Verfahren und Anordnung zum Erkennen von Teilentladungen bei einem elektrischen Betriebsmittel

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Gasisolierte Schaltanlagen sind aus der Produktbroschüre

„Gasisolierte Schaltanlagen, Baureihe 8DN8 bis 170 kV, 63 kA, 4000 A" der Siemens AG, 2011, Bestell-Nr. E50001-G620-A122- VI, bekannt. Bei einer Zustandsüberwachung von gasisolierten Schaltanlagen (GIS) liegt das Hauptaugenmerk auf der

Erkennung von Teilentladungen (TE) , da diese bei den meisten Fehlerszenarien auftreten. Das Mittel der Wahl ist die

Detektion der TE mittels Messung elektromagnetischer Wellen, die sich bei jeder TE in der GIS ausbreiten. Diese werden typischerweise im Ultrahochfrequenzbereich (UHF-Bereich) erfasst, der sich von einigen hundert MHZ bis wenigen GHz im Frequenzspektrum befindet.

Im Falle einer TE treten elektromagnetische Impulse

typischerweise mehrfach pro Sinuswelle (der Netzspannung, z.B. 50Hz) auf. Diese Impulse sind breitbandig, werden aber durch die GIS bauartbedingt in einigen Frequenzbereichen mehr gedämpft als in anderen. Der ideale Frequenzbereich zur

Erfassung von TE variiert daher für GIS unterschiedlichen Typs. Ein Verfahren zur Zustandsüberwachung muss TE sicher erfassen und deswegen sensitiv genug sein, die

elektromagnetischen Impulse der zu überwachenden GIS erfassen zu können. Um dies sicher zu stellen wird das System bei Inbetriebnahme mittels eines sog. Kaiibrators eingestellt. Der Kaiibrator kann, z.B. einen elektromagnetischen Referenz- Impuls bereit stellen, um das Verfahren bzw. die

entsprechende Anordnung zum Erkennen von Teilentladungen zu kalibrieren . Ein typisches Setup eines UHF-TE-Monitoring Systems besteht aus Filterkomponenten, einer Signalverstärkung und einem Analog-Digital-Wandler, der schnell und präzise ein 12 Bit Signal erzeugen kann. Ferner wird eine Störsignalfilterung und eine Fehlerursachenerkennung nach dem sog. Point-on-Wave Analyseverfahren durchgeführt. Es werden zusätzlich eine Datenspeicherung, eine Visualisierung und

Kommunikationsprotokolle benötigt. Die zugrundeliegende Hard- und Software wird teilweise bis zu sechsmal pro Feld

eingesetzt. Dies ergibt sich daraus, dass z.B. bei einer dreiphasigen Ausführung einer GIS mit einphasiger Kapselung für jede Phase jeweils vor und nach einem Leistungsschalter eine Messeinrichtung für TE benötigt wird. Das Resultat des bisherigen Ansatzes sind komplexe und teure Systeme, die für technische Experten eine direkte Analyse der Fehlerursache und Fehlerschwere erlauben.

Beispielsweise ist ein digitales Zustandsüberwachungssystem für GIS unter dem Markennamen „Assetguard PDM" aus der

Produktbroschüre „Assetguard Switchgear

Condition Monitoring - Integriertes Substation Condition

Monitoring (ISCM®) für HS-Schaltanlagen", Siemens AG 2012, Auftragsnr.: IC1000-G240-A100-X-4A00, bekannt. Auch aus der Dissertation „Teilentladungsmessung im Gigahertz- Frequenzbereich an SF6-isolierten Schaltanlagen" von Rolf Kurrer aus dem Jahr 1997, Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik der Universität Stuttgart, ISBN 3-8265- 2211-7, sind Verfahren zur Auswertung von UHF-Signalen für eine Erkennung von Teilentladungen in GIS bekannt. Andere bisher bekannte Ansätze nutzen eine akustische

Überwachung im Hinblick auf bei Teilentladungen entstehende Geräusche oder analysieren chemische Veränderungen im

Isoliergas, die bei Teilentladungen auftreten. Ausgehend von dem bisher bekannten Verfahren zum Erkennen von Teilentladungen bei einem elektrischen Betriebsmittel mittels UHF Auswertung stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, das vergleichsweise einfach und

kostengünstig ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass ein

elektromagnetischer Impuls einer TE schmalbandig gefiltert, verstärkt und mit einer einstellbaren Referenzspannung verglichen wird. Dieses vereinfachte Verfahren ermöglicht eine Umsetzung mit analogen Schaltungen, was gegenüber den bisher eingesetzten digitalen Systemen wesentlich

kostengünstiger und zuverlässiger ist. Ferner ist es

vorteilhaft, dass die Auswertung des schmalbandigen Signals deutlich einfacher möglich ist als eine Analyse eines

breitbandingen UHF-Signals, wie es bisher im Stand der

Technik üblich war.

Da das erfindungsgemäße Verfahren als ein reiner Indikator für das Vorliegen von Teilentladungen konzipiert ist, ist es akzeptabel, wenn nicht jeder TE-Impuls erkannt wird.

Signifikante TE-Impulse treten bei Vorliegen eines Fehlers in einer GIS z.B. mehrmals pro 50Hz Periode auf. Daher ist es ausreichend, eine Teilentladung in einer akzeptablen Zeit von beispielsweise einer Sekunde zu erkennen. Beispielsweise kann das System bei der Installation so kalibriert werden, dass es Fehlalarme vermeidet. Es kann z.B. eine einfache Ein-Punkt- Kalibrierung erfolgen, was vergleichsweise kostengünstig und schnell durchgeführt werden kann.

Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren wird eine Teilentladung also rein quantitativ bestimmt und als Ja/Nein Information über das Vorliegen von Teilentladungen ausgegeben. Anstatt wie bisher das Signal breitbandig zu verarbeiten, wird erfindungsgemäß ein schmalbandiger Filter eingesetzt. Dieser schmalbandige Filter ermöglicht auf einfache Weise eine vergleichsweise gute Störunterdrückung. Eine schnelle und präzise Analog-Digital-Wandlung und Auswertung von Signalen mit einem digitalen Signalprozessor ist nicht erforderlich.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Sensoreinrichtungen interne und/oder externe Antennen zum Empfang von elektromagnetischen Signalen verwendet. Die intern und extern empfangenen UHF-Signale werden jeweils in gleicher, erfindungsgemäßer Weise

ausgewertet. Kommt ein mittels einer internen Antenne

erkanntes TE-Signal auch in den empfangenen UHF Signalen einer zugeordneten externen Antenne vor, so handelt es sich um eine von außen einwirkende Störung und nicht um eine in der GIS vorkommende TE . Ein solches als äußere Störeinwirkung erkanntes Signal wird folglich nicht als Teilentladung gewertet und bei einer weiteren Auswertung nicht

berücksichtigt .

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Signal einer erkannten Teilentladung mittels eines Kippstufenausgangs in ein digitales Signal umgewandelt. Die Referenzspannung wird vorher so eingestellt, dass die elektronische Kippstufe bei eingespeistem

Referenzimpuls

zuverlässig schaltet. Dies ist ein Vorteil, weil die

Komplexität des Signals weiter vereinfacht wird. Ein

digitales Signal bedeutet, dass bei Erkennung einer

Teilentladung beispielsweise eine Spannung mit vorgegebener Höhe ausgegeben wird und bei keiner Erkennung einer

Teilentladung keine Spannung ausgegeben wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Kippstufenausgang ein Schmitt-Trigger

verwendet. Dies ist ein Vorteil, weil sog. Schmitt-Trigger in der analogen Schaltungstechnik lange erprobt und verbreitet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Halteglied zum Verlängern der Zeitdauer des digitalen Signals eingesetzt. Das nachgeschaltete

Halteglied verlängert die Dauer eines detektierten Impulses so, dass z.B. mechanische Schaltelemente zum Anzeigen einer TE Aktivität eingesetzt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für die Sensoreinrichtung, die

Filtereinrichtung, die Verstärkereinrichtung, den

Kippstufenausgang, das Halteglied und die Auswerteeinrichtung jeweils analoge elektrische Schaltungen verwendet. Dies ist ein Vorteil, weil analoge Schaltungen besonders kostengünstig und langlebig sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die elektromagnetischen Impulse in einem Frequenzbereich bis 2 GHz erfasst und für das schmale

Frequenzband wird eine Frequenzbreite von höchstens 200 MHz verwendet . Ferner stellt sich ausgehend von bisher bekannten Anordnungen zum Erkennen von Teilentladungen bei einem elektrischen

Betriebsmittel mittels UHF Auswertung an die Erfindung die Aufgabe, eine Anordnung anzugeben, die vergleichsweise einfach und kostengünstig zur Überwachung einer GIS

einsetzbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 9 bis 14. Dabei ergeben sich für die erfindungsgemäße Anordnung und ihre Ausführungsformen

sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für das

erfindungsgemäße Verfahren erläutert.

Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigt in schematischer Darstellung die

Figur 1 ein Beispiel für eine Verteilung von

Teilentladungen bei einer GIS, und Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Verfahrens, und

Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für den Einsatz

interner und externer Antennen bei einer GIS, und

Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für den Einsatz

interner und externer Antennen bei einer GIS, und

Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für den Einsatz

interner und externer Antennen bei einer GIS, und

Figur 6 ein viertes Ausführungsbeispiel für den Einsatz

interner und externer Antennen bei einer GIS.

Die Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine Verteilung von

Teilentladungen bei einer gasisolierten elektrischen

Schaltanlage. Auf der z-Achse ist die Amplitude, auf der x- Achse der Phasenwinkel φ und auf der y-Achse die Zeit in Sekunden aufgetragen. Die Abbildung zeigt, dass bei einer realen gasisolierten Schaltanlage Teilentladungen bei bestimmten Phasenwinkeln gehäuft auftreten. Dies gibt dem Fachmann einen Hinweis darauf, an welchem Teil der

gasisolierten elektrischen Anlage intern Teilentladungen auftreten. Typischerweise treten Teilentladungen bei GIS mehrmals pro Stunde auf, wenn ein Fehler in der Schaltanlage vorliegt. Bei modernen GIS sollten im Normalbetrieb trotz der vergleichsweise kompakten Bauweise mit kleinen

Isolationsabständen keine Teilentladungen auftreten.

Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des

erfindungsgemäßen Verfahrens 1. Dargestellt sind einzelne Verfahrensschritte, wobei auf der nach oben orientierten Achse die Amplitude jeweils durch den Buchstaben A

gekennzeichnet ist. Beginnend links oben in der Abbildung treten vier elektromagnetische Impulse 2,3,4,5 im

Millisekundenbereich auf. Die Impulse 2,3,4,5 werden z.B. mittels eines Sensors bzw. einer internen Antenne in der GIS gemessen .

Im nächsten Schritt ist ein einzelner dieser Impulse 5 im Frequenzbereich dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der Impuls 5 sehr breitbandig, d. h. über ein großes

Frequenzspektrum, vorliegt.

Im dritten Bild von links ist zu erkennen, dass der

vorliegende Einzelimpuls 5 aus dem vorherigen Bild eine

Dämpfung erfährt. Die Dämpfung ergibt sich bauartbedingt durch die gasisolierte Schaltanlage und die verwendete

Antenne (bzw. den Sensor), die den elektromagnetischen Impuls aufnimmt. Im dargestellten Beispiel werden Frequenzen im sehr niedrigen GHz-Bereich und im Bereich über 1 GHz im

Wesentlichen durch die Bauart der gasisolierten Schaltanlage und der Antenne gedämpft. Im Bereich einiger 100 MHz jedoch liegt das Signal mit großer Amplitude und nur geringer

Dämpfung vor, was schematisch durch einen halbkreisförmigen Bogen 6 angedeutet ist. In diesem gering gedämpften Bereich 6 wird ein schmalbandiger Filter 7 eingesetzt. Der

schmalbandige Filter 7 isoliert einen Frequenzanteil des elektromagnetischen Impulses 5 für eine weitergehende

Analyse. Typischerweise ist die Frequenzbreite des

schmalbandigen Filters geringer als 300 MHz, bevorzugt geringer als 200 MHz und noch mehr bevorzugt geringer als 100 MHz angesetzt.

Das vierte Bild von links in der ersten Reihe zeigt, dass die vier ursprünglichen Impulse 2, 3, 4, 5 nach der

schmalbandigen Filterung nach der Zeit aufgetragen mit deutlich verringerter Amplitude vorliegen.

Der nächste Schritt ist in der zweiten Zeile im Schritt ganz links abgebildet. Die Signale 2, 3, 4, 5 werden verstärkt und im nächsten Schritt, dem zweiten Bild von links, mit einem Schwellenwert 4' für die Amplitude A verglichen. Es zeigt sich, dass lediglich das Signal 3 den Schwellenwert 4 ' für die Amplitude A überschreitet. Dieses Signal 3 wird im nächsten Schritt einem Kippstufenausgang zugeführt. Durch den Kippstufenausgang wird aus dem Signal ein binäres Signal, d. h. eine 0/1- bzw. j a/nein-Informationen 7, die angibt, ob eine Teilentladung vorgelegen hat oder nicht. Es erfolgt also beim erfindungsgemäßen Verfahren keine aufwändige

Mustererkennung wie bei bisherigen Verfahren zur Erkennung von Teilentladungen. Im letzten Schritt, dem vierten Bild von links in der zweiten Reihe, wird mittels eines Halteglieds die Ausgabedauer des Signals 43 auf den Sekundenbereich ausgedehnt. Die ermöglicht eine Anzeige mit einfachen mechanischen oder elektronischen Anzeigeeinrichtungen .

Im Ergebnis wird durch den Einsatz des schmalbandigen Filters ein Kompromiss zwischen möglicher Signalstärke nach der

Filterung und dem Herausfiltern möglichst vieler Störungen erreicht. Wird beispielsweise ein Teil aller in der GIS auftretenden Teilentladungen, also z.B. 3-5 % der

Teilentladungen, erfasst, so können davon durch das

erfindungsgemäße Verfahren nach einer Filterung z.B. noch die Hälfte der Teilentladungen erkannt und angezeigt werden. Dies ist aber für den Einsatz unter realen Bedingungen kein

Problem, weil der einfache und kostengünstige Ansatz des erfindungsgemäßen Verfahrens periodisch immer wiederkehrende Teilentladungen erkennt und dem Fachmann bzw.

Wartungspersonal diese Information anzeigt. Die Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für den Einsatz interner und externer Antennen bei einer

gasisolierten Schaltanlage. Es werden sechs interne Antennen 9-14 eingesetzt. Weiterhin wird eine externe Antenne 16 eingesetzt, um von außen einwirkende elektromagnetische

Strahlung zu erfassen und zur Auswertung und Erkennung von

Störungen heranzuziehen. Die internen Antennen 9-14 befinden sich innerhalb einer gasisolierten Schaltanlage. Alle

Antennen 9-14,16 sind über Leitungen 15 mit einer Auswertungsanordnung 17 verbunden. In der

Auswertungsanordnung 17 wird für jede der Antennen 9-14,16 das erfindungsgemäße Verfahren 1 durchgeführt, wobei sich für die empfangenen Signale der Antennen 9-14,16 jeweils eine binäre Information darüber ergibt, ob Teilentladungen

vorgelegen haben oder nicht. Das Vorliegen von Signalen, die auf eine internen Teilentladung hinweisen, ist jeweils in der Zeitdomäne und unterhalb der betreffenden internen Antennen 9-14 oder der externen Antenne 16 aufgetragen.

Es zeigt sich, dass die internen Antennen 10, 11, 12 sowie die externe Antenne 16 zur selben Zeit ein Signal 20,23,25,27 auffangen, das eine Teilentladung sein könnte. Da jedoch dieses Signal nicht nur intern, sondern auch über die externe Antenne 16 aufgefangen wurde, wird dieses Signal nicht als eine Teilentladung, sondern als eine externe Störquelle 31 bewertet. Zu einem späteren Zeitpunkt erfassen die internen Antennen 11, 13 die Signale 26, 29. Gleichzeitig erfasst aber die externe Antenne 16 ebenfalls ein Signal 21. Daher wird auch dieses Signal einer externen Störquelle 32 und nicht einer Teilentladung zugeordnet. In gleicher Weise ergibt sich aus den Signalen 22, 24, 30 eine weitere externe Störquelle 34. Solche externen Störquellen können beispielsweise

Handysignale sein, die in einem benachbarten GHz- Frequenzbereich Funksignale aussenden.

Es gibt jedoch innerhalb der erfassten Zeitspanne ein Signal 28, das von der internen Antenne 12 erfasst wurde. Dieses Signal liegt bei keiner anderen internen oder externen

Antenne vor. Daher wird dieses Signal 28 als eine

Teilentladung 33 registriert und dem Nutzer angezeigt. Dieses Beispiel verdeutlicht, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich eine binäre Information darüber, ob eine Teilentladung vorliegt, ermittelt werden kann. Es erfolgt keine genauere Mustererkennung, mit deren Hilfe ein Experte weitere Details über die Teilentladungsursache erkennen könnte. Die ermöglicht schätzungsweise, mittels der

erfindungsgemäßen Anordnung eine bis zu 50 % kostengünstigere Überwachung einer gasisolierten Schaltanlage bereitstellen zu können. Bisherige Systeme mit bis zu 100 Kanälen für z. B. 13 Felder einer gasisolierten Schaltanlage haben einen

Marktpreis von 250 000 bis 300 000 Euro. Durch die Einsparung der digitalen Hardware und Signalverarbeitungskomponenten sowie der aufwendigen Verdrahtung und eines eingebauten PCs kann das hier vorgestellte vereinfachte Verfahren bzw. System deutlich kostengünstiger angeboten werden. Die Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für den Einsatz interner und externer Antennen 9-14,16 bei einer gasisolierten Schaltanlage. In diesem Ausführungsbeispiel wird im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 eine Mustererkennungseinrichtung 40 zur Analyse von

Teilentladungsdetails vorgesehen. Jede der internen Antennen erhält zusätzlich einen Anschluss 41-46, der über einen

Schalter mit der internen Antenne 9-14 verbunden ist. Im dargestellten Beispiel sind die Antennen 9, 11, 12, 13, 14 jeweils in der Mustererkennungseinrichtung 40 derart

geschaltet, dass eine Auswertung mittels des vereinfachten erfindungsgemäßen Verfahrens 1 erfolgt. Lediglich die interne Antenne 11 ist über ihren Anschluss 42 mit der

Mustererkennungseinrichtung 40 verbunden. Auf diese Weise kann eine bei der Antenne 11 erkannte interne Teilentladung beispielsweise mittels der Mustererkennungseinrichtung 40 genauer analysiert werden, um eine Fehlerursache zu

identifizieren. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass zunächst alle internen Antennen mit dem vereinfachten Verfahren 1 ausgewertet werden. Es ergeben sich durch den Vergleich mit der externen Antenne wie eingangs erläutert binäre Signale, die entweder als Teilentladung oder als externe Störquelle identifiziert werden. Wird nun

beispielsweise bei der Antenne 11 eine Teilentladung

registriert, so kann die Antenne 11 über den Anschluss 42 auf die Mustererkennungseinrichtung 40 geschaltet werden, um periodisch später auftretende Teilentladungen einer genaueren Analyse zu unterziehen. Dieser Ansatz ist sehr kostengünstig, weil der Verdrahtungsaufwand minimiert wird und die notwendige Hardware für eine rechentechnisch aufwändige

Mustererkennung, z.B. unter Heranziehung eines sog. Point-on- Wave Verfahrens, nur einmal vorgesehen wird. Die Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für den Einsatz interner und externer Antennen 9-14,16 bei einer gasisolierten Schaltanlage. Im Unterschied zu den vorherigen Beispielen wird hier jedoch zur Minimierung von

Störeinflüssen und Signaldämpfung durch die eingesetzten Kabel 15 eine andere Bauweise bevorzugt. Die internen

Antennen 9-14 werden derart ausgerüstet, dass das

erfindungsgemäße Verfahren 1 direkt in oder an den

Anschlussboxen der internen Antennen installiert werden kann. Die Figur 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel für den Einsatz interner und externer Antennen bei einer

gasisolierten Schaltanlage. In diesem Beispiel wird wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 eine binäre Auswertung empfangener elektromagnetischer Wellen bei den internen

Antennen 9-14 vorgenommen. Die internen Antennen 9-14

verfügen aber nun ebenfalls über eine Schalteinrichtung wie in Figur 4, sodass eine Mustererkennungseinrichtung 40 zugeschaltet werden kann. In diesem Beispiel ist die interne Antenne 11 mit der Mustererkennungseinrichtung 40 verbunden. Auf diese Weise kann auch bei einer Verwendung des

erfindungsgemäßen Verfahrens direkt innerhalb der

Anschlussboxen der internen Antennen eine genaue Auswertung und Analyse von Fehlerursachen einer Teilentladung erfolgen.