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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen eines Gleichstromanteils in einem elektrischen Gerät.
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Bei elektrischen Transformatoren, wie sie in Energie-Übertragungs- und Verteilungsnetzen eingesetzt werden, kann es zu einer unerwünschten Einspeisung eines Gleichstroms beispielsweise in die Wicklungen kommen. Auch leistungselektronische Baukomponenten im Netz, beispielsweise die Ansteuerung elektrischer Antriebe, Umrichter für Flexible AC Transmission Systeme oder die Hochspannungsgleichstromübertragung können für Gleichströme im elektrischen Gerät sorgen. Eine andere Ursache können so genannte „Geomagnetically Induced Currents“ (im Folgenden auch kurz als GIC bezeichnet) sein.
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Ein Gleichstromanteil hat im Kern des Transformators einen magnetischen Gleichfluss-Anteil zur Folge, der sich dem Wechselfluss überlagert. Es kommt zu einer unsymmetrischen Aussteuerung des magnetischen Werkstoffs im Kern was eine Reihe von Nachteilen mit sich bringt. Bereits ein Gleichstrom von wenigen Ampere führt zu einer Sättigung des Kerns mit magnetischem Fluss. Damit verbunden ist eine signifikanten Erhöhung der Verluste im Kern (z.B.: 20-30%). Erwärmungsprobleme können insbesondere bei großem GIC auftreten. Es kommt ferner bei Betrieb zu einer erhöhten Geräuschemission, die insbesondere dann als besonders störend empfunden wird, wenn der Transformator in der Nähe eines Wohnbereichs installiert ist.
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Zur Gleichstrom-Kompensation bzw. Verringerung von Betriebsgeräuschen eines Transformators als elektrisches Gerät sind verschiedene aktiv und passiv wirkende Einrichtungen bekannt. Bevor kostenintensive Maßnahmen zur Gleichstromkompensation ergriffen werden, sollte jedoch sicher sein, ob ein solcher Gleichstromanteil überhaupt vorliegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem einfach, schnell und sicher festgestellt werden kann, ob beim Betrieb des elektrischen Geräts in einem Hochspannung führenden elektrischen Versorgungsnetz Gleichstromanteile auftreten.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Schwingung des Kerns und die dadurch verursachten Betriebsgeräusche des elektrischen Geräts mit Hilfe von akustischen Sensoren erfasst werden, die ausgangsseitig akustische Signale bereitstellen, die akustischen Signale mittels einer Fouriertransformation unter Gewinnung eines Frequenzspektrums in ihre Frequenzanteile zerlegt werden, in Abhängigkeit einer Grundfrequenz der Wechselspannung des Hochspannungsversorgungsnetzes gerade und ungerade Frequenzanteile des Frequenzspektrums ermittelt und in ein Verhältnis R zueinander gesetzt werden und auf das Vorliegen eines Gleichstromanteils geschlossen wird, wenn das Verhältnis R einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wobei die akustischen Sensoren Teil einer tragbaren Einheit sind.
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Erfindungsgemäß kann mittels einer tragbaren Einheit schnell, einfach und mit hoher Sicherheit festgestellt werden, ob in einem elektrisches Gerät wie beispielweise einem Leistungstransformator beim Betrieb Gleichstromanteile auftreten. Bisher erfolgte der Nachweis von Gleichströmen durch aufwändige elektrische Messungen oder akustische Messreihen am elektrischen Gerät. Die Analyse der Messdaten musste durch Experten erfolgen. Mit anderen Worten hatten die vorbekannten Verfahren hohe Kosten im Gefolge. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hingegen nicht nur kostengünstig, sondern kann darüber hinaus einfach in Gang gesetzt werden, ohne dass ein besonderes Fachwissen erforderlich ist. Es kann daher von beliebigen Nutzern, beispielsweise den Betreibern des elektrischen Geräts, durchgeführt werden.
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Beim Betrieb des elektrischen Geräts ist dieses im Rahmen der Erfindung an ein Hochspannungsnetz angeschlossen. Das elektrische Gerät ist daher für Hochspannungen ausgelegt und beispielweise ein Transformator oder eine Drossel.
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Mathematisch kann das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt beschrieben werden. SxN sei der Signalwert des Frequenzspektrums in willkürlichen Einheiten, wobei x für gerade (x=g), ungerade (x=u) oder rauschen (x=n) steht. N ist die Ordnungszahlt des Signals, wobei N=1 der Grundschwingung entspricht und N=2,3,4, ... ,Nmax den harmonischen Oberschwingungen. Gerade Frequenzen fgN ergeben sich bei einer Speisespannung von 50 Hz gemäß fgN = 50*2*N. Ungerade Frequenzen ergeben sich nach fuN = 50*(2*N + 1). Ein Gleichstromanteil im elektrischen Gerät verursacht einen zusätzlichen ungeraden Anteil am Gesamtspektrum. Setzt man nun die Summe aller ungeraden Anteile am Gesamtspektrum ins Verhältnis R zu den geraden Anteilen am Gesamtspektrum und überschreitet dieses Verhältnis R eine zuvor festgelegten Schwellenwert, kann auf das Vorliegen eines störenden Gleichstromanteils geschlossen werden. Die Größe von R zeigt die Auswirkung des Gleichstromanteils auf den Kern.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die tragbare Einheit ein Mobiltelefon. Als Mobiltelefon eignet sich ein so genanntes „Smart Phone“ besonders gut. Smart Phone sind können im Allgemeinen als leistungsfähige Mobiltelefone betrachtet werden.
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Mobiltelefone sind üblicherweise bereits mit einem Mikrophon als akustischen Sensor ausgerüstet. Ferner verfügt ein Mobiltelefon über einen Speicher sowie eine programmierbare Einheit, beispielsweise über wenigstens einen Prozessor. Das gesamte erfindungsgemäße Verfahren kann auf dem Mobiltelefon durchgeführt werden. Hierbei kommt eine so genannte Applikation, eine APP, also ein Softwarepaket zum Einsatz. Die App kann vorteilhafterweise von einer so genannten Cloud heruntergeladen werden kann. Ein zusätzlicher Kauf einer Hardware zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Rahmen der Erfindung überflüssig geworden. Das Mobiltelefon erfasst beispielsweise die Geräusche eines Transformators und führt eine Fourietransformation der zeitlich aufgelösten digitalen akustischen Signale durch. Das sich daraus ergebende Spektrum wir beispielsweise auf einer Speichereinheit das Mobiltelefons gespeichert. Anschließend erfolgt die Untersuchung der geraden und der ungeraden Anteile und schließlich deren Gewichtung und Aussummierung. Abschließend erfolgt die bereits beschriebene Bildung des Verhältnisses R.
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Vorteilhafterweise verfügt das Mobiltelefon über eine Speichereinheit, auf der die akustischen Signale oder das Frequenzspektrum gespeichert werden.
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Bevorzugt wird das das gesamte Verfahren auf einem Mobiltelefon durchgeführt. Auf diese Weise benötigt der Anwender des Verfahrens nur die Anwendungssoftware, die er von der Cloud herunterladen kann.
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Bevorzugt werden die akustischen Signale an verschiedenen Orte in der Nähe des elektrischen Geräts erfasst. Hierzu nimmt der Nutzer die Geräusche des elektrischen Geräts an unterschiedlichen Positionen oder Messorten auf, beispielsweise vor, neben und hinter dem elektrischen Gerät. Anschließend wird für alle Frequenzanteile aus den jeweils gewonnen Spektren ein Mittelwert über die durchgeführten Messungen gebildet. Bevorzugt führt eine Software den Nutzer hierbei interaktiv, so dass die richtigen Schritte zur richtigen Zeit durchgeführt werden können.
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Vorteilhafterweise werden die akustischen Signale über eine vorgegebene Zeitdauer hinweg erfasst. Die Zeitdauer liegt bevorzugt im Bereich zwischen 10 und 60 Sekunden für jede Messung.
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Vorteilhafterweise ist das mobile Gerät über eine Fernbereichskommunikationsverbindung mit einer Cloud verbindbar.
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Die Verbindung zur Cloud erfolgt über eine FernbereichsKommunikationsverbindung. Um diese herzustellen, verfügt die tragbare Einheit, z.B. das Mobiltelefon, über eine Fernbereichskommunikationseinrichtung, wie beispielsweise ein Mobilfunkmodul nach GPRS- oder UMTS-Standard auf. Mit diesem wird eine Fernbereichskommunikationsverbindung, vorzugsweise eine IP-basierte Datenverbindung, mit der Cloud aufgebaut.
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Dabei kann beispielsweise ein Anbieter eines Mobilfunkdienstes oder ein Telekommunikationsanbieter zwischengeschaltet sein und die Fernbereichskommunikationsverbindung kann zumindest teilweise über ein Kommunikationsnetz dieses Anbieters und/oder zumindest teilweise über das Internet hergestellt werden. Zur Herstellung der Verbindung fällt dann ein nur sehr geringer Konfigurations- beziehungsweise Parametrieraufwand an. Außer der Konfigurierung der Fernbereichs-Kommunikationseinrichtung mit den für den Aufbau der FernbereichskommunikationsVerbindung notwendigen Informationen, z.B. den Einbau einer SIM-Karte eines Telekommunikationsanbieters, muss für die einzelne Kommunikationseinheit kein weiterer Aufwand betrieben werden.
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Unter einer Cloud oder Datenverarbeitungs-Cloud soll hier eine Anordnung mit einer oder mehreren Datenspeichereinrichtungen und einer oder mehreren Datenverarbeitungseinrichtung verstanden werden, die durch geeignete Programmierung zur Durchführung beliebiger Datenverarbeitungsprozesse ausgebildet werden kann. Die Datenverarbeitungseinrichtungen stellen hierbei in der Regel universelle Datenverarbeitungseinrichtung, wie beispielsweise Server, dar, die hinsichtlich ihrer Konstruktion und ihrer Programmierung zunächst keinerlei spezifische Auslegung aufweisen. Erst durch eine vorgenommene Programmierung lässt sich die universelle Datenverarbeitungseinrichtung zur Ausführung spezifischer Funktionen ertüchtigen.
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Insofern die Cloud mehrere einzelne Komponenten aufweist, sind diese auf geeignete Weise zur Datenkommunikation miteinander verbunden, beispielsweise durch ein Kommunikationsnetzwerk. Einer Datenverarbeitungs-Cloud können beliebige Daten zur Datenspeicherung und/oder Verarbeitung zugeführt werden. Die Datenverarbeitungs-Cloud selbst stellt die gespeicherten Daten und/oder die Ereignisse der durchgeführten Datenverarbeitung wiederum anderen Geräten, beispielsweise mit einer Datenverarbeitungs-Cloud verbundenen Computerarbeitsstationen, Laptops, Smartphones zur Verfügung. Eine Datenverarbeitungs-Cloud kann beispielsweise durch ein Rechenzentrum oder auch mehrere vernetzte Rechenzentren bereitgestellt werden. Üblicherweise ist eine Datenverarbeitungs-Cloud räumlich entfernt von den Hochspannungsgeräten ausgebildet.
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Das elektrische Gerät ist im Rahmen der Erfindung ist für einen Betrieb im Spannungs- bzw. Hochspannungsnetz ausgelegt, d.h. für eine Betriebsspannung zwischen 1 kV und 1200 kV, insbesondere 50 kV und 800 kV. Das Hochspannungsnetz ist bevorzugt ein Wechselspannungsnetz. Aber auch eine Kombination aus Wechsel- und Gleichspannung-netz sind im Rahmen der Erfindung möglich.
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Erfindungsgemäß ist ein elektrische Gerät beispielsweise ein Transformator, insbesondere Leistungstransformator, eine Drossel oder dergleichen.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei die
- Figur ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch verdeutlicht.
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Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein Transformator 1 als elektrisches Gerät schematisch verdeutlicht ist. Der Transformator 1 weist einen Tank 2 auf, der mit einem Isolierfluid befüllt ist. In dem Tank ist ein magnetisierbarer Kern 3 angeordnet, der einen geschlossenen Magnetkreis ausbildet. Die Schenkel des Kerns 3 sind jeweils von zwei konzentrisch zueinander angeordneten Wicklungen umschlossen, von denen nur die äußere Oberspannungswicklung 4 erkennbar ist. Die Wicklungen sind über Durchführungen 5 mit den Phasen eines Wechselspannung führendes Hochspannungsnetz verbunden.
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Ein Ausdehnungsgefäß 6 dient zum Ausgleich temperaturbedingter Volumenschwankungen des Isolierfluids im Tank 2 des Transformators 1. In der Verbindungsleitung zwischen Tank 2 und Ausdehnungsgefäß 6 ist ein Buchholzrelais 7 erkennbar.
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In der Figur ist ferner ein ebenfalls nur schematisch dargestelltes Mobiltelefon 8 erkennbar, mit dem an vier verschiedenen Orten A, B, C und D die Betriebsgeräusche des Transformators 1 erfasst werden. Dazu verfügt das Mobiltelefon 8 über eine Software oder ein „App“, die den Anwender des Verfahrens auffordert, die Geräuschmessung über eine vorgegebene Zeitdauer hinweg durchzuführen und anschließend den Standort zu wechseln, um dort die Messung erneut durchzuführen.
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Zur Geräuschmessung wird ein ohnehin im Mobiltelefon verbautes figürlich nicht dargestelltes Mikrofon verwendet. Das Mobiltelefon 8 speichert die von seinem Mikrofon auf Grund der Messung erzeugten zeitlich aufgelösten akustischen Signale nach deren Digitalisierung auf seiner ebenfalls nicht gezeigten Speichereinheit ab. Anschließend führt die Software eine Fouriertransformation durch. Es folgt die oben bereits beschrieben Bildung des Verhältnisses R.
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Aus der Größe von R leitet das erfindungsgemäße Verfahren ab, ob und ggf. in welcher Größenordnung der Transformator von einem Gleichstromanteil belastet wird. Der Nutzer hat mit dem Ergebnis des Verfahren darüber Gewissheit und kann nun angemessene Gegenmaßnahmen einleiten, um den möglicherweise festgestellten Gleichstromanteil zu unterdrücken.
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Die Sensoren A und B sind beispielsweise im Boden vergraben, die Messungen an den Positionen C und D finden im Hochspannungsbereich statt, Die Messungen winden hier beispielsweise in etwa auf der mittleren Höhe des Kessels (der Wicklungen) statt.
