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Title:
DEVICE AND METHOD FOR MONITORING A GAS VOLUME IN A UNIT FILLED WITH LIQUID
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/059483
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for monitoring a gas volume in a unit filled with a liquid, whereby the unit comprises an inlet line with at least one expansion chamber and the device comprises a buoyant body, floating in the liquid. The floating buoyant body is connected to a shaft, fixed in the expansion chamber and mounted to rotate relative to the shaft. The gas volume above the liquid may be recorded rapidly and with high accuracy, by measuring the torque generated by the buoyant body, or an angle to the horizontal. The invention further relates to a method for monitoring a gas volume in a unit filled with liquid, by means of a floating buoyant body.

Inventors:
BIRNER FRIEDRICH (DE)
KUTZNER RUEDIGER (DE)
Application Number:
PCT/DE2004/002656
Publication Date:
June 30, 2005
Filing Date:
November 30, 2004
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
BIRNER FRIEDRICH (DE)
KUTZNER RUEDIGER (DE)
International Classes:
G01F23/32; H01F27/14; H02H5/04; H02H5/08; H01F27/40; (IPC1-7): G01F23/32; H01F27/14; H02H5/04
Foreign References:
DE847934C1952-08-28
DE1400448U1937-02-19
EP0883222A11998-12-09
DE1270169B1968-06-12
DE1204323B1965-11-04
GB482634A1938-04-01
US20030094044A12003-05-22
DE664701C1938-09-05
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34, München, 80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit einer Flüssigkeit befüllten Anlage (12), wobei die Anlage (12) eine Zuflussleitung (13) mit mindestens einem Ausdeh nungsgefäß (la) aufweist und wobei die Vorrichtung mindestens einen in der Flüssigkeit schwimmenden Auftriebskörper (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der schwimmende Auftriebskörper (5) mit einer im Ausdehnungs gefäß (la) ortsfesten Welle (11) verbunden und bezüglich der Welle (11) drehbar gelagert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungselement (4a) die Welle (11) mit dem von diesem beabstandeten Auftriebskörper (5) verbindet.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein ortsfester Kraftaufnehmer (7) das Drehmoment an der Verbindung (4a) an einer vorgegebe nen Länge (a) erfasst.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verarbeitungseinrichtung bei der Überschreitung eines vorgegebenen Drehmoments durch ein im Kraftaufnehmer (7) gemessenes Drehmoment eine Warnmel dung erzeugt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Auftriebskörper (5) auf festgelegten Höhenniveaus (9) jeweils bezüglich der parallel zueinander angeordneten Wellen (11) gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei die jeweiligen Auftriebskörper (5) un terschiedliche Größen und/oder Dichten besitzen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein ortsfester Winkelmesser den Winkel zwischen dem Verbindungselement (4a) und einer hori zontalen Querachse der Welle (11) erfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verarbeitungseinrichtung bei der Überschreitung eines vorgegebenen Winkels des Verbin dungselements (4a) eine Warnmeldung erzeugt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebskörper (5) zusätz liche kapazitive und/oder induktive und/oder optische Elemen te aufweist, wobei eine Verarbeitungseinrichtung die durch diese erzeugten elektromagnetischen und/oder elektrischen und/oder optischen Signale erfasst.
9. Verfahren zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit einer Flüssigkeit befüllten Anlage (12), wobei die Anlage (12) eine Zuflussleitung (13) mit mindestens einem Ausdeh nungsgefäß (la) aufweist und sich in dem Ausdehnungsgefäß (1) ein in der Flüssigkeit schwimmender Auftriebskörper (5) be findet und in dem Ausdehnungsgefäß (la) der Auftriebskörper (5) mit einer ortsfesten Welle (11) verbunden und drehbar ge lagert ist, wobei die Drehbewegung des Schwimmkörpers (5) be züglich der Welle (11) erfasst wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (11) auf einem festgelegten Höhenniveau (9) inner halb des Ausdehnungsgefäßes (la) aufgrund eines maximal zu detektierenden Gasvolumens relativ zur Innenseite der oberen Abdeckung (lOa) des Ausdehnungsgefäßes (la) festgelegt wird und mittels einer Fixiervorrichtung die Welle (11) in festge legten Höhenniveaus (9) fixiert wird.
Description:
Beschreibung Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit Flüssigkeit befüllten Anlage Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Gasvolumens in einer mit einer Flüssigkeit befüllten Anlage, wobei die Anlage über eine Zuflussleitung mit mindestens ei- nem Ausdehnungsgefäß verbunden ist und wobei die Vorrichtung einen in der Flüssigkeit schwimmenden Auftriebskörper ent- hält. Ausdehnungsgefäß im Sinne der Erfindung steht für ein Gefäß, das die sich über die Zuflussleitung der Anlage aus- dehnenden Flüssigkeit aufnehmen kann, sowie für einen Gassam- melbehälter, wie z. B. ein Buchholzrelais, dass einem Flüssig- keitsausdehnungsgefäß 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 Kühlflüs- sigkeit-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 Flüssig- keit können aufgrund der starken Erwärmung der Kühlflüssig- keit bzw. aufgrund auftretender chemisch-physikalische Pro- zesse im Transformator zusätzlich Gase aus der Kühlflüssig- keit herausgelöst werden bzw. innerhalb der Anlage oder den Verbindungsleitungen entstehen. Ebenfalls kann über ein Leck innerhalb der Anlage oder der Verbindungsleitungen die Umge- bungsluft in diesen gasdichten Kreislauf eindringen und sich innerhalb der Anlage bzw. in den Ausdehnungsgefäßen ansam- meln. Aufgrund ihrer Dichte sammeln sich diese Gase in den oberhalb des Transformators befindlichen Ausdehnungsgefäßen.

Diese Ausdehnungsgefäße werden in ihrer Funktion als Gassam- melbehälter zumeist auch Buchholzrelais genannt. Nach der deutschen Industrienorm DIN 42566 ist für den Betrieb eines ölgekühlten Transformators bei dem Überschreiten eines vorge- gebenen Gasvolumens innerhalb der Anlage die Auslösung einer Warnmeldung vorgeschrieben. Das Erreichen des vorgegebenen Gasvolumens wird dabei innerhalb des Buchholzrelais als ent- sprechendes Ausdehnungsgefäß und Gassammelbehälter detek- tiert, 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. Auf- grund der in dem Ausdehnungsgefäß detektierten Warnmeldung ist ein möglicher, kritischer Zustand des Transformators auf- gezeigt und kann durch eine eingehende Inspektion des Trans- formators ermittelt werden.

Darüber hinaus ist aus der DE 101 33 615 Cl eine Vorrichtung zur Erfassung ungelöster Gase in mit Flüssigkeit gefüllten Anlagen, insbesondere Hochspannungsanlagen, offenbart, wobei mittels der Vorrichtung der zeitliche Verlauf der Gasentste- hung in einem Buchholzrelais ermittelt wird. Die im Rahmen der DE 101 33 615 Cl vorgeschlagene Messeinrichtung besteht aus einer Differenzdruckmesseinrichtung, die über zwei flüs- sigkeitsgefüllte Leitungen mit mindestens zwei Druckmessan- schlüssen 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.

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 9.

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 Wel- le 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 Flüs- sigkeitsoberfläche innerhalb des Ausdehnungsgefäßes ab, so dass aus der zusätzlichen Kenntnis der Form und Größe des Ausdehnungsgefäßes auf das oberhalb der Flüssigkeit befindli- che Gasvolumen geschlossen werden kann.

Zweckmäßigerweise verbindet ein Verbindungselement, insbeson- dere ein Stab mit geringem Durchmesser und kleinem Eigenge- wicht, die Welle mit dem von diesem beabstandeten Auftriebs- körper. Die relative Höhe der Welle bezüglich der Flüssig- keitsoberfläche und die Länge der Verbindung bestimmen die Messbreite des zu detektierenden Gasvolumens und die Genauig- keit 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 Dreh- moment ist in Bezug auf die relative Position der Welle im Ausdehnungsgefäß ein Maß für das maximal zu detektierende Gasvolumen innerhalb eines als Buchholzrelais genutzten Aus- dehnungsgefäßes zur Auslösung einer Warnmeldung und erfüllt damit die Industrienorm DIN 42566.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass mehrere Auftriebskörper auf festgelegten Höhenniveaus jeweils bezüglich der parallel zu- einander angeordneten Wellen gegeneinander versetzt angeord- net sind, wobei die jeweiligen Auftriebskörper unterschiedli- che Größen und/oder Dichten besitzen. Durch die Anbringung von unterschiedlich dichten Auftriebskörpern in abweichenden Höhenniveaus der einzelnen Wellen können unterschiedliche Ga- se detektiert und/oder die Genauigkeiten der Gasvolumenmes- sung mittels der ermittelten Gasvolumina der unterschiedli- chen Gasvolumenmessungen miteinander abgeglichen werden. Für die Detektion von unterschiedlichen Gasen ist es jedoch er- forderlich, dass das Ausdehnungsgefäß in separate Kammern un- terteilt 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 Quer- achse der Welle. Über die Ermittlung eines Winkels ist eben- falls mit dem Wissen der Größe und Form des Ausdehnungsgefä- ßes die Bestimmung eines oberhalb der Flüssigkeit befindli- chen 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 er- füllt damit ebenfalls die Industrienorm DIN 42566.

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

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Überwachung eines Gas- volumens in einer mit einer Flüssigkeit befüllten Anlage vor- gesehen, wobei die Anlage eine Zuflussleitung mit mindestens einem Ausdehnungsgefäß aufweist und sich in dem Ausdehnungs- gefäß ein in der Flüssigkeit schwimmender Auftriebskörper be- findet und in dem Ausdehnungsgefäß der Auftriebskörper mit einer festgelegten Welle verbunden und bezüglich der Welle drehbar gelagert ist, wobei die Drehbewegung des Schwimmkör- pers bezüglich der Welle ermittelt wird. Vorteilhafterweise wird die Welle auf einem festgelegten Höhenniveau innerhalb des Ausdehnungsgefäßes aufgrund eines maximal zu detektieren- den Gasvolumens relativ zur Innenseite der oberen Abdeckung des Ausdehnungsgefäßes festgelegt und mittels einer Fixier- vorrichtung, insbesondere in Form von vorgegebenen Aussparun- gen entlang einer Halterung, die Welle in festgelegten Höhen- niveaus fixiert wird. Da sich das zu detektierende Gasvolumen stets oberhalb der Flüssigkeit in dem als Buchholzrelais ge- nutzten Ausdehnungsgefäß ansammeln, ist zweckmäßigerweise das zu detektierende Gasvolumen in Bezug auf die Innenseite der oberen Abdeckung festzulegen und damit das festzulegende Hö- henniveau der Welle ermittelbar.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteran- sprüchen beschrieben ; die Erfindung wird anhand von Ausfüh- rungsbeispielen und der nachfolgenden Figur näher beschrie- ben.

Es zeigt : Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung ; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Gaserfassungs- systems mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung als Ausdehnungsgefäß la. Das ober- halb eines Transformators (nicht dargestellt) angeordnete Ausdehnungsgefäß la ist über eine Verbindungsleitung (nicht dargestellt) mit einer Zugangsöffnung 2 verbunden. Das Aus- dehnungsgefäß la ist weiterhin über eine Ausgangsöffnung 3 mit einem nachgeordneten Ausdehnungsgefäß 1b (nicht darge- stellt) verbunden, wobei das nachgeordneten Flüssigkeitsaus- dehnungsgefäß ebenfalls als Ausdehnungsgefäß la mit einer in der oberen Abdeckung (10a) vorhandenen Ausgangsöffnung aus- gestaltet sein kann. Das nachgeordnete Ausdehnungsgefäß lb (nicht dargestellt) verhindert dabei einen übermäßigen Druck- anstieg innerhalb des Ausdehnungsgefäßes la bei vollständiger Befüllung mit einer Flüssigkeit. Innerhalb des Ausdehnungsge- fäßes la sind zwei Auftriebskörper 5,6 angeordnet, wobei die Auftriebskörper 5,6 über beabstandete Verbindungselemente 4a, 4b relativ zur Flüssigkeitsoberfläche der sich in dem Ausdeh- nungsgefäß la 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 gesam- ten 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 ei- ner Explosion innerhalb des Transformators-eine Sofortver- riegelung des Ausdehnungsgefäßes la gewährleistet. Der obere Auftriebskörper 5 ist innerhalb des Ausdehnungsgefäßes la so angeordnet, dass er im Falle einer Gasbildung im Ausdehnungs- gefäß la eine permanente Erfassung des Gasvolumens erlaubt.

Dies wird dadurch gewährleistet, dass der obere Auftriebskör- per 5 in einem vordefinierten Abstand zur Innenseite der obe- ren Abdeckung 10a des Ausdehnungsgefäßes la angeordnet und bezüglich des so festgelegten relativen Niveaus 9 drehbar ge- lagert ist. Hierdurch lässt sich die Ausbildung eines Gasvo- lumens innerhalb des Ausdehnungsgefäßes la permanent und lü- ckenlos bis zur Erreichung eines maximal vorgegebenen Gasvo- lumens überwachen und beim Überschreiten des maximal vorgege- benen 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 Auf- trieb des Schwimmkörpers 5 relativ zur Welle 11 maximal mög- lichen Drehmoments ermittelt. Der mit dem oberen Auftriebs- körper 5 bzw. dem oberen Verbindungselement 4a verbundenen Kraftaufnehmer 7 bildet das durch den Auftriebskörper 5 er- zeugte Kraft-bzw. Drehmoment permanent ab und ist damit ein Maß für das im Ausdehnungsgefäß la befindliche Gasvolumen, das hierdurch schnell und sicher detektiert werden kann.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage 12 mit zwei erfindungsgemäßen Ausdehnungsgefäßen la, lb. An ei- nen Flüssigkeitsbehälter 14, insbesondere eine Hochspannungs- transformatoranlage, ist im Deckelbereich der des Flüssig- keitsbehälters 14 eine Zuflussleitung 13 angeordnet. Die Zu- flussleitung ist über die Zugangsöffnung 2 mit einem ersten Ausdehnungsgefäß la verbunden. Das erste Ausdehnungsgefäß la dient zur Erfassung des im Ausdehnungsgefäß la sich sammeln- den Gasvolumens der Anlage 12. Über eine Ausgangsöffnung 3 ist über eine weitere Zuflussleitung 13 das erste Ausdeh- nungsgefäß la mit einem zweiten, höher angeordneten Ausdeh- nungsgefäß 1b über die Zugangsöffnung 2 verbunden. Weiterhin befindet sich die Ausgangsöffnung 3 in der oberen Abdeckung lOa (nicht dargestellt) und dient zum Ausgleich mit der Umge- bungsluft. Das im zweiten Ausdehnungsgefäß lb gemessene Gas- volumen wird dann bei Umgebungsdruck gemessen.

Bezugszeichen la erstes Ausdehnungsgefäß lb 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 lOa obere Abdeckung lOb untere Abdeckung 11 Welle 12 Anlage 13 Zuflussleitung 14 Flüssigkeitsbehälter