Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Einheit zur Überwachung und/oder Signalisierung/ Visualisierung mehrerer Betriebsgrößen einer gasisolierten Schaltanlage und ist insbesondere für den Einsatz zur Dichteüberwachung, zur Erfassung eines Lichtbogens und zur Messung der Teilentladung des Schutzgases im Gasraum vorgesehen.

Für die Überwachung einer mit SF ₆ (Schwefelhexaflorid) -Schutzgas gefüllten Komponente einer gasisolierten Schaltanlage werden verschiedene Sensoren und Wächter eingesetzt, mit denen die Dichte des SF ₆ -Gases und die Teilentladung gemessen sowie ein Lichtbogen erkannt werden kann.

Zur Dichtemessung werden üblicherweise Gasdichtewächter eingesetzt, welche über Schaltkontakte und eine analoge Anzeige verfügen. Die von den Schaltkontakten bereitgestellten Schaltsignale melden lediglich ein Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes als Warnung oder Blockierung bezeichnet. Sie werden in die Steuerung der Schaltanlage eingebunden, um beispielsweise unsichere Betriebszustände zu vermeiden.

Alternativ können Gasdichtesensoren zum Einsatz kommen, die ein analoges Kleinsigna!, beispielsweise ein 4-20 mA-Signal, abgeben. Damit ist eine kontinuierliche Überwachung der Gasdichte möglich. Über eine Auswerteeinheit wird das analoge Kleinsignal eines Wächters in ein diskretes Schaltsignal zur frühzeitigen Erkennung einer SF6-Gasleckage umgesetzt. Die Auswerteeinheit ist auch dafür eingerichtet, mittels üblicher Verfahren eine Trendberechnung durchzuführen, was beispielsweise in der DE 102006050938 A1 beschrieben ist.

Zur Lichtbogenerkennung wird das Licht eines Störlichtbogens über einen optischen Sensor, welcher am Gasraum der gasisolierten Schaltanlage angeordnet ist, erfasst und beispielsweise über Lichtwellenleiter zu einer elektronischen Auswerteeinheit geführt. Die Auswerteeinheit wertet das vom optischen Sensor ermittelte Signal aus und erzeugt eine entsprechende Meldung, welche zur Spannungsfreischaltung des betroffenen Gasraumes verwendet wird.

Durch inhomogene Feldverläufe sowie Isolationsdefekte können in Hochspannungsschaltanlagen Teilentladungen auftreten. Für die Messung der Teilentladung wird im Gasraum der gasisolierten Schaltanlage ein weiterer Sensor angeordnet. Üblicherweise werden dazu UHF (Ultrahochfrequenz)- Sensoren eingesetzt, wobei die Messung der Teilentladungen mit typischen Messempfängern im Bereich von ca. 100 kHz bis einige MHz durchgeführt wird.

Die Erfassungseinheit zur Teilentladungsmessung kann mittels einer zusätzlichen seriellen Schnittstelle an eine übergeordneten Anzeige- und Überwachungseinheit angebunden werden, um die Messdaten anzeigen zu können.

Zusammenfassend werden heute zur Umsetzung dieser Überwachungsaufgaben mehrere Sensoren sowie Auswerteeinheiten verwendet. Ein Überwachungssystem das diese einzelnen Komponenten enthält, wurde beispielsweise in „PowerGrid Europe 2007 „Online Condition Monitoring System for Three Phase Encapsulated Gas Insulated Switchgear" vorgestellt. Ein anderes Beispiel zeigt das Dokument „CB Watch-2 Modular Circuit Breaker Monitoring System" der Firma AREVA.

Die Installation der vorab beschriebenen jeweils getrennten Sensoren zur Dichteüberwachung des SFβ-Gases zur Erfassung eines Lichtbogens und zur Messung der Teüentladung des Schutzgases in gasisolierten Schaltanlagen erweist sich auf Grund der Einbau- und Materialkosten sowie des Wartungsaufwandes als aufwendig und kostenintensiv. Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Einheit zur Überwachung und/oder Signalisierung/ Visualisierung mehrerer Betriebsgrößen einer gasisolierten Schaltanlage, nachfolgend auch als Überwachungseinheit bezeichnet, anzugeben, welche Daten auf einfache und kostengünstige Art ermittelt, verarbeitet und einer übergeordneten Einheit übermitteln kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine multifunktionale Überwachungseinheit mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Verbesserungen der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit sind in weiteren Ansprüchen und in der folgenden Beschreibung angegeben.

Die erfindungsgemäße Überwachungseinheit zur Überwachung und/oder Signalisierung/Visualisierung von mehreren Betriebsgrößen einer gasisolierten Schaltanlage umfasst eine im Gehäuse der Überwachungseinheit befindliche Strom- und Spannungsversorgungseinheit, eine Messzelle zur Erfassung der Dichte oder des Druckes eines im Gasraum der gasisolierten Schaltanlage befindlichen Schutzgases, auch als Druck- oder Dichtemesszelle bezeichnet, und einen Mikroprozessor, welcher die von der Messzelle erfassten Größen verarbeitet und zu wenigstens einer analogen Anzeigeeinheit überträgt. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Überwachungseinheit eine Einheit zur Temperaturmessung und/oder Temperaturkompensation und wenigstens zwei binäre Schaltkontakte, die mit dem Ausgang des Mikroprozessors verbunden sind, auf.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile beruhen darauf, dass durch die Zusammenfassung der nachfolgend aufgeführten Funktionalitäten in einer Überwachungseinheit ein kompaktes Gerät zur Ermittlung und Verarbeitung aller relevanten Daten der gasisolierten Schaltanlage bereitgestellt wird.

Diese können dem Bedien- und Wartungspersonal auf einfache und kostengünstige Weise, beispielsweise über eine Kommunikationsschnittstelle zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin wird durch die die Zusammenfassung der Funktionalitäten in einer Überwachungseinheit die Anzahl der Gasdurchführungen an der Schaltanlage minimiert, was sich vorteilhaft auf die Leckageanfälligkeit der Schaltanlage auswirkt. Erfindungsgemäß sind in der Überwachungseinheit die folgenden Funktionen integriert:

• Dichtemessung des Schutzgases in der Schaltanlage, kombiniert mit einer analogen und/oder digitaler Anzeige und/oder

• kontinuierliche und/oder wertediskrete Signalisierung und/oder

• Erfassung eines Störlichtbogens im Gasraum der Schaltanlage und/oder

• Messung der Teilentladung in der Schaltanlage.

Die ermittelten Daten werden dabei mittels eines im Gehäuse der Überwachungseinheit integrierten Mikroprozessors bzw. Mikrocontrollers verarbeitet. Der Mikroprozessor ist mit an der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit befindlichen digitalen und/oder analogen Anzeigevorrichtungen verbunden, welche dafür vorgesehen sind die verarbeiteten Daten als Meldungen und Alarmierungen anzuzeigen und/oder einer übergeordneten Anzeige- und Überwachungseinheit bereitzustellen.

In einer weiteren Ausführungsform ist in der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit eine Einheit zur Temperaturmessung und/oder Temperaturkompensation integriert, wodurch die durch Erwärmungen, durch den Stromfluss, durch Sonneneinstrahlung und durch Feuchtigkeit bedingten Messfehler kompensierbar sind.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Überwachungseinheit mittels einer integrierten Kommunikationsschnittstelle über einen in der Schaltanlage vorhandenen Feldbus mit dem übergeordneten System, beispielsweise einem Leittechniksystem oder Überwachungs- PC, verbindbar. Die Kommunikation erfolgt dabei vorzugsweise nach dem standardisierten Schaltanlagenprotokoll IEC61850.

Die Daten sind aber auch über ein Ethernet- oder über ein PowerLine- Netzwerk oder eine Funkübertragungsstrecke übertragbar. Erfoigt die Kommunikation der Überwachungseinheit mit dem übergeordneten System über das PowerLine- Netz, dient die Versorgungsleitung nicht nur der Speisung der Überwachungseinheit mit Strom und Spannung, sondern auch der Übertragung der Daten.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist die Überwachungseinheit zur Parametrierung unterschiedlicher Grenzwerte und Ansprechschwellen vorgesehen, wodurch es der Überwachungseinheit ermöglicht wird, eine Parametrierung unterschiedlicher Normgasdichten sowie Ansprechschwellen für die Schaltsignale, beispielsweise als Warnungs- und/oder Blockierungsmeldungen, durchzuführen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Überwachungseinheit Mittel zur Erfassung eines im Gasraum der Schaltanlage entstandenen Störlichtbogens auf.

In einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit wird zur Erfassung des Lichtbogens das Licht des Störlichtbogens von einem an der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit befindlichen optischen Aufnehmer erfasst und dem Mikroprozessor zur weiteren Verarbeitung zugeführt.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit wird zur Erfassung des Störlichtbogens im Gasraum der Schaltanlage der Druck des Schutz- bzw. Isoliergases der Schaltanlage, welches üblicherweise SF ₆ -GaS ist, als Kriterium für das Vorliegen eines Lichtbogens herangezogen. Dazu wird entweder der Druck unmittelbar erfasst oder über eine Temperaturkompensation aus einem bereitgestelltem Dichtesignal ermittelt. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der DE 199 08 541 A1 beschrieben.

Zur Messung der Teilentladung des Schutzgases im Gasraum der Schaltanlage ist in der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit eine als lonendetektor ausgeführte Teilentladungsmesszelle vorgesehen, welche in den Gasraum der Schaltanlage hineinragt. Der lonendetektor ist dabei zum Nachweis des bei der Teilentladung des Schutzgases entstehenden Zersetzungsproduktes Fluorwasserstoff vorgesehen, was beispielsweise in der DE 41 12 896 AI beschrieben ist. Die vorab beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Teilentladung können mit der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit alternativ mittels einer UHF-Messung durchgeführt werden.

Darüber hinaus ist auch vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Überwachungseinheit konventionell mit Ausgabekontakten versehen ist, wobei auch eine adaptierbare analoge Skala vorgesehen sein kann.

Mit der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit sind unterschiedliche Einheiten, Bezugsgrößen und Alarmschwellen mittels einer einfachen Programmierung des in der Überwachungseinheit integrierten Mikroprozessors einstellbar, wobei die Programmierung über die vorgesehene Ethernet- oder PowerLine- Schnittstelle möglich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überwachungseinheit ist zur Realisierung der Dichtewächterfunktion für das SF ₆ - Schutzgas ein mechanischer Schaltkontakt vorgesehen, der beispielsweise als Mikroschalter ausgeführt sein kann. Die Verwendung des mechanischen Schaltkontaktes ist insbesondere aus sicherheitstechnischen Gründen erforderlich, wenn eine alleinige Ausgabe des bereitgestellten Signals als Analogsignal oder über ein Busprotokoll nicht zulässig ist.

Die weitere Beschreibung der Erfindung und deren Vorteile sowie deren Ausgestaltungen erfolgt nachstehend anhand der Fig. 1 und 2, welche nur beispielhaft eine mögliche Ausführungsform der Überwachungseinheit zeigen.

Die erfindungsgemäße Überwachungseinheit gemäß Fig. 1 zur Überwachung und/oder Signalisierung/Visualisierung von mehreren Betriebsgrößen einer gasisolierten Schaltanlage umfasst eine im Gehäuse der Überwachungseinheit Strom- und Spannungsversorgung 100, eine Druckmesszelle oder Dichtemesszelle 200 und eine Teilentladungsmesszelle 300. Die Druckmesszelle oder Dichtemesszeiie 200 Druckmesszeiie 100 und die Teiientiadungsmesszeiie 300 ragen in den Gasraum der Schaltanlage hinein. In der Überwachungseinheit ist weiterhin eine Elektronik integriert, die neben einem Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller 400 auch einen Temperaturfühler 500 umfasst. Die vom Temperaturfühler 500, der Druckmesszelle oder Dichtemesszelle 200 und der Teilentladungsmesszelle 300 erfassten Messwerte, wie Temperatur, Druck bzw. Druckanstieg im Schutzgas, Anziehung der freien Elektronen und/oder Anzahl der Fluorionen, werden dem Mikroprozessor 400 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt.

Der Mikroprozessor 400 verarbeitet die bereitgestellten Messwerte und überträgt die verarbeiteten Messwerte als analoge und binäre Signale zu einer in der Überwachungseinheit integrierten Kommunikationsschnittstelle 700 und zu einer Anzeigeeinheit 600.

Der Mikroprozessor 400 ist weiterhin mit wenigstens zwei binären Schaltkontakten 800 verbunden, welche ein Über- bzw. ein Unterschreiten von Grenzwerten detektieren und somit Warnungs- und Blockiermeldungen abgegeben. Alternativ können die binären Schaltkontakte auch direkt mechanisch mit der Messzeiie 200 verbunden sein.

Mittels der Kommunikationsschnittstelle 700 wird die Verbindung zu einem Überwachungs- PC einem übergeordneten Leittechnik-System ermöglicht. Dies ist beispielsweise über eine Ethernet-Schnittstelle oder über eine PowerLine- Übertragung 800, die in Fig. 2 dargestellt ist, realisierbar.