierenden Gasvolumens und die Genauigkeit der Gasdetektion.

Vorteilhafterweise erfasst ein ortsfester Kraftaufnehmer das Drehmoment an der Verbindung an einer vorgegebenen Länge (a). Eine Verarbeitungseinrichtung erzeugt bei der Überschreitung eines vorgegebenen Drehmoments durch ein im Kraftaufnehmer gemessenes Drehmoment eine Warnmeldung. Das vorgegebene Drehmoment ist in Bezug auf die relative Position der Welle im Ausdehnungsgefäß ein Maß für das maximal zu detektierende Gasvolumen innerhalb eines als Buchholzrelais genutzten Ausdehnungsgefäßes zur Auslösung einer Warnmeldung und erfüllt damit die Industrienorm DIN 42566.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass mehrere Auftriebskörper auf festgelegten Höhenniveaus jeweils bezüglich der parallel zueinander angeordneten Wellen gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei die jeweiligen Auftriebskörper unterschiedliche Größen und/oder Dichten besitzen. Durch die Anbringung von unterschiedlich dichten Auftriebskörpern in abweichenden Höhenniveaus der einzelnen Wellen können unterschiedliche Gase detektiert und/oder die Genauigkeiten der Gasvolumenmessung mittels der ermittelten Gasvolumina der unterschiedlichen Gasvolumenmessungen miteinander abgeglichen werden. Für die Detektion von unterschiedlichen Gasen ist es jedoch erforderlich, dass das Ausdehnungsgefäß in separate Kammern unterteilt ist und in jeder Kammer nur jeweils ein Gas durch einen in der Kammer befindlichen Auftriebskörper bestimmt werden kann.

Alternativ erfasst ein ortsfester Winkelmesser den Winkel zwischen der Verbindung des Auftriebskörpers und einer Querachse der Welle. Über die Ermittlung eines Winkels ist ebenfalls mit dem Wissen der Größe und Form des Ausdehnungsgefäßes die Bestimmung eines oberhalb der Flüssigkeit befindlichen Gasvolumens möglich. Eine Verarbeitungseinrichtung im als Buchholzrelais verwendeten Ausdehnungsgefäß erzeugt bei der Überschreitung eines vorgegebenen Winkels der Verbindung des Schwimmkörpers zur Horizontalen eine Warnmeldung und erfüllt damit ebenfalls die Industrienorm DIN 42566.

Vorteilhafterweise enthält der Auftriebskörper zusätzliche kapazitive und/oder induktive und/oder optische Elemente aufweist, wobei eine Verarbeitungseinrichtung die durch diese erzeugten elektromagnetischen und/oder elektrischen und/oder optischen Signale erfasst. Durch die Verwendung von zusätzlichen, alternativen Volumenbestimmungsmethoden ist ein Abgleichen der jeweils ermittelten Gasvolumina miteinander möglich.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit einer Flüssigkeit befüllten Anlage vorgesehen, wobei die Anlage eine Zuflussleitung mit mindestens einem Ausdehnungsgefäß aufweist und sich in dem Ausdehnungsgefäß ein in der Flüssigkeit schwimmender Auftriebskörper befindet und in dem Ausdehnungsgefäß der Auftriebskörper mit einer festgelegten Welle verbunden und bezüglich der Welle drehbar gelagert ist, wobei die Drehbewegung des Schwimmkörpers bezüglich der Welle ermittelt wird. Vorteilhafterweise wird die Welle auf einem festgelegten Höhenniveau innerhalb des Ausdehnungsgefäßes aufgrund eines maximal zu detektierenden Gasvolumens relativ zur Innenseite der oberen Abdeckung des Ausdehnungsgefäßes festgelegt und mittels einer Fixiervorrichtung, insbesondere in Form von vorgegebenen Aussparun gen entlang einer Halterung, die Welle in festgelegten Höhenniveaus fixiert wird. Da sich das zu detektierende Gasvolumen stets oberhalb der Flüssigkeit in dem als Buchholzrelais genutzten Ausdehnungsgefäß ansammeln, ist zweckmäßigerweise das zu detektierende Gasvolumen in Bezug auf die Innenseite der oberen Abdeckung festzulegen und damit das festzulegende Höhenniveau der Welle ermittelbar.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben; die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der nachfolgenden Figur näher beschrieben.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines Gaserfassungssystems mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Ausdehnungsgefäß 1a. Das oberhalb eines Transformators (nicht dargestellt) angeordnete Ausdehnungsgefäß 1a ist über eine Verbindungsleitung (nicht dargestellt) mit einer Zugangsöffnung 2 verbunden. Das Ausdehnungsgefäß 1a ist weiterhin über eine Ausgangsöffnung 3 mit einem nachgeordneten Ausdehnungsgefäß 1b (nicht dargestellt) verbunden, wobei das nachgeordneten Flüssigkeitsausdehnungsgefäß ebenfalls als Ausdehnungsgefäß 1a mit einer in der oberen Abdeckung (10a) vorhandenen Ausgangsöffnung ausgestaltet sein kann. Das nachgeordnete Ausdehnungsgefäß 1b (nicht dargestellt) verhindert dabei einen übermäßigen Druck anstieg innerhalb des Ausdehnungsgefäßes 1a bei vollständiger Befüllung mit einer Flüssigkeit. Innerhalb des Ausdehnungsgefäßes 1a sind zwei Auftriebskörper 5, 6 angeordnet, wobei die Auftriebskörper 5,6 über beabstandete Verbindungselemente 4a, 4b relativ zur Flüssigkeitsoberfläche der sich in dem Ausdehnungsgefäß 1a befindlichen Flüssigkeit drehbar gelagert sind. Der obere Auftriebskörper 5 ist mit einer Welle 11 in einem festgelegten Höhenniveau 9 verbunden und drehbar gelagert. Der untere Auftriebskörper 6 dient zur Abschaltung der gesamten Transformatoranlage falls der Flüssigkeitsspiegel unter ein bestimmtes Niveau sinkt und damit eine Überhitzung des Transformators droht. Gleiches gilt für die Stauklappe 8, die im Falle eines plötzlichen Druckanstieges – wie z. B. bei einer Explosion innerhalb des Transformators – eine Sofortverriegelung des Ausdehnungsgefäßes 1a gewährleistet. Der obere Auftriebskörper 5 ist innerhalb des Ausdehnungsgefäßes 1a so angeordnet, dass er im Falle einer Gasbildung im Ausdehnungsgefäß 1a eine permanente Erfassung des Gasvolumens erlaubt. Dies wird dadurch gewährleistet, dass der obere Auftriebskörper 5 in einem vordefinierten Abstand zur Innenseite der oberen Abdeckung 10a des Ausdehnungsgefäßes 1a angeordnet und bezüglich des so festgelegten relativen Niveaus 9 drehbar gelagert ist. Hierdurch lässt sich die Ausbildung eines Gasvolumens innerhalb des Ausdehnungsgefäßes 1a permanent und lückenlos bis zur Erreichung eines maximal vorgegebenen Gasvolumens überwachen und beim Überschreiten des maximal vorgegebenen Gasvolumens eine Warnmeldung vom System absetzen. Die Dichte und Größe der Auftriebskörper 5, 6 und die Länge der Verbindungselemente 4a, 4b werden in Abhängigkeit von der verwendeten Flüssigkeit und damit aufgrund des durch den Auftrieb des Schwimmkörpers 5 relativ zur Welle 11 maximal möglichen Drehmoments ermittelt. Der mit dem oberen Auftriebskörper 5 bzw. dem oberen Verbindungselement 4a verbundenen Kraftaufnehmer 7 bildet das durch den Auftriebskörper 5 erzeugte Kraft- bzw. Drehmoment permanent ab und ist damit ein Maß für das im Ausdehnungsgefäß 1a befindliche Gasvolumen, das hierdurch schnell und sicher detektiert werden kann.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage 12 mit zwei erfindungsgemäßen Ausdehnungsgefäßen 1a, 1b. An einen Flüssigkeitsbehälter 14, insbesondere eine Hochspannungstransformatoranlage, ist im Deckelbereich der des Flüssigkeitsbehälters 14 eine Zuflussleitung 13 angeordnet. Die Zuflussleitung ist über die Zugangsöffnung 2 mit einem ersten Ausdehnungsgefäß 1a verbunden. Das erste Ausdehnungsgefäß 1a dient zur Erfassung des im Ausdehnungsgefäß 1a sich sammelnden Gasvolumens der Anlage 12. Über eine Ausgangsöffnung 3 ist über eine weitere Zuflussleitung 13 das erste Ausdehnungsgefäß 1a mit einem zweiten, höher angeordneten Ausdehnungsgefäß 1b über die Zugangsöffnung 2 verbunden. Weiterhin befindet sich die Ausgangsöffnung 3 in der oberen Abdeckung 10a (nicht dargestellt) und dient zum Ausgleich mit der Umgebungsluft. Das im zweiten Ausdehnungsgefäß 1b gemessene Gasvolumen wird dann bei Umgebungsdruck gemessen.

1a: erstes Ausdehnungsgefäß
1b: zweites Ausdehnungsgefäß
2: Zugangsöffnung
3: Ausgangsöffnung
4a: oberes Verbindungselement
4b: unteres Verbindungselement
5: oberer Auftriebskörper
6: unterer Auftriebskörper
7: ortsfester Kraftaufnehmer
8: Stauklappe
9: festgelegtes Höhenniveau
10a: obere Abdeckung
10b: untere Abdeckung
11: Welle
12: Anlage
13: Zuflussleitung
14: Flüssigkeitsbehälter

Claims

Vorrichtung zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit einer Flüssigkeit befüllten Anlage (12), wobei die Anlage (12) eine Zuflussleitung (13) und mindestens zwei miteinander verbundene Ausdehnungsgefäße (1a, 1b) aufweist und das erste Ausdehnungsgefäß (1a) mindestens einen in der Flüssigkeit schwimmenden Auftriebskörper (5) enthält und der schwimmende Auftriebskörper (5) mit einer im Ausdehnungsgefäß (1a) ortsfesten Welle (11) mittels eines Verbindungselementes (4a) verbunden und bezüglich der Welle (11) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein ortsfester Kraftaufnehmer (7) das Drehmoment an dem Verbindungselement (4a) an einer vorgegebenen Länge (a) oder ein ortsfester Winkelmesser den Winkel zwischen dem Verbindungselement (4a) und einer horizontalen Querachse der Welle (11) erfasst und eine Verarbeitungseinrichtung bei der Überschreitung eines vorgegebenen Drehmoments oder eines vorgegebenen Drehwinkels eine Warnmeldung erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebskörper (5) zusätzliche kapazitive und/oder induktive und/oder optische Elemente aufweist, wobei eine Verarbeitungseinrichtung die durch diese erzeugten elektromagnetischen und/oder elektrischen und/oder optischen Signale erfasst.
Verfahren zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit einer Flüssigkeit befüllten Anlage (12), wobei die Anlage (12) eine Zuflussleitung (13) und mindestens zwei miteinander verbundene Ausdehnungsgefäße (1a, 1b) aufweist und das erste Ausdehnungsgefäß (1a) mindestens einen in der Flüssigkeit schwimmenden Auftriebskörper (5) enthält und in dem ersten Ausdehnungsgefäß (1a) der Auftriebskörper (5) mit einer ortsfesten Welle (11) verbunden und drehbar gelagert ist, wobei die Drehbewegung des Schwimmkörpers (5) bezüglich der Welle (11) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (11) auf einem festgelegten Höhenniveau (9) innerhalb des ersten Ausdehnungsgefäßes (1a) aufgrund eines maximal zu detektierenden Gasvolumens relativ zur Innenseite der oberen Abdeckung (10a) des ersten Ausdehnungsgefäßes (1a) festgelegt wird und mittels einer Fixiervorrichtung die Welle (11) in festgelegten Höhenniveaus (9) fixiert wird.