Temperatur-überwachungsvorrichtung für Hoch- und Mittelspannungsbauteile

BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Temperatur- überwachungsvorrichtung für Hoch- und Mittelspannungsbauteile .

Stand der Technik

Zur überwachung der Temperatur von Mittel- und Hochspannungsbauteilen werden Infrarot-Sensoren eingesetzt. Diese erlauben es, die Temperatur des Bauelements berührungslos und beabstandet zu messen, so dass eine sichere Potenzialtrennung, selbst noch bei hohen Blitzstossspannungen, möglich ist. Infrarotsensoren besitzen jedoch eine beschränkte Lebensdauer von z.B. 5 Jahren. In der Praxis ist jedoch zur Reduktion der Betriebskosten eine längere Lebensdauer erwünscht.

SE469611B offenbart eine Temperaturüberwachungseinheit zum Messen der Temperatur in einem Niederspannungssystem, wobei die Temperatur an einem anderen Ort gemessen wird, als dem Ort, wo eine Auslöseeinheit betätigt wird. Der verwendete Temperatursensor benutzt eine Feder aus einem Metall mit Gedächtniseffekt. Die Bewegung der Feder bei einer kritischen Temperatur wird mittels eines flexiblen und elektrisch isolierenden Bow- denzuges zu einer Kontrollbox übermittelt, welche sich auf Erdpotential befindet. Ein flexibel verformbarer und damit bewegbarer Isolator, der sich zwischen einem Poten-

tial und Erdpotential erstreckt, kann Inhomogenitäten im elektrischen Feld verursachen. Solche elektrischen Feldinhomogenitäten sind besonders in Bereich von Mittel- und Hochspannungsanwendungen zu vermeiden

In der GB 2021265 wird ein Temperaturüberwachungsmechanismus offenbart, mit dem ein elektrischer Heizkessel oder eine Raumheizung gesteuert werden können. Der Temperatursensor des Heizkessels ist dem Druck des Dampfkessels ausgesetzt, während sich der Schalter zum Abschalten des Heizelementes entfernt vom Ort der Dampferzeugung befindet. Um das erzeugte Abschaltsignal am Ort des Druckes am Dampfkessel weg zum Schalter zu übertragen, wird die Benutzung eines Bowdenzugkabels oder ein in einem Kapillarrohr befindliches Fluid vorgeschlagen und damit der einwandfreie Betrieb der auslösenden Einrichtung fernab des Ortes der Dampferzeugung gewährt.

In der EP 1657731 wird ein Generatorschalter beschrieben, wobei zur Kühlung des sich auf elektrischem Potential befindlichen Innenleiters ein angekoppeltes Wärmerohr vorgeschlagen wird. Um Verdampfer und Kondensator des Wärmerohres mechanisch und elektrisch zu entkoppeln, sind eine elektrische Isolationsstrecke und ein flexibel verformbarer Abschnitt vorgesehen.

Darstellung der Erfindung

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, eine langlebige Temperatur-überwachungsvorrichtung für Hoch- und Mittelspannungsbauteile bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird von der Temperatur- überwachungsvorrichtung gemäss der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Demgemäss ist ein Wandler vorgesehen, welcher ein von der Temperatur des Hoch- bzw. Mittelspannungsbauteils abhängiges mechanisches Signal erzeugt. Dieses Sig-

nal hat die Form einer makroskopischen oder mikroskopischen Bewegung, welche z.B. eine Zug-, Stoss- oder Torsionsbewegung sein kann. Weiter ist beabstandet und elektrisch isoliert vom Wandler ein Bewegungsaufnehmer angeordnet, z.B. ein mechanischer Schalter, welcher eine Bewegung in ein elektrisches Signal umwandeln kann. Zwischen dem Wandler und dem Bewegungsaufnehmer erstreckt sich ein nicht leitendes übertragungselement. Das mechanische Signal des Wandlers erzeugt eine Bewegung des übertragungselements, mit welcher der Bewegungsaufnehmer betätigt werden kann.

Diese Anordnung hat den Vorteil, dass einfach aufgebaute, langlebige Komponenten eingesetzt werden können. Es wird somit möglich, die gewünschte lange Lebensdauer zu erreichen.

Das übertragungselement kann z.B. als steifer, isolierender Stab ausgestaltet sein, welcher eine Stoss- oder Zugbewegung des Wandlers auf den Bewegungsaufnehmer überträgt.

Das übertragungselement kann jedoch beispielsweise auch einen Bowdenzug bilden, was eine flexible Ausgestaltung und somit grosse Freiheit beim Platzieren von Wandler und Bewegungsaufnehmer erlaubt.

Das übertragungselement kann auch aus einer Vielzahl von aneinander gereihten, festen Einzelkörpern, wie z.B. Kugeln, bestehen, welche die Bewegung an den Bewegungsaufnehmer übertragen. Auch eine pneumatische oder hydraulische übertragung ist denkbar.

Die Temperatur-überwachungsvorrichtung eignet sich insbesondere zur überwachung der Temperatur eines auf einer Spannung vom mindestens 1 kV, insbesondere mindestens 12,5 kV, stehenden Bauteils, und kann ohne Weiteres so ausgestaltet werden, dass es Blitzstoss-Spannungen bis 150 kV standhält.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführung einer Temperatur-überwachungsvorrichtung,

Fig. 2 eine zweite Ausführung einer Temperatur-überwachungsvorrichtung,

Fig. 3 eine dritte Ausführung einer Temperatur-überwachungsvorrichtung,

Fig. 4 eine vierte Ausführung einer Temperatur-überwachungsvorrichtung,

Fig. 5 eine fünfte Ausführung einer Temperatur-überwachungsvorrichtung und

Fig. 6 eine sechste Ausführung einer Temperatur-überwachungsvorrichtung .

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Temperatur-überwachungsvorrichtung gemäss den dargestellten Ausführungen besitzt einen Wandler 1, welcher an einem ersten Ende der Vorrichtung angeordnet ist, einen Bewegungsaufnehmer 2, welcher an einem zweiten, dem ersten gegenüber liegenden Ende der Vorrichtung angeordnet ist, sowie ein übertragungselement 3, welches sich zwischen dem Wandler 1 und dem Bewegungsaufnehmer 2 erstreckt .

Der Wandler 1 befindet sich im Betrieb in thermischem Kontakt mit einem zu überwachenden Bauteil 4, z.B. einem Hoch- oder Mittelspannungsschalter. Aufgabe der überwachungsvorrichtung ist es, ein elektrisches Signal zu erzeugen, welches von der Temperatur des Bauteils 4 abhängt. Das Signal kann z.B. ein binäres Signal sein, welches anzeigt, ob die Temperatur des Bauteils 4 eine vorgegebene Temperaturschwelle überschritten hat, oder es

kann sich z.B. auch um ein analoges Signal handeln, beispielsweise einen Spannungswert, welcher mit der Temperatur des Bauteils im Wesentlichen stufenlos variiert.

In der Ausführung nach Fig. 1 besteht der Wandler 1 aus einer oder mehreren, aufeinander gestapelten Schnappscheiben 5. Dabei handelt es sich um Scheiben, welche temperaturabhängig eine erste oder eine zweite Form annehmen, wodurch sich die Höhe des Stapels in Richtung X von Fig. 1 ändert. Derartige Schnappscheiben bestehen z.B. aus Bimetall oder einer Formgedächtnis- Legierung und sind dem Fachmann bekannt.

Der Stapel der Schnappscheiben 5 ist in einer Kammer 6 eines Fusses 7 der überwachungsvorrichtung angeordnet. Der Fuss 7 steht mit dem zu überwachenden Bauteil 4 in direktem thermischem Kontakt.

Auf die Schnappscheiben 5 ist ein Halter 8 abgestützt. Dieser ist in Richtung X verschiebbar im Fuss 7 gelagert und stützt sich gegen ein erstes Ende des in dieser Ausführung als steifer, gerader Stab ausgestalteten übertragungselements 3. Das übertragungselement 3 besteht aus einem isolierenden, spannungsfesten Material und ist in einem Hohlkörper 9 angeordnet. Auch der Hohlkörper 9 besteht aus einem steifen, isolierenden, spannungsfesten Material. Auf seiner Aussenseite trägt er I- solationsrippen 10, um die Kriechstrecke zu erhöhen.

Der Fuss 7 und der Wandler 1 sind an einem ersten Ende des Hohlkörpers 9 angeordnet. Der Fuss 7 ist fest mit dem Hohlkörper 9 verbunden. Am gegenüber liegenden, zweiten Ende trägt der Hohlkörper 9 einen Kopf 11 der Vorrichtung, an welchem der Bewegungsaufnehmer 2 angeordnet ist.

Das übertragungselement 3 ist in Richtung X verschiebbar im Kopf 11 gelagert. Zwischen dem Kopf 11 und dem zweiten Ende des übertragungselements 3 ist eine Druckfeder 12 angeordnet, welche das übertragungselement 3 entgegen der Richtung X gegen die Schnappscheiben 5 drückt .

Nahe am zweiten Ende verläuft entlang der Au- ssenseite des übertragungselements 3 eine Nut 13, in welche ein Finger 14 eines Mikroschalters 15 eingreift. Diese Teile bilden den Bewegungsaufnehmer 2. Der Mikroschal- ter 15 ist über eine Halterung 16 am Kopf 11 befestigt.

Der Hohlkörper 9 der Ausführung nach Fig. 1 ist steif und er ist fest mit dem Fuss 7 und dem Kopf 11 verbunden. Dies erlaubt es, die ganze Vorrichtung zu montieren, indem der Fuss 7 mit geeigneten Befestigungsmitteln am Bauteil 4 montiert wird, während der Kopf 11 frei und ohne Berührung weiterer Teile vom Hohlkörper 9 gehalten wird. Bei dieser Montage wird die überwachungsvorrichtung bei Bewegungen und Vibrationen des Bauteils 4 keinen übermässigen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt .

Um den Kopf 11 und die daran angeordneten

Komponenten ausreichend zu isolieren und insbesondere um Blitzstossspannungen bis 150 kV standzuhalten, sollte die Länge des Hohlkörpers 9 und des übertragungselements 3 mindestens 6 cm, vorzugsweise mindestens 22 cm betragen. Die Kriechstrecke auf der Aussenseite des Hohlkörpers 9 sollte mindestens 30 cm lang sein. Da das im Hohlkörper 9 angeordnete übertragungselement vor Umwelteinflüssen geschützt ist, brauchen am übertragungselement nicht unbedingt auch noch Isolationsrippen vorgesehen zu sein. Falls der Hohlkörper 9 ausreichend lang ist, können auch die Isolationsrippen 10 weggelassen werden.

Die Funktionsweise des Bauteils gemäss Fig. 1 ist wie folgt: Bei tiefer Temperatur befindet sich die überwachungsvorrichtung in der in Fig. 1 gezeigten Stellung, in welcher der Finger 14 in die Nut 13 eingreift und der Schalter 15 geöffnet ist. Erhöht sich die Temperatur des Bauteils 4 über eine vorgegebene Schwelltemperatur, so bewegen sich die Schnappscheiben 5 in ihre zweite Stellung, wodurch sich die Höhe des Stapels der Schnappscheiben in Richtung X vergrössert. Dadurch wird eine Längskraft auf das übertragungselement ausgeübt und

dieses bewegt sich, gegen die Kraft der Druckfeder 12, in Richtung X. Dadurch wird der Finger 14 aus der Nut 13 gedrängt und der Schalter 15 wird betätigt. Sinkt die Temperatur des Bauteils 4 wieder unter die Schwelltemperatur ab, so bewegen sich die Schnappscheiben 5 zurück in ihre erste Stellung, der Stapel der Schnappscheiben 5 wird kürzer, und das übertragungselement 3 wird von der Druckfeder 12 wieder zurück in die Position nach Fig. 1 gedrängt, wodurch der Finger 14 wieder in die Nut 13 fällt und der Schalter 15 geöffnet wird.

Je nach Ausgestaltung des Wandlers 1 kann dieser eine Zug- und/oder eine Stosskraft auf das übertragungselement 3 ausüben. Falls er in der Lage ist, sowohl eine Zug-, als auch eine Stosskraft auszuüben, so kann Feder 12 unter Umständen auch entfallen. Denkbar ist es, anstelle von Feder 12 auch eine manuelle oder elektromagnetische Rücksetzung oder dergleichen vorzusehen.

Der Wandler 1 kann z.B. auch von einer Feder aus einem Formgedächtnis-Material gebildet werden, welche sich bei überschreiten der Schwelltemperatur verlängert oder zusammenzieht und so das übertragungselement 3 betätigt.

Anstelle eines stabförmigen übertragungselements kann auch ein übertragungselement aus mehreren, aneinander gereihten, längsbewegbaren, festen Einzelkörpern, z.B. Kugeln 17, eingesetzt werden, wie dies in der Ausführung nach Fig. 2 dargestellt wird. Am ersten Ende der Vorrichtung stösst eine Erste der Kugeln 17 an einen ersten Stössel 18, welcher die Rolle des Halters 8 der Ausführung von Fig. 1 übernimmt. Am anderen Ende der Vorrichtung stösst eine Letzte der Kugeln 17 gegen einen zweiten Stössel 19, welcher die Rolle des Kopfendes des übertragungselements gemäss Fig. 1 übernimmt. Insbesondere ist der zweite Stössel gegen die Kraft der Feder 12 abgestützt und trägt auf seiner Aussenseite die Nut 13, in welche der Finger 14 eingreift.

Die Funktion der Ausführung von Fig. 2 ist analog zu jener nach Fig. 1, indem bei überschreiten der Schwelltemperatur die Kugeln 17 vom ersten Stössel 18 gegen den zweiten Stössel 19 gedrückt werden und diesen in Richtung X verschieben, so dass der Schalter 15 betätigt wird.

Die Ausführung nach Fig. 2 hat u.a. den Vorteil, dass der Hohlkörper 9 nicht unbedingt steif oder gerade gefertigt sein muss, sondern z.B. als flexibler Schlauch ausgefertigt sein kann, da die Kugeln 17 bei ihrer Bewegung auch einem gekrümmten Hohlkörper 9 zu folgen vermögen .

Anstelle von Kugeln kann das übertragungselement 3 von anderen festen Einzelkörpern gebildet werden, beispielsweise von einer Vielzahl von kurzen, zylindrischen, aneinander gereihten Teilen.

Anstelle von festen Einzelkörpern kann auch ein Fluid, insbesondere ein OeI eingesetzt werden, welches in den Innenraum des Hohlkörpers 3 zwischen den beiden Stösseln 18, 19 eingefüllt wird, soweit die Stössel 18, 19 in für das Fluid nicht passierbaren Dichtungen gelagert werden. In diesem Fall wird das Signal des Wandlers 1 hydraulisch bzw. pneumatisch an den Bewegungsaufnehmer 2 übertragen.

In einer weiteren Ausführung, welche in Fig. 3 dargestellt ist, wird das übertragungselement 3 von torsionssteifen Stab gebildet. Dieser ist um seine Längsachse drehbar im Innern des Hohlkörpers 9 gelagert. Der Wandler wird in dieser Ausführung von einer Spirale 20 aus einem Bimetall oder einem Formgedächtnis-Material gebildet, welche an ihrem Aussenumfang am Fuss 7 befestigt und in ihrer Mitte am übertragungselement 3 befestigt ist. ändert sich die Temperatur des Bauteils 4, so übt die Spirale eine Drehkraft auf das übertragungselement 3 aus und dreht dieses um dessen Längsachse.

Am zweiten Ende des übertragungselements 3 ist dieses in der Ausführung nach Fig. 3 direkt mit der

Achse eines Drehpotentiometers 21 gekoppelt. ändert sich die Temperatur des Bauteils 4, so wird in dieser Ausführung also der Abgriffwiderstand des Potentiometers 21 geändert, so dass ein von der Temperatur abhängiges, analoges Spannungssignal erzeugt werden kann.

Anstelle eines Potentiometers kann auch ein Drehschalter vorgesehen sein, welcher ähnlich wie in den Ausführungen gemäss Fig. 1 oder 2 ein binäres Signal erzeugt. Andererseits kann in den Ausführungen nach Fig. 1 und 2 (sowie in den im Folgenden beschriebenen Ausführungen) auch ein Linearpotentiometer anstelle eines Schalters eingesetzt werden.

In Fig. 4 wird eine Ausführung gezeigt, bei welcher ein Wandler 1 eingesetzt werden kann, welcher lediglich einen kleinen mechanischen Hub und geringe Kraft erzeugt. Hierzu ist, ähnlich wie in der Ausführung nach Fig. 1, das übertragungselement 3 als Stab ausgestaltet, der in Richtung X verschoben werden kann und dessen zweites Ende den Schalter 15 betätigt. Am ersten Ende der Vorrichtung wird das übertragungselement 3 vom Halter 8 gehalten, welcher seinerseits von einem Riegelmechanismus gegen die Kraft einer Druckfeder 22 festgehalten wird. Der Riegelmechanismus wird vom Wandler 3 gebildet. Hierzu ist eine Kugel 23 vorgesehen, die von einer Schnappscheibe 5 des Wandlers in eine seitliche Vertiefung 24 des Halters 8 gedrückt wird.

Die Funktion der Ausführung nach Fig. 4 ist wie folgt: Bei tiefer Temperatur befindet sich die Vorrichtung in der in Fig. 4 gezeigten Position. Die Druckfeder 22 ist vorgespannt und die Kugel 23 wird von der Schnappscheibe 22 in die Vertiefung 24 gedrückt.

Sobald die Schwelltemperatur überschritten wird, verändert die Schnappscheibe 5 ihre Form, und zwar so, dass die Kugel 23 aus der Vertiefung 24 zurückweichen kann und so den Riegelmechanismus entriegelt. Nun bewegt die Druckfeder 22 das übertragungselement 3 in Richtung X und schliesst so den Schalter 15.

Um die Vorrichtung zurückzusetzen, muss das übertragungselement 3 nach Unterschreiten der Schwelltemperatur manuell oder motorisch wieder zurückgestossen werden, so dass der Riegelmechanismus wieder einrasten kann .

Wie bereits erwähnt, kann die Verbindung zwischen Wandler 1 und Bewegungsaufnehmer 2 auch flexibel ausgestaltet sein. In diesem Fall ist es möglich, den Wandler 1 einerseits fest mit dem Bauteil 4, und den Bewegungsaufnehmer 2 andererseits fest mit z.B. einem stationären Fundament zu verbinden, ohne dass es zu einer übermässigen mechanischen Belastung der Vorrichtung kommt .

Fig. 5 zeigt eine entsprechende Vorrichtung, bei welcher das übertragungselement 3 und der Hohlkörper 9 flexibel ausgestaltet sind. Sie bilden einen Bowdenzug, indem das übertragungselement 3 als zugfestes Seil, z.B. aus Glasfaser, und der Hohlkörper als in Längsrichtung druckfester, flexibler Kunststoffschlauch ausgestaltet sind.

Am ersten Ende der Vorrichtung muss in diesem Fall der Wandler 1 eine Zugkraft auf das übertragungselement 3 ausüben. In der Ausführung nach Fig. 5 wird dies erreicht, indem der Hohlkörper 9 am Fuss 7 befestigt ist und das übertragungselement 3 mit einem Ende eines Zugdrahts 25 aus Formgedächtnis-Material verbunden wird. Das andere Ende des Zugdrahts 25 ist ebenfalls fest am Fuss 7 befestigt. Der Fuss 7 ist mit dem Bauteil 4 verbunden und bildet vorzugsweise ein Gehäuse (nicht gezeigt) , in welchem der Zugdraht 25 geschützt ist und auf der Temperatur des zu überwachenden Bauteils gehalten wird. Die Länge des Zugdrahts 25 ist temperaturabhängig.

Am zweiten Ende der Vorrichtung muss auf das übertragungselement 3 eine Zugkraft ausgeübt werden und dessen Längsbewegung muss detektiert werden. Im Beispiel nach Fig. 5 wird dies erreicht, indem der Hohlkörper 9 am Kopf 11 befestigt ist und das übertragungselement 3 mit

einem Schwenkhebel 26 verbunden wird. Schwenkhebel 26 wird von einer Zugfeder 27 gegen die Zugkraft des übertragungselements 3 gehalten.

Zieht sich der Zugdraht 25 bei überschreiten der Schwelltemperatur zusammen, so wird der Schwenkhebel 26 gegen die Kraft der Zugfeder 27 in Richtung Y gegen einen Schalter 15 bewegt und betätigt diesen. Unterschreitet das Bauteil 4 die Schwelltemperatur wieder, so verlängert sich der Zugdraht 25, der Schwenkhebel 26 fährt zurück, und der Schalter 15 wird geöffnet.

In den soweit gezeigten Ausführungen wird das übertragungselement 3 in einem Hohlkörper 9 geführt, der (mit Ausnahme der Ausführung nach Fig. 5) auch den Bewegungsaufnehmer 2 tragen kann. Es ist jedoch auch denkbar, wie in Fig. 6 dargestellt, den Bewegungsaufnehmer 2 an einem gegenüber dem zu überwachenden Bauteil 4 örtlich im Wesentlichen fest angeordneten, nicht hoch- oder mittelspannungsführenden oder Träger 28, wie z.B. einem Fundament, zu befestigen. In diesem Fall kann der Hohlkörper 9 vorteilhaft auch entfallen. Gegebenenfalls kann (in Fig. 6 nicht gezeigt) das übertragungselement 3 an seiner Aus- senseite mit Isolationsrippen versehen sein. Ansonsten ist die Ausführung nach Fig. 6 weitgehend gleich aufgebaut wie jene nach Fig. 1.

Generell kann gesagt werden, dass mit der Erfindung eine robuste und einfache Möglichkeit zur Messung oder überwachung der Temperatur eines Mittel- oder Hochspannungsbausteins geschaffen wird.

Der Wandler kann in verschiedenster Weise ausgestaltet sein. Insbesondere kann er, wie erwähnt, ein analoges, kontinuierliches Signal oder auch ein binäres, nicht kontinuierliches Signal erzeugen. Wird eine Formgedächtnislegierung eingesetzt, so kann der Wandler als Einweg- oder Zweiwegeffektelement ausgeführt werden. Je nach Legierung ist auch hier eine kontinuierliche (analoge) oder sprunghafte (digitale) Verformung möglich.

Das übertragungselement soll eine mechanische Auslenkung elektrisch isolierend auf den Bewegungsaufnehmer übertragen.

Der Bewegungsaufnehmer kann als Tast- oder Berührungsschalter oder Potentiometer in jeglichen Ausführungsformen ausgestaltet sein. Es kann zudem allenfalls ein Rücksetzmechanismus vorgesehen sein. Dieser kann durch eine normale Rückstellfeder ausgeführt sein, welche auch verhindern soll, dass durch allfällige Erschütterungen im Schaltfall eine Temperaturüberwachung ausgelöst wird (sogenanntes Prellen) . Des Weiteren ist eine Rückstellung auch mit Hilfe eines Hubmagneten, mit einem Elektromotor oder von Hand denkbar. Je nach Ausführung kann der Bewegungsaufnehmer auch als Kraftsensor wirken und eine minimale, mikroskopische Bewegung des ü- bertragungselements in ein elektrisches Signal umsetzen.

Bezugs zeichenliste

Wandler

Bewegungsaufnehmer

übertragungselement zu überwachendes Bauteil

SchnappScheiben

Kammer

Fuss

Halter

9 Hohlkörper

10 Isolationsrippen

11 Kopf

12 Druckfeder

13 Nut

14 Finger

15 Mikroschalter

16 Halterung

17 Kugeln

18 erster Stössel

19 zweiter Stössel

20 Bimetall-Spirale

21 Potentiometer

22 Druckfeder

23 Kugel

24 Vertiefung

25 Zugdraht aus Formgedächtnis-Material

26 Schwenkhebel

27 Zugfeder

28 nicht hochspannungsführender Träger