-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung und Signalisierung des Zustands von gekapselten elektrischen Hochleistungskondensatoren, wobei der jeweilige Hochleistungskondensator mit einer Drucksensorik versehen ist, welche mit einer Auswertungseinheit in Verbindung steht, und der jeweilige Hochleistungskondensator mindestens ein Anschlussterminal aufweist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Beispielsweise aus der
EP 0 548 713 B1 ist ein elektrischer Kondensator vorbekannt, der in ein rechteckförmiges Gehäuse eingebaut ist und eine Sicherung aufweist, die den Kondensator bei einem Druckanstieg im Gehäuse von einem äußeren Stromkreis freischaltet. Die dort vorgesehene Abschaltsicherung soll bei geringen Kräften ein sicheres Abschalten ermöglichen und ein kostengünstigeres Sicherungssystem für Großkondensatoren darstellen. Konkret soll die Abschaltsicherung bei einem bestimmten Überdruck im Kondensatorgehäuse das Wickelpaket sicher vom Kondensatoranschluss trennen und diese Trennung auch bei einem Druckabbau aufrechterhalten.
-
Die
WO 2013/043448 A1 zeigt ein Verfahren zum Monitoring des Betriebsverhaltens von Hochleistungskondensatoren, wobei eine drucksensible Membran vorgesehen ist, um eine Zustandssignalisierung des jeweiligen Kondensators zu ermöglichen.
-
Der Kondensator nach
DE 10 2006 020 207 A1 geht von einem Gehäuse und einem im Gehäuse angeordneten Kondensatorwickel aus. Der Kondensator umfasst einen zumindest teilweise im Gehäuse integrierten Schalter, der durch einen im Gehäuse entstehenden Innendruck betätigt wird und im betätigten Zustand einen Kurzschluss zwischen den Elektrodenbelägen des Kondensatorwickels erzeugt. Im Grundzustand, d. h. im normalen Betrieb des Kondensators ist der Schalter offen. Als Ausfall wird dort ein Zustand bezeichnet, bei dem ein vorgegebener kritischer Druckwert überschritten wird.
-
Bei der Schutzvorrichtung für Kondensatoren nach
US 4,112,474 A1 ist neben einer Abschalteinrichtung eine Indikatorlampe vorhanden, um zu signalisieren, dass ein Fehlerzustand vorgelegen hat oder andauernd vorliegt.
-
Es bleibt also zusammenfassend festzustellen, dass die druckseitige Überwachung von Hochleistungskondensatoren mittels entsprechenden Schalteinrichtungen oder diesbezüglich ausgelegter Drucksensorik bekannt ist. Bei größeren Kondensatorbatterien in komplexen elektrischen Anlagen muss jedoch eine Vielzahl von Überwachungseinrichtungen vorgesehen und kontinuierlich ausgewertet werden. Eine bisherige diesbezüglich kabelgebundene Bewertung des Zustands der einzelnen Kondensatoren ist nicht nur technisch aufwendig, sondern führt bei Hochspannungsanwendungen zu einer Verschlechterung von Trennungsabständen und Isolationsproblemen, bedingt durch die Kabelführung innerhalb der Hochspannung führenden Kondensatoranlage.
-
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung zur Überwachung und Signalisierung des Zustands von gekapselten elektrischen Hochleistungskondensatoren anzugeben, wobei die Anordnung auf der Basis einer an sich bekannten Drucksensorik basiert und mit einer Auswerteeinheit in Verbindung steht. Gemäß der Aufgabenstellung der Erfindung soll die Anordnung helfen, Fehlersituationen aufgrund eines Druckanstiegs im jeweiligen Kondensator sicher und zuverlässig zu erkennen und gegebenenfalls eine Netztrennung des entsprechenden Kondensators zu veranlassen, damit eine Zerstörung verhindert wird. Auf den Einsatz einer bisher kabelgebundenen Drucküberwachung soll verzichtet werden. Darüber hinaus ist die Anordnung so umzusetzen, dass auf eine externe energetische Versorgung der erforderlichen Komponenten und Bauelemente verzichtet werden kann.
-
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Anordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
-
Es wird demnach von einer Anordnung zur Überwachung und Signalisierung des Zustands von gekapselten elektrischen Hochleistungskondensatoren, insbesondere auch Batterien von derartigen Hochleistungskondensatoren ausgegangen, wobei der jeweilige Hochleistungskondensator mit einer Drucksensorik, in einfachstem Fall mit einem Druckschalter versehen ist, welche bzw. welcher mit einer Auswertungseinheit in Verbindung steht. Darüber hinaus weist der jeweilige Hochleistungskondensator mindestens ein Anschlussterminal auf.
-
Erfindungsgemäß weist die Auswertungseinheit eine Funkschnittstelle bzw. Luftschnittstelle zur drahtlosen Kommunikation auf. Hierfür ist am oder in der Nähe des jeweiligen Hochleistungskondensators eine Sendeeinrichtung befindlich, deren energetische Versorgung ausschließlich auf der Basis der induktiven Gewinnung elektrischer Energie aus dem, den jeweiligen Hochleistungskondensator umgebenden elektromagnetischen Feld oder auf kapazitiver Basis erfolgt.
-
Es kommt also erfindungsgemäß die Anordnung zur Überwachung ohne eine externe Energieversorgung aus, wobei diesbezüglich lediglich die Energie des den betreffenden Kondensator umgebenden elektromagnetischen Wechselfelds von z. B. 12 kV, 50 Hz genutzt wird.
-
Der Zustand der Drucksensorik wird mittels der erwähnten Funkschnittstelle an eine Empfangseinheit zur Anzeige versendet. Der betreffende Hochleistungskondensator ist diesbezüglich über eine eindeutige Kennung bzw. Adressierung identifizierbar.
-
Erfindungsgemäß wird dafür Sorge getragen, dass bei normalen Druckverhältnissen Routinemeldungen im Sinne einer periodischen Statusnachricht versendet werden.
-
Bei erkannten kritischen Zuständen der Drucksensorik, z. B. Überdruck oder sonstige Fehler, wird eine zeitnahe Erkennung und schnelle Übermittlung einer Abschaltnachricht realisiert.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung ist zur Energiegewinnung an oder in der Nähe des jeweiligen Kondensator-Anschlussterminals oder an oder in der Nähe einer diesbezüglichen Speiseleitung eine Induktivität ausgebildet, welche mit einer Spannungsverstärkungsschaltung in Verbindung steht, die wiederum einen Stütz- oder Speicherkondensator aufweist.
-
Die Induktivitäten umfassen dabei mindestens eine Ringkernspule gemäß einer beispielhaften Realisierung der Erfindungslehre.
-
Die Sendeeinrichtung wird erst mit Erreichen ihrer Betriebsspannung über einen vorgesehenen Kontroller eingeschalten, wobei der Kontroller die erwähnte routinemäßige Abfrage der Drucksensorik und im Fall kritischer Zustände eine Abschaltnachricht auslöst und das Senden dieser veranlasst.
-
Die Sendeeinrichtung umfasst bei einer Ausgestaltung der Erfindung einen Transceiver, der über die Funkschnittstelle in der Lage ist, ein Bestätigungssignal hinsichtlich erfolgreicher Datenübertragung auszuwerten, wobei mit oder bei ausbleibendem Bestätigungssignal eine erneute Nachrichtensendung veranlasst wird.
-
Die jeweils vorgesehene Sendeeinrichtung umfasst mindestens eine Antenne, welche im Inneren des Hochleistungskondensators, am Außengehäuse oder an oder in der Nähe einer Füllöffnung für Kondensatorisolationsflüssigkeit vorgesehen ist.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Anschlussterminal einen Isolationskörper auf, der eine eingebettete Induktivität oder eine außen aufgebrachte und dort befestigte Induktivität, insbesondere eine Spule besitzt.
-
Mittels des Kontrollers wird in Weiterbildung der Erfindung ein Energiemanagement bezüglich der Abfrage der Drucksensorik und dem Senden der Druckzustände vorgenommen, wobei ergänzend eine Überwachung der Drucksensorik auf Fehlfunktionen erfolgt.
-
Mittels der Sendeeinrichtung werden für die jeweiligen, von der Drucksensorik bereitgestellten Daten auch Adressen zur Lokalisierung des jeweiligen Hochleistungskondensators über die Funkschnittstelle übermittelt. Diese Übermittelung erfolgt hin zu einer zentralen, zugeordneten Empfangseinheit.
-
Die zentrale, einer jeweiligen Batterie von Hochleistungskondensatoren zugeordneten Empfangseinheit sorgt dann auch für eine Alarmsignalisierung und/oder Abschaltung bezüglich eines oder mehrerer der Hochleistungskondensatoren.
-
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
-
Bekanntermaßen führen Fehlersituationen bei gekapselten Kondensatoren zu einem Druckanstieg. Um einen Druckanstieg zu erkennen und Kondensatoren rechtzeitig vom Netz zu trennen, weisen selbige Druckschalter oder Drucksensoren auf.
-
Gemäß Ausführungsbeispiel soll nun nicht der am oder im Kondensator vorgesehene Druckschalter selbigen unmittelbar vom Netz trennen oder gegebenenfalls kurzschließen. Vielmehr gilt es, Druckveränderungen im jeweiligen Hochleistungskondensator zu einer zentralen Auswertungseinheit zu übertragen, um dann anhand der erkannten Belastungssituationen oder Alarmnachrichten eine Entscheidung über das Zu- oder Abschalten bestimmter Komponenten einer entsprechenden Kondensatorbatterie in die Wege zu leiten.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde eine Überwachungseinheit geschaffen, die ohne externe Energieversorgung die gewünschten Aufgaben erfüllt. Diesbezüglich erfolgt ein sogenanntes Energy Harvesting, und zwar unter Rückgriff auf das im Bereich der Kondensatoren vorhandene und diese umgebende magnetische Wechselfeld.
-
Hierbei wird der Effekt genutzt, dass der Wechselstrom einer elektrischen Leitung im Kern einer umgebenden Ringspule ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das eine Induktionsspannung in der Ringspule zur Folge hat. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind derartige Ringkernspulen um den Ansatz eines Isolationskörpers eines Kondensator-Anschlussterminals angeordnet.
-
Es hat sich gezeigt, dass bei einem angenommenen minimalen Nennstrom von Kondensatoren in der Regel von 4 A Leerlaufspannungen bei entsprechend ausgebildeter Mehrkernwicklung einer Ringkernspule im Bereich von 110 bis 120 mV pro Wicklung erreichbar sind.
-
Eine vorgesehene Schaltungsanordnung wandelt die von der jeweiligen Ringkernspule gelieferte Energie in eine höhere Spannung um. Die betreffende Schaltung umfasst mindestens einen Speicherkondensator. Über eine Komponente der Schaltung wird der Luftschnittstellen-Funkknoten bei Erreichen einer bestimmten Spannung über dem Speicherkondensator eingeschalten.
-
Unterschreitet die Betriebsspannung einen minimalen Wert am Speicherkondensator, dann kann ein vorgesehener Kontroller die Versorgungsspannung abtrennen, um den Drucksensor und die gesamte Anordnung definiert abzuschalten und in einen entsprechenden gesicherten Zustand zu überführen.
-
Wenn wiederum genug Energie vorliegt, übernimmt der Kontroller einen erneuten Steuerungszyklus. Ein definiertes Ein- und Ausschalten der Versorgungsspannung ist hierbei eine Grundvoraussetzung für die gewünschte sichere und dauerhafte Betriebsweise der Anordnung.
-
Der Funkknoten, respektive die Funkschnittstelle wird mit Hilfe eines Funktransceivers aufgebaut. Unter Nutzung der zur Verfügung stehenden Energie steuert der Funktransceiver die Abfrage der Drucksensorik, das Senden der Nachrichten und so weiter.
-
Die Arbeitsweise wird hierbei an das jeweils zur Verfügung stehende Energiebudget bis hin zum kontrollierten Abschalten abgewickelt.
-
Beispielhaft wird mit dem Aktivieren des Funkknotens in einer Periode von 1 s der Druckschalterzustand ermittelt. Bei einem kritischen Zustand, insbesondere bei Überdruck, wird unmittelbar im Anschluss eine Abschaltnachricht versendet. Bei Normaldruckverhältnissen geschieht dies beispielsweise alle 15 s bis 25 s im Sinne einer Statusnachricht.
-
Können beispielsweise Nachrichten aufgrund zu niedriger Spannung nicht versendet werden oder werden die Nachrichten empfangsseitig nicht bestätigt, erfolgt ein wiederholter Versuch einer Nachrichtensendung.
-
Die zentrale, beispielsweise einer Kondensatorbatterie zugeordnete Empfangseinheit ist in der Lage, alle Signale und übermittelten Nachrichten auszuwerten, diese Nachrichten einzelnen Kondensatoren zuzuordnen und über entsprechende Schaltglieder die Kondensatorbatterie mit den gefährdeten oder geschädigten Komponenten abzuschalten. Weiterhin kann durch eine Speichereinheit eine laufende, aber auch retrospektive Zustandskontrolle und Zustandsüberwachung erfolgen, was zum Zweck der Wartung und Protokollierung entsprechender Anlagen von Vorteil ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0548713 B1 [0002]
- WO 2013/043448 A1 [0003]
- DE 102006020207 A1 [0004]
- US 4112474 A1 [0005]