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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur im Bereich eines Hochspannungsleiters der Mittel- oder Hochspannungstechnik, das zur Ermittlung von (Betriebs-)Temperaturen an Hochspannungsbauteilen, beispielsweise in gasisolierten Schaltfeldern, dient. Die maximal zulässigen Bauteiltemperaturen in Hochspannungs-Schaltfeldern sind in der Regel durch normative Werte international vorgegeben (z.B. nach IEC oder ANSI). Ermittelt und überprüft werden die Bauteiltemperaturen in Schaltfeldern vor allem im Zuge von Typprüfungen in der Produktentwicklungsphase, und die ermittelten Temperaturen bestimmen dadurch den maximal zulässigen Bemessungsstrom eines Schaltfeldes. Da Hochspannungsleiter in der Mittel- und Hochspannungstechnik aber unter Betriebsbedingungen hohen Spannungen im kV-Bereich ausgesetzt sind, und zudem in bestimmten Anwendungsfällen in gasisolierten Schaltfeldern angeordnet sind, ist eine direkte Temperaturmessung mit einem hohen Aufwand verbunden. Aus dem Stand der Technik sind deshalb verschiedene Messmethoden bekannt, beispielsweise die Erfassung der Temperatur durch Infrarotsensoren oder Wärmebildkameras, welche die abgegebene Wärmestrahlung eines Hochspannungsbauteils durch geeignete Fenster in metallischen Schottwänden oder gasdichten Behältern von außen detektieren können. Auch ist die Anwendung von drahtlosen Temperatursensoren bekannt, die jedoch bei gekapselten Schaltfeldern nicht einsetzbar sind.
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In gasisolierten Schaltfeldern sind auch Temperaturfühler zur Temperaturbestimmung eines Isoliergases bekannt, um in Verbindung mit einer Druckmessung die Isoliergasdichte zu ermitteln. Nachteilig bei den Temperaturfühlern ist, dass nur die Temperatur des Isoliergases ermittelt wird, d.h. ein integraler Wert für alle Hochspannungsbauteile. Es lassen sich hierdurch keine konkreten Bauteiltemperaturen bestimmen. Insbesondere können kritische Stellen, so genannte Hotspots z.B. an Trennschaltern nicht erfasst werden. Zudem müssen für mehrere Hotspots zusätzliche Fenster für mehrere Kameras vorgesehen werden, die zudem störlichtbogenfest sein müssen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine Temperaturmessung im Bereich des Hochspannungsleiters auf außerordentlich einfache und kostengünstige Weise erfolgen kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere durch ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur im Bereich eines Hochspannungsleiters, der mit einer kapazitiven Elektrode, beispielsweise einer elektrischen Feldsteuerelektrode, die in der Regel metallisch ausgeführt ist und zum Beispiel auch als kapazitive Messelektrode verwendet wird, versehen ist, wobei die Temperatur an der Elektrode gemessen wird.
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Erfindungsgemäß wird somit eine aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte und eigentlich zur Detektion der Spannung des Hochspannungsleiters eingesetzte Elektrode dazu verwendet, auf die Temperatur des Hochspannungsleiters oder aber der Umgebung des Hochspannungsleiters zurückzuschließen. In ähnlicher Weise sind auch Elektroden, insbesondere mit metallischen Werkstoffen, zur elektrischen Feldsteuerung geeignet. Diese Elektroden müssen sich durch ein Isoliermedium, wie beispielsweise Epoxy, EPDM oder Silikon, getrennt nahe am Hochspannungsleiter befinden und geerdet sein.
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Kapazitive Messelektroden zur Spannungsmessung von Hochspannungsleitern sind üblicherweise im Bereich einer Durchführung, beispielsweise einer Innenkonusdurchführung oder einer Außenkonusdurchführung, vorgesehen und mit einem elektrischen Anschluss versehen, an dem üblicherweise ein Signal für die an dem Hochspannungsleiter anliegende Spannung abgegriffen werden kann. Erfindungsgemäß wird an diesem elektrischen Anschluss, beispielsweise mit Hilfe eines handelsüblichen Temperatursensors, die Temperatur der Messelektrode gemessen und es wird mit Hilfe der Auswerteeinrichtung auf eine Temperatur im Bereich des Hochspannungsleiters rückgeschlossen, beispielsweise auf die Temperatur des Hochspannungsleiters selbst, auf die Temperatur eines den Hochspannungsleiter umgebenden Gasraumes oder aber auf die Temperatur an einem kritischen Punkt im Bereich eines Schaltfeldes, der im Normalbetrieb die höchste Temperatur einnimmt (sogenannter Hotspot).
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann während des Betriebs eine kontinuierliche Temperaturüberwachung erfolgen, wobei eine phasenselektive Überwachung möglich ist. Die mit Hilfe der kapazitiven Messelektrode überwachten Hotspots können sich sowohl in der Schaltanlage befinden (z.B. Trennschalterkontakt oder Leistungsschalterkontakt) wie auch außerhalb eines abgeschotteten Gasraums, beispielsweise im Bereich eines Steckeranschlusses für ein Hochspannungskabel oder an den Anschlussstellen der außenliegenden Sammelschienen. Hierfür sind keine zusätzlichen Elemente im Hochspannungs-Schottraum oder am Behältertank erforderlich. Vielmehr können die üblicherweise ohnehin vorhandenen kapazitiven Messelektroden verwendet werden, die in der Regel an Kabelanschlussstellen vorhanden sind. Im Falle eines Defekts lassen sich für die Temperaturmessung eingesetzte Temperaturfühler ohne weiteres austauschen, da die Anschlussstellen der kapazitiven Messelektroden außerhalb des Schaltfeldes zugänglich sind.
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Da die kapazitiven Messelektroden eines Hochspannungsleiters sich an einer fest definierten Position befinden, kann durch Temperaturmessung an der Messelektrode rechnerisch auf die Temperatur im Bereich des Hochspannungsleiters rückgeschlossen werden. Zur rechnerischen Ermittlung der Zieltemperatur durch eine Auswerteeinheit kann beispielsweise ein Verfahren angewendet werden, wie es in der
DE 10 2010 046 141 A1 beschrieben ist, in der eine validierte Transferfunktion eingesetzt wird.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete Elektrode kann eine Elektrode sein, die den Hochspannungsleiter entweder vollständig oder teilweise beabstandet umgibt, wobei die Elektrode auch in eine Feststoffisolierung des Hochspannungsleiters integriert sein kann.
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Für einen Rückschluss von der an der Elektrode gemessenen Temperatur auf die Temperatur im Bereich des Hochspannungsleiters kann eine Auswerteeinrichtung eingesetzt werden, in der Referenz- und Grenzwerte, Transferfunktionen oder dergleichen hinterlegt sind.
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Nach einer weiteren Ausführungsform kann eine Elektrode verwendet werden, die an einer elektrischen Hochspannungsdurchführung in einem Schaltfeld vorgesehen ist. Hierdurch ist für das erfindungsgemäße Verfahren kein zusätzliches Bauteil erforderlich.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Temperatur im Bereich mehrerer Hochspannungsleiter ein und desselben Schaltfeldes ermittelt wird, beispielsweise wenn die Temperaturermittlung einzeln an allen drei Phasen eines Schaltfeldes durchgeführt wird. Hierdurch können die verschiedenen Phasen separat überwacht werden oder es kann die Temperatur redundant ermittelt werden.
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Es können auch die Werte der einzelnen Phasen, gemessen jeweils an der gleichen Stelle, direkt miteinander verglichen werden. Bei Abweichung zwischen den einzelnen Werten, die prinzipiell ähnlich sein sollten, kann dann eine Alarmmeldung generiert werden. Eine Berechnung der Hochspannungsbauteiltemperatur ist dazu nicht erforderlich. Daher wird auch keine Transferfunktion benötigt und es müssen keine Temperaturgradienten ermittelt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die zur Temperaturerfassung verwendete Elektrode (nachfolgend Messelektrode genannt) auch zur Detektion der Spannung des Hochspannungsleiters eingesetzt werden, indem das Gehäuse des Temperatursensors beispielsweise ausreichend hochohmig ausgeführt oder aber galvanisch entkoppelt ist. Mit anderen Worten kann die Messelektrode erfindungsgemäß nicht (nur) zur Spannungsdetektion sondern (auch) zur Temperaturerfassung verwendet werden.
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Durch Ermittlung des Temperaturgradienten zwischen der kapazitiven Messstelle und einem gewünschten Punkt innerhalb eines Schaltfeldes (z.B. ein Trennerkontakt, ein Kabelanschluss oder ein Wandleranschluss) können dann Rechenverfahren (durch thermische Simulation) unter Verwendung von Temperaturkoeffizienten und Leitungslängen oder aber direkt experimentelle Messungen verwendet werden. Zu einer Validierung ist es auch möglich, rechnerische Verfahren und experimentelle Verfahren zu kombinieren. Beispielsweise kann auf die Temperatur im Bereich des Hochspannungsleiters durch Berechnungen unter Verwendung der an der Messelektrode gemessenen Temperatur rückgeschlossen werden, wobei die Berechnungen durch experimentelle Vergleichsmessungen korrigiert werden können.
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Die experimentelle Ermittlung des Temperaturgradienten zwischen Elektrode und Hochspannungsleiter erfolgt in der Regel im Zuge von realen thermischen Prüfungen an Versuchsfeldern. Die Versuchsfelder werden dabei zwar mit einem hohen Strom jedoch mit einer Niederspannung unterhalb von 100 V, beispielsweise im Bereich von etwa 10 V, beaufschlagt wird. Auf diese Weise kann die Temperatur gleichzeitig an verschiedenen Punkten des Hochspannungsleiters und an der Elektrode gemessen werden, so dass aus dieser Vergleichsmessung eine Relation zwischen der Temperatur an der Elektrode und der Temperatur an den verschiedenen Punkten des Hochspannungsleiters ermittelt werden kann.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Temperaturmessung an der kapazitiven Elektrode über eine Transferfunktion auf die Temperatur an einem bestimmten Punkt eines Schaltfeldes rückgeschlossen wird, beispielsweise auf die Temperatur im Bereich eines Schaltgerätes und/oder auf die Temperatur eines Spannungswandlers. In sämtlichen Fällen ist es nicht erforderlich, die Schalter mit Temperaturfühlern auszustatten. Vielmehr kann die ohnehin vorhandene Messelektrode, die üblicherweise nur zur Spannungsmessung eingesetzt wird, als Temperaturmessstelle verwendet werden. Eine solche Transferfunktion kann insbesondere einen Temperaturgradienten und/oder einen zeitlichen Nachlauf bei einer Temperaturänderung berücksichtigen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Transferfunktion beispielsweise im Rahmen einer Temperaturprüfung eines Schaltfeldes experimentell ermittelt wird, da bei einer solchen Temperaturprüfung der Temperaturverlauf an verschiedenen Punkten des Hochspannungsleiters real gemessen wird.
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Die Transferfunktion kann neben dem Temperaturgradienten zusätzlich auch noch, als weiteren Parameter, die aktuellen Lastströme am Hochspannungsleiter berücksichtigen, die üblicherweise durch Stromwandler am Schaltfeld zur Verfügung gestellt werden können. Die Transferfunktion ermöglicht damit Aussagen entweder über die maximal zulässige Stromstärken bei einer vorgegebenen Zeitdauer oder über die maximal zulässige Zeitdauer bei einer vorgegebenen Stromstärke, insbesondere bei Stromstärken, die oberhalb der Grenzwerte (= Bemessungswerte) des Schaltfeldes liegen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine Alarmmeldung generiert werden, wenn eine zeitliche Änderung der Temperatur einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Auf diese Weise lassen sich schon zu einem frühen Zeitpunkt Maßnahmen einleiten, um ein Überhitzen des Hochspannungsleiters zu verhindern.
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Weiterhin kann auf Grundlage der ermittelten Temperatur eine maximale Zeitdauer vorgegeben werden, während der ein Strom mit vorbestimmter Stärke durch den Hochspannungsleiter geführt wird. So kann bei Erkennen einer überdurchschnittlichen Erwärmung ein begrenzter Zeitraum für einen Strom vorbestimmter Stärke vorgegeben werden, um ein Überhitzen des Hochspannungsleiters zu vermeiden. In ähnlicher Weise kann auf Grundlage der Temperatur eine reduzierte Stromstärke vorgegeben werden, mit der ein Strom durch den Hochspannungsleiter geführt wird.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Ansicht eines drei-phasigen, gasisolierten Schaltfeldes mit Hochspannungs-Kabelanschluss und außen liegenden Sammelschienen, wobei Schaltgeräte innerhalb der Kapselung nur schematisch in Single-Line Ausführung dargestellt sind; und
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2 eine vergrößerte Ansicht der Messelektrode 38 von 1.
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Die in 1 dargestellte Schaltanlage 10 umfasst ein Schaltfeld 12 mit einem abgeschotteten Gasraum 14, einer 3-phasigen Sammelschiene 18, 19 und 20, die jeweils getrennt über Durchführungen und Leitungen mit Schaltgeräten innerhalb des Schaltfeldes verbunden sind. Dargestellt ist ein übliches drei-phasiges Sammelschienensystem, wobei jede Phase einzeln mit einer berührungssicheren Feststoffisolation ausgeführt ist. Die Sammelschienen verbinden mehrere Schaltfelder einer Anlage und befinden sich außerhalb der schaltfeldspezifischen Isoliergasbehälter. Jedes Schaltfeld besitzt eine phasenbezogene elektrische Verbindung zur entsprechenden Sammelschiene. In dem dargestellten System sind hierfür gasdichte elektrische Durchführungen verwendet.
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Die für eine Phase beispielhaft beschriebene Sammelschiene 18 ist über eine Durchführung 37 mit einem im Inneren des Gasraums 14 angeordneten Leiter 16 verbunden, der in der Single-Line Darstellung mit einem bekannten 3-Stellungsschalter (Kombination von Trenn- und Erdungsschalter) 22 verbunden ist, der wiederum mit einem Leistungsschalter 24 in Verbindung steht. Der von dem Schaltfeld 12 geschaltete Hochspannungsleiter 26 wird anschließend über eine Durchführung 28 aus dem Gasraum 14 herausgeführt und ermöglicht den Anschluss eines Hochspannungskabels 30. Das Bezugszeichen 32 bezeichnet eine weitere Durchführung zum Anschluss eines Spannungswandlers (für Messzwecke), der über eine Abtrennvorrichtung 34 mit dem Hochspannungsleiter 26 im Inneren des Schaltfeldes verbindbar ist. Um den Spannungswandler bei Bedarf erden zu können, ist die Abtrennvorrichtung im geöffneten Zustand mit einem Erdungskontakt verbunden.
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Wie 1 zeigt, ist an den Durchführungen 28, 32 und 37 jeweils eine kapazitive Messelektrode 38, 48 und 68 vorgesehen, die auf an sich bekannte Weise in die jeweilige Durchführung integriert ist, was in 2 vergrößert dargestellt ist.
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Wie 2 zeigt, ist ein Hochspannungsleiter H in der Durchführung 37 durch Feststoff F isoliert, wobei die Elektrode 38 den Hochspannungsleiter H beabstandet und von Feststoff isoliert umgibt. Die Elektrode 38 wie auch die Elektroden 48 und 68 ist mit elektrischen Anschlüssen 40 oder 41 versehen, an denen ein handelsüblicher Temperatursensor 39, 49 bzw. 69 angeschlossen ist. Die Ausgangssignale der jeweiligen Temperatursensoren 39, 49 und 69 sind mit einer nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung verbunden, in der auf Grundlage der an der kapazitiven Messelektrode gemessenen Temperatur auf eine Temperatur im Bereich des Hochspannungsleiters 26 rückgeschlossen werden kann. Beispielsweise kann die Temperatur des Hochspannungsleiters im Bereich der jeweiligen Durchführung ermittelt werden. Es ist jedoch alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Temperaturen an einem gewünschten Hotspot, beispielsweise im Bereich des Leistungsschalters 24 oder aber die Temperatur des Gasraums 14 zu ermitteln. Durch rechnerische und/oder experimentelle Ermittlung eines gewünschten Temperaturgradienten kann die Temperatur am betreffenden Hotspot im Schaltfeld bestimmt werden. Nach Abgleich mit vorgegebenen Maximalwerten können entsprechende Informationen an eine übergeordnete Leittechnik weitergegeben werden, um Übertemperaturen auszuschließen oder aber um für eine bestimmte Zeit bewusst im Überlastbereich zu fahren.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können zudem weitere Berechnungen über das thermische Verhalten des Schaltfeldes durchgeführt werden, wenn der ermittelte Temperaturverlauf und beispielsweise Stromwerte aus einem Stromwandler mit einbezogen werden. Neben der beschriebenen Schaltanlage sind auch andere Anwendungen möglich, beispielsweise ein- oder zwei-phasige Schaltanlagensysteme oder auch Sammelschienensysteme mit fluiden Isolationssystemen (z.B. Isolieröl) oder gasförmigen Isoliermedien.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010046141 A1 [0008]
