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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes
und der Betriebsfähigkeit
eines Stufenschalters. Sie betrifft weiterhin einen für die Anwendung
eines solchen Verfahrens geeigneten Stufenschalter.
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Stufenschalter
dienen bekanntermaßen
zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen
eines Regeltransformators unter Last; sie sind wichtige Geräte zur Energieversorgung
und zur Sicherstellung einer hohen Spannungsqualität. Solche
Geräte
sind seit langem in den unterschiedlichsten Bauformen und mit verschiedenen
Funktionsprinzipien bekannt.
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Sie
besitzen üblicherweise
einen Wähler
zur lastlosen Vorwahl der neuen Wicklungsanzapfung des Regeltransformators,
auf die umschaltet werden soll, sowie einen Lastumschalter zur nachfolgenden unterbrechungslosen
Umschaltung von der bisherigen auf die vorgewählte neue Wicklungsanzapfung unter
Last. Bei bestimmten Bauformen, den sogenannten Lastwählern, sind
die beiden vorgenannten Baugruppen auch kombiniert. Zur Umschaltung selbst
werden heute größtenteils
noch mechanische Schaltkontakte verwendet. Daneben sind auch Vakuumschaltröhren zur
Umschaltung bekannt, die den Vorteil aufweisen, dass bei der Lastumschaltung
keine Lichtbögen
auftreten und damit keine unerwünschten
Rußablagerungen
im den Lastumschalter umgebenden Isolieröl entstehen.
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Stufenschalter
weisen, unabhängig
von den verwendeten Schaltmitteln, zahlreiche mechanische Baugruppen,
beispielsweise Getriebezüge,
einen Kraftspeicher sowie einen Motorantrieb zur Betätigung auf.
Es handelt sich mithin um relativ komplexe Geräte, die einer Überwachung
des Betriebszustandes und ihrer Betriebsfähigkeit bedürfen, um eine fehlerfreie Funktion über einen
langen Zeitraum sicherzustellen.
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Zur Überwachung
solcher Stufenschalter sind bereits zahlreiche verschiedene Verfahren
bekannt. Die
DD 246 404 beschreibt
eine Drucküberwachung.
Die
DD 246 408 , WO 00/65622
und WO 92/10845 beschreiben die optische Lichtbogenerfassung. Die
DE 24 54 669 offenbart ein
Verfahren zur Temperaturüberwachung,
und die JP Hei-6-1736 befasst sich mit der direkten Erfassung des
Schaltablaufes im Lastumschalter. Allen diesen bekannten Verfahren
ist gemeinsam, dass die am Messort gewonnene Information über die
jeweilige physikalische Größe mittels
Lichtleitern nach außen
geführt
wird. Diese Lichtleiter, die durch den Spannungsabstand im Inneren
des Stufenschalters geführt
werden müssen,
sind schon deswegen unerwünscht,
weil sie in der Regel zu Spannungsproblemen führen. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen,
dass sich das innere Ende eines solchen Lichtleiters teilweise auf
während
der Umschaltung bewegten Bauteilen befinden muss, was wiederum hohe
mechanische Anforderungen an solche Lichtleiter stellt.
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Eine
weitere Gruppe bekannter Verfahren befasst sich mit der akustischen Überwachung
der Schaltabläufe
in einem Stufenschalter; dies ist z. B. in den WO 97/34161 und WO
00/44011 beschrieben. Eine solche akustische Überwachung von außen erscheint
zunächst
als elegante Möglichkeit;
diese Verfahren haben sich jedoch in der Praxis nicht durchsetzen
können,
da sie ungenau, fehlerbehaftet und von der äußeren Geräuschkulisse abhängig sind – mitunter
reicht schon ein Hammerschlag, um das Ergebnis zu verfälschen.
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Weitere
indirekte Überwachungsverfahren, bei
denen kein Eingriff in den Stufenschalter erforderlich ist, sondern
das Drehmoment zur Betätigung
dieser Stufenschalter erfasst wird, sind aus JP Hei-4-39764 und JP Hei-5-16846
bekannt. Dabei wird das mechanische Drehmoment mittels Drehmomentaufnehmer
bzw. -messdose erfasst.
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Aus
den
DE 197 44 465
C1 und
DE
197 46 574 C1 schließlich
ist ein weiter entwickeltes Überwachungsverfahren
bekannt, bei denen die Wirkleistungsaufnahme am Antriebsmotor erfasst,
daraus das Drehmoment ermittelt und dieses mit bestimmten Grenzwerten
während
der Umschaltung verglichen wird. Dieses Überwachungsverfahren ist als „Fenster-Technik" bekannt geworden
und wird von der Anmelderin kommerziell angeboten. Es hat sich bewährt, kann
aber nur bestimmte Fehler erfassen, nämlich mechanische Fehler des
Vorwählers
und des Feinwählers,
Fehler beim Maltesereinlauf, unzulässigen Kontaktverschleiß usw. Mit
diesem bekannten Verfahren nicht erfassbar sind jedoch elektrische Überschläge, bestimmte
Fehler am Kraftspeicher, die dazu führen können, dass dieser in der Endstellung nicht
verklinkt, unzulässige Ölverschmutzung
usw.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes
und der Betriebsfähigkeit
anzugeben, das eine auf einfache Weise berührungslose Erfassung und Kontrolle
der verschiedensten physikalischen Größen in einem Stufenschalter
gestattet.
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Diese
Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
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Die
erfindungsgemäß verwendeten AOW-Sensoren
(Akustische Oberflächenwellen-Sensoren),
auch als SAW-Sensoren bezeichnet (Surface Acustic Wave), sind an
sich bekannt. Sie sind für
Erfassung zahlreicher spannungsgebender physikalischer Größen anwendbar.
Beschreibungen solcher AOW-Sensoren
finden sich beispielsweise in den WO 96/33423, WO 01/61859 und WO
01/91294.
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Die
DE 198 22 501 A1 beschreibt
eine elektrische Spannungsmessung mittels solcher Sensoren, die
DE 195 14 342 C1 eine
Stromstärkemessung an
auf Hochspannung liegenden elektrischen Einrichtungen und die
DE 197 28 961 A1 eine
Temperaturmessung mittels AOW-Sensoren.
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Bisher
jedoch ist noch nicht der Vorschlag gemacht oder der Versuch unternommen
worden, solche bekannte Sensoren auf geeignete Weise für Stufenschalter
einzusetzen.
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Gemäß der Erfindung
können
AOW-Sensoren für
unterschiedlichste Überwachungsaufgaben an
Stufenschaltern eingesetzt werden. Bevor darauf näher eingegangen
wird, soll jedoch zum besseren Verständnis noch einmal das bekannte
Abfrageprinzip dieser Sensoren kurz beschrieben werden. Bekannte
AOW-Sensoren bestehen üblicherweise
aus einem LiNbO
3-Substrat, das in einem
Metall- oder Keramikgehäuse, wie
es für
integrierte Schaltkreise verwendet wird, angeordnet ist. Solch ein
Substrataufbau ist z. B. in der
FR
2.827.720 beschrieben. Ein solcher Sensor lässt sich über Funk
drahtlos auslesen; die Ausbreitungsverluste sind äußerst gering, und
es ist keine Energieversorgung am Sensor selbst für die Signalverarbeitung
erforderlich. Zur Funkabfrage ist neben dem eigentlichen AOW-Sensor,
der am Messort sich befindet, eine Abfrageeinheit erforderlich.
Diese besitzt einen Oszillator, von dem hochfrequente Impulse über eine
Antenne abgestrahlt werden; ein gängiger Frequenzbereich liegt
zwischen 100 MHz und 3 GHz. Auf dem beschriebenen AOW-Sensor selbst
befinden sich eine Antenne, ein mit dieser verbundener Interdigitalwandler
sowie mehrere Reflektoren. Der Interdigitalwandler, üblicherweise
kammförmig
ausgebildet, wird durch den hochfrequenten Impuls angeregt, und
es wird, bedingt durch den piezoelektrischen Effekt, eine akustische
Oberflächenwelle
erzeugt. Diese Oberflächenwelle
breitet sich auf der Sensoroberfläche nach allen Richtungen aus – etwa vergleichbar
mit der Ausbreitung einer Wasserwelle. Sobald die reflektierten
Wellenzüge
wieder den Interdigitalwandler erreichen, werden sie auf entsprechende
Weise wieder zurückgewandelt, über die
Antenne des Chips abgestrahlt und können von der Abfrageeinheit
empfangen werden. Eine Änderung
einer relevanten physikalischen Größe am Chip führt zu einer
Geschwindigkeitsveränderung
der beschriebenen Oberflächenwelle
und daraus resultierend zu einer Änderung der Impulslaufzeit,
die im Abfragegerät
erfasst und ausgewertet werden kann und Rückschlüsse auf die entsprechende physikalische
Größe bzw.
deren Änderung
gestattet.
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An
Stufenschaltern können
solche AOW-Sensoren Quittieraufgaben während der Betätigung des
Schalters, d. h. der Lastumschaltung von einer Wicklungsanzapfung
auf eine andere, wahrnehmen. Damit ist gemeint, dass bestimmte Schaltzustände während der
Lastumschaltung und bei der Beendigung erfasst und gemeldet werden
können. Als
Beispiel sei hier die Information darüber genannt, ob der Lastumschalter
seine neue Endstellung erreicht hat und der Kraftspeicher wieder
verklinkt ist.
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Weiterhin
können
solche AOW-Sensoren an Stufenschaltern auch als „schlafende Sensoren" wirken, die im normalen
Betrieb keine Meldungen generieren, sondern nur bei Wartungen, Inspektionen,
Reparaturen o. ä.
gezielt abgefragt werden. Beispielsweise kann auf diese Weise der
Kontaktabbrand oder auch der Grad der Ölverschmutzung erfasst und
daraus eine gezielte Austauschaktivität festgelegt werden.
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Schließlich können solche
AOW-Sensoren bei Stufenschaltern auch dazu dienen, um beim Überschreiten
von Grenzwerten eine Alarm- oder zumindest doch eine Vorwarnfunktion
auszuüben.
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Insgesamt
sind zahlreiche Anwendungsgebiete von AOW-Sensoren mit Funkübertragung
an einem Stufenschalter möglich.
Hinsichtlich dessen Lastumschalters können dies sein:
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- – Drehmomentmessung
an der Antriebswelle im Lastumschalter zum Wähler
- – Drehmomentmessung
zwischen den Sprungschlitten und der schnellschaltenden Lastumschalterwelle
- – Winkelerfassung
der Lastumschaltung (Schaltüberwachung-Ersatz
der Peekwelle)
- – Wegmessung
des Sprungschlittens
- – Temperaturmessung
des Lastumschalterisolieröls
- – Temperaturmessung
der Überschaltimpedanzen
- – Temperaturmessung
der ZNOs
- – Strommessung
an den ZNOs
- – Strommessung
an den Widerstandskontakten
- – Strommessung
an dem Schalt- und Hauptkontakt gemeinsam
- – Bestimmung
der Ölqualität, z. B. über die
Dielektrizitätskonstante
- – Bestimmung
der Ölströmung zum
Ausdehnungsgefäß
- – Durchflussmessung
im Saugrohr
- – Ölschlammmessung
am Ölgefäßboden
- – Druckmessung
im Ölgefäß
- – Gasanalyse
im Luftpolster zwischen Stufenschalterdeckel und Isolierölpegel
- – Geschwindigkeitsmessung
und Beschleunigungsmessung der Lastumschaltung
- – Wegmessung
zur Bestimmung des Abbrands
- – Geräusch- und
Beschleunigungsmessung direkt an der Vakuumzelle zur Funktionskontrolle
- – Geräuschmessung
zur TE-Bestimmung
- – Position
des Lastumschalters
- – Geschwindigkeit
des ablaufenden Lastumschalters.
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Am
Wähler
des Stufenschalters können
dies sein:
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- – Winkelmessung
zur Bestimmung der Position des Wählers und des Vorwählers
- – Strommessung
an den Vorwählerkontakten
und an den Polungskontakten zur Erfassung des Polungsstromes
- – Temperaturmessung
des Transformator-Isolieröls
- – Temperaturmessung
an den Polungswiderständen.
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Bei
Lastwählern,
bei denen der Wähler
und der Lastumschalter baulich und funktional zusammengefasst sind,
können
dies sein:
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- – Winkelmessung
in der schnellschaltenden Schaltwelle
- – Winkelmessung
zur Bestimmung der Stufe
- – Strommessung
an den Widerstandskontakten
- – Temperaturmessung
an den Überschaltimpedanzen
- – Temperaturmessung
des Isolieröls
- – Durchflussmessung
im Ölsaugrohr
- – Geräusch und
Beschleunigungsmessung direkt an der Vakuumzelle zur Funktionskontrolle
- – Druckmessung.
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Insgesamt
bietet die Anwendung solcher AOW-Sensoren an Stufenschaltern eine
Reihe von Vorteilen. Die Sensoren sind klein und werden kommerziell
bereits sehr preiswert angeboten, so dass der Aufwand für eine Bestückung eines
Stufenschalters auch mit einer Vielzahl solcher Sensoren sehr gering
ist. Diese Sensoren werden, wie erläutert, von außen über Funk
abgefragt; sie arbeiten dem gemäß ausschließlich passiv
und erfordern keinerlei eigene Energieversorgung. Dies ist bei Stufenschaltern
besonders wichtig, da jede Energieversorgung auf Hochspannungspotential
kritisch wäre.
Dem gemäß müssen bei
der Verwendung von AOW-Sensoren keinerlei Leitungen von außen zum
Sensor im Inneren des Stufenschalters geführt werden, was nicht nur aus
Spannungsgründen,
sondern auch aus Gründen
der Abdichtung des Ölgefäßes besonders vorteilhaft
ist. Es wurde bereits ausgeführt,
dass diese Sensoren mit Impulsen im hochfrequenten Bereich angesteuert
werden, das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren
ist damit unempfindlich gegenüber
den elektromagnetischen Störfeldern,
die im Umfeld von Transformatoren auftreten.
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In 1 ist ein Lastumschaltereinsatz
ohne – nicht
dargestelltes – Ölgefäß eines
Stufenschalters mit schematisch angedeuteten beispielhaften Möglichkeiten
der Überwachung
mittels AOW-Sensoren noch einmal dargestellt. Dabei soll es sich
um einen Stufenschalter nach dem Prinzip der Widerstandsschnellschaltung
handeln.
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Auf
der linken Seite der Figur sind wichtige Bauteile des Lastumschaltereinsatzes
bezeichnet; auf der rechten Seite hingegen mögliche physikalische Größen, die
erfindungsgemäß mittels AOW-Sensoren
erfasst werden können.
Oben ist eine Antriebswelle 1 dargestellt; deren Drehmoment kann
gemessen werden. Darunter befindet sich ein Kraftspeicher 2 mit
Kraftspeicherfedern 3 als Energiespeicher. Hierbei kann
mittels AOW-Sensoren sowohl die Geschwindigkeit der Bewegung des
Kraftspeichers 2 nach seiner Auslösung, wenn sich die Kraftspeicherfedern 3 sprungartig
entspannen, gemessen werden. Dies ist eine wichtige Information darüber, ob
die gesamte Umschaltsequenz bei der Lastumschaltung in der vorgeschriebenen
Zeitdauer absolviert worden ist. Eine unzulässige Verlängerung der Schaltzeit ist
ein Indiz für
Fehler, in der Regel für mechanische
bzw. Kontaktfehler. Weiterhin kann erfasst werden, ob der Kraftspeicher 3 nach
Beendigung der Lastumschaltung in seiner dann erreichten Endstellung
wieder ordnungsgemäß verklinkt
ist. Im unteren Bereich sind Vakuumschaltröhren 4 als Schaltmittel
dargestellt, an diesen kann der Innendruck ermittelt werden. Eine
unzulässige
Erhöhung des
Innendruckes der üblicherweise
evakuierten Vakuumschaltröhren 4 ist
hier ebenfalls Indiz für
einen Fehler. Im unteren Bereich sind noch Überschaltwiderstände 5 gezeigt,
die bei Schaltern des Widerstandsschnellschaltertyps bei jeder Umschaltung kurzzeitig
den Kreisstrom führen.
An diesen Überschaltwiderständen kann
die Temperatur ermittelt werden. Eine unzulässige Temperaturerhöhung weist auf
eine zu hohe Belastung der Überschaltwiderstände bzw.
eine zu lange Umschaltung hin und ist ebenfalls ein Indiz für Fehler.
Der gezeigte Lastumschaltereinsatz ist im Betrieb von Isolieröl umgeben,
dessen Ölqualität ebenfalls überwacht
werden kann. Mittels der AOW-Sensoren können jedoch nicht nur Fehler festgestellt,
sondern auch Quittierfunktionen erzeugt werden. Beispielsweise wird
durch das bereits beschriebene Erfassen der Endposition des Lastumschalters
mit Verklinkung des Kraftspeichers 2 angezeigt, dass der
gesamte Stufenschalter seine neue Endstellung erreicht hat und bereit
ist für
die nächste Umschaltung.
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Das
erfindungsgemäße Überwachungsverfahren
und der erfindungsgemäß ausgestattete
Stufenschalter sind auch besonders geeignet zur Gleichlaufüberwachung
sowie zur definierten, kombinatorischen Betätigung mehrerer Stufenschalter,
auch in Verbindung mit anderen Schaltern, wie nachfolgend noch erläutert werden
soll.
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Das
Problem der Gleichlaufüberwachung stellt
sich beispielsweise dann, wenn drei einzelne, einphasige Stufenschalter
parallel betätigt
werden sollen oder bei Dreieck-Ausführungen zwei Stufenschaltersäulen vorgesehen
sind. In diesen Fällen muss
unbedingt sichergestellt sein, dass sich alle Stufenschalter stets
auf der gleichen Stufe befinden und jede Lastumschaltung gleichzeitig
und synchron erfolgt. Dazu sind bisher Überwachungseinrichtungen mit
Reed-Kontakten bekannt. Hier lassen sich besonders vorteilhaft AOW-Sensoren
einsetzen, um eine bestimmte Betriebsstellung zu erfassen und, ist diese
erreicht, eine Quittierinformation zu liefern.
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Das
ebenfalls angesprochene Problem der Betätigung unterschiedlicher Schaltmittel
stellt sich z. B. bei Phasenschieber-Transformatoren mit Stufenschaltern.
Dies ist ausführlich
im Buch Krämer: On-Load Tap-Changers
for Power Transformers, Seite 183 ff, beschrieben. Dort ist ebenfalls
beschrieben, dass, wenn ein größerer Regelbereich
und/oder eine größere Stufenzahl
bei solchen Phasenschieber-Transformatorenregelungen
erzielt werden soll, eine Kombination aus Grob- und Feinwähler vorgesehen
wird und die Umschaltoperation in zwei Stufen ohne Unterbrechung
mittels eines zusätzlichen Schalters
vorgenommen wird. Dieser zusätzliche Schalter
ist dem Fachmann unter dem Begriff ARS für Advanced Retard Switch bekannt.
Bei einer dreiphasigen Transformatorenanordnung müssen somit mehrere
Stufenschalter sowie mehrere solcher ARS in einer genau festgelegten
Betätigungsreihenfolge und
nur unter bestimmten Bedingungen betätigt werden. Eine Tabelle mit
möglichen
Konfigurationen unterschiedlicher Zahlen von Stufenschaltern einerseits und
ARS andererseits ist der IEEE-Publikation StdC57.135-2001, Seite
15 zu entnehmen. Auch dafür
sind AOW-Sensoren im Rahmen der Erfindung besonders vorteilhaft
anwendbar, indem sie die Stellung der einzelnen Komponenten ermitteln
und, bei Übereinstimmung
mit einer vorab festgelegten Bedingungsliste nach den Regeln der
Boolschen Algebra, eine Freigabeinformation gegeben werden kann.
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Es
ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, die AOW-Sensoren nur
zyklisch, etwa im Rahmen von Inspektionen, anzusteuern, um Rückschlüsse über den
jeweiligen Verschleißzustand
des Stufenschalters zu erlangen. Auf alle Fälle erfolgt, unabhängig davon,
ob kontinuierlich oder nur gelegentlich überwacht wird, die Abfrage
der AOW-Sensoren durch mindestens eine außerhalb des Stufenschalters
angeordnete Abfrageeinheit.
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Durch
das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren
und einen erfindungsgemäßen Stufenschalter
können
zahlreiche bisher an Stufenschaltern verwendete Überwachungsmittel auf vorteilhafte Weise
ersetzt werden, wie z. B. mechanische Meldekontakte, Näherungsschalter,
Stromwandler mit Lichtleitern, Ölanalyseeinrichtungen,
Buchholzrelais sowie faseroptische Messmittel.