Verfahren zum Feststellen unsymmetrischer Schwingungen beim Betrieb eines an ein Hochspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Geräts

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen unsym metrischer Schwingungen beim Betrieb eines elektrischen Ge räts, das an ein Hochspannungsnetz angeschlossen ist.

Bei elektrischen Transformatoren, wie sie in Energie- Übertragungs- und Verteilungsnetzen eingesetzt werden, kann es zu einer unerwünschten Einspeisung eines Gleichstroms bei spielsweise in die Wicklungen kommen. Auch leistungselektro nische Baukomponenten im Netz, beispielsweise die Ansteuerung elektrischer Antriebe, Umrichter für Flexible AC Transmission Systeme oder die Hochspannungsgleichstromübertragung können für Gleichströme im elektrischen Gerät sorgen. Eine andere Ursache für Gleichstöme können so genannte "Geomagnetically Induced Currents" (im Folgenden auch kurz als GIC bezeichnet) sein.

Ein Gleichstromanteil hat im Kern des Transformators einen magnetischen Gleichfluss-Anteil zur Folge, der sich dem Wech selfluss überlagert. Es kommt zu einer unsymmetrischen Aus steuerung des magnetischen Werkstoffs im Kern was eine Reihe von Nachteilen mit sich bringt. Bereits ein Gleichstrom von einigen Milliampere führt zu einer Sättigung des Kerns mit magnetischem Fluss. Damit verbunden ist eine signifikante Er höhung der Verluste im Kern (z.B.: 20-30%). Erwärmungsproble me können insbesondere bei großem GIC auftreten. Es kommt ferner bei Betrieb zu einer erhöhten Geräuschemission, die insbesondere dann als besonders störend empfunden wird, wenn der Transformator in der Nähe eines Wohnbereichs installiert ist.

Zur Gleichstrom-Kompensation bzw. Verringerung von Betriebs geräuschen eines Transformators als elektrisches Gerät sind verschiedene aktiv und passiv wirkende Einrichtungen bekannt. Bevor kostenintensive Maßnahmen zur Gleichstromkompensation ergriffen werden, sollte jedoch sicher sein, ob ein solcher Gleichstromanteil überhaupt vorliegt. Es ist bekannt, dass beim Betrieb eines beispielsweise als Transformator ausge führten elektrischen Geräts Gleichstromanteile, die in dem Transformator fließen, zu unsymmetrischen Schwindungen des Transformators führen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der ein gangs genannten Art zu schaffen, mit dem einfach, schnell und sicher festgestellt werden kann, ob beim Betrieb in einem Hochspannung führenden elektrischen Versorgungsnetz das elektrische Gerät unsymmetrisch schwingt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass Vibrationen, die beim Betreiben des elektrischen Geräts entstehen, mittels Schwingungsaufnehmer erfasst werden, die ausgangsseitig Mess werte bereitstellen, die Messwerte und/oder die von den Mess werten abgeleiteten Werte über eine Nahbereichs- Kommunikationsverbindung an eine Kommunikationseinheit über tragen werden, die Messwerte und/oder die von den Messwerten abgeleiteten Werte über eine Fernbereichs-Kommunikations- verbindung (13) von der Kommunikationseinheit an eine Daten- verarbeitungs-Cloud übertragen werden, die Messwerte und/oder die von den Messwerten abgeleiteten Werte von der Datenverar- beitungs-Cloud mittels einer Fouriertransformation unter Ge winnung eines Frequenzspektrums in ihre Frequenzanteile zer legt werden, in Abhängigkeit einer Grundfrequenz des Hoch spannungsversorgungsnetzes gerade und ungerade Frequenzantei le des Frequenzspektrums ermittelt und in ein Verhältnis R zueinander gesetzt werden, auf das Vorliegen unsymmetrischer Schwingungen geschlossen wird, wenn das Verhältnis R einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.

Erfindungsgemäß kann schnell, einfach und mit hoher Sicher heit festgestellt werden, ob in einem elektrischen Gerät, wie beispielweise einem Leistungstransformator beim Betrieb un- symmetrische Schwingungen auftreten. Bisher erfolgte der Nachweis von unsymmetrischen Schwingungen durch aufwändige elektrische Messungen oder akustische Messreihen am elektri schen Gerät. Die Analyse der Messdaten musste durch Experten erfolgen. Mit anderen Worten hatten die vorbekannten Verfah ren hohe Kosten im Gefolge. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hingegen nicht nur kostengünstig, sondern kann darüber hinaus einfach in Gang gesetzt werden, ohne dass ein besonde res Fachwissen erforderlich ist. Es kann daher von beliebigen Nutzern, beispielsweise den Betreibern des elektrischen Ge räts, durchgeführt werden. Werden unsymmetrische Schwingungen nachgewiesen, können geeignete Maßnahmen zu deren Unterdrü ckung ergriffen werden.

Beim Betrieb des elektrischen Geräts ist dieses im Rahmen der Erfindung an ein Hochspannungsnetz angeschlossen. Das elekt rische Gerät ist daher für Hochspannungen zwischen 1 KV und 1300 kV ausgelegt und beispielweise ein Transformator, insbe sondere Leistungstransformator, oder eine Drossel. Ein sol cher Transformator oder eine solche Drossel verfügt bevorzugt über einen mit einem Isolierfluid befüllten Tank. In dem Tank ist ein Aktivteil angeordnet, das einen magnetisierbaren Ker ne und wenigsten eine Wicklung aufweist. Wenigstens eine Wicklung ist beim Betrieb mit dem Wechselspannung führenden Hochspannungsnetz verbunden. Als Isolierfluid kommt bei spielsweise eine Esterflüssigkeit oder ein mineralisches Öl in Betracht. Es dient neben der elektrischen Isolation des Aktivteils gegenüber dem auf Erdpotential liegenden Tank auch zur Kühlung der Bauteile.

Abweichend davon ist der elektrischen Gerät beispielsweise ein Gießharz- oder Trockentransformator. Die Wicklungen eines Trockentransfomators sind in einem Harzblock oder Harzfolie angeordnet. Das Harz dient als fester Isolierstoff. Ein mit Isolierfluid befüllter Tank ist bei einen Trockentransforma tor nicht vorgesehen. Mathematisch kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis unsymmetrischer Schwingungen, wie folgt beschrieben werden.

S _xN sei der Signalwert des Frequenzspektrums in willkürlichen Einheiten, wobei x für gerade (x=g), ungerade (x=u) oder rau schen (x=n) steht. N ist die Ordnungszahlt des Signals, wobei N=1 der Grundschwingung entspricht und N=2,3,4, ... , Nmax den harmonischen Oberschwingungen. Gerade Frequenzen f _gN ergeben sich bei einer Speisespannung von 50 Hz gemäß f _gN = 50*2*N. Ungerade Frequenzen ergeben sich nach f _UN = 50*(2*N + 1). Ein Gleichstromanteil im elektrischen Gerät verursacht einen zu sätzlichen ungeraden Anteil am Gesamtspektrum. Setzt man nun die Summe aller ungeraden Anteile am Gesamtspektrum ins Ver hältnis R zu den geraden Anteilen am Gesamtspektrum und über schreitet dieses Verhältnis R eine zuvor festgelegten Schwel lenwert, kann auf das Vorliegen unsymmetrischer Schwingungen geschlossen werden. Die Größe von R zeigt die Auswirkung der unsymmetrischen Schwingungen auf den Kern. Unsymmetrische Schwingungen können auf einen Gleichstromanteil hinweisen, der über das elektrische Gerät fließt.

Die Kommunikationseinheit weist im Rahmen der Erfindung bei spielsweise wenigstens einen analogen und wenigstens einen digitalen Eingang auf. Somit können mehrere Sensoren mit ei ner Kommunikationseinheit verbunden werden. Nicht alle Senso ren müssen akustische Sensoren sein. Die Kommunikationsein heit kann auch mit Strom-, Spannungs-, Temperatur- oder Druck-Sensoren verbunden sein. Die Kommunikationseinheit ver fügt beispielsweise über einen Haupt- und einen Nebenprozes sor sowie über eine Speichereinheit, in der vorverarbeitete Messwerte oder daraus abgeleitete Werte abgelegt und bearbei tet werden können, z.B. durch Mittelwertbildung. Die Messwer te verschiedener Sensoren können daher gemeinsam von einer Kommunikationseinheit über eine Fernbereichskommunikations verbindung an die Datenverarbeitungs-Cloud gesendet werden.

Der Nutzer des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beispielswei se ein Betreiber eines Energieversorgungsnetzes, der für eine Anzahl von Transformatoren, Leistungsschaltern, Kondensator- batterien, Funkenstrecken oder dergleichen verantwortlich ist.

Als elektrischer Schwingungsaufnehmer oder mit andern Worten Sensor kommt im Rahmen der Erfindung jeder Sensor in Be tracht, der Vibrationen oder Schwingungen des elektrischen Geräts eingangsseitig erfassen und in Abhängigkeit der Amplitude Vibrationen ausgangsseitig elektrische Signale be reitstellen kann. Diese elektrischen Signale werden hier als Messwerte bezeichnet. Die elektrischen Signale können analoge elektrische Signale, beispielsweise ein elektrischer Strom oder eine Spannung sein, deren Höhe der Amplitude der empfan genen Schallwelle entspricht. Die Messwerte können jedoch im Rahmen der Erfindung auch digitale Werte sein, die z.B. durch Abtasten der analogen Signale unter Gewinnung von Abtastwer ten und digitalisieren der Abtastwerte erzeugt wurden.

Jeder Schwingungsaufnehmer ist im Rahmen der Erfindung über eine Nahbereichskommunikations-Verbindung mit der Kommunika tionseinheit verbunden. Die Nahbereichskommunikations- Verbindung kann beispielsweise ein einfaches Kabel sein. Ab weichend davon ist die Nahbereichskommunikations-Verbindung beispielsweise eine ZigBee-, eine Bluetooth-, eine Wireless-, Ambus- oder eine WiFi-Kommunikationsverbindung. Die Nahbe- reichs-Kommunikationsverbindung erstreckt sich maximal über 100 Meter.

Die Verbindung zwischen Kommunikationseinheit und Datenverar- beitungs-Cloud erfolgt im Rahmen der Erfindung über eine Fernbereichs-Kommunikationsverbindung . Um diese herzustellen, verfügt die Kommunikationseinheit über eine Fernbereichskom munikationseinrichtung, wie beispielsweise ein Mobilfunkmodul nach GPRS- oder UMTS-Standard auf. Mit diesem wird eine Fern bereichskommunikationsverbindung, vorzugsweise eine IP- basierte Datenverbindung, mit der Datenverarbeitungs-Cloud aufgebaut. Dabei kann beispielsweise ein Anbieter eines Mo bilfunkdienstes oder ein Telekommunikationsanbieter zwischen geschaltet sein und die Fernbereichskommunikationsverbindung kann zumindest teilweise über ein Kommunikationsnetz dieses Anbieters und/oder zumindest teilweise über das Internet her gestellt werden. Zur Herstellung der Verbindung fällt dann ein nur sehr geringer Konfigurations- beziehungsweise Para metrieraufwand an. Außer der Konfigurierung der Fernbereichs- Kommunikationseinrichtung mit den für den Aufbau der Fernbe- reichskommunikations-Verbindung notwendigen Informationen, z.B. den Einbau einer SIM-Karte eines Telekommunikationsan bieters, muss für die einzelne Kommunikationseinheit kein weiterer Aufwand betrieben werden.

Unter einer Cloud oder Datenverarbeitungs-Cloud soll hier ei ne Anordnung mit einer oder mehreren Datenspeichereinrichtun gen und einer oder mehreren Datenverarbeitungseinrichtung verstanden werden, die durch geeignete Programmierung zur Durchführung beliebiger Datenverarbeitungsprozesse ausgebil det werden kann. Die Datenverarbeitungseinrichtungen stellen hierbei in der Regel universelle Datenverarbeitungseinrich tung, wie beispielsweise Server, dar, die hinsichtlich ihrer Konstruktion und ihrer Programmierung zunächst keinerlei spe zifische Auslegung aufweisen. Erst durch eine vorgenommene Programmierung lässt sich die universelle Datenverarbeitungs einrichtung zur Ausführung spezifischer Funktionen ertüchti gen.

Insofern die Cloud mehrere einzelne Komponenten aufweist, sind diese auf geeignete Weise zur Datenkommunikation mitei nander verbunden, beispielsweise durch ein Kommunikations netzwerk. Einer Datenverarbeitungs-Cloud können beliebige Da ten zur Datenspeicherung und/oder Verarbeitung zugeführt wer den. Die Datenverarbeitungs-Cloud selbst stellt die gespei cherten Daten und/oder die Ereignisse der durchgeführten Da tenverarbeitung wiederum anderen Geräten, beispielsweise mit einer Datenverarbeitungs-Cloud verbundenen Computerarbeits stationen, Laptops, Smartphones zur Verfügung. Eine Datenver arbeitungs-Cloud kann beispielsweise durch ein Rechenzentrum oder auch mehrere vernetzte Rechenzentren bereitgestellt wer- den. Üblicherweise ist eine Datenverarbeitungs-Cloud räumlich entfernt von den Hochspannungsgeräten ausgebildet.

Das elektrische Gerät ist im Rahmen der Erfindung ist für ei nen Betrieb im Spannungs- bzw. Hochspannungsnetz ausgelegt, d.h. für eine Betriebsspannung zwischen 1 kV und 1200 kV, insbesondere 50 kV und 800 kV. Das Hochspannungsnetz ist be vorzugt ein Wechselspannungsnetz.

Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Gerät, beispielsweise ein Transformator, insbesondere Leistungstransformator, eine Drossel oder dergleichen.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kommunikationseinheit ein Mobiltelefon. Als Mobiltelefon eig net sich ein so genanntes „Smart Phone" besonders gut. Unter einem Smart Phone ist hier leistungsfähiges Mobiltelefon zu verstehen. Solche Mobiltelefone sind üblicherweise bereits mit einem Mikrophon als akustischen Sensor ausgerüstet. Fer ner verfügt ein solches Mobiltelefon über einen Speicher so wie eine programmierbare Einheit, beispielsweise über wenigs tens einen Prozessor. Das gesamte Mobiltelefon dient jedoch hier nicht zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es dient zum einen zur Verbindung der Datenverarbeitung- Cloud. Das Mobiltelefon erfasst mittels seines Mikrophons die Geräusche eines Transformators und legt die dabei gewonnen Messwerte auf seiner Speichereinheit ab. In vorbestimmten Zeitintervallen erfolgt eine Verbindung mit der Datenverar beitungs-Cloud, an welche die Messwerte einzeln oder gemit telt gesendet werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Kommu nikationseinheit eine Kommunikationsbox. Die Kommunikations box ist beispielsweise am elektrischen Gerät befestigt. Ins besondere ist die Kommunikationsbox an einer Außenwand des elektrischen Geräts befestigt. Die Kommunikationsbox ist so von außen zugänglich. Bei einer Variante des Verfahrens werden die Messwerte mehre rer Schwingungsaufnehmer gemeinsam an die Datenverarbeitungs- Cloud übertragen. Zuvor können die Messwerte jedoch vorverar beitet, also beispielsweis über einen Messzeitraum hinweg ge mittelt werden.

Vorteilhafterweise verfügt das Mobiltelefon also eine andere Kommunikationseinheit über eine Speichereinheit, auf der die Messwerte oder die von den Messwerten abgeleiteten Werte ge speichert werden. Die Speichereinheit vereinfacht die mög licherweise gewünschte Vorverarbeitung der Messwerte.

Bevorzugt werden die Vibrationen an verschiedenen Orten am elektrischen Gerät erfasst. Hierzu nimmt der Nutzer die Vib rationen des elektrischen Geräts an unterschiedlichen Stellen am elektrischen Gerät auf. Anschließend wird für alle Fre quenzanteile aus den jeweils gewonnen Spektren ein Mittelwert über die durchgeführten Messungen gebildet. Bevorzugt führt eine Software den Nutzer hierbei interaktiv, so dass die richtigen Schritte zur richtigen Zeit durchgeführt werden können.

Vorteilhafterweise werden die Vibrationen über eine vorgege bene Zeitdauer hinweg erfasst. Die Zeitdauer liegt bevorzugt im Bereich zwischen 10 und 60 Sekunden für jede Messung.

Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung wird mittels einer Antenne zur Positionsbestimmung, die in der Kommunika tionseinheit angeordnet ist, die geographische Lage der je weiligen Kommunikationseinheit und des damit verbundenen elektrischen Geräts ermittelt und an die Datenverarbeitungs- Cloud übertragen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die akustischen Signale an Stellen (A, B, C, D) am elektrischen Gerät erfasst. Dazu sind die Schwingungsaufneh mer fest im elektrischen Gerät verbaut. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 2 eine weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin dung schematisch verdeutlichen.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein Transformator 1 als elektrisches Ge rät schematisch verdeutlicht ist. Der Transformator 1 verfügt über einen Tank 2, der mit einem Isolierfluid wie einer Es terflüssigkeit oder einem mineralischen Öl befüllt ist. In dem Tank 2 ist ein magnetisierbarer Kern 3 angeordnet, der einen geschlossenen Magnetkreis ausbildet. Die Schenkel des Kerns 3 sind jeweils von zwei konzentrisch zueinander ange ordneten Wicklungen umschlossen, von denen nur die äußere Oberspannungswicklung 4 erkennbar ist. Die Wicklungen sind jeweils über Durchführungen 5 mit den Phasen eines Wechsel spannung führenden Hochspannungsnetzes verbunden.

Ein Ausdehnungsgefäß 6 dient zum Ausgleich temperaturbeding ter Volumenschwankungen des Isolierfluids im Tank 2 des Transformators 1. In der Verbindungsleitung zwischen Tank 2 und Ausdehnungsgefäß 6 ist ein Buchholzrelais 7 erkennbar.

Figur 1 zeigt ferner einen nur schematisch dargestellten Schwingungsaufnehmer 2, der an zwei verschiedenen Orten A und B die Vibrationen des Transformators 1 erfasst. Der Schwin gungsaufnehmer 8 ist über eine Bluetooth-Verbindung 11 als Nahbereichs-Kommunikationsverbindung mit einer Kommunikati onseinheit 12, hier einer Kommunikationsbox, verbunden. Die Kommunikationsbox 12 ist außen an der Wand des Tanks 2 fest montiert. Sie verfügt über eine Speichereinheit, auf der die von dem Schwingungsaufnehmer 8 gelieferten Messwerte ortsauf- gelöst gespeichert werden. Die Kommunikationsbox 12 verbindet sich alle 2 Minuten über eine Fernbereichs-Kommunikations- verbindung 13 mit einer Datenverarbeitungs-Cloud 9 und schickt die auf ihrer Festplatte abgelegten Messwerte über die Fernbereichs-Kommunikationsverbindung 13 an eine Daten verarbeitungs-Cloud 9. Diese führt das weiter oben beschrie bene Analyseverfahren durch, um unsymmetrische Schwingungen des elektrischen Geräts 1 aufzuspüren.

Die Datenverarbeitungs-Cloud 9 verfügt über eine Software, die eine Fouriertransformation der übermittelten Messwerte durchführt. Es folgt die weiter oben bereits beschriebe Bil dung des Verhältnisses R. Aus der Größe von R leitet das er findungsgemäße Verfahren ab, ob und ggf. in welchem Ausmaß unsymmetrische Schwingungen vorliegen und ggf. in welcher Größenordnung der Transformator mit einem Gleichstromanteil belastet wird. Der Nutzer hat mit dem Ergebnis des Verfahrens darüber Gewissheit über den Gleichstromanteil und kann nun angemessene Gegenmaßnahmen einleiten, um den möglicherweise festgestellten Gleichstromanteil zu unterdrücken.

Auf die Datenverarbeitungs-Cloud kann mit einem Laptop oder Rechner 10 zugegriffen werden, um das Ergebnis der Analyse zu erhalten.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens, es ist wieder ein Transformator 1 als elektrisches Gerät erkennbar, der dem in Figur 1 gezeigten Transformator im Wesentlichen entspricht.

Im Gegensatz, zu dem in Figur 1 gezeigten Transformator ver fügt der Transformator 1 gemäß Figur 2 jedoch über vier Schwingungsaufnehmer 8, die innerhalb des Tanks 2 angeordnet sind. Jeder Schwingungsaufnehmer 8 ist über eine Nahbereichs- Kommunikationsverbindung 11, die wieder als Bluetooth- Verbindung ausgebildet ist, mit einer als Kommunikationsbox ausgeführten Kommunikationseinheit 12 verbunden, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht fest am Transformator 1 befestigt ist. Vielmehr befindet sich die Kommunikationsein- heit 12 in einem nahegelegenen figürlich nicht dargestellten Gehäuse, das in etwa 20 m entfernt vom Transformator 1 aufge stellt ist.

Die Kommunikationseinheit 12 verfügt über vier Eingänge, so dass alle vier Sensoren 8 gleichzeitig mit der Kommunikati onseinheit 12 verbunden sind. Die beim Betrieb des Transfor mators 1 erzeugten Vibrationen werden von den Sensoren 8 er fasst, die in Abhängigkeit der Amplitude der Vibrationen oder Schwingungen ein analoges elektrisches Signal, hier einen Strom, erzeugen. Die analogen Signale werden abgetastet und die daraus erhaltenen Abtastwerte digitalisiert. Die digita lisierten Werte sind hier als Messwerte bezeichnet.

Die besagten Messwerte werden über die Nahbereichs-Kommuni- kationsverbindung 11 auf die Kommunikationseinheit 12 über tragen. Diese verfügt über eine figürlich nicht gezeigte Speichereinheit, auf der die Messwerte abgelegt werden.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Messwerte vorverarbeitet, d. h. beispielsweise die im 2 Sekunden-Takt übertragenen Messwerte werden über einen Zeit raum von 2 min hinweg gemittelt und die gemittelten Werte auf der Speichereinheit abgelegt. Alle 2 min stellt die Kommuni kationseinheit 12 eine Verbindung mit der Datenverarbeitungs- Cloud 9 über eine Fernbereichs-Kommunikationsverbindung 13 her. Die Messwerte bzw. die gemittelten Messwerte oder von den Messwerten abgeleitete Werte werden an die Datenverarbei- tungs-Cloud 9 übertragen. Diese führt dann mit Hilfe einer geeigneten Software die Untersuchung der Messwerte durch, mit anderen Worten wird eine Fouriertransformation durchgeführt und das so erhaltene Spektrum auf das Vorliegen unsymmetri scher Schwingungen untersucht. Das Analyseverfahren ist wei ter oben genauer beschrieben.