DE102015017168B4 - Monitoring device for a surge arrester and monitoring system with a monitoring device - Google Patents
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Abstract
Überwachungsvorrichtung für einen Überspannungsableiter mit: einem Mittel (6) zum Erfassen eines Gesamtleckstroms, der zwischen dem Überspannungsableiter (3) und Masse fließt; einem Feldfühler (9) zum Erfassen eines elektrischen Feldes in der Nähe des Überspannungsableiters (3); und einer Kommunikationseinheit (13) zur kontaktlosen Übertragung von Daten an eine externe Vorrichtung (2); dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung eine Energieversorgungseinheit (5, 7) aufweist, die den Gesamtleckstrom zur Bereitstellung der Versorgungsenergie der Überwachungsvorrichtung nutzt.A surge arrester monitoring apparatus comprising: means (6) for detecting a total leakage current flowing between the surge arrester (3) and ground; a field sensor (9) for detecting an electric field in the vicinity of the surge arrester (3); and a communication unit (13) for contactless transmission of data to an external device (2); characterized in that the monitoring device comprises a power supply unit (5, 7) which uses the total leakage current to provide the supply energy of the monitoring device.
Description
Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für einen Überspannungsableiter und ein Überwachungssystem mit einer derartigen Überwachungsvorrichtung.The invention relates to a monitoring device for a surge arrester and a monitoring system with such a monitoring device.
In Energienetzwerken werden üblicherweise Überspannungsableiter zwischen einer stromführenden Leitung und Erde geschaltet. Moderne Überspannungsableiter umfassen sogenannte Varistoren, d. h. Bauelemente, die unterhalb einer Grenzspannung sehr gute Isolatoren sind, aber bei Überschreiten dieser Grenzspannung schlagartig zu sehr guten Leitern werden. Die Überspannungsableiter dienen dem Schutz von anderen Komponenten des Netzwerks gegenüber Überspannungen, wie sie beispielsweise durch Blitzeinschläge oder Ähnliches hervorgerufen werden können. Es ist üblich, diese Überspannungsableiter für einen langen Zeitraum, d. h. 30 Jahre oder mehr, in dem Netzwerk zu belassen.In energy networks, surge arresters are usually connected between a live line and ground. Modern surge arresters include so-called varistors, d. H. Components that are very good insulators below a threshold voltage, but suddenly become very good conductors when this limit voltage is exceeded. The surge arresters protect other components of the network from overvoltages, such as those caused by lightning strikes or the like. It is common for these surge arresters for a long period of time, d. H. 30 years or more to stay in the network.
Die meisten der heutzutage eingesetzten Überspannungsableiter weisen Zinkoxidvaristoren auf. Diese Zinkoxydvaristoren neigen dazu, im Lauf der Jahre zu altern, insbesondere wenn der Überspannungsableiter wiederholt auf eine Überspannung angesprochen hat, d. h. wiederholt von dem isolierenden Zustand in den leitenden Zustand und zurückgeschaltet hat. Dieses Altern führt dazu, dass der sogenannte Leckstrom, d. h. der Strom im isolierenden Zustand, der dennoch durch den Überspannungsableiter fließt, allmählich ansteigt. Ein übermäßiger Leckstrom ist jedoch ein Problem, da er zu einer übermäßigen Erwärmung der Überspannungsableiter mit einem weiteren Anstieg des Leckstroms führen kann, was im schlimmsten Fall zur thermischen Instabilität und folglich zur Zerstörung des Überspannungsableiters führt.Most of the surge arresters used today have zinc oxide varistors. These zinc oxide varistors tend to age over the years, especially when the surge arrester has repeatedly responded to an overvoltage, i. H. repeatedly from the insulating state to the conductive state and has switched back. This aging causes the so-called leakage current, i. H. the current in the insulating state, which nevertheless flows through the surge arrester, gradually increases. However, excessive leakage current is a problem because it can lead to excessive heating of the surge arresters with a further increase in leakage current, leading in the worst case to thermal instability and consequent destruction of the surge arrester.
Ein weiteres Problem stellt eine mögliche Verschmutzung eines Gehäuses des Überspannungsableiters dar, durch die ein Kriechstrom am Gehäuse entlang ermöglicht werden kann.Another problem is a possible contamination of a housing of the surge arrester, through which a leakage current can be made possible along the housing.
Da die Überspannungsableiter die meiste Zeit im Wesentlichen als Isolatoren in dem Netzwerk eingebunden sind, ist es sehr schwer, ihre Funktionsfähigkeit zu überprüfen.Since the surge arresters are essentially integrated as insulators in the network most of the time, it is very difficult to verify their functionality.
Aus der
Derartige Leckstromüberwachungsgeräte liegen in Reihe mit dem Überspannungsableiter in einer Erdanschlussleitung. Neuere Entwicklungen basieren auf einer Auswertung der 3. Harmonischen des Leckstrom und werten darüber die resistive Komponente aus. Durch eingebaute E-Feld-Sensoren bzw. Feldfühler wird der Einfluss der 3. Harmonischen in der Spannung, der die Messung stark verfälschen kann, kompensiert. Die Messwerte können über eine Funkschnittstelle übertragen werden, so dass eine weitere Auswertung und Archivierung über Computer möglich ist.Such leakage monitoring devices are in series with the surge arrester in a ground connection. Recent developments are based on an evaluation of the 3rd harmonic of the leakage current and evaluate the resistive component above it. Built-in E-field sensors or field sensors compensate for the influence of the 3rd harmonic in the voltage, which can strongly falsify the measurement. The measured values can be transmitted via a radio interface, so that further evaluation and archiving via computer is possible.
Der genannte Stand der Technik schlägt somit vor, ein Überwachungssystem bereitzustellen, das eine Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs des Leckstroms durch den Überspannungsableiter, sowie der Ansprechereignisse durchführt. Durch Auslesen dieser Aufzeichnung und entsprechende Auswertung der Ergebnisse, kann eine Prognose darüber abgegeben werden, inwieweit der Überspannungsableiter noch den Spezifikationen genügt, bzw. ob ein Austausch erforderlich ist.The cited prior art thus proposes to provide a monitoring system which records the time course of the leakage current through the surge arrester as well as the response events. By reading this record and corresponding evaluation of the results, a prognosis can be made about the extent to which the surge arrester still meets the specifications, or whether an exchange is required.
Gemäß dem genannten Stand der Technik ist der Feldfühler bzw. die E-Feld-Sensoren über eine Erdungsleitung mit Masse verbunden, und der durch das elektrische Feld verursacht Strom vom Feldfühler zur Erde wird durch eine Strommessvorrichtung gemessen.According to the cited prior art, the field sensor or the E-field sensors is connected to ground via a grounding line, and the current caused by the electric field from the field sensor to ground is measured by a current measuring device.
Um das Überwachungssystem des Stands der Technik mit Energie zu versorgen, ist eine Schaltung vorgesehen, die den Strom von dem Feldfühler zur Erde in einen Energiespeicher lenkt, wenn das Überwachungssystem den Strom nicht misst.To power the prior art monitoring system, a circuit is provided which directs the current from the field probe to ground into an energy store when the monitoring system is not measuring the current.
Dies hat den Nachteil, dass ein zusätzlicher Aufwand für eine Umschaltung erforderlich ist, und dass auch die Zuverlässigkeit der Energieversorgung nur eingeschränkt gewährleistet ist, insbesondere dann, wenn die Erdung des Feldfühlers durch Umwelteinflüsse, Korrosion oder Ähnliches beeinträchtigt ist.This has the disadvantage that an additional effort for switching is required, and that the reliability of the power supply is ensured only limited, especially if the grounding of the field sensor is affected by environmental influences, corrosion or the like.
Zusätzlich ist es bekannt, die Überwachungsvorrichtung mittels einer Solarzelle mit Energie zu versorgen. Dies verteuert und kompliziert den Aufbau aber weiter. Darüber hinaus sind Solarzellen nicht in der Lage, das Gerät zuverlässig zu versorgen bei, etwa bei hohen Breitengraden (60° und höher), sonstigen langen Dunkelperioden oder bei Innenraum-Anwendung.In addition, it is known to provide the monitoring device with energy by means of a solar cell. This makes the construction more expensive and more complicated. In addition, solar cells are unable to reliably supply the device at, for example, at high latitudes (60 ° and higher), other long dark periods or indoor use.
Die bekannten Feldfühler sind üblicherweise in der Nähe des Überspannungsableiters angeordnet und mit einer Erdungsleitung verbunden. Ein Strommessgerät misst kontinuierlich oder in Intervallen den Strom zwischen dem Feldfühler und der Erde. Der Feldfühler kann als Spannungsquelle angesehen werden, die einen hohen Innenwiderstand hat. Belastet man diese mit einer niederohmigen Schaltung, so bricht die Feldfühlerspannung zusammen, was den Messwert verfälschen kann. The known field sensors are usually arranged in the vicinity of the surge arrester and connected to a grounding line. An ammeter measures continuously or at intervals the current between the field sensor and the ground. The field sensor can be considered as a voltage source, which has a high internal resistance. If these are loaded with a low-impedance circuit, the field sensor voltage collapses, which can falsify the measured value.
Die Übermittlung der Messergebnisse nach Außen erfolgte beim Stand der Technik entweder durch eine Anzeigevorrichtung an der Überwachungsvorrichtung, also durch optische Inspektion, oder durch drahtlose oder drahtgebundene Datenübertragung, Bekannte, hier verwendete Funktechnologien sind 868 MHz, Zigbee, Wifi, GPRS.The transmission of the measurement results to the outside was done in the prior art either by a display device on the monitoring device, ie by optical inspection, or by wireless or wired data transmission, known, wireless technologies used here are 868 MHz, Zigbee, Wifi, GPRS.
Bei der bevorzugten drahtlosen Kommunikation kommt es jedoch zu Problemen, wenn mehrere Überspannungsableiter mit jeweiligen Überwachungsvorrichtungen nahe beieinander angeordnet sind, da eine eindeutige Zuordnung der Daten zu den jeweiligen Überspannungsableitern sichergestellt werden muss. Außerdem erfordert diese Art der Datenübertragung eine beachtliche Energiemenge, so dass beim Stand der Technik weitere Energiequellen, meistens Solarzellen, vorgesehen wurden.In the preferred wireless communication, however, there are problems when multiple surge are arranged with respective monitoring devices close to each other, since a clear assignment of the data to the respective surge arresters must be ensured. In addition, this type of data transmission requires a considerable amount of energy, so that in the prior art, further energy sources, mostly solar cells, were provided.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Überwachungsvorrichtung und ein verbessertes Überwachungssystem bereitzustellen, die diese Probleme nicht aufweisen.The object of the invention is therefore to provide an improved monitoring device and an improved monitoring system, which do not have these problems.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Überwachungssystem nach Anspruch 7. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The object is achieved by a monitoring device according to claim 1 and by a monitoring system according to
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Überwachungsvorrichutng für einen Überspannungsableiter mit einem Mittel zum Erfassen eines Gesamtleckstroms, der zwischen dem Überspannungsableiter und Masse fließt, einem Feldfühler zum Erfassen eines elektrischen Feldes in der Nähe des Überspannungsableiters und einer Kommunikationseinheit zur kontaktlosen Übertragung von Daten an eine externe Vorrichtung. Erfindungsgemäß weist die Überwachungsvorrichtung eine Energieversorgungseinheit auf, die den Gesamtleckstrom zur Bereitstellung der Versorgungsenergie der Überwachungsvorrichtung nutzt.In particular, the invention relates to a surge arrester monitoring device having means for detecting a total leakage current flowing between the surge arrester and ground, a field sensor for detecting an electric field in the vicinity of the surge arrester, and a communication unit for contactless transmission of data to an external device. According to the invention, the monitoring device has a power supply unit that uses the total leakage current to provide the supply energy of the monitoring device.
Bevorzugt ist eine Spannungsmesseinheit vorgesehen, die die Spannung an dem Feldfühler erfasst.Preferably, a voltage measuring unit is provided which detects the voltage across the field sensor.
Außerdem kann eine Auswärtungslogik in der Überwachungsvorrichtung vorgesehen sein, die ausgestaltet ist, um die Amplitude der zweiten Oberschwingung I3r einer resistiven Komponente des Leckstroms gemäß der Gleichung:
- I3t
- die Amplitude der zweiten Oberschwingung des Gesamtleckstroms ist,
- I1t
- die Amplitude des Gesamtleckstroms ist;
- U1p
- die Amplitude der Gesamtspannung an dem Feldfühler ist;
- U3p
- die Amplitude der zweiten Oberschwingung der Spannung an dem Feldfühler ist; und wobei
- K
- eine vorgegebene Konstante ist.
- I 3t
- is the amplitude of the second harmonic of the total leakage current,
- I 1t
- is the amplitude of the total leakage current;
- U 1p
- is the amplitude of the total voltage across the field sensor;
- U 3p
- the amplitude of the second harmonic is the voltage on the field sensor; and where
- K
- is a given constant.
Ein Datenspeicher dient zum Speichern der Amplitude der 2. Oberschwingung der kompensierten zweiten Oberschwingung des Gesamtleckstroms zusammen mit einer Zeitmarke.A data memory serves to store the amplitude of the 2nd harmonic of the compensated second harmonic of the total leakage current together with a time mark.
Neben der Amplitude der zweiten kompensierten Oberschwingung 2. Oberschwingung des Gesamtleckstroms kann die Erfindung auch einen Spitzenwert des Gesamtleckstroms Ipeak und/oder eines Impulsstroms Ipuls erfassen, wobei der Impulsstrom Ipuls der Wert der Amplitude eines Strompulses beim Ansprechen des Überspannungsableiters ist. Ebenso ist es möglich, einen Ansprechzähler vorzusehen, der zählt, wie oft der Überspannungsableiter eine Überspannung abgeleitet hat.In addition to the amplitude of the second compensated harmonic 2nd harmonic of the total leakage current, the invention can also detect a peak value of the total leakage current I peak and / or a pulse current I pulse , wherein the pulse current I pulse is the value of the amplitude of a current pulse in response of the surge arrester. It is also possible to provide a response counter that counts the number of times the surge arrester has drained an overvoltage.
Das erfindungsgemäße Überwachungssystem zur Überwachung eines Überspannungsableiters umfasst eine Überwachungsvorrichtung der oben beschriebenen Art und eine Empfangseinheit zum drahtlosen Empfangen von Daten von der Überwachungsvorrichtung mittels Nahfeldkommunikation.The monitoring system according to the invention for monitoring a surge arrester comprises a monitoring device of the type described above and a receiving unit for wirelessly receiving data from the monitoring device by means of near-field communication.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen zeigt:In the following the invention will be described by means of a preferred embodiment and with reference to the figures, in which:
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.The invention will be described below with reference to a preferred embodiment.
Wie in
Das Gehäuse
Das Kabel
Die Sendeeinheit
Mit dem Bezugszeichen in
Die Überwachungsvorrichtung
Das Smartphone
Auf diese Art ist es möglich, die durch das Smartphone
Wie in
Das Bezugszeichen
In Reihe zu diesem Gasableiter
Am hochspannungsseitigen Eingang des Gasableiters
Der Ausgang der Strommesseinheit
Das Bezugszeichen
Das Bezugszeichen
Das Bezugszeichen
Schließlich bezeichnet das Bezugszeichen
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Mikroprozessor
Darüber hinaus berechnet der Mikroprozessor
Da der Mikroprozessor
- I3r
- Amplitude der kompensierten zweiten Oberschwingung des _Gesamtleckstroms
- I3t
- die Amplitude der zweiten Oberschwingung des Gesamtleckstroms ist,
- I1t
- die Amplitude des Gesamtleckstroms ist;
- U1p
- die Amplitude der Gesamtspannung an dem Feldfühler ist;
- U3p
- die Amplitude der zweiten Oberschwingung der Spannung an dem Feldfühler ist; und wobei
- K
- eine vorgegeben Konstante ist.
- I 3r
- Amplitude of the compensated second harmonic of the total leakage current
- I 3t
- is the amplitude of the second harmonic of the total leakage current,
- I 1t
- is the amplitude of the total leakage current;
- U 1p
- is the amplitude of the total voltage across the field sensor;
- U 3p
- the amplitude of the second harmonic is the voltage on the field sensor; and where
- K
- is a given constant.
Konstante K wird empirisch ermittelt, und ist typischerweise gleich 0,75.Constant K is determined empirically, and is typically 0.75.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die so ermittelte 2. Oberschwingung des resistiven Leckstroms ein gutes Maß ist, um den Alterungsprozess des Überspannungsableiters zu überwachen.Experience has shown that the resulting 2nd harmonic of the resistive leakage current is a good measure to monitor the aging process of the surge arrester.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, können weitere Messelemente in der Überwachungsvorrichtung
Der Mikroprozessor
Im Betrieb wird ein mit der Beaufsichtigung des Überspannungsableiters
Typischerweise wird die Kennung des Überspannungsableiters einmalig zur Inbetriebnahme in das Smartphone eingegeben. Dabei wird das Smartphone auf die Sendeeinheit gelegt. Das Überwachungsgerät überträgt eine einmalige (fest eingebrannte) ID. Das Smartphone speichert die eingegebene Kennung und die ID in seinem Speicher und überträgt sie via Internet in die DatenbankTypically, the identification of the surge arrester is entered once for commissioning in the smartphone. The smartphone is placed on the transmitter unit. The monitor transmits a one-time (permanently burned) ID. The smartphone stores the entered ID and the ID in its memory and transfers it via the Internet to the database
Alternativ kann der Benutzer, bevor er sein Smartphone
Mittels eines Energiesammlers
Das Auslesen der Daten über die Nahfeldkommunikation erfolgt ebenfalls nicht kontinuierlich, sondern in regelmäßigen Abständen, beispielsweise einmal im Monat oder einmal jedes halbe Jahr. Auch hierfür reicht die Energie aus, die aus dem Leckstrom gewonnen werden kann, da die Nahfeldkommunikation mit einer sehr geringen Energiemenge auskommt.The reading out of the data via the near field communication also does not take place continuously, but at regular intervals, for example once a month or once every six months. Again, the energy that can be extracted from the leakage current is sufficient because near-field communication uses a very small amount of energy.
Mehr och, es wird sogar Energie aus der NFC-Übertragung gewonnen. Die Funkleistung des Smartphones wird über den NFC Empfänger in eine Betriebsspannung gewandelt. Die Sendeeinheit versorgt sich somit von selbstMore och, it will even gain energy from the NFC transmission. The radio power of the smartphone is converted into an operating voltage via the NFC receiver. The transmitting unit thus supplies itself
Der Vorteil dieser Bauweise besteht darin, dass keine zusätzliche Energiequelle, wie eine Solarzelle oder Ähnliches, vorgesehen sein muss.The advantage of this design is that no additional energy source, such as a solar cell or the like, must be provided.
Der Ausgang des Feldfühlers
Wie in
Diese Schaltung erlaubt es, die Spannung an dem Feldfühler
Der Feldfühler
Der Kondensator
Das erfindungsgemäße Überwachungsgerät
Bevorzugt ist allerdings, die ID für die eindeutige Zuordnung des Ableiters in einem Speicher des Mikroprozessors fest eingespeichert.However, the ID for the unambiguous assignment of the arrester is preferably stored permanently in a memory of the microprocessor.
Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist sie hierauf nicht beschränkt. Dem Fachmann ist klar, dass er verschiedene Abwandlungen und Modifikationen vornehmen kann.Although the invention has been described by way of preferred embodiment, it is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes can be made.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wurde die Umrechnung der Messwerte in die letztlich auszuwertenden Daten in der Überwachungseinrichtung
Claims (7)
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