DE102011002870B4

DE102011002870B4 - Verfahren zum Überwachen des dynamischen thermischen Verhaltens eines Schaltfelds einer elektrischen Schaltanlage sowie elektrische Schaltanlage

Info

Publication number: DE102011002870B4
Application number: DE201110002870
Authority: DE
Inventors: Dr. Dong Xiaoting; Uwe Kaltenborn
Original assignee: Schneider Electric Sachsenwerk GmbH
Current assignee: Schneider Electric Sachsenwerk GmbH
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: WO2012098096A3; DE102011002870A1; WO2012098096A2

Abstract

Verfahren zum Überwachen des dynamischen thermischen Verhaltens eines Schaltfelds (10) einer elektrischen Schaltanlage, wobei das Schaltfeld (10) eine Mehrzahl elektrischer Komponenten aufweist, und wobei Sensoren zur Messung von Betriebsgrößen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Simulationsmodell des zeitlichen thermischen Verhaltens des Schaltfelds (10) ermittelt wird (21), dass von dem Simulationsmodell für eine Anzahl von in der Umgebung der elektrischen Komponenten des Schaltfelds (10) vorhandenen Umgebungstemperaturen (TUi) jeweils mindestens zwei weitere Betriebsgrößen ermittelt werden, dass mindestens eine Grundgleichung vorgegeben wird, wobei die Grundgleichung mindestens einen zeitabhängigen Term und einen Grundkoeffizienten aufweist, wobei der Grundkoeffizient mit Hilfe eines Ausgleichsverfahrens in Abhängigkeit von den von dem Simulationsmodell ermittelten weiteren Betriebsgrößen berechnet wird, wobei der zeitabhängige Term der Grundgleichung mindestens einen Gewichtungskoeffizienten (k) und mindestens einen Zeitkoeffizienten (τ) aufweist, und wobei der Gewichtungskoeffizient (k) und der Zeitkoeffizient (τ) in Abhängigkeit von dem von dem Simulationsmodell ermittelten zeitlichen Verlauf der weiteren Betriebsgrößen bei einer bestimmten Umgebungstemperatur (TUi) berechnet werden, und dass aus der Grundgleichung mindestens eine Transferfunktion, die die mindestens zwei weiteren Betriebsgrößen des Schaltfelds (10) miteinander in Beziehung setzt, während des Betriebs des Schaltfelds (10) in Echtzeit derart abgeleitet wird, dass sich bei der Transferfunktion für einen bestimmten Zustand des Schaltfelds (10) ein Ergebnis ergibt, das einem Ergebnis einer entsprechenden Verknüpfung der entsprechenden Betriebsgrößen in dem Simulationsmodell entspricht, und somit eine gegebenenfalls erforderliche Beeinflussung des Schaltfelds (10) aufgrund des ermittelten Ergebnisses der Transferfunktion noch so rechtzeitig vorgenommen werden kann, dass ein Schaden an dem Schaltfeld (10) vermieden werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des dynamischen thermischen Verhaltens eines Schaltfelds einer elektrischen Schaltanlage sowie eine elektrische Schaltanlage.
In einem derartigen Schaltfeld sind elektrische Komponenten der elektrischen Schaltanlage untergebracht, beispielsweise Leistungsschalter oder dergleichen. Weiterhin sind einem derartigen Schaltfeld ein oder mehrere Sensoren zugeordnet, die zur Messung von Betriebsgrößen des Schaltfelds verwendet werden.
Es ist möglich, für ein derartiges Schaltfeld ein Simulationsmodell für das thermische Verhalten desselben zu erstellen. Es ist dabei möglich, dass das Simulationsmodell nur das statische thermische Verhalten des Schaltfelds betrifft, oder dass auch das dynamische thermische Verhalten des Schaltfelds in dem Simulationsmodell berücksichtigt ist.
Weiterhin ist möglich, dass ein derartiges Simulationsmodell gegebenenfalls dazu verwendet werden kann, den Betrieb des Schaltfelds zu überwachen. Hierzu ist es aber erforderlich, dass die Berechnung des Simulationsmodells möglichst schnell erfolgt, so dass die Ergebnisse der Berechnungen des Simulationsmodells in Echtzeit zur Bewertung und Beeinflussung des Schaltfelds herangezogen werden können. Dieses Erfordernis ist für dynamische Simulationsmodelle zumeist nicht erfüllbar, so dass das dynamische thermische Verhalten des Schaltfelds im Betrieb desselben zumeist nicht berücksichtigt werden kann.
Aus der EP 2 009 563 A1 ist ein Verfahren zur rechnergestützten Ermittlung eines Klimatisierungssystems bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Überwachen des dynamischen thermischen Verhaltens eines Schaltfelds einer elektrischen Schaltanlage sowie eine entsprechende elektrische Schaltanlage zu schaffen, bei dem bzw. bei der das dynamische thermische Verhalten des Schaltfelds im Betrieb in Echtzeit berücksichtigt werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 sowie durch eine elektrische Schaltanlage nach dem Anspruch 7.
Erfindungsgemäß wird ein Simulationsmodell des zeitlichen thermischen Verhaltens des Schaltfelds ermittelt. Dabei werden von dem Simulationsmodell für eine Anzahl von in der Umgebung der elektrischen Komponenten des Schaltfelds vorhandenen Umgebungstemperaturen jeweils mindestens zwei weitere Betriebsgrößen ermittelt. Es wird mindestens eine Grundgleichung vorgegeben, wobei die Grundgleichung mindestens einen zeitabhängigen Term und einen Grundkoeffizienten aufweist, wobei der Grundkoeffizient mit Hilfe eines Ausgleichsverfahrens (englisch: data fitting) in Abhängigkeit von den von dem Simulationsmodell ermittelten weiteren Betriebsgrößen berechnet wird, wobei der zeitabhängige Term der Grundgleichung mindestens einen Gewichtungskoeffizienten und mindestens einen Zeitkoeffizienten aufweist, und wobei der Gewichtungskoeffizient und der Zeitkoeffizient in Abhängigkeit von dem von dem Simulationsmodell ermittelten zeitlichen Verlauf der weiteren Betriebsgrößen bei einer bestimmten Umgebungstemperatur berechnet werden. Und es wird aus der Grundgleichung mindestens eine Transferfunktion, die die mindestens zwei weiteren Betriebsgrößen des Schaltfelds miteinander in Beziehung setzt, während des Betriebs des Schaltfelds in Echtzeit derart abgeleitet, dass sich bei der Transferfunktion für einen bestimmten Zustand des Schaltfelds ein Ergebnis ergibt, das einem Ergebnis einer entsprechenden Verknüpfung der entsprechenden Betriebsgrößen in dem Simulationsmodell entspricht, und somit eine gegebenenfalls erforderliche Beeinflussung des Schaltfelds aufgrund des ermittelten Ergebnisses der Transferfunktion noch so rechtzeitig vorgenommen werden kann, dass ein Schaden an dem Schaltfeld vermieden werden kann.
Mit Hilfe der nunmehr zur Verfügung stehenden Grundgleichung kann während des Betriebs des Schaltfelds in Echtzeit eine Transferfunktion berechnet werden, mit der eine vorausschauende Aussage auch über das dynamische thermische Verhalten des Schaltfelds gemacht werden kann. Anhand der aus der Grundgleichung resultierenden Transferfunktion kann dann eine gegebenenfalls erforderliche Beeinflussung des Schaltfelds vorgenommen werden. Auf diese Weise kann ein Schaden an dem Schaltfeld vermieden werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung werden die für die jeweiligen Umgebungstemperaturen ermittelten Betriebsgrößen dahingehend überprüft, ob es sich um technisch sinnvolle Werte handelt. Vorzugsweise wird ein Gültigkeitsbereich für das Simulationsmodell ermittelt, in dem nur diejenigen ermittelten Betriebsgrößen enthalten sind, die technisch sinnvolle Werte ergeben. Auf diese Weise wird erreicht, dass nur technisch sinnvolle Werte der ermittelten Betriebsgrößen bei der Berechnung des Grundkoeffizienten verwendet werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es sich bei den beiden weiteren Betriebsgrößen um eine Bauteiltemperatur einer elektrischen Komponente des Schaltfelds sowie um einen Strom handeln. Weiterhin kann es sich bei dem Grundkoeffizienten um eine Temperaturdifferenz handeln, die die Temperaturerhöhung von einer Ausgangstemperatur der elektrischen Komponente zu der Bauteiltemperatur darstellt.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in drei Figuren dargestellt sind.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltanlage, 2 zeigt einen schematischen Ablaufplan eines Verfahrens zum Betreiben der Schaltanlage der 1, und 3 zeigt eine beispielhafte Tabelle zur Verwendung bei dem Verfahren nach der 2.
Eine elektrische Schaltanlage besteht aus einer Mehrzahl von Schaltfeldern. Die Schaltfelder sind über Sammelschienen elektrisch miteinander verbunden. In den einzelnen Schaltfeldern sind unterschiedliche elektrische Komponenten untergebracht, beispielsweise Leistungsschalter, Trenner/Erder-Schalter, Sicherungen, leistungselektronische Bauteile und dergleichen. Über diese elektrischen Komponenten werden unter anderem Abzweigungen von den Sammelschienen zu elektrischen Verbrauchern realisiert.
In der 1 ist ein einzelnes Schaltfeld 10 einer Schaltanlage dargestellt. Das Schaltfeld 10 weist ein schrankförmiges Gehäuse auf, das auf einem horizontalen Boden aufgestellt ist. Das Schaltfeld 10 ist in mehrere Gehäuseteile aufgeteilt, wobei einzelne Gehäuseteile als gasdichte Behälter ausgebildet sein können. Die elektrischen Komponenten des Schaltfelds 10 sind in den einzelnen Gehäuseteilen und Behältern untergebracht.
Ein erster Temperatursensor 12 ist einer elektrischen Komponente des Schaltfelds 10 zugeordnet. Der erste Temperatursensor 12 misst eine Bauteiltemperatur TB, also diejenige Temperatur, die die zugeordnete elektrische Komponente des Schaltfelds 10 aufgrund ihres Betriebs aufweist.
Der erste Temperatursensor 12 kann an einer geerdeten Komponente des Schaltfelds 10 angeordnet sein, beispielsweise an einem Trenner/Erder-Schalter. In diesem Fall kann der erste Temperatursensor 12 beispielsweis als Thermoelement ausgebildet sein. Der erste Temperatursensor 12 kann aber auch an einer stromführenden Komponente angebracht sein, beispielsweise an einem elektrischen Leiter. In diesem Fall kann der erste Temperatursensor 12 beispielsweise als optisches Sensorelement ausgebildet sein. Weist das Schaltfeld 10 einen gasdichten Behälter auf, in dem beispielsweise ein Leistungsschalter untergebracht ist, so kann der erste Temperatursensor 12 beispielsweise an der Oberfläche des Gasbehälters angebracht sein.
Es versteht sich, dass der erste Temperatursensor 12 auch an anderen geeigneten Komponenten des Schaltfelds 10 angeordnet sein kann. Ebenfalls versteht es sich, dass mehrere derartige erste Temperatursensoren 12 vorhanden sein können, mit denen mehrere Bauteiltemperaturen TB messbar sind.
Weiterhin ist ein zweiter Temperatursensor 14 vorhanden, der unabhängig von den elektrischen Komponenten des Schaltfelds 10 angeordnet ist. Der zweite Temperatursensor 14 misst eine Umgebungstemperatur TU, also diejenige Temperatur, die in der Umgebung der elektrischen Komponenten des Schaltfelds 10 vorhanden ist.
Der zweite Temperatursensor 14 kann irgendwo in dem Raum oder in dem Gebäude angeordnet sein, in dem das Schaltfeld 10 aufgestellt ist. Der zweite Temperatursensor 14 kann jedoch auch – abweichend von der Figur – innerhalb des Schaltfelds 10 angeordnet sein, und zwar in diesem Fall unabhängig von einer elektrischen Komponente, also beispielsweise an einer Außenwand des Gehäuses des Schaltfelds 10. Es versteht sich, dass auch mehrere zweite Temperatursensoren 14 vorhanden sein können.
In nicht-dargestellter Weise sind dem Schaltfeld 10 weitere Sensoren zur Messung von einer oder mehreren Betriebsgrößen desselben zugeordnet. Bei den zu messenden Betriebsgrößen kann es sich beispielsweise um Ströme und/oder Spannungen oder dergleichen handeln. Alternativ ist es auch möglich, dass eine der genannten Betriebsgrößen nicht tatsächlich gemessen wird, sondern auf sonstige Weise, beispielsweise mit Hilfe von Modellierungen, aus anderen Betriebsgrößen ermittelt wird.
Die Bauteiltemperatur TB und die Umgebungstemperatur TU sind einem Steuergerät 16 zugeführt. Ebenso sind die gemessenen oder anderweitig ermittelten Betriebsgrößen dem Steuergerät 16 zugeführt. Bei dem Steuergerät 16 kann es sich beispielsweise um ein elektronisches Rechengerät handeln, das entsprechend den nachfolgenden Erläuterungen programmiert ist. Das Steuergerät 16 kann innerhalb des Schaltfelds 10 oder – wie in der Figur dargestellt – völlig unabhängig und außerhalb von dem Schaltfeld 10 angeordnet sein.
In der 2 ist ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Schaltanlage dargestellt, insbesondere ein Verfahren zum Betreiben des Schaltfelds 10 der 1.
In einem ersten Schritt 21 wird eine Simulation des zeitlichen thermischen Verhaltens des Schaltfelds 10 durchgeführt. Hierzu können beispielsweise die folgenden Verfahren einzeln oder in Kombination verwendet werden: ein Wärmenetzwerk-Modell (z. B. TNM = thermal network method) und/oder ein zwei- oder dreidimensionales Strömungsmechanik-Modell (z. B. CFD = computational fluid dynamics) und/oder ein Modell nach der Methode der finiten Elemente (FEM = finite elements method) und/oder ein Modell nach der Randelement-Methode (BEM = boundary element method). Die Simulation kann in Unterschritte aufgeteilt sein, beispielsweise derart, dass zuerst eine statische Betrachtung des thermischen Verhaltens des Schaltfelds 10 vorgenommen wird und erst danach das zeitliche bzw. dynamische thermische Verhalten berücksichtigt wird. Die Simulation wird von einem Rechengerät, beispielsweise einem Personalcomputer durchgeführt. Gegebenenfalls kann die Simulation mit Hilfe des Steuergeräts 16 durchgeführt werden. Als Ergebnis des ersten Schritts 21 liegt dann ein Simulationsmodell des thermischen Verhaltens des Schaltfelds 10 in Abhängigkeit von der Zeit auf dem Rechengerät vor.
In einem zweiten Schritt 22 wird eine Validierung des auf dem Rechengerät vorliegenden Simulationsmodells durchgeführt.
Hierzu werden Messungen von Betriebsgrößen des Schaltfelds 10 während dessen Betrieb durchgeführt. Bei den Betriebsgrößen des Schaltfelds 10 kann es sich um Ströme, Spannungen, Temperaturen, Zeitdauern oder dergleichen handeln. Die ermittelten tatsächlichen Messwerte der Betriebsgrößen werden mit entsprechend zugehörigen, von dem Simulationsmodell ermittelten Werten verglichen. Anhand der Abweichungen der von dem Simulationsmodell ermittelten Werte von den tatsächlichen Messwerten derselben Betriebsgrößen kann das Simulationsmodell korrigiert werden. Diese Validierung kann wiederum von einem Rechengerät oder gegebenenfalls auch von dem Steuergerät 16 durchgeführt werden. Zur Ermittlung von Messwerten können beispielsweise der erste und der zweite Temperatursensor 12, 14 verwendet werden. Als Ergebnis des zweiten Schrittes 22 liegt dann ein optimiertes Simulationsmodell des thermischen Verhaltens des Schaltfelds 10 in Abhängigkeit von der Zeit vor.
Es wird darauf hingewiesen, dass der zweite Schritt 22, also die Validierung des Simulationsmodells für das thermische Verhalten des Schaltfelds 10 gegebenenfalls auch entfallen kann.
In einem dritten Schritt 23 werden aus dem optimierten Simulationsmodell des thermischen Verhaltens des Schaltfelds 10 eine oder mehrere Transferfunktion/en ermittelt.
Hierzu wird in einem ersten Unterschritt ein Gültigkeitsbereich für das optimierte Simulationsmodell ermittelt.
Ausgangspunkt sind dabei diejenigen tatsächlich gemessenen Betriebsgrößen des Schaltfelds 10, die zum Zwecke der Validierung des Simulationsmodells während des Betriebs des Schaltfelds 10 ermittelt worden sind. Diese gemessenen Betriebsgrößen werden dabei derjenigen Umgebungstemperatur TU zugeordnet, die bei der vorgenannten Messung der Betriebsgrößen ebenfalls gemessen worden ist.
Nunmehr werden dieselben Betriebsgrößen mit Hilfe des Simulationsmodells für eine erste geänderte Umgebungstemperatur TU1 ermittelt. Danach werden wiederum dieselben Betriebsgrößen des Schaltfelds 10 mit Hilfe des Simulationsmodells für eine zweite geänderte Umgebungstemperatur TU2 ermittelt, und so weiter. Beispielsweise können die genannten Betriebsgrößen von dem Simulationsmodell für Umgebungstemperaturen ermittelt werden, die äquidistante Abstände zueinander haben, beispielsweise für die Umgebungstemperaturen TUi = –20°C, –10°C, 0°C, 10°C, 20°C, 30°C, 40°C, 50°C.
Danach werden die für die jeweiligen Umgebungstemperaturen ermittelten Betriebsgrößen dahingehend überprüft, ob es sich dabei um technisch sinnvolle Werte handelt.
Diese Prüfung kann automatisch durchgeführt werden, indem für die einzelnen Betriebsgrößen jeweils Grenzwerte vorgegeben werden, und indem dann geprüft wird, ob diese Grenzwerte eingehalten oder überschritten sind. Diese Überprüfung kann von einem Rechengerät oder gegebenenfalls auch von dem Steuergerät 16 ausgeführt werden. Die Prüfung kann aber auch von einer Bedienperson der elektrischen Schaltanlage 10 derart vorgenommen werden, dass die von dem Simulationsmodell ermittelten Betriebsgrößen jeweils hinsichtlich ihrer technischen Plausibilität geprüft werden. Es versteht sich, dass auch andere Prüfungen und auch Kombinationen davon durchgeführt werden können.
Überschreiten irgendwelche Betriebsgrößen die vorgegebenen Grenzwerte oder sind irgendwelche Betriebsgrößen nicht plausibel, so wird die jeweils zugehörige Umgebungstemperatur aus dem Gültigkeitsbereich des Simulationsmodells gestrichen. Es verbleiben damit nur diejenigen Umgebungstemperaturen und die für diese Umgebungstemperaturen ermittelten Betriebsgrößen im Gültigkeitsbereich des Simulationsmodells, die technisch sinnvolle Werte ergeben.
Diejenigen Umgebungstemperaturen und zugehörigen Betriebsgrößen des Schaltfelds 10, die innerhalb des Gültigkeitsbereiches des Simulationsmodells liegen, werden nunmehr geeignet zusammengestellt.
Dies wird nachfolgend anhand eines Beispiels erläutert. Es wird dabei angenommen, dass der Gültigkeitsbereich des Simulationsmodells die Umgebungstemperaturen –20°C, –10°C, 0°C, 10°C, 20°C, 30°C, 40°C, 50°C umfasst, und dass für jede dieser Umgebungstemperaturen von dem Simulationsmodell jeweils mehrere Ströme vorgegeben worden sind, und zwar 500 A, 1000 A, 1500 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A. Für diese Betriebsgrößen des Schaltfelds 10 ist von dem Simulationsmodell jeweils eine Bauteiltemperatur TB ermittelt worden.
Danach ist aus dieser Bauteiltemperatur TB jeweils eine Temperaturdifferenz Td ermittelt worden, die nur die Temperaturerhöhung von einer Ausgangstemperatur Ta des Bauteils, also der Bauteiltemperatur TB vor der Beaufschlagung mit dem jeweiligen Strom, zu der letztlich ermittelten Bauteiltemperatur TB darstellt.
In der 3 ist eine Tabelle gezeigt, die das vorstehend erläuterte Beispiel repräsentiert. In der Vertikalen sind die genannten Umgebungstemperaturen aufgetragen und in der Horizontalen sind die genannten Ströme aufgetragen. In die einzelnen Felder der Tabelle ist dann für jedes Paar der Betriebsgrößen Umgebungstemperatur und Strom jeweils ein Wert für die ermittelte Temperaturdifferenz Td eingetragen. Der in den einzelnen Feldern eingeschriebene Wert gibt also an, um wie viel Grad sich die Temperatur des dem Simulationsmodell zugrundeliegende Bauteils verändert, wenn die zugehörige Umgebungstemperatur vorhanden ist und der zugehörige Strom fließt.
Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei der vorstehend erläuterten Zusammenstellung gemäß der 3 nur um ein Beispiel handelt, und dass deshalb auch andere Möglichkeiten der Zusammenstellung der von dem Simulationsmodell ermittelten und im Gültigkeitsbereich liegenden Betriebsgrößen des Schaltfelds 10 denkbar sind. Beispielsweise ist es ebenfalls möglich, die Betriebsgrößen in der Form eines dreiachsigen Kennfeld-Diagramms darzustellen.
In einem zweiten Unterschritt werden nunmehr eine oder mehrere Grundgleichungen für die Transferfunktion/en vorgegeben. Die Grundgleichungen enthalten ein oder mehrere Parameter und es werden dann die Parameter dieser Grundgleichungen ermittelt.
Als Beispiel wird eine einzige Grundgleichung wie folgt vorgegeben: T(t) = Ta + Td·(1 – k·e^–t/τ) mit

t: = Zeit,
T(t): = zeitabhängige Temperatur,
Ta: = Ausgangstemperatur,
Td: = Temperaturdifferenz,
k: = Gewichtungskoeffizient
τ: = Zeitkoeffizient.

Für diese Grundgleichung kann die Temperaturdifferenz Td beispielsweise wie folgt ermittelt werden: Td = a + b·TU + c·TU² mit

a, b, c: = Parameter.

Es versteht sich, dass auch Gleichungen höherer Ordnung oder andersartig aufgebaute Gleichungen dazu verwendet werden können, um die Temperaturdifferenz Td zu ermitteln.
Die Parameter a, b, c können beispielsweise mit Hilfe der Tabelle der 3 ermittelt werden. Es versteht sich, dass in entsprechender Weise auch andersartige Zusammenstellungen für die Ermittlung der Parameter a, b, c herangezogen werden können. Zum Zwecke der Ermittlung der Parameter a, b, c können dann Verfahren der sogenannten Ausgleichsrechnung (englisch: data fitting) herangezogen werden, beispielsweise Verfahren zur Regressionsberechnung, z. B. das Verfahren der kleinsten Quadrate (englisch: method of least squares).
Zur Ermittlung des Gewichtskoeffizienten k und des Zeitkoeffizienten τ wird auf den ersten Unterschritt zurückgegriffen. Wie erläutert wurde, wird in diesem ersten Unterschritt ein Gültigkeitsbereich für das optimierte Simulationsmodell ermittelt. Im Rahmen dieser Ermittlung werden die gemessenen Betriebsgrößen des Schaltfelds 10 für eine Anzahl unterschiedlicher Umgebungstemperaturen TUi berechnet.
Aus diesen berechneten Betriebsgrößen wird nunmehr eine bestimmte Umgebungstemperatur herausgegriffen und für diese Umgebungstemperatur wird der jeweilige zeitliche Verlauf der Differenztemperatur für unterschiedliche Ströme betrachtet. Aus den Unterschieden der zeitlichen Verläufe wird dann auf den Gewichtungskoeffizienten k und den Zeitkoeffizienten τ geschlossen.
Die ermittelten Werte für die Temperaturdifferenz Td, den Gewichtungskoeffizienten k und den Zeitkoeffizienten τ werden dann in die Grundgleichung eingesetzt. In dem vorliegenden ersten Beispiel steht damit eine Gleichung zur Berechnung der zeitabhängigen Temperatur T(t) zur Verfügung.
Allgemein weist die Grundgleichung einen zeitabhängigen Term und einen Grundkoeffizienten auf. In dem vorstehenden Beispiel ist der zeitabhängige Term durch die e-Funktion realisiert und die Temperaturdifferenz Td stellt den Grundkoeffizienten dar. Der Grundkoeffizient wird dann, wie beispielhaft erläutert, mit Hilfe eines Ausgleichsverfahrens in Abhängigkeit von den von dem Simulationsmodell ermittelten weiteren Betriebsgrößen berechnet.
In einem dritten Unterschritt wird diese Gleichung für die zeitabhängige Temperatur T(t) in die zugehörige/n Transferfunktion/en überführt.
Bei einer derartigen Transferfunktion handelt es sich ganz allgemein um einen mathematischen Zusammenhang, der mindestens zwei oder mehrere Betriebsgrößen des Schaltfelds 10 miteinander in Beziehung setzt. Eine derartige Transferfunktion charakterisiert somit durch die gewählten Betriebsgrößen das thermische Verhalten des Schaltfelds 10.
Insbesondere handelt es sich bei einer Transferfunktion um eine mathematische Gleichung, die mindestens zwei oder mehrere Betriebsgrößen des Schaltfelds 10 miteinander verknüpft. Die Verknüpfung der Betriebsgrößen erfolgt dabei insbesondere über mathematische Funktionen und Parameter, wobei letztere konstant oder von Betriebsgrößen des Schaltfelds 10 abhängig sein können.
Für eine der Betriebsgrößen der Transferfunktion wird dabei ein Wert vorgegeben und für die andere/n Betriebsgröße/n wird ein Wert ermittelt, der in die Zukunft gerichtet ist. Beispielsweise kann der eine, vorgegebene Wert mit Hilfe einer Messung ermittelt werden und für die andere/n Betriebsgröße/n kann mit Hilfe der Transferfunktion ein maximal zulässiger Wert ermittelt werden, der nicht überschritten werden darf.
Die Transferfunktion ist dabei derart aufgebaut, dass für einen bestimmten Zustand des Schaltfelds 10 das Ergebnis der Transferfunktion möglichst gleichartig ist zu einem Ergebnis einer entsprechenden Verknüpfung der entsprechenden Betriebsgrößen in dem optimierten Simulationsmodell. Dies bedeutet, dass die Parameter der Transferfunktion derart gewählt sind, dass sich bei der Transferfunktion für den bestimmten Zustand des Schaltfelds 10 ein Ergebnis ergibt, das einem Ergebnis einer entsprechenden Verknüpfung der entsprechenden Betriebsgrößen in dem optimierten Simulationsmodell entspricht.
Bei einem auf das Schaltfeld 10 der 1 ausgerichteten Beispiel kann ein bestimmter Wert I_geg eines innerhalb des Schaltfelds 10 fließenden Stroms I vorgegeben werden, und es kann dann mit Hilfe einer ersten Transferfunktion ermittelt werden, wie lange, also für welche maximale Zeitdauer t_max dieser bestimmte Wert I_geg des Stroms I vorhanden sein darf bzw. fließen darf, ohne dass ein Schaden an dem Schaltfeld 10 entsteht. Bei der Ermittlung der maximalen Zeitdauer t_max wird von der Transferfunktion das thermische Verhalten des Schaltfelds 10 berücksichtigt. Insbesondere wird berücksichtigt, dass an dem Schaltfeld 10 ein Schaden entsteht, wenn die Bauteiltemperatur TB eine Grenztemperatur Tgrenz überschreitet.
Auf der Grundlage der vorstehend erläuterten Gleichung für die zeitabhängige Temperatur T(t) ergibt sich in dem vorgenannten ersten Beispiel auf der Grundlage des bestimmten Werts I_geg des Stroms I folgendes: T(tmax) = Ta + Td·(1 – k·e^–tmax/τ) = Tgrenz
Dieser Zusammenhang kann beispielweise dadurch im Hinblick auf t_max gelöst werden, dass der Wert für t_max immer weiter erhöht wird. Derjenige Wert für t_max, mit dem die Gleichung möglichst genau die Grenztemperatur Tgrenz erreicht, stellt dann die gesuchte maximale Zeitdauer t_max dar.
Bei einem ebenfalls auf das Schaltfeld 10 der Figur ausgerichteten Beispiel kann ein bestimmter Wert t_geg einer Zeitdauer für das Fließen eines Stroms I innerhalb des Schaltfelds 10 vorgegeben werden, und es kann dann mit Hilfe einer zweiten Transferfunktion ermittelt werden, welcher maximale Wert I_max dieses Stroms I zukünftig vorhanden sein darf bzw. fließen darf, ohne dass ein Schaden an dem Schaltfeld 10 entsteht. Bei der Ermittlung des maximalen Stroms I_max wird von der Transferfunktion das thermische Verhalten des Schaltfelds 10 berücksichtigt.
Auf der Grundlage der vorstehend erläuterten Gleichung für die zeitabhängige Temperatur T(t) ergibt sich in dem vorgenannten zweiten Beispiel folgendes: T(tgeg) = Ta + Td·(1 – k·e^–tgeg/τ)
Die Gleichung basiert dabei auf einem ersten Wert für den Strom I, beispielsweise auf dem Nennwert für den Strom I.
Diese Gleichung kann beispielweise dadurch im Hinblick auf den maximal zulässigen Strom I_max „gelöst” werden, dass der jeweils zugrundeliegende Wert für den Strom I immer weiter erhöht wird. Derjenige Wert für den Strom I, mit dem die Gleichung möglichst genau erfüllt wird, stellt dann den gesuchten maximalen Strom I_max dar.
Es versteht sich, dass in entsprechender Weise auch andere Transferfunktionen mit andersartigen Grundgleichungen und Parametern gebildet werden können. Die Ermittlung der Transferfunktion/en, insbesondere die Ermittlung der jeweiligen Parameter kann mit Hilfe eines Rechengeräts, gegebenenfalls mit Hilfe des Steuergeräts 16 ausgeführt werden.
Der zweite und dritte Unterschritt wurden vorstehend anhand eines Beispiels erläutert, nämlich anhand der einzigen Grundgleichung T(t) = Ta + Td·(1 – k·e^–t/τ). Es ist nunmehr möglich, dass zwei oder mehrere Grundgleichungen vorhanden sind. Beispielsweise können die folgenden beiden Grundgleichungen vorhanden sein: T1(t) = T1a + T1d·(1 – k11·e^–t/τ1 – k12·e^–t/τ2) T2(t) = T2a + T2d·(1 – k21·e^–t/τ2 – k22·e^–t/τ2) mit

t: = Zeit,
T1(t), T2(t): = zeitabhängige Temperaturen,
T1a, T2a: = Ausgangstemperaturen,
T1d, T2d: = Temperaturdifferenzen,
k11, k12, k21, k22: = Gewichtungskoeffizienten,
τ1, τ2: = Zeitkoeffizienten.

Die Ermittlung der Koeffizienten erfolgt mit Hilfe von entsprechenden Tabellen, wie sie beispielhaft in der 3 angegeben sind. Aus den entstehenden Gleichungen können dann entsprechende Transferfunktionen abgeleitet werden.
Als Ergebnis des dritten Schrittes 23 liegt somit zumindest eine Transferfunktion vor, die einen bestimmten Aspekt des thermischen Verhaltens des Schaltfelds 10 betrifft und darstellt.
Ein vierter Schritt 24 stellt den Betrieb des Schaltfelds 10 dar. Während des Betriebs des Schaltfelds 10 wird/werden die Transferfunktion/en einmalig oder mehrfach oder fortlaufend berechnet, und zwar immer für den jeweils aktuellen Zustand des Schaltfelds 10. Anhand des/der Ergebnisse/s der Transferfunktion/en kann dann der weitere Betrieb des Schaltfelds 10 ganz allgemein beeinflusst werden. Die letztgenannte Beeinflussung des Schaltfelds 10 ist in der 2 durch einen Pfeil 26 dargestellt.
Wird beispielsweise die erste Transferfunktion während des Betriebs für den aktuellen Zustand des Schaltfelds 10 berechnet, so stellt – wie erläutert wurde – das Ergebnis der ersten Transferfunktion einen Wert dar, wie lange, also für welche maximale Zeitdauer t_max, der vorgegebene Strom I_geg innerhalb des Schaltfelds 10 vorhanden sein darf bzw. fließen darf, ohne dass ein Schaden an dem Schaltfeld 10 entsteht. Nach der Berechnung der ersten Transferfunktion kann damit überwacht werden, ob im weiteren Betrieb des Schaltfelds 10 die genannte maximale Zeitdauer t_max überschritten wird oder nicht. Wird die maximale Zeitdauer t_max überschritten, so kann beispielsweise der innerhalb des Schaltfelds 10 fließende Strom I abgeschaltet werden. Ein Schaden an dem Schaltfeld 10 kann somit in vorausschauender Weise mit Hilfe der Transferfunktion vermieden werden.
Wird beispielsweise die zweite Transferfunktion während des Betriebs für den aktuellen Zustand des Schaltfelds 10 berechnet, so stellt – wie erläutert wurde – das Ergebnis der zweiten Transferfunktion den maximalen Wert I_max des innerhalb des Schaltfelds 10 fließenden Stroms I dar, der während der Zeitdauer t_geg vorhanden sein darf bzw. fließen darf, ohne dass ein Schaden an dem Schaltfeld 10 entsteht. Nach der Berechnung der zweiten Transferfunktion kann damit überwacht werden, ob im weiteren Betrieb des Schaltfelds 10 der genannte maximale Strom I_max überschritten wird oder nicht. Wird der maximale Strom I_max während der Zeitdauer t_geg überschritten, so kann beispielsweise der innerhalb des Schaltfelds 10 fließende Strom I abgeschaltet werden. Ein Schaden an dem Schaltfeld 10 kann somit in vorausschauender Weise mit Hilfe der Transferfunktion vermieden werden.
Die Berechnung der Transferfunktion/en wird von einem Rechengerät ausgeführt. Gegebenenfalls kann diese Berechnung von dem Steuergerät 16 durchgeführt werden. Die Berechnung der einzelnen Transferfunktionen kann beispielsweise in äquidistanten Zeitabständen vorgenommen werden.
Die Berechnung einer einzelnen Transferfunktion erfordert für das Rechengerät nur einen sehr geringen zeitlichen Aufwand. Die Berechnung einer einzelnen Transferfunktion kann daher in Echtzeit durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass das Ergebnis der Transferfunktion von dem Rechengerät so schnell berechnet wird, dass eine gegebenenfalls erforderliche Beeinflussung des Schaltfelds 10 aufgrund des ermittelten Ergebnisses der Transferfunktion noch so rechtzeitig vorgenommen werden kann, dass ein Schaden an dem Schaltfeld 10 in jedem Fall vermieden wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Transferfunktion so schnell berechnet wird, dass eine aus dem Ergebnis der Transferfunktion resultierende Reaktion in jedem Fall noch seine erwünschte Wirkung erzielt.
Würde man beispielsweise während des Betriebs des Schaltfelds 10 anstelle der Transferfunktion das Simulationsmodell des thermischen Verhaltens des Schaltfelds 10 verwenden, so würde die Erstellung dieses Simulationsmodells einen wesentlich größeren zeitlichen Aufwand erfordern und könnte daher nicht in Echtzeit durchgeführt werden. Dies würde bedeuten, dass ein Schaden an dem Schaltfeld 10 bereits eintreten würde, bevor dieser Schaden mittels des Simulationsmodells erkannt werden könnte.
Die Ermittlung des Simulationsmodells für das thermische Verhalten des Schaltfelds 10 wird deshalb insbesondere vor dem eigentlichen Betrieb des Schaltfelds 10 durchgeführt. Entsprechendes gilt gegebenenfalls auch für die Validierung des Simulationsmodells. Ebenso wird die Ermittlung der Grundfunktion/en, insbesondere der jeweiligen Parameter vor dem eigentlichen Betrieb des Schaltfelds 10 vorgenommen. Im Betrieb wird/werden dann nur die Transferfunktion/en für den jeweils aktuellen Zustand des Schaltfelds 10 in Echtzeit ermittelt und mögliche Beeinflussungen des Schaltfelds 10 basieren nur auf dieser/diesen Transferfunktion/en.
Mit Hilfe der Transferfunktion/en ist es daher möglich, den Betrieb des Schaltfelds 10 zu überwachen. Jede einzelne Transferfunktion deckt dabei – wie erläutert wurde – einen bestimmten Aspekt des thermischen Verhaltens des Schaltfelds 10 ab, so dass jeder dieser Aspekte durch die zugehörige Transferfunktion überwacht werden kann. Wird bei einer oder mehreren der Transferfunktionen festgestellt, dass ein Schaden an dem Schaltfeld 10 zu erwarten ist, so kann das Schaltfeld 10 vor dem Eintreten des Schadens dahingehend beeinflusst werden, dass der Schaden erst gar nicht eintritt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltanlage kann ganz allgemein auch zum Zwecke der Zustandsbeschreibung der elektrischen Schaltanlage verwendet werden.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass das beschriebene Verfahren in entsprechender Weise auch bei anderen elektrischen Einrichtungen zur Anwendung kommen kann, beispielsweise bei Transformatoren oder dergleichen.

Claims

Verfahren zum Überwachen des dynamischen thermischen Verhaltens eines Schaltfelds (10) einer elektrischen Schaltanlage, wobei das Schaltfeld (10) eine Mehrzahl elektrischer Komponenten aufweist, und wobei Sensoren zur Messung von Betriebsgrößen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Simulationsmodell des zeitlichen thermischen Verhaltens des Schaltfelds (10) ermittelt wird (21), dass von dem Simulationsmodell für eine Anzahl von in der Umgebung der elektrischen Komponenten des Schaltfelds (10) vorhandenen Umgebungstemperaturen (TUi) jeweils mindestens zwei weitere Betriebsgrößen ermittelt werden, dass mindestens eine Grundgleichung vorgegeben wird, wobei die Grundgleichung mindestens einen zeitabhängigen Term und einen Grundkoeffizienten aufweist, wobei der Grundkoeffizient mit Hilfe eines Ausgleichsverfahrens in Abhängigkeit von den von dem Simulationsmodell ermittelten weiteren Betriebsgrößen berechnet wird, wobei der zeitabhängige Term der Grundgleichung mindestens einen Gewichtungskoeffizienten (k) und mindestens einen Zeitkoeffizienten (τ) aufweist, und wobei der Gewichtungskoeffizient (k) und der Zeitkoeffizient (τ) in Abhängigkeit von dem von dem Simulationsmodell ermittelten zeitlichen Verlauf der weiteren Betriebsgrößen bei einer bestimmten Umgebungstemperatur (TUi) berechnet werden, und dass aus der Grundgleichung mindestens eine Transferfunktion, die die mindestens zwei weiteren Betriebsgrößen des Schaltfelds (10) miteinander in Beziehung setzt, während des Betriebs des Schaltfelds (10) in Echtzeit derart abgeleitet wird, dass sich bei der Transferfunktion für einen bestimmten Zustand des Schaltfelds (10) ein Ergebnis ergibt, das einem Ergebnis einer entsprechenden Verknüpfung der entsprechenden Betriebsgrößen in dem Simulationsmodell entspricht, und somit eine gegebenenfalls erforderliche Beeinflussung des Schaltfelds (10) aufgrund des ermittelten Ergebnisses der Transferfunktion noch so rechtzeitig vorgenommen werden kann, dass ein Schaden an dem Schaltfeld (10) vermieden werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die für die jeweiligen Umgebungstemperaturen (TUi) ermittelten Betriebsgrößen dahingehend überprüft werden, ob es sich um technisch sinnvolle Werte handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Gültigkeitsbereich für das Simulationsmodell ermittelt wird, in dem nur diejenigen ermittelten Betriebsgrößen enthalten sind, die technisch sinnvolle Werte ergeben.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei den beiden weiteren Betriebsgrößen um eine Bauteiltemperatur (TB) einer elektrischen Komponente des Schaltfelds (10) sowie um einen Strom (I) handelt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Bauteiltemperatur (TB) an der elektrischen Komponente des Schaltfelds (10) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei es sich bei dem Grundkoeffizienten um eine Temperaturdifferenz (Td) handelt, die die Temperaturerhöhung von einer Ausgangstemperatur (Ta) der elektrischen Komponente zu der Bauteiltemperatur (TB) darstellt.
Elektrische Schaltanlage mit einem Schaltfeld (10), wobei das Schaltfeld (10) eine Mehrzahl elektrischer Komponenten aufweist, und wobei Sensoren zur Messung von Betriebsgrößen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (16) vorhanden ist, das zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.