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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung typabhängige Alterungsdaten von Ableitern für zumindest zwei unterschiedliche Ausgangstemperaturen, ein Verfahren zur Alterungsbestimmung eines Ableiters mit Alterungsermittlungseinrichtung und einen Ableiter mit Alterungsermittlungseinrichtung.
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Stand der Technik
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In vielen Bereichen der Elektrotechnik werden Überspannungsschutzgeräte eingesetzt, um Anlagen oder Geräte vor Überspannungsereignissen zu schützen. Diese Überspannungsschutzgeräte werden in aller Regel parallel zu den zu schützenden Anlagen / zu schützenden Geräten geschaltet.
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Dabei zeigt sich jedoch, dass diese Überspannungsschutzgeräte Alterungsprozessen unterliegen. Ein wesentlicher Faktor für die Alterung ist durch die Ableitung von Überspannungsereignissen selbst gegeben.
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Daher sollten Überspannungsschutzgeräte von Zeit zu Zeit auf Ihre Funktion / Leistungsfähigkeit überprüft werden.
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In vielen Bereichen sind Überspannungsschutzgeräte nach Installation nicht mehr ohne Weiteres erreichbar. An dieser Stelle sei der Einsatz von Überspannungsschutzgeräten in Off-Shore Windkraftanlagen oder aber der Einsatz in Schaltschränken erwähnt.
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Häufig wäre eine Prüfung zeitintensiv und könnte zumindest vorübergehend zu einem Verlust der Schutzfähigkeit führen.
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Es wurden daher in der Vergangenheit immer wieder Lösungen gesucht, um diesem Nachteil zu begegnen.
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Aus dem Stand der Technik, wie z.B. der
DE 11 2010 004 351 T5 ist es bekannt, eine Überwachungseinrichtung bereitzustellen, die Spannungen in Bezug auf eine Schwellenspannung erfassen kann, wobei die Anzahl und die Frequenz sowie weitere Charakteristika der Überschreitung der Schwellenspannung ausgewertet werden können.
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Aus der
DE 10 2015 014 468 A1 ist eine mehrstufige koordinierte Überspannungsableiterschaltung mit mindestens einem Grobschutz im Querzweig und einem Feinschutz im Längs- und Querpfad bekannt. Beiden Schutzelementen ist eine Überwachungseinrichtung zugeordnet. Mittels Stromwerten und Kennliniendaten wird eine Schädigung ermittelt.
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Aus der
DE 10 2010 038 208 A1 ist eine Überspannungsschutzvorrichtung bekannt. Die Überspannungsschutzvorrichtung wird in Bezug auf ihre Temperatur mittels eines temperaturveränderlichen Widerstandes überwacht.
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Allen erwähnten Schaltungen aus dem Stand der Technik ist jedoch gemein, dass das tatsächliche Schädigungsverhalten nur rudimentär erfasst wird, sodass eine eindeutige Abhängigkeit zwischen den gemessenen elektrischen Signalen und der tatsächlichen Schädigung des Ableiters nicht klar gegeben ist und Sicherheitsmargen eingeplant werden müssen, um nicht den Verwender in falscher Sicherheit zu wiegen.
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So gehen die vorgenannten Schaltungen davon aus, dass Ableitereignisse in zeitlich großem Abstand erfolgen, sodass die Ereignisse näherungsweise als Einzelereignisse aufgefasst werden können. Erfolgen die Ereignisse jedoch in zeitlich engerer Folge, so ist diese Annahme nicht mehr gerechtfertigt.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine Verbesserung in Bezug auf die Alterungsermittlung bereitzustellen, um so eine bessere Prognose einer verbleibenden Lebensdauer zur Verfügung stellen zu können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung typabhängige Alterungsdaten von Ableitern für zumindest zwei unterschiedliche Ausgangstemperaturen gemäß Anspruch 1, einem Verfahren zur Alterungsbestimmung eines Ableiters mit Alterungsermittlungseinrichtung gemäß Anspruch 3, und einen Ableiter mit Alterungsermittlungseinrichtung gemäß Anspruch 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Figuren und der Beschreibung.
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Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:
- 1 beispielhafte Temperaturverläufe eines Ableiters bei einer Umgebungstemperatur von circa 0° C in Bezug auf unterschiedliche Ableitereignisse,
- 2 beispielhafte Temperaturverläufe eines Ableiters bei einer Umgebungstemperatur von circa 20° C in Bezug auf unterschiedliche Ableitereignisse,
- 3 beispielhafte Temperaturverläufe eines Ableiters bei einer Umgebungstemperatur von circa 80° C in Bezug auf unterschiedliche Ableitereignisse,
- 4 ein beispielhaftes Derating-Kennfeld in Bezug auf eine eingetragene Wärmeenergie,
- 5 mögliche Ausgestaltungen eines Ableiters mit Alterungsermittlungseinrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die 1-4 dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
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Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
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Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.
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Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1 % bis zu +/- 10 %.
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Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen.
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Es ist bekannt, dass die Leistungsfähigkeit, Alterung und Lebensdauer von Überspannungsschutzgeräten stark von den thermischen Randbedingungen unter denen das Gerät arbeitet abhängig sind. Dabei wird die aktuelle Temperatur des dort verwendeten Ableiters sowohl durch die äußeren Umgebungsbedingungen als auch durch die Eigenerwärmung beeinflusst.
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Die Ableitung von Überspannungsereignissen führt in Überspannungsableitern (kurz Ableitern) zu unterschiedlich hohen Energieumsätzen, die wegen der Kürze der Impulse von circa 1 µs bis 1000 µs i.d.R. quasi adiabat im Ableiter gespeichert werden, also diesen erwärmen. Weiterhin können als Folge realer Überspannungsereignisse, wie beispielsweise Blitzschlag, unregelmäßige Folgen von unterschiedlich hohen und unterschiedlich langen Impulsen über einen Zeitraum von einigen Sekunden auftreten. Auch bei solchen Ereignissen ist davon auszugehen, dass innerhalb eines einige Sekunden andauernden Ereignisses keine relevanten Mengen thermische Energie an die Umgebung abgegeben werden und das System somit weiterhin als adiabat zu betrachten ist.
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Solche Impulsdauern treten auch bei Normprüfimpulsen auf, die beispielsweise in der IEC 61643-32:2017 (oder auch in der zurückgezogenen IEC 61643-1:2005) angegeben sind. So entspricht ein Stoßspannungsimpuls 1,2/50 µs Ereignissen mit Anstiegszeiten im einstelligen Microsekundenbereich, 8/20 µs Prüfimpuls einem Stoßstromereignis von circa 50 µs, während ein 10/350 µs Prüfimpuls beispielsweise einem Ableitereignis von circa 1000 µs entspricht.
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Nach einem Ableitereignis kühlt der Ableiter ab. Dieser Prozess ist im Wesentlichen kontinuierlich und kann mehrere Minuten andauern.
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Damit stellen Ableiter einen thermischen Integrator mit großer Zeitkonstante dar, der den Wärmeeintrag durch Überspannungen auch mit sehr komplexen Verlaufsformen zu einer einfachen Erwärmungs-Entwärmungskurve wandelt.
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Welche maximale Temperatur der Ableiter über den Verlauf erreicht, hängt zum einen von der intern umgesetzten Energie und zum anderen von der Ausgangstemperatur, d.h. der Temperatur zu Beginn eines Ableitereignisses, ab.
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Dabei wird die Ausgangstemperatur auch von der Umgebungstemperatur bestimmt.
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In solchen Fällen, in denen Überspannungsereignisse kurz aufeinander folgen, ist häufig die Entwärmung noch nicht abgeschlossen, so dass neben der Umgebungstemperatur die Ausgangstemperatur des Ableiters auch noch von der Restwärme des letzten Ableitvorgangs bestimmt wird.
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Aus der Erfassung der Ableitereignisse eines Ableiters kann unter Berücksichtigung der klimatischen Randbedingungen und seiner Leistungskennwerte ermittelt werden, in wie weit eine Schädigung oder eine Alterung des Ableiters stattgefunden hat.
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Dabei kann der Energieeintrag eines Ableitvorgangs durch zeitlich aufgelöste Messungen des Strom- und Spannungsverlaufes berechnet werden.
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Ein Rückschluss auf den Zustand des Ableiters VAR ist gut möglich, wenn der Zustand des Systems zum Zeitpunkt des Beginns des Ableitereignisses bekannt ist.
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Am Beispiel eines Varistors wird klar, dass die maximale Temperatur, die ein Varistor erreichen darf, bei einer Umgebungstemperatur von 80°C eher erreicht wird, als bei einer Umgebungstemperatur von 20°C.
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Ähnliche Zusammenhänge sind auch für Funkenstrecken zu erwarten, deren Löschverfahren auf der Lichtbogenkühlung durch hartgasende Kunststoffe, z.B. Polyoxymethylen (POM), basieren.
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Die Erfindung schlägt daher vor einen Ableiter VAR fortlaufend (kontinuierlich bzw. in definierten Zeitabständen) thermisch zu überwachen und die ermittelten Temperaturdaten mit den empirisch ermittelten thermischen Derating-Kennlinienfeldern der jeweiligen Ableiter zu vergleichen.
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Mit jedem relevanten Temperaturereignis bewegt sich der Ableiter im Derating-Kennlinienfeld seinem Lebensdauerende entgegen.
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Somit können zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Status und/oder die „statistische Restlebensdauer“ bestimmt werden.
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Um nach einem Überspannungsschutzereignis ohne anliegende Betriebsspannung eine elektrische Datenverarbeitung sicherzustellen, kann am Ableiter zusätzlich ein Peltier-Element PE in thermischem Kontakt θ angebracht werden, sodass aus der Wärme des Ableiters eine Spannungsversorgung für die Auswerteeinheit generiert werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich durch induktiv angekoppelte Systeme Betriebsenergie für die Auswerteeinheit CPU aus dem Impulsereignis zu gewinnen.
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Energie kann auch kapazitiv (z.B. in Superkondensatoren) zwischengespeichert werden.
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Ableiter VAR, d.h. sowohl Funkenstrecken als auch Varistoren als auch Gasableiter, unterliegen einer im Wesentlichen temperaturabhängigen Alterung. Während bei Funkenstrecken davon ausgegangen werden kann, dass lediglich die Umgebungstemperatur und die jeweiligen Ableitereignisse zu einer relevanten Alterung führen, kann bei Varistoren auch die umgebende Luftfeuchtigkeit einen Einfluss haben.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können temperaturabhängige Degradations-Kennlinienfelder (z.B. durch den Hersteller) unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (Temperatur und Luftfeuchte) mit normativen Impulsen (8/20 µs, 10/350 µs) ermittelt werden, in dem diese unter den jeweiligen Randbedingungen so oft belastet werden, bis es zu einer Zerstörung des Ableiters kommt. Damit können für einen Typ (oder auch für eine Charge) Kennlinienfelder ermittelt werden. Dabei wird fortlaufend (kontinuierlich bzw. in definierten Zeitabständen) die Temperatur an dem geprüften Ableiter gemessen. Nach jedem bzw. nach einer Reihe von Impulsen, werden jeweils Ableiter-typische Kennwerte ermittelt, die eine fortschreitende Schädigung detektieren können.
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Als Ableiter-typische Kennwerte können z.B. Leckstrom unter Testspannung, Änderung der Spannung unter Teststrom (1 mA-Punkt), Isolationswiderstand, sowie die Änderung der Bogenbrennspannung dienen.
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Auf diesen Kennwerten basierend kann festgelegt werden, ab wann ein Ableiter (vor seiner endgültigen Zerstörung) als relevant geschädigt zu gelten hat (Lebensdauerende).
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Unterschiedliche Grenzwerte können unterschiedliche Schädigungsstufen festlegen, aus denen im späteren Betrieb unterschiedliche Warnstufen abgeleitet werden können.
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Aus der fortlaufenden Temperaturmessung am Ableiter kann ein Wärmemengen-Integral ermittelt werden, das mit der Schädigung des Ableiters bis zu seinem (festgelegten) Lebensdauerende korreliert.
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Die Impulsbelastungen unter den unterschiedlichen Umgebungsbedingungen können sich an den üblichen Prüfszenarien für Ableiter - wie sie aus den entsprechenden Normen z.B. IEC 61643-11:2011 etc. bekannt sind - orientieren.
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Dabei können „vollständige Arbeitsprüfungen“ mit den ausgewiesenen Nennableitströmen In durchgeführt werden bis es zu einer Zerstörung der Ableiter kommt. Abweichend von den produktspezifisch ausgewiesenen In-Werten (Nennstromwerten), können auch erhöhte bzw. reduzierte In-Werte genutzt werden.
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Je nach Ableitertyp kann es sinnvoll sein, zu bestimmen, welche Art der Impulsbelastung bei gleichem resultierenden äußeren Temperaturverlauf zu der höheren inneren Schädigung führt, da die Temperaturmessung beispielsweise nicht zwischen kurzen, stromstarken Impulsen und langen, stromschwachen Impulsen unterscheidet.
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Im Sinne einer Worst-Case-Betrachtung sollten im Zweifel die Versuche zur Ermittlung des Referenz-Kennlinienfeldes mit der Impulsform mit dem höheren Schädigungspotential durchgeführt werden.
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In einem weiteren Verfahren werden die empirischen Daten sowohl mit langen als auch kurzen Impulsen ermittelt. Dann kann sowohl ein durchschnittlich zu erwartender Wert bestimmt werden als auch der Worst-Case zu Grunde gelegt werden.
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Bevorzugt werden zur empirischen Ermittlung der Alterungsdaten fortlaufend (kontinuierlich bzw. in definierten Zeitabständen) Impulsbelastungen genutzt. Diese können in Anlehnung an die normativen Prüfungen (Konditionierung) unter Netzspannung z.B. unter bekannten kritischen Winkeln durchgeführt werden, um im Sinne einer „Worst-Case Betrachtung“ immer im sicheren Bereich zu liegen. Die Tests sollen bis zur Zerstörung des Ableiters weitergeführt werden. Die pro Ableitvorgang an den Ableitern gemessenen Temperaturen haben den in den 1-3 skizzierten Verlauf.
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In 1 wird beispielhaft eine Erwärmung und Abkühlung eines Ableiters bei einer Umgebungstemperatur von T0=0°C gezeigt. Die Kurve K1 steigt auf eine erste maximale Temperatur Tm,1 an und konvergiert danach erneut gegen Null.
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Wiederholt man das Ableitereignis beliebig oft bis zur Zerstörung des Ableiters, so ergibt sich die Häufigkeit n mit der der Ableiter diesen Temperaturverlauf verkraftet.
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Die Fläche F1 unter der einen Kurve bildet damit ein korreliertes Maß für die im Ableiter erfolgte Schädigung.
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Derselbe Zusammenhang gilt für die übrigen drei Kurven K2, K3, K4, wobei die Häufigkeit mit der der Ableiter diesen Temperaturverlauf verkraftet erfahrungsgemäß kleiner ist. Die Kurve K5 stellt eine Erwärmungskurve dar, die schon beim ersten Auftreten eine inakzeptable Schädigung des Ableiters zur Folge hat.
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Nach Abprüfen des Kennlinienfeldes für die Umgebungstemperatur T0=0°C ist somit bekannt, welche thermischen Ereignisse mit welcher Häufigkeit zum Lebensdauerende des Ableiters führen, wenn die Umgebungstemperatur 0°C beträgt.
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Dabei sind nichtlineare Schädigungsentwicklungen, wie z.B. „große Ableitereignisse mit hohen Temperaturen führen zu einer überproportionalen Schädigung“ dadurch abgebildet, dass das Kennlinienfeld empirisch ermittelt ist.
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Beispielsweise kann eine Erwärmungskurve der Form K1 10000-mal wiederholt werden, die der Form K2 1000-mal, die der Form K3 100-mal und die der Form K4 nur 10-mal.
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Um ein vollständiges Abbild der Alterung des Ableiters zu erhalten, ist es notwendig für weitere Umgebungstemperaturen die entsprechenden Kennlinienfelder zu erzeugen.
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2 zeigt beispielhaft ein mögliches Kennlinienfeld für eine Umgebungstemperatur von T0=20°C.
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Da bereits die Umgebungstemperatur höher ist als in 1 beginnen die dynamischen Erwärmungskurven auch auf diesem höheren Temperaturniveau To und kehren bei einer vollständigen Entwärmung / Abkühlung auch dorthin wieder zurück. Die maximal zulässige Temperatur hingegen ist ableiterspezifisch und temperaturunabhängig. Die maximal zulässige Temperatur ist daher im Wesentlichen gleich wie in 1, da sie bereits die Grenzkennlinien der Zerstörung des Ableiters abbildet. Entsprechend bleiben zumindest die Maximalwerte der Kurven K4 und K5 im Wesentlichen gleich.
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So wird auch aus 3 deutlich, dass bei wesentlich erhöhten Umgebungstemperaturen (hier T0=80°C) der Bereich einer erlaubten zusätzlichen dynamischen Erwärmung des Ableiters immer geringer wird.
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Somit lassen sich zu jedem Ableiter-Typ individuell eindeutige Referenz-Kennlinienfelder bestimmen, die es erlauben, Arbeitsbereiche für diesen Ableiter-Typ zu definieren und Grenzwerte für die Beurteilung der zulässigen Umgebungsbedingungen festzulegen.
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Daraus können bei bekannter / gemessener Umgebungstemperatur am Einbauort (T0) Informationen abgeleitet werden, die den aktuellen Status des Ableiters bzw. die Schutzfähigkeit des verbauten Ableiters widerspiegeln.
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Weiterhin kann für jedes gemessene Ableitereignis / Temperaturverlaufsereignis, ausgehend von der Startemperatur TOI ein korrelierendes Schädigungsintegral berechnet werden (Fläche F1 unter der dynamischen Kurve).
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Die aufsummierten Schädigungsintegrale liefern ein präziseres Abbild einer fortgeschrittenen Schädigung des Ableiters.
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Diese Daten können zur weiteren Auswertung und Informationsverarbeitung genutzt werden.
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Zusammenfassend kann aus allen ermittelten dynamischen Erwärmungskurven und den sich unter den jeweiligen Kurven ergebenden Flächen, die als korreliertes Schädigungsintegral betrachtet werden können, ein Derating-Kennliniendiagramm erstellt werden.
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In 4 ist hierzu ein beispielhaftes Derating-Kennfeld für einen Ableiter-typ angegeben. Hierbei stellt Q(J), entsprechend der eingetragenen Wärmeenergie, ein Maß für eine einmalige Schädigung Q(J) des Ableiters VAR durch die Wärmemenge dar, die in etwa proportional zu den Flächen unter den Kurven aus den Temperatur-Kennlinienfeldern ist.
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Die Summe aller Flächenintegrale korreliert mit dem Summenableitintegral (integrale Summe aller Ableitungen), so dass über die empirisch für jeden Ableitertyp ermittelten temperaturabhängigen Degradations-Kennlinienfelder (für Varistoren u.U. auch unter Berücksichtigung der Luftfeuchte) eine Zustands- und Lebensdauerprognose gegeben werden kann.
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Diese Prognosewerte können laufend und insbesondere bei Erreichen vorgegebener Grenzwerte für Statusmeldungen des Ableiters genutzt werden.
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Für die Status- und oder Alarmmeldung lassen sich dabei alle bekannten Methoden nutzen. Beispielsweise können Status- und oder Alarmmeldung über ein lokale (mechanische und/oder optische und/oder elektronische) Anzeige DIS und/oder über eine Schnittstelle I/O bereitgestellt werden. Die Schnittstelle I/O kann z.B. auch für eine Fernüberwachung eingesetzt werden. Solche Schnittstellen I/O können z.B. mittels RFID am Ableiter auslesbar gestaltet sein. Dabei ist die Impulsform (8/20 µs und 10/350 µs) oder beliebig verlaufende Überspannungsereignisse aus dem realen Einsatz ohne Einfluss auf die Schädigungsbetrachtung, da sich wegen der hohen Zeitkonstante des Systems der integrale äußere Temperaturverlauf nur nach dem inneren Energieumsatz richtet. Das bedeutet, dass beliebige Ableitereignisse (Burst, 1,2/50 µs 8/20, 4/20, 10/350 µs, 10/1000 µs, beliebige Impulsverläufe) an der Oberfläche des Ableiters VAR zu einer höher oder niedriger verlaufenden Erwärmungs- und Entwärmungskurve führen. Nach einem beliebigen Ereignis vergleicht das Verfahren also die auftretende Erwärmungs- und Entwärmungskurve mit den Kurven des Referenz-Kennlinienfeldes und kann so Ereignis-unabhängig auf die Schädigung /Alterung des Ableiters schließen.
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Nach diesem Verfahren können unterschiedliche Ableiterzustandsdaten ermittelt werden und zur Auswertung und Kundeninformation genutzt werden.
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Ist die aktuelle Ableitertemperatur (zeitaufgelöste Messung der Ableitertemperatur) bekannt, so kann aus der Geschwindigkeit der Änderung geschlossen werden, ob eine Änderung der Umgebungstemperatur (langsame Änderung - typischerweise im Minutenbereich) oder ein Ableitereignis (schnelle Änderung - typischerweise im Sekundenbereich) vorliegt.
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Die Anzahl der erkannten Ableitereignisse (schnelle Änderung) kann dann aufsummiert und als Information bereitgestellt werden.
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Zudem kann für jedes Ableitereignis die Energie bestimmt werden, z.B. mittels des Ableitntegrales I2t. Hieraus kann der Degradationsstand des Ableiters VAR bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Degradation des Ableiters VAR aus der aktuellen Umgebungstemperatur und der im Ableiter umgesetzten Energie aus dem dynamischen Ableitertemperaturverlauf nach einer Ableitung (Umgebungstemperaturkorelliertes Ableitintegral) bestimmt werden.
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Aus der Information über die Degradation des Varistors kann für den Verwender eine Information zum Stand der Degradation und/oder eine Information über die entsprechende Lebensdauerprognose, und/oder eine Information zu einem nächsten anstehenden Ableitertausch, und/oder eine Information ob der Schutz ausreichend gewährleistet ist, bzw. mit welcher Wahrscheinlichkeit der volle Schutz verfügbar ist, abgeleitet und bereitgestellt werden.
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Weiterhin kann auch das aktuelle maximale Ableitervermögen z.B. in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur / Eigentemperatur prognostiziert werden.
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Zudem können aber auch die Umgebungstemperaturbedingungen erkannt werden (langsame Änderung) und so auch relevante Daten über die Umgebung und eine mögliche Alterung des Varistors auf Grund der vorherrschenden Umgebungstemperaturen erhoben werden. Ist die Umgebungstemperatur dauerhaft hoch, kann diese Information dem Verwender bereitgestellt werden. Auch können z.B. Umgebungstemperaturen am Einbauort des Ableiters VAR erfasst werden. Sind diese außerhalb der Produktspezifikation (maximale / minimale Temperatur) kann diese Information dem Verwender ebenfalls bereitgestellt werden.
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Ist die maximale Temperatur des Ableiters nach einem Ableitereignis (schneller Temperaturanstieg) bekannt, so kann die Anzahl der Überschreitungen einer gegebenen Grenztemperatur als Schädigungsereignis gezählt werden. Diese Information kann geeignet bereitgestellt werden. Ebenso kann ab Erreichen einer bestimmten Anzahl von Schädigungsereignissen angenommen werden, dass der Ableiter nachhaltig geschädigt ist. Diese Information kann ebenfalls geeignet bereitgestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Ableiter mit Alterungsermittlungseinrichtung 1 zur Verfügung gestellt.
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Der Ableiter kann z.B. ein Varistor VAR oder eine Funkenstrecke oder einen Gasableiter oder aber auch ein anderes elektrisches Element (Halbleiterbauelement / Halbleiterschaltelement) sein, welches durch Leitereignisse altert. In 4 ist stellvertretend ein Varistor als Beispiel für einen Ableiter gezeigt.
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Die Alterungsermittlungseinrichtung 1 weist eine erste Temperaturmesseinrichtung S1 auf, welche den thermischen Zustand des Ableiters VAR erfasst. Die erste Temperaturmesseinrichtung S1 kann z.B. ein PT100-Sensor, ein thermisch veränderlicher Widerstand (wie z.B. ein Kaltleiter oder ein Heißleiter) in einer Messbrücke, ein Peltier-Element, etc. sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die erste Temperaturmesseinrichtung S1 einen Temperaturstrahlungssensor, z.B. einen Infrarot-Sensor, der auch beabstandet zum Ableiter VAR sein kann, aufweisen.
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Weiterhin weist die Alterungsermittlungseinrichtung 1 eine Speichereinrichtung MEM und eine Auswerteeinheit CPU auf.
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Beispielsweise kann die Speichereinrichtung MEM ein Halbleiterspeicher sein. Die Auswerteeinheit CPU kann ein Microprozessor, ein Microcontroller (mit eingebauter Speichereinrichtung MEM), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch application-specific integrated circuit, ASIC), ein Field Programmable Gate Array (FPGA), oder dergleichen sein.
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Die Speichereinrichtung MEM kann so programmiert sein, dass sie typabhängige Alterungsdaten für Energieeintrag-bedingte Temperaturcharakteristik in einem typgleichen Ableiter enthält. Die Daten können schreibgeschützt abgelegt sein, um eine Manipulation zu erschweren.
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Die erste Temperaturmesseinrichtung S1 ist dazu eingerichtet Energieeintrag-bedingte Temperaturcharakteristik in dem Ableiter VAR zu messen.
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Die Auswerteeinheit CPU ist dazu eingerichtet unter Verwendung der gemessenen Energieeintrag-bedingte Temperaturcharakteristik und der in der Speichereinrichtung MEM abgelegten typabhängigen Alterungsdaten zu bestimmen, wie stark der Ableiter VAR gealtert ist.
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Es sei angemerkt, dass z.B. der Ableiter VAR steckbar gestaltet sein kann. Dann kann z.B. der Ableiter VAR auch die Speichereinrichtung MEM aufweisen, die über eine geeignete Schnittstelle mit der Auswerteeinheit CPU verbunden werden kann oder aber aus der die Daten ausgelesen werden können.
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Es kann aber auch vorgesehen sein, dass am Ableiter selbst nur eine Referenz bereitgestellt wird, z.B. eine URL, mittels derer die Daten betreffend den Ableiter VAR in eine Speichereinrichtung MEM geladen werden können.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann vorgesehen sein, dass wenn die bestimmte Alterung einen bestimmten Wert überschreitet, der Ableiter VAR durch eine Schalteinrichtung vor Überlastung geschützt werden kann und/oder eine Warnmeldung ausgegeben wird. Dabei kann der Schutz dadurch erreicht werden, dass der Ableiter VAR abgetrennt oder kurzgeschlossen wird.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann auch vorgesehen sein, dass die Alterungsermittlungseinrichtung 1 weiterhin eine lokale Anzeige DIS aufweist, die die ermittelten Alterungswerte anzeigt. Beispielsweise kann eine Farbanzeige, ein Display, z.B. ein LCD-Display oder ein EPaper-Display, etc. vorgesehen sein.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann auch vorgesehen sein, dass die Alterungsermittlungseinrichtung 1 weiterhin eine Schnittstelle I/O aufweist, über die die ermittelten Alterungswerte bereitgestellt werden können. So kann eine Ferndiagnose als auch ein Herunterladen von Daten betreffend den Varistor zur Verfügung gestellt werden. Die Schnittstelle I/O kann eine drahtgebundene und/oder eine drahtlose Schnittstelle aufweisen. Beispielhafte drahtgebundene Schnittstellen sind ein sogenannter 1-Wire-Bus, ein CAN-Bus, eine LAN-Schnittstelle. Beispielhafte drahtlose Schnittstellen sind z.B. WLAN, ZigBee, Bluetooth, DECT, Mobilfunkkommunikation der 2. / 3. / 4. / 5. Generation ohne hierauf jedoch beschränkt zu sein.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann mittels der Alterungsermittlungseinrichtung 1 eine prognostizierte Restlebensdauer auf Basis der Häufigkeit und Menge vergangener gemessener Energieeintrag-bedingte Temperaturcharakteristik bestimmt werden.
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Um noch präzisere Ergebnisse zur Verfügung stellen zu können kann nicht nur die Temperatur des Ableiters VAR sondern auch die Temperatur der Umgebung ermittelt werden. Hierzu kann die Alterungsermittlungseinrichtung 1 weiterhin eine zweite Temperaturmesseinrichtung S2 für die Umgebungstemperatur to aufweisen, wobei die Auswerteeinheit CPU unter Verwendung der gemessenen Energieeintrag-bedingte Temperaturcharakteristik und der typabhängigen Alterungsdaten und der gemessenen Umgebungstemperatur bestimmen kann, wie stark der Ableiter VAR gealtert ist, wobei, wenn die bestimmte Alterung einen bestimmten Wert überschreitet, der Ableiter VAR mittels einer Schalteinrichtung abgetrennt oder mittels einer Schalteinrichtung kurzgeschlossen wird und/oder eine Warnmeldung, z.B. lokal an einem Display DIS und/oder mittels einer Schnittstelle I/O ausgegeben wird.
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Die zweite Temperaturmesseinrichtung S2 kann z.B. ein PT100-Sensor, ein thermisch veränderlicher Widerstand (wie z.B. ein Kaltleiter oder ein Heißleiter) in einer Messbrücke, ein Peltier-Element, etc. sein.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit CPU unter Verwendung der gemessenen Energieeintrag-bedingte Temperaturcharakteristik und typabhängigen Alterungsdaten des Ableiters (VAR) und der mittels der zweiten Temperaturmesseinrichtung S2 gemessenen aktuellen Umgebungstemperatur bestimmt, wie groß ein zu diesem Zeitpunkt nächstes maximales Ableitereignis sein darf, welches den Ableiter VAR nicht zerstört. Die Angabe eines nächsten maximalen Ableitereignisses, welches den Ableiter VAR nicht zerstört kann geeignet lokal mittels eines Displays DIS und/oder entfernt über eine Schnittstelle I/O bereitgestellt werden. Dabei kann auch eine entsprechende Warnung ausgegeben werden, wenn ein vom Benutzer einstellbarer Grenzwert unterschritten wird. Der Grenzwert kann lokal an der Alterungsermittlungseinrichtung 1 und/oder aus der Ferne (z.B. mittels der Schnittstelle I/O) eingegeben werden.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn auch andere beeinflussende Größen gemessen werden können. Beispielsweise kann bei einigen Ableitern VAR auch die Feuchte von Bedeutung sein. Daher kann die Alterungsermittlungseinrichtung 1 weiterhin eine Feuchtigkeitsmesseinrichtung S3 aufweisen, wobei die Auswerteeinheit CPU unter Verwendung der gemessenen Energieeintrag-bedingte Temperaturcharakteristik und der typabhängigen Alterungsdaten und der gemessenen Umgebungsfeuchtigkeit bestimmt, wie stark der Ableiter VAR gealtert ist, wobei, wenn die bestimmte Alterung einen bestimmten Wert überschreitet, der Ableiter VAR mittels einer Schalteinrichtung abgetrennt oder mittels einer Schalteinrichtung kurzgeschlossen wird und/oder eine Warnmeldung, z.B. lokal an einem Display DIS und/oder mittels einer Schnittstelle I/O ausgegeben wird.
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Die Feuchtigkeitsmesseinrichtung S3 kann z.B. ein kapazitives oder resistives Hygrometer sein.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die Speichereinrichtung MEM typabhängige Alterungsdaten für Energieeintrag-bedingte Temperaturcharakteristik in einem typgleichen Ableiter enthalten, wobei die gespeicherten typabhängigen Alterungsdaten empirisch ermittelt wurden.
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Mit der Erfindung wird es nunmehr ermöglicht das tatsächliche Schädigungsverhalten vollständiger zu erfassen. Daher können bisherige Sicherheitsmargen verringert werden und die Sicherheit und Analgenverfügbarkeit kann erhöht werden.
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Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass auch Ableitereignisse, die in zeitlich kurzem Abstand erfolgen, präziser bewertet werden können.
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Die Ableiter mit Alterungsermittlungseinrichtung 1 können als integriertes Gerät oder als steckbares Ensemble bereitgestellt werden, wobei der Ableiter VAR z.B. in ein Basisgerät oder einen Sockel eingesteckt werden kann.
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Soweit vorstehend auf eine Temperaturcharakteristik Bezug genommen wurde kann sowohl ein Temperaturverlauf im Sinne einer kontinuierlichen, periodischen oder ereignis-gesteuerten Messung bezeichnet sein. Beispielsweise kann als Ereignis ein bestimmter Schwellenwert zur Auslösung von einer oder mehreren Messungen herangezogen werden. Ebenso kann aber auch ein gemessener Temperaturgradient als Ereignis für die Temperaturcharakteristik herangezogen werden.
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Alterungsdaten können z.B. mit einem Verfahren wie nachfolgend beschrieben ermittelt werden.
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Dabei werden typ-abhängig Ableiter VAR mit vorbestimmten Prüfimpulsen bei vorbestimmten Umgebungsparametern, z.B. eine bestimmte Temperatur und/oder bestimmte Luftfeuchtigkeit, beaufschlagt.
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Der Energieeintrag (entsprechend des Prüfimpulses) kann dann in Abhängigkeit von den vorbestimmten Umgebungsparametern aufsummiert werden. Im Falle, dass die Prüfimpulse jeweils gleich sind, kann alternativ oder zusätzlich auch die Anzahl der Prüfimpulse aufsummiert werden.
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Diese Schritte werden so lange ausgeführt, bis ein bestimmter Alterungszustand, z.B. die Zerstörung oder das Auftreten eines vorbestimmten Leckstromes, erreicht ist.
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In einfacher Weise kann so für unterschiedliche Umgebungsparameter ein Kennlinienfeld erstellt werden, in dem für jeweils unterschiedliche Umgebungsparameter das Verfahren durchlaufen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Alterungsermittlungseinrichtung
- VAR
- Ableiter
- S1
- erste Temperaturmesseinrichtung
- MEM
- Speichereinrichtung
- CPU
- Auswerteeinheit
- DIS
- lokale Anzeige
- I/O
- Schnittstelle
- S2
- zweite Temperaturmesseinrichtung
- S3
- Feuchtigkeitsmesseinrichtung
- PE
- Peltier-Element
