DD253716A1

DD253716A1 - METHOD AND DEVICE FOR DETECTING AND LOCATING PARTIAL DISCHARGES

Info

Publication number: DD253716A1
Application number: DD25768383A
Authority: DD
Inventors: Helmut Ambrosch; Ottmar Mueller; Frank Otto
Original assignee: Zittau Ing Hochschule
Priority date: 1983-12-09
Filing date: 1983-12-09
Publication date: 1988-01-27

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung und Ortung von Teilentladungen finden Verwendung an metallgekapselten Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlagen, insbesondere zur Erhoehung der Verfuegbarkeit dieser Anlagen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die mechanischen Schwingungen der Kapselung infolge innerer Teilentladungen durch die Ausnutzung der mechanischen Verstaerkungseigenschaften der Kapselung (Resonanzueberhoehungen) ueber einen auf der Mitte der Kapselungsgefaesse angebrachten resonanzbetriebenen elektroakustischen Wandler kombiniert mit einem Selektivverstaerker erfasst und das gewonnene Signal zur Ansteuerung von Warn-, Steuer- oder Schutzeinrichtungen genutzt wird.Device and method for detecting and locating partial discharges are used on metal-enclosed high or medium voltage switchgear, in particular for increasing the availability of these systems. According to the invention, the object is achieved by detecting the mechanical oscillations of the encapsulation as a result of internal partial discharges by exploiting the mechanical amplification properties of the encapsulation (resonance overshoots) via a resonance-operated electroacoustic transducer mounted on the center of the encapsulation vessels combined with a selective amplifier and the signal obtained for triggering Warning, control or protection devices is used.

Description

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Field of application of the invention

Die Erfindung findet Anwendung an metallgekapselten Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlagen. Es kommt eine Vorrichtung zum Einsatz, die die Ausbildung von teilentladungsbedingter Störlichtbögen in der Kapselung verhindert. Die Einrichtung ist durch die mögliche Erfassung und Ortung von Teilentladungen sowohl für die Bewertung der Isolierung von Anlagenabschnitten im Herstellerwerk bzw. an der vollständig montierten Anlage vor Ort als auch für die kontinuierliche Überwachung desZustandes der Isolierung während des Energiebetriebes der Anlage geeignet. Parallel dazu ist mit der Einrichtung die selektive Erfassung von anderweitig verursachten dielektrischen Durchschlägen (z.B. infolge Überspannungen) möglich.The invention finds application in metal-enclosed high or medium voltage switchgear. It comes a device used, which prevents the formation of partial discharge arcing arcs in the enclosure. The device is suitable for the purpose of assessing the isolation of plant sections at the manufacturing plant or on the fully assembled plant on site, as well as for the continuous monitoring of the state of insulation during the energy operation of the plant, through the possible detection and location of partial discharges. In parallel, the device allows the selective detection of otherwise caused dielectric breakdowns (e.g., due to overvoltages).

Characteristic of the known technical solutions

Die metallische Kapselung von Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlagen wird in erster Linie angewendet, um gegenüber Umwelteinflüssen weitestgehend unabhängig zu werden und damit deren Zuverlässigkeit im Vergleich zu konventionellen Anlagen zu erhöhen.The metallic encapsulation of high or medium voltage switchgear is used primarily to become largely independent of environmental influences and thus to increase their reliability compared to conventional systems.

Konstruktiv sind metallgekapselte Anlagen derart aufgebaut, daß durch die thermische Kapselung einerseits und gasdichte Abstandshalter andererseits abgeschlossene Gasräume entstehen. Die technische Realisierung basiert auf der Nutzung eines schwach inhomogenen Grundfeldes.Structurally metal-encapsulated systems are constructed such that by the thermal encapsulation on the one hand and gas-tight spacers on the other hand closed gas chambers arise. The technical realization is based on the use of a weakly inhomogeneous basic field.

Als Isoliermedium hat sich Schwefelhexafluorid (SF₆) international durchgesetzt.As insulating medium, sulfur hexafluoride (SF ₆ ) has gained international acceptance.

Die veränderte Grundkonzeption metallgekapselter Anlagen führt aber auch dazu, daß an die Betriebsführung Forderungen gestellt werden müssen, wie aus dem Umgang mit der konventionellen Technik nur wenig bzw. völlig unbekannt sind. So können Teilentladungen nicht auf Dauer d.h. bei Spannungen kleiner oder gleich der Betriebsspannung zugelassen werden. Die daraus resultierenden, qualitativ höheren Anforderungen an die Ausführung der erforderlichen Fertigungsprozesse machen zu verschiedenen technologischen Etappen die sichere Erfassung und Ortung eventuell vorhandener Störstellen erforderlich. Aber auch während des Betriebes der Anlagen kann es z.B. infolge Kontaktabrieb zur Ausbildung von Störstellen kommen.However, the changed basic concept of metal-encapsulated systems also means that demands must be made on the management, as little or completely unknown from the handling of conventional technology. Thus, partial discharges can not persist, i. be approved for voltages less than or equal to the operating voltage. The resulting, qualitatively higher demands on the execution of the required manufacturing processes make it necessary to reliably detect and locate any defects present at various technological stages. But even during the operation of the plants, it may e.g. come due to contact wear for the formation of impurities.

Resultierende Entladungserscheinungen haben die Zersetzung des Isoliergases zur Folge.Resultant discharge phenomena result in the decomposition of the insulating gas.

Nachfolgende Reaktionen mit der im Isoliergas enthaltenen Restfeuchte führen zu aggressiven Verbindungen, welche leitfähige Beläge an den Abstandshaltern bewirken und damit die elektrische Festigkeit der Anordnung herabsetzen. Derartige Prozesse haben früher oder später die Ausbildung eines Störlichtbogens zur Folge, welcher in metallgekapselten Anlagen eine Reihe zusätzlicher Schutzeinrichtungen erforderlich machen. So u.a. deshalb, da der Störlichtbogen zu einem Druckaufbau in dem fehlerbehafteten Gasraum führt und dadurch das Bedienungspersonal sowie andere Anlagenabschnitte gefährdet werden.Subsequent reactions with the residual moisture contained in the insulating gas lead to aggressive compounds, which cause conductive deposits on the spacers and thus reduce the electrical resistance of the arrangement. Such processes sooner or later result in the formation of an arc fault, which requires a number of additional protective devices in metal-enclosed systems. So u.a. therefore, since the arc fault leads to a pressure build-up in the faulty gas space and thus the operating personnel and other sections of the system are endangered.

Durch die Einwirkung des Störlichtbogens können Anlagenelemente, z. B. Abstandshalter, beschädigt und damit für einen Weiterbetrieb der Anlage unbrauchbar werden. Vor einer erneuten Inbetriebnahme ist daher die Sichtung des fehlerbehafteten Gasraumes unbedingt erforderlich. Voraussetzung für einen gezielten Eingriff und damit verbundene De- und Montagearbeiten ist die gefäßgenaue Ortung der Fehlerstelle. Diese wird durch die bestehende Kapselung erschwert.By the action of the arc fault system elements, eg. As spacers, damaged and thus unusable for continued operation of the system. Before re-commissioning, therefore, the sighting of the faulty gas space is absolutely necessary. Prerequisite for a targeted intervention and related disassembly and assembly work is the vascular accurate location of the fault. This is made more difficult by the existing encapsulation.

Verfahren, welche die Erfassung und Ortung dielektrischer Durchschläge ermöglichen, sind aus der Literatur (OS 2315323, OS 2900316) bekannt. Entsprechende Verfahren und Einrichtungen basieren z.B. auf einer Gasanalyse der verschiedenen Gasräume bzw. registrieren Kapselungsschwingungen infolge der, mit dem Störlichtbogen auftretenden Druckschwingungen.Methods which enable the detection and location of dielectric breakdowns are known from the literature (OS 2315323, OS 2900316). Corresponding methods and devices are based e.g. on a gas analysis of the different gas chambers or register encapsulation vibrations as a result of the pressure oscillations occurring with the fault arc.

Der gemeinsame Nachteil dieser Verfahren liegt darin, daß der Störlichtbogen zwar erfaßt und geortet, nicht aber prophylaktisch verhindert werden kann. Um dieser Aufgabenstellung gerecht zu werden, ist bereits die Erfassung von Teilentladungen als der Vorstufe der Mehrzahl derartiger Fehler erforderlich. Bekannte Lösungen (US 3869665) nutzen hier die, mit dem Auftreten von Teilentladungen gekoppelter Stromimpulse, welche über L-C-Resonanzkreise bzw. eine Reihenauskopplung d. h. über, mit einem Koppelkondensator modifizierte Anlagenelemente (z. B. Abstandhalter) nachgewiesen werden. Derartige Verfahren verlangen eine galvanische Trennung der für die Fehlerortbestimmung vorgesehenen Kapselungsabschnitte sowie die Modifikation spezieller Anlagenelemente und/oder eine dem gegenüber dem Erdpotential isolierte Aufstellung. Entsprechende Restriktionen können unvorteilhafte Auswirkungen auf die Betriebsführung metallgekapselter Anlagen bewirken.The common disadvantage of this method is that the arc fault detected and localized, but can not be prevented prophylactically. To meet this task, the detection of partial discharges is already required as the preliminary stage of the majority of such errors. Known solutions (US 3869665) use here, coupled with the occurrence of partial discharges current pulses, which via L-C resonant circuits or a series decoupling d. H. over, with a coupling capacitor modified system elements (eg spacers) are detected. Such methods require a galvanic separation of the encapsulation sections provided for the fault location as well as the modification of special system elements and / or an installation isolated from the earth potential. Corresponding restrictions can have unfavorable effects on the operation of metal-enclosed plants.

Object of the invention

Zielstellung ist die Erhöhung der Zuverlässigkeit metallgekapselter Schaltanlagen auf der Grundlage der Erfassung und Ortung von inneren Teilentladungen ohne der Notwendigkeit einer Modifizierung von Anlagenelementen (z. B. Elektroden im Abstandshalter) und ohne die Betriebsführung der Anlage erschwerende Restriktionen (z. B. elektrische Sektionierung der Kapselung).The objective is to increase the reliability of metal-enclosed switchgear on the basis of the detection and location of internal partial discharges without the need for modification of system elements (eg electrodes in the spacer) and restrictions without the operation of the system aggravating (eg electrical sectioning of the system encapsulation).

Explanation of the essence of the invention

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die mechanischen Schwingungen der Kapselung infolge innerer Teilentladungen durch die Ausnutzung der mechanischen Verstärkungseigenschaften der Kapselung (Resonanzüberhöhungen) über einen auf der Mitte der Kapselungsgefäße angebrachten resonanzbetriebenen elektroakustischen Wandler (z. B. piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer mit einer Resonanzfrequenz im Bereich der kapselungseigenen Resonanzüberhöhungen) kombiniert mit einem Selektivverstärker (abgestimmt auf die Resonanzfrequenz des Aufnehmers) erfaßt und das gewonnene Signal zur Ansteuerung von Warn-, Steuer- oder Schutzeinrichtungen genutzt wird. Teilentladungen führen in einem hermetisch abgeschlossenen Gasraum zu Dichteveränderungen, welche sich druckabhängig im Isoliergas fortpflanzen und von der metallischen Kapselung frequenzabhängig übertragen werden. Der meßtechnische Nachweis dieser Schwingungen erfolgt vorteilhaft in der Mitte der Kapselungsgefäße. Um eine ausreichende Empfindlichkeit und gleichermaßen Störungsempfindlichkeit zu gewährleisten (Teilentladungen mit einer Impulsladung <10pC) ist der Einsatz resonanzbetriebener Schwingungsaufnehmern kombiniert mit einem Selektivverstärker (abgestimmt auf die entsprechende Resonanzfrequenz der Aufnehmer) erforderlich. Die Auswahl der Resonanzfrequenz erfolgt aus den obig genannten Gründen vorteilhaft im Ultraschallbereich in einem Frequenzbereich, in welchem die mechanischen Schwingungen infolge Teilentladungen bereits durch das Eigenverhalten der Kapselung eine erste Verstärkung erfahren. Je Schottraum ist eine derartige Kombination aus Aufnehmer und Selektivverstärker in geeigneter Weise anzubringen. Die einzelnen Kombinationen sind schaltungstechnisch so verknüpft, daß sowohl die kontinuierliche Überwachung der gesamten Anlage auf Teilentiadungen ohne Unterbrechung des Energiebetriebes als auch im Falle des Auftretens von Teilentladungen, die selektive Abfrage der einzelnen Meßpunkte zum Zwecke der gefäßgenauen Ortung des teilentladungsbehaftenden Kapselungsabschnittes möglich wird. Die Einrichtung kann auch zur zerstörungsfreien Bewertung der Isolierung metallgekapseiter Anlagen sowohl im Herstellerwerk als auch, auf Grund der relativen Störungsempfindlichkeit, vorOrtd.h.an der vollständig montierten Anlage angewendet werden. Kommt es durch anderweitige Ursachen (z. B. infolge der Einwirkung von Überspannungen) zur Ausbildung eines Störlichtbogens, so können in diesem Falle die, infolge des Störlichtbogens auftretenden Kapselungsschwingungen als Kriterium für eine selektive Erfassung und Abschaltung des betreffenden Anlagenabschnittes herangezogen werden. Die Unterscheidung zwischen Teilentladung und Störlichtbogen ist auf Grund der auftretenden Differenzen im Pegel und Frequenzbereich eindeutig möglich.According to the invention, the object is achieved in that the mechanical oscillations of the encapsulation due to internal partial discharges by exploiting the mechanical reinforcing properties of the encapsulation (resonant peaks) via a resonant electroacoustic transducer mounted on the center of the encapsulating vessels (eg piezoelectric accelerometer with a resonant frequency in the the encapsulation resonance peak) combined with a selective amplifier (tuned to the resonant frequency of the transducer) detected and the signal obtained is used to control warning, control or protection devices. Partial discharges lead in a hermetically sealed gas chamber to density changes, which propagate depending on the pressure in the insulating gas and are transmitted frequency-dependent by the metallic encapsulation. The metrological proof of these vibrations is advantageously carried out in the middle of the encapsulating vessels. In order to ensure sufficient sensitivity and fault sensitivity (partial discharges with a pulse charge <10pC), the use of resonance-driven vibration sensors combined with a selective amplifier (tuned to the corresponding resonant frequency of the sensors) is required. For the reasons mentioned above, the selection of the resonant frequency is advantageously carried out in the ultrasonic range in a frequency range in which the mechanical vibrations as a result of partial discharges already undergo a first amplification due to the inherent behavior of the encapsulation. Depending Schott compartment is such a combination of transducer and selective amplifier to install appropriate. The individual combinations are circuit technology linked so that both the continuous monitoring of the entire system on Teilentiadungen without interrupting the energy operation and in the case of the occurrence of partial discharges, the selective interrogation of the individual measuring points for the purpose of vessel accurate location of the partially discharge-containing Kapselungsabschnittes possible. The device may also be used to non-destructively evaluate the isolation of metal-capped equipment both at the factory and, due to the relative disturbance sensitivity, upstream of the fully assembled equipment. If, due to other causes (eg as a result of the effect of overvoltages), the formation of an arc fault, then in this case, the encapsulation vibrations occurring as a result of the arc fault can be used as a criterion for selective detection and shutdown of the relevant section of the plant. The distinction between partial discharge and arc fault is clearly possible due to the differences occurring in the level and frequency range.

embodiment

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels für die kontinuierliche Bewertung des Zustandes der Isolierung näher beschrieben werden. Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer einpolig gekapselten Anlage mit einem hermetisch abgeschlossenen Gasraum, in welchem eine ortsfeste Störstelle auf der Innenelektrode angenommen wird. Kommt es an dieser Störstelle zur Ausbildung von Teilentladungen, so werden die bereits ausführlich dargestellten Phänomene wirksam. Damit werden die Entladungserscheinungen am empfindlichsten von dem auf der Mitte des betreffenden Gefäßteiles befestigten Aufnehmer 1 b erfaßt.The invention will be described in more detail below with reference to an exemplary embodiment for the continuous evaluation of the state of the insulation. 1 shows a section of a single-pole encapsulated system with a hermetically sealed gas space, in which a stationary impurity is assumed on the inner electrode. If it comes at this point of failure for the formation of partial discharges, the phenomena already described in detail become effective. Thus, the discharge phenomena are most sensitive detected by the mounted on the center of the relevant vessel part transducers 1 b.

Sind die Entladungen stärker, so ist deren Erfassung auch über die Aufnehmer auf den angrenzenden Gefäßteilen 1 a und 1 c möglich. Dabei setzt der Aufnehmer 1 a im Vergleich zum Aufnehmer 1 c eine geringere Entladungsenergie voraus, da das Schwingungssignal hauptsächlich über die Gasstrecke übertragen wird. Das Spannungssignal am Ausgang der Aufnehmer wird über den nachgeschalteten Selektivverstärker bewertet und kann über den Meßstellenumschalter 4 auf dem Auswertegerät als Pegelerhöhung nachgewiesen werden. Jede kontinuierliche Pegelerhöhung gegenüber dem von Auswertegerät registrierten Grundstörpegel deutet auf Entladungserscheinungen im überwachten Anlagenabschnitt hin. Davon ausgehend kann über bekannte Verstärkerschaltungen eine Verbindung mit Warn-, Steuer- und Schutzeinrichtungen erfolgen. Störungen durch Schalthandlungen o.a. sind im bewerteten Frequenzbereich durch ihren Impulscharakter eindeutig auszumachen.If the discharges are stronger, their detection is also possible via the sensors on the adjacent vessel parts 1 a and 1 c. In this case, the transducer 1 a in comparison to the transducer 1 c requires a lower discharge energy, since the vibration signal is transmitted mainly via the gas line. The voltage signal at the output of the transducer is evaluated by the downstream selective amplifier and can be detected via the Meßstellenumschalter 4 on the evaluation as a level increase. Any continuous increase in level with respect to the base noise level registered by the evaluation device indicates signs of discharge in the monitored system section. On this basis, a connection with warning, control and protection devices can take place via known amplifier circuits. Interference due to switching operations or similar are clearly identifiable in the evaluated frequency range due to their impulsive character.

Zum Zwecke der gefäßgenäuen Ortung der Entladung kann über den Meßstellenumschalter 3 eine Abfrage der einzelnen Kombinationen (Aufnehmer und Selektivverstärker) erfolgen. Fürdas ausgeführte Beispiel ergibtsich folgende Pegelverteilung:For the purpose of the vessel-like location of the discharge, a query of the individual combinations (transducer and selective amplifier) can take place via the measuring point switch 3. For the example carried out, the following level distribution results:

wodurch das störstell en behaftete Gefäßteil eindeutig als solches bestimmt werden kann. In an a loger Weise kann die Anordnung auch an dreipolig gekapselten Anlagen angebracht werden.whereby the disordered vessel part can be clearly determined as such. In a loger manner, the arrangement can also be attached to three-pole encapsulated systems.

Claims

1. A device for detecting and locating partial discharges in metal-enclosed high or medium voltage switchgear, in combination of transducer and selective amplifier, characterized in that a resonant-operated electro-acoustic transducer is connected upstream of a selective amplifier as a measuring device.

2. A method for detecting and locating partial discharges for a device according to item 1 in combination of transducer and selective amplifier, characterized in that the transducer operates at its resonant frequency.

3. The method according to item 2, characterized in that the mechanical vibration gain of the DUT is detected by tuning the resonant frequency of the transducer to the frequency range in which the vibration amplification acts in the measuring device.