Wicklungstemperaturfühler und -anzeigen dienen zur Temperaturerfassung in Transformatoren, Motoren und Generatoren. Der Begriff bezeichnet keine einheitliche Bauform. Je nach Anlage kommen eingebettete Widerstandsthermometer, eine Wicklungstemperaturanzeige mit thermischem Abbild (WTI) oder faseroptische Sonden an ausgewählten Wicklungsstellen zum Einsatz.
Je nach Anwendung kann die Wicklungstemperatur direkt an einem physikalischen Punkt gemessen oder indirekt aus anderen thermischen und elektrischen Größen geschätzt werden. Der Messwert muss daher entweder als gemessene Punkttemperatur oder als Schätzung identifiziert werden.
Was ist ein Wicklungstemperaturfühler?
Wicklungen erzeugen aufgrund elektrischer Verluste Wärme. Der durch die Leiter fließende Strom erzeugt eine Widerstandserwärmung, und die Wärme muss durch die Kühlanordnung des Geräts abgeführt werden. Mittels Temperaturüberwachung wird der resultierende thermische Zustand der Wicklung beobachtet.
Ein Wicklungstemperaturfühler ist die Erfassungs- oder Überwachungsanordnung, die diese Informationen liefert. In der Praxis kann es sich um einen eingebetteten Sensor, eine Temperaturanzeigeanordnung, ein thermisches Simulationsgerät oder eine direkte optische Sonde handeln. „Detektor“ bedeutet nicht unbedingt die gleiche Hardware in jeder Anwendung, und eine Spezifikation, die eine solche verlangt, sollte zusammen mit dem Gerätetyp und dem Messziel gelesen werden.
Wicklungstemperaturfühler vs. Sensor vs. Anzeige
Die drei Begriffe werden oft so verwendet, als wären sie austauschbar. Sie beschreiben verschiedene Ebenen der Messkette.
Wicklungstemperaturfühler
Dies ist der weiteste Begriff. Es bezieht sich auf eine Erfassungs- oder Überwachungsanordnung, die zum Erkennen, Erhalten oder Bestimmen der Wicklungstemperatur verwendet wird. Die Anordnung kann aus einem Sensorelement und einem Instrument oder aus einem Gerät bestehen, das den Wert aus anderen Eingaben berechnet.
Wicklungstemperatursensor
Mit einem Wicklungstemperatursensor ist normalerweise das eigentliche Sensorelement gemeint. Beispiele hierfür sind ein RTD, ein Thermistor, ein Thermoelement oder eine faseroptische Sonde. Der Sensor erzeugt ein Signal, das von der Temperatur an seinem Standort abhängt.
Wicklungstemperaturanzeige
Ein Wicklungstemperaturanzeiger ist normalerweise ein Instrument, das einen Wicklungstemperaturwert anzeigt, simuliert, berechnet oder verarbeitet. Bei Öltransformatoren verwendet ein WTI üblicherweise die Temperatur des oberen Öls zusammen mit einem lastabhängigen Heizeffekt oder einer thermischen Simulation, um die Wicklungstemperatur darzustellen. Es ist nicht korrekt anzunehmen, dass ein WTI-Sensor immer direkt in der Wicklung verbaut wird.
Einige Indikatoren bieten auch Alarm- oder Steuerausgänge, sodass ein Indikator nicht nur eine Anzeige ist. Alarm- und Steuerausgänge hängen vom ausgewählten Indikator ab.
Warum wird die Wicklungstemperatur überwacht?
Die Wicklungstemperatur wird durch elektrische Belastung, Verluste, Kühlleistung, Umgebungsbedingungen und lokale thermische Bedingungen im Inneren des Geräts beeinflusst. Die Überwachung gibt Aufschluss darüber, wie diese Faktoren während des Betriebs zusammenwirken.
Die Informationen können verwendet werden, um die thermische Belastung der Isolierung zu beobachten, Überhitzungstrends zu erkennen, die Kühlleistung zu überprüfen und das Lastverhalten zu verstehen. Eine Temperaturmessung allein ist kein Urteil. Akzeptable Werte und Alarmeinstellungen hängen von der Gerätekonstruktion, dem Isolationssystem und den geltenden Spezifikationen ab und sollten daher der Gerätedokumentation und nicht allgemeinen Zahlen entnommen werden.
RTD-Wicklungstemperaturfühleren
RTD steht für Widerstandstemperaturdetektor. Gängige Bezeichnungen wie PT100 und PT1000 beziehen sich auf den Nennwiderstand des Elements bei einer Referenztemperatur. Ein RTD misst die Temperatur durch eine vorhersehbare Änderung des elektrischen Widerstands, die das angeschlossene Instrument in einen Temperaturwert umwandelt.
Wenn ein RTD an einer Wicklungsstelle eingebettet oder installiert wird, misst er die Temperatur in der Nähe dieser Stelle. RTD-Wicklungstemperatursensoren kommen häufig in Motor- und Generator-Statorwicklungen vor und werden auch in trockenen elektrischen Geräten und ausgewählten Transformatoranordnungen verwendet. Sie werden nicht in jeder Transformatorwicklung verwendet und es sollte nicht davon ausgegangen werden, dass ein bestimmter Transformator über eine solche verfügt.
Vorteile und Auswahlüberlegungen
Widerstandsthermometer bieten mehrere praktische Vorteile:
- Direkte Messung am Einbauort
- Eine etablierte Industrietechnologie
- Eignung für kontinuierliche Überwachung
- Einfache Integration mit vielen herkömmlichen Instrumenten
Auswahlüberlegungen ergeben sich aus der Tatsache, dass der Sensor elektrisch ist. Ein RTD benötigt eine leitende Verkabelung, daher müssen elektrische Isolierung, Leitungsführung, Installationsraum und die elektromagnetische Umgebung berücksichtigt werden. Bei Hochspannungsanwendungen müssen die Anforderungen an die elektrische Isolierung und Verkabelung sorgfältig gehandhabt werden. Dies schließt Widerstandsthermometer nicht aus und wird von vielen Hochspannungsmaschinen erfolgreich eingesetzt.
Transformatorwicklungstemperaturanzeige (WTI)
Bei herkömmlichen oder üblichen WTI-Anordnungen für Öltransformatoren ist der Sensor im Allgemeinen nicht in der Leiterwicklung platziert. Das Gerät misst die Temperatur des oberen Öls und fügt eine lastabhängige thermische Simulation hinzu, die häufig aus dem Laststrom abgeleitet wird, um die Wicklungstemperatur oder das Hot-Spot-Verhalten der Wicklung darzustellen.
Nicht jeder WTI ist gleich aufgebaut und Details unterscheiden sich je nach Hersteller und Transformatordesign. Der allgemeine Grundsatz besteht jedoch darin, dass der angezeigte Wert eine berechnete oder simulierte Darstellung ist, die auf gemessenen Eingaben und Modellannahmen basiert. Dies ist ein legitimer und weit verbreiteter Ansatz und eignet sich gut für Anzeige-, Alarm- und Kühlsteuerungsfunktionen bei Transformatoren, die über keine internen Wicklungssensoren verfügen.
Misst ein WTI direkt die Wicklungstemperatur eines Transformators?
Nicht unbedingt. Herkömmliche WTI-Transformatoranordnungen liefern im Allgemeinen eine indirekte oder simulierte Wicklungstemperatur basierend auf der Temperatur des oberen Öls und der Transformatorlast. Das Ergebnis ist eine nützliche thermische Anzeige, aber kein Messwert eines Sensors am Wicklungsleiter.
Einen vollständigen Vergleich der beiden Ansätze finden Sie in unserem Artikel zu Transformer WTI vs. faseroptischer Temperatursensor, daher wird er hier nicht wiederholt.
Glasfaser-Wicklungstemperaturfühleren
INNOs Technologie ist eine fluoreszenzbasierte punktförmige faseroptische Temperaturmessung. Eine Sonde wird mit ihrer Messspitze an einer ausgewählten Wicklungsstelle installiert und die Temperatur an dieser Spitze gemessen. Eine optische Faser überträgt die optischen Anregungs- und Rücksignale zwischen dem Messpunkt und einem kompatiblen Instrument, das das Signal in einen Temperaturwert umwandelt.
Bei in Öl getauchten Transformatoren ermöglicht ein faseroptischer Wicklungstemperatursensor die direkte Temperaturmessung an ausgewählten Wicklungspositionen, wenn die Sonde während der Herstellung in den Transformator eingebaut wird.
Punkterkennungsgrenzen
Das Messprinzip setzt klare Grenzen, die bereits in der Spezifikationsphase verstanden werden sollten:
- Eine Sonde entspricht einem definierten physikalischen Messpunkt.
- Mehrere Sonden liefern mehrere unabhängige Wicklungstemperaturpunkte.
- Die Faser überträgt das Signal, misst jedoch nicht die Temperatur entlang ihrer Länge. Hierbei handelt es sich um eine Punktmessung, nicht um eine verteilte Temperaturmessung.
- Eine Sonde überwacht nicht die gesamte Wicklung.
- Das System erkennt unbekannte Heißstellen nicht automatisch. Wo Heißstellen von Interesse sind, werden Sonden an ausgewählten oder zuvor identifizierten thermisch kritischen Wicklungsstellen platziert.
Eigenschaften von Glasfasersonden
- Direkte Punktmessung an der Messspitze
- Elektrische Trennung des optischen Erfassungspfads
- Hohe Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen
- Kleine Sondengeometrie
- Mehrpunktüberwachung mit mehreren unabhängigen Sonden
Dies sind Merkmale der Erfassungsmethode. Ob eine Sonde zu einer bestimmten Wicklung passt, hängt vom Design, den zugänglichen Messstellen und der Art und Weise ab, wie die Faser aus dem Gerät herausgeführt werden kann.
RTD vs. WTI vs. Glasfaser-Wicklungstemperaturerkennung
In der Tabelle werden die drei Ansätze hinsichtlich ihrer Funktionsweise und ihrer häufigen Verwendung verglichen. Es handelt sich um einen neutralen Vergleich und jeder Eintrag spiegelt allgemeine Merkmale wider, die je nach Produkt und Installation variieren.
| Methode | Messprinzip | Direkt oder indirekt | Typische Anwendung | Elektrisches Signal am Messpunkt | Wichtige Überlegungen zur Auswahl |
|---|---|---|---|---|---|
| RTD | Elektrischer Widerstand ändert sich mit der Temperatur | Direkt, am Installationsort | Motor- und Generator-Statorwicklungen, Trockengeräte, ausgewählte Transformatoranordnungen | Ja, die leitende Verkabelung verläuft zum Sensorelement | Verkabelung, Isolierung und Verlegung im elektrischen Umfeld |
| Transformer WTI | Obere Öltemperatur plus eine lastbezogene thermische Simulation | Indirekt, berechnet oder simuliert | Anzeige-, Alarm- und Steuerungsanordnungen für in Öl getauchte Transformatoren | Nicht zutreffend, da bei herkömmlichen Anordnungen kein Sensor am Wicklungsleiter platziert ist | Ob eine berechnete Angabe ausreicht oder gemessene Daten an der Wicklung erforderlich sind |
| Glasfaser-Punktsensor | Optisches Signal von der Sensorspitze, z. B. Fluoreszenzverhalten | Direkt, an der Position der Sensorspitze | Transformator-, Motor- und Generatorwicklungen, einschließlich Hochspannungs- oder Starkfeldbedingungen | Nein, der Signalweg am Messpunkt ist optisch | Sondenplatzierung, Faserführung und kompatible Instrumentenkanäle |
Direkte vs. indirekte Wicklungstemperaturerkennung
Bei der direkten Messung misst ein Sensor physisch die Temperatur an einem ausgewählten Ort. Beispiele hierfür sind ein an einem ausgewählten Punkt installierter RTD und eine an einem ausgewählten Punkt installierte faseroptische Sonde. Die Lesung beschreibt diesen Punkt.
Bei der indirekten Bestimmung wird die Wicklungstemperatur aus anderen Größen wie obere Öltemperatur, Laststrom, einem thermischen Modell oder einer thermischen Simulation abgeleitet. Das Standardbeispiel ist ein herkömmlicher Transformator-WTI. Der Messwert beschreibt den berechneten Wickelzustand, basierend auf dem Modell.
Direkt bedeutet nicht automatisch, dass es in jeder Anwendung besser geeignet ist. Indirekte Methoden sind einfach, etabliert und ohne internen Zugriff auf die Wicklung verfügbar, direkte Methoden liefern Messdaten an ausgewählten Orten. Sie dienen unterschiedlichen technischen Zwecken und die Wahl hängt davon ab, was das Projekt wissen muss. Die Wicklungstemperatur kann auch als absoluter Wert oder als Temperaturanstieg relativ zu einer geeigneten Referenz ausgewertet werden, wie in unserem Artikel über Transformator-Temperaturanstieg.
erläutertWicklungstemperaturfühleren in Transformatoren
Bei Öltransformatoren ist der Zugang zur inneren Wicklung nach der Herstellung schwierig. Direkte interne Sonden müssen daher normalerweise während der Konstruktion und Herstellung geplant werden. WTI-Anordnungen und Top-Oil-Messungen werden häufig als externe Überwachungsanordnungen verwendet, da sie keinen Zugang zur Wicklung erfordern.
Wenn faseroptische Sonden in den Transformator eingebaut sind, können sie direkte Messungen an ausgewählten Wicklungspositionen ermöglichen. Anhaltende Wicklungs- und Hot-Spot-Temperaturen tragen zur thermischen Belastung der Isolierung bei, ein Zusammenhang, der in unserem Artikel über die Alterung von Transformatoren.
behandelt wirdInformationen zu den verfügbaren Messansätzen für Transformatoren finden Sie auf unserer Seite zur Überwachung der Transformatortemperatur. Die einzelnen Methoden und ihre Anwendung werden im Artikel wie die Temperatur der Transformatorwicklung gemessen wird verglichen.
Wicklungstemperaturfühleren in Motoren und Generatoren
Motoren und Generatoren überwachen üblicherweise die Statorwicklungstemperatur an ausgewählten eingebetteten Stellen. Die Lagertemperatur wird separat überwacht und dient einem anderen Zweck. Die beiden sollten nicht verwechselt werden, da die Lagertemperatur keinen Hinweis auf den Wicklungszustand gibt.
Widerstandsthermometer werden häufig zur Überwachung der Statorwicklung in Motoren und Generatoren eingesetzt. Faseroptische Sensoren können dort in Betracht gezogen werden, wo elektrische Isolierung, eine starke elektromagnetische Umgebung, Hochspannungsbedingungen oder spezielle Testbedingungen die optische Erfassung sinnvoll machen. In diesem Fall wird ein faseroptische Temperaturfühler für die Motorwicklung mit seiner Messspitze an der ausgewählten Wicklungsstelle installiert.
In diesem Abschnitt wird beschrieben, wie die Wicklungstemperaturerkennung in Motoren und Generatoren implementiert wird. Es werden nicht alle Motorsensortypen im Detail verglichen, da dies eine separate Frage ist. Für den breiteren Anwendungskontext siehe Motor- und Generatortemperaturüberwachung.
Wicklungstemperaturanzeige vs. Wicklungstemperaturfühler
Benutzer, die nach einem Begriff suchen, meinen oft den anderen. Ein Detektor ist der weiter gefasste Begriff und kann sich auf die tatsächliche Erfassungs- oder Erkennungsmethode beziehen, unabhängig davon, ob es sich dabei um einen Sensor an einem physischen Ort oder eine Berechnung aus anderen Größen handelt. Bei einem Indikator geht es in der Regel um die Anzeige, Anzeige, Verarbeitung oder Simulation eines Wicklungstemperaturwerts.
Bei Transformatoren hat WTI einen spezifischen Branchenkontext und bezieht sich normalerweise auf die oben beschriebene öl- und ladungsbasierte Vereinbarung. Nicht jeder Wicklungstemperaturanzeiger ist nur eine Anzeige, da einige über Alarm- oder Kontrollfunktionen verfügen. Die spezifischen Ausgaben hängen vom Produkt ab und werden hier nicht behandelt.
Wo wird ein Wicklungstemperaturfühler installiert?
Transformatorwicklungen
Direktsonden benötigen ausgewählte physische Orte innerhalb der Wicklung. Diese Standorte werden während der Konstruktion und Herstellung vereinbart, wenn die Wicklung zugänglich ist. Eine Sonde meldet die Temperatur an ihrer eigenen Position und an keiner anderen.
Motor- und Generator-Statorwicklungen
Eingebettete Sensoren können während der Wicklung positioniert werden. Die Positionen sind abhängig von der Maschinenkonstruktion und dem Überwachungsziel.
Externe oder indirekte Vereinbarungen
Eine WTI- oder Top-Oil-Anordnung darf keinen in der Wicklung eingebetteten Sensor beinhalten. Die Messung erfolgt im Öl und daraus wird der Wicklungswert abgeleitet. Genaue Positionen, Lagennummern oder Abstände sind nicht durch eine allgemeine Regel festgelegt und sollten aus den Konstruktions- und Konstruktionsdaten der Ausrüstung stammen.
Überwachung mehrerer Wicklungstemperaturpunkte
Wenn mehrere unabhängige physische Standorte überwacht werden müssen, sind mehrere Erfassungspunkte erforderlich. Bei der faseroptischen Fluoreszenzpunkterfassung entspricht ein Punkt einer Sonde und einem kompatiblen aktiven Kanal auf dem Instrument.
Beispielsweise würden drei unabhängige Punkte normalerweise drei Sonden und mindestens drei kompatible aktive Kanäle benötigen. Dies ist nur eine Illustration und keine universelle Designregel. Die Anzahl der Punkte hängt von der Ausstattung und dem Überwachungsziel ab. Mehrere Sonden liefern mehrere unabhängige Punktmessungen und bilden kein verteiltes Temperaturprofil.
So wählen Sie einen Wicklungstemperaturfühler aus
Wenn Sie die folgenden Punkte der Reihe nach durchgehen, können Sie die Optionen eingrenzen:
- Gerätetyp: Transformator, Motor oder Generator.
- Messziel: wofür die Temperaturdaten verwendet werden.
- Direkte Messung oder Anzeige: ob Messdaten an der Wicklung benötigt werden oder eine berechnete Anzeige ausreicht.
- Erwarteter Temperaturbereich: anhand der Sensor- oder Instrumentendokumentation bestätigt.
- Elektrische Spannungsumgebung: die Isolations- und Isolationsanforderungen am Messpunkt.
- Elektromagnetische Umgebung: die Auswirkung starker Felder auf Leitungen und Signale.
- Anzahl der Messpunkte: Jeder unabhängige Standort benötigt einen eigenen Sensor.
- Installationszugang: ob die Wicklung während der Herstellung oder Wartung erreichbar ist.
- Verfügbarer Platz: der Platz für den Sensor an der vorgesehenen Stelle.
- Verkabelung oder Glasfaserführung: wie die Verbindung das Gerät verlässt.
- Erforderliche Überwachungskanäle: genügend kompatible Kanäle für alle Punkte.
- Integrationsanforderungen: die Schnittstelle des bestehenden Überwachungs- oder Steuerungssystems.
- Neuausrüstung oder Nachrüstung: Welches der beiden gilt?
Neue Ausrüstung vs. Nachrüstung
In einem neuen Transformator, Motor oder Generator können eingebettete Sensoren während der Herstellung geplant werden. Messpunkte können mit dem Konstrukteur vereinbart, Sensoren platziert werden, während die Wicklung zugänglich ist, und die Verlegung von Drähten oder Fasern kann in die Konstruktion integriert werden.
Bei vorhandenen Geräten kann der Zugang zur internen Wicklung eingeschränkt sein. Es kann nicht davon ausgegangen werden, dass direkte interne faseroptische Sensoren immer nachgerüstet werden können. Die Machbarkeit hängt vom physischen Zugang, dem Gerätedesign und dem Wartungsumfang ab und erfordert in jedem Fall eine technische Prüfung.
Grenzen einer Wicklungstemperaturmessung
„Ein WTI misst immer direkt die Wicklung.“
Nicht unbedingt. Herkömmliche WTI-Transformatoranordnungen leiten den Wicklungswert üblicherweise aus der Temperatur und Last des oberen Öls ab, sodass das Ergebnis berechnet oder simuliert und nicht von einem Sensor am Leiter abgelesen wird.
„Ein Detektor misst die gesamte Wicklung.“
Punktsensoren messen nur die Orte, an denen sie installiert sind. Für die Abdeckung einer Wicklung sind ausreichend Sensoren an geeigneten Stellen erforderlich.
„Obere Öltemperatur ist Wicklungstemperatur.“
Es handelt sich um unterschiedliche Messgrößen. Unter Last ist die Wicklung im Allgemeinen heißer als das Öl um sie herum, und der Unterschied ändert sich mit der Belastung und Abkühlung.
„Mehrere Glasfasersonden sind DTS.“
Das sind sie nicht. Mehrere Sonden liefern weiterhin mehrere unabhängige Punktmessungen und es wird kein kontinuierliches Profil entlang der Faser erzeugt.
„Die gleiche Detektoranordnung passt zu jedem Transformator und Motor.“
Gerätedesign und Messziel unterscheiden sich je nach Anwendung, daher muss die Anordnung für jeden Fall individuell gewählt werden.
Schlussfolgerung
Ein Wicklungstemperaturfühler ist keine einzelne Sensortechnologie. Abhängig von der Ausrüstung kann die Wicklungstemperatur direkt mit Widerstandsthermometer oder faseroptischen Sonden gemessen oder indirekt durch Geräte wie einen Transformator WTI dargestellt werden.
Widerstandsthermometer sind eine etablierte Form der direkten elektrischen Messung an installierten Standorten. Ein WTI ist ein transformatororientierter thermischer Indikations- und Simulationsansatz. Faseroptische Sensoren ermöglichen eine direkte Punktmessung über einen optisch isolierten Erfassungspfad. Keine der drei ist in jedem Fall die beste.
Die geeignete Methode hängt von der Ausrüstung, dem Messpunkt, der elektrischen Umgebung und davon ab, ob das Projekt direkte Temperaturdaten oder eine indirekte thermische Anzeige erfordert.
Wenn Ihr Projekt eine direkte Messung der Wicklungstemperatur erfordert, kann INNO Ihnen bei der Überprüfung der Erfassungspositionen, der Sondenkonfiguration, der Faserführung und der Kanalanforderungen helfen.
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