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Hintergrund
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Die Teilentladung bezieht sich auf einen eingegrenzten dielektrischen Durchschlag in einem Bereich des elektrischen Isolationssystems einer Vorrichtung (z. B. eines Motors), wenn das Isolationssystem unter Hochspannungsbeanspruchung ist. Der Durchschlag wird durch ein oder mehrere Risse, Lücken oder Einschlüsse in dem Isolationssystem verursacht. Teilentladungen können einen kleinen, aber signifikanten Schaden an der Vorrichtung verursachen und zeigen an, dass das Isolationssystem anfängt zu versagen, was in der Zukunft zu einem katastrophalen Schaden führen kann. Von daher ist es wünschenswert, Teilentladungen zu detektieren, sodass das Isolationssystem repariert oder ersetzt wird, bevor ein solcher Schaden auftritt.
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Um Teilentladungen zu detektieren, ist eine Teilentladungsdetektionsplatine mit der Vorrichtung gekoppelt und dazu ausgelegt, Signale von (z. B. wegreflektiert von) der Vorrichtung zu analysieren, um festzustellen, ob die Vorrichtung Teilentladungen erfährt, wenn die Vorrichtung einer speziellen Spannung ausgesetzt wird. Die Teilentladungsdetektionsplatine umfasst einen Analog-zu-Digital-Wandler (”ADC”), der die Signale mit einer Abtastrate von, beispielsweise 100 MHz abtastet. Der ADC ist nicht fähig, Teile des Signals oberhalb der Nyquistfrequenz (z. B. 50 MHz in diesem Beispiel) zu unterscheiden. Daher umfassen konventionelle Teilentladungsdetektionsplatinen einen Anti-Aliasing Filter, um die Teile des Signals oberhalb der Nyquistfrequenz zu entfernen.
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Zusammenfassung
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Eine Teilentladungsdetektionsplatine ist offenbart. Die Platine umfasst einen Spannungsteiler, der dazu ausgelegt ist, eine Spannung eines reflektierten Signals zu dämpfen. Ein Dämpfer ist mit dem Spannungsteiler verbunden. Der Dämpfer dämpft die Frequenzen des reflektierten Signals, die größer sind als eine obere Grenzfrequenz. Ein Analog-zu-Digital-Wandler ist mit dem Dämpfer verbunden. Der Analog-zu-Digital-Wandler empfängt Teile des reflektierten Signals bis zu der oberen Grenzfrequenz, und der Analog-zu-Digital-Wandler wandelt das reflektierte Signal von einem analogen Bereich in einen digitalen Bereich um. Ein Filter ist mit dem Analog-zu-Digital-Wandler verbunden. Der Filter dämpft Frequenzen des reflektierten Signals, die geringer sind als eine untere Grenzfrequenz. Eine Vergleichseinrichtung ist mit dem Filter verbunden. Die Vergleichseinrichtung vergleicht die Spannung des reflektierten Signals mit einer Referenzspannung. Eine Zähleinrichtung ist mit der Vergleichseinrichtung verbunden. Die Zähleinrichtung zählt hoch, wenn die Spannung des reflektierten Signals größer ist als die Referenzspannung.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Platine einen Spannungsteiler, der dazu ausgelegt ist, eine Spannung eines reflektierten Signals zu dämpfen. Der Spannungsteiler weist weder einen Kondensator noch einen Induktor auf. Ein Dämpfer ist mit dem Spannungsteiler verbunden. Der Dämpfer dämpft Frequenzen des reflektierten Signals, die größer sind als eine obere Grenzfrequenz. Ein Analog-zu-Digital-Wandler ist mit dem Dämpfer verbunden. Zwischen dem Spannungsteiler und dem Analog-zu-Digital-Wandler ist kein Anti-Aliasing Filter angeordnet. Der Analog-zu-Digital-Wandler empfängt Teile des reflektierten Signals zwischen einer Nyquistfrequenz des Analog-zu-Digital-Wandlers und der oberen Grenzfrequenz, und der Analog-zu-Digital-Wandler wandelt das reflektierte Signal von einem analogen Bereich in einen digitalen Bereich um. Ein Filter ist mit dem Analog-zu-Digital-Wandler verbunden. Der Filter dämpft Frequenzen des reflektierten Signals, die kleiner sind als eine untere Grenzfrequenz. Eine Vergleichseinrichtung ist mit dem Filter verbunden. Die Vergleichseinrichtung vergleicht die Spannung des reflektierten Signals mit einer Referenzspannung. Eine Zähleinrichtung ist mit der Vergleichseinrichtung verbunden. Die Zähleinrichtung zählt hoch, wenn die Spannung des reflektierten Signals größer ist als die Referenzspannung.
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Ein Verfahren zum Detektieren einer Teilentladung ist ebenfalls offenbart. Das Verfahren umfasst das Übermitteln eines elektrischen Pulses an eine Vorrichtung. Der elektrische Puls reflektiert von der Vorrichtung weg, wodurch ein reflektiertes Signal erzeugt wird. Eine Spannung des reflektierten Signals wird unter Verwendung eines Spannungsteilers gedämpft. Eine oder mehrere Frequenzen des reflektierten Signals, die größer sind als eine obere Grenzfrequenz, werden unter Verwendung eines Dämpfers gedämpft. Das reflektierte Signal wird von einem analogen Bereich in einen digitalen Bereich unter Verwendung eines Analog-zu-Digital-Wandlers umgewandelt. Der Analog-zu-Digital-Wandler empfängt Teile des reflektierten Signals zwischen einer Nyquistfrequenz des Analog-zu-Digital-Wandlers und der oberen Grenzfrequenz.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die begleitenden Zeichnungen, die eingefügt sind in und einen Teil dieser Beschreibung darstellen, illustrieren ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Lehren und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der vorliegenden Lehren zu erklären. In den Figuren:
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1 stellt eine schematische Ansicht eines Systems zum Detektieren einer Teilentladung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
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2 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren einer Teilentladung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
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Es sollte beachtet werden, dass manche Details der Figuren vereinfacht wurden und eher gezeichnet sind, um das Verständnis der Ausführungsbeispiele zu vereinfachen, als eine strikte strukturelle Genauigkeit, Einzelheit und Skalierung beizubehalten.
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Detaillierte Beschreibung
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Bezug wird nun im Detail auf Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung genommen, deren Beispiele in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Wo angebracht, wurden in den Figuren durchgehend ähnliche Bezugszeichen verwendet, um identische Elemente zu bezeichnen. In der folgenden Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Figuren genommen, die einen Teil der Beschreibung bilden, und in denen zur Veranschaulichung ein oder mehrere spezifische beispielhafte Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die vorliegenden Lehren ausgeübt werden können.
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Des Weiteren sind, ungeachtet dessen, dass die den breiten Schutzumfang der Offenbarung angegebenen Zahlenbereiche und Parameter, Näherungen sind, die numerischen Werte, die in den spezifischen Beispielen angegeben sind, so präzise wie möglich angegeben. Jeder numerische Wert enthält jedoch von Natur aus bestimmte Fehler, die notwendigerweise aus der Standardabweichung resultieren, die in ihren jeweiligen Testmessungen gefunden wurden. Des Weiteren sind alle Bereiche, die hierin offenbart sind, so zu verstehen, dass sie alle Unterbereiche, die darunter subsummiert sind, umfassen.
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1 stellt eine schematische Ansicht eines Systems 100 zum Detektieren einer Teilentladung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Das System 100 wird verwendet, um eine Vorrichtung 110 zu testen. Die Vorrichtung 110 umfasst drei Leiter 112, 114, 116, die jeweils einer unterschiedlichen elektrischen Phase entsprechen. Jeder Leiter 112, 114, 116 ist zumindest teilweise von einer elektrischen Isolierung 118 umgeben. Die Vorrichtung 110 weist einen Motor oder einen Teil eines Motors auf. Zum Beispiel umfasst die Vorrichtung 110 einen zusammengebauten Motor (z. B. mit einem Rotor an seinem Platz), einen Stator mit entfernten Rotor (z. B. zur präventiven Wartung), einen neuen auf Qualität zu testenden Motor, eine Einzelform-gewickelte Spule, die für eine hohe Spannungsbeanspruchungen ausgelegt ist, Gleichstromwechselpole oder eine Kombination von diesen.
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Das System 100 weist eine Impulsentladungsplatine 120 auf, die mit der Vorrichtung 110 verbunden ist. Die Impulsentladungsplatine 120 ist dazu ausgelegt, elektrische Hochspannungspulse an die Vorrichtung 110, an einen Leiter 112, 114, 116 nach dem anderen auszugeben. Zum Beispiel gibt die Impulsentladungsplatine 120 mehrere elektrische Pulse an den ersten Leiter 112 aus, um die Spannung festzustellen, bei der die elektrische Isolierung 118 um den ersten Leiter 112 Teilentladungen erfährt. Dann gibt die Impulsentladungsplatine 120 mehrere elektrische Pulse an den zweiten Leiter 114 aus, um die Spannung festzustellen, bei der die elektrische Isolierung 118 um den zweiten Leiter 114 Teilentladungen erfährt, und so weiter.
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Das System 100 weist auch eine Teilentladungsdetektionsplatine 130 auf. Die Teilentladungsdetektionsplatine 130 ist mit der Vorrichtung 110, mit der Impulsentladungsplatine 120, oder mit beiden verbunden. Die Teilentladungsdetektionsplatine 130 weist einen Eingang 132 auf, der dazu ausgelegt ist, das Signal zu empfangen, das von der Vorrichtung 110 weg reflektiert. Die Teilentladungsdetektionsplatine 130 weist auch einen Spannungsteiler 134 auf, der mit dem Eingang 132 verbunden ist. Der Spannungsteiler 134 ist ein Widerstandsspannungsteiler mit zwei oder mehreren Widerständen (zwei sind gezeigt: 136, 138). In zumindest einem Ausführungsbeispiel weist der Spannungsteiler 134 weder einen Kondensator noch einen Induktor auf; daher hat der Spannungsteiler eine kleine oder keine kapazitive oder induktive Reaktanz.
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Die Teilentladungsdetektionsplatine 130 umfasst auch einen Dämpfer 140, der mit dem Spannungsteiler 134 verbunden ist. Der Dämpfer 140 ist ein oder umfasst einen operativen Verstärker (”op-amp”). In einem Beispiel ist der Dämpfer 140 ein Dämpfer mit Verstärkungsfaktor Eins. Die Teilentladungsdetektionsplatine 130 umfasst auch einen Analog-zu-Digital-Wandler (”ADC”) 142, der mit dem Dämpfer 140 verbunden ist. Der Analog-zu-Digital-Wandler 142 umfasst einen Oszillator (z. B. einen Kristalloszillator) 144, der die Taktfrequenz des Analog-zu-Digital-Wandler 142 festsetzt. Wie weiter unten ausführlicher diskutiert werden wird, weist die Teilentladungsdetektionsplatine 130 keinen Anti-Aliasing Filter auf. Insbesondere ist kein Anti-Aliasing Filter mit dem Dämpfer 140 und dem Analog-zu-Digital-Wandler 142 verbunden und zwischen dem Dämpfer 140 und Analog-zu-Digital-Wandler 142 angeordnet.
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Die Teilentladungsdetektionsplatine 130 umfasst auch einen ersten Bus 146, der mit dem Analog-zu-Digital-Wandler 142 verbunden ist. Der erste Bus 146 ist zum Beispiel ein 12-Bit-Bus mit digitalisierten Daten. Die Teilentladungsdetektionsplatine 130 weist weiterhin eine Feld-programmierbare Gatter-Anordnung (”FPGA”) 150 auf, die mit dem Bus 146 verbunden ist. Die Feld-programmierbare Gatter-Anordnung 150 umfasst einen Filter 152. Der Filter 152 ist ein Hochpassfilter mit endlicher Impulsantwort (”FIR”). In einem Beispiel ist der Filter 152 ein oder umfasst einen 100-Pol Filter mit endlicher Impulsantwort. Die Feld-programmierbare Gatter-Anordnung 150 umfasst auch eine Vergleichseinrichtung 158, die mit dem Filter 152 verbunden ist. Insbesondere ist der Filter 152 mit einem Eingang (z. B. einem negativen Eingang) der Vergleichseinrichtung 158 verbunden. Eine Referenzspannungsquelle 160 ist mit einem anderen Eingang der Vergleichseinrichtung 158 (z. B. einem positiven Eingang) verbunden. Die Feld-programmierbare Gatter-Anordnung 150 umfasst auch eine Zähleinrichtung 162, die mit einem Ausgang der Vergleichseinrichtung 158 verbunden ist.
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Die Teilentladungsdetektionsplatine 130 umfasst auch einen zweiten Bus 164, der mit der Feld-programmierbaren Gatter-Anordnung 150 verbunden ist. Insbesondere ist der zweite Bus 164 mit der Zähleinrichtung 162 verbunden. Der zweite Bus 164 ist zum Beispiel ein 8-Bit-Bus. Ein Mikrocontroller 166 ist mit dem zweiten Bus 164 verbunden.
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2 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Detektieren einer Teilentladung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Das Verfahren 200 umfasst das Übermitteln eines oder mehrerer elektrischer Pulse von der Impulsentladungsplatine 120 an die Vorrichtung 110, siehe 202. Insbesondere werden mehrere elektrische Pulse von der Impulsentladungsplatine 120 an den ersten Leiter 112 der Vorrichtung 110 übermittelt.
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Die elektrischen Pulse werden mit einer Rate von ungefähr 1 Puls pro Sekunde bis ungefähr 20 Pulse pro Sekunde übermittelt. Zum Beispiel werden die elektrischen Pulse mit ungefähr 5 Pulsen pro Sekunde übermittelt. Die elektrischen Pulse haben eine Spannung von ungefähr 1 V bis ungefähr 15 kV. Die elektrischen Pulse haben jeweils eine Länge von weniger als ungefähr 100 Nanosekunden. Jeder elektrische Puls reflektiert von der Vorrichtung 110 weg (z. B. von dem Leiter 112 oder der nahe daran angeordneten elektrischen Isolierung 118), wodurch ein reflektiertes Signal in Form von einer oder mehrerer Wavelets erzeugt wird. Das reflektierte Signal hat eine Länge von weniger als ungefähr 500 Mikrosekunden.
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Das Verfahren 200 umfasst dann das Empfangen des reflektierten Signals an dem Eingang 132 der Teilentladungsdetektionsplatine 130, siehe 204. Das Verfahren 200 umfasst dann das Dämpfen einer Spannung des reflektierten Signals, indem der Spannungsteiler 134 in der Teilentladungsdetektionsplatine 130 verwendet wird, siehe 206. Da der Spannungsteiler 134 ein Widerstandsspannungsteiler ist, dämpft er das reflektierte Signal ohne das Frequenzspektrum einzuschränken. Dieses ermöglicht es, dass ein breiterer Satz von Frequenzen zu dem Dämpfer 140 und zu dem Analog-zu-Digital-Wandler 142 durchkommt, als wenn der Spannungsteiler 134 kapazitive oder induktive Komponenten aufweisen würde. Zum Beispiel wirkt, wenn der Spannungsteiler 134 einen Kondensator aufweist, der Spannungsteiler 134 wie ein Hochpassfilter, der niedrigere Frequenzen entfernt.
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Das Verfahren 200 umfasst dann ein Dämpfen des von einem Rest der Teilentladungsdetektionsplatine 130 (z. B. von dem Analog-zu-Digital-Wandler 142 und der Feld-programmierbaren Gatter-Anordnung 150) reflektierten Signals, indem der Dämpfer 140 verwendet wird, siehe 208. Dieses schützt die „stromabwärts” des Dämpfers 140 angeordneten Komponenten der Teilentladungsdetektionsplatine 130 vor Hochspannungsstößen, die die Komponenten beschädigen könnten.
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Das Verfahren 200 umfasst auch das Dämpfen von Frequenzen des reflektierten Signals, die größer sind als eine obere Grenzfrequenz, indem der Dämpfer 140 verwendet wird, siehe 210. Insbesondere wirkt der Dämpfer 140 wie ein Tiefpassfilter, der die Frequenzen des reflektierten Signals oberhalb der oberen Grenzfrequenz dämpft. Die obere Grenzfrequenz liegt bei ungefähr 100 MHz bis ungefähr 500 MHz oder bei ungefähr 200 MHz bis ungefähr 300 MHz. In einem Beispiel liegt die obere Grenzfrequenz bei ungefähr 235 MHz. Daher werden in diesem Beispiel Teile des reflektierten Signals oberhalb von 235 MHz von dem reflektierten Signal durch den Dämpfer 140 entfernt.
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Das Verfahren 200 umfasst dann das Umwandeln des reflektierten Signals von analog zu digital, indem der Analog-zu-Digital-Wandler 142 verwendet wird, siehe 212. Dieses umfasst das Abtasten des reflektierten Signals mit einer vorbestimmten Rate, die von dem Oszillator 144 festgelegt ist. Die vorbestimmte Rate liegt bei ungefähr 30 MHz bis ungefähr 500 MHz. In einem Beispiel liegt die vorbestimmte Rate bei ungefähr 100 MHz.
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Wie oben erwähnt, weist die Teilentladungsdetektionsplatine 130 keinen Anti-Aliasing Filter auf (z. B. verbunden mit oder angeordnet zwischen dem Dämpfer 140 und dem Analog-zu-Digital-Wandler 142). Folglich empfängt der Analog-zu-Digital-Wandler 142 Teile des reflektierten Signals mit Frequenzen oberhalb der Nyquistfrequenz und bis zu der oberen Grenzfrequenz (z. B. 235 MHz). Wenn das reflektierte Signal Daten enthält, die anzeigen, dass die Vorrichtung 110, die eine Teilentladung mit der Spannung des elektrischen Pulses der das reflektierte Signal erzeugt, erfährt, werden diese Daten zwischen verschiedenen Frequenzen in dem reflektierten Signal verteilt. In einigen Ausführungsbeispielen liegt zumindest ein Teil dieser Frequenzen oberhalb der Nyquistfrequenz und würde von einem Anti-Aliasing Filter entfernt werden. Durch Entfernen/Weglassen des Anti-Aliasing Filters ist demnach die Teilentladungsdetektionsplatine 130 fähig, einen größeren Anteil der Gesamtentladung zu detektieren, der dadurch gemessen wird, dass die Frequenzen oberhalb der Nyquistfrequenz verwendet werden, um das detektierte reflektierte Signal zu verstärken, wodurch ermöglicht wird, die Stärke/Größe der Entladung genauer zu messen.
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Das Verfahren 200 umfasst dann das Übermitteln des reflektieren Signals, jetzt in dem digitalen Bereich, an die Feld-programmierbare Gatter-Anordnung 150, indem der erste Bus 146 verwendet wird, siehe 214. Insbesondere wird das reflektierte Signal an den Filter 152 (z. B. den Hochpassfilter) in der Feld-programmierbaren Gatter-Anordnung 150 übermittelt. Zusätzlich zu dem reflektierten Signal empfängt der Filter 152 auch die von der Impulsentladungsplatine 120 übermittelten elektrischen Pulse, die eine Frequenz von ungefähr 0 MHz bis ungefähr 10 MHz haben. Die elektrischen Pulse enthalten keine Informationen in Bezug auf potenzielle Teilentladungen in der Vorrichtung 110. Daher umfasst das Verfahren 200 auch das Dämpfen der Frequenzen des reflektierten Signals, die geringer sind als eine untere Grenzfrequenz, indem der Filter 152 verwendet wird, siehe 216. Die untere Grenzfrequenz ist größer als oder gleich groß wie die Frequenz der elektrischen Pulse, um die elektrischen Pulse zu entfernen. In einem Beispiel liegt die untere Grenzfrequenz bei ungefähr 10 MHz bis ungefähr 30 MHz (z. B. bei 20 MHz). Folglich passiert der Teil des reflektierten Signals, der zwischen ungefähr 20 MHz und ungefähr 235 MHz liegt, den Filter 152.
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Das Verfahren 200 umfasst dann das Vergleichen einer Spannung des reflektierten Signals mit einer Referenzspannung, indem die Vergleichseinrichtung 158 verwendet wird, siehe 218. Die Referenzspannung liegt zum Beispiel bei ungefähr 5 mV bis ungefähr 50 mV oder bei ungefähr 10 mV bis ungefähr 20 mV. Wenn das reflektierte Signal eine Spannung größer als die Referenzspannung hat, zeigt dies an, dass die Vorrichtung (z. B. der Leiter 112 und/oder die elektrische Isolierung 118) eine Teilentladung als Antwort auf den elektrischen Puls, der das reflektierende Signal erzeugt, erfuhr. Wenn das reflektierte Signal eine Spannung geringer als die Referenzspannung hat, ist dies auf ein Rauschen zurückzuführen, und es wird festgestellt, dass keine Teilentladung aufgetreten ist.
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Das Verfahren 200 umfasst dann das Hochzählen der Zähleinrichtung 162, wenn die Vergleichseinrichtung 158 anzeigt, dass das reflektierte Signal eine Spannung hat, die größer oder gleich groß wie die Referenzspannung ist, siehe 220. Eine Ausgabe der Zähleinrichtung 162 wird an den Mikrocontroller 166 übermittelt, indem der zweite Bus 164 verwendet wird, siehe 222. Zusätzlich wird auch der Teil des reflektierten Signals, der von dem Filter 152 ausgegeben wird (z. B. mit einer Frequenz von ungefähr 20 MHz bis ungefähr 235 MHz), an den Mikrocontroller 166 übermittelt, indem der zweite Bus verwendet wird, siehe 224. Dieses wird gemacht, um die Wellenform des reflektierten Signals visuell darzustellen.
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Während die vorliegenden Lehren mit Bezug auf ein oder mehrere Implementierungen beschrieben wurden, können Veränderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen durchgeführt werden, ohne von dem Geist und Schutzumfang der angehängten Ansprüche abzuweichen. Zusätzlich kann, während ein bestimmtes Merkmal der vorliegenden Lehren in Bezug auf nur eine der mehreren Implementierungen offenbart wurde, ein solches Merkmal mit ein oder mehreren Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es gewünscht und vorteilhaft für irgend eine gegebene oder bestimmte Funktion ist. Des Weiteren sind in dem Maß, in dem die Begriffe „umfassend”, „umfasst”, „habend”, „hat”, „mit” oder Varianten davon in entweder der detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wurden, diese Begriffe dazu gedacht, inkludierend in einer Weise ähnlich zu dem Begriff „aufweisend” zu sein. Des Weiteren gibt der Begriff „ungefähr” in der Diskussion und den Ansprüchen hierin an, dass der Wert, der angegeben ist, in irgend einer Weise verändert werden kann, solange die Veränderung nicht in einer Nonkonformität des Verfahrens oder der Struktur mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel resultiert. Die Begriffe „koppeln”, „gekoppelt”, „verbinden”, „Verbindung”, „verbunden”, „in Verbindung mit” und „verbindend” beziehen sich auf „in direktem Kontakt mit” oder „über ein oder mehrere Zwischenelemente oder Teile in Verbindung mit”. Schließlich gibt „beispielhaft” an, dass die Beschreibung eher als Bespiel verwendet wird, statt zu implizieren, dass es ein Idealist.
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Andere Ausführungsformen der vorliegenden Lehren werden für den Fachmann aus der Betrachtung der Beschreibung und Praxis der hierin offenbarten vorliegenden Lehren ersichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft betrachtet werden, wobei der wahre Schutzumfang und Geist der vorliegenden Lehren durch die folgenden Ansprüche angegeben ist.
