Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente, welche insbesondere bei einer Durchführung von Teilentladungsmessungen von elektrischen Komponenten, wie z.B. Hochspannungskabeln, rotierenden Maschinen, Transformatoren oder dergleichen verwendet werden können.

Eine Teilentladungsmessung (TE-Messung) ist ein weltweit anerkanntes Verfahren zur Qualitätskontrolle sowohl im Labor als auch im Feld. Teilentladungen (TE) sind gemäß IEC 60270 als lokale dielektrische Durchschläge in einem kleinen Teil eines festen oder flüssigen elektrischen Isolationssystems bei ho- her Spannungsbeanspruchung definiert. Teilentladungen deuten in vielen Fällen auf Isolationsfehler an Hochspannungskomponenten hin. Eine zuverlässige Erkennung und Überwachung von Teilentladungen schützt vor kostenintensiven Ausfällen und Reparaturen und ist daher von entscheidender Bedeutung. Die TE-Messung ist eines der Hauptkriterien bei der Beurteilung der Qualität eines Kabels oder einer Kabelgarnitur sowie deren Montage vor Ort.

Kabel selbst werden beispielsweise mit einer empfindlichen TE-Messung geprüft. Während der Herstellung werden die Kabel in einem abgeschirmten Labor geprüft. Dazu wird das Kabel mit einer Hochspannung, beispielsweise einer Betriebswechselspannung des Kabels, beaufschlagt und mit Hilfe einer Teilent- ladungsmessvorrichtung werden die Teilentladungen über einen vorbestimmten Zeitraum gemessen. Aufgrund der unterschiedlichen Ursachen der Teilentladungen, wie z.B. Lufteinschlüssen in der Isolierung, treten bei der angelegten Wechselspannung im Verlauf einer Periode der Wechselspannung Teilentla- düngen zu unterschiedlichen Zeiten auf. Jede Teilentladung bewirkt einen Stromimpuls oder Stromstoß, welcher mit Hilfe eines Koppelkondensators und einer Messimpedanz in einen entsprechenden Spannungsimpuls umgewandelt wird. Dieser Spannungsimpuls wird dann zum Bestimmen der Teilentladung weiterverarbeitet. Fig. 1 a zeigt den Verlauf eines derartigen Spannungsimpul- ses im Zeitbereich und Fig. 1 b das Frequenzspektrum des Spannungsimpulses der Fig. 1a. Der in Fig. 1 gezeigte Spannungsimpuls ist ein nahezu idealer Spannungsimpuls aus einer Teilentladungskalibriervorrichtung. Da die Teilent- ladung jedoch in einem Kabel oder einem vergleichbaren Prüfling, wie z.B. einer elektrischen Maschine oder einem Transformator, auftritt und das Spannungssignal nur außerhalb des Prüflings gemessen werden kann, wird das Spannungssignal aufgrund der elektrischen Eigenschaften des Prüflings einer Tiefpassfilterung unterzogen bevor es gemessen werden kann. Fig. 2a zeigt ein tiefpassgefiltertes Spannungsimpulssignal und Fig. 2b das entsprechende Frequenzspektrum. Reale Prüflinge, wie z.B. Hochspannungskabel oder andere elektrische Maschinen, bewirken jedoch sehr komplexe Filterungen des Teilentladungssignals. Ein Beispiel eines realen Teilentladungssignals von einem rea- len Prüfling ist in Fig. 3a dargestellt und Fig. 3b zeigt das entsprechende Frequenzspektrum des Teilentladungssignals.

Wie zuvor erwähnt können die Teilentladungen in dem Prüfling beispielsweise mit Hilfe eines Koppelkondensators und einer Messimpedanz in ein entspre- chendes Spannungssignal umgewandelt werden. Zur Bestimmung der Teilentladung des Prüflings wird dieses Spannungssignal, wie in Fig. 4 gezeigt, mit Hilfe eines Verstärkers 1 verstärkt und mit Hilfe eines Bandpassfilters 2 gefiltert. Das Filter weist üblicherweise eine variable obere und untere Grenzfrequenz auf. Das Filtern wird üblicherweise auf ein Frequenzband mit niedrigem Störpe- gel eingestellt, in dem sich der breitbandige Teilentladungsimpuls klar vom Hintergrundrauschen abhebt. Das Filter kann beispielsweise ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von 50 bis 350 kHz sein. Die Tiefpasseigenschaft des Filters sorgt für eine Integration des Impulsverlaufs, so dass sich am Filterausgang ein ladungsproportionales Signal 3 ergibt. Das ladungsproportionale Sig- nale 3 wird einer Verarbeitungseinheit 4 zugeführt, welche die ladungsproportionalen Signale, welche sich in einem vorbestimmten Zeitraum aufgrund von mehreren Teilentladungen ergeben, sammelt und beispielsweise in der in Fig. 4 dargestellten Art und Weise über der an den Prüfling angelegten Spannung darstellt. Fig. 5 zeigt diese Darstellung im Detail. Ein kompletter Phasenzyklus der an den Prüfling angelegten Spannung ist als Graph 5 über der Zeit dargestellt. Im vorliegenden Beispiel hat die an den Prüfling angelegte Wechselspannung eine Frequenz von ungefähr 60 Hz, so dass ein kompletter Zyklus ungefähr 16,67 ms beträgt. Der Prüfling wird für eine vorbestimmte Zeit, im vorliegenden Beispiel für 47,39 s, mit der durch den Graphen 5 angegebenen Prüf- Spannung beaufschlagt. In dem Prüfzeitraum treten sehr viele Teilentladungen auf, welche jeweils als ein Punkt 6 in dem in Fig. 5 dargestellten Diagramm aufgetragen werden. Eine Teilentladung wird bezüglich ihrer Phasenlage zu der Prüfspannung 5 und ihrer Ladungsgröße in dem Diagramm eingetragen. Gibt es an einer Stelle in dem Diagramm eine größere Häufung von Punkten 6 so kann diese Häufung beispielsweise durch Verwenden einer anderen Farbe für die Punkte 6 in Abhängigkeit der Häufigkeit gekennzeichnet werden. Anhand von Phasenlage, Ladungsgröße, Ladungsvorzeichen und Häufigkeit kann auf eine Ursache der Teilentladungen geschlossen werden. Schließlich wird von der Verarbeitungseinheit 4 eine Gesamtladung der Teilentladungen über den vorbestimmten Zeitraum ermittelt, welche die Qualität des Prüflings, beispielsweise eines Hochspannungskabels vorbestimmter Länge, angibt.

Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Teilentladungen in einem Prüfling können verschiedene Probleme auftreten, welche das Teilent- ladungsmessergebnis verfälschen können. Beispielsweise können externe Störgrößen, wie z.B. elektromagnetische Funkwellen, Signale in dem Prüfling erzeugen, welche fälschlicherweise als Teilentladungsimpuls gewertet werden. Üblicherweise wird versucht derartige Störquellen zu beseitigen, indem der Prüfling und die Messvorrichtung in einem abgeschirmten Raum betrieben werden. Dies ist jedoch insbesondere bei großen Prüflingen, wie z.B. elektrischen Maschinen oder Transformatoren, sehr aufwändig. Weiterhin wird versucht der- artige Störungen durch Verwenden eines geeigneten Filters 2 zu vermeiden. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass neben den Störsignalen auch tatsächliche Teilentladungssignale herausgefiltert werden.

Ein weiteres Problem bei der Teilentladungsmessung ist die Trennung mehrerer überlagerter Teilentladungsquellen voneinander. Bei der Überlagerung mehrerer Teilentladungsquellen und/oder stochastischer impulshafter Störer ergibt sich am Ausgang des Filters 2 ein überlagertes Signal bzw. Impulsgemisch, welches keine präzise Aussage über die Natur und Intensität einzelner Teilentladungsquellen im untersuchten Prüfling gestattet. Dadurch kann die Aussage- qualität des Teilentladungsmessergebnisses herabgesetzt werden. Ein weiteres spezielles Problem bei der Teilentladungsmessung, insbesondere an Kabeln, ist die so genannte negative Superposition. Dabei kommt es zu einer Überlagerung eines Originalteilentladungsimpulses mit einem am Kabelende reflektierten Teilentladungsimpuls. Bei bestimmten Kabellängen führt dies in Kombination mit Filtereigenschwingungen und/oder Nullstellen des Bandpassfilters 2 zu einer negativen Überlagerung oder sogar Auslöschung, in deren Folge ein Teilentladungsfehler am Kabel übersehen werden kann. Um ein derartiges negati- ves Superpositionsverhalten auszuschließen, werden Teilentladungsmessein- richtungen üblicherweise von Doppelimpulskalibratoren geprüft. Dabei werden zwei aufeinanderfolgende Impulse definierter Ladung mit variablem und definiertem Abstand in das Messsystem eingegeben, wobei der Anzeigewert nur um weniger als 10% vom Ladungswert des Impulses nach unten abweichen darf. Dies erfordert aufwändige Bandpassfilter 2, die diese Tests bestehen, und führt gegebenenfalls zu Bandpassbeschränkungen des Bandpassfilters 2.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrich- tung sowie ein Verfahren zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente bereitzustellen, womit die zuvor erwähnten Probleme beseitigt werden können. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente, wie z.B. Transformatoren, rotierenden Maschi- nen oder Kabeln, bereitzustellen, welche eine kostengünstige und zuverlässige Teilentladungsmessung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente bereitgestellt. Die elektrische Komponente kann beispielsweise ein Hochspannungskabel, ein Transformator, ein elektrischer Generator, eine elektrische Antriebsmaschine oder dergleichen sein. Insbesondere kann die elektrische Komponente eine elektrische Komponente sein, welche für einen Betrieb mit einer Mittelspannung oder einer Hochspannung, d.h. einer Spannung mit einigen kV, geeignet ist. Bei dem Verfahren wird ein elektrisches Signal erfasst, welches Teilentladungsimpulse aufgrund der Teilentladungen an der elektrischen Komponente umfasst. Das elektrische Signal kann beispielsweise, wie zuvor in der Einleitung beschrieben, mit Hilfe eines Koppelkondensators und einer Messimpedanz erfasst werden. Das erfasste elektrische Signal wird dann mehreren Filtern mit unterschiedlichen Filtercharakteristiken zugeführt. Jedes der mehreren Filter erzeugt aus dem elektrischen Signal jeweils ein gefiltertes Teilentladungssignal. Die Anzahl der Filter beträgt mindestens zwei. Somit werden mindestens zwei gefilterte Teilentladungssignale erzeugt. Die Teilentladungen an der elektrischen Komponente werden dann durch Verknüpfen der mehreren gefilterten Teilentladungssignale bestimmt.

Gemäß einer Ausführungsform wird pro Teilentladungsimpuls ein n-Tupel gebildet, wobei Werte des n-Tupels den n mehreren gefilterten Teilentladungssignalen des Teilentladungsimpulses entsprechen. Mehrere n-Tupel von mehreren Teilentladungsimpulsen werden dann mit Hilfe einer Clusteranalyse weiterver- arbeitet. Werden beispielsweise für jeden Teilentladungsimpuls mit Hilfe von n Filtern n gefilterte Teilentladungssignale erzeugt und in ein entsprechendes n- Tupel eingetragen, so kann dieses n-Tupel in einem n-dimensionalen Abbildungsraum eingetragen werden. Werden mehrere n-Tupel von mehreren Teilentladungsimpulsen in dem n-dimensionalen Abbildungsraum eingetragen, so können Häufungen an bestimmten Stellen in dem Abbildungsraum mit Hilfe einer Clusteranalyse festgestellt werden. Aufgrund der Lage der Cluster der Clusteranalyse kann dann beispielsweise eine Teilentladungsquelle, welche eine Teilentladung in der elektrischen Komponenten bewirkt, identifiziert werden. Auch eine Kombination von verschiedenen Clustern der Clusteranalyse können zum Identifizieren einer derartigen Teilentladungsquelle verwendet werden. Ein oder mehrere Cluster stellen somit eine Art Signatur eines Teilentladungsphänomens dar, welches als eine oder mehrere Teilentladungen von einer Teilentladungsquelle bewirkt wird. Indem jede Teilentladung mit Hilfe der n Filter mit den n unterschiedlichen Filtercharakteristiken gefiltert wird, kann diese Teilentladungssignatur auf einfache Art und Weise in dem Abbildungsraum der Clusteranalyse identifiziert werden. Dadurch ist eine einfache Identifizierung von Teilentladungsquellen, d.h. Ursachen von Teilentladungen in der elektrischen Komponente, möglich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können anhand eines Clusters oder mehrerer Cluster der Clusteranalyse Störquellen identifiziert werden, welche Störsignale in das elektrische Signal einspeisen. Derartige Störquellen können beispielsweise elektromagnetische Hochfrequenzsignale sein, welche in die elektrische Komponente eindringen und dort Störsignale erzeugen, welche über das elektrische Signal ähnlich wie die Teilentladungen Signalimpulse erzeugen. Diese Signalimpulse verlaufen ebenfalls durch die n Filter und werden wie zuvor beschrieben als n-Tupel in dem Abbildungsraum der Clusteranalyse wie- dergegeben. Anhand der Signatur der Störquelle, d.h. anhand der Lage von einem oder mehreren Clustern der Clusteranalyse kann ein derartiges Störsignal und somit eine derartige Störquelle identifiziert werden. Zum Bestimmen der Teilentladungen an der elektrischen Komponente werden dann nur diejenigen gefilterten Teilentladungssignale verwendet, welche nicht von der Störquelle erzeugt wurden. Dadurch können die Teilentladungen an der elektrischen Komponente erheblich genauer bestimmt werden, da Störsignale von Störquellen mit Hilfe der Clusteranalyse auf einfache Art und Weise identifiziert und von der Bestimmung der Teilentladungen ausgeschlossen werden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird für jedes der n gefilterten Teilentladungssignale jeweils ein Betrag bestimmt und die Beträge der n gefilterten Teilentladungssignale gewichtet addiert. Das Bestimmen des Betrags von einem gefilterten Teilentladungssignale kann bei- spielsweise ein Quadrieren des gefilterten Teilentladungssignals umfassen. Beispielsweise können drei gefilterte Teilentladungssignale durch Filtern des elektrischen Signals mit drei Filtern mit drei unterschiedlichen Filtercharakteristiken erzeugt werden. Ein erstes der drei Filter kann beispielsweise ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von ca. 82 bis 243 kHz sein, ein zweites der drei Filter kann ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von ca. 227 bis 387 kHz sein und ein drittes der drei Filter kann ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von ca. 377 bis 537 kHz sein. Als Gewichtungsfaktoren zum gewichteten Addieren der Beträge der drei gefilterten Teilentladungssignale können beispielsweise folgende Werte verwendet werden. Das von dem ersten Filter gefilterte Teilentladungssignal kann mit dem Wert 1 gewichtet werden, das von dem zweiten Filter gefilterte Teilentladungssignal mit dem Wert 1 ,1 und das von dem dritten Filter gefilterte Teilentladungssignal mit dem Wert 1. Nach dem gewichteten Addieren ergibt sich ein Teilentladungssignal ähnlich zu dem gefilterten Teilentladungssignal 3 gemäß dem Stand der Technik, welches mit Hilfe des Bandpassfilters 2, wie im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben, erzeugt wird. Vorteil des erfindungsgemäßen Teilentladungssignals, welches aus der gewichteten Addition gebildet wird, gegenüber dem Teilentladungssignal 3 aus dem Stand der Technik ist, dass das erfindungsgemäße Teilentladungssignal das Problem der zuvor beschriebenen Superposition, insbesondere der ne- gativen Superposition, vermeidet, da das erfindungsgemäße Teilentladungssignal aus einer Kombination mehrerer bandpassgefilterter Teilentladungssignale gebildet wird, wodurch die Schwächen von praktischen Filtern, wie z.B. Filterei- genschwingungen und Nullstellen durch die unterschiedlichen Filtercharakteristiken der mehreren Bandpassfilter umgangen werden. Während bei dem Bandpassfilter gemäß dem Stand der Technik bei bestimmten Impulskombinationen negative Überlagerungen oder sogar Auslöschungen auftreten können, können derartige Überlagerungen oder Auslöschungen eines speziellen Teilentladungsimpulses bei der erfindungsgemäßen Filterstruktur immer nur an einem der mehreren Bandpassfilter auftreten, wohingegen die übrigen der mehreren Bandpassfilter bezüglich Überlagerung oder Auslöschung gegenüber dem speziellen Teilentladungsimpuls robust sind. In dem Summensignal kann somit ei- ne Überlagerung oder Auslöschung zuverlässig verringert werden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass mit drei Filtern mit den zuvor genannten Durchlassbereichen und den zuvor genannten Gewichtungsfaktoren besonders zuverlässige Teilentladungsmessungen durchgeführt werden konnten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Eingangsanschluss zum Koppeln der Vorrichtung mit der elektrischen Komponente, n Filter und eine Verarbeitungseinheit. Über den Eingangsanschluss ist der Vorrichtung ein elektrisches Signal von der elektrischen Komponente, wie z.B. einem Hochspannungskabel, einem Transformator, einem elektrischen Generator oder einer elektrischen Antriebsmaschine, zuführbar. Das elektrische Signal umfasst Teilentladungsimpulse, welche aufgrund der Teilentladungen an der elektrischen Komponente auftreten. Die n Filter sind jeweils eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss gekop- pelt. Die n Filter sind jeweils derart ausgestattet, dass sie ausgangsseitig gefilterte Teilentladungssignale in Abhängigkeit des elektrischen Signals bereitstellen. Somit werden n gefilterte Teilentladungssignale an den n Ausgängen der n Filter bereitgestellt. Die n Filter weisen n unterschiedliche Filtercharakteristiken auf. Die Vorrichtung umfasst mindestens zwei Filter, d.h. n > 2. Die Verarbei- tungseinheit ist mit den Ausgängen der n Filter gekoppelt und derart ausgestaltet, dass sie die Teilentladungen durch Verknüpfen der n gefilterten Teilentladungssignale bestimmt.

Gemäß einer Ausführungsform bildet die Verarbeitungseinheit für jeden Teilent- ladungsimpuls ein n-Tupel, wobei die n Werte des n-Tupels den n gefilterten Teilentladungssignalen des Teilentladungsimpulses entsprechen. Eine gefiltertes Teilentladungssignal kann beispielsweise ein ladungsproportionales Signal des Teilentladungsimpulses in Abhängigkeit der Filtercharakteristik des entsprechenden Filters umfassen. Die Verarbeitungseinheit umfasst eine Clustera- nalyseeinheit, welche Cluster oder Häufungen von Teilentladungsimpulsen mit Hilfe einer Clusteranalyse von mehreren n-Tupeln von mehreren Teilentla- dungsimpulses bestimmt. Dazu kann die Clusteranalyseeinheit ein n-Tupel in einen n-dimensionalen Abbildungsraum eintragen, wobei ein n-Tupel einen Punkt in dem n-dimensionalen Abbildungsraum bezeichnet, wobei jeder der n Werte des n-Tupels jeweils einer Dimension des n-dimensionalen Raums zugeordnet wird. Werden hinreichend viele Teilentladungsimpulse erfasst und ihre entsprechenden n-Tupel in den n-dimensionalen Abbildungsraum eingetragen, so können Häufungen von Teilentladungsimpulsen in Bereichen des Abbildungsraums mit Hilfe der Clusteranalyse bestimmt werden. Aufgrund der Lage der Cluster in dem Abbildungsraum kann die Verarbeitungseinheit Ursachen, so genannte Teilentladungsquellen, welche ein Teilentladungsphänomen an der elektrischen Komponente bewirken, identifizieren. Teilentladungsquellen können beispielsweise durch die Lage eines Clusters oder durch die Lage mehrerer Cluster identifiziert werden. Dadurch ist nicht nur eine Bestimmung der Teilentladungen an der elektrischen Komponente möglich, sondern darüber hinaus auch eine Bestimmung von Teilentladungsquellen, welche die Teilentladungen bewirken, möglich.

Mit Hilfe der Cluster der Clusteranalyse kann die Verarbeitungseinheit weiterhin Störquellen identifizieren. Eine Störquelle bewirkt, dass in dem elektrischen Signal Störsignale vorhanden sind, welche ähnlich wie die Teilentladungen hin- ter den n Filtern Signale erzeugen, welche ähnlich zu den gefilterten Teilentladungssignalen sind. Störsignale von typischen Störquellen, wie z.B. Hochfrequenzfunksendern, können dann mit Hilfe der Clusteranalyse identifiziert werden, da diese Störsignale in dem Abbildungsraum ebenso wie die Teilentladungen charakteristische Cluster oder Häufungen bilden. Somit können auf einfa- che Art und Weise Störsignale identifiziert werden und diese können bei der Bestimmung der Teilentladungen von der Verarbeitungseinheit unberücksichtigt bleiben.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit derart ausgestaltet, dass sie Beträge der n gefilterten Teilentladungssignale bestimmt und diese n

Beträge jeweils mit einem eigenen Gewichtungsfaktor multipliziert. Das

Bestimmen eines Betrags kann beispielsweise durch quadrieren des entspre- chenden gefilterten Teilentladungssignals bestimmt werden. Weiterhin ist die Verarbeitungseinheit ausgestaltet, die gewichteten Beträge zu summieren, um daraus den Betrag einer Teilentladung der elektrischen Komponente zu bestimmen. Wie zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfah- ren beschrieben, kann durch Verwenden der mehreren Filter und Zusammenführen der gefilterten Teilentladungssignale ein Betrag einer Teilentladung bestimmt werden, welcher nicht durch Superposition, insbesondere negative Su- perposition an Hochspannungskabeln, verfälscht wird.

Gemäß einer Ausführungsform werden drei Filter verwendet, d.h. n=3. Ein erstes der drei Filter kann beispielsweise ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von ca. 82-243 kHz sein, ein zweites der drei Filter kann ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von ca. 227-387 kHz sein und ein drittes der drei Filter kann ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von ca. 377-537 kHz sein. Die Gewichtungsfaktoren werden beispielsweise folgendermaßen eingestellt: ein erster Gewichtungsfaktor zum gewichteten Addieren des von dem ersten Filter gefilterten Teilentladungssignals hat den Wert 1 , ein zweiter Gewichtungsfaktor zum gewichteten Addieren des von dem zweiten Filter gefilterten Teilentladungssignals hat den Wert 1 ,1 und ein dritter Gewichtungsfaktor zum gewichteten Addieren des von dem dritten Filter gefilterten Teilentladungssignals hat den Wert 1. Die so definierte Filterstruktur weist einen Durchlassbereich von ca. 82-537 kHz auf und ist gleichzeitig robust gegenüber einer Superposition, insbesondere einer negativen Superposition, welche durch Filtereigenschwingungen und/oder Nullstellen im Filter bewirkt wird. Dadurch kann eine Auslöschung oder Abschwächung von zwei schnell aufeinander folgenden Teil- entladungssignalimpulsen, wie sie z.B. von einem Originalimpuls und einem am Kabelende reflektierten Impuls stammen können, zuverlässig vermieden werden.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen idealen Teilentladungsimpuls im Zeit- und Frequenzbereich.

Fig. 2 zeigt einen tiefpassgefilterten Teilentladungsimpuls im Zeit- und Frequenzbereich. Fig. 3 zeigt einen realen Teilentladungsimpuls im Zeit- und Frequenzbereich.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zum Bestimmen von Teilentladungen gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 5 zeigt eine Ausgabe einer Vorrichtung zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung, welche an die elektrische Komponente gekoppelt ist.

Fig. 7 zeigt schematisch das Verfahren zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente mit Hilfe einer Clusteranalyse gemäß der vorlie- genden Erfindung.

Fig. 8 zeigt eine Darstellung eines dreidimensionalen Abbildungsraums der Clusteranalyse der Fig. 7.

Fig. 9 zeigt schematisch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen von Teilentladungen an einer elektrischen Komponente, bei dem gefilterte Teilentladungssignale gewichtet addiert werden.

Fig. 6 zeigt eine elektrische Komponente 10 und eine Teilentladungsmessvor- richtung 11 zum Bestimmen von Teilentladungen an der elektrischen Komponente 10. Die elektrische Komponente 10 kann beispielsweise eine elektrische Maschine, wie z.B. ein elektrischer Generator oder ein elektrischer Motor, ein Transformator oder ein Kabel sein. Teilentladungsmessungen werden üblicherweise an elektrischen Komponenten durchgeführt, welche für einen Betrieb im Mittelspannungs- oder Hochspannungsbereich, d.h. mit Spannungen von einigen kV betrieben werden. Die elektrische Komponente 10 ist über einer Verbindung 12 mit einer entsprechenden Mittelspannungs- oder Hochspannungsquelle V, üblicherweise einer Wechselspannungsquelle, verbunden. Weiterhin ist ein Gehäuse oder eine Schirmung der elektrischen Komponente 10 mit Masse 13 verbunden. Die elektrische Komponente 10 wird nachfolgend auch als Prüfling 10 bezeichnet. Treten im Betrieb oder bei einer Teilentladungsmessung im Labor des Prüflings 10 Teilentladungen an dem Prüfling 10 auf, so findet ein Ladungsaustausch zwischen der Versorgungsspannung V und Masse 13 statt. Dieser Ladungsaustausch kann beispielsweise mit Hilfe einer Reihenschaltung eines so genannten Koppelkondensators 14 und einer Messimpedanz 15, welche parallel zu dem Prüfling zwischen der Versorgungsspannung V und Masse 13 geschaltet sind, in eine Teilentladungsspannung umgewandelt werden, welche an einem Messpunkt 16 zwischen dem Koppelkondensator 14 und der Messimpedanz 15 abgegriffen werden kann. Die Messimpedanz 15 kann beispielsweise ein Wider- stand, eine Spule oder eine Kombination daraus umfassen. Ein Spannungssignal, welches an dem Messpunkt 16 aufgrund einer Teilentladung in dem Prüfling 10 hervorgerufen wurde, ist beispielhaft in Fig. 3a dargestellt. Fig. 3b zeigt das Spektrum dieses Signals. Das Integral über dieses Signal ist proportional zur Ladung der Teilentladung in dem Prüfling 10. Dieser an dem Messpunkt 16 gemessene Teilentladungsimpuls wird mit Hilfe eines Verstärkers 17 der Teil- entladungsmessvorrichtung 11 verstärkt und drei Bandpassfiltern 18-20 der Teilentladungsmessvorrichtung 11 zugeführt. Jedes der Bandpassfilter 18-20 hat einen anderen Durchlassbereich, so hat beispielsweise das Bandpassfilter 18 einen Durchlassbereich von 82,5-242,5 kHz, das Bandpassfilter 19 einen Durchlassbereich von 227-387 kHz und das Bandpassfilter 20 einen Durchlassbereich von 377-537 kHz. Die Ausgaben der Bandpassfilter 18-20, welche im Folgenden gefilterte Teilentladungssignale genannt werden, werden einer Verarbeitungseinheit 21 der Teilentladungsmessvorrichtung 11 zugeführt. Durch die Bandpassfilterung der Filter 18-20 werden Störsignale am Messpunkt 16 herausgefiltert. Dies können beispielsweise leitungsgebundene Störquellen sein, welche Signale im Bereich von 0 bis einigen wenigen kHz erzeugen. Darüber hinaus können dies Störquellen sein, welche Hochfrequenzsignale im Bereich von einigen MHz erzeugen. Darüber hinaus bewirkt die Tiefpassfilterung der Tiefpassfilter 18-20, dass die Teilentladungsimpulse integriert werden, so dass am Ausgang eines jeden Filters ein Wert bereitsteht, welcher proportional zur Ladung der Teilentladung ist.

Wie bereits in der Einleitung im Zusammenhang mit der Teilentladungsmessvorrichtung gemäß dem Stand der Technik (Fig. 4) beschrieben wurde, wird eine Teilentladungsmessung über einen vorbestimmten Zeitraum durchgeführt. Während dieses vorbestimmten Zeitraums treten eine Vielzahl von Teilentladungen, beispielsweise mehrere tausend Teilentladungen, auf. Da die Anre- gung des Prüflings 10 periodisch ist, beispielsweise mit Hilfe einer Wechselspannung von 50 oder 60 Hz, treten Teilentladungen aufgrund einer Störquelle in dem Prüfling, wie z.B. einer Isolationsluftblase oder dergleichen, während des Messzeitraums von beispielsweise einigen zig Sekunden, wiederholt mit ähnlicher Intensität auf. Fig. 5 zeigt eine Darstellung der Teilentladungsereignisse unter Berücksichtigung der Phasenlage der Teilentladungen zu der angelegten Wechselspannung und der Größe der Teilentladung.

Jeder Teilentladungsimpuls hat ein sehr breites Frequenzspektrum, wie im Zu- sammenhang mit Fig. 1-3 bereits beschrieben wurde. Insbesondere hat jeder Teilentladungsimpuls auch Impulsanteile in den Frequenzspektren, welche als Durchlassfrequenzen der Filter 18-20 definiert sind. Somit bewirkt jeder Teilentladungsimpuls an jedem der Filter 18-20 eine Signalausgabe. Je nach Art und Lage der Teilentladungsquelle ergeben sich jedoch unterschiedliche gefilterte Teilentladungssignale an den Ausgängen der Filter 18-20. So kann beispielsweise eine Teilentladungsquelle ein großes Signal am Ausgang des Filters 18 bewirken und ein kleines Signal an den Ausgängen der Filter 19 und 20. Eine weitere Teilentladungsquelle kann hingegen an dem Ausgang des Filters 19 ein großes Signal bewirken, wohingegen an den Ausgängen der Filter 18 und 20 nur ein kleines Signal bewirkt wird. Somit hat jede Teilentladungsquelle eine eigene Signatur, eine so genannte Frequenzsignatur, welche durch die drei Werte der Filter 18-20 beschrieben wird. Diese Frequenzsignatur kann, wie im Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben werden wird, dazu verwendet werden, eine Clusteranalyse der gefilterten Teilentladungssignale durchzuführen und somit Teilentladungsquellen zu identifizieren.

Fig. 7 zeigt schematisch das Verfahren dieser Clusteranalyse. Wie im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben, wird das Messsignal mit Hilfe des Verstärkers 17 verstärkt und über die drei Filter 18-20 geführt. In der Verarbeitungseinheit 21 wird dann eine Clusteranalyse durchgeführt, welche in einem dreidimensionalen Abbildungsraum 22 die Teilentladungsimpulse anhand der drei gefilterten Teilentladungssignale der Filter 18-20 einträgt. Fig. 8 zeigt eine vergrößerte Darstellung des dreidimensionalen Abbildungsraums 22 mit den drei Raumachsen 23-25. Jedes Teilentladungssignal wird gemäß der gefilterten Teilentla- dungssignalwerte der Filter 18-20 in den Abbildungsraum 22 eingetragen. Der gefilterte Teilentladungssignalwert des Filters 18 wird auf der Raumachse 23 aufgetragen, der gefilterte Teilentladungssignalwert des Filters 19 wird auf der Raumachse 24 aufgetragen und der gefilterte Teilentladungssignalwert des Filters 20 wird auf der Raumachse 25 aufgetragen. Auf diese Art und Weise werden mehrere tausend Teilentladungen in den Abbildungsraum 22 eingetragen. Aufgrund der unterschiedlichen Frequenzsignaturen der unterschiedlichen Teil- entladungsquellen des Prüflings 10 ergeben sich Teilentladungshäufungen in bestimmten Bereichen des Abbildungsraums 22. In Fig. 8 sind drei derartige Häufungen, so genannte Cluster, dargestellt. Teilentladungen, welche im Bereich des Clusters 26 dargestellt sind, haben ein großes gefiltertes Teilentladungssignal am Ausgang des Filters 18 und verhältnismäßig kleine Teilentla- dungssignale an den Ausgängen der Filter 19 und 20 bewirkt. Teilentladungen im Bereich des Clusters 28 haben hingegen große gefilterte Teilentladungssignale am Ausgang des Filters 19 und kleine Teilentladungssignale an den Ausgängen der Filter 18 und 20 bewirkt. Aufgrund dieser Frequenzsignaturen, welche den einzelnen Clustern 26-28 zugeordnet werden können, können somit Teilentladungsquellen auf einfache Art und Weise von der Verarbeitungseinheit 21 identifiziert werden. Darüber hinaus können Ausgaben, welche vergleichbar zu der Ausgabe der Fig. 5 sind, für jeden der Cluster 26-28 separat von der Verarbeitungseinheit 21 bereitgestellt werden. Dadurch ist eine detailliertere Analyse der unterschiedlichen Störquellen und ihren Einfluss auf die Gesamt- qualität des Prüflings 10 möglich.

Obwohl, wie bereits zuvor beschrieben, mit Hilfe der Filter 18-20 Störsignale, welche am Messpunkt 16 erfasst werden, weitestgehend herausgefiltert werden können, können dennoch Störsignale beispielsweise im Durchlassbereich der Filter 18-20 vorhanden sein, welche somit von den Filtern 18-20 nicht beseitigt werden können. Diese Störungen, beispielsweise leitungsgebundene Störungen von der Versorgungsspannung V oder elektromagnetische Störungen von Radiosendern oder elektrischen Maschinen oder elektrischen Leitungen in der Umgebung des Prüflings 10, führen in dem Abbildungsraum 22 ebenfalls zu Häufungen oder Clustern, da diese Störungen typischerweise auch jeweils eine charakteristische Frequenzsignatur aufweisen. Mit Hilfe der Clusteranalyse kann die Verarbeitungseinheit 21 derartige Häufungen als Störungen identifizieren und bei der Berechnung einer gesamten Teilentladung des Prüflings 10 unberücksichtigt lassen, indem die entsprechenden vermeintlichen gefilterten Teilentladungssignale unberücksichtigt bleiben. Dadurch kann die Messgenauigkeit gegenüber der Teilentladungsmessvorrichtung gemäß dem Stand der Technik (Fig. 4) erheblich verbessert werden. Neben der im Zusammenhang mit Fig. 7 und 8 beschriebenen Clusteranalyse führt die Verarbeitungseinheit 21 eine weitere Verarbeitung der gefilterten Teilentladungssignale von den Filtern 18-20 durch. Diese weitere Verarbeitung wird nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 9 beschrieben werden. Fig. 9 zeigt zunächst wiederum den Verstärker 17 und die Filter 18-20, wie sie im bereits im Zusammenhang mit Fig. 6 und 7 beschrieben wurden. Wie in Fig. 9 gezeigt, werden nun die Ausgaben der Filter 18-20 zunächst jeweils mit Hilfe von Quadrierern 29-31 quadriert und dann jeweils mit einem Gewichtungsfaktor W-i, W2 bzw. W ₃ multipliziert, und schließlich mit Hilfe eines Addierers 32 zu einem gefilterten Gesamtteilentladungssignal addiert. Das Quadrieren der Ausgaben der Filter 18-20 mit Hilfe der Quadrierer 29-31 dient im Wesentlichen dazu, einen Betragswert der Filterausgaben bereitzustellen. Da die Filterausgaben üblicherweise komplexe Werte umfassen, kann mit Hilfe der Quadrierer 29-31 auf einfache Art und Weise ein reeller Betragswert bereitgestellt werden. Untersuchungen haben ergeben, dass für die oben genannten Durchlassbereiche der Filter 18-20 folgende Werte für die Gewichtungen W ₁ -W ₃ besonders geeignet sind:

W ₁ =I ₁ O W ₂ =I , 1 W ₃ =I ₁ O.

Der Vorteil der in Fig. 9 gezeigten Filterstruktur und Weiterverarbeitung gegen- über dem Filter 2 gemäß dem Stand der Technik (Fig. 4), liegt in der Robustheit der erfindungsgemäßen Filterstruktur (Fig. 9) gegenüber Superpositions- oder Überlagerungseffekten mehrerer Teilentladungsquellen. Ein reales Filter, wie beispielsweise das in Fig. 4 gezeigte Bandpassfilter 2, kann, wenn es mit bestimmten Impulsmustern beaufschlagt wird, zu Schwingungen neigen und/oder Nullstellen aufweisen. Dies kann zu einer gegenseitigen Auslöschung oder Abschwächung oder Überlagerung von zwei oder mehreren Teilentladungsimpulsen führen. Dieses Problem tritt insbesondere bei Teilentladungsmessungen an Kabeln auf. Hier kann eine Auslöschung, eine so genannten negative Superpo- sition, durch eine Überlagerung eines Originalteilentladungsimpulses mit einem am Kabelende reflektierten Teilentladungsimpuls kommen. Bei bestimmten Kabellängen führt dies zu einer negativen Überlagerung oder sogar Auslöschung in deren Folge ein Teilentladungsfehler am Kabel nicht festgestellt wird. Durch die Verwendung der Filterstruktur der Fig. 9 kann diese negative Superposition vermieden werden. Selbst wenn eines der Filter 18-20 aufgrund seiner Eigenschaften eine negative Superposition eines Originalteilentladungsimpulses mit dem am Ende reflektierten Impuls aufweist und somit kein gefiltertes Teilentla- dungssignal ausgibt, geben die beiden anderen Filter der Filterstruktur 18-20 jeweils ein gefiltertes Teilentladungssignal aus, da ihre Filtercharakteristiken unterschiedlich sind. Somit wird die gesamte Teilentladungsmessvorrichtung erheblich robuster gegenüber diesem negativen Superpositionsphänomen.

Da sowohl die Clusteranalyse, welche im Zusammenhang mit Fig. 7 und 8 beschrieben wurde, als auch die gewichtete Summenbildung, welche im Zusammenhang mit Fig. 9 beschrieben wurde, auf der parallelen Filterung des Teilentladungsimpulses mit Hilfe der Filter 18-20 beruht, können die beiden Verfahren auf einfache Art und Weise in einer Verarbeitungseinheit 21 kombiniert werden, um eine Teilentladungsmessung durchzuführen, welche sowohl robust gegenüber Störquellen als auch robust gegenüber der oben beschriebenen negativen Superposition ist. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Clusteranalyse eine verbesserte Identifikation von Teilentladungsstörquellen bereitgestellt werden.

Die zuvor beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können in analoger Schaltungstechnik, in digitaler Schaltungstechnik, z.B. mit Hilfe eines oder mehrerer Mikroprozessoren, oder in einer Kombination von analoger und digitaler Schaltungstechnik ausgeführt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Verstärker

2 Filter

3 gefiltertes Teilentladungssignal

4 Anzeige der Teilentladungen

5 Speisespannung

6 Teilentladung

10 elektrische Komponente

11 Teilentladungsmessvorrichtung

12 Zuleitung

13 Masse

14 Koppelkondensator

15 Messimpedanz

16 Messpunkt

17 Verstärker

18-20 Filter

21 Verarbeitungseinheit

22 Abbildungsraum

23-25 Raumachse

26-28 Häufungspunkt, Cluster

29-31 Quadrierer

32 Addierer