DE10232823A1

DE10232823A1 - Dichtewächter für SF6-isolierte Hoch- oder Mittelspannungsanlagen oder -geräte

Info

Publication number: DE10232823A1
Application number: DE10232823A
Authority: DE
Inventors: Juergen Beuting; Eugen Klopfer; Wolfgang Urban
Original assignee: Hydrotechnik GmbH; RWE Net AG
Current assignee: Hydrotechnik GmbH; RWE Energie AG
Priority date: 2002-04-29
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2022-07-20
Also published as: DE10232823B4

Abstract

Es wird ein Dichtewächter (10) zur Überwachung der Dichte des in gasisolierten Hoch- oder Mittelspannungsanlagen oder -geräten, zum Beispiel Hochspannungsschaltanlagen, -wandlern, -rohrleitern, als Isolator befindlichen Gases, zum Beispiel SF¶6¶, mit einem elektronischen Dichtesensor (14) als Messwertgeber beschrieben, der einen im Gas (12) angeordneten Mess-Schwingquarz (16) aufweist und als Messwert (18) ein zur Dichte des Gases proportionales Frequenzsignal liefert, wobei das Frequenzsignal einem Eingang einer elektronischen Auswerteeinheit (20) zugeführt wird. Um eine verbesserte Prognose des Eintretens des Störfalles und eine verbesserte Analyse der Störursachen zu ermöglichen, weist die Auswerteeinheit (20) einen Speicher (24) auf, in dem, ggf. einer Umrechnungsfunktion (26) unterworfene, Messwerte zeitlich aufeinander folgender Messwerterfassungen zusammen mit dem Zeitpunkt der jeweiligen Messung als Daten abgelegt werden (Figur 2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Dichtewächter zur Überwachung der Dichte des in gasisolierten Hoch- oder Mittelspannungsanlagen oder -geräte, zum Beispiel Hochspannungsschaltanlagen, -wandlern, -rohrleitern, Schaltgeräte und Transformatoren, als Isolator befindlichen Gases, zum Beispiel SF6, mit einem elektronischen Dichtesensor als Messwertgeber, der einen im Gas angeordneten Mess-Schwingquarz aufweist und als Messwert ein zur Dichte des Gases proportionales Frequenzsignal liefert, wobei das Frequenzsignal einer elektronischen Auswerteeinheit zugeführt wird.

Ein Dichtesensor der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 40 04 969 A1 bekannt. Diese Sensoren beruhen auf der dichteabhängigen Frequenzverschiebung der mechanischen Resonanz eines Schwingquarzes, der in dem Gas, dessen Dichte zu bestimmen ist, angeordnet ist. Insbesondere gelangt dieser Dichtesensor bei Leistungsschaltern, Wandlern, Rohrleitern von Hochspannungsanlagen in Kraftwerken, Umspannstationen, Verteilerstationen zur Anwendung, die vorwiegend mit SF₆-Gas gefüllt sind, welches als elektrischer, Isolator dient und insbesondere bei Leistungsschaltern auch die Aufgabe hat, elektrische Lichtbögen zu löschen.

Aus der DE 199 01 119 A1 ist ein Überwachungssystem für gasisolierte Hochspannungsschalteranlagen bekannt, bei dem im Überstrombereich für unterschiedliche Stromwerte ebenfalls unterschiedliche maximal zulässige Gastemperatur-Grenzwerte vorgegeben werden. Eine Überwachungseinrichtung vergleicht den aktuellen Gastemperatur-Istwert mit dem für den aktuellen Stromwert maximal zulässigen Gastemperatur-Grenzwert. Ein Abschaltbefehl wird gegeben, wenn der Gastemperatur-Istwert den Gastemperatur-Grenzwert erreicht bzw. überschreitet.

Allgemein besteht bei diesen gasisolierten Hochspannungsanlagen das Problem, dass ein Großteil der Anlagen eine über viele Jahre konstante oder annähernd konstante Leckrate besitzt. In einigen Fällen kann es auch zu einem sprunghaften Anstieg der Leckrate kommen. In beiden Fällen unterschreitet die Dichte des Isolationsgases letztendlich einen ersten oberen Schwellwert. Bei diesem Schwellwert handelt es sich um einen sogenannten Warnschwellwert, bei dessen Erreichen eine Steuerfunktion, z. B. eine Funktionssperre des Gerätes, noch nicht ausgelöst wird. Dieser Warnschwellwert ist derart eingestellt bzw. gewählt, dass die Hochspannungsanlage noch vollständig funktionsfähig ist, wenn die Dichte des Schutzgases diesen Warnschwellwert erreicht.

Bei dem nächst niedrigeren Schwellwert handelt es sich um einen sogenannten Störschwellwert. Erreicht die Dichte des Schutzgases der Hochspannungsanlage diesen Störschwellwert, wird die Hochspannungsanlage beziehungsweise der Leistungsschalter, Transformator, Messwandler und dergleichen im allgemeinen außer Betrieb gesetzt, bzw. eine Funktionssperre des betreffenden Gerätes ausgelöst. Beispielsweise kann ein Hochspannungsleistungsschalter Ein- oder Ausschaltbefehle nicht mehr ausführen, wenn die aktuelle Dichte des Schutzgases diesen Störschwellwert unterschreitet. Bei derartigen Betriebssituationen ist beispielsweise die Schutzfunktion eines Leistungsschalters für das betreffende Teil des Netzes oder des zu schützenden Gerätes nicht mehr gegeben, Gegebenfalls müssen dann ganze Anlagenteile bzw. Hochspannungsanlagen abgeschaltet werden, um das Anlagenteil, bei dem die Gasdichte den Störschwellwert unterschritten hat, vom Hochspannungsnetz zu trennen.

Da ein Absinken der Dichte des Schutzgases unter den Störschwellwert des jeweiligen Hochspannungsanlagenteils wegen der damit einhergehenden Funktionsunfähigkeit dieses Hochspannungsanlagenteils auf jeden Fall vermieden werden soll, wird in der Regel bereits dann, wenn die Gasdichte den Warnschwellwert unterschritten hat, das Hochspannungsanlagenteil umgehend aus dem Netz genommen. Dies deshalb, weil die Leckrate nicht bekannt und die Situation hinsichtlich ihrer weiteren Entwicklung nur schwer zu beurteilen und der Handlungsbedarf nur schwierig einstufbar ist. Es muß dann eine Ursachenforschung und insbesondere Wiederherstellung der gewünschten Dichte des Schutzgases durchgeführt werden. Diese Maßnahmen sind jedoch mit großem technischen Aufwand verbunden und können wegen der für die Untersuchung erforderlichen Abschaltung auch zu vorübergehenden Stromausfällen beim Kunden führen, obwohl in der großen Mehrzahl der Fälle, in denen die Gasdichte des Schutzgases zunächst nur den Warnschwellwert unterschritten hat, eine umgehende Überprüfung, Ursachenforschung und Wartung nicht erforderlich ist, sondern erst in einigen Tagen oder Wochen durchzuführen ist, wenn beispielsweise ohnehin erforderliche Routine- oder Standardwartungen durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dichtewächter der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine verbesserte Prognose des Eintretens des Störfalles und eine verbesserte Analyse der Störursachen ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird bei dem Dichtewächter mit den eingangs genannten Merkmalen im wesentlichen dadurch gelöst, dass die Auswerteeinheit einen Speicher aufweist, in dem, ggf. einer Umrechnungsfunktion unterworfene, Messwerte der Dichte des Gases zeitlich aufeinander folgender Messwerterfassungen zusammen mit dem Zeitpunkt der jeweiligen Messung als Daten abgelegt werden.

Aufgrund dieser Maßnahme ist es möglich, nicht nur einen Momentanwert der aktuellen Gasdichte des Schutzgases der Hochspannungsanlage zu erfassen und mit Schwellwerten zu vergleichen, sondern es besteht die Möglichkeit, die zeitliche Entwicklung der Dichtewerte des Schutzgases über einen definierbaren Zeitraum zu beurteilen, da die Dichtewerte einschließlich der Messzeitpunkte in einem Speicher abgelegt sind. So kann beispielsweise dann, wenn die Gasdichte den Warnschwellwert unterschritten hat, der zeitliche Verlauf der Gasdichte über einen längeren, in der Vergangenheit liegenden Messzeitraum analysiert werden. Sofern dabei festgestellt wird, dass es sich um eine lineare oder stetige bzw. langsam veränderliche Reduzierung der Gasdichte handelt, kann der Zeitpunkt der voraussichtlichen Unterschreitung des Störschwellwertes prognostiziert werden, so dass die erforderliche Wartung bzw. Außerbetriebsetzung der Hochspannungsanlage beispielsweise dann durchgeführt werden kann, wenn ein Blockstillstand eines Kraftwerks oder Kraftwerkteils oder eines Anlagenteils ohnehin geplant ist. Durch die Erfindung ist es möglich, die Leckrate abhängig vom Betriebszustand der Schaltstellung (Belastung) zu erkennen und damit Prognosen für einen weiteren Betrieb der Anlage beziehungsweise des Gerätes zu stellen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Dichtewächters ist seine universelle Einsetzbarkeit in allen SF₆-Anlagen, Schaltgeräten, Transformatoren, Rohrleitung und Wandlern, und zwar unabhängig von dem jeweiligen Einbauort und der jeweiligen Einbaulage und der Verzicht auf die direkte oder indirekte Temperaturmessung des zu überwachenden Gases.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Auswerteeinheit einen, bevorzugt mehrere, insbesondere drei, frei programmierbare Sollwertgeber aufweist, wobei die Messwerte mit den Sollwerten verglichen werden und bei unzulässigen Abweichungen ein oder mehrere unterschiedliche Alarmstufen, insbesondere über Relais oder Anzeigevorrichtungen, aktiviert werden. So kann beispielsweise bei nur geringen Abweichungen von dem Sollwert der Gasdichte ein optisches Display bzw. eine blinkende Messwertanzeige aktiviert werden. Wird der Warnschwellwert erreicht, kann ein erstes Relais aktiviert werden, welches beispielsweise einen Alarm in einer Überwachungszentrale auslöst. Bei Unterschreiten des Störschwellwertes kann ein weiteres Relais aktiviert werden, welches einerseits die betroffene Hochspannungsanlage, beispielsweise hinsichtlich Schaltvorgängen deaktiviert und andererseits einen Warnalarm bei einer Kontrollstelle auslöst.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein erster Sollwertgeber auf einen Warnschwellwert und ein zweiter und dritter Sollwertgeber auf einen Störschwellwert eingestellt beziehungsweise der dritte Störschwellwert auf ein Überschreiten der maximalen Dichte des Gases eingestellt. Die letzte Variante, mit Einstellen des dritten Störschwellwertes auf Überschreiten einer maximalen Gasdichte, kann sich insbesondere bei der Überwachung von Lichtbogeneinwirkungen, wie beispielsweise Blitzeinwirkungen, in Gasräumen einstellen.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Messwerte des Dichtesensors mittels einer Umrechnungsfunktion bzw. Umrechnungstabelle numerisch in Dichtewerte umgerechnet und ggf. mit einer Anzeigevorrichtung der Auswerteeinheit zur Anzeige gebracht. Die Möglichkeit der Anzeige ist ein weiterer Vorteil gegenüber den meisten Dichtewächtern nach dem Stand der Technik. Der Dichtesensor arbeitet nach dem Prinzip bevorzugt zweier Schwingquarze, wobei ein Messschwingquarz dem Gas, dessen Dichte gemessen werden soll, ausgesetzt ist und der andere Referenzschwingquarz bevorzugt im Vakuum angeordnet ist, sich jedoch auf dem gleichen Temperaturniveau wie der Messschwingquarz befindet und zur Kompensation von Temperaturdriften der Schwingfrequenz des Messschwingquarzes dient. Basis dieses Meßprinzipes ist es, dass bei dem Umlagern des Messschwingquarzes mit beispielsweise SF₆-Molekülen höherer Dichte der Messschwingquarz bei gleicher zugeführter Energie mit einer höheren Frequenz schwingt als der Referenzschwingquarz, der dem Vakuum ausgesetzt ist. Letztendlich wird der Frequenzunterschied zwischen dem Messschwingquarz und dem Referenzschwingquarz ausgewertet, der ein Maß für die Dichte des Messgases, beispielsweise SF₆, ist. Der Zusammenhang zwischen Änderungen der Ausgangsfrequenz des Dichtesensors und der Dichte ist nicht linear, kann jedoch mittels einer Umrechnungsfunktion bzw. Umrechnungstabelle, die ggf. spezifisch vom speziell verwendeten Dichtesensor abhängen kann, linearisiert werden.

Nach der Erfindung ist es auch möglich, dass die Messwerte mittels einer Umrechnungsfunktion numerisch in vorzugsweise normierte Druckwerte umgerechnet werden. Hierdurch ist es möglich, dass die aktuell gemessene Dichte verglichen werden kann mit der Angabe auf dem jeweiligen Leistungsschild des Gasraumes. Als Referenzwert für die Temperatur empfiehlt sich dabei 20°, wie dies üblicherweise auf den Geräten zu finden ist.

Von besonderem Vorteil sind in dem Speicher als Wertepaare Messwerte des Dichtesensors bzw. aus diesen Messwerten mittels der Umrechnungsfunktion ermittelte Dichtewerte sowie der Zeitpunkt der jeweiligen Messwerterfassung abgelegt. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, dass der zeitliche Verlauf der Messwerte bzw. Dichtewerte über einen in der Vergangenheit liegenden, insbesondere längeren Zeitraum rückblickend analysiert werden kann. So kann beispielsweise festgestellt werden, ob es sich bei den zurückliegenden Dichteänderungen des Schutzgases um einen stetigen, zeitlich kontinuierlich verlaufenden Vorgang handelt oder ob die Dichteänderung in zeitlich raschen, abrupten oder diskontinuierlichen Sprüngen erfolgt. Diese Analyse des zeitlichen Verlaufs der Dichteänderung des Schutzgases in der Vergangenheit bestimmt dann beispielsweise die Art bzw. den Zeitpunkt der einzuleitenden Aktionen, sobald die Gasdichte beispielsweise den Warnschwellwert unterschritten hat.

Von Vorteil bietet es sich nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung an, dass der Speicher als Ringspeicher oder Schieberegister ausgebildet ist und die abgelegten Daten nach einer Messzeitspanne, die eine Mehrzahl von Messwerterfassungen umfasst, durch neue Daten überschrieben werden. Dieser Maßnahme liegt die Überlegung zugrunde, dass dann, wenn die aktuell erfasste Gasdichte beispielsweise den Warnschwellwert unterschreitet, es für die einzuleitenden Handlungen und deren Zeitpunkt nicht erforderlich ist, den zeitlichen Verlauf der Gasdichte über den gesamten Zeitraum der in der Vergangenheit liegenden Messungen zu analysieren, sondern lediglich in einem Zeitraum, der im Bereich von Tagen bis Wochen vor dem Unterschreiten des Warnschwellwertes liegt.

Bevorzugt findet die Messwertspeicherung der Gasdichte in Minuten- oder Stunden-Abständen, beispielsweise alle 15 bis 45 Minuten oder halbstündig statt und ist von Vorteil, beispielsweise anlagenspezifisch zeitlich einstellbar.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die im Speicher abgelegten Messewerte oder Dichtewerte sowie die Messzeitpunkte eine zurückliegende Messzeitspanne von mehreren Tagen bis Monaten, beispielsweise von einer Woche bis einem Monat oder von zwei Wochen abdecken, wobei diese Messzeitspanne bevorzugt wiederum anlagenspezifisch einstellbar sein sollte. So können beispielsweise die Messzeitspanne wie auch der Abstand der Messwerterfassung bei Anlagenteilen, die erfahrungsgemäß wenig störanfällig hinsichtlich Änderungen der Leckrate sind, eher groß gewählt werden, während bei anderen Anlagenteilen, die aufgrund großer Beanspruchung größere Schwankungen der Leckrate aufweisen, diese Intervalle bzw. Messabstände eher kürzer eingestellt sind.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels der Auswerteeinheit der erfasste und gespeicherte zeitliche Verlauf der Messwerte bzw. der Gasdichte einer Trendanalyse unterworfen wird. Hierzu können bevorzugt nachgeschaltete Integrationsfunktionen oder Differentialfunktionen vorgesehen sein, mit denen interessierende Aspekte der zeitlichen Änderung der Gasdichte der Hochspannungsanlage herausgefiltert werden können.

Von Vorteil können bei einer Trendanalyse auch individuelle Betriebsparameter der Hochspannungsanlage, insbesondere beispielsweise der Schaltzustand einer Hochspannungsschaltanlage, mit einbezogen werden. Beispielsweise ist ein Hochspannungsleistungsschalter mit verschiedenartigen Dichtungen ausgerüstet, wobei zwischen statischen und dynamischen Dichtungen zu unterscheiden ist. Hinsichtlich der Fehlererkennung bei einer solchen Hochspannungsschaltanlage ist es wichtig, festzustellen, ob die Anlage im eingeschalteten Zustand oder im ausgeschalteten Zustand die Undichtigkeit aufweist bzw. ob die Undichtigkeit an einer statischen oder einer dynamischen Dichtung auftritt. Berücksichtigt man den aktuellen Schaltzustand sowie die Schaltposition der Hochspannungsschaltanlage in Verbindung mit dem Zeitpunkt, zu dem eine abnormale Dichteänderung des Schutzgases aufgetreten ist, kann man mittels dieser Informationen in aller Regel erkennen, ob der Hochspannungsleistungsschalter eine Undichtigkeit an einer statischen oder einer dynamischen Dichtung aufweist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass dann, wenn ein Leistungsschalter eine unzulässig hohe Leckrate besitzt und man mittels des erfindungsgemäßen Dichtewächters auch den Zeitpunkt des Auftretens dieser unzulässig hohen Leckrate kennt, mittels des Schaltberichtes des Leistungsschalters im Nachhinein festgestellt werden kann, welches Ereignis die Leckrate ausgelöst hat. Beispielsweise kann dann erkannt werden, ob das Leck bei einer Kurzunterbrechung durch den Leistungsschalter aufgetreten ist, bei dem die Dichtungen des Leistungsschalters einer hohen Beanspruchung ausgesetzt sind, oder ob sich das Leck allmählich über einen langen Zeitraum entwickelt hat.

Die Einstellung und Bedienung des Dichtewächters stellt sich nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besonders einfach dar, indem Parameter der Auswerteeinheit, wie Schwellwerte, Messrate, Messzeitspanne oder dergleichen über eine Tastatur der Auswerteeinheit oder über einen an eine Schnittstelle anschließbaren PC geänderte und ggf. protokolliert werden.

Die Mess- und Datensicherheit des Dichtewächters wird weiterhin dadurch verbessert, dass die Auswerteeinheit einen Mikrocontroller mit zugeordneten Speichern aufweist und die Speicher batteriegepuffert bzw. als nicht flüchtige Speicher ausgebildet sind, wobei der Mikrocontroller bzw. der Programmablauf bevorzugt durch eine Watchdog-Funktion auf Störungsfreiheit überwacht wird.

Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Dichtesensors des Dichtwächters als Blockschaltbild,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Auswerteeinheit des Dichtewächters im Blockschaltbild und
Fig. 3 den Zusammenhang zwischen Fequenzmesswert des Dichtesensors und der Dichte des Messgases eines speziellen Ausführungsbeispiels eines Dichtesensors.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Dichtewächter 10 dient bevorzugt zur Überwachung der Dichte des in gasisolierten Hoch- oder Mittelspannungsanlagen, wie zum Beispiel Hochspannungsschaltanlagen, -wandlern, -rohrleitern, Schaltgeräten und Transformatoren, als Isolator befindlichen Gases. Bei derartigen Hochspannungsanlagen kann es sich um Hochspannungsschaltanlagen, Hochspannungswandler, Hochspannungsrohrleiter handeln. Als Gas 12 wird bevorzugt SF₆ eingesetzt.
Der Dichtewächter 10 weist entsprechend Fig. 1 einen elektronischen Dichtesensor 14 als Messwertgeber auf. Ein Messschwingquarz 16 des Dichtesensors 14 ist im Gas 12, beispielsweise SF₆ angeordnet. Ein weiterer Referenz- Schwingquarz 70 ist im Vakuum 72 angeordnet. Beide Schwingquarze 16, 70 befinden sich im wesentlichen auf der gleichen Temperatur. Die Schwingquarze 16, 70 sind jeweils an einem Oscillator 74, 76 angeschlossen, dessen Ausgangssignale an einen Mischer 78 geleitet werden. In dem Mischer wird im wesentlichen die Differenz aus der Frequenz des Referenz- Schwingquarzes 70 und des Messschwingquarzes 16 gebildet.
Dieses Differenzfrequenz wird einem Pulsgenerator 80 zugeführt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Signale des Pulsgenerators 80 mittels eines Modulators 82 der Stromversorgung aufmoduliert, so dass am Ausgang 88 des Dichtesensors 14 ein Messwert 18 abgreifbar ist. Dieser Messwert 18 ist im Ausführungsbeispiel ein Frequenzsignal, dessen Frequenz abhängig von der Dichte des Gases ist.
Der Dichtesensor 14 misst die Gasdichte mit einer ausgezeichneten Langzeitstabilität, da mit dem Referenz- Schwingquarz 70 im Vakuum 72 mögliche Temperaturfehler direkt kompensiert werden. Der Dichtesensor 14 ist in der Lage, einen Dichtebereich von 0 bis ca. 60 kg pro Kubikmeter über einen Temperaturbereich von -40°C bis +70°C zu erfassen.
In Fig. 3 ist die Abhängigkeit der Dichte 86 von der Frequenz 84 am Ausgang 88 des Dichtesensors 14 dargestellt. Es ist ersichtlich dass diese Abhängigkeit nicht die Form einer durch den Nullpunkt gehenden Gerade annimmt. Insofern bietet es sich an, diese in Fig. 3 angegebene Abhängigkeit zu linearisieren. Bspw. kann hierfür die Formel verwendet werden:
Dichte = {√((0,231 o F[Hz]) - 2,126) - 0,43}²
Der Ausgang 88 des Dichtesensors 14 kann an einen Eingang 22 der Auswerteeinheit 20 angeschlossen werden. Die Auswerteeinheit 20 umfaßt unter anderem einen Speicher 24, in dem ggf. einer Umrechnungsfunktion unterworfene Messwerte 18 zeitlich aufeinander folgender Messwerterfassungen zusammen mit dem Zeitpunkt der jeweiligen Messung als Daten abgelegt werden.
Weiterhin umfasst die Auswerteeinheit 20 bevorzugt mehrere, beispielsweise 2 bis 4, ggf. frei programmierbare Sollwertwertgeber 28, 30 32, 34, wobei die Messwerte 18 mit den Sollwerten verglichen und bei unzulässiger Abweichung eine oder mehrere, bevorzugt unterschiedliche Alarmstufen aktiviert werden. Diese Alarmstufen unterschiedlicher Priorität können über Relais 36, 38, 40 oder eine Anzeigevorrichtung 42 aktiviert beziehungsweise gesteuert werden. Insbesondere sind ein erster Sollwertgeber 28, 30; 32, 34 und ein zweiter Sollwertgeber 28, 30, 32, 34 vorgesehen, die jeweils auf einen Warnschwellwert und einen hierzu unterschiedlichen . Störschwellwert eingestellt sind. Auch kann eine kontinuierliche Überprüfung beziehungsweise Überwachung der erfassten minimalen beziehungsweise maximalen Dichtewerte erfolgen.
Mittels eines Mikrocontrollers 50 werden die Messwerte 18 über eine Umrechnungsfunktion 26 oder eine Tabelle numerisch in Dichtewerte umgerechnet und ggf. mit einer Anzeigevorrichtung 42 der Auswerteeinheit 20 zur Anzeige gebracht. In dem Speicher 24 sind die Messwerte 18 oder Dichtewerte sowie der Zeitpunkt der Messwerterfassung als Wertepaare abgelegt. Bevorzugt ist der Speicher 24 als Ringspeicher oder Schieberegister ausgebildet, wobei die abgelegten Daten nach einer Messzeitspanne, die eine Mehrzahl von Messwerterfassungen umfasst, durch neue Daten überschrieben werden.
Die Messwerterfassung findet in Abständen in Minuten- bis Stundenbereich, bevorzugt alle 15 bis 45 Minuten, insbesondere halbstündig, statt. Bevorzugt ist die Messwerterfassung individuell, beispielsweise in Abhängigkeit von der jeweiligen Hochspannungsanlage einstellbar. Die im Speicher 24 abgelegten Messwerte 18 beziehungsweise Dichtewerte sowie Messzeitpunkte decken eine Messzeitspanne von mehreren Tagen bis Monaten, insbesondere 1 Woche bis 1 Monat, bevorzugt 2 Wochen ab. Diese Zeitspanne ist bevorzugt individuell und anlagentypspezifisch einstellbar.
Es versteht sich, dass die abgespeicherten Daten der Messwerte 18 des Dichtesensors 14 beziehungsweise der Dichte auch sukzessive in dem Speicher 24 abgelegt werden können, wobei dann aufgrund der Reihenfolge des Einschreibens der Messwerte 18 in den Speicher 24 bereits eine zeitliche Zuordnung gegeben ist. In diesem Fall ist es natürlich nicht erforderlich, die Zeitpunkte der Messwerterfassung mit in den Speicher 24 zu schreiben, da die zeitliche Zuordnung bereits aus der Speicherplatzposition hergeleitet werden kann. Beispielsweise kann auf Speicherplatz Nr. 1 jeweils der zeitlich jüngste Messwert 18 eingeschrieben werden, so dass hieraus abgeleitet werden kann, dass der auf Speicherplatz Nr. 2 befindliche Messwert beispielsweise eine halbe Stunde zurückliegt und der auf Speicherplatz 336 eingeschriebene Messwert bereits 7 Tage alt ist. Bei diesem Beispiel wurde angenommen, dass aufeinander folgende Messungen Rhythmus von jeweils einer halben Stunde vorgenommen werden.
Der erfasste und im Speicher 24 abgelegte zeitliche Verlauf der Dichte des Gases beziehungsweise der Messwerte wird von Vorteil einer Trendanalyse unterzogen, sobald die aktuelle Dichte des Gases beispielsweise einen Warnschwellwert unterschritten hat. Hierzu sind in dem Mikrocontroller 50 bevorzugt Integrations- oder Differentialfunktion oder sonstige Algorithmen abgelegt, mit denen interessierende zeitliche Änderungen hervorgehoben oder herausgefiltert werden können. Bei dieser Trendanalyse werden von Vorteil auch die individuellen Betriebsparameter der Hochspannungsanlage in der Messzeitspanne berücksichtigt, deren Daten in dem Speicher 24 abgelegt sind. Hierzu zählen beispielsweise der Schaltzustand einer Hochspannungsschaltanlage, so dass eventuell auftretende Abnormalitäten in der Dichte des Schutzgases diesen Schaltzuständen beziehungsweise Betriebsparametern zugeordnet werden können.
Parameter der Auswerteeinheit 20, wie Schwellwerte, Messrate, Messzeitspanne und dergleichen, können über eine Tastatur 44 an der Auswerteeinheit oder auch über einen an eine Schnittstelle 46 anschließbaren PC 48 oder Laptop geändert und ggf. protokolliert werden.
Neben dem Mikrocontroller 50 und dem Speicher 24 weist die Auswerteeinheit 20 weitere Speicher 52, 54 auf, wobei die Speicher 24, 52, 54 batteriegepuffert oder als nicht flüchtige Speicher ausgebildet sind. Während der Speicher 24 insbesondere als batteriegepuffertes RAM ausgebildet ist, ist der Speicher 52 ein Eprom, welches die komplette Software beinhaltet, die im Mikrocontroller 50 abgearbeitet wird. Der Speicher 54 ist als E-Eprom ausgebildet und beinhaltet programmierte Parameter, die auf jeden Fall auch dann nicht flüchtig gespeichert bleiben, wenn die Versorgung des Dichtewächters sowie der Batteriepuffer des RAM ausfallen. Insbesondere sind in den Speicher 54 Programmierwerte abgespeichert, welche die Auswertung und Bearbeitung der Messwerte 18 des Dichtesensors 14 betreffen. Ebenso können in dem Speicher 54 auch Sollwerte für die Sollwertgeber 28, 30, 32, 34 abgelegt sein.
Weiterhin ist eine Watch-dog-Funktion 56 vorgesehen, mit der der Mikrocontroller 50 beziehungsweise der Programmablauf auf Störungsfreiheit überwacht werden. Es bleibt zu erwähnen, dass in der Auswerteeinheit 20 auch eine Stromversorgung 58 vorgesehen ist, Treiber 60 für die Anzeigevorrichtung 42, ein Oszillator 62 als Zeitgeber für den Mikrocontroller 50, eine Alarmprüfungsfunktion 64 sowie eine Signalaufbereitung 66 und Signalumformung 68 für die am Eingang 22 der Auswerteeinheit 20 eingespeisten Messwerte 18 des Dichtesensors 14.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Dichtewächters 10 umfasst drei Alarmkontakte sowie einen optischen Alarm, wobei die Schaltpunkte frei wählbar beziehungsweise programmierbar sind.
Weiterhin ist als Schnittstelle 46 eine RS 232-Schnittstelle zur Datenanalyse vorgesehen. Der Dichtewächter 10 kann in einem breiten Versorgungsspannungsbereich von 82 bis 264 V Wechselspannung beziehungsweise 36 bis 350 V Gleichspannung betrieben werden und besitzt eine LED-Ziffernanzeige. Der Messwertspeicher 24 ist akkugepuffert. Neben einer menügeführten Programmierung ist eine real-time-clock vorgesehen. Weiterhin besitzt der Dichtewächter einen Zähler für Stromausfall, eine Minimum/Maximum-Werterfassung sowie eine Watch-dog-Funktion.
Mit dem Dichtewächter 10 kann direkt vor Ort die Dichte, beispielsweise des Gasas SF₆, in Kilogramm/Kubikmetern gemessen und aufgezeichnet werden. Der interne Datenspeicher protokolliert die Gasdichte und die jeweilige Uhrzeit standardmäßig über einen Zeitraum von beispielsweise maximal 7 Tagen, wobei aufeinander folgende Messungen bevorzugt jede halbe Stunde durchgeführt werden. Insgesamt sind bei diesen Einstellungen in dem Datenspeicher die letzten 336 Dichtemesswerte abgelegt.
Zur Überwachung von Gasdichteschwankungen können drei Relaisschaltkontakte frei programmiert werden.
Ein zusätzlicher vierter Alarm signalisiert beispielsweise als blinkende Messwertanzeige schon aus größerer Entfernung eine geringe Abweichung der geforderten Gasdichte. Änderungen der Geräteparameter können vor Ort per Hand oder mittels PC beziehungsweise Laptop vorgenommen und ausgedruckt werden.
Der Eingang 22 des Dichtewächters 10 arbeitet bei Frequenzen im Bereich von 0,5 KHz zur Messung der Gasdichte. Die gemessene Frequenz wird mittels einer festen Formel bzw. Tabelle auf die Dichte des SF₆-Gases in Kilogramm/Kubikmeter umgerechnet oder kann entsprechend angepasst werden. Der Messwert wird auf einem LED-Display dargestellt. Auf Tastendruck kann der Messwert für einen Zeitraum von ca. 2 Sekunden auf einen normierten Druck (beispielsweise bei 20°C) umgerechnet angezeigt werden. Die Schaltpunkte der Relais sind über den gesamten Messbereich frei einstellbar. Bei Über- oder Unterschreiten eines Schaltpunktes kann dies zusätzlich optisch anhand einer blinkenden LED-Anzeige signalisiert werden.
Die Programmierung der Geräteparameter wird direkt an der Auswerteeinheit 20 mittels der Tastatur 44 oder mittels eines PCs über die Schnittstelle 46 vorgenommen. Alle programmierten Werte bleiben auch nach einem Stromausfall nicht flüchtig gespeichert. Mittels der Geräteprogrammierung kann die Abtastrate für die Messwerterfassung geändert, eine Online- Anzeige und Protokollierung des Messwertspeichers durchgeführt sowie auch eine Linearisierungstabelle in die Auswerteeinheit einprogrammiert werden.
Die Watch-dog-Funktion 56 ist eine Kontrollfunktion, um einen Programmabsturz des Mikrocontrollers 50 zu erkennen. Dazu wird ein interner Zähler des Mikrocontrollers 50 von einem bestimmten Anfangswert vollkommen eigenständig heruntergezählt. Wenn der Zählerstand den Wert 000 erreicht, wird zwangsweise ein Programmreset durchgeführt und dadurch die Software neu gestartet. Die Software trägt dafür Sorge, dass der Zähler periodisch wieder auf seinen Startwert gesetzt wird, um dadurch im Normalfall den Reset zu verhindern. Beim Auftreten eines Watch-dog-resets wird der Stromausfallzähler inkrementiert und zwangsweise eine neue Messwertspeicherung durchgeführt. Danach wird entsprechend der programmierten Abtastrate die Speicherung der Messwerte und -zeiten weitergeführt. Bezugszeichenliste 10 Dichtewächter
12 Gas
14 Dichtesensor
16 Meß-Schwingquarz
18 Messwert
20 Auswerteeinheit
22 Eingang
24 Speicher
26 Umrechnungsfunktion
28 Sollwertgeber
30 Sollwertgeber
32 Sollwertgeber
34 Sollwertgeber
36 Relais
38 Relais
40 Relais
42 Anzeigevorrichtung
44 Tastatur
46 Schnittstelle
48 PC
50 Mikrocontroller
52 Speicher
54 Speicher
56 Watch-dog-Funktion
58 Stromversorgung
60 Treiber
62 Oszillator
64 Alarmfunktion
66 Signalaufbereitung
68 Signalumformung
70 Referenz-Schwingquarz
72 Vakuum
74 Oszillator
76 Oszillator
78 Mischer
80 Pulsgenerator
82 Modulator
84 Frequenz
86 Dichte
88 Ausgang

Claims

1. Dichtewächter (10) zur Überwachung der Dichte des in gasisolierten Hoch- oder Mittelspannungsanlagen oder -geräte, zum Beispiel Hochspannungsschaltanlagen, -wandlern, -rohrleitern, Schaltgeräte oder Transformatoren, als Isolator befindlichen Gases, zum Beispiel SF₆, mit einem elektronischen Dichtesensor (14) als Messwertgeber, der einen im Gas (12) angeordneten Mess-Schwingquarz (16) aufweist und als Messwert (18) ein zur Dichte des Gases proportionales Frequenzsignal liefert, wobei das Frequenzsignal einem Eingang einer elektronischen Auswerteeinheit (20) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) einen Speicher (24) aufweist, in dem, ggf. einer Umrechnungsfunktion (26) unterworfene, Messwerte zeitlich aufeinander folgender Messwerterfassungen zusammen mit dem Zeitpunkt der jeweiligen Messung als Daten abgelegt werden.

2. Dichtewächter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) einen, bevorzugt mehrere, insbesondere zwei bis vier, ggf. frei programmierbare Sollwertgeber (28, 30, 32, 34) aufweist, wobei die Messwerte (18) mit den Sollwerten verglichen und bei unzulässigen Abweichungen ein oder mehrere unterschiedliche Alarmstufen, insbesondere über Relais (36, 38, 40) oder einer Anzeigevorrichtung (42), aktiviert werden.

3. Dichtewächter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Sollwertgeber (28, 30, 32, 34) auf einen Warnschwellwert und ein zweiter (28, 30, 32, 34) und ggf. dritter Sollwertgeber auf einen unterschiedlichen Störschwellwert eingestellt, beziehungsweise ein dritter Störschwellenwert auf ein Überschreiten der maximalen Dichte des Gases eingestellt ist.

4. Dichtewächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte (18) mittels einer Umrechnungsfunktion (26) numerisch in Dichtewerte umgerechnet und ggf. mit einer Anzeigevorrichtung (42) der Auswerteeinheit (20) zur Anzeige gebracht werden.

5. Dichtewächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte mittels einer Umrechnungsfunktion numerisch in vorzugsweise normierte Druckwerte umgerechnet werden.

6. Dichtewächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicher (24) als Wertepaare Messwert (18) oder Dichtewert und Zeitpunkt der Messwerterfassung abgelegt sind.

7. Dichtewächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (24) als Ringspeicher oder Schieberegister ausgebildet ist und die abgelegten Daten nach einer Messzeitspanne, die eine Mehrzahl von Messwerterfassungen umfasst, durch neue Daten überschrieben werden.

8. Dichtewächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerterfassungen oder Messwertspeicherungen in Minuten- bis Stundenabständen, bspw. alle 15 bis 45 Minuten oder halbstündig erfolgt und bevorzugt individuell einstellbar ist.

9. Dichtewächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Speicher (24) abgelegten Messewerte (18) oder Dichtewerte sowie Messzeitpunkte eine Messzeitspanne von mehreren Tagen bis Monaten, bspw. von einer Woche bis 1 Monat oder von zwei Wochen abdecken, wobei die Messzeitspanne bevorzugt individuell einstellbar ist.

10. Dichtewächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste zeitliche Verlauf der Dichte des Gases einer Trendanalyse, beispielsweise durch nachgeschaltete Integrations- oder Differentialfunktionen, unterworfen wird.

11. Dichtewächter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Trendanalyse auch die individuellen Betriebsparameter der Hochspannungsanlage, insbesondere der Schaltzustand einer Hochspannungsschaltanlage einbezogen werden.

12. Dichtewächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter der Auswerteeinheit (20), wie Schwellwerte, Messrate, Messzeitspanne oder dergleichen, über eine Tastatur (44) der Auswerteeinheit (20) oder über einen an eine Schnittstelle (46) anschließbaren PC (48) geändert und ggf. protokolliert werden.

13. Dichtewächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) einen Mikrocontroller (50) mit zugeordneten Speichern (24, 52, 54) aufweist und die Speicher (24, 52, 54) batteriegepuffert als nicht flüchtige Speicher ausgebildet sind, wobei der Mikrocontroller (50) bzw. der Programmablauf im Mikrocontroller (50) bevorzugt durch eine Watchdog-Funktion (56) auf Störungsfreiheit überwacht wird.