Vorrichtung zur Absicherung eines mehrphasig betriebenen elektrischen Gerätes, mechanischer Trennschalter und Be- triebsverfahren

Die Erfindung betrifft die mechanische Trennung bei flüssigkeitsgefüllten Transformatoren, insbesondere bei über eine dielektrische Flüssigkeit isolierten und gekühlten Transfor- matoren.

Mehrphasig betriebene elektrische Geräte wie beispielsweise Transformatoren werden häufig zur Isolierung mit dielektrischer Flüssigkeit umgeben. Diese Flüssigkeit dient zudem auch der Kühlung der elektrischen Geräte. Eine Absicherung bzw. Schutzvorrichtung für die Auswirkung von Fehlern an den elektrischen Geräten sieht in der Regel zunächst Sicherungsschalter in jedem Strang einer Phase vor. Das durch ein Gehäuse meist schutzisolierte Gerät wird zusätzlich mit einer am Gehäuse angeschlossenen Erdung versehen.

Beim Durchbrennen einer der Sicherungen des Transformators ist es notwendig, dass bei sämtlichen beispielsweise drei Phasen eines Transformators die Hochspannungsseite des Trans- formators mechanisch von der Verbraucherseite getrennt wird.

Allgemein sollten bei Auftreten eines elektrischen Fehlers immer sämtliche Phasen mechanisch getrennt werden.

Die elektrischen Fehler können unter Umständen nicht zu einer schnellen Abschaltung sämtlicher Phasen führen. Allgemein auftretende Fehler, die nicht auf der elektrischen Seite eines elektrischen Gerätes liegen, wie ein Riss des Gehäuses und eine Leckage von Kühl- bzw. Isolierflüssigkeit führen un- ter Umständen zu entsprechenden Verzögerungen. So bleibt bei bestimmten Fehlersituationen unter Umständen wenigstens eine Sicherung im eingeschalteten Zustand, was bedeutet, dass nicht sämtliche Phasen mechanisch getrennt sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die mechanische Trennung sämtlicher Phasen eines elektrischen Gerätes, welches in dielektrische Flüssigkeit eingetaucht ist sicher her- bei zu führen. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweiligen Merkmalskombinationen der Ansprüche 1, 8 oder 9.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein mehrphasig betriebenes in einer dielektrischen Flüssigkeit schutzisoliertes elektrisches Gerät vor den Auswirkungen von Fehlern auf der elektrischen Seite geschützt werden kann indem mittels einer Flüssigkeitsfüllstandsmessung und einer damit verbundenen Schlagbolzensicherung eine mechanische Trennung sämtlicher vorhandener Phasen, geschieht.

Darüber hinaus ist neben einer derartigen Flüssigkeitsüberwachung der dielektrischen Flüssigkeit auch eine Leckageüberwachung möglich. Da elektrische Fehler, die beispielsweise bei Überstrom zu örtlichen Überhitzungen führen, unmittelbar eine Absenkung des Füllstandes der dielektrischen Flüssigkeit bewirken, kann umgekehrt betrachtet die Überwachung des Füllstandspegels auch zur Kontrolle von elektrischen Fehlern mit wesentlicher Überhitzung dienen.

Da gefordert wird, dass bei einem auftretenden Fehler sämtliche vorhandenen Phasen getrennt werden, wird das System derart ausgelegt, dass eine Auslösung auf Grund mangelnden Flüssigkeits-Füllstands eine mechanische Trennung sämtlicher Phasen geschieht.

Vorzugsweise wird das gesamte System eines mehrphasig betriebenen elektrischen Gerätes, welches durch dielektrische Flüssigkeit gekühlt wird, auf der Fehlererkennungsseite herkömmlich mit Überstrom gesteuerten Schlagbolzensicherungen je Phase ausgestattet, sowie zusätzlich mit einer Fehler detek- tierenden Füllstandsmessung, die ebenfalls mit einer Schlagbolzensicherung verbunden ist, die im mechanischen Bereich eine Trennung der Phasen in gleicher Weise bewirkt wie die Überstrom gesteuerten Schlagbolzensicherungen.

Ein Absinken der dielektrischen Flüssigkeit, bzw. ein Absin- ken des Flüssigkeitsspiegels welches per Füllstandsmessung erfasst wird, kann auf Grund von Leckage beispielsweise durch einen Riss im Behälter oder durch eine Gasentstehung bei der Wärmeentwicklung im Inneren bei Auftreten eines elektrischen Fehlers vorkommen. Dies führt unmittelbar zu mangelnder elektrischer Isolierung des elektrischen Gerätes durch fehlende Flüssigkeit, was eine zu geringe Kühlung zur Folge hat.

Besondere Vorteile sind erzielbar, indem lediglich eine Auslösung von sämtlichen vorhandenen Schlagbolzensicherungen notwendig ist. Diese eine kann sowohl durch Überspannung gesteuert auslösbar sein, als auch Füllstand gesteuert auslösbar sein. Wesentlich ist die Erzeugung und Aufbringung eines Impulses auf eine Auslösemechanik, wobei die Auslösung durch Auftreten eines einzigen Fehlers und Ansprechen mindestens einer einzigen Schlagbolzensicherung dazu führt, dass die zugehörige Wippe als Teil der Auslösemechanik mit ausreichender Kraft gedreht wird und somit die Kontaktstifte herausschlägt, so dass die elektrische Verbindung jeder Phase mechanisch getrennt wird.

Wesentlich ist der Effekt, dass mindestens ein Schlagbolzen die eine gemeinsame Wippe betätigt und auf sämtliche Kontaktstifte einwirkt. Dies bedeutet, dass jeder Schlagbolzen für sich die Wippe mit ausrechender Kraft bewegt bzw. dreht, so dass sämtliche Kontaktstifte eliminiert werden können.

Flüssigkeitsisoliert und gekühlt werden insbesondere Transformatoren, die in üblicher Form dreiphasig ausgelegt sind, beispielsweise in Kreuz-, oder Dreiecksschaltung ausgeführt sein können, wobei eine Überwachung der dielektrischen Flüssigkeit äußerst vorteilhaft ist. Das Gehäuse des Transformators ist vorzugsweise geerdet. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft die Ausführung der Füllstandsüberwachungseinheit mit einem Schwimmer zu versehen, der über einen Draht eine mit mindestens zwei federunterstützten Hebeln versehene Auslösevorrichtung aufweist, wo- bei der Draht bei ausrechendem Füllstand die Hebelanordnung gegen deren Vorspannkraft insgesamt derart positionier, dass der entsprechende Kontaktstift arretiert ist. Der Kontaktstift selbst ist federunterstützt. Bei zu geringem Füllstand folgt eine Verschiebung des besagten Drahtes, wobei das He- belsystem entlastet wird, so dass jeder Hebel durch seine Federunterstützung ausgelenkt wird und der entsprechende Schlagbolzen freigegeben wird.

Im Folgenden werden anhand schematischer Figuren Ausführungs- beispiele beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Übersicht eines geöffnet dargestellten

Behälters mit einem dreiphasigen Transformator, der in allen drei Phasen und zusätzlich über eine Füll- Standssicherung abgesichert ist,

Figur 2 zeigt eine Überstrom gesteuerte Schlagbolzensicherung, eingebracht in eine Halterung, bestehend aus einer Wippe und einem eliminierbaren Kontaktstift, Figur 3 zeigt eine Füllstand gesteuerte Schlagbolzensiche- rung mit einem für die Füllstandsüberwachung eingesetzten Schwimmer,

Figur 4 zeigt in detaillierter Darstellung einen Ausschnitt aus Figur 1 wobei die Zuordnung der Art der Schlagbolzensicherung entsprechend Figur 2 oder Figur 3 durch Pfeile angedeutet ist.

Allgemein löst die Erfindung Probleme bei Ölgekühlten Transformatoren dadurch, dann mindestens eine Schlagbolzensicherung, die den Füllstand der dielektrischen Flüssigkeit im Be- hälter bzw. Gehäuse überwacht eingesetzt wird. Ein Schlagbolzen einer solchen Füllstands gesteuerten Schlagbolzensicherung wirkt auf das gleiche mechanische Auslösesystem, auf das sämtliche in einer Phase vorhandenen Schlagbolzensicherungen mit ihrem Schlagbolzen wirken, falls diese Überstrom gesteuert ausgelöst werden.

Fehler die an Transformatoren auftreten können sind insbeson- dere interne Fehler, die auf der elektrischen Seite der entsprechenden Geräte liegen. Fehler, die an unterschiedlichen Orten im System auftreten, sollen grundsätzlich zur mechanischen Trennung sämtlicher vorhandener Phasen führen. Sämtliche vorhandenen Sicherungen, die als Schlagbolzensicherungen ausgeführt sind, oder damit verbunden sind, signalisieren im Ruhezustand insgesamt eine fehlerfreie Funktion und somit mechanisch nicht getrennte Phasen. Erfasst eine Fehlerdetektion einen Fehler, so wird eine Sicherung aktiv und so wird die zugehörige Schlagbolzensicherung bewirken, dass insgesamt ei- ne Trennung sämtlicher Phasen geschieht.

In Figur 1 ist schematisch ein geöffneter Behälter 4 dargestellt, der mit einer Erdung 6 verbunden ist. Darin enthalten ist ein Transformator 5, der mit einer dielektrischen Flüs- sigkeit 7 bedeckt ist, was einer Befüllung des Behälters 4 gleich kommt. Die Flüssigkeit 7 dient darüber hinaus zur Kühlung.

Der in Figur 1 schematisch dargestellte Transformator 5 ist dreiphasig mit den Phasen 1, 2, 3 ausgelegt, wobei jede Phase durch eine Überstrom gesteuerte Schlagbolzensicherung 311 überwacht und abgesichert ist. Gleichzeitig ist mindestens eine Füllstand gesteuerte Schlagbolzensicherung zur Überwachung des Systems auf ausrechende Befüllung mit dielektri- scher Flüssigkeit vorgesehen. Sämtliche in Figur 1 dargestellten Schlagbolzensicherungen, in diesem Fall vier Stück, wirken mit einem Schlagbolzen 38 in analoger Weise auf eine Wippe 35. Damit ist sichergestellt, dass eine Fehlererfassung gefolgt von mindestens einer Schlagbolzenauslösung zu einer Betätigung der Wippe 35 führt. Diese bedient sämtliche drei

Kontaktierstifte, die gleichzeitig durch die Kraft mindestens eines Schlagbolzens aus ihren Halterungen geschlagen werden und somit sämtliche drei Phasen mechanisch trennt. In Figur 2 wird detailliert eine Überstrom gesteuerte Schlagbolzensicherung 311 mit entsprechender Halterung 32, gemeinsamem Holm 37 und federunterstütztem in Ruhestellung arre- tierten Kontaktstift 33 dargestellt. Weiterhin ist in geschnittener Seitenansicht die Wippe 35 mit schematischer Positionierung relativ zum Schlagbolzen 38 und zum Kontaktstift 33 eingetragen. Der federvorgespannte Stift 34 dient zur Arretierung des Kontaktstiftes 33. Der Kontaktstift 33 ist in arretierter Stellung ebenfalls federvorgespannt durch die Druckfeder 36. Der Strompfad in jeder Phase wird durch die Führung des Elektrokabels 40 angedeutet, wobei im zentralen Bereich die Halterung 32 und der mit dem Elektrokabel 40 verbundene Kontaktstift 33 zwischengeschaltet sind. Die Druckfe- der 36 ist vorzugsweise nicht Strom durchflössen und mittels eines dielektrischen Ringes 41 isoliert.

Die U-förmig ausgebildete Halterung 32 nimmt einseitig eine Schlagbolzensicherung 311 auf und, auf der anderen Seite, in einer Bohrung beispielsweise einen genuteten Kontaktstift und bildet somit einen Teil des elektrischen Pfades. Im Fall des Auslösens der Schlagbolzensicherung schlägt der Schlagbolzen gegen eine drehbar gelagerte Wippe 35, welche wiederum den Kontaktstift 33 aus der Halterung 32 herausschlägt. Dies wird wiederum mittels der vorgespannten Druckfeder 36 federunterstützt .

Entsprechend der Anzahl der Phasen werden hier drei dieser Einheiten an einem gemeinsamen Holm 37 befestigt. Bei der Wippe handelt es sich um eine durchgehende Einheit, so dass bei der Betätigung der Wippe durch mindestens eine der Schlagbolzensicherungen sämtliche drei Kontaktstifte aus ihrer jeweiligen Halterung herausgeschlagen werden.

Der Figur 3 ist zu entnehmen, dass bei sinkender Füllstandshöhe mindestens eine federvorgespannte Schlagbolzensicherung in einem Gehäuse 39 betätigbar ist. Der Schlagbolzen 38 ist durch einen Hebel 101 arretiert. Der Hebel 101 wiederum ist durch einen zweiten Hebel 102 ebenfalls arretiert. In dem Gehäuse 39 befindet sich ein Langloch in welchem ein Draht 111 verschiebbar angeordnet ist. Durch den Draht wird der Hebel 102 arretiert. Der Draht 111 ist an seinem oberen Ende an ei- nem Schwimmer 112 fixiert. Senkt sich der Schwimmer auf Grund einer Verringerung der Füllstandshöhe der Flüssigkeit innerhalb des Transformators bzw. dessen Gehäuses, so gibt der Draht 111 nach einem bestimmten Schwimmerweg den Hebel 102 frei. In Folge dessen wird auch der Hebel 101 entlastet, so dass der Schlagbolzen 38 freigegeben wird. Dieser trifft auf die Wippe 35, wodurch die drei Kontaktstifte 33 aus deren Halterungen 32 herausgeschlagen werden.

Figur 4 zeigt nochmals in der Frontansicht die Anordnungen von 4 Schlagbolzensicherungen entsprechend Figur 1, wobei Details aus den Figuren 2, bzw. 3 übernommen sind. In Figur 4 ist insbesondere die Bestückung der Phasen 1, 2, 3 mit jeweils einer Überstrom gesteuerten Schlagbolzensicherung 311 vermerkt. In den zugehörigen Halterungen 32, sind diese mit entsprechendem Schlagbolzen versehenen Schlagbolzensicherungen 311 eingebaut, wobei die Halterung 32 einen Teil des Strompfades darstellt, einen Kontaktstift 33 aufweist, der, wie in Figur 2 sichtbar, über die Wippe 35 bei Auslösung einer Schlagbolzensicherung an sämtlichen drei Phasen 1, 2, 3 eliminiert wird. Zusätzlich ist in Figur 4 die Füllstandsgesteuerte Schlagbolzensicherung 312 schematisch positioniert. Diese ist zusätzlich eingebaut und muss nicht in einer geraden Kraftlinie auf einen Kontaktstift 33 wirken. Die Schlagbolzensicherung, die über einen Schwimmer 112 auslösbar ist, falls die dielektrische Flüssigkeit 7 einen zu geringen Füllstand aufweist, ist mit einem Schlagbolzen 38 ausgestattet. Dieser wirkt auf die Wippe 35 und drückt ebenso wie bei analogem Betriebszustand bei einer Überstrom gesteuerten Schlagbolzensicherung 311 auf die Wippe, dreht diese und schlägt die Kontaktstifte 33 sämtlicher in den Phasen vorhandenen Sicherungen durch Elimination der entsprechenden Kontaktstifte heraus . Mit der Erfindung wird anhand einer Füllstandsüberwachung der ohnehin vorhandenen dielektrischen Flüssigkeit 7 eine Schutzvorrichtung realisiert. Die Vorteile ergeben sich durch eine extrem einfach aufgebaute Mechanik, deren Funktion über einen längeren Zeitraum sichergestellt werden kann. Insgesamt kann ein eigensicherer Transformator realisiert werden.

Des Weiteren liegt ein Vorteil in der Zusätzlichen Funktion der Sicherheitsauslösung bei Füllstandsschwankungen. Kommt es auf Grund von Leckagen des Transformators zu einer Verringerung der Füllstandshöhe, so kann bei handelsüblichen Transformatoren die Sicherheit gegen entstehende Spannungsüberschläge zwischen Bauteilen mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen nicht gewährleistet sein. Durch die entsprechend der Erfindung vorgeschlagene Mechanik wird der sichere Einsatz auch in diesem Fall erreicht. Der Transformator wird vor Erreichen einer kritischen Füllstandshöhe mechanisch durch Trennung sämtlicher Phasen stillgelegt. Da bei elektrischen Fehlern örtliche Erwärmungen zur Entstehung von Gasförmigen Bestandteilen aus der dielektrischen Flüssigkeit führen, sinkt der Pegel dieser dielektrischen Flüssigkeit 7 schnell ab .

Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf die Ab- Sicherung von mehrphasigen Transformatoren. Die Erfindung kann allgemein auf mehrphasig betriebene elektrische Geräte angewandt werden, die in dielektrischer Flüssigkeit isoliert sind. Durch die Flüssigkeitsfüllstandsüberwachung lassen sich beispielsweise Leckagen an einem Behälter 4 feststellen und führen zu einer mechanischen bzw. elektrischen Trennung.