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Die Erfindung betrifft eine Überwachungsanordnung für ein elektrisches Betriebsmittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Überwachungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 20.
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Überspannungsableiter werden im Mittelspannungs- und Hochspannungsbereich eingesetzt, um sog. Überspannungen, also Spannungen weit oberhalb der im Betrieb vorgesehenen Nennspannungen, sicher zu Erde abzuleiten. Hierdurch werden Schäden an Betriebsmitteln wie z.B. Transformatoren vermieden. Beispielsweise kann ein Überspannungsableiter für Hochspannung an einer Freileitung angeordnet werden und bei Blitzeinschlag oder Kurzschluss unzulässig hohe Ströme zur Erde hin ableiten.
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Überspannungsableiter enthalten i.d.R. sog. Varistoren („variable resistors“), d.h. elektrische Widerstände, deren elektrischer Widerstandswert bis zu einer bauartbedingten Schwellenspannung sehr hoch und oberhalb der Schwellenspannung stark vermindert ist, so dass der Überspannungsableiter zu einem guten elektrischen Leiter wird. Es werden z.B. Metalloxidwiderstände in Scheibenform übereinander in einem Gehäuse angeordnet und an den jeweiligen Enden des Gehäuses mit dem Hochspannungspotential und dem Erdpotential verbunden. Dabei ist der Überspannungsableiter im Regelbetrieb kaum leitend, so dass nur ein geringer Leckstrom zur Erde fließt. Im Fall einer Überspannung dagegen fließt ein hoher Ableitstrom.
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Aus der Produktbroschüre „A full range of monitoring solutions for surge arresters“, Siemens AG 2012, Order No. E50001-G630-A141-V2-4A00, ist es von den Seiten 4-6 und 10 bekannt, das Überwachungsgerät „ACM advanced - Arrester Condition Monitoring“ für die Überwachung von Überspannungsableitern einzusetzen. Es wird an das Erdkabel eines Ableiters angeschlossen und verfügt über Solarzellen zur Energieversorgung. Das Gerät weist eine digitale Anzeigeeinrichtung sowie eine Kommunikationseinrichtung auf, die zur Funkübertragung von Messdaten in die unmittelbare Umgebung ausgebildet ist. Es werden von Sensoren Überspannungsimpulse im Hinblick auf eine Maximalamplitude, Pulsweite und Energieeintrag erfasst und mit einem Zeitstempel versehen. Ferner wird der totale Leckstrom erfasst (3. Harmonische Oberschwingung) und die totale Energieabsorption des Ableiters bestimmt. Das Gerät speichert die Messwerte intern in einem Datenspeicher ab, so dass später Informationen aus der Historie der Ableitvorgänge gewonnen werden können.
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Im Zuge der immer stärkeren Vernetzung von Geräten im Internet, dem sog. „Internet of Things“, werden derzeit immer mehr Geräte direkt untereinander durch Maschine-zu-Maschine Schnittstellen verbunden. Im Bereich der Industrieautomatisierung werden beispielsweise unter dem Schlagwort „Industrie 4.0“ Fertigungsstraßen als sog. „Cyber-Physcial-Systems“ simuliert, um in Echtzeit die Produktion von Waren überwachen und optimieren zu können.
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Auch im Bereich der Energietechnik ist es erstrebenswert, vormals nicht fernüberwachbare Geräte wie z.B. Hochspannungstransformatoren über eine Datenkommunikation von außen überwachen zu können. Zur Übertragung und Bündelung von mittels Sensoren erfassten Sensorsignalen des jeweiligen Betriebsmittels wird typischerweise ein Gerät verwendet, dass die Sensorsignale in eine Internetumgebung transferiert („IoT Device“). Aus den Datenblättern „Sensformer™ Connectivity Device“ und „Sensformer™ Connectivity Device, outdoor version“ sind solche Geräte bekannt. Beide Modelle weisen eine begrenzte Anzahl von Eingängen bzw. Schnittstellen auf (z.B. drei Analoge und zwei Digitale Eingänge) sowie eine Reihe von Kommunikationsmöglichkeiten wie z.B. Ethernet, USB, oder Funk (GSM) auf.
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An die Erfindung stellt sich ausgehend von dem bekannten „ACM advanced“ die Aufgabe, eine Überwachungsanordnung anzugeben, mit der vergleichsweise umfassend und effizient eine genaue Fernüberwachung von elektrischen Betriebsmitteln ermöglicht wird.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Überwachungsanordnung gemäß Anspruch 1.
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Eine elektrisches Betriebsmittel im Sinne der Erfindung ist beispielsweise ein Überspannungsableiter oder ein elektrischer Isolator, z.B. ein Langstabisolator. Auch Betriebsmittel, die Isolatoren und Überspannungsableiter aufweisen, wie z.B. ein EGLA („externally gapped line arrester“) sind geeignet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen weist die Überwachungsanordnung eine Rechnereinrichtung auf. Die Rechnereinrichtung weist beispielsweise Prozessormittel und/oder Datenspeichermittel auf, um die erfassten Sensormessdaten in digitaler Form zusammenzufassen und für die Übermittlung vorzubereiten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen weist der erste Sensor eine elektrisch leitfähige Elektrode auf. Diese kann beispielsweise ein Metall aufweisen, also z.B. zumindest anteilig aus Aluminium, Kupfer, Messing, Edelstahl bestehen. Da Ableiter auch im Außenbereich eingesetzt werden, sind witterungsbeständige, d.h. korrosionsbeständige Metalle wie z.B. Messing bevorzugt. Die Elektrode kann beispielsweise als eine Schelle bzw. Manschette oder als ein Band um das Gehäuse geführt sein, d.h. das Gehäuse an seinem Umfang komplett umfassen. Alternativ kann eine Lösung gewählt werden, bei der die Elektrode nur einen Teil des Umfangs des Gehäuses übergreift.
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Bevorzugt ist es ferner, wenn die Elektrode erdseitig angeordnet ist und einen vorher festgelegten Mindestabstand zur metallischen Endarmatur aufweist. Die Elektrode sollte vollständig auf dem isolierten Gehäuse aufliegen und kann beispielsweise zwischen zwei Schirmen, d.h. im Querschnitt gewissermaßen im Tal zwischen zwei Bergen, angeordnet sein.
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Der erste Sensor und auch alle weiteren Sensoren, die ggf. erfindungsgemäß eingesetzt werden, liefern Sensormessdaten. Diese können je nach eingesetztem Sensortyp in unterschiedlichen Datenformaten vorliegen. In einer bevorzugten Variante können alle Sensormessdaten mittels der Rechnereinrichtung zusammengefasst und in einem einheitlichen Datenformat zur Übermittlung vorbereitet werden. Es kann hierfür auch eine Rechnereinrichtung eingesetzt werden, die in einer Kommunikationseinrichtung eines Überwachungssystems vorgesehen ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist ein zweiter Sensor zur Erfassung einer am Betriebsmittel anliegenden Spannung ausgebildet, wobei der zweite Sensor das elektrische und/oder das magnetische Feld in der Umgebung des Betriebsmittels auswertet. Dies ist ein Vorteil, weil Überspannungen erkannt und gezählt werden können, um die thermische Belastung des Betriebsmittels über die Lebenszeit zu ermitteln. Es kann beispielsweise ein Sensor für das elektrische Feld eingesetzt werden, der bevorzugt in der Nähe des Erdpotentials angeordnet wird.
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Wird der zweite Sensor in der Nähe des Hochspannungspotentials eingesetzt, so kann er beispielsweise per sog. „energy-harvesting“ aus umgebender elektromagnetischer Strahlung mit elektrischer Energie versorgt werden, die ggf. in einem Energiespeicher zwischengespeichert wird. Sensormessdaten können per Funkverbindung zu anderen Komponenten der Überwachungsanordnung übermittelt werden, damit Isolationsabstände eingehalten werden können.
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Es kann alternativ oder zusätzlich auch ein Sensor zur Spannungsmessung vorgesehen werden, der galvanisch mit dem Strompfad verbunden ist.
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Der Einsatz des zweiten Sensors ermöglicht insbesondere eine Auswertung der harmonischen Oberschwingungen (z.B. 3., 5., 7. Oberschwingung). Oberschwingungen entstehen durch Betriebsmittel mit nichtlinearer Kennlinie wie etwa Transformatoren. Die nichtsinusförmigen Ströme dieser Verbraucher verursachen an der Netzimpedanz einen Spannungsfall, der die Netznennspannung verzerrt. Dabei verhalten sich die 3. Oberschwingungen (bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ergeben sich 3. Harmonische Oberschwingungen bei 150 Hz) proportional zu den resistiven Anteilen der Ströme. Dies erlaubt es, einen Rückschluss auf die Alterung des mindestens einen Varistors zu ziehen. Mit anderen Worten ist der Varistor umso mehr gealtert, desto stärkere 3. Oberschwingungen erkannt werden. Durch Vergleich mit einer vorher ermittelten Kennlinie bzw. Eichmessung kann aus den Messdaten des zweiten Sensors folglich auf einen Alterungsgrad des mindestens einen Varistors geschlossen werden. Dies ermöglicht eine besonders genaue Lebensdauervorhersage für das Betriebsmittel Überspannungsableiter.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist eine Lebensdauererfassungseinrichtung vorgesehen, die vom Inbetriebnahmezeitpunkt an die Lebensdauer des Betriebsmittels erfasst und an vorgegebenen Lebensaltern des Betriebsmittels ein Wartungssignal abgibt. Dies ist ein Vorteil, weil solche Wartungssignale im Rahmen eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems an eine entfernte Server-Einrichtung übermittelt werden können, um auf diese Weise routinemäßig und automatisiert eine ganze Flotte von Betriebsmitteln managen zu können. Eine Wartung kann beispielsweise eine visuelle Inspektion durch einen Techniker oder durch eine autonome Drohne beinhalten, um Fehler zu erkennen. Sind z.B. Schäden ein einem Gehäuse bzw. Isolatormantel erkennbar, kann ein Austausch des Betriebsmittels durchgeführt werden. Eine solche Wartung kann z.B. für jedes zweite Jahr nach Installation des Betriebsmittels vorgesehen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist ein dritter Sensor zur Erfassung von akustischen Signalen in der Umgebung des Betriebsmittels ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil Vibrationen des Betriebsmittels erkannt werden können. Es kann sich beispielsweise um ein Mikrofon oder ein Piezoelektrisches Bauteil handeln. Das Mikrofon ist beispielsweise geeignet, Frequenzbereiche im für Menschen hörbaren Frequenzbereich von zwischen 20 und 20.000 Hertz, zu überwachen, so dass z.B. Lichtbögen, Klappern oder mechanische Schwingungen mit der Nennfrequenz des Netzes erfasst werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung weist das Betriebsmittel einen elektrischen Isolator auf. Es kann sich z.B. um einen Langstabisolator handeln.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung weist das Betriebsmittel eine Durchführung auf. Es kann sich z.B. um eine Durchführung bzw. ein Bushing für einen Transformator handeln.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung weist das Betriebsmittel einen Überspannungsableiter mit mindestens einem Varistor auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist ein vierter Sensor zur Erfassung einer Betriebstemperatur eines Varistors vorgesehen.
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Es kann z.B. ein Überspannungsableiter eingesetzt werden, der ein Gehäuse mit einem Sichtfenster aufweist. Das Sichtfenster ist mit einem transparenten und infrarot-lichtdurchlässigem Material versehen und der vierte Sensor weist eine Messeinrichtung für Infrarotlicht auf. Der vierte Sensor kann aus einer Messung einer Lichtstärke mittels einer vorher festgelegten Eichkurve auf eine Temperatur des Varistors selbsttätig schließen und diese ermittelte Temperatur bereitstellen. Alternativ kann der vierte Sensor auf die eingangs erwähnte Rechnereinrichtung zurückgreifen, um diese Umrechnung vorzunehmen. Das Sichtfenster kann beispielsweise eine runde oder rechteckige Aussparung in einem Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff sein, das eine Säule aus Varistorenscheiben umgibt. Das Sichtfenster kann z.B. von einem Glas fluiddicht abgeschlossen sein, das durchlässig für Infrarot-Licht ist. Es kann z.B. eine Fotodiode oder eine Wärmebildkamera eingesetzt werden. Besonders geeignet ist ein sog. „Thermopile“ zur Temperaturmessung, wie er beispielsweise auf Wikipedia beschrieben wird (permanenter Link: „https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Thermopile&oldid=890447398).
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Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Sensor für die Temperatur eingesetzt werden, der direkt an einer Varistorenscheibe oder zwischen zwei Varistoren der Ableitersäule angeordnet ist. Beispielsweise kann eine Scheibenförmige Vorrichtung mit dem gleichen Durchmesser wie die verwendeten Varistorenscheiben eingesetzt werden. Eine solche Vorrichtung mit einem sog. Oberflächenwellensensor ist aus der Druckschrift
EP 0 996 956 B1 bekannt.
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Die direkt am Varistor gemessene Temperatur kann bevorzugt an eine Leitstelle (z.B. ein supervisory control and data aquisition (SCADA) system) des Energieversorgungsnetzes übermittelt werden. Beispielsweise kann die Überwachungsanordnung per Modbus oder Ethernet an die Steuertechnik einer Substation angeschlossen sein, die die Temperaturmessdaten and die Leitstelle weiterleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die direkt am Varistor gemessene Temperatur zunächst zur Server-Einrichtung und von dort zur Leistelle übermittelt werden.
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Die gemessene Temperatur des Varistors wird bevorzugt ausgewertet, um bei Überschreiten eines ersten Schwellenwertes von z.B. 200°C eine Vorwarnung zu geben, dass ein sog. „Thermal runaway“ (d.h. eine thermische Überlastung des Ableiters mit Ausfall des Geräts) droht. Ein Techniker der Leitstelle kann Gegenmaßnahmen einleiten und z.B. eine Abschaltung des betreffenden Netzabschnitts planen, um eine thermische Überlastung zu vermeiden. Ferner kann bei Überschreiten eines zweiten Schwellenwertes von z.B. 230 °C eine sofortige Abschaltung des Netzabschnitts, an dem der Ableiter angeordnet ist, ausgelöst werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist der vierte Sensor zur Erfassung einer Umgebungstemperatur des Betriebsmittels ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil die Temperaturdifferenz des Varistors im Vergleich zur Umgebung bestimmt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist ein fünfter Sensor zur Erfassung eines Leckstroms des Überspannungsableiters vorgesehen. Der fünfte Sensor kann beispielsweise am Erdkabel angeordnet sein oder z.B. an der erdseitigen Endarmatur.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist der fünfte Sensor ausgebildet, einem Gesamtleckstrom zu erfassen, der sich aus einem Leckstrom durch den mindestens einen Varistor und einem Kriechstrom über das isolierende Gehäuse zusammensetzt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist der fünfte Sensor zur Erfassung von Gleichströmen und Wechselströmen ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil bisherige Leckstrommessgeräte ausschließlich zur Messung von Wechselströmen vorgesehen werden. Leckstrommessgeräte für Wechselstrom werden beispielsweise mit einem Eisenstab, der von einer Spule umgeben ist, ausgebildet. Eine solche induktive Messeinrichtung ist aber für eine Messung von Gleichströmen ungeeignet. Insbesondere an Freileistungsmasten für sog. Hybridleitungen mit Gleichspannungsleitungen und Wechselspannungsleitungen an einem gemeinsamen Mast kann mit Vorteil eine einheitliche Überwachungsanordnung für Betriebsmittel wie Überspannungsableiter eingesetzt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung weist der fünfte Sensor einen ohmschen Widerstand und eine Funkenstrecke auf, wobei zur Gleichrichtung von Wechselströmen ein Gleichrichter vorgesehen ist. Beispielsweise kann ein Brückengleichrichter eingesetzt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mittels des Gleichrichters auch Wechselströme gemessen werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung weist der fünfte Sensor eine Hall-Sonde aufweist. Es kann beispielsweise ein Metallbolzen oder Dergleichen eingesetzt werden, an dem die Hall-Sonde zur Erkennung von Magnetfeldern angeordnet wird. Eine solche niederohmige Ausführung (der Metallbolzen hat in erster Näherung nahezu keinen elektrischen Widerstand) ist vorteilhaft, weil bisherige Varianten mit elektrischen Widerständen über längere Zeiträume häufig ausfallen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist ein sechster Sensor zur Erfassung einer Dichte eines elektrisch isolierenden Schutzgases ausgebildet. In diesem Fall wird typischerweise ein Hochspannungsableiter als Betriebsmittel überwacht. Der Ableiter weist ein fluiddichtes Gehäuse, z.B. aus Metall auf, das im Inneren mit einer oder mehreren Säulen aus Varistorenscheiben versehen ist. Die Säulen werden häufig mittels GFK-Stangen verspannt. Die Säulen werden durch ein elektrisch isolierendes Schutzgas voneinander und vom Gehäuse elektrisch isoliert. Häufig kommt Schwefelhexafluorid (SF6) unter Druck oder alternativ gereinigte und entfeuchtete Luft zum Einsatz (sog. „Clean Air“ Systeme, wie sie z.B. von der Siemens AG angeboten werden). Die Gasdichte kann beispielsweise mittels Druck- und Temperatursensoren anhand einer Gasgleichung eines idealen Gases o.Ä. bestimmt werden. Geeignet sind insbesondere Sensortypen, die ohne eigene Energieversorgung mittels sog. „energy-harvesting“ aus dem elektromagnetischen Feld betrieben werden können und ihre Messwerte per Funk aus dem Inneren des Gehäuses nach außen senden. Fällt die Gasdichte unter einen vorgegebenen Schwellenwert, so kann der Ableiter nicht mehr sicher betrieben werden und muss abgeschaltet und ersetzt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist ein siebenter Sensor zur Erfassung von Stoßströmen vorgesehen. Stoßströme sind zeitlich kurze Stromstöße mit Stromstärken von z.B. 100 A bis 100 kA. Der siebente Sensor kann beispielsweise eine induktive Strommessung durchführen; es kann bevorzugt eine sog. Rogowskispule eingesetzt werden, die um das Erdkabel herum angeordnet wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist ein Datenspeicher zur Speicherung der von den Sensoren erfassten Messwerten vorgesehen. Der Datenspeicher kann ausgebildet sein, erfasste Sensormessdaten vor einer Übertragung mittels einer Kommunikationseinrichtung zwischen zu speichern. Es kann beispielsweise eine HDD oder ein RAM Speicher verwendet werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass im Falle einer Unterbrechung der Verbindung zwischen der Überwachungsanordnung und einer entfernten Server-Einrichtung die erhobenen Rohdaten zwischengespeichert und später, nach Wiederherstellung einer Verbindung, gesendet werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist eine Energieversorgung vorgesehen, die zur Energiegewinnung über einen Ethernet-Anschluss ausgebildet ist. Eine Energieversorgung kann alternativ oder zusätzlich durch sog. „energy-harvesting“ aus umgebender elektromagnetischer Strahlung mittels einer Energiegewinnungseinrichtung erfolgen. Im Außenbereich kann auch eine Solarstromversorgung vorgesehen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist eine Zeitstempeleinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, den Sensormessdaten jeweils einen Zeitstempel zuzuordnen. Der Zeitstempel gibt dabei jeweils den Zeitpunkt an, an dem die jeweiligen Messwerte bzw. Sensormessdaten in der Überwachungsanordnung erfasst werden. Bevorzugt kann eine einzige Zeitstempeleinrichtung vorgesehen werden, um alle Sensormessdaten, die an den verschiedenen Sensoren entstehen, mit Zeitstempeln zu versehen. Alternativ können mehrere Zeitstempeleinrichtungen vorgesehen werden, also z.B. eine Zeitstempeleinrichtung für jeden Sensor. Die Zeitstempel können dabei beispielsweise ms-genau erfasst werden. Auch eine Erfassung im hundertstel-Sekunden oder im zehntel-Sekundenbereich kann durchgeführt werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Zeitstempeleinrichtung mit einem externen Zeitgeber synchronisiert ist. Beispielsweise kann dies durch den Empfang von Satellitenzeitdaten, z.B. über eine Empfangseinrichtung für das Global Positioning System (GPS) erreicht werden, welche beispielsweise wiederrum mit einer Atomuhr synchronisiert sind. Auf diese Weise ergibt sich der Vorteil, dass alle Sensormessdaten mit der gleichen Zeit erfasst werden, unabhängig davon, wo sich die Überwachungsanordnungen jeweils befindet. Ferner können Messdaten von verschiedenen Überwachungsanordnung in eine zeitliche Reihenfolge gebracht werden, was genauere Berechnungen z.B. einer Netzstabilität in einer Leitstelle ermöglicht.
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Dadurch, dass die Sensormessdaten erfindungsgemäß i.d.R. nicht lokal in einem fest verdrahteten System ausgewertet werden, sondern entfernt und zentral in einer Server-Einrichtung, kann es insbesondere bei Nutzung von Funkverbindungen und/oder Internetverbindungen zu verlangsamten Datentransport oder einer Unterbrechung der jeweiligen Verbindung kommen. Szenarien für eine Unterbrechung der Verbindung sind bspw. ein Stromausfall im Nieder- und/oder Mittelspannungsnetz und damit Ausfall einer GSM-Verbindung und/oder Ausfall einer LAN-Verbindung. Alternativ besteht beim Internet Service Provider ein Systemfehler und die Internet-Verbindung ist seitens des Dienstleisters gestört.
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In einem solchen Fall ist nach Widerherstellung der Verbindung problemlos möglich, die Sensormessdaten anhand ihrer Zeitstempel gegenüber neueren Sensormessdaten in eine zeitliche Reihenfolge zu bringen und auf Seiten der Server-Einrichtung vorgesehene Auswertungen wieder aufzunehmen.
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An die Erfindung stellt sich ausgehend von dem bekannten „ACM advanced“ die Aufgabe, ein Überwachungssystem anzugeben, mit der vergleichsweise umfassend und effizient eine genaue Fernüberwachung von elektrischen Betriebsmitteln ermöglicht wird.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Überwachungssystem gemäß Anspruch 20. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Anspruch 21 angegeben. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße
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Überwachungsanordnung angegeben. Dem Fachmann ist dabei klar, dass sämtliche im Zusammenhang mit der Überwachungsanordnung beschriebene Ausgestaltungen der Erfindung auch im Überwachungssystem Anwendung finden können.
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Es kann sich bei der Server-Einrichtung z.B. um eine zentrale Server-Einrichtung wie beispielsweise ein Rechenzentrum oder eine Cloud-Application handeln. Eine Cloud-Application ist im Sinne der Erfindung als ein Computerprogramm zu verstehen, dass sich über ein Datennetzwerk wie dem Internet vernetzter Ressourcen (Prozessoren, Datenspeicher, usw.) bedient. Beispiele sind Microsoft Azure, Amazon Web Services oder Siemens Mindsphere.
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Es kann sich alternativ oder parallel bei der Server-Einrichtung auch um eine dezentrale Server-Einrichtung handeln; diese kann beispielsweise als in einer Substation lokal vorhandene Rechnereinrichtung verstanden werden.
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Zusätzlich oder alternativ zur vorgenannten Ausführungsform kann auch zwischen der Server-Einrichtung und einer Leitstelle ein Datenaustausch vorgesehen werden, um die Netzsteuerung in der Leitstelle zu verbessern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist die Kommunikationseinrichtung zur Datenkommunikation mit einer Netzleitstelle ausgebildet. Beispielsweise kann eine Datenkommunikation nach der Norm IEC 61850 vorgesehen werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine direkte Verbindung und Übermittlung der Sensormessdaten an eine Netzleitstelle oder eine Steuereinrichtung für eine Substation ermöglicht wird. Auf diese Weise kann ohne Umweg über die eingangs erwähnte Server-Einrichtung direkt z.B. in ein „Supervisory Control and Data Acquisition“ (SCADA) System eingespeist werden. Dies erlaubt es, die Sensormessdaten zur Steuerung des Netzbetriebs zu verwenden. Beispielsweise können anhand der verarbeiteten Sensormessdaten in der Leitstelle Fehler in elektrischen Betriebsmitteln wie z.B. Überspannungsableitern rasch erkannt werden, die sich auf den Netzbetrieb auswirken. Insbesondere kann anhand der Messdaten die Schwere von Störungen und damit die Ausfallwahrscheinlichkeit der elektrischen Anlagen abgeschätzt werden. Ohne die Sensormessdatenauswertung könnte die Leitstelle nur den Ausfall einer elektrischen Anlage erkennen, sobald er passiert. Eine langsame Verschlechterung usw. bliebe unerkannt.
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In einem anderen Beispiel kann auch eine Datenkommunikation nach dem Modbus-Protokoll vorgesehen werden. Dies ist insbesondere innerhalb einer elektrischen Anlage wie z.B. einer Substation vorteilhaft.
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Die Server-Einrichtung kann die Sensormessdaten einer Vielzahl von Datenverarbeitungsanordnungen zentral zusammenführen und damit eine flottenübergreifende Überwachung des Betriebszustands der elektrischen Betriebsmittel bereitstellen. Auf Seiten der Server-Einrichtung kann eine App mit einer Bedienoberfläche vorgesehen sein, die in einem sog. Dashboard neben den aus den Sensormessdaten gewonnenen Informationen auch den jeweiligen Zeitpunkt der Datenerfassung anzeigt. Es ist ferner z.B. eine allgemeine Übersicht zu allen elektrischen Betriebsmitteln eines Netzes und/oder Kunden vorgesehen, die neben einer Beschreibung von ggf. entdeckten Auffälligkeit(en) auch den aktuellen Live-Status (Online/Offline) der jeweiligen Überwachungsanordnungen dargestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist ein Mobilgerät vorgesehen, das zur Datenkommunikation mit der Server-Einrichtung ausgebildet ist. Es kann sich beispielsweise um ein Tablet, ein Handy oder einen Laptop handeln, wobei z.B. ein LTE-Netz zur Datenkommunikation verwendet wird. Das Mobilgerät ist zur Darstellung von Informationen über einen Betriebszustand der elektrischen Anlagen ausgebildet. Eingesetzt werden kann beispielsweise einen Touchscreen. Dieser Ansatz stellt einen entscheidenden Vorteil im Vergleich zu den klassischen Systemen der Leittechnik dar. Elektrische Betriebsmittel lassen sich dadurch bequem, unkompliziert und ortsungebunden überwachen. Es können ferner leicht Vergleiche zwischen zwei oder mehr elektrischen Betriebsmitteln durchgeführt werden, um Abweichungen von zulässigen Betriebsparametern zu erkennen. Kontroll- und Wartungspersonal hat direkt vor Ort bspw. innerhalb eines Umspannwerkes die Möglichkeit, z.B. mittels Tablets oder Notebooks den gesamten Anlagenzustand zu überwachen. Es kann unmittelbar vor einer Aktivität, wie bspw. einer Reparaturmaßnahme, noch einmal den Anlagenzustand überprüfen.
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Als Kommunikationseinrichtung kann beispielsweise ein eingangs beschriebenes „Sensformer™ Connectivity Device“ oder ein „Sensformer™ Connectivity Device, outdoor version“ dienen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist die Kommunikationseinrichtung ausgebildet, die Sensormessdaten an eine weitere Kommunikationseinrichtung einer weiteren Überwachungsanordnung zu übermitteln. Entsprechend sind die beteiligten Überwachungsanordnungen ausgebildet, von jeweils anderen Überwachungsanordnungen Daten zu empfangen.
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Dieses Vorgehen ermöglicht es in Fällen, bei denen keine Verbindung zur Server-Einrichtung oder zur Netzleitstelle möglich ist (schwache Infrastruktur), Daten auch innerhalb der räumlichen Verteilung der elektrischen Anlagen weiterzugeben. Beispielsweise kann dies in einer Substation per W-LAN, WAN, Funk oder per Ethernet erfolgen. Die Weitergabe der Sensormessdaten findet statt, bis eine Überwachungsanordnung erreicht ist, die eine Verbindung zur Server-Einrichtung und/oder zur Netzleitstelle herstellen kann. Hierdurch entsteht ein dynamischer Sendepfad. Mit dieser Methode lassen sich auch die effektiven Übergabepunkte in die Datenwolke reduzieren. Man kann also auch gezielt Überwachungsanordnungen verbauen, die geplant keine Verbindung zur Server-Einrichtung und/oder zur Netzleitstelle aufbauen können. In einem solchen Fall können alle Überwachungsanordnung einen gemeinsamen Router verwenden, um Kontakt nach außen herzustellen. Im Extremfall sind die Verbindungspunkte derart limitiert, dass ein Mesh-Netzwerk aufgebaut werden muss. So können auch größeren Distanzen überwunden werden, bevor eine Verbindung zur Server-Einrichtung und/oder zur Netzleitstelle hergestellt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist zentrale Server-Einrichtung ausgebildet, anhand eines ermittelten Kriechstromes einen Verschmutzungsgrad des Gehäuses zu bestimmen. Anhand des Verschmutzungsgrades kann zusätzlich ein nächster Wartungstermin festgelegt werden. Diese Ausführungsform ist von besonderem Vorteil, weil in vielen Regionen der Welt durch besonders harsche Umweltbedingungen die isolierenden Betriebsmittelgehäuse stark mit elektrisch-leitfähigen Fremdschichten belastet werden können. Deswegen lassen Kunden beispielsweise in Ägypten die Gehäuse von Betriebsmitteln mit Porzellanmantel regelmäßig durch Wartungsteams reinigen, um Sandablagerungen, Salze und dergleichen zu entfernen. Auch von den kanarischen Inseln ist bekannt, dass Kunden bei Polymer-Gehäusen regelmäßige Reinigungseinsätze bzw. Abwaschungen durchführen. Dies dient der Sicherheit der Betriebsmittel, da Fremdschichtentladungen bei verschmutzten Gehäusen vermieden werden können. Allerdings sind solche Einsätze sehr personal-, zeit- und kostenintensiv. Ferner muss aus Gründen der Arbeitssicherheit das betreffende Betriebsmittel spannungsfrei geschaltet werden, was die Verfügbarkeit und Sicherheit des Energienetzes verringert. Es ist daher ein großer Vorteil der Erfindung, dass nicht ein zur Sicherheit minimales Reinigungsintervall für alle Betriebsmittel eines Kunden festgelegt werden muss. Vielmehr kann nun anhand der Kriechstrommessung ein Rückschluss auf einen Verschmutzungsgrad, d.h. z.B. auf Art und Stärke der Fremdschicht durch Vergleich mit Eichmessungen gezogen werden und eine Vorhersage über den weiteren zeitlichen Verlauf der Verschmutzung berechnet werden. Dies ermöglicht es, für jedes Betriebsmittel individuell einen Wartungszeitpunkt festzulegen, weil z.B. der Verschmutzungsgrad einen zulässigen Schwellenwert überschritten hat. Dies spart Zeit und Kosten ein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist zentrale Server-Einrichtung ausgebildet, anhand einer Korrelation von gemessenem Leckstrom durch den mindestens einen Varistor mit einer gemessenen Gehäusetemperatur, einen Einfluss von direkter Sonneneinstrahlung auf die Gehäusetemperatur zu bestimmen. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise eine erkennbare Erwärmung des Betriebsmittels an der Außenseite (auch ohne Kenntnis einer direkt gemessenen Varistortemperatur) als unkritisch für die Sicherheit erkannt werden kann, da der Leckstrom im Wesentlichen in einem Erwartungsbereich verharrt und nicht ansteigt. Dies ist ein Vorteil, weil falsche Alarme in Bezug auf die Temperatur des Ableiters vermieden werden können. Auch ohne direkte Messung der Temperatur des Varistors kann ein sog. „thermal runaway“ des Varistors ausgeschlossen werden.
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Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigt die 1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ein Überspannungsableiter 2 weist in seinem Inneren eine Vielzahl von Varistorenscheiben 8, 10 bzw. spannungsabhängige Widerstände auf, die zu einer Ableitsäule übereinandergestapelt und zwischen zwei Endarmaturen 28 verspannt sind. Die Verspannung wird in einer sogenannten Käfigbauweise mittels Zugelementen 24 hergestellt. Bei den Zugelementen 24 handelt es sich beispielsweise um Stangen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Die auf diese Weise verspannte Ableitersäule ist in einem rohrförmigen Gehäuse 25 angeordnet, das von einem elektrisch isolierenden Gehäuse 4 mit kriechwegverlängernder Beschirmung umgeben ist. Die kriechwegverlängernde Beschirmung kann beispielsweise aus Silikonkautschuk oder Porzellan hergestellt sein. Hochspannungsseitig weist der Überspannungsableiter 2 einen ersten Anschlussbolzen 26 auf. Erdseitig ist ein zweiter Anschlussbolzen 27 mit einem Erdkabel 36 verbunden. Das Rohr 25 sowie das Isoliergehäuse 4 weisen an einer Stelle eine Aussparung 11 auf, in der ein Sichtfenster 12 vorgesehen ist. Das Sichtfenster 12 ist fluiddicht verschlossen mit einer transparenten und für Infrarotlicht durchlässigen Scheibe, beispielsweise aus einem geeigneten Glas oder Kunststoff.
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Der Überspannungsableiter wird auf verschiedenste Betriebsparameter mittels einer Überwachungsanordnung 1 überwacht. Diese weist einen ersten Sensor 3 auf, der an dem kriechwegverlängernden Schirm zur Erfassung eines oberflächlichen Kriechstromes angeordnet ist. Dieser erste Sensor 3 ist mit einem Eingang 31 eines Gehäuses 35 verbunden. Ein zweiter Sensor 5 ist zur Erfassung einer am Überspannungsableiter 2 anliegenden Spannung ausgebildet und erfasst das elektrische und/oder magnetische Feld in der Umgebung des Überspannungsableiters 2. Dieser zweite Sensor 5 ist mit einem Eingang 34 verbunden. Ein vierter Sensor 9 ist zur Erfassung einer Betriebstemperatur eines Varistors 10 vorgesehen. Hierfür weist der Sensor 9 eine Messeinrichtung für Infrarotlicht auf und wird an dem Sichtfenster 11 angeordnet. Der vierte Sensor 9 ist mit einem Eingang 33 verbunden. Ein dritter Sensor 7 ist in der Umgebung des Überspannungsableiters 2 angeordnet und zur Erfassung von akustischen Signalen ausgebildet. Dieser Sensor 7 ist mit einem Eingang 32 verbunden.
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In dem Gehäuse 35 der Überwachungsanordnung 1 sind die Eingänge 30 - 34 über Datenkommunikationsleitungen 37 mit einer Rechnereinrichtung 17 verbunden. Diese weist einen Datenspeicher 14 auf. Die an den Eingängen 30 - 34 ankommenden Sensormessdaten werden zur Rechnereinrichtung 17 übermittelt und dort zusammengefasst sowie für die Übermittlung vorverarbeitet. Über eine weitere Datenkommunikationsleitung 37 ist die Rechnereinrichtung 17 mit einer Kommunikationseinrichtung 18 verbunden. Die Kommunikationseinrichtung 18 ist zur Datenübertragung 20 per Funk an eine Cloud-Applikation 19 ausgebildet. Im Gehäuse 35 sind ferner eine Energieversorgung 15, die zur Energiegewinnung über einen Ethernetanschluss 16 ausgebildet ist, sowie ein Energiespeicher 16 vorgesehen. Eine Lebensdauererfassungseinrichtung 6 ist vorgesehen, um vom Inbetriebnahmezeitpunkt an die Lebensdauer des Überspannungsableiters 2 zu erfassen und an vorgegebenen Lebensaltern des Überspannungsableiters ein Wartungssignal über eine weitere Datenkommunikationsleitung an die Kommunikationseinrichtung 18 zu übergeben. In der Cloud-Applikation 19, die als eine Servereinrichtung mit dezentralen Ressourcen verstanden werden kann, werden die Sensormessdaten weiterverarbeitet und beispielsweise im Rahmen eines Flottenmanagements für eine Vielzahl von zu überwachenden Betriebsmittels strukturiert dargestellt. Diese Informationen können mittels einer Datenkommunikation 21 an ein Mobilgerät 22 übergeben werden. Das Mobilgerät ist beispielsweise ein Handy oder Tablet. Dieses verfügt über eine Anzeigeeinrichtung 23, zum Beispiel einen Touchscreen. Ein Wartungstechniker kann auf diese Weise einfach und ortsungebunden jederzeit den Betriebszustand des Überspannungsableiters 2 ermitteln und gegebenenfalls Wartungs- oder Reparaturmaßnahmen einleiten.
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Bisherige Überwachungsanordnungen wie der bekannte „ACM advanced“ verfügen nicht über eine Mehrzahl von Eingängen, um verschiedenste Sensormessdaten gleichzeitig erfassen zu können. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber bisherigen Geräten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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