DE102018216475A1

DE102018216475A1 - Hochspannungs-Schaltanlage mit Sensor-Array und Verfahren zur Verwendung der Sensoren

Info

Publication number: DE102018216475A1
Application number: DE102018216475.4A
Authority: DE
Inventors: Radu-Marian Cernat; Thomas Chyla; Oliver Dohnke; Stefan Giere; Rudolf Groth; Prosper Hartig; Stefan Lecheler; Jörg Teichmann; Claudia Wiesinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-03-26
Also published as: WO2020064300A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Schaltanlage (1) mit wenigstens einem Gehäuse und mit wenigstens einem elektrischen Kontakt (3), wobei der Kontakt (3) wenigstens zwei Kontaktstücke (4, 5) umfasst. Die Hochspannungs-Schaltanlage (1) umfasst mehrere Sensoren (7, 8, 9), welche in Form eines Arrays angeordnet sind. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung von Sensoren (7, 8, 9) in Hochspannungs-Schaltanlagen (1) umfasst, dass die Sensoren (7, 8, 9) in einem Array angeordnet werden, innerhalb und/oder außerhalb eines Gehäuses (2), und Sensoren (7, 8, 9) gleichzeitig und/oder nacheinander ausgelesen werden, kontinuierlich und/oder in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen, insbesondere vorbestimmten zeitlichen Abständen, und/oder die ausgelesenen Messwerte in wenigstens einer Auswertungseinheit und/oder Speichereinheit und/oder Datenübermittlungseinheit ausgewertet werden, insbesondere mit vorbestimmten Werten verglichen werden, und/oder gespeichert werden, und/oder übermittelt werden, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln der Hochspannungs-Schaltanlage (1) manuell und/oder automatisch.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Schaltanlage und ein Verfahren zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schaltanlagen, wobei die Hochspannungs-Schaltanlage wenigstens ein Gehäuse und wenigstens einen elektrischen Kontakt umfasst, wobei der Kontakt wenigstens zwei Kontaktstücke umfasst.
Hochspannungs-Schaltanlagen umfassen z. B. Hochspannungs-Leistungsschalter, Ableiter, Erder und/oder Trenner. Die Hochspannungs-Schaltanlagen sind ausgelegt, Spannungen im Bereich von bis zu 1200 kV und Ströme im Bereich von bis zu einigen hundert Ampere zu schalten. Ein Hochspannungs-Leistungsschalter, wie z. B. in Hochspannungs-Schaltanlagen eingesetzt, ist aus der EP 0 024 252 A1 bekannt. Der Hochspannungs-Leistungsschalter weist einen elektrischen Kontakt mit einem festen und einem beweglichen Kontaktstück auf, welche in einem Gehäuse, insbesondere einem Isolatorgehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse ist mit einem Schaltgas, insbesondere SF₆ und/oder Clean Air befüllt. Als Kontakt kann z. B. ein Nennstrom-Kontakt, mit zwei Nennstrom-Kontaktstücken, und zusätzlich ein Lichtbogen-Kontakt, mit zwei Lichtbogen-Kontaktstücken, verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens eine Vakuumröhre verwendet werden, welche im Gehäuse z. B. mit Clean Air befüllt, angeordnet ist. Ein Schaltwiderstand kann zur Dämpfung eines Ein- und/oder Ausschaltstroms verwendet werden, insbesondere in Verbindung mit nur einem Kontakt, einem Nennstrom-Kontakt.
Hochspannungs-Schaltanlagen sind über eine Dauer von Jahrzehnten im Einsatz und müssen über die gesamte Betriebszeit hinweg fehlerfrei arbeiten. Dabei werden die Hochspannungs-Schaltanlagen in regelmäßigen zeitlichen Abständen inspiziert und gewartet. Dazu ist Personal notwendig, welches mit Zeit- und Kostenaufwand den Service durchführt. Unvorhergesehene Fehler an einer Hochspannungs-Schaltanlage können zu Netzausfällen führen, welche mit hohen Folgeschäden und Kosten verbunden sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochspannungs-Schaltanlage und ein Verfahren zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schaltanlagen anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme lösen. Insbesondere ist es Aufgabe, einfach und kostengünstig eine Hochspannungs-Schaltanlage zu monitoren, um Service-Intervalle verlängern zu können und/oder eine Fehlersuche zu vereinfachen, und insbesondere einen Service durch Personal bei normalen, fehlerfreien Betrieb einsparen zu können.
Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochspannungs-Schaltanlage mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und/oder durch ein Verfahren zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schaltanlagen, insbesondere unter Verwendung der zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltanlage, gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hochspannungs-Schaltanlage und/oder des Verfahrens zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schaltanlagen, insbesondere unter Verwendung der zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltanlage, sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände der Hauptansprüche untereinander und mit Merkmalen von Unteransprüchen sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar.
Eine erfindungsgemäße Hochspannungs-Schaltanlage umfasst wenigstens ein Gehäuse und wenigstens einen elektrischen Kontakt, wobei der Kontakt wenigstens zwei Kontaktstücke umfasst. Die Hochspannungs-Schaltanlage umfasst des Weiteren mehrere Sensoren, welche in Form eines Arrays angeordnet sind.
Durch die Anordnung von mehreren bis hin zu einer Vielzahl an Sensoren im Array kann eine Hochspannungs-Schaltanlage nicht nur punktuell, sondern vollständig gemonitort bzw. überwacht werden. Insbesondere ist eine Überwachung der Hochspannungs-Schaltanlage im Dauerbetrieb möglich, ohne häufige Serviceintervalle durch Personal. Dadurch können Kosten und Aufwand eingespart werden. Im Stand der Technik verwendete Messeinrichtungen, z. B. mechanische Druckmesser, müssen manuell abgelesen werden und ergeben keine räumlich aufgelösten Daten, insbesondere Langzeitdaten, welche bei der Konstruktion und Wartung von Hochspannungs-Schaltanlagen verwendet werden können. Ein Online-Monitoring ist mit mechanischen Messeinrichtungen allein nicht möglich.
Einzelne Sensoren ergeben keine räumlich und zeitlich aufgelösten Informationen über Zustandsgrößen wie z. B. Druck, Temperatur, Beschleunigung und/oder Lage von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage, insbesondere im Dauerbetrieb über Jahre hinweg, kontinuierlich. Mit Hilfe von Sensoren, angeordnet in Array-Form, können hingegen nicht nur einzelne Größen zu einem Zeitpunkt manuell abgelesen werden, sondern zusätzliche Informationen gewonnen werden wie z. B. zeitliche Änderungen von Strömungsverhältnissen und/oder Bewegungsprofile von Elementen der kinematischen Kette über die gesamte kinematische Kette hinweg, welche Aufschlüsse z. B. über Alterung, Reibungsverluständerungen mit der Zeit, Bruch und Verschleiß von Elementen ermöglichen. Dadurch wird eine mögliche Fehlersuche erleichtert und ein Online-Monitoring ermöglicht. Mit den Daten können Hochspannungs-Schaltanlagen weiterentwickelt werden und über Digital-Twins Simulationen zu deren Verhalten im Betrieb durchgeführt, und Fehler vorhergesagt werden.
Eine Kombination unterschiedlicher Sensoren ergibt ein vollständiges Bild des Zustands einer Hochspannungs-Schaltanlage insbesondere zu jedem Zeitpunkt, und ermöglicht in der Kombination eine bessere Diagnose und Prognose. Z. B. Druck- und Temperatur Sensoren, in einem oder in getrennten Arrays angeordnet, ermöglichen in der Kombination nicht nur räumlich und zeitlich aufgelöst Gas-Strömungen, insbesondere beim Schalten, zu bestimmen, sondern helfen über die Temperaturverteilung in der Gasströmung Ursachen und Folgen der Strömung zu berechnen. In Kombination mit Beschleunigungssensoren sind z. B. Wirkungen der Strömung auf die kinematische Kette untersuchbar, z. B. durch Ausdehnung- und/oder Kontraktion von Elementen bei Temperaturänderungen. Über Daten eines Beschleunigungssensor-Arrays können z. B. Reibungsverluste in der kinematische Kette untersucht werden, und insbesondere Alterungseffekte und/oder der Verbrauch von Schmiermitteln identifiziert werden.
Eine Kombination mit Wetterdaten, z. B. Strahlungseinwirkung, Temperatur, und/oder Luftdruck, können z. B. Alterungsprozesse und/oder Strömungen im Gehäuse genauer bestimmt werden. Daten können unterschiedlichen Nutzen ergeben. Z. B. können Beschleunigungssensoren gleichzeitig zu Aufschlüssen über Schalthäufigkeit, Schaltgeschwindigkeit, Reibungsverluste, Erschütterungen bei Wartung, Sabotage und/oder Erdbeben führen. Mit einer Vielzahl von Hochspannungs-Schaltanlagen mit Sensor-Arrays sind Aussagen über die Ausbreitung und die Folgen von z. B. Erdbeben möglich, und ein Abschalten und/oder Wiederhochfahren des Stromnetzes nach einem Erdbeben spezifisch und schnell möglich.
Die Hochspannungs-Schaltanlage kann einen Hochspannungs-Leistungsschalter umfassen, insbesondere einen Freiluft-Hochspannungs-Leistungsschalter. Der wenigstens eine Kontakt kann einen Nennstrom-Kontakt umfassen, mit wenigstens zwei Nennstrom-Kontaktstücken, insbesondere einem beweglichen und einem festen Nennstrom-Kontaktstück, und einen Lichtbogen-Kontakt umfassen, mit wenigstens zwei Lichtbogen-Kontaktstücken, insbesondere einem beweglichen und einem festen Lichtbogen-Kontaktstück. Eine Isolierdüse kann umfasst sein. Das Gehäuse kann ein Isolator sein, insbesondere ein gerippter Isolator aus einem Verbundwerkstoff, Keramik und/oder Silikon. Das Gehäuse kann mit Isoliergas befüllt sein, insbesondere mit Clean Air und/oder SF₆. Sensoren in einem oder mehreren Arrays an den Kontaktstücken, insbesondere an den beweglichen Kontaktstücken, und/oder der Isolierdüse, und/oder dem Gehäuse innen ermöglichen z. B. Gas-Strömungen des Isoliergases zu analysieren, insbesondere räumlich und zeitlich aufgelöst, thermische Belastungen aufzuklären, insbesondere während des Schaltens, Schalthäufigkeit und Schaltgeschwindigkeit für einzelne Komponenten spezifisch zu untersuchen und eine Diagnose des Schalters z. B. bezüglich Alterung, Verschleiß und Ausfall von Elementen, Vorhersage von Ausfällen und zur Weiterentwicklung zu ermöglichen.
Eine Vakuumröhre kann umfasst sein, in welcher wenigstens ein Kontakt angeordnet ist, insbesondere mit wenigstens zwei tellerförmigen Kontaktstücken, wobei die Vakuumröhre insbesondere im Gehäuse, insbesondere einem gerippten Isolator aus einem Verbundwerkstoff, Keramik und/oder Silikon, angeordnet ist. Das Gehäuse kann mit Isoliergas befüllt sein, insbesondere mit Clean Air und/oder SF₆. Sensoren in der Vakuumröhre können Aufschluss über die Qualität des Vakuums geben und Hinweise auf eventuelle Leckstellen, sowie über die Anordnung im Array können Sensoren eine räumliche Lokalisierung eines möglichen Lecks ergeben. Wie zuvor beschrieben sind weitere Informationen mit Sensoren im und/oder am Gehäuse zu gewinnen, z. B. bezüglich Schalthäufigkeit, und dem Zustand sowie dem Zusammenwirken von Elementen der kinematischen Kette. Informationen bezüglich Dichtigkeit des mit Isolier- bzw. Schaltgas befüllten Gehäuses, sowie eine räumliche Identifikation von Leckstellen sind möglich. In Hinblick auf die Klimaschädlichkeit von Isoliergasen wie z. B. SF₆ ist eine zeitnahe Identifikation und Behebung von Leckstellen wichtig.
Die Sensoren im Gehäuse können angeordnet sein, insbesondere an der Gehäuseinnenwand und/oder an Elementen einer kinematischen Kette und/oder an Kontaktstücken, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Die Sensoren können alternativ oder zusätzlich außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, insbesondere an der Außenwand des Gehäuses und/oder an einem Träger des Gehäuses, und/oder an Vorrichtungen der Hochspannungs-Schaltanlage, insbesondere einem Ableiter, einem Trenner und/oder einem Erder. Z. B. Wettersensoren, Erschütterungs-sensoren und/oder Neigungssensoren an der Außenwand des Gehäuses können Informationen z. B. bezüglich Windlast, Strahlungs- und Temperatureinflüssen, Alterung, und/oder Erdbeben ergeben, und bei Überschreiten von vordefinierten Werten oder gemessenen Schäden an der Hochspannungs-Schaltanlage eine zeitnahe Steuerung und/oder Regelung ermöglichen, z. B. ein Abschalten, oder eine Wartung durch Personal auslösen. Service Intervalle können verlängert werden, da ein Service ohne belastende Faktoren und/oder Schäden eingespart werden kann.
Das Sensor-Array kann Temperatur- und/oder Drucksensoren umfassen, welche insbesondere ausgebildet sind, Gas-Strömungen räumlich und zeitlich aufgelöst zu messen und/oder thermische Belastungen zu bestimmen, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Langzeitmessungen ermöglichen die Optimierung von Hochspannungs-Schaltanlagen bzw. Schaltern, und kurzzeitige Messungen können z. B. verwendet werden, um die Performance der Hochspannungs-Schaltanlage zu verbessern. So können Temperaturwerte z. B. genutzt werden, um kurzzeitig höhere Strom-/Spannungswerte zu ermöglichen, und bei Erreichen kritischer Werte z. B. der Temperatur den Strom bzw. die Spannung zu reduzieren. Dies ermöglicht die Hochspannungs-Schaltanlage mit geringerem Puffer zu betreiben bzw. für den Lastfall besser auszunutzen, was Kosten spart. Temperaturwerte, insbesondere im Schalter räumlich aufgelöst gemessen z. B. in Verbindung mit Außentemperaturwerten, können weiterhin Rückschlüsse auf Schaltleistungen ergeben, da eine hohe Schaltleistung zu einer spezifischen Erwärmung von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage führt. Darüber hinaus sind Rückschlüsse auf Schalthäufigkeit, Schaltintervalle und zu schaltender Leistung möglich. Temperatur- und Druckwerte über lange Zeiträume hinweg gemessen, ermöglichen die Vorhersage von Materialalterungsgrad, Verschleißgrad und die Notwendigkeit des Austauschs von Komponenten bzw. Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage.
Das Sensor-Array kann GPS-, Neigungs-, Beschleunigungs- und/oder Erschütterungs-Sensoren umfassen, welche insbesondere ausgebildet sind Reibungsverluste in der kinematischen Kette, den Schaltzustand und/oder die Schalthäufigkeit, Fehlfunktionen, insbesondere Bruch, Wind- und/oder Eislast, Aufstellungsort, Transport, Servicetätigkeit, Sabotage, und/oder Erdbeben zu bestimmen. Transportbelastungen lassen sich bestimmen und bei Überschreiten von Grenzwerten eine Überprüfung auf Schäden einleiten. Insbesondere in Verbindung mit Druckdaten kann eine Aufstellung von Schaltern in z. B. nicht zugelassener Umgebung, insbesondere Höhe, verhindert werden, indem der Schalter insbesondere automatisch eine Inbetriebnahme verhindert. Schäden durch Umwelteinflüsse, z. B. Sturm, Erdbeben, und/oder Frost mit insbesondere Eisbildung können gemessen, prognostiziert und/oder zeitnah behoben werden. Dadurch sind Netzausfälle minimierbar und Schäden im Netz vermeidbar. Eine Selbstdiagnose des Schalters ermöglicht nach Abschaltung z. B. nach Erdbeben, abhängig der lokal aufgetretenen Belastungen, eine schnelle Wiederinbetriebnahme der Hochspannungs-Schaltanlage.
Das Sensor-Array kann Optische Sensoren, insbesondere Farbsensoren, Wärmebildsensoren und/oder Kameras umfassen, welche insbesondere ausgebildet sind Gas-Strömungen räumlich und zeitlich aufgelöst zu messen und/oder mechanische sowie thermische Belastungen, Alterung, Lichtbögen, und/oder Fehlfunktion zu bestimmen, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Farbmarker in Verbindung mit Farbsensoren ermöglichen die Identifikation von räumlichen Verschiebungen von Elementen bzw. Teilen und der Änderung von Ausdehnungen. Bewegungen und Brüche sind dadurch identifizierbar, insbesondere nach Erdbeben oder Sturm. Farben können ebenfalls über den Grad der Alterung von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage Auskunft geben, und z. B. einen Austauschzeitpunkt bestimmen. Wärmebildsensoren können neben thermischen Belastungen Leckstellen in einem Gehäuse identifizieren helfen. Kameras in einem Array angeordnet ermöglichen ein vollständiges Bild über den Zustand einer Hochspannungs-Schaltanlage, und ermöglichen z. B. Sabotage zu identifizieren oder Wartungsaktionen zu unterstützen, z. B. über online Fernberatung bzw. Fernwartung.
Das Sensor-Array kann Gas-, spezifische Druck- und/oder Feuchtigkeits-Sensoren umfassen, welche insbesondere ausgebildet sind Gaszusammensetzungen, spezifische Gas-Strömungen von z. B. einzelnen Gaskomponenten und/oder Taupunktbestimmungen zu ermöglichen. Bei Verwendung von Clean Air kann über Feuchtigkeits-Sensoren die Gasqualität und/oder können Isoliereigenschaften bestimmt werden. Ein Austauschzeitpunkt von z. B. Isoliergas und/oder Trockenmitteln in der Hochspannungs-Schaltanlage kann über Gas- und/oder Feuchtigkeits-Sensoren bestimmt werden.
Das Sensor-Array kann Akustische Sensoren umfassen, welche insbesondere ausgebildet sind zur Diagnose von Schaltgeräuschen, Sabotage, Wartung und/oder Umweltparametern. Über die Anordnung der Sensoren im Array ist eine Lokalisierung des Ursprungsorts des akustischen Signals möglich. Die gemessene Frequenz kann Aufschluss über Ursachen von Fehlfunktionen, z. B. in der kinematischen Kette und deren Intensität geben. Brüche, z. B. am Gehäuse können registriert werden und Wetterbelastungen, z. B. bei Sturm auf unterschiedliche Elemente der Hochspannungs-Schaltanlage identifiziert werden. Verschleiß, z. B. durch erhöhte Reibung kann akustisch registriert werden. Abhängig der registrierten Töne kann eine Wartung ausgelöst werden.
Das Sensor-Array kann Hall-Sensoren und/oder Sensoren nach Art einer Induktionsspule umfassen, welche insbesondere ausgebildet sind elektromagnetische Felder räumlich aufgelöst zu messen. Die Daten können zur Bestimmung von Schaltleistungen sowie Schalthäufigkeit dienen, und zur Entwicklung der Schalter genutzt werden. So können Elemente des Schalters, z. B. Abschirmungen, optimiert werden und Umweltbelastungen, z. B. durch elektromagnetische Felder, bestimmt werden.
Das Sensor-Array kann Tilt-Sensoren und/oder mechanische Spannungssensoren, insbesondere Piezo-Sensoren, und/oder Torsions-Sensoren umfassen, welche insbesondere ausgebildet sind mechanische Belastungen von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage zu bestimmen. So können z. B. mechanische Spannungen im Gehäuse und/oder in Elementen der kinematischen Kette bestimmt werden, und bei Erreichen von Grenzwerten geeignete Entlastungsmaßnahmen und/oder ein Austausch der Elemente erfolgen. Neigungssensoren können zur Bestimmung von Umweltparametern insbesondere bei Wind und/oder Erdbeben genutzt werden, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Mechanische Brüche, z. B. des Gehäuses und/oder von insbesondere Wellen, Schaltstangen und/oder Getriebeteilen der kinematischen Kette, können verhindert werden, indem z. B. bei Auftreten von kritischen Werten die Hochspannungs-Schaltanlage außer Betrieb genommen wird. Torsions-Sensoren können Bewegungen in der kinematischen Kette bestimmen, Schaltvorgänge und/oder Fehler z. B. durch erhöhte Reibung identifizieren und neben anderen Sensordaten zur Optimierung von Hochspannungs-Schaltanlagen beitragen.
Eine Auswertungseinheit und/oder Speichereinheit und/oder Datenübermittlungseinheit können umfasst sein, welche ausgebildet sind Messergebnisse der Sensoren auszuwerten, insbesondere mit vorbestimmten Werten zu vergleichen, und/oder zu speichern, und/oder zu übermitteln, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln der Hochspannungs-Schaltanlage. Dadurch wird z. B. eine Fernwartung möglich, mit minimierten Wartungsintervallen vor Ort. Damit wird Zeit, Kosten und Aufwand für Personal eingespart. Bei Fehlern kann zeitnah in die Hochspannungs-Schaltanlage eingegriffen werden. Mit gespeicherten Daten, insbesondere Langzeitdaten, können Simulationen und Entwicklungen der Hochspannungs-Schaltanlage ermöglicht werden, und insbesondere ein digitaler Twin angelegt werden. Dadurch sind Aussagen über zukünftiges Schaltverhalten, Wartungsbedürfnisse und einen notwenigen Austausch von Teilen oder der ganzen Hochspannungs-Schaltanlage möglich. Bei Erreichen von kritischen Werten oder Messung von z. B. speziellen akustischen, optischen, Druck- und/oder Spannungs-Signalen, kann eine Wartung von einer Zentrale aus zeitnah ausgelöst werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schaltanlagen, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltanlage, umfasst, dass die Sensoren in einem Array angeordnet werden, innerhalb und/oder außerhalb eines Gehäuses, und Sensoren gleichzeitig und/oder nacheinander ausgelesen werden, kontinuierlich und/oder in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen, insbesondere vorbestimmten zeitlichen Abständen, und/oder die ausgelesenen Messwerte in wenigstens einer Auswertungseinheit und/oder Speichereinheit und/oder Datenübermittlungseinheit ausgewertet werden, insbesondere mit vorbestimmten Werten verglichen werden, und/oder gespeichert werden, und/oder übermittelt werden, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln der Hochspannungs-Schaltanlage manuell und/oder automatisch.
Räumlich und/oder zeitlich aufgelöst können Gradienten von physikalischen Größen gemessen werden, insbesondere Änderungen in Temperatur, Druck, Lage, insbesondere Abstand und/oder Neigung, Beschleunigung, Torsion, mechanischer Spannung, Stoffzusammensetzung, Farbe, elektromagnetischen Feldern und/oder elektrischem Widerstand, wobei Änderungen der räumlich aufgelöst gemessenen physikalischen Größen über die Zeit beobachtet Ergebnisse, insbesondere Schaltstellung, Schalthäufigkeit und -zeitpunkt, thermische Belastungen, Alterung, Reibungsverluste, Fehlfunktionen, Gas-Strömungen, Gaszusammensetzung, Materialänderungen, insbesondere Bruch, Klangbild, Schnee- und Eislast, Erdbeben, Servicetätigkeit, Sabotage, Aufstellungsortsänderungen und/oder Wettereinflüsse ergeben und zur Entwicklung, Wartung, Steuer- oder Regelung, und/oder Austauschzeitpunkt der Hochspannungs-Schaltanlage und/oder von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage verwendet werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schaltanlagen, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltanlage, gemäß Anspruch 14 sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Hochspannungs-Schaltanlage gemäß Anspruch 1 und umgekehrt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in der einzigen Figur dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Dabei zeigt die

Figur schematisch in Schnittansicht eine erfindungsgemäße Hochspannungs-Schaltanlage 1 von einer Seite betrachtet mit einem Sensor-Array.

In 1 ist schematisch in Schnittansicht eine erfindungsgemäße Hochspannungs-Schaltanlage von einer Seite betrachtet dargestellt. Beispielhaft ist ein Hochspannungs-Leistungsschalter als Hochspannungs-Schaltanlage 1 mit einem Kontakt 3 in einem Gehäuse 2 dargestellt. Der elektrische Kontakt 3 umfasst ein bewegliches 4 und ein festes 5 Kontaktstück, z. B. aus Kupfer, Graphit und/oder Stahl. Beim Einschalten des Hochspannungs-Leistungsschalters wird das bewegliche Kontaktstück 4 auf das feste Kontaktstück 5 zubewegt, bis ein mechanischer und elektrischer Kontakt besteht. Beim Ausschalten des Hochspannungs-Leistungsschalters wird das bewegliche Kontaktstück 4 von dem festen Kontaktstück 5 weg bewegt, bis der elektrische Kontakt geöffnet ist. Ein Antrieb 13, z. B. ein Motor und/oder Federspeicherantrieb, stellt die Bewegungsenergie zum Schalten bereit. Elemente der kinematischen Kette 12, z. B. Getriebeelemente und/oder eine Antriebsstange, übertragen die Antriebsbewegung vom Antrieb 13 auf das bewegliche Kontaktstück 4.
Der Kontakt 3 ist in einem Gehäuse 2 angeordnet. Das Gehäuse 2 ist z. B. ein gerippter Isolator aus einem Verbundwerkstoff, Keramik und/oder Silikon. Ein elektrischer Widerstand umfasst Widerstandsstapel 10 aus Widerstandsscheiben 11, welche jeweils um die Kontaktstücke 4, 5 angeordnet sind. Die Widerstandsscheiben 11 weisen jeweils eine Bohrung auf und die Kontaktstücke 4, 5 verlaufen durch die Bohrungen. Der Widerstand ist zur Dämpfung des Stroms beim Ein- und Ausschalten ausgebildet, um Lichtbögen beim Schalten zu unterdrücken. Das Gehäuse 2 ist mit einem Schalt- bzw. Isoliergas 6 befüllt, z. B. SF₆ und/oder Clean Air, um beim ausgeschalteten Zustand des Hochspannungs-Leistungsschalters eine gute elektrische Isolation zwischen den Kontaktstücken 4, 5 und über die Gehäuseinnenseite zu erhalten.
Beispielhaft ist in dem Hochspannungs-Leistungsschalter ein Sensor-Array mit Temperatur- und Drucksensoren 7, welche am Gehäuse 2 Innen angeordnet sind, dargestellt. Das Gehäuse 2 ist hohlzylinderförmig, und entlang des inneren Umfangs des Gehäuses 2 sind die Temperatur- und/oder Drucksensoren 7 befestigt, z. B. angeklebt. Die Sensoren 7 sind z. B. in regelmäßigen Abständen entlang der Längsachse des Gehäuses 2 und in regelmäßigen Abständen entlang des Umfangs angeordnet. Z. B. ist entlang des Umfangs jeweils alle 90 Grad ein Sensor 7 angeordnet. Alternativ können die Sensoren 7 auch in unregelmäßigen Abständen angeordnet sein, z. B. mit einer höheren Sensordichte im Bereich des Spalts zwischen den getrennten Kontaktstücken 4, 5, und/oder in höherer oder geringerer Sensordichte entlang des Umfangs. Sensoren 7 können auch z. B. an Düsen, welche der Einfachheit halber nicht eingezeichnet sind, und/oder Kontaktstücken 4, 5 angeordnet sein, insbesondere um nahe einem Lichtbogen Messwerte zu erhalten. Die Sensoren 7 sind z. B. integrierte Halbleitersensoren, welche Datenübermittlungseinheiten, verbunden über z. B. optische und/oder elektrische Leitungen und/oder Drahtlos z. B. über Funk, umfassen. Als Funkeinrichtungen können z. B. Richtfunk-, W-Lan, Bluetooth- und/oder Mobilfunkeinrichtungen dienen, z. B. mit Energieharvesting über Temperaturgradienten, Funk oder Druckgradienten.
Durch die Anordnung der Temperatur- und Drucksensoren 7 in einer Array-Form, insbesondere an bestimmten Orten in der Hochspannungs-Schaltanlage 1, sind im Gegensatz zu einzelnen Sensoren räumlich aufgelöst Temperatur- und Druckgradienten und deren zeitliche Änderung messbar. Dadurch können räumlich aufgelöst Gas-Strömungen und thermische Belastungen von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1 gemessen bzw. untersucht werden, und z. B. über Umweltsensoren kalibriert werden. Beispielhaft ist an der rechten Oberseite der Hochspannungs-Schaltanlage 1 ein Temperatur- und Drucksensor 7 angeordnet, welcher als Teil des Sensor-Arrays oder als stand alone Sensor 7 Temperatur und Druck der Umgebungsluft messen kann. Alternativ zu einem Sensor 7 kann an der Außenseite des Gehäuses 2 ein Sensor-Array mit einer Vielzahl von Temperatur- und Drucksensoren 7 angeordnet sein, um z. B. Temperaturunterschiede auf der Gehäuseoberfläche, insbesondere über Sonneneinstrahlung erzeugt, zu messen. Alternativ oder zusätzlich können optische bzw. Strahlungs-Sensoren an der Gehäuseaußenseite Strahlung, insbesondere im sichtbaren Bereich, UV und/oder Wärmestrahlung messen. Die derart gewonnen Daten können zur Bestimmung bzw. Simulation von z. B. Alterung des Gehäuses, zur Kompensation von Umwelteinflüssen auf Messergebnisse, und/oder zur Wetterinformation dienen.
Optische Sensoren 9 können auch Wärmebild- und/oder optische Kameras, insbesondere CCD-Kameras umfassen. Im Gehäuse 2 angeordnet, z. B. im Bereich von Lichtbögen zwischen den Kontaktstücken 4, 5, insbesondere an der Gehäuseinnenwand befestigt, können Informationen über zeitlich und räumliche Ausbreitung von Lichtbögen gewonnen werden. Durch die Anordnung in Array-Form, z. B. entlang des inneren Umfangs des Gehäuses 2, können Lichtbögen in 3D aufgezeichnet und untersucht werden. Informationen über die räumliche Verteilung eines Lichtbogens und, über spektrale Analyse, über die Stoffzusammensetzung und Temperaturgradienten sowie Strömungsgeschwindigkeiten räumlich aufgelöst sind derart möglich. Optische Sensoren 9, z. B. Wärmebild- und/oder optische Kameras, an der Außenseite des Gehäuses 2 angeordnet, an unterschiedlichen Positionen, ermöglichen die Beobachtung von z. B. ServicePersonal und insbesondere deren Anleitung über Fernberatung, sowie die Registrierung von Sabotage.
Beschleunigungs-, Neigungs-, Erschütterungs-, und/oder GPS-Sensoren 8, insbesondere in Array-Form angeordnet, ermöglichen die Messung von Lageänderungen der Hochspannungs-Schaltanlage 1 und/oder von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1 zueinander. Dadurch kann der Aufstellungsort und die Ausrichtung der Hochspannungs-Schaltanlage 1 und/oder von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1 zueinander am Aufstellungsort bestimmt werden. Über Drucksensoren 7 kann zusätzlich die Aufstellungshöhe über Meeresspiegel bestimmt werden. Bei Aufstellungen, welche nicht der Bestimmung und/oder Konstruktion bzw. Zulassung entsprechen, kann eine Inbetriebnahme der Hochspannungs-Schaltanlage 1 unterbunden werden. Lageänderungen, insbesondere bei Erdbeben und/oder Sturm, können durch die Array-Form der Sensoren räumlich aufgelöst, z. B. für einzelne Komponenten bzw. Elemente der Hochspannungs-Schaltanlage 1 erfolgen. Dadurch sind Beschädigungen und der Grad der Beschädigung schnell und einfach, z. B. durch Selbs-Test und/oder per Ferndiagnose möglich, und Hochspannungs-Schaltanlagen 1 können nach Umweltschäden gezielt zeitnah abgeschaltet werden oder bei Funktionsfähigkeit bzw. ohne schwerwiegende Schäden, schnell wieder zugeschaltet werden. Dadurch kann ein Stromnetz nach Umweltschäden schnell, einfach und sicher wieder in Betrieb genommen werden.
Weiterhin können Beschleunigungs-, Neigungs-, Erschütterungs-, und/oder GPS-Sensoren 8 Schaltvorgänge und deren Häufigkeit registrieren, wobei z. B. nach einer vorbestimmten Zahl ein Service vor Ort erfolgen kann. Die Intensität der Belastung von einzelnen Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1 kann durch die Array-Form der Sensoren bestimmt werden, und besonders belastete Elemente können gezielt gewartet bzw. gewechselt werden. Die Beschleunigungs-, Neigungs-, Erschütterungs-, und/oder GPS-Sensoren 8 können z. B. in und/oder an Elementen der kinematischen Kette 12 angeordnet sein und/oder an Kontaktstücken 4, 5. Dadurch ist spezifisch die Kinematik von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1 messbar, und die derart gewonnen Daten können zur Entwicklung und Wartung der Hochspannungs-Schaltanlage 1 verwendet werden.
Beispielsweise können Reibungsverluste räumlich aufgelöst identifiziert werden, und z. B. Alterungsprozesse von insbesondere Schmiermitteln und/oder Elementen der kinematischen Kette 12 zeitlich untersucht werden. Bei Erreichen eines vorbestimmten Alterungsgrads kann ein Wechsel oder einer Wartung von Elementen der kinematischen Kette 12 und/oder Schmiermitteln erfolgen. Die Daten können zur Weiterentwicklung und/oder Konstruktion von Hochspannungs-Schaltanlagen 1 genutzt werden und zu deren Optimierung. Z. B. können stark belastet Teile bzw. Elemente mechanisch stabiler über andere Werkstoffe und/oder räumliche Dimensionen ausgeführt werden, oder deren Aufbau den gemessenen Werten und/oder Simulationen mit den Messwerten angepasst werden.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z. B. Vakuumschalter, Leistungsschalter mit Nennstrom- und Lichtbogenkontakt, oder Kombinationen beider verwendet werden. Sensoren können auch Daten von Vorrichtungen der Hochspannungs-Schaltanlage 1, insbesondere Ableitern, Trennern und/oder Erdern liefern. Weiter Sensor-Arrays oder Sensoren im Array können z. B. akustische Sensoren sein, welche über räumlich aufgelöste Frequenz- und/oder Schall-Intensitätsmessungen Informationen über Ort und Art von z. B. erhöhter Reibung im Antrieb 13 und/oder in der kinematischen Kette 12, Bruch z. B. von Elementen der kinematischen Kette 12 und/oder des Gehäuses 2, Sabotage und/oder Wartung ergeben können. Hall-Sensoren und/oder Sensoren nach Art einer Induktionsspule können umfasst sein, zur Messung der räumlichen Verteilung und zeitlichen Änderung von elektromagnetischen Feldern. Daten über elektromagnetische Felder ermöglichen z. B. die genaue Klärung von Prozessen im Lichtbogen, die Optimierung von Abschirmungen, die Messung von Schaltströmen- und/oder Spannungen, und/oder den Einfluss von Störfeldern insbesondere über Induktion in Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1.
Widerstandsmessungen am Isolator 2 können Verschmutzungen identifizieren und deren Grad bestimmen. Reinigungen können entsprechend bei einer Wartung veranlasst werden, um elektrische Überschläge über den Isolator 2 und erhöhte Alterung des Isolators 2 zu vermeiden. Widerstandsmessungen im Widerstandsstapel 10 insbesondere über ein Sensor-Array jeweils mit wenigstens einem Sensor an einer Widerstandsscheibe 11 können Schaltströme, insbesondere Kurzschlussströme identifizieren und zur Optimierung von Hochspannungs-Schaltanlagen 1 beitragen. Sensor-Arrays mit Tilt-Sensoren und/oder mechanischen Spannungssensoren, insbesondere Piezo-Sensoren, und/oder mit Torsions-Sensoren können analog GPS-, Neigungs-, Beschleunigungs- und/oder Erschütterungs-Sensoren 8 Bewegungen räumlich und zeitlich identifizieren und Brüche bzw. Beschädigungen von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1, insbesondere des Antriebs 13, der kinematischen Kette 12 und/oder des Gehäuses 2, z. B. nach Umweltschäden oder beim Schalten, identifizieren.
Die von den Sensoren gemessenen Daten können von einer Auswertungseinheit, z. B. einem Mikrochip oder Computer, oder in der Cloud ausgewertet werden. Dabei kann ein Vergleich mit Soll- und/oder Simulationswerten kritische Werte identifizieren, und geeignete Maßnahmen können automatisch oder per Hand eingeleitet bzw. vorgenommen werden. Eine Speichereinheit kann die Daten bis zu einem Verarbeiten und/oder Auslesen z. B. vor Ort, oder für eine Datenübertragung z. B. per Funk und/oder Kabelgebunden z. B. per Internet, speichern. Eine Datenübermittlungseinheit kann Messergebnisse oder kritische Werte bzw. daraus bestimmte Signale übermitteln, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud. Dadurch wird eine Überwachung vor Ort oder per Fernwartung, ein Auslösen von Serviceaktionen, eines Austauschs und/oder ein Steuern oder Regeln der Hochspannungs-Schaltanlage 1 möglich.
Messdaten können insbesondere im Dauerbetrieb kontinuierlich, periodisch mit festen oder variablen Zeitabständen, oder z. B. bei Ereignissen wie z. B. Schalten und/oder Umweltereignissen, erhoben werden. Dadurch können über Auswertungen vor Ort und/oder in der Cloud, z. B. in der Mindsphere, Informationen gewonnen werden, wie z. B. über Wartungsintervalle, für Verbesserungen der Konstruktion, über Schalteigenschaften und/oder der Schalthäufigkeit, den Zustand insbesondere bezüglich Alterung von Komponenten, und Umwelteinflüssen. Spätere Apps können entwickelt werden, um die Wartung und den Betrieb von Stromnetzen mit den Hochspannungs-Schaltanlagen zu erleichtern und/oder die Daten können verkauft werden. Die Sensordaten geben Informationen über den Zustand und das Schalten der Hochspannungs-Schaltanlagen im Stromnetz sowie über die Umwelt der Hochspannungs-Schaltanlagen.
Durch die parallele Verwendung von Sensoren, in Array-Form angeordnet, an unterschiedlichen Orten im bzw. an Hochspannungs-Schaltanlagen, welche Daten kontinuierliche oder in bestimmten Abständen messen und/oder senden können, sind zeitliche und räumliche Verteilungen messbar. Z. B können Änderungen von Temperatur- und/oder Druckgradienten bzw. Gas-Strömungen räumlich und zeitlich aufgelöst in der Hochspannungs-Schaltanlage gemessen werden, insbesondere während und nach dem Schaltvorgang. So können Änderungen von Gas-Strömungen z. B. entlang des äußeren Stützisolators, im Bereich einer Blasdüse und/oder in Gaskammern gemessen werden, kontinuierlich über Jahre hinweg, und die Auswertung kann zur Optimierung der Hochspannungs-Schaltanlage führen. Temperaturverteilungen können räumlich und zeitlich aufgelöst gemessen werden, insbesondere entlang des Stützisolators und/oder im Bereich der Kontaktstücke. Thermische Belastungen in der Hochspannungs-Schaltanlage und des Stützisolators können bestimmt werden, insbesondere während Schaltvorgängen, und thermische Strömungen können gemessen werden, z. B. ausgelöst durch äußere Umwelteinflüsse wie z. B. äußere Temperaturänderungen.
Piezo-Sensoren können Materialspannungen messen und Verspannungen vor einem Bruch signalisieren. Material kann bei der Konstruktion eingespart werden, da Sicherheitspuffer in der Materialauslegung reduziert werden kann durch die verwendete Sensorik. Optische Sensoren an unterschiedlichen Orten mit freier Sicht zu Lichtbögen können bei der räumlich und zeitlich aufgelösten Analyse von Lichtbögen genutzt werden, z. B. zur Nachführung von Kontaktstücken bei Abbrand, oder eine Analyse der Strom-/Spannung beim Schalten kann verwendet werden. Eine Wellenlänge oder Spektren, z. B. zur räumlich aufgelösten Stoffanalyse, insbesondere Gaszusammensetzung, können zeitlich und räumlich erfasst werden. Abstandssensoren, insbesondere über Laserlicht, können räumliche Änderungen messen, insbesondere in Länge und Umfang, welche z. B. zur Änderung der Spannungsfestigkeit eines Schalters bzw. einer Hochspannungs-Schaltanlage führen. Dadurch kann eine Nachführung von Schaltelementen erfolgen oder die Einsatzparameter der Hochspannungs-Schaltanlage bestimmt werden. Optische oder akustische Messungen können Dichteänderungen in der Hochspannungs-Schaltanlage detektieren, womit räumlich aufgelöst Strömungen bestimmt werden können. Akustische Signalgeber und Sensoren können Materialänderungen bestimmen, z. B. Fehler in der Stützkeramik vor oder nach Bruch der Keramik, oder Dichteänderungen im Gas detektieren.
Bei Verwendung von z. B. Clean Air können spezifische Gas-, Druck- und/oder Feuchtesensoren räumlich aufgelöst zur Identifizierung von Leckstellen führen, räumlich aufgelöst Abbrandprodukte identifizieren und z. B. Reinigungsintervalle und zu reinigende Bereiche identifizieren. Es können Zeiten bestimmt werden, zum Erneuern bzw. zur Aufbereitung der Clean Air, oder es können Änderung der Spannungsfestigkeit der Hochspannungs-Schaltanlage durch Änderung der Qualität von Clean Air bestimmt werden. Wärmebildsensoren können räumlich und zeitlich aufgelöst unterschiedliche Temperaturverteilungen in Teilen aufzeichnen und bei kritischen Zuständen Warnungen auslösen. Farbsensoren und/oder Widerstandsmessungen können Alterungen unterschiedlicher Materialien und Bereiche bestimmen, räumlich aufgelöst bei Verwendung von Sensoren an unterschiedlichen Positionen. Akustische Sensoren können räumlich aufgelöst beim Schalten Prozesse detektieren, und am Klangbild räumlich aufgelöst Fehlfunktionen, z. B. Knacken bei Bruch, Quietschen bei Reibung von Teilen, identifizieren sowie die Art und Position des Fehlers bestimmen. Erschütterungssensoren können z. B. Schalten, Erdbeben, Servicearbeit oder Sabotage identifizieren, abhängig von der gemessenen Amplitude und zeitlichen Verlauf oder der Frequenz der Erschütterung, sowie dem Ort, z. B. an einem Schaltschrank, an der Keramik oben/unten, an einem Träger einer Hochspannungs-Schaltanlage, an den Elementen der kinematischen Kette.
Über die Messung an unterschiedlichen Hochspannungs-Schaltanlagen kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit und Richtung eines Erdbebens bestimmt werden, wobei die Daten kommerziell genutzt werden können, z. B. analog Wetterdaten durch Verkauf an Meteorologische Dienste. Neigungssensoren, insbesondere Tilt-Sensoren, mechanische Spannungssensoren, z. B. Piezo-Sensoren, und/oder Torsions-Sensoren können zur Bestimmung von z. B. Schnee- und/oder Eislast dienen, Schaltstellungen bestimmen, die Stellung von Elementen der kinematischen Kette, insbesondere abhängig der Position entlang der kinematischen Kette, und/oder des Antriebs ergeben. Analog können optische Marker, z. B. Positionskreuze auf Teilen, und deren Erfassung an unterschiedlichen Stellen wirken. Hall-Sensoren oder Induktionsspulen können elektromagnetische Felder an unterschiedlichen Orten in der Hochspannungs-Schaltanlage messen.
Im Unterschied zum Stand der Technik kann eine Vielzahl von Sensoren, insbesondere unterschiedlicher Art in der Hochspannungs-Schaltanlagen bzw. Schaltern räumlich verteilt, dazu genutzt werden, Prozesse im Schalter zeitlich aufgelöst im regulären Betrieb im Netz über Jahre hinweg aufzuzeichnen und auszuwerten. Die Kombination einer Vielzahl von Sensoren gleicher und unterschiedlicher Art erhöht die Diagnose- und Prognosegenauigkeit. Eine Kombination der räumlichen und zeitlichen Verläufe von unterschiedlichen Sensordaten eines Schalters im Vergleich mit anderen Schaltern in Kombination mit Umweltdaten, kann Auskunft über Alterung, Funktionsfähigkeit, und/oder zu wartende Elemente geben und/oder bei der Weiterentwicklung der Hochspannungs-Schaltanlagen helfen. Ausfälle können leichter untersucht und die Ausfallgründe leichter identifiziert werden. Insbesondere Parameter beim Schalten können Rückschlüsse auf das Netz als Ganzes ergeben und auf den Zustand der Hochspannungs-Schaltanlage.
Z. B. können Temperatur-, Druck-, optische und/oder Bewegungsverläufe räumlich aufgelöst zur Bestimmung von Strömungen in der Hochspannungs-Schaltanlage beitragen, insbesondere spezifisch für Gaskomponenten, geschaltete Leistungen identifizieren, z. B. über Lichtbogenintensität und den folgenden Temperaturverlauf, Probleme identifizieren, z. B. die Alterung von Dichtungen, Schmierungen, Materialermüdung, und Umweltdaten erfassen, welche weiterverkauft werden können. Unterschiedliche Materialien können unterschiedlich kritisch reagieren auf Umwelteinflüsse. Z. B. kann eine tiefe Temperatur zum Bruch von speziellen Verbindungen führen, und Messung der Temperatur räumlich aufgelöst kann eine Vorhersage erlauben, bis wann eine Hochspannungs-Schaltanlage funktionsfähig ist. So kann die Außentemperatur zeitlich verzögert zu der kritischen Komponente transportiert werden, wodurch trotz kritischer Außentemperatur die Hochspannungs-Schaltanlage abhängig der Schalthäufigkeit weiter benutzt werden kann. Bei nur kurzfristiger kritischer Außentemperatur kann die Hochspannungs-Schaltanlage ununterbrochen genutzt werden, bei Messung des Temperaturverlaufs in der Hochspannungs-Schaltanlage, vorbestimmt bis zu einem Zeitpunkt an dem die kritische Temperatur an der kritischen Komponente ankommt.
Aus Temperatur und Luftfeuchtigkeitsmessung kann z. B. bei Clean Air ein Taupunkt berechnet werden, bei dem lokal an vorbestimmten Orten in der Hochspannungs-Schaltanlage Flüssigkeit kondensiert. Dabei können räumlich aufgelöste Temperaturmessungen zur Bestimmung des räumlichen Bereichs zur Kondensation abhängig der Außentemperatur verwendet werden. Durch Erwärmung bei Schaltung oder Stromfluss kann der Bereich wandern, wobei räumlich aufgelöste Temperaturwerte zur Bestimmung des Kondensationsbereichs dienen können. Bei kritischen Werten kann die Hochspannungs-Schaltanlage außer Betrieb gestellt werden.
Bei Ausfällen von Sensoren können die Messwerte anderer Sensoren genutzt werden, um die Sensordaten des ausgefallenen Sensors zu simulieren. Z. B. können Daten eines ausgefallenen Sensors durch Interpolation aus Daten benachbarter Sensoren ermittelt werden. Sensoren anderer Hochspannungs-Schaltanlagen im gleichen Zustand können verwendet werden, um die Daten des ausgefallenen Sensors zu ersetzen. Dadurch können Zeiten bis zur nächsten Wartung überbrückt werden, bei der ein Sensor ausgewechselt wird. Die Daten der Sensoren können vor Ort, in Abständen ausgelesen, oder zentral, übermittelt z. B. per Funk- oder Internet, ausgewertet werden. Die Auswertung und Kombination von verknüpften Daten in der Cloud bzw. Mindsphere, ausgewertet mit künstlicher Intelligenz, kann zur Vorhersage von Fehlern führen, Ausfälle prognostizieren oder per App, an jedem Ort der Welt einen Zugriff für Diagnose- und Wartung erlauben, insbesondere verschlüsselt, personalisiert für ausgewählte Nutzer oder Nutzergruppen.
Auswertungen und Vergleich unterschiedlicher Hochspannungs-Schaltanlagen bei unterschiedlichen Schaltvorgängen, sortiert nach Umwelt-, Schaltertyp-, Schaltbedingungen und Verschleißzustand, kann eine Statistik ermöglichen, zur Auswertung normaler und anormaler Ausfälle, zur Identifikation von Produktionsfehlern im Unterschied zu Konstruktionsfehlern und normalen Verschleiß durch Alterung. Die Kombination einer großen Zahl unterschiedlicher Sensoren, räumlich verteilt in der Hochspannungs-Schaltanlage, zeitlich aufgelöst gemessen, gemittelt über viele Hochspannungs-Schaltanlagen, ermöglicht Vorhersagen, die Identifizierung von zeitlichen Verläufen der Netzparameter räumlich aufgelöst abhängig von Umwelteinflüssen und Schalterzuständen, und kann zur Erhöhung der Zuverlässigkeit, Stabilität der Netze und zur Erhöhung der Einsatzdauer der Hochspannungs-Schaltanlagen führen.
Die in-situ Daten helfen bei der Optimierung der Hochspannungs-Schaltanlagen, können zur Bestimmung von Wartungsintervallen oder notwendigen Wartungen verwendet werden, können Fehler an der Hochspannungs-Schaltanlage frühzeitig signalisieren oder Schalteigenschaften wie z. B. Schalthäufigkeit und Belastung beim Schalten ergeben. Ein Online-Monitoring der Daten kann erfolgen, für ausgewählte Hochspannungs-Schaltanlagen im normalen Netzbetrieb oder für alle seriengefertigten Hochspannungs-Schaltanlagen.
Bezugszeichenliste

1: Hochspannungs-Schaltanlage, insbesondere Hochspannungs-Leistungsschalter
2: Gehäuse
3: Kontakt
4: bewegliches Kontaktstück
5: festes Kontaktstück
6: Isoliergas
7: Temperatur- und/oder Drucksensoren
8: GPS-, Neigungs-, Beschleunigungs- und/oder Erschütterungs-Sensoren
9: Optischer Sensor
10: Widerstandsstapel
11: Widerstandsscheibe
12: Element der kinematischen Kette
13: Antrieb

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 0024252 A1 [0002]

Claims

Hochspannungs-Schaltanlage (1) mit wenigstens einem Gehäuse (2) und mit wenigstens einem elektrischen Kontakt (3), wobei der Kontakt wenigstens zwei Kontaktstücke (4, 5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren umfasst sind, welche in Form eines Arrays angeordnet sind.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochspannungs-Leistungsschalter umfasst ist, insbesondere ein Freiluft-Hochspannungs-Leistungsschalter, und/oder dass der wenigstens eine Kontakt (3) einen Nennstrom-Kontakt umfasst, mit wenigstens zwei Nennstrom-Kontaktstücken (4, 5), insbesondere einem beweglichen (4) und einem festen Nennstrom-Kontaktstück (5), und einen Lichtbogen-Kontakt umfasst, mit wenigstens zwei Lichtbogen-Kontaktstücken, insbesondere einem beweglichen und einem festen Lichtbogen-Kontaktstück, und/oder dass eine Isolierdüse umfasst ist, und/oder dass das Gehäuse (2) ein Isolator ist, insbesondere ein gerippter Isolator aus einem Verbundwerkstoff, Keramik und/oder Silikon, und/oder dass das Gehäuse (2) mit Isoliergas (6) befüllt ist, insbesondere mit Clean Air und/oder SF₆.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vakuumröhre umfasst ist, in welcher wenigstens ein Kontakt angeordnet ist, insbesondere mit wenigstens zwei tellerförmigen Kontaktstücken, wobei die Vakuumröhre insbesondere im Gehäuse (2), insbesondere einem gerippten Isolator aus einem Verbundwerkstoff, Keramik und/oder Silikon, angeordnet ist, und/oder dass das Gehäuse (2) mit Isoliergas befüllt ist, insbesondere mit Clean Air und/oder SF₆.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren im Gehäuse (2) angeordnet sind, insbesondere an der Gehäuseinnenwand und/oder an Elementen einer kinematischen Kette (12) und/oder an Kontaktstücken.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren außerhalb des Gehäuses (2) angeordnet sind, insbesondere an der Außenwand des Gehäuses (2) und/oder an einem Träger des Gehäuses (2), und/oder an Vorrichtungen der Hochspannungs-Schaltanlage (1), insbesondere einem Ableiter, einem Trenner und/oder einem Erder.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor-Array Temperatur- und/oder Drucksensoren (7) umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind Gas-Strömungen räumlich und zeitlich aufgelöst zu messen und/oder thermische Belastungen zu bestimmen.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor-Array GPS-, Neigungs-, Beschleunigungs- und/oder Erschütterungs-Sensoren (8) umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind Reibungsverluste in der kinematischen Kette (12), den Schaltzustand und/oder die Schalthäufigkeit, Fehlfunktionen, insbesondere Bruch, Wind- und/oder Eislast, Aufstellungsort, Transport, Servicetätigkeit, Sabotage, und/oder Erdbeben zu bestimmen.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor-Array Optische Sensoren (9), insbesondere Farbsensoren, Wärmebildsensoren und/oder Kameras umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind Gas-Strömungen räumlich und zeitlich aufgelöst zu messen und/oder mechanische sowie thermische Belastungen, Alterung, Lichtbögen, und/oder Fehlfunktion zu bestimmen.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor-Array Gas-, spezifische Druck- und/oder Feuchtigkeits-Sensoren umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind zur Bestimmung der Gaszusammensetzungen, von spezifischen Gas-Strömungen von insbesondere einzelnen Gaskomponenten, der Gasqualität, der Isoliereigenschaften von insbesondere Isoliergas und/oder zur Taupunktbestimmung.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor-Array Akustische Sensoren umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind zur Diagnose von Schaltgeräuschen, Sabotage, Wartung und/oder Umweltparametern.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor-Array Hall-Sensoren und/oder Sensoren nach Art einer Induktionsspule umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind elektromagnetische Felder räumlich aufgelöst zu messen.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor-Array Tilt-Sensoren und/oder mechanische Spannungssensoren, insbesondere Piezo-Sensoren, und/oder Torsions-Sensoren umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind mechanische Belastungen von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage (1) zu bestimmen.
Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertungseinheit und/oder Speichereinheit und/oder Datenübermittlungseinheit umfasst sind, welche ausgebildet sind Messergebnisse der Sensoren auszuwerten, insbesondere mit vorbestimmten Werten zu vergleichen, und/oder zu speichern und/oder zu übermitteln, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln der Hochspannungs-Schaltanlage (1).
Verfahren zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schaltanlagen (1), insbesondere in einer Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in einem Array angeordnet werden, innerhalb und/oder außerhalb eines Gehäuses (2), und Sensoren gleichzeitig und/oder nacheinander ausgelesen werden, kontinuierlich und/oder in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen, insbesondere vorbestimmten zeitlichen Abständen, und/oder die ausgelesenen Messwerte in wenigstens einer Auswertungseinheit und/oder Speichereinheit und/oder Datenübermittlungseinheit ausgewertet werden, insbesondere mit vorbestimmten Werten verglichen werden, und/oder gespeichert werden, und/oder übermittelt werden, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln der Hochspannungs-Schaltanlage (1) manuell und/oder automatisch.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass räumlich und/oder zeitlich aufgelöst Gradienten von physikalischen Größen gemessen werden, insbesondere Änderungen in Temperatur, Druck, Lage, insbesondere Abstand und/oder Neigung, Beschleunigung, Torsion, mechanischer Spannung, Stoffzusammensetzung, Farbe, elektromagnetischen Feldern und/oder elektrischem Widerstand, wobei Änderungen der räumlich aufgelöst gemessenen physikalischen Größen über die Zeit beobachtet Ergebnisse, insbesondere Schaltstellung, Schalthäufigkeit und Zeitpunkt, thermische Belastungen, Alterung, Reibungsverluste, Fehlfunktionen, Gas-Strömungen, Gaszusammensetzung, Materialänderungen, insbesondere Bruch, Klangbild, Schnee- und Eislast, Erdbeben, Servicetätigkeit, Sabotage, Aufstellungsortsänderungen und/oder Wettereinflüsse ergeben und zur Entwicklung, Wartung, Steuer- oder Regelung, und/oder Austauschzeitpunkt der Hochspannungs-Schaltanlage (1) und/oder von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage (1) verwendet werden.