DE10346628B4

DE10346628B4 - Hybridsensor zur Ermittlung einer HF-Teilentladung

Info

Publication number: DE10346628B4
Application number: DE10346628A
Authority: DE
Inventors: Ja Yoon Koon; Jee Hong Kim
Original assignee: Hanyang Hak Won Co Ltd
Current assignee: Hanyang Hak Won Co Ltd
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: AU2003267842A1; US6937027B2; WO2004034070A1; DE10346628A1; US20040130328A1

Abstract

Hybridsensor (20) zur Ermittlung der HF-Teilentladung eines Leistungsgeräts, bestehend aus: – einem ersten Messanschluss (11), der elektrisch mit einem Messpunkt eines Leistungsgeräts verbunden ist, das ein Untersuchungsobjekt ist, um ein zu untersuchendes Leistungssignal zu empfangen, – einem zweiten Messanschluss (12), der mit Masse verbunden ist, um das zu untersuchende Leistungssignal abzugeben, – einer ersten Impedanz (L1), die zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss (11 bzw. 12) angeordnet und so ausgebildet ist, dass sie eine niedrige Impedanz einschließlich einer induktiven Widerstandskomponente hat, so dass ein erster Pfad gebildet wird, der ein NF-Signal durchlässt, – einer zweiten Impedanz (C1), die zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss (11 bzw. 12) angeordnet, zur ersten Impedanz (L1) parallel geschaltet und so ausgebildet ist, dass sie eine hohe Impedanz einschließlich einer kapazitiven Widerstandskomponente hat, so dass ein zweiter Pfad gebildet wird, der einen HF-Teilentladungsstrom durchlässt, – einer Detektionseinrichtung (R10), die zwischen...

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Sensor zur Ermittlung der Größe einer Teilentladung, die erforderlich ist, um Isolierzustände von Leistungsgeräten zu prüfen, und insbesondere einen Hybridsensor zur Ermittlung einer HF-Teilentladung, der durch Leistungsstörsignale und Umgebungsstörsignale nicht beeinflusst wird, und in der Lage ist, die Großen einer HF-Teilentladung, reichend von einigen mV bis einigen hundert mV bei einem hohen Rauschabstand sicher zu ermitteln, selbst wenn eine hohe Überspannung aufgrund eines Durchschlags auf den Sensor gegeben wird.
Beschreibung des relevanten Standes der Technik
Allgemein wird eine Prüfung der Isolierzustände einer Leistungsanlage durch Analysieren der von der Leistungsanlage abgestrahlten Teilentladung durchgeführt. Da jedoch der Pegel eines Teilentladungssignals nur einige mV bis zu einigen hundert mV beträgt, können externe Störsignale leicht auf die Leistungsanlage gegeben werden. Daher wurden umfangreiche Untersuchungen zur High Frequency Partial Discharge (HFPD) durchgeführt, die den Rauschabstand durch Messen der Teilentladung in einem HF-Band verbessern, in das externe Störsignale nicht leicht eingegeben werden können.
Ein HFPD-Detektionsschema, das im IEC 270 festgelegt ist, wird so verwirklicht, dass ein geringer Anteil eines Teilentladungsstroms, der in einem Untersuchungsobjekt erzeugt wird, zu einem Koppelkondensator geleitet wird, und der Teilentladungsstrom wird an einem mit der Masseseite verbundenen Anschluss gemessen. Dabei ist festgelegt, dass die Kapazität des Koppelkondensators das Zweifache oder mehr der Kapazität des Untersuchungsobjekts beträgt. In vielen Fällen ist die Kapazität des Untersuchungsobjekts tatsächlich größer als die des Koppelkondensators. Daher ist das HFPD-Detektionsschema dahingehend problematisch, dass es schwierig ist, einen Teilentladungsstrom aufgrund der Begrenzung der Kapazität des Koppelkondensators zu messen, und außerdem sind ein groß bemessenes Untersuchungsgerät und hohe Investitionskosten erforderlich.
Verschiedene Sensoren zum Messen der HFPD, wie induktive, kapazitive oder Widerstandssensoren oder Sensoren, die für Antennen verwendet werden, wurden entsprechend ihren Anwendungen vorgeschlagen. Die HFPD-Messsensoren sind so aufgebaut, dass sie Signale aufnehmen, die von den Sensoren erhalten werden, Signale, die von Antennen für Umgebungsstörsignale aufgenommen werden, oder die Ausbreitungsrichtung der Signale berücksichtigen, die Teilentladungsschemata mittels eines Computers analysieren und dann nur ein Teilentladungssignal aus den analysierten Ergebnissen extrahieren.
Es existieren zwei Arten von HFPD-Messsensoren, die im Stand der Technik allgemein am meisten verwendet werden: ein Stromtransformator(CT)-Sensor und ein Shuntsensor.
Der CT-Sensor, der ein kontaktloser Sensor ist, zeigt einen hohen Rauschabstand in einem speziellen Frequenzband, da er einen Resonanzpunkt fc verwendet, jedoch verringert das Schwingen die Empfindlichkeit.
Der Shuntsensor hat die am meisten ideale Genauigkeit, ist jedoch darin nachteilig, dass, wenn ein Durchschlag auftritt, eine hohe Überspannung am Eingangsanschluss des Sensors induziert werden kann, die ein Testsystem beschädigt, und Leistungsstörsignale auf den Sensor gegeben werden können. Theoretisch ermittelt der Shuntsensor eine Teilladung bzgl. der Frequenzen aller Bänder. Tatsächlich tritt jedoch eine Eigenresonanz bei höheren Frequenzen in Folge der Streukapazität bzw. der Induktivität auf, die durch einen Leiter hervorgerufen werden kann, so dass die Impedanz bei höheren Frequenzen ansteigt. Es ist daher schwierig, die Teilentladung in Hochfrequenzbändern zu messen. Außerdem wird, wenn der Shuntwiderstand zunimmt, die Leistungsfrequenz weiter erhöht, so dass der Rauschabstand abnimmt. Im Falle eines üblichen Shuntsensors muss daher ein geeigneter Shuntwiderstand gewählt werden, und es müssen Messungen der Beaufschlagung mit Leistungsstörsignalen durchgeführt werden.
Shuntsensoren sind z. B. bekannt aus: ”IEEE Transactions an Power Delivery”, Vol. 14, Nr. 1, Januar 1999, Seiten 94 bis 97 unter der Überschrift „Guide for Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Purposes”, und aus ”IEEE Transactions an Power Delivery”, Vol. 12, Nr. 1, Januar 1997, Seiten 116 bis 124 unter der Überschrift ”An Algorithm for Compensating Secondary Currents of Current Transformers”.
Die DE 691 19 729 T2 offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung einer Teilentladungsaktivität mit einem Sensor. Der bekannte Sensor umfasst eine Messimpedanz Z_m, an der das Messsignal abgegriffen wird.
Die DE 199 32 611 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung der HF-Teilentladung eines Leistungsgeräts. Um lediglich das für die Teilentladung charakteristische HF-Signal zu erfassen, wird vorgeschlagen, ein Hochpassfilter einem Anzeigegerät vorzuschalten. Dieses Hochpassfilter ist dem TE-Sensor (Antenne) nachgeschaltet.
In dem Fachbuch „Grundlagen der Elektrotechnik” von Eugen Philippow ist ein Hochpass mit einer oberen und einer unteren Grenzfrequenz beschrieben.
Da, wie oben beschrieben, die üblichen HF-Teilentladungsdetektionssensoren zahlreiche Probleme haben, ist es schwierig, die Sensoren für tatsächliche Untersuchungsbereiche anzuwenden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde daher im Hinblick auf die beim Stand der Technik auftretenden Probleme gemacht, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Hybridsensor zur Ermittlung einer HF-Teilentladung zu schaffen, der durch Leistungs- und Umgebungsstörsignale nicht beeinflusst wird, und in der Lage ist, die Größe einer HF-Teilentladung im Bereich von einigen mV bis zu mehreren hundert mV bei einem hohen Rauschabstand zu ermitteln, selbst wenn eine hohe Überspannung in Folge eines Durchschlags auf den Sensor gegeben wird.
Um die obige Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung einen Hybridsensor zur Ermittlung einer HF-Teilentladung eines Leistungsgeräts, bestehend aus einem ersten Messanschluss, der elektrisch mit einem Messpunkt eines Leistungsgeräts verbunden ist, das ein Untersuchungsobjekt ist, um ein zu untersuchendes Leistungssignal zu empfangen, einem zweiten Messanschluss, der mit Masse verbunden ist, um das zu untersuchende Leistungssignal abzugeben, einer ersten Impedanz, die zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss angeordnet und so ausgebildet ist, dass sie eine niedrige Impedanz einschließlich einer induktiven Widerstandskomponente hat, so dass ein erster Pfad gebildet wird, der ein NF-Signal durchlässt, einer zweiten Impedanz, die zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss angeordnet, zur ersten Impedanz parallel geschaltet und so ausgebildet ist, dass sie eine hohe Impedanz einschließlich einer kapazitiven Widerstandskomponente hat, so dass ein zweiter Pfad gebildet wird, der einen HF-Teilentladungsstrom durchlässt, einer Detektionseinrichtung, die zwischen die zweite Impedanz und den zweiten Messanschluss in Reihe geschaltet ist, um die Größe des HF-Teilentladungsstroms, der den zweiten Pfad durchläuft, in Messsignale mit einer bestimmten Form umzuwandeln, einem ersten und zweiten Ausgangsanschluss, um positive und negative Messsignale mit einer bestimmten, von der Detektionseinrichtung ermittelnden Form abzugeben, und einer dritten Impedanz, die zwischen dem ersten und zweiten Anschluss angeordnet, zur ersten und zweiten Impedanz parallel geschaltet und so ausgebildet ist, dass sie eine hohe Impedanz einschließlich eines kapazitiven Widerstands hat, so dass ein dritter Pfad gebildet wird, der ein UHF-Signal wie einen Überstrom durchlässt, und einem induktiven Blindwiderstand, der zwischen der ersten und der zweiten lmpedanz und dem zweiten Messanschluss angeordnet ist, um das Grundrauschen zu reduzieren.
Bei dem Hybridsensor kann die erste Impedanz als eine Spule mit einer vorbestimmten Induktivität ausgebildet sein, deren beide Enden mit dem ersten und zweiten Messanschluss verbunden sind.
Bei dem Hybridsensor kann die zweite Impedanz als ein anschlussloser Keramikkondensator ausgebildet sein.
Bei dem Hybridsensor kann die Detektoreinrichtung als ein SMD-Chipwiderstand ausgebildet sein, der zwischen der zweiten Impedanz und dem zweiten Messanschluss angeordnet ist.
Bei dem Hybridsensor kann der Keramikkondensator eine Stehspannung von 10 kv oder höher haben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die obige Aufgabe und weitere Aufgaben, Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verständlich, in denen
1 ein Schaltbild eines Hybridsensors zur Ermittlung einer HF-Teilentladung gemäß einer ersten Ausführungsform ist;
2 ein Ersatzschaltbild des Sensors der 1 ist;
3 ein Schaltbild eines Hybrdsensors zur Ermittlung einer HF-Entladung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4a und 4b Ersatzschaltbilder des Sensors der 3 sind;
5a bis 5c Diagramme sind, aus denen die Induktivitätswiderstand/Frequenzkennlinien, die Kapazitätswiderstand/Frequenzkennlinien und die Impedanz/Frequenzkennlinien hervorgehen, wobei 5d ein Bode-Diagramm des Wirkwiderstands ist;
6 ein Diagramm ist, das die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Größe der Entladung des eine Teilentladung ermittelnden Hybridsensors der vorliegenden Erfindung ist;
7 ein Diagramm ist, das die Ausgangsspannung/Frequenzkennlinien entsprechend der Größe der Entladung des eine Teilentladung ermittelnden Hybridsensors der vorliegenden Erfindung ist;
8a und 8b Diagramme sind, aus denen das Grundrauschen bzw. die Coronaentladung in Öl hervorgehen, gemessen mittels des Sensors der vorliegenden Erfindung;
9a bis 9f Darstellungen sind, die den Bildschirm eines Oszilloskops zeigen, auf dem Ansprechkennlinien entsprechend der Größe der Entladung des Sensors der vorliegenden Erfindung wiedergegeben sind;
10 ein Diagramm ist, das eine Einzelaufnahme einer Coronaentladung in Öl zeigt, gemessen durch den Sensor der vorliegenden Erfindung;
11a bis 11c Diagramme sind, die Spektren von Messsignalen gemäß Zeitvariationen des Hybridsensors der vorliegenden Erfindung zeigen;
12 eine Darstellung eines experimentellen Aufbaus zur Messung der Coronaentladung unter Verwendung von Parallelplattenelektroden zeigt;
13 ein Diagramm ist, das die Empfindlichkeit eines üblichen CT-Sensors der PD Corporation und des Sensors der vorliegenden Erfindung vergleicht;
14 ein Diagramm ist, das Ergebnisse der Coronaentladungsmessung des üblichen CT-Sensors der PD Corporation und des Sensors der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 ein Diagramm ist, das einen experimentellen Aufbau zur Messung der Teilentladung eines Elektromotors zeigt;
16 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse der Messung einer HF-Teilentladung in einem 50PS Elektromotor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt
17 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse der Messung einer HF-Teilentladung in einem Stator eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
18a bis 18c Diagramme sind, die die Beziehung zwischen den Frequenzen und den Ausgangssignalen entsprechend der Größe der Entladung des üblichen CT-Sensors, eines üblichen Shuntsensors und des Sensors der vorliegenden Erfindung zeigen;
19 ein Diagramm ist, das die Ansprechkennlinien mit der Größe der Entladung des üblichen CT-Sensors, des üblichen Shuntsensors und des Sensors der vorlegenden Erfindung zeigt; und
20a bis 20c Diagramme sind, die die Ergebnisse der Messung einer Coronaentladung in Öl, durchgeführt mit dem üblichen CT-Sensor, dem üblichen Shuntsensor und dem Hybridsensor der vorliegenden Erfindung vergleichen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachstehend werden der Aufbau und die Arbeitsweise eines Hybridsensors zur Ermittlung einer HF-Teilentladung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen die gleichen Bezugsziffern in den verschiedenen Zeichnungen die gleichen oder ähnliche Komponenten bezeichnen.
1 ist ein Schaltbild eines Hybridsensors zur Ermittlung der HF-Teilentladung gemäß einer ersten Ausführungsform. Wie 1 zeigt, hat ein Sensor 10 einen ersten Messanschluss 11, der mit einem Leistungsgerät verbunden ist, das ein Untersuchungsobjekt ist, um Leistungssignale aufzunehmen, einen zweiten Messanschluss 12, der mit Masse verbunden ist, eine erste Spule L1, die zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss 11 und 12 angeordnet ist, damit ein NF-Leistungssignal der Leistungssignale, das auf den ersten Messanschluss 11 gegeben wird, zum zweiten Messanschluss 12 laufen kann, einen Kondensator C1, der zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss 11 und 12 angeordnet ist, damit ein HF-Teilentladungssignal der Leistungssignale, das auf den ersten Messanschluss 11 gegeben wird, den Kondensator C1 durchlaufen kann, einen Widerstand R1, der mit dem Kondensator C1 in Reihe geschaltet ist, um einen Resonanzpunkt durch Kopplung des Kondensators C1 und der ersten Spule L1 zu bestimmen, eine zweite Spule 12 zur Scheinanwendung, die zwischen der ersten Spule L1 und dem Widerstand R1 und dem zweiten Messanschluss 12 angeordnet ist, um die Beaufschlagung des Sensors mit Grundrauschen zu verhindern, und einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss 13 und 14 zur Abgabe einer Spannung entsprechend der Größe eines HF-Teilentladungsstroms, der durch beide Anschlüsse des Widerstands R1 fließt.
2 ist ein Ersatzschaltbild des Sensors der 1. Bezug nehmend auf 2 ist Vin eine Eingangsspannung, die am ersten und zweiten Messanschluss 11 und 12 induziert wird, sL1 und sL2 sind Impedanzen der ersten und zweiten Spule L1 und L2, 1/sC1 ist die Kapazität des Kondensators C1 und R1 ist die Impedanz des Widerstands R1.
Der Sensor mit dem obigen Aufbau bildet zwei Signalwege für NF-Leistungsstörsignale und HF-Teilentladungssignale unter Ausnutzung einer Differenz zwischen Impedanzen, so dass unerwünschte Einflüsse in Folge von Leistungsstörsignalen zum Zeitpunkt der Messung einer HF-Teilentladung vermieden werden.
3 ist ein Schaltbild eines HF-Teilentladungs-Hybrid-Detektionssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie 3 zeigt, hat ein Sensor 20 einen ersten Messanschluss 11, der mit einem Leistungsgerät verbunden ist, das ein Untersuchungsobjekt ist, um Leistungssignale zu empfangen, einen zweiten Messanschluss 12, der mit Masse verbunden ist, eine erste Spule 11, die zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss 11 und 12 angeordnet ist, damit ein NF-Leistungssignal der Leistungssignale, das auf den ersten Messanschluss 11 gegeben wird, zum zweiten Messanschluss 12 laufen kann, einen ersten Kondensator C1, der zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss 11 und 12 angeordnet wird, damit ein HF-Teilentladungssignal der Leistungssignale, das auf den ersten Messanschluss 11 gegeben wird, den ersten Kondensator C1 durchlaufen kann, einen Widerstand R1, der zum ersten Kondensator C1 in Reihe geschaltet ist, um einen Ansprechpunkt durch Kopplung des ersten Kondensators C1 und der ersten Spule L1 zu bestimmen, eine zweite Spule 12 zur Scheinanwendung, die zwischen der ersten Spule L1 und dem Widerstand R1 und dem zweiten Messanschluss 12 angeordnet ist, um zu verhindern, dass das Grundrauschen auf den Sensor gegeben wird, einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss 13 und 14, um eine Spannung entsprechend der Größe eines HF-Teilentladungsstroms auszugeben, der durch beide Anschlüsse des Widerstands R1 fließt, und einen zweiten Kondensator C2, der zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss 11 und 12 angeordnet und parallel zum ersten Kondensator C1 und zur ersten und zweiten Spule L1 und 12 geschaltet ist, damit eine UHF-Überspannung den zweiten Kondensator C2 durchlaufen kann.
Der Sensor gemäß der zweiten, in 3 gezeigten Ausführungsform, bildet außerdem einen dritten Signalweg im oben beschriebenen Sensor gemäß der ersten Ausführungsform. Der dritte Signalweg ist gebildet, damit eine Überspannung, die in Folge eines Durchschlags auf den Sensor gegeben werden kann, unter Ausnutzung der Differenz zwischen den Impedanzen durchlaufen kann.
4a ist ein Ersatzschaltbild des Sensors 20 der 3. Ähnlich 2 ist Vin eine Eingangsspannung, die am ersten und zweiten Messanschluss 11 und 12 induziert wird, sL1 und sL2 sind Impedanzen der ersten und zweiten Spule L1 und 12, 1/sC1 ist die Kapazität des ersten Kondensators C1, R1 ist die Impedanz des Widerstands R1, und 1/sC2 ist die Impedanz des zweiten Kondensators C2. 4b ist ein Ersatzschaltbild, bei dem die Schaltung der 3 weiter vereinfacht ist. In 4b stellt Zab eine Impedanz dar, die sich aufgrund der ersten Spule L1, des ersten Kondensators C1 und des Widerstands R1 ergibt.
In den 1 bis 4a und 4b haben Elemente, die mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind, die gleichen Funktionen. Nachstehend wird die Arbeitsweise der Schaltung beschrieben.
Bei dem obigen Aufbau bildet die erste Spule L1 eine niedrige Impedanz aufgrund eines induktiven Widerstands und damit einen Signalweg für ein NF-Leistungssignal (60 Hz). Für den induktiven Widerstand X_L gilt dabei X_L = 2πfL (wobei f die Frequenz des Signals und L die Induktivitätsgröße ist), der sich proportional der Frequenz ändert, wie 5a zeigt. Eine niedrige Impedanz wird daher bzgl. eines NF-Signals erzeugt, so dass das NF-Signal die erste Spule L1 durchlaufen kann. Dagegen wird eine hohe Impedanz bzgl. eines HF-Signals erzeugt, so dass verhindert wird, dass das HF-Signal die erste Spule L1 durchläuft.
Der Kondensator C1, der eine Komponente zur Erzeugung einer hohen Impedanz ist, bildet einen Signalweg für einen HF-Teilentladungsstrom. Für einen kapazitiven Widerstand X_C gilt allgemein X_C = 1 / 2πfC (wobei f die Frequenz und C die Kapazitätsgröße des Kondensators C1 ist), der sich umgekehrt proportional zur Frequenz ändert, wie 5b zeigt. Die Impedanz des Kondensators nimmt daher bzgl. eines NF-Signals zu und bzgl. eines HF-Signals ab. Daher wird ein NF-Leistungssignal bzw. -störsignal durch den Kondensator C1 gesperrt, und nur ein HF-Teilentladungsstrom durchläuft den Kondensator C1. Eine Spannung entsprechend der Größe des Stroms wird an beiden Anschlüssen des Widerstands R1 erzeugt und dann als HF-Teilentladung-Detektionssignal an den ersten und zweiten Ausgangsanschluss 13 und 14 ausgegeben, die mit den beiden Anschlüssen des Widerstands R1 verbunden sind.
Dabei ist der Kondensator C1 vorzugsweise als ein Keramikkondensator mit einer hohen Stehspannung von 10 kV oder höher ausgebildet, um zu verhindern, dass ein großer Strom in den Sensor fließt, wenn ein Zwischenfall auftritt, und um eine hohe Impedanz zu erzeugen und den in die Messstufe des Sensors fließenden Strom zu minimieren.
Im Allgemeinen stellt ein Widerstand eine konstante Impedanz unabhängig von der Frequenz dar. Wie jedoch 5c zeigt, bestimmt der Widerstand einen Resonanzpunkt und einen Gütefaktor Q in einer RLC-Schaltung, in der die erste Spule L1, der Kondensator C1 und der Widerstand R1 in 1 miteinander gekoppelt sind.
Außerdem hat bei dem Aufbau der Widerstand eine spezielle Impedanz in Folge einer Störkomponente seines Leiters im HF-Band, so dass ein Chipwiderstand ohne Leiter verwendet wird, um die spezielle Impedanz aufgrund der Störkomponente zu beseitigen.
Wie 5c zeigt, tritt an einem Schnittpunkt der Impedanz/Frequenzkennlinienkurven des Widerstands R, der Spule L und des Kondensators C eine Resonanz auf. Die Empfindlichkeit für das HF-Teilentladungssignal im Resonanzfrequenzband wird somit erhöht.
5d ist ein Bode-Diagramm einer tatsächlichen Impedanz. Wenn der Widerstandswert eines Widerstands R1 größer als der von f₀ ist, tritt eine Resonanz Q = R/R₀ auf, während, wenn der Widerstandswert niedriger als der von f₀ ist, fällt der Wert von Q um R/R₀.
Im Teilentladungs-Hybrid-Detektionssensor 10 der 1 werden daher Störsignalkomponenten niedriger Frequenzen einschließlich einer Leistungsfrequenz längs eines NF-Pfads, der durch die erste Spule 11 verläuft, nach Masse abgeleitet, und ein HF-Teilentladungssignal wird über den Kondensator C1 auf den Sensor gegeben und an beiden Anschlüssen des Widerstands R1 gemessen.
Weiterhin wirkt die zweite Spule 12, die dazu verwendet wird, zu verhindern, dass Grundrauschen auf den Sensor gegeben wird, als ein induktiver Blindwiderstand der Messanschlüsse. Wenn ein Zwischenfall auftritt, ermöglicht es die zweite Spule 12, dass ein hoher Strom durch den NF-Pfad fließt, der durch die erste und zweite Spule 11 und 12 gebildet wird, so dass der Einfluss auf eine Messeinrichtung minimiert wird.
Ein Teilentladungs-Hybrid-Detektionssensor kann die Beaufschlagung mit Leistungsstörsignalen von 60 Hz verhindern, was ein Problem des Shuntsensors ist, die Empfindlichkeit über ein Messfrequenzband erhöhen und den Rauschabstand verbessern, wenn die Teilentladung gemessen wird.
Dabei ist zu beachten, dass, wenn die oben beschriebene Schaltung aufgebaut wird, die Gesamtimpedanz und ein zu messender Nebenschlusswiderstandswert angepasst sein müssen. Es werden nun die Kennlinien des Sensors der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Ersatzschaltbilder der 2 und 4a und 4b beschrieben.
In 4b ist die Impedanz Zab des RLC-Resonanzkreises durch die Gleichung [1] definiert.
Die Spannung Vab, die am RLC-Resonanzkreis induziert wird, ist durch die Gleichung [2] definiert.
Außerdem ist die Ausgangsspannung Vout, die an beiden Anschlüssen des Widerstands R1 induziert wird, durch die Gleichung [3] definiert.
Auf der Grundlage der obigen Gleichungen [2] und [3] wird die Übertragungsfunktion Vout/Vin des Sensors 20 der vorliegenden Erfindung ausgedrückt durch die Gleichung [4] erhalten.
Die durch die Gleichung [4] ausgedrückte Übertragungsfunktion wird in gleicher Weise auf den Sensor 10 der 1 und den Sensor 20 der 20 angewandt.
Durch die obigen Gleichungen können die Größen der den Sensor bildenden Elemente in geeigneter Weise festgelegt werden. Wenn z. B. die maximale Empfindlichkeit in einem Frequenzband von in etwa 10⁷ [rad/sec], wird die Induktivität der ersten Spule L1 auf 1,677 mH, die Induktivität der zweiten Spule L2 auf 29,9 μH, die Kapazität des ersten Kondensators auf 514 pF, die Kapazität des zweiten Kondensators C2 auf 300 pF und der Widerstandswert des Widerstands R1 auf 2 kΩ festgelegt.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Größe der Entladung des Teilentladungs-Hybrid-Detektionssensors der vorliegenden Erfindung durch die Messung zeigt, die durch ein Teilentladungs(PD)-Eichgerät durchgeführt wird. Dabei wird die Größe der Entladung sequenziell auf 1, 2, 5, 10, 20, 50 und 100 pC erhöht, wobei die Daten auf den Ansprechkennlinien des Teilentladungs-Hybrid-Detektionssensors entsprechend der erhöhten Größe der Entladung 128 mal im Hüllkurvenbetrieb akkumuliert werden, und dann ein Mittelwert der Spitze-Spitze-Werte der Daten erhalten wird.
Die Trennliniengleichung für die in 6 gezeigten Daten wird ausgedrückt durch die Gleichung [5], y = 3,4877x + 3,0437 R1² = 0,9997 [5] in der y die Ausgangsspannung des ersten und zweiten Anschlusses 13 und 14 des Sensors der vorliegenden Erfindung und x die gemessene Größe der Entladung ist. Die Ausgangsspannung des Sensors der vorliegenden Erfindung wird daher auf die Gleichung [5] angewandt, um die Große der HF-Teilentladung zu berechnen.
7 ist ein Diagramm, das die Spektren der auf den ersten und zweiten Ausgangsanschluss 13 und 14 gegebenen Signale, wenn die Messung der 6 durchgeführt wird, entsprechend der Frequenz und der Größe der Entladung zeigt. in 7 kann eine Empfindlichkeit gleich oder geringer als 2 pC bzgl. der Signale in einem Frequenzband von 1 bis 2 MHz erhalten werden.
8a und 8b sind Diagramme, die die experimentellen Ergebnisse einer Coronaentladung in Öl unter Verwendung des Sensors der vorliegenden Erfindung zeigen. Im Einzelnen sind die über 10 Minuten in einem Frequenzband von 1 bis 1,5 GHz gemessenen Ergebnisse unter Verwendung einer maximalen Haltefunktion durch einen Spektralanalysator dargestellt. Bezug nehmend auf die Messergebnisse ist das Frequenzband, in dem der Sensor der vorliegenden Erfindung eine Eigenteilentladung ermitteln kann, unter Berücksichtigung des Rauschabstands von 1 bis 200 MHz gezeigt.
Die 9a bis 9f sind Darstellungen, die Signalverläufe, gemessen mit einem Oszilloskop entsprechend den Größen der Entladung unter Verwendung des Hybridsensors 10, zeigen. Bezug nehmend auf die 9a bis 9f ist ersichtlich, dass, selbst wenn die Größe der Entladung gering ist, die Ansprechkennlinien des Sensors 10 nutzbar sind. Ein hoher Rauschabstand gibt an, dass die Ansprechkennlinien des Sensors 10 nutzbar sind.
10 ist eine Darstellung, die eine Einzelaufnahme der Coronaentladung in Öl zeigt, die durch den Hybridsensor der vorliegenden Erfindung ermittelt wird. Aus 10 ist ersichtlich, dass im gemessenen Signalverlauf kein Leistungsstörsignal enthalten ist, und dass das Auftreten von Schwingungen reduziert ist.
11a bis 11c sind Darstellungen, die die Spektren von Ausgangssignalen entsprechend zeitlichen Änderungen des Hybridsensors der vorliegenden Erfindung zeigen. Insbesondere zeigt 11a die Wahrscheinlichkeit, dass ein Frequenzband zu einem Anfangszeitpunkt ermittelt wird, und 11c zeigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Frequenzband nach Ablauf einer bestimmten Periode ermittelt wird. Wie 11c zeigt, nähert sich mit Zeitablaut der gemessene Signalverlauf dem der 7.
Bezug nehmend auf die obigen Messergebnisse ist ersichtlich, dass der Teilentladungs-Hybrid-Detektionssensor der vorliegenden Erfindung die Beaufschlagung mit NF-Umgebungsstörsignalkomponenten einschließlich Netzstörsignalen reduziert, das SN/-Verhältnis erhöht, so dass die Messempfindlichkeit verbessert wird, und Sicherheit gegen den Einfluss großer Ströme auf den Sensor in Folge des Zwischenfalls garantiert.
Experiment 1
Ein Experiment zur Messung der Entladung in Luft, durchgeführt an den Parallelplattenelektroden unter Verwendung des Hybridsensors der vorliegenden Erfindung wurde durchgeführt. Das Experiment wurde in der Weise durchgeführt, dass ein Sensor 122 der vorliegenden Erfindung auf der Masseseite von Parallelplattenelektroden installiert wurde, die Untersuchungsobjekte sind, und zwar senkrecht zur Stromrichtung, wie 12 zeigt. Um die Leistung des Sensors der vorliegenden Erfindung objektiv mit der eines anderen Sensors zu vergleichen, werden die vom Sensor der vorliegenden Erfindung und einem allgemeinen CT-Sensor bzgl. desselben Messobjekts gemessenen Ergebnisse miteinander verglichen. Der allgemeine CT-Sensor wird von der Power Diagnostics (PD) Corporation vertrieben und ist als ein internationales HF-Teilentladungsgerät anerkannt. Bei dem Experiment reicht das Frequenzband für die Teilentladungsmessung von 1 MHz bis 100 MHz. Der CT-Sensor der PD Corporation wurde an der gleichen Stelle wie der Sensor der vorliegenden Erfindung installiert.
13 ist eine Darstellung zum Vergleich der Messempfindlichkeiten der beiden Sensoren, die wie in 12 installiert sind, miteinander, wobei CH1 die Messempfindlichkeit des Sensors der vorliegenden Erfindung und CH2 die Messempfindlichkeit des CT-Sensors bei 100 MHz der PD Corporation angibt. Wie bei einem tatsächlichen Corona-Messsignalverlauf der 13 ist ersichtlich, dass, wenn die Größe der Entladung von 10 pC von den beiden Sensoren in der gleichen Weise bewirkt wird, und die Messungen an der gleichen Stelle gleichzeitig durchgeführt werden, der CT-Sensor der PD Corporation die Coronaentladung unter den gleichen Bedingungen nicht messen kann, während der Hybridsensor die Coronaentladung mit einem hohen Rauschabstand ermitteln kann. Bezug nehmend auf den Signalverlauf der 13 ist ersichtlich, dass kein Netzstörsignal in den Messergebnissen des Sensors der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
Außerdem ist 14 eine Darstellung, die den gemessenen Signalverlauf CH2 des CT-Sensors der PD Corporation und den gemessenen Signalverlauf CH1 des Hybridsensors bzgl. eines einzelnen Coronaentladungssignals zeigt. Wie 14 zeigt, ist bei dem Sensor der vorliegenden Erfindung dessen Ausgangssignalverlauf als gleich dem Ansprechsignalverlauf eines typischen Shuntsensors gezeigt und Schwingungen und Netzstörsignalkomponenten waren im Vergleich zu dem CT-Sensor weitgehend reduziert. Dagegen konnte der CT-Sensor der PD Corporation eine Teilentladung überhaupt nicht ermitteln.
Experiment 2
Um die Isolierzustände einer Wicklung eines Stators und eines Jochs eines Elektromotors unter Verwendung des Hybridsensors der vorliegenden Erfindung zu messen, wurde dann ein Experiment zur Ermittlung der Größe der Teilentladung durchgeführt.
Dabei wurde ein Elektromotor mit 50PS der Hyosung Corporation, Korea, als Prüfobjekt des Experiments zur Ermittlung der im Elektromotor erzeugten Teilentladung verwendet.
Wie 15 zeigt, transformiert ein Transformator 121 eine Netzspannung von 220 V in eine Steuerspannung (eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung), die für einen Elektromotor 125 erforderlich ist, der aus einer Wicklungseinheit, die vom Transformator 121 mit Energie versorgt wird, und einem an Masse liegenden Joch besteht, ein Koppelkondensator 122 ist parallel zum Elektromotor 125 geschaltet, und ein Spannungsteiler 123 und ein Sensor 124 sind mit dem Koppelkondensator 122 verbunden. Das Experiment für die Teilentladung wurde in einem abgeschirmten Raum durchgeführt, während der Sensor der vorliegenden Erfindung mit dem Gerät TE 571 von Halfey unter Einhaltung des IEC 270 Standards verglichen wurde.
16 ist ein Signalverlaufsdiagramm, das ein Teilentladungssignal zeigt, das am 50PS Elektromotor 125 ermittelt wird. Es ist ersichtlich, dass eine Teilentladung an Stellen positiver und negativer Spitzenwerte der Eingangsspannung auftritt. Dabei wird der Spannungsverlauf von CH2, der mittels des Spannungsteilers erhalten wird, dazu verwendet, die Phasenverzögerung der Eingangsspannung und der Induktivitätskomponente des Hybridsensors zu messen. Als Ergebnis der Messung waren die Phasen der Teilentladungssignale des TE 571 und des Hybridsensors ohne Phasenverzögerung gleich.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass der Hybridsensor der vorliegenden Erfindung die Phase des Messkreises nicht beeinflusst.
17 zeigt ein Signalverlaufsdiagramm eines Teilentladungsdetektionssignals, das am Stator des Elektromotors gemessen wird, bei dem die Teilentladung exakt an Stellen positiver und negativer Spitzenwerte der Eingangsspannung auftrat. 17 zeigt, dass der Rauschabstand und die Empfindlichkeit höher sind, und dass in anderen Phasen keine Störsignalkomponente erzeugt wird.
Aus den obigen Messergebnissen kann nachgewiesen werden, dass der Hybridsensor der vorliegenden Erfindung hinsichtlich Faktoren besser als der übliche CT-Sensor, die als technisch zu betrachten sind, wie die Empfindlichkeit, der Rauschabstand und die Signalverlaufsform, zum Zeitpunkt der Messung der Teilentladung ist. Selbst beim Experiment zur Messung der Teilentladung des Elektromotors traten keine Änderungen der Impedanz des Sensors selbst auf. Somit kann nachgewiesen werden, dass die Empfindlichkeit zur Unterscheidung eines Signals von einem Störsignal bei der Messung verbessert werden kann.
18a bis 18c sind Diagramme zum Vergleich der Ansprechkurven des üblichen CT-Sensors, des üblichen Shuntsensors und des Hybridsensors der vorliegenden Erfindung, die jeweils in den 18a bis 18c dargestellt sind.
Im Vergleich der 18a bis 18c tritt im Falle des CT-Sensors eine maximale Resonanz an einer Stelle nahe 9,6 MHz auf. Im Falle des Shuntsensors sind lineare Kennlinien über das gesamte Frequenzband gezeigt. im Falle des Hybridsensors der vorliegenden Erfindung ist die Empfindlichkeit gleich oder weniger als 2 pC in einem Frequenzband von 1 bis 3 MHz gezeigt, so dass sich die Empfindlichkeit des Frequenzbandes von 1 bis 3 MHh deutlich von denjenigen der anderen Frequenzbänder unterscheidet.
19 ist ein Diagramm zum Vergleich der Ausgangsspannungen in Abhängigkeit von der Größe der Entladung des üblichen CT-Sensors, des üblichen Shuntsensors und des Hybridsensors der vorliegenden Erfindung. Wie 19 zeigt, nimmt die Ansprechgröße vom CT-Sensor über den Shuntsensor zum Hybridsensor ab. Der Grund dafür, dass die Ansprechgröße des CT-Sensors die größte ist, liegt darin, dass, da die Messung von Spitze zu Spitze erfolgt, die Summe der positiven und negativen Spitzenwerte des CT-Sensors bei größtem Schwingen als größter Wert gezeigt ist. Unter Berücksichtigung der Größe der Empfindlichkeit nimmt man daher die Größe der tatsächlichen Empfindlichkeit vom Shuntsensor über den CT-Sensor zum Hybridsensor an.
20a bis 20c sind Diagramme zum Vergleich von Einzelaufnahmen des üblichen CT-Sensors, des üblichen Shuntssensors und des Hybridsensors der vorliegenden Erfindung zum Zeitpunkt der Messung der Coronaentladung in Öl, wobei der Signalverlauf der einzelnen Aufnahmen des CT-Sensors, des Shuntsensors und des Hybridsensors jeweils in den 20a bis 20c dargestellt sind. Wie die 20a bis 20c zeigen, ist ersichtlich, dass der CT-Sensor zahlreiche Schwingungen in dessen Signalverlauf erzeugt, während der Hybridsensor schnelle Ansprechkennlinien mit weniger Schwingungen als die des CT-Sensors erzielen kann.
Wie oben beschrieben schafft die vorliegende Erfindung einen Hybridsensor zur Ermittlung einer Teilentladung, der das Auftreten von Schwingungen reduzieren und die Messempfindlichkeit im Vergleich zu einem üblichen CT-Sensor verbessern kann, und der einen hohen Unterdrückungswirkungsgrad für Umgebungsstörsignale einschließlich Netzstörsignalen haben kann, um einen Rauschabstand höher als bei einem üblichen Shuntsensor zu erzielen, und der die Sicherheit des Messgeräts durch Schutz des Sensors selbst garantieren kann, wenn eine Überspannung auf das Messgerät beim Auftreten eines Zwischenfalls gegeben wird.

Claims

Hybridsensor (20) zur Ermittlung der HF-Teilentladung eines Leistungsgeräts, bestehend aus: – einem ersten Messanschluss (11), der elektrisch mit einem Messpunkt eines Leistungsgeräts verbunden ist, das ein Untersuchungsobjekt ist, um ein zu untersuchendes Leistungssignal zu empfangen, – einem zweiten Messanschluss (12), der mit Masse verbunden ist, um das zu untersuchende Leistungssignal abzugeben, – einer ersten Impedanz (L1), die zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss (11 bzw. 12) angeordnet und so ausgebildet ist, dass sie eine niedrige Impedanz einschließlich einer induktiven Widerstandskomponente hat, so dass ein erster Pfad gebildet wird, der ein NF-Signal durchlässt, – einer zweiten Impedanz (C1), die zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss (11 bzw. 12) angeordnet, zur ersten Impedanz (L1) parallel geschaltet und so ausgebildet ist, dass sie eine hohe Impedanz einschließlich einer kapazitiven Widerstandskomponente hat, so dass ein zweiter Pfad gebildet wird, der einen HF-Teilentladungsstrom durchlässt, – einer Detektionseinrichtung (R10), die zwischen die zweite Impedanz (C1) und den zweiten Messanschluss (12) in Reihe geschaltet ist, um die Größe des HF-Teilentladungsstroms, der den zweiten Pfad durchläuft, in Messsignale mit einer bestimmten Form umzuwandeln, – einem ersten und zweiten Ausgangsanschluss (13 bzw. 14), um positive und negative Messsignale mit einer bestimmten, von der Detektionseinrichtung (R10) ermittelnden Form abzugeben, – einer dritten Impedanz (C2), die zwischen dem ersten und zweiten Anschluss (11 bzw. 12) angeordnet, zur ersten und zweiten Impedanz (L1 bzw. C2) parallel geschaltet und so ausgebildet ist, dass sie eine hohe Impedanz einschließlich eines kapazitiven Widerstands hat, so dass ein dritter Pfad gebildet wird, der ein UHF-Signal wie einen Überstrom durchlässt, und – einem induktiven Blindwiderstand (12), der zwischen der ersten und der zweiten Impedanz (L1 bzw. C1) und dem zweiten Messanschluss (12) angeordnet ist, um das Grundrauschen zu reduzieren.
Hybridsensor (20) nach Anspruch 1, bei dem die erste Impedanz (L1) eine Spule mit einer bestimmten Induktivität ist.
Hybridsensor (20) nach Anspruch 1, bei dem die zweite Impedanz (C1) ein SMD-Keramikkondensator ist.
Hybridsensor (20) nach Anspruch 1, bei dem die Detektionseinrichtung (R10) ein SMD-Chipwiderstand ist, der zwischen der zweiten Impedanz (C1) und dem zweiten Messanschluss (12) angeordnet ist.
Hybridsensor (20) nach Anspruch 3, bei dem der SMD-Keramikkondensator eine Stehspannung von 10 kV oder mehr hat.