DE10008347A1

DE10008347A1 - Einrichtung zur Erfassung von elektrischen Ladungen

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Publication number: DE10008347A1
Application number: DE2000108347
Authority: DE
Original assignee: MAY ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: MAY ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2001-08-30

Description

Die im Bereich der Energieerzeugung und -verteilung eingesetzten Anlagen müssen eine sehr hohe Verfügbarkeit haben. Nur so kann eine sichere und zuverlässige Versorgung mit elektrischer Energie gewährleistet werden. Nach dem Aufbau und der Inbetriebnahme der Anlagen muß sichergestellt bleiben, dass sich der Isolationszustand der Anlagen im Laufe der Zeit nicht verschlechtert. Dieses Ziel kann u. a. durch den Einsatz von Teilentladungsüberwachungs- und Diagnoseverfahren erreicht werden.

In stark inhomogenen elektrischen Feldern (z. B. Feldstörungen durch Spitzen) können äußere Teilentladungen (TE) auftreten. Gekennzeichnet sind diese Entladungen durch Stromimpulse mit steilem Anstieg (Anstiegszeit < ~10ns) und langsamerem Abfall (Abfallszeit < ~1OO ns) sowie Impulsladungen von einigen zehn pC. Die Stromimpulse sind gleichmäßig und treten immer zuerst im Bereich des Scheitelwertes auf.

Gleitentladungen entstehen an Schräggrenzflächen zwischen unterschiedlichen Isolierstoffen. Sie sind hochfrequenter als äußere Teilentladungen und damit messtechnisch schwieriger zu erfassen und zu bewerten. Bei Gleitentladungen ist die Ladungsmenge wesentlich höher und die Einsatzspannung wesentlich niedriger als bei äußeren TE'n; außerdem treten sie sporadisch in beiden Spannungshalbwellen auf Gleitentladungen sind damit für die Isolierungen wesentlich gefährlicher als Teilentladungen.

Die in der VDE-Norm 0434 (IEC 270) festgelegte Teilentladungsmessung erfordert eine direkte Ankopplung eines Koppelkondensators an den Prüfling. Zum dauerhaften Überwachen einer Schaltanlage müßten diese Messaufbauten schon bei der Konstruktion mit eingeplant werden. Dies erfordert größere Abmessungen der Schaltzellen und erhöht den Preis.

Das Nachrüsten eines Koppelkondensators in Altanlagen ist durch die hohen Kosten ökonomisch wenig sinnvoll.

TE-Prozesse verursachen transiente Ausgleichsvorgänge im Hochfrequenzbereich von etwa 100 kHz bis zu einigen 10 MHz, in SF₆-Anlagen sogar bis in den GHz-Bereich. Seit längerem sind Anordnungen bekannt, die das elektromagnetische Feld dieser transienten TE-Ausgleichsvorgänge mit Antennen empfangen und auswerten, also eine TE-Pegelerfassung mittels Feldkopplung vornehmen, um auf Betriebsunterbrechungen und den für die Standardmessung üblichen Koppelkondensator verzichten zu können.

Die TE-Erfassung mittels Feldkopplung ist mit der standardisierten TE-Messung vergleichbar, man erhält prinzipiell ähnliche Oszillogramme und Musterdarstellungen sowie gleiche Tendenzwerte. Wie beim standardisierten Verfahren wird ein reduzierter Anteil des Originalimpulses erfasst. In Analogie zur Standardmessung kann dieser mit Hilfe eines Kalibrierverfahrens ebenfalls als Ladungswert quantifiziert werden.

Die Feldkopplung wird bisher hauptsächlich in SF₆-Anlagen eingesetzt. Jedoch müssen auch hier die Koppelelektroden bei der Konstruktion bereits vorgesehen werden und können später nur unter erhöhtem Aufwand, oder überhaupt nicht, nachgerüstet werden.

Eine bekannte Anordnung (Lemke Sonde), die die Feldkopplung in luftisolierten Anlagen nutzt, hat eine Richtwirkung zur Entladungsstelle und eignet sich damit gut zur Fehlerortung, jedoch werden die verschiedenen Entladungsarten (äußere Teilentladungen bzw. Gleitentladungen) nicht gleichmäßig bewertet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein kontinuierliches Überwachungssystem für Entladungen zu konstruieren, das Teil- und Gleitentladungen gleichmäßig bewertet, kostengünstig in Neuanlagen montierbar und preiswert in Altanlagen nachrüstbar ist, sowie unter Vorortbedingungen, also ohne Betriebsunterbrechungen, einsetzbar ist.

Die Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere Feldsonden (1) mit einer zentralen Auswerteeinheit (2) verbunden sind, die Feldsonden aus einer Ankoppelelektrode (3) und einem nachgeschaltetem Meßverstärker (4) bestehen, mit dem sie eine bauliche Einheit bilden, und die Ankoppelelektroden zwischen einer Hochspannung führenden Elektrode (6) und einer geerdeten Elektrode (7) auf freiem Potential eingebracht werden (Fig. 1) und, dass der Montageort der Ankoppelektroden sehr nahe an der Hochspannung führenden Elektrode oder sehr nahe an der geerdeten Elektrode liegt. Weiterhin ist es zweckmaßig bereits in dem nachgeschalteten Verstärker eine Vorverarbeitung vorzunehmen, die die Bandbreite der zu übertragenden Signale reduziert.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: das Blockschaltbild der gesamten Anordnung

Fig. 2: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ankoppelelektrode

Fig. 3: das Ersatzschaltbild einer Teilentladung nach Gemant und Philippoff zusammen mit dem Ersatzschaltbild einer Ankoppelelektrode

Fig. 4: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines nachgeschalteten Verstärkers

Die Feldsonden bestehen aus einer Ankoppelelektrode (3) in baulicher Einheit mit einem nachgeschalteten Verstärker (4). Das Eingangssignal wird über diesen Verstärker, der durch geeignete Beschaltung auch zur Störsignalunterdrückung benutzt werden kann, verstärkt. Die Feldsonden werden unmittelbar in das elektrische Feld der Anlage eingebracht und sind über ein Kabel mit der Auswerteeinheit verbunden.

Anstelle der Ankopplung über Elektroden ist es ebenfalls möglich, die Feldsonden über kleine Kapazitäten anzuschließen.

Über mehrere Feldsonden (1), die in verschiedenen Anlagenteilen montiert sein können, werden die Entladungen kontinuierlich erfasst und einer zentralen Auswerteeinheit (2) zugeführt. In der Auswerteeinheit erfolgt die Bewertung auf Intensität und Häufigkeit der Entladungen. Zum Beispiel kann beim Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes eine Alarmmeldung ausgelöst werden.

Wie in Fig. 1 und 3 dargestellt, bildet die Ankoppelektrode (3) einen kapazitiven Spannungsteiler zwischen der Streukapazität der Hochspannung führenden Elektrode (6) und der geerdeten Elektrode (7). Sie kann z. B., im einfachsten Fall, aus einem kurzen, elektrisch leitenden, Stab bestehen, aber auch jede andere Bauform, die dem Ersatzschaltbild nach Fig. 3 genügt ist denkbar. Fig. 3 zeigt die stark vereinfachte Ersatzschaltung einer kapazitiven Feldkopplung. Wichtig für die gleichmäßige Bewertung von Teil- und Gleitentladungen ist, dass außer der Ankopplung über C_H und C_E keine weitere Streukapazität in Richtung der Entladungsstelle (F) wirkt. Dies wird erreicht durch die möglichst nahe Montage (wenige cm) der Ankoppelelektrode entweder bei der Elektrode (6) oder (7). In der Praxis wird die Montage nahe der geerdeten Elektrode (7), wegen des erforderlichen Isolationsabstandes zur Hochspannung, bevorzugt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ankoppelelements ist in Fig. 2 gezeigt. Das Ankoppelelement besteht aus 3 Elektroden, wobei die mittlere Elektrode größer als die beiden Äußeren und mit dem Bezugspotential des nachfolgenden Verstärkers verbunden ist. Je eine der beiden äußeren Elektroden ist mit dem invertierenden, bzw. mit dem nichtinvertierenden Eingang des nachfolgenden Verstärkers, der in diesem Ausführungsbeispiel ein Differenzverstärker ist, verbunden. Dieses Ankoppelelement hat eine erhöhte Störunterdrückung und besitzt eine Richtwirkung. Für ihren Montageort gelten die gleichen Überlegungen, wie zuvor beschrieben.

Anstelle einer Feldkopplung über Ankoppelelektroden kann am Eingang des nachgeschalteten Verstärkers eine Induktivität, vorzugsweise eine Rogowskispule, die z. B. den Erdableitstrom einer Baugruppe erfasst, angeschlossen werden. Die weitere Signalverarbeitung bleibt identisch.

Um die Signale möglichst störsicher zu übertragen und in der Auswerteeinheit kostengünstig erfassen zu können, ist es zweckmäßig im nachgeschalteten Verstärker vor der Übertragung zur Auswerteeinheit eine Bandbreitenreduzierung vorzunehmen. Fig. 4 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel für den nachgeschalteten Verstärker, bestehend aus einem Vorverstärker (8), einem Scheitelwertmesser (9), und einem Ausgangsverstärker (10). Der Scheitelwertmesser muss zur Erfassung von positiven und negativen Pegeln konstruiert sein. Entsprechende Schaltungen sind in der Literatur bekannt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, wenn das Ausgangssignal der Feldsonde ein, dem Scheitelwert des Eingangssignals proportionaler Strom ist. Durch diese Maßnahme wird die Störsicherheit der Übertragung beträchtlich erhöht, sie wird weitgehend leitungslängenunabhängig und es ermöglicht gleichzeitig, die Hilfsenergieversorgung der Feldsonde über die gleiche 2-Draht-Verbindung vorzunehmen über die auch das Ausgangssignal zur Auswerteeinheit übertragen wird.

Die Auswerteeinheit ist für den Anschluß von mehreren Feldsonden ausgelegt, die im Zeitmultiplex abgetastet werden. Sie wird am zweckmäßigsten mittels eines Microcontrollers realisiert. Sie hat die Aufgabe, die von den Feldsonden erfassten Entladungspegel auszuwerten, anzuzeigen und auf Grenzwerte zu überwachen. Außerdem kann sie die Hilfsenergieversorgung der Feldsonden übernehmen.

Die Auswerteeinheit kann in zwei Funktionsweisen betrieben werden. Im Überwachungsmodus ist sie für die ständige Kontrolle, von z. B. Schaltzellen, auf einsetzende Entladungen vorgesehen. In dieser Betriebsweise wird beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes eine Meldung ausgelöst.

Parallel dazu kann die Auswerteeinheit über eine Rechnerschnittstelle im Diagnosemodus betrieben werden. Damit ist eine direkte TE-Diagnose und Messwertaufbereitung möglich. Dies kann mittels eines geeigneten Softwareprogramms auf einem angeschlossenen Rechner oder in der Auswerteeinheit selbst erfolgen.

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

- Durch die kontinuierliche Entladungsüberwachung vor Ort können, über- und durchschlaggefährdete Betriebsmittel rechtzeitig erkannt werden.
- Eine Betriebsunterbrechung ist nicht notwendig.
- Die Feldsonden werden an die Hochspannung führenden Baugruppen berührungslos angekoppelt, wobei die notwendigen Schutzabstände leicht eingehalten werden können.
- Neben der Ankopplung über Elektroden kann auch ein direkter Anschluss über Koppelkapazitäten, wie sie z. B. für die Spannungsüberwachung Anwendung finden, erfolgen.
- Gleitentladungen und Teilentladungen werden gleichwertig erfaßt und bewertet.
- Die Erfindung ist nachrüstbar in Anlagen unterschiedlichster Typen.
- Die Erfindung hat gegenüber anderen TE-Messeinrichtungen einen wesentlich niedrigeren Preis.

Aufstellung über die verwendeten Bezugszeichen in den Zeichnungen

1

Feldsonde

2

Auswerteeinheit

3

Ankoppelelement

4

nachgeschalteter Verstärker

5

Verbindungskabel

6

Hochspannung führende Elektrode

7

geerdete Elektrode

8

Vorverstärker

9

Scheitelwertmesser

10

Ausgangsstufe
C₁

Kapazität zwischen Erde und Störstelle
C₂

Kapazität zwischen Hochspannung und Störstelle
C₃

gesamte Anlagenkapazität
F Funkenstrecke
C_H

Kapazität zwischen Ankoppelelektrode und Hochspannung
C_E

Kapazität zwischen Ankoppelelektrode und Erde

Claims

1. Einrichtung zur Erfassung von elektrischen Entladungen an mehreren Anlagen und/oder Geräten und/oder Baugruppen mit Luft-, Isoliergas- oder Feststoff-Isolierung, bestehend aus Ankoppelelementen, Meßverstärkern und einer zentralen Auswerteeinheit in kostengünstiger Kombination miteinander, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Feldsonden (1) mit einer zentralen Auswerteeinheit (2) verbunden sind, die Feldsonden aus einer Ankoppelelektrode (3) und einem nachgeschaltetem Meßverstärker (4) bestehen, mit dem sie eine bauliche Einheit bilden, und die Ankoppelelektroden zwischen einer Hochspannung führenden Elektrode (6) und einer geerdeten Elektrode (7) auf freiem Potential eingebracht werden.

2. Einrichtung zur Erfassung von elektrischen Entladungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankoppelelektrode (3) in das elektrische Feld zwischen der Hochspannungselektrode und der geerdeten Elektrode eingebracht wird (kapazitive Ankopplung) und in Nähe der geerdeten Elektrode aufgebaut ist.

3. Feldsonde zur Erfassung von elektrischen Entladungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankoppelelektrode aus einer Einzelelektrode besteht.

4. Feldsonde zur Erfassung von elektrischen Entladungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankoppelelektrode (3) aus drei Einzelelektroden besteht, die symmetrisch aufgebaut sind und wovon die mittlere, die größer als die beiden anderen ist, mit dem Bezugspotential des nachgeschalteten Messverstärkers (4) verbunden und dieser ein Differenzverstärker ist.

5. Feldsonde zur Erfassung von elektrischen Entladungen nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass im nachgeschalteten Meßverstärker eine Vorverarbeitung stattfindet, die die Bandbreite der Eingangssignale reduziert, indem mittels eines aktiven oder passiven R-C- Dioden-Netzwerks der Scheitelwert des Einganssignals erfasst wird.

6. Einrichtung zur Erfassung von elektrischen Entladungen nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal der Feldsonde ein dem Scheitelwert des Eingangssignals proportionaler Strom ist und mittels eines 2-Leiterkabels (5) in koaxialer, verdrillter oder paariger Bauform mit der Auswerteeinheit verbunden ist, über das gleichzeitig die Hilfsenergie für die Feldsonde eingespeist wird.

7. Einrichtung zur Erfassung von elektrischen Entladungen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle eines kapazitiven Ankoppelelements ein induktives Ankoppelement verwendet wird.

8. Feldsonde zur Erfassung von elektrischen Entladungen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität eine Rogowski-Spule ist, die den Erdableitstrom einer Anlage erfasst.