DE102017217530A1

DE102017217530A1 - Elektrisches Gerät zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz und Verfahren zur Fehlererkennung eines Bauteils des elektrischen Geräts

Info

Publication number: DE102017217530A1
Application number: DE102017217530.3A
Authority: DE
Inventors: Berthold Sedlmaier; Aime Mbuy; Christian Schüssel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2017-10-02
Filing date: 2017-10-02
Publication date: 2019-04-04
Also published as: WO2019068445A1; US20200317237A1; EP3662490A1; CN111164714A

Abstract

Um ein Elektrisches Gerät zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit einem fluiddichten Tank, der mit einem Isolierfluid befüllt und in dem ein abschnittsweise von einer Wicklung umschlossener Kern angeordnet ist, einer Kühleinheit, die mit dem Tank verbunden ist, und einer Pumpe zum Umwälzen des Isolierfluids des Tanks über die Kühleinheit zu schaffen, wobei die Schutzeinheit eine die frequenzaufgelösten Vibrationswerte mit Hilfe einer zuvor festgelegten Logik auf das Vorliegen eines Fehlerkriteriums hin untersucht und bei Feststellung eines Fehlerkriteriums zum Erzeugen eines Warnsignals eingerichtet ist., wird vorgeschlagen, dass ein Messsensor zum Erfassen der Vibrationen der Pumpe unter Bereitstellung von zeitaufgelösten Vibrationsmesswerten und einer mit dem Messsensor verbundenen Schutzeinheit, die zum Empfangen und zum Umwandeln der zeitaufgelösten Vibrationsmesswerte in frequenzaufgelöste Vibrationswerte eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit einem fluiddichten Tank, der mit einem Isolierfluid befüllt und in dem ein abschnittsweise von einer Wicklung umschlossener Kern angeordnet ist, einer Kühleinheit, die mit dem Tank verbunden ist, und einer Pumpe zum Umwälzen des Isolierfluids des Tanks über die Kühleinheit.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überwachen eines Bauteils.
Ein solches elektrisches Gerät ist dem Fachmann aus der ständigen Praxis bekannt. So sind beispielsweise Transformatoren zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz vorgesehen. Ein Transformator verfügt, wenn er für hohe Leistungen ausgelegt ist, über einen fluiddichten Tank, der mit einem Isolierfluid befüllt ist. Innerhalb des Tanks ist ein Aktivteil angeordnet, das aus einem Kern und Wicklungen besteht, die jeweils einen Schenkel des Kerns umschließen. Das Isolierfluid ist beispielsweise ein mineralisches Öl und dient zur Isolierung des Aktivteils, das bei Betrieb auf einem Hochspannungspotential liegt. Darüber hinaus dient das Isolierfluid der Kühlung des Aktivteils. Hierzu wird das Isolierfluid von einer Pumpe über eine Kühleinheit umgewälzt, die über Rohrleitungen mit dem Tank verbunden ist.
Im Laufe der Betriebszeit ist die Pumpe einem Verschleißprozess ausgesetzt. Schäden können insbesondere beim Kugellager der Pumpe auftreten. Bei Ausfall der Pumpe fällt die Kühlung des Transformators ebenso aus. Der Transformator muss daher abgeschaltet werden, so dass die Energieversorgung für die dem Transformator nachgeschalteten Verbraucher unterbrochen ist. Dies ist jedoch im höchsten Maße unerwünscht.
Um einen solchen Ausfall des elektrischen Geräts zu vermeiden, wird derzeit die Pumpe in zuvor festgelegten Wartungszyklen ausgetauscht. Insbesondere bei einem Bahntransformator sind definierte Wartungszyklen vorgeschrieben, in denen die verschiedenen Komponenten des Zugs im Depot des Bahnbetreibers gleichzeitig gewartet und ggf. ausgetauscht werden. Der Austausch der Pumpe erfolgt damit zwar vor dem Ende der vom Hersteller angegebenen maximalen Lebensdauer, jedoch nicht in Abhängigkeit des tatsächlichen Zustands der jeweiligen Pumpe. Während des Betriebs der Pumpe erfolgt bislang keine Überprüfung dahin, in welchem Zustand sich die Pumpe tatsächlich befindet und wie lange ihre Lebensdauer noch sein könnte.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrisches Gerät und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen ein unnötiger Austausch einer Pumpe vermieden wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten elektrischen Gerät durch einen Messsensor zum Erfassen der Vibrationen der Pumpe unter Bereitstellung von zeitaufgelösten Vibrationsmesswerten und eine mit dem Messsensor verbundenen Schutzeinheit, die zum Empfangen und zum Umwandeln der zeitaufgelösten Vibrationsmesswerte in frequenzaufgelöste Vibrationswerte eingerichtet ist, wobei die Schutzeinheit die frequenzaufgelösten Vibrationswerte mit Hilfe einer zuvor festgelegten Logik auf das Vorliegen eines Fehlerkriteriums hin untersucht und bei Feststellung eines Fehlerkriteriums zum Erzeugen eines Warnsignals eingerichtet ist.
Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren löst die Erfindung diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem Vibrationen des zu überwachenden Bauteils unter Gewinnung von zeitaufgelösten Vibrationsmesswerten erfasst und an eine Schutzeinheit des elektrischen Geräts übertragen werden, die Schutzeinheit die zeitaufgelösten Vibrationsmesswerte in frequenzaufgelöste Vibrationswerte umwandelt und mit Hilfe einer Logik die frequenzaufgelösten Vibrationswerte auf das Vorliegen eines Fehlerkriteriums hin untersucht werden, wobei die Schutzeinheit bei Vorliegen eines Fehlerkriteriums ein Warnsignal auslöst.
Erfindungsgemäß werden die Vibrationen einer Pumpe oder eines anderen Bauteils eines elektrischen Geräts durch einen Messsensor erfasst, der ausgangsseitig zeitaufgelöste Messsignale bereitstellt. Diese zeitaufgelösten Messsignale werden in frequenzaufgelöste Messsignale umgewandelt. Dies erfolgt beispielsweise durch eine dem Fachmann bekannte FourierTransformation. Die sich auf diese Weise ergebenden Vibrationsspektren stellen einen sogenannten Fingerprint der Pumpe oder des Bauteils dar, aus welchem der jeweilige Status der Pumpe abgeleitet werden kann.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Schutzeinheit verfügt über eine Logik, anhand derer festgestellt werden kann, ob ein Fehler vorliegt. Die Logik der Schutzeinheit verfügt beispielsweise über Kenntnisse der Frequenzen sowohl hinsichtlich ihrer Lage als auch hinsichtlich ihrer Intensitäten, die sich bei einer fehlerfreien Pumpe ergeben. Entspricht das gemessene Spektrum dem vorbekannten Spektrum zumindest innerhalb vordefinierter Toleranzwerte, geht die Schutzeinheit davon aus, dass eine Reparatur oder ggf. ein Austausch der Pumpe unnötig ist. Treten jedoch beispielsweise zusätzliche Frequenzen auf oder ändert sich die Identität der Vibrationen gegenüber dem fehlerfreien Zustand der Pumpe, schließt die Logik auf das Vorliegen eines Fehlers. Sie kann darüber hinaus angeben, um welche Art von Fehlern es sich handelt. Die Logik verfügt beispielsweise über ein Softwaremodul, das auf eine Speichereinheit zugreift, auf der Vergleichsdaten in Gestalt von vorbekannten Vibrationsspektren oder dergleichen abgelegt sind.
Erfindungsgemäß benötigt der Messsensor ein nur geringes Volumen, so dass er auch bei Anwendungen mit begrenztem Bauraum verwendet werden kann. Der Messsensor kann die Vibrationen im Rahmen der Erfindung grundsätzlich beliebig erfassen. So ist beispielsweise auch ein einfaches Mikrofon im Rahmen der Erfindung ausreichend, um die Vibrationen in diesem Fall über Schallwellen zu messen.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Messsensor jedoch direkt mit der Schutzeinheit verbunden und zum Erfassen von Körperschall eingerichtet. Dies ermöglicht einen noch kompakteren Aufbau. Darüber hinaus werden die Vibrationen des Bauteils direkt - also ohne Zwischenschaltung einer Luftschicht - erfasst. Dies erhöht die Genauigkeit der Messung. Darüber hinaus ist es möglich, kompakte Sensoren einzusetzen, die auf kleinstem Raum die notwendige Messgenauigkeit bereitstellen.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist der Messsensor ein Beschleunigungssensor, der an der Pumpe befestigt ist. Beispielsweise ist der Messsensor an einem Außengehäuse der Pumpe oder des Bauteils adhäsiv befestigt. Auch können mehrere Messsensoren oder Beschleunigungssensoren an unterschiedlichen Stellen an der Pumpe oder des Bauteils eingesetzt werden.
Gemäß einer Weiterentwicklung dieser Variante ist der Messsensor ein Piezoelement. Piezoelemente sind besonders kompakt und kostengünstig am Markt erhältlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das elektrische Gerät ein Bahntransformator. Bahntransformatoren werden bei Schienenfahrzeugen zur Umwandlung der vom Fahrdraht bereitgestellten Versorgungsspannung eingesetzt. Aufgrund eines begrenzten Bauraums müssen Bahntransformatoren möglichst kompakt ausgebildet sein. Darüber hinaus sind Bahntransformatoren möglichst leicht auszuführen, um dem Schienenfahrzeug nicht mehr Gewicht als nötig aufzubürden.
Im Rahmen der Erfindung kann der Bahntransformator durch einen Messsensor ergänzt werden, ohne dass der Bahntransformator dadurch die zulässige Baugröße oder ein Maximalgewicht überschreitet. Der erfindungsgemäße Messsensor ist klein und kann direkt an der Pumpe oder einem anderen Bauteil des Bahntransformators angebracht werden.
Bei einer Variante des Verfahrens werden die zeitaufgelösten Vibrationsmesswerte oder die frequenzaufgelösten Vibrationswerte über eine kabellose Verbindung an einen Cloud-Server übertragen, wobei der Cloud-Server zusätzlich zur Schutzeinheit mit Hilfe einer vorbekannten Logik die empfangenen Daten auf das Vorliegen eines Federkriteriums hin überprüft und bei Vorliegen eines Fehlerkriteriums ein Cloud-Warnsignal erzeugt. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung wird eine parallele Berechnung in einer sogenannten Cloud, also einem Server, der über eine kabellose Verbindung mit den entsprechenden Messdaten versorgt wird, durchgeführt. In der Regel wird der Cloud-Server mit der auf ihn abgelegten Logik zum gleichen Ergebnis kommen, wie die Schutzeinheit des elektrischen Geräts. Insbesondere bei Fehlern, die kein schnelles Abschalten der Pumpe oder des Bauteils erforderlich machen, kann daher auf das Eintreffen des Cloud-Ergebnisses gewartet werden. Hierzu wartet die Schutzeinheit auf den Empfang eines Warnsignals vom Cloudserver, bevor ein Warnsignal abgesetzt wird. Die doppelte Prüfung erhöht die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vorteilhafterweise werden die frequenzaufgelösten Vibrationswerte auf das Vorliegen mehrerer Fehlerkriterien hin untersucht, die jeweils einer bestimmten Gefahrenstufe zugeordnet sind. Wie bereits ausgeführt wurde, stellen die erhaltenen frequenzaufgelösten Spektren einen sogenannten Fingerprint der jeweiligen Pumpe dar. Ist beispielsweise eine Kugel des Kugellagers der Pumpe beschädigt, weist dieser Fehler einen charakteristischen Fingerprint auf. Beispielsweise entstehen zusätzliche Frequenzen. Andere Frequenzen weisen z.B. eine erhöhte Intensität auf. Die jeweilige Logik prüft daher, ob das durch die Messung erhaltene Spektrum einem Spektrum ähnelt, dem ein vorbekannter Fehler zugrundeliegt. Dieser Fehler ist einer bestimmten Gefahrenkategorie zugeordnet. Ist beispielsweise der Fehler ein leichter Fehler, der den Betrieb der Pumpe nicht so beeinträchtigt, dass sie sofort abgeschaltet werden muss, wird eine Fehlerkategorie zugeordnet, die ein Warnsignal erzeugt, das bei einer Anzeigeeinheit, die beispielsweise am Transformator, am elektrischen Gerät oder einem Bahnfahrzeug befestigt ist, ein gelbes Lichtsignal erzeugt. Liegt jedoch ein ernsthafter Fehler vor, der beispielsweise in den nächsten Stunden oder Tagen zum Ausfall der Pumpe oder des Bauteils führen sollte, dann wird ein Warnsignal erzeugt, das beim Anzeigeelement ein rotes Licht auslöst. Das Personal kann somit anhand des angezeigten Signals auf die Ernsthaftigkeit des Fehlers schließen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Warnsignal an eine Anzeigeeinheit übertragen, die zur optischen Darstellung des jeweiligen Fehlers eingerichtet ist.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichlautende Bauteile verweisen und wobei

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts,
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 charakteristische Vibrationsspektren verdeutlichen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen elektrischen Gerät erhalten werden.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Bahntransformator 1 ausgeführt ist. Der Bahntransformator 1 verfügt über einen Tank 2, der fluiddicht ausgestaltet ist und in dem ein in der Figur nicht sichtbares Aktivteil angeordnet ist. Das Aktivteil verfügt über einen Kern mit einem Schenkel, der von zwei konzentrisch zueinander angeordneten Wicklungen umschlossen ist. Die radial außenliegende Oberspannungswicklung ist elektrisch mit Eingangsdurchführungen 3 verbunden, während die innenliegende Wicklung an zwei Ausgangsdurchführungen 4 angeschlossen ist. Zur Isolation des beim Betrieb des Transformators 1 auf einem Hochspannungspotential liegenden Aktivteils gegenüber dem auf Erdpotential liegenden Tank 2 ist der Tank 2 mit einem Isolierfluid - hier einer Isolierflüssigkeit, wie Esteröl- befüllt. Zur Kühlung dient eine Kühleinheit 5, die über Rohrleitungen 6 und 7 mit dem Tank 2 verbunden ist. Eine Pumpe 8 dient zum Umwälzen des Isolierfluids über die Kühleinheit 5.
Zur Überwachung des Zustands der Pumpe 8 ist diese mit einem Messsensor 9 ausgerüstet, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Piezoelement ausgeführt ist. Das Piezoelement 9 ist direkt auf das Gehäuse der Pumpe 8 aufgeklebt und zum Erfassen des Körperschalls der Pumpe 8 eingerichtet. Über eine nicht gezeigte Signalleitung ist das Piezoelement 9 ausgangsseitig mit einer Schutzeinheit 10 verbunden, die mit einem Anzeigeelement 11 in Gestalt einer gelben und roten Leuchteinheit ausgerüstet ist.
Dabei stellt das Piezoelement 9 ausgangsseitig zeitaufgelöste Vibrationsmesswerte bereit, die an die Schutzeinheit 10 übertragen werden. Die Schutzeinheit 10 führt eine FourierTransformation der empfangenen Daten durch, wobei frequenzausgelöste Vibrationswerte erzeugt werden. Die Darstellung der Intensität der Vibrationen in Abhängigkeit ihrer Frequenzen wird hier als Vibrationsspektrum bezeichnet. Das erfasste Vibrationsspektrum ist von dem jeweiligen Zustand der Pumpe 8 abhängig. Mit anderen Worten hat jeder Zustand der Pumpe 8 einen sogenannten Fingerprint in Gestalt eines charakteristischen Vibrationsspektrums im Gefolge. Eine in der Schutzeinheit abgelegte Logik, beispielsweise eine Software, hat Zugriff auf einen Datenbereich, in dem Spektren von Pumpen mit vorbekannten Fehlern abgelegt sind. Die Logik vergleicht das gemessene Vibrationsspektrum mit den vorbekannten Spektren. Stimmt das gemessene Spektrum mit dem zuvor festgelegten Vergleichsspektrum überein, wird auf einen diesem Vergleichsspektrum zugrundeliegenden Zustand der Pumpe 8 geschlossen. Bei dem Vergleich werden übliche Toleranzen zur Anwendung gebracht.
2 zeigt einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere ist in einem ersten Schritt eine Messwerterfassung 11 durch den Messsensor 9 verdeutlicht. Anschließend wird in einem Schritt 13 ein Bandpassfilter eingesetzt, der Vibrationen, die von einer fehlerfreien Pumpe 8 erzeugt werden, herausgefiltert. Im Arbeitsschritt 14 werden die gemessenen Vibrationsspektren mit Hilfe der zuvor erwähnten Logik auf das Vorliegen eines Fehlerkriteriums hin überwacht, wobei dem Fehler eine Gefahrenstufe zugeordnet wird. Bei einem weniger schwerwiegenden Fehler, der einen sofortigen Austausch noch nicht erforderlich macht, wird ein entsprechendes Warnsignal 15 erzeugt, das bei der Anzeige 11 das Leuchten einer gelben Leuchteinheit 16 auslöst. Bei einem schwerwiegenden Fehler wird ein Warnsignal 17 erzeugt, das ein rotes Signallicht 18 erzeugt, woraufhin der Zugführer oder das Wartungspersonal den sofortigen Austausch der Pumpe herbeiführen kann.
3 zeigt typische Vibrationsspektren, wobei auf der jeweiligen X-Achse die Frequenz in kHz und auf der jeweiligen Y-Achse die Intensität in willkürlichen Einheiten, auf Englisch arbitrary units (a.u.), abgetragen sind. In dem oben links dargestellten Diagramm der 3 ist ein Vibrationsspektrum einer fehlerfreien Pumpe gezeigt. Mit der gestrichelten Linie 19 ist die Wirkungslinie des Bandpassfilters verdeutlicht, welcher die kleineren Frequenzen für die nachfolgende Auswerteeinheit unterdrückt. Im Diagramm oben rechts ist ein Vibrationsspektrum dargestellt, das einer Pumpe mit fehlerhaften Kugeln ihres Lagers entspricht. Daher sind im Vergleich mit dem Spektrum oben links zusätzliche Schwingungen rechts von der genannten Kennlinie erkennbar.
Das unten links dargestellte Vibrationsspektrum entspricht einem Fehler des inneren Lagerkranzes, wobei das unten rechts dargestellte Vibrationsspektrum einem Fehler des äußeren Lagerkranzes entspricht. Den beiden unten dargestellten Spektren ist eine höhere Gefahrenstufe zugeordnet als einem Fehler, der zu dem Spektrum oben rechts führt.

Claims

Elektrisches Gerät (1) zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit - einem fluiddichten Tank (2), der mit einem Isolierfluid befüllt und in dem ein abschnittsweise von einer Wicklung umschlossener Kern angeordnet ist, - einer Kühleinheit (5), die mit dem Tank (2) verbunden ist, und - einer Pumpe (8) zum Umwälzen des Isolierfluids des Tanks (2) über die Kühleinheit (5), gekennzeichnet durch, einen Messsensor (9) zum Erfassen der Vibrationen der Pumpe (8) unter Bereitstellung von zeitaufgelösten Vibrationsmesswerten und eine mit dem Messsensor (9) verbundene Schutzeinheit (10), die zum Empfangen und zum Umwandeln der zeitaufgelösten Vibrationsmesswerte in frequenzaufgelöste Vibrationswerte eingerichtet ist, wobei die Schutzeinheit (10) die frequenzaufgelösten Vibrationswerte mit Hilfe einer zuvor festgelegten Logik auf das Vorliegen eines Fehlerkriteriums hin untersucht und bei Feststellung eines Fehlerkriteriums zum Erzeugen eines Warnsignals eingerichtet ist.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, eine Anzeigeeinheit, die mit der Schutzeinheit (10) verbunden ist.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1 oder , dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor ein Beschleunigungssensor (9) ist, der an der Pumpe (8) befestigt ist.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor ein Piezoelement (9) ist.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Gerät ein Bahntransformator ist.
Verfahren zum Erkennen eines Fehlers eines Bauteils (9) eines elektrischen Geräts (1), bei dem Vibrationen des zu überwachenden Bauteils (8) unter Gewinnung von zeitaufgelösten Vibrationsmesswerten erfasst und an eine Schutzeinheit (10) des elektrischen Geräts (1) übertragen werden, die Schutzeinheit (10) die zeitaufgelösten Vibrationsmesswerte in frequenzaufgelöste Vibrationswerte umwandelt und mit Hilfe einer Logik die frequenzaufgelösten Vibrationswerte auf das Vorliegen eines Fehlerkriteriums hin untersucht werden, wobei die Schutzeinheit (10) bei Vorliegen eines Fehlerkriteriums ein Warnsignal auslöst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitaufgelösten Vibrationsmesswerte oder die frequenzaufgelösten Vibrationswerte über eine kabellose Verbindung an einen Cloud-Server übertragen werden, wobei der Cloud-Server zusätzlich zur Auswerteeinheit mit Hilfe einer vorbekannten Logik die empfangenen Daten auf das Vorliegen eines Fehlerkriteriums hin überprüft und bei Vorliegen eines Fehlerkriteriums ein Cloud-Warnsignal erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Cloud-Warnsignal zurück an die Schutzeinheit (10) gesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzaufgelösten Vibrationswerte auf das Vorliegen mehrerer Fehlerkriterien hin untersucht werden, die jeweils einer bestimmten Gefahrenstufe zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Warnsignal an eine Anzeigeeinheit (11) übertragen wird, die zur optischen Darstellung des jeweiligen Fehlers eingerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzaufgelösten Vibrationswerte durch eine Filtereinheit gefiltert werden, in dem diese Vibrationswerte vorbestimmter Frequenzbereiche unterdrückt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Pumpe (8) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Gerät ein Bahntransformator (1) ist.