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Die
Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zur Diagnose des
technischen Funktionszustandes eines Leistungsschalters gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 und 11.
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Mittel-
und Hochspannungsanlagen zur Übertragung
und Verteilung von elektrischer Energie sind hinlänglich bekannt.
Derartige Mittel- und Hochspannungsanlagen weisen zum Schalten von
hohen elektrischen Strömen
Hochspannungsschaltgeräte, insbesondere
so genannte Leistungsschalter auf, wobei die hohen elektrischen
Ströme über eine
dem Leistungsschalter zugeordnete Stromwandlereinheit detektiert
werden. Das eigentliche Schaltmodul eines derartigen Leistungsschalters
befindet sich hierbei in einem geschlossenen Gehäuse.
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Insbesondere
bei Kurz- bzw. Erdschlüssen
in Hochspannungsnetzen treten Ströme von bis zu 150 kA auf, die
mittels derartiger Leistungsschalter sicher abgeschaltet werden
können.
Bei derartigen Schaltvorgängen
entstehen innerhalb des geschlossenen Gehäuses des Leistungsschalters
Lichterscheinungen bzw. so genannte Lichtbögen, welche abhängig von
den jeweils vorliegenden Parametern wie beispielsweise der Stromstärke, Dauer
des Lichtbogens etc. bestimmte Lichtenergien freisetzen.
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Im
Hinblick auf eine sichere Energieversorgung ist es wünschenswert,
die Entstehung von Betriebsstörungen
in derartigen Leistungsschaltern rechzeitig und schnell zu erkennen,
insbesondere sich anbahnende Fehler zuverlässig vorhersagen zu können. Eine
fehlerhafte Funktionsweise aufgrund nicht rechtzeitig erkannter
Betriebsstörungen
kann beispielsweise zu schwerwiegenden Netzausfällen („Blackout„)
führen.
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Ausgehend
vom dargelegten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine System sowie ein zugehöriges Verfahren zur Diagnose
des technischen Betriebszustandes von Leistungsschaltern anzugeben,
welches eine Vorhersage von ggf. bevorstehenden Betriebsstörungen ermöglicht.
Die Aufgabe wird ausgehend von den Merkmalen des Oberbegriffes des
Patentanspruches 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Der
wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Systems ist darin zu sehen,
dass durch die Lichtempfängereinheit
das bei einem Schaltvorgang, insbesondere einem Abschalt- oder Einschaltvorgang
erzeugte Lichtsignal erfasst wird, welches über die Übertragungsleitung an die Mess-
und Auswerteelektronik übertragen
wird und durch die Mess- und Auswerteelektronik zur Diagnose des
technischen Betriebszustandes des Leistungsschalters ausgewertet
wird. Besonders vorteilhaft wird das Lichtsignalverhalten eines
Leistungsschalters im Rahmen eines Schaltvorganges in Form des entstehenden Lichtsignals
aufgezeichnet und die darin enthaltenen Informationen über den
technischen Betriebszustand des Leistungsschalters zur Vorhersage
einer Betriebsstörung
bzw. des Betriebszustandes des Leistungsschalters ausgewertet. Mittels
des beschriebenen Diagnosesystems können beispielsweise Wartungsmaßnahmen
an Hochspannungsschaltgeräten bzw.
Leistungsschaltern unabhängig
von festen Wartungsintervallen erfolgen, und zwar aufgrund aktueller
Gegebenheiten. Insbesondere können
ggf. zu Netzausfällen
führende
Betriebstörungen
vermieden werden. Das von der jeweils geschalteten Stromstärke abhängige Lichtsignal
und dessen zeitlicher Verlauf liefern eine Art „Fingerabdruck„ des
technischen Funktionszustandes eines Leistungsschalters, der zur
Vorhersage von Betriebsstörungen
in nahezu beliebiger Weise ausgewertet werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird durch die Meß-
und Auswerteelektronik der technische Betriebszustand des Leistungsschalters
bestimmt, und zwar wird das erfasste Lichtsignal mit einem Referenzlichtsignal
verglichen und abhängig vom
Vergleichsergebnis der technische Betriebszustand und somit die
Wahrscheinlichkeit einer bevorstehenden Betriebsstörung des
Leistungsschalters ermittelt.
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Weiterhin
vorteilhaft wird die Abweichung des erfassten Lichtsignals von dem
Referenzlichtsignal bestimmt und bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Toleranzbereiches
ein auf eine bevorstehende Betriebstörung hinweisende Warnmeldung
erzeugt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Diagnosesystems, insbesondere ein
Verfahren zur Diagnose des technischen Betriebszustandes eines Leistungsschalters
sind den weiteren abhängigen
Ansprüchen
zu entnehmen.
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Nachstehend
wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen anhand eines
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 beispielhaft
ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Systems
zur Diagnose des technischen Betriebszustandes eines Leistungsschalters,
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2 beispielhaft
in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf eines aufgezeichneten Lichtmesssignals
und
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3 beispielhaft
in einem weiteren Diagramm den zeitlichen Verlauf des integrierten
Lichtmesssignals gemäß 2.
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In 1 ist
in einem schematischen Blockschaltbild ein System 1 dargestellt,
welches zur Diagnose von technischen Betriebszuständen zur
Vorhersage von Betriebsstörungen
zumindest eines Leistungsschalters 2 einer Mittel- bzw.
Hochspannungsanlage dient.
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Ein
derartiger Leistungsschalter 2 weist einen von einem Gehäuse 2.1 eingeschlossenen Schaltraum 2.2 auf,
in dem ein Schaltmodul 2.3 zum Zu- und Abschalten von über eine
Hochspannungsleitung 2.4 geführten hohen elektrischen Strömen I, und
zwar von einigen kA bis zu ca. 150 kA, vorgesehen ist. Ein derartiges
Schaltmodul 2.3 kann beispielsweise als eine „Leistungsschalter-Unterbrechereinheit„ zur
Kontakttrennung ausgebildet sein. Bei derartigen Schaltvorgängen treten
innerhalb des Schaltraumes 2.2 Lichterscheinungen bzw.
Lichtbögen
auf, und zwar insbesondere auch innerhalb eines SF6-isolierten oder
luftisolierten Leistungsschalters 2. Derartige Lichterscheinungen
bzw. Lichtbögen werden
im Folgenden als Lichtsignal LS bezeichnet, welches im Schaltraum 2.2 entstehen.
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Bei
derartigen Leistungsschalters 2 kann der technische Betriebszustand
aufgrund altersbedingter Abnutzungserscheinungen wie beispielsweise
zu wenig SF6-Gas, zuwenig Hydraulikdruck oder ein zu geringe Federspannung
des Antriebes, beeinträchtigt
sein und hierdurch Fehlfunktionen sowie Betriebsstörungen entstehen.
Speziell beim Abschaltvorgang oder auch beim Einschaltvorgang führen derartige
Abnutzungserscheinungen zu einer Veränderung des beim Ab- bzw. Einschaltvorgang
im Schaltraum 2.2 entstehenden Lichtsignals LS, welche
mittels des erfindungsgemäßen Diagnosesystems 1 aufgezeichnet
und zur Vorhersage von Betriebsstörungen ausgewertet werden.
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Das
Diagnosesystem 1 besteht im Wesentlichen aus einer Lichtempfängereinheit 3,
die über eine
vorzugsweise optische Übertragungsleitung, insbesondere
einen Lichtwellenleiter 4 mit einer Mess- und Auswertelektronik 5 verbunden
ist. Mittels der beispielsweise in eine Gehäuseöffnung 2.5 des Leistungsschalters 2 zumindest
teilweise integrierten Lichtempfängereinheit 3 werden
die entstehenden Lichtsignale LS innerhalb des Schaltraumes 2.2 erfasst,
wobei beispielsweise ein stirnseitiges Ende der vorzugsweise einen
zylinderförmigen
Abschnitt aufweisenden Lichtempfängereinheit 3 zumindest
teilweise in den Schaltraum 2.2 hineinragt. Die Lichtempfängereinheit 3 nimmt
das im Schaltraum 2.2 vorliegende Lichtsignal LS auf, welches über die
vorzugsweise optische Übertragungsleitung 4 an
die Mess- und Auswerteelektronik 5 übertragen wird. Das bei einem
Schaltvorgang erzeugte Lichtsignal LS ist unter anderem abhängig von
dem jeweils geschalteten Stromstärkenwert
SSA.
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Die
Mess- und Auswertelektronik 5 weist zum Empfang des von
der Lichtempfängereinheit 3 erfassten
Lichtsignals LS eine optoelektrische Wandlereinheit 5.1,
beispielsweise ein optoelektrisches Bauelement in Form einer Fotodiode
oder eines Fototransistors, auf, welche das von der Lichtempfängereinheit 3 erfasste
Lichtsignal LS in ein analoges Lichtmesssignal LMS oder in ein integriertes
Lichtmesssignal LMS* umwandelt. Hierbei ist die Amplitude A, A*
des analogen Lichtmesssignals LMS bzw. des integriertes Lichtmesssignal
LMS* ein Maß für die Lichtenergie
bzw. Lichtintensität
des erfassten Lichtsignals LS bei einer vorgegebenen Stromstärkewert
SSA und somit ein Maß für die im
Schaltraum 2.2 aufgrund des Schaltvorgangs entstandenen
Lichtenergiemenge, die beispielsweise durch Abbrand freigesetzt
wurde. Das analoge bzw. integrierte Lichtmesssignal LMS, LMS* ist
beispielsweise ein elektrisches Signal mit einer Spannungs- oder
Stromamplitude A, A*. Die Erfassung des analogen Lichtmesssignal
LMS oder des integrierten Lichtmesssignal LMS* kann beispielsweise
mittels einer nachgeschalteten Filtereinheit (nicht in der Figur
dargestellt) für
einen Zeitraum von 0 bis 1000 ms erfolgen, wobei die Dimensionierung
der Fensterlänge
individuell wählbar
ist.
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Das
hierdurch erhaltende analoge Lichtmesssignal LMS bzw. integrierte
Lichtmesssignal LMS* enthalten Informationen über den technischen Betriebszustand
des Leistungsschalters 2 und geben das aktuelle Lichtsignalverhalten
des Leistungsschalters 2 wieder. Erfindungsgemäß wird das
analoge bzw. integrierte Lichtmesssignal LMS, LMS* vorzugsweise
in einer in der Mess- und Auswerteelektronik 5 vorgesehenen
Speichereinheit 5.2 aufgezeichnet und als eine Art „Fingerabdruck” des Leistungsschalters 2 hinterlegt.
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Bereits
das Vorliegen eines aufgezeichneten Lichtmesssignals LMS, LMS* in
der Mess- und Auswertelektronik 5 kann
in einer vereinfachten Form des Diagnosesystems 1 anhand
einer Warnmeldung, beispielsweise mittels einer Warnleuchte 5.3,
angezeigt werden. Über
eine in der Mess- und Auswerteelektronik 5 vorgesehene
Schnittstelle 5.4 ist das aufgezeichnete Lichtmesssignals
LMS, LMS* durch das Wartungspersonal zur weiteren Auswertung auslesbar.
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In 2 ist
beispielhaft der Verlauf der Amplitude A des aufgezeichneten analogen
Lichtmesssignals LMS über
der Zeit t und in 3 der Verlauf der Amplitude
A* des integrierten Lichtmesssignals LMS* über der Zeit t aufgetragen.
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Zum
Zeitpunkt t = t1 wird beispielsweise das Schaltmodul 2.3 geschaltet
und somit beispielsweise der Abschaltvorgang gestartet. Zum Schalten
des Schaltmoduls 2.3 ist überlicherweise dem Leistungsschalter 2 eine
Stromwandlereinheit 6 zugeordnet, über welche der über die
Hochspannungsleitung 2.4 geführte Strom I gemessen wird
und dessen Stromstärkewert
SSA bestimmt wird. Abhängig
vom Überschreiten
eines Grenzstromstärkewertes
durch den gemessenen Stromstärkewert
SSA wird ein Schaltsignal SS zum Schalten des Schaltmoduls 2.3 erzeugt, bei
dessen Vorliegen das Schaltmodul 2.3 schaltet.
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Durch
diesen Abschaltvorgang wird im Schaltraum 2.2 das Lichtsignal
LS hervorgerufen, welches über
die Lichtempfängereinheit 3 erfasst und
zur Aufzeichnung und Auswertung an die Mess- und Auswertelektronik 5 übertragen
wird. Hierbei kann die Aufzeichnung durch die Mess- und Auswertelektronik 5 ebenfalls
durch das oben genannte Schaltsignal SS getriggert werden, welches
hierzu an die Mess- und Auswertelektronik 5 übertragen
wird. Alternativ kann auch eine kontinuierliche Erfassung und Aufzeichnung
sämtlicher
innerhalb des Schaltraums 2.2 entstehenden Lichtsignale
LS erfolgen, die beispielsweise eine vorgegebene Mindestsignalstärke überschreiten.
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In
der Mess- und Auswertelektronik 5 wird das empfangene Lichtsignal
LS in das analoge bzw. integrierte Lichtmesssignal LMS, LMS* umgewandelt und
dieses anschließend
aufgezeichnet. Die Aufzeichnung erfolgt vorzugsweise innerhalb eines
vorgegebenen Zeitintervalls, beispielsweise zwischen 0 ms und 1000
ms, und zwar entweder in analoger Form LMS gemäß 2 oder in
integrierter Form LMS* gemäß 3.
Wie aus den 2 und 3 ersichtlich
wird die Lichtenergie in Form der jeweiligen Signalamplitude A,
A* über
der Zeit t erfasst und bildet somit das Lichtsignalverhalten des
Leistungsschalters 2 ab.
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Zusätzlich zur
Aufzeichnung eines Lichtmesssignals LMS, LMS* wird der von der Stromwandlereinheit 6 zur
Verfügung
gestellte, während der
Erfassung vorliegende Stromstärkenwert
SSA in der Speichereinheit 5.2 hinterlegt und dem Lichtmesssignal
LMS, LMS* zugeordnet. Besteht eine aufgrund zahlreicher Versuche
bestätigte
Beziehung zwischen dem Stromstärkewert
SSA und der Amplitude des Lichtsignals LS, so kann auf die gleichzeitige
Erfassung des Stromstärkenwertes
SSA verzichtet werden. Durch das System 1 wird dann ausschließlich das
Lichtmesssignals LMS, LMS* ausgewertet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind in der Speichereinheit 5.2 mehrere Referenzlichtsignale
RLS gespeichert, und zwar beispielsweise in Form einer Kennlinienschar,
wobei jeweils einem Stromstärkewert
SSA ein Referenzlichtsignal RLS zugeordnet ist. Die Referenzlichtsignale
RLS geben hierbei das Lichtsignalverhalten eines fehlerfreien Leistungsschalters 2 bei
unterschiedlichen Schaltströmen
I wieder.
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In
der Mess- und Auswertelektronik 5 ist eine Auswerteschaltung 5.5 vorgesehen,
mittels der das erfasste Lichtmesssignal LMS, LMS* mit dem zugehörigen Referenzlichtsignal
RLS verglichen wird, d. h. abhängig
von dem durch die Stromwandlereinheit 6 gemessenen Stromstärkewert
SSA wird das zugeordnete Referenzlichtsignal RLS bestimmt und mit dem
aktuell erfassten Lichtmesssignals LMS, LMS* verglichen.
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Die
Auswerteschaltung 5.5 ermittelt die bestehenden Abweichungen
des aktuell erfassten Lichtmesssignals LMS, LMS* vom Referenzlichtsignal
RLS. Liegt die ermittelte Abweichung innerhalb eines vorgegebenen
Toleranzbereiches, so ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass eine
Betriebstörung in
naher Zukunft entstehen könnte.
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Überschreiten
die ermittelten Abweichungen jedoch den vorgegebenen Toleranzbereich,
so ist mit hoher Wahrscheinlichkeit mit einer bevorstehenden Betriebstörung zu
rechnen, die sich aufgrund des deutlich verändernden Lichtsignalverhaltens
vorhersagen lässt.
Hierbei können
mehrere Abweichungsschwellwerte vorgegeben werden, bei deren Überschreiten
unterschiedliche Wartungs- und Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden.
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Überschreitet
beispielsweise die Abweichung einen vorgegebenen Toleranzbereich
so wird durch die Mess- und Auswerteelektronik 5 ein Warnhinweis
erzeugt und beispielsweise über
die Warnleuchte 5.3 angezeigt. Durch Aktivierung der Warnleuchte 5.3 wird
das Wartungspersonal darüber
informiert, dass ggf. in Kürze
mit einer Betriebsstörung
zu rechen ist und es unverzüglich
eine Wartung des Leistungsschalters 2 vorzunehmen sollte.
Besonders vorteilhaft muss somit der Leistungsschalter nicht in festen
Zyklen gewartet werden, sondern kann unabhängig vom aktuellen technischen
Betriebszustand eine entsprechende Wartungsmaßnahme eingeleitet werden.
Hierbei werden besonders vorteilhaft hohe Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen
eingespart.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung weist die Mess- und Auswerteelektronik 5 eine
Logikeinheit 5.6 auf, die ein ODER-Schaltelement >= 1 und ein UND-Schaltelement & umfasst. Die
Eingänge
des UND-Schaltelementes & sind
mit dem Ausgang des ODER-Schaltelementes >= 1 und dem Eingang für das Lichtsignal LS verbunden,
wobei der Ausgang des UND-Schaltelementes & an die optoelektrische Wandlereinheit 5.1 geführt ist.
An den zwei Eingängen
des ODER-Schaltelementes >= 1
liegen die von einer nicht in der 1 dargestellten Schaltanlagensteuerung
erzeugten Schaltinformationen SLE, SLA an, und zwar entweder eine
Einschaltinformation SLE oder ein Ausschaltinformation SLA. Mittels
der beschriebenen Logikeinheit 5.6 wird sichergestellt,
dass nur bei Vorliegen einer Ein- oder Ausschaltinformation SLE,
SLA ein Durchschalten des Lichtsignals LS an die optoelektrische
Wandlereinheit 5.1 und somit eine Erfassung des Abbrandverhaltens
des Leistungsschalters 2 bewirkt wird. Weiterhin vorteilhaft
kann das Abbrandverhalten des Leistungsschalters 2 bei
Ein- und Ausschaltvorgängen
getrennt voneinander erfasst und ausgewertet werden. Durch die zuvor
beschriebene Integration des Abbrandverhaltens und somit der Abbrandintensität des Leistungsschalterkontakts
kann durch Vergleich mit einem vorgegebenen Grenzwert der aktuell
vorliegende prozentuelle Abbrandintensität des Leistungsschalters 2 ermittelt
werden und bei Erreichen des Grenzwertes eine entsprechendes Alarmsignal
erzeugt werden.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Es versteht sich von selbst, dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen
des Anmeldungsgegenstandes möglich sind,
ohne dass hierdurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
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- 1
- System
bzw. Diagnosesystem
- 2
- Leistungsschalter
- 2.1
- Gehäuse
- 2.2
- Schaltraum
- 2.3
- Schaltmodul
- 2.4
- Hochspannungsleitung
- 2.5
- Gehäuseöffnung
- 3
- Lichtempfängereinheit
- 4
- Übertragungsleitung
- 5
- Mess-
und Auswertelektronik
- 5.1
- optoelektrische
Wandlereinheit
- 5.2
- Speichereinheit
- 5.3
- Warnleuchte
- 5.4
- Schnittstelle
- 5.5
- Auswerteschaltung
- 5.6
- Logikeinheit
- 6
- Stromwandlereinheit
- &
- UND-Schaltelement
- >= 1
- ODER-Schaltelement
- I
- Stromstärke
- LMS,
LMS*
- Lichtmesssignal
- LS
- Lichtsignal
- RLS
- Referenzlichtsignal
- SS
- Schaltsignal
- SSA
- Stromstärkewert
- A,
A*
- Amplitude
- SLE
- Einschaltinformation
- SLA
- Ausschaltinformation