DE19626527A1

DE19626527A1 - Verfahren zur Erfassung von Teilentladungsimpulsen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19626527A1
Application number: DE1996126527
Authority: DE
Inventors: Glenn Behrmann; Amdrzej Kaczkowski
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1996-07-02
Filing date: 1996-07-02
Publication date: 1998-01-08

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird von einem Verfahren zur Erfassung von Teilentladungsimpulsen in einer Hochspannungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen. Dieses Verfahren kann insbesondere in einer metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsanlage eingesetzt werden. Dieses Verfahren kann aber beispielsweise auch für die Überwachung von Transformatoren, Hochspannungskabeln oder sonstigen spannungsführenden Baugruppen oder Anlagen verwendet werden.

STAND DER TECHNIK

Die Erfassung von Teilentladungen spielt bei der Überwachung von hochspannungsführenden elektrischen Anlagen, wie etwa einer metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsanlage oder einem hochspannungsbeaufschlagten elektrischen Gerät, beispielsweise einem Transformator oder einem Generator, eine wichtige Rolle. Teilentladungsmessungen werden sowohl während des Betriebs als auch bei der Qualitätskontrolle während der Fertigung in der Fabrik und auch bei der Qualitätsprüfung während des Vor-Ort-Aufbaus der metallgekapselten gasisolierten Schaltanlage oder des betreffenden Geräts durchgeführt.

Eine Erfassungseinrichtung für in einer hochspannungsführenden elektrischen Anlage auftretende Teilentladungsimpulse ist beispielsweise aus der Patentschrift EP 0 134 187 B1 bekannt. Diese Einrichtung weist eine als Metallplatte ausgebildete Meßelektrode auf, die in die innere Oberfläche der Metallkapselung einer gasisolierten metallgekapselten Hochspannungsanlage eingelassen ist, die Meßelektrode ist von der Metallkapselung elektrisch isoliert. Die aus dieser hochspannungsführenden Anlage kapazitiv ausgekoppelten Teilentladungsimpulse werden in einer zugehörigen, der Meßelektrode nachgeschalteten Signalverarbeitungsvorrichtung weiter verarbeitet.

Aus der US-Patentschrift 4,967,158 ist eine Erfassungseinrichtung für Teilentladungen bekannt, die dafür ausgelegt ist, Teilentladungsimpulse im Bereich von 5 MHz bis 10 MHz zu detektieren. Da sich diese Erfassungseinrichtung stets außerhalb der betreffenden Hochspannungsanlage befindet, also in dem Bereich, wo die Teilentladungen in der Luft, die sogenannten Koronaentladungen, auftreten, welche in diesem angegebenen Frequenzbereich starke Störungen verursachen, ist es offensichtlich, daß sich die in dieser Patentschrift beschriebene Erfassungseinrichtung ausschließlich für die Erfassung von kräftigen Teilentladungsimpulsen eignet, die von entsprechend starken Teilentladungsquellen herrühren, so daß nur diese starken, sich vom Störpegel der Koronaentladungen abhebenden Teilentladungsquellen erfaßt werden können.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung von Teilentladungsimpulsen anzugeben, welches sich einerseits durch einen hohen Wirkungsgrad bei der Auskoppelung der in einer elektrischen Hochspannungsanlage auftretenden Teilentladungsimpulse auszeichnet, und welches es andererseits ermöglicht, die Teilentladungsimpulse einwandfrei aus den stets vorhandenen Störsignalen herauszufiltern.

Um das Signal-Rausch Verhältnis zu verbessern, schafft das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, mit Hilfe entsprechender Frequenzfenster die Frequenzbereiche, wo kritische Teilentladungsimpulse auftreten können und wo vergleichsweise wenig oder nur schwache Störsignale vorhanden sind, gezielt abzusuchen. Die schädlichen Störungen liegen nämlich nicht nur im Frequenzbereich unterhalb von 100-300 MHz, wie beispielsweise die durch Luftkorona hervorgerufenen, sondern auch im Bereich bis zu mehreren Gigahertz. Typische Störungsquellen in diesem hohen Frequenzbereich sind beispielsweise Radio- und Radarsender, industrielle Störungen, Mikrowellengeräte, usw. Diese Störungen treten jeweils nur in vergleichsweise schmalen Frequenzbereichen auf, diese Frequenzbereiche sind jedoch verteilt über das gesamte Frequenzband wo Teilentladungsimpulse möglich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, gezielt die Bereiche des Frequenzbandes zu überwachen, wo ein Minimum an Störeinflüssen austritt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, mit hoher Genauigkeit zu erkennen, daß Teilentladungsimpulse vorhanden sind, so daß rechtzeitig Gegenmaßnahmen zum Schutz der betreffenden Hochspannungsanlage eingeleitet werden können. Die für die Durchführung des Verfahrens verwendete Erfassungseinrichtung weist ferner einen großen Störabstand zu den in Hochspannungsanlagen stets auftretenden niederfrequenten Störungen auf.

Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Fig. 1 zeigt ein stark vereinfachtes Schaltbild einer Erfassungseinrichtung für Teilentladungsimpulse.

Die Fig. 2a bis 2f stellen schematische Kurvenverläufe dar, die zur Erklärung der Funktion der Erfassungseinrichtung verwendet werden.

In der Fig. 3 ist ein Blockschaltbild dargestellt, welches die wesentlichen Verfahrensschritte, nach welchen diese Erfassungseinrichtung für Teilentladungsimpulse arbeitet, zeigt.

Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind in den Figuren nicht dargestellt.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In der Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schaltbild einer Erfassungseinrichtung 1 für die Erfassung von Teilentladungsimpulsen dargestellt. Die Erfassungseinrichtung 1 weist mindestens eine Meßelektrode 2 auf, die für die Erfassung von Teilentladungsimpulsen in einer nicht dargestellten elektrischen Hochspannungsanlage oder in einem elektrischen Gerät ausgelegt ist. Die Meßelektrode 2 kann als Ringelektrode oder als Ringsegment oder als Plattenelektrode ausgebildet sein, es sind zudem eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen der Meßelektrode 2 möglich. Die geometrische Ausbildung der Meßelektrode 2 wird durch die erwartete Frequenz der zu erfassenden Teilentladungsimpulse bestimmt. An einer Stelle der mindestens einen Meßelektrode 2 ist hier auf der den Hochspannung führenden Teilen der Anlage abgewandten Seite eine Anzapfung 3 vorgesehen, die mit einer Meßleitung 4 verbunden ist. Die Meßleitung 4 wird mittels einer entsprechenden Durchführung aus der zu überwachenden Hochspannungsanlage bzw. dem Gerät herausgeführt. Die Meßleitung 4 ist koaxial ausgebildet. Die Anzapfung 3 wird dabei als Seele in das abgeschirmte Koaxialkabel eingeführt, um eine Beeinflussung der übertragenen Meßsignale durch äußere Störsignale zu verhindern. Vorzugsweise wird hierfür ein abgeschirmtes 50Ω-Koaxialkabel verwendet. Unmittelbar nach dem Austritt aus der Hochspannungsanlage bzw. dem Gerät führt die Meßleitung 4 in einen Vorverstärker 5, welcher die durch die Meßelektrode 2 aufgenommenen Meßsignale verstärkt. Von dem Vorverstärker 5 führt eine koaxial abgeschirmte Leitung 6, vorzugsweise ebenfalls ein abgeschirmtes 50Ω-Koaxialkabel, in einen ersten Eingang 7 eines Signalmischers 8. Dieser Signalmischer 8 ist in der Regel als Diodenmischer ausgebildet.

Der Signalmischer 8 weist einen zweiten Eingang 9 auf. Der zweite Eingang 9 ist mit einem einstellbaren Oszillator 10 verbunden. Der Oszillator 10 liefert ein Empfängeroszillatorsignal (LO-Signal), dessen Amplitude in der Regel konstant ist. Die Frequenz dieses Empfängeroszillatorsignals wird jedoch elektronisch, beispielsweise mittels einer Gleichspannungsregelung, eingestellt. Ein mit dem Oszillator 10 verbundenes Anzeigegerät 11 gibt an, mit welcher Frequenz das vom Oszillator 10 erzeugte Empfängeroszillatorsignal in den Signalmischer 8 eingespeist wird. Im Signalmischer 8 wird das Empfängeroszillatorsignal mit dem vom Vorverstärker 6 gelieferten Meßsignal gemischt zu einem Mischsignal. Das Mischsignal verläßt den Signalmischer 8 durch einen Ausgang 12. Der Ausgang 12 ist mit einem regelbaren Verstärker 13 elektrisch leitend verbunden. Dem regelbaren Verstärker 13 ist eine Filteranordnung 14 nachgeschaltet, in welche das verstärkte Mischsignal eingespeist wird. Die Filteranordnung 14 weist zwei Umschalter 15 und 16 auf, die miteinander gekoppelt sind. Der erste Umschalter 15 ist mit dem regelbaren Verstärker 13 verbunden, während der zweite Umschalter 16 am Ausgang der Filteranordnung 14 angeordnet ist.

Zwischen den beiden Umschaltern 15 und 16 sind verschiedene, jeweils für einen bestimmten Bereich des zu überwachenden Frequenzbandes ausgelegte Tiefpaßfilter 17 (Filter 1, Filter 2, usw.) angeordnet, die mittels der beiden Umschalter 15 und 16 der Reihe nach in den Meßkreis eingeschaltet werden. Diese Tiefpaßfilter 17 werden vorteilhaft als aktive oder passive Filter ausgebildet, insbesondere sind hier auch Bessel-Filter vorstellbar, welche keine Eigenschwingungen aufweisen. Als Umschalter können hier vorteilhaft Koaxialrelais eingesetzt werden, es sind jedoch auch andere Umschalter vorstellbar. Die Tiefpaßfilter 17 sind innerhalb des jeweiligen ihnen zugeordneten Bereiches des Frequenzbandes kontinuierlich einstellbar, sie werden jedoch in der Regel bereits bei der Inbetriebnahme der Hochspannungsanlage eingestellt, die entsprechenden Werte werden gespeichert, so daß diese Einstellung dann beibehalten wird. Die obere Frequenz der Filteranordnung 14 wird in der Regel zwischen 0,3 MHz und 100 MHz liegen.

In der Regel sind für die jeweilige Hochspannungsanlage die Charakteristiken des oder der zu erwartenden Teilentladungssignale in etwa bekannt, so daß entsprechend angepaßte, optimal ausgelegte Frequenzfenster eingerichtet werden können, um diesen Bereich oder eventuell die in Frage kommenden Bereiche des Frequenzbandes gezielt zu überwachen. Die Einrichtung eines derartigen Frequenzfensters erfolgt durch die Wahl des entsprechenden Tiefpaßfilters 17 der Filteranordnung 14 in Verbindung mit der entsprechenden Einstellung der zugeordneten Frequenz des vom Oszillator 10 her eingespeisten Empfängeroszillatorsignals. Bei der Auslegung des Frequenzfensters wird darauf geachtet, daß einerseits möglichst viel der Signalleistung des Teilentladungssignals durchgelassen wird, während andererseits die Störsignalleistung möglichst umfassend ausgefiltert wird. Das so entstandene resultierende Signal tritt aus der Filteranordnung 14 aus und wird in einem nachgeschalteten Zwischenverstärker 18 verstärkt.

Dem Zwischenverstärker 18 ist ein konventioneller Hüllkurvendetektor 19 nachgeschaltet, der als Amplitudendemodulator wirkt, so daß das resultierende Signal in ein demoduliertes Signal umgewandelt wird. Dieser Hüllkurvendetektor 19 weist eine Abgangsklemme 20 auf, die elektrisch leitend mit einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung verbunden ist. In dieser Auswertevorrichtung wird das demodulierte Signal statistisch weiter verarbeitet und bei Bedarf auch dargestellt. Wenn diese Auswertevorrichtung das Auftreten von entsprechenden Teilentladungsimpulsen während einer längeren Zeitdauer feststellt, kann sie einen Alarm generieren, so daß rechtzeitig vor dem Auftreten eines größeren Schadens eine Kontrolle bzw. eine Revision der betreffenden Hochspannungsanlage eingeleitet werden kann.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise werden nun die Fig. 2a bis 2f näher betrachtet. Bei diesen Fig. 2a bis 2f ist jeweils entlang der Abszissenachse die Frequenz f aufge tragen, entlang der Ordinatenachse ist die Amplitude Amp der jeweiligen Schwingung aufgetragen. Die Fig. 2c zeigt schematisch ein Frequenzspektrum der im Bereich der zu überwachenden Hochspannungsanlage auftretenden elektrischen Störungen. Jeder Standort einer Hochspannungsanlage weist in der Regel sein eigenes, sehr spezielles Störspektrum auf. Der mit "A" gekennzeichnete Frequenzbereich umfaßt Störungen, die von Industrieanlagen herrühren, der mit "B" gekennzeichnete Frequenzbereich umfaßt Störungen, welche hauptsächlich durch Koronaentladungen verursacht werden, und die mit "C" gekennzeichneten Frequenzbereiche stellen die Frequenzbereiche von störend einwirkenden Radiosendern und dergleichen dar. Vor der Aufstellung der jeweiligen Hochspannungsanlage wird jeweils dieses standortspezifische Frequenzspektrum ermittelt.

Die Fig. 2a zeigt schematisch ein Teilentladungsspektrum, wie es theoretisch in einer von anderweitigen Störungen freien Hochspannungsanlage auftreten kann. Der gleichmäßige Verlauf dieses durch einen Teilentladungsimpuls hervorgerufenen Spektrums ist typisch für diese zu detektierenden Teilentladungen. Die Fig. 2b zeigt schematisch einen Verlauf des Meßsignals, wie er in etwa an der Anzapfung 3 der Meßelektrode 2 abgegriffen wird. Dieses Meßsignal wird nun weiter verarbeitet mit dem Ziel, herauszufinden, ob in diesem Meßsignal ein Teilentladungsspektrum enthalten ist.

Dem in Fig. 2b dargestellten Meßsignal wird dann im Signalmischer 8 das vom Oszillator 10 mit einer Mittenfrequenz F₁ erzeugte Empfängeroszillatorsignal beigemischt. Die Mittenfrequenz F₁ des Empfängeroszillator signals wird dabei so gewählt, daß diese Mittenfrequenz F₁ in einem störungsfreien oder nur mit schwachen Störungen behafteten Bereich des standortspezifischen Frequenz spektrums der Störungen gemäß Fig. 2c liegt. Aus Redundanz gründen empfiehlt es sich, bei jeder Hochspannungsanlage mehrere derartige Empfängeroszillatorsignalfrequenzen nach den gleichen Kriterien auszuwählen. In der Fig. 2d ist dieses Empfängeroszillatorsignal mit der Mittenfrequenz F₁ als senkrechter Balken dargestellt. Die Fig. 2d zeigt die in den Signalmischer 8 eingespeisten Signale. Das Empfänger oszillatorsignal mit der Mittenfrequenz F₁ liegt im Zentrum eines zugeordneten, mittels einer strichpunktierten Linie eingefaßten, Frequenzfensters 21. Jeder der gewählten Empfängeroszillatorsignal-Mittenfrequenzen ist ein entsprechendes Frequenzfenster 21 zugeordnet. Die untere und die obere Grenzfrequenz des jeweiligen Frequenzfensters 21 wird mit Hilfe des zugeordneten Filters der Filteranordnung 14 eingestellt. Die Breite jedes der Frequenzfenster 21 liegt im Bereich zwischen 0,3 MHz und 100 MHz.

Die Fig. 2e zeigt schematisch das Mischsignal, welches aus dem Signalmischer 8 austritt. Der Signalmischer 8 verschiebt, wie dies deutlich erkennbar ist, die Mittenfrequenz F₁ so, daß sie zur Frequenz 0 Hz wird. Das Mischsignal liegt nun in einem Frequenzbereich, wo sich die Ausfilterung der überlagerten Störungen sehr einfach durchführen läßt. Dieses Mischsignal wird im zugeordneten Filter der Filteranordnung 14 gefiltert, so daß das in Fig. 2f dargestellte resultierende Signal, welches von den Störsignalen befreit ist, aus der Filteranordnung 14 austritt. Dieses resultierende Signal wird dann verstärkt und danach in dem Hüllkurvendetektor 19 demoduliert. Die nachgeschaltete, nicht dargestellte Auswertevorrichtung erkennt anhand dieses demodulierten Signals, daß in der Hochspannungsanlage Teilentladungen vorkommen. Aufgrund der Intensität und der Häufigkeit des Signals und aufgrund von statistischen Auswertungen wird entweder ein Alarm ausgelöst oder die Hochspannungsanlage wird umgehend abgeschaltet. In der Regel sind in der Software der übergeordneten, mit der Auswertevorrichtung zusammenwirkenden Anlagenleittechnik die jeweiligen Kriterien für eine Alarmauslösung oder eine Abschaltung gespeichert.

Um Fehlanzeigen bzw. Fehlabschaltungen auszuschließen, werden mehrere Mittenfrequenzen und ihnen zugeordnete Frequenzfenster 21 eingestellt und gespeichert. Mittels der Umschalter 15 und 16 werden diese Frequenzfenster 21 der Reihe nach abgesucht. Die Auswertevorrichtung generiert erst dann einen Alarm, wenn nacheinander mehrere resultierende Signale eingespeist werden, die auf das Vorkommen von Teilentladungen hinweisen. Diese Teilentladungsmessungen finden in der Regel kontinuierlich während des Betriebs der Hochspannungsanlage statt.

Die Erfassungseinrichtung 1 arbeitet in einem Frequenzbereich von etwa 100 MHz bis etwa 2500 MHz. Durch eine Einstellung der Frequenz des Oszillators 10 und des Frequenzbereichs der Filteranordnung 14 läßt sich, passend für die jeweilige Hochspannungsanlage, beispielsweise für eine metallgekapselte gasisolierte Schaltanlage, ein optimaler Arbeitsbereich der Erfassungseinrichtung 1 einstellen. In diesem optimalen Arbeitsbereich werden jeweils die stärksten anlagefremden Störsignale unterdrückt und die Nutzsignale, in diesem Fall die durch Teilentladungsimpulse verursachten Signale, werden hervorgehoben. Auf betriebsfrequente Störsignale der jeweiligen Hochspannungsanlage spricht die Erfassungseinrichtung 1 jedoch sicher nicht an.

Wenn transiente elektromagnetische Felder, wie sie zum Beispiel durch hochfrequente Teilentladungsimpulse verursacht werden, in dieser durch die Erfassungseinrichtung 1 überwachten Hochspannungsanlage auftreten, so wandern sie durch diese Anlage. Häufig sind in einer Hochspannungsanlage mehrere Erfassungseinrichtungen 1 angeordnet, so daß auch von daher der Ort der betreffenden Teilentladungsquelle gut eingegrenzt werden kann, so daß zur Fehlerbeseitigung, d. h. zur Entfernung eines eventuell angelagerten, die Teilentladungen verursachenden Fremdkörpers, nur ein vergleichsweise kleiner Teil der Anlage demontiert werden muß.

Bezugszeichenliste

1 Erfassungseinrichtung
2 Meßelektrode
3 Anzapfung
4 Meßleitung
5 Vorverstärker
6 Leitung
7 Eingang
8 Signalmischer
9 Eingang
10 Oszillator
11 Anzeigegerät
12 Ausgang
13 regelbarer Verstärker
14 Filteranordnung
15, 16 Umschalter
17 Tiefpaßfilter
18 Zwischenverstärker
19 Hüllkurvendetektor
20 Abgangsklemme
21 Frequenzfenster
Amp Amplitude
f Frequenz
F₁ Mittenfrequenz
A, B, C Frequenzbereiche

Claims

1. Verfahren zur Erfassung von Teilentladungsimpulsen in einer mit hochspannungsführenden Aktivteilen versehenen elektrischen Anlage, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

a) Auskoppeln eines Meßsignals, welches die volle Bandbreite der in der Anlage vorkommenden Schwingungen beinhaltet,
b) Generieren eines ersten Empfängeroszillatorsignals mit konstanter Amplitude und mit einer ersten Mittenfrequenz (F₁),
c) Mischen des ersten Empfängeroszillatorsignals mit dem ausgekoppelten Meßsignal zu einem ersten Mischsignal mit der Frequenz 0 Hz,
d) Einleitung des ersten Mischsignals in einen entsprechend abgestimmten ersten Tiefpaßfilter (17),
e) Ausfiltern der außerhalb des Frequenzbereichs des ersten Tiefpaßfilters (17) liegenden Frequenzen des Mischsignals, so daß ein erstes resultierendes Signal entsteht,
f) Einleiten des ersten resultierenden Signals in einen Hüllkurvendetektor (19) und Demodulation dieses ersten resultierenden Signals,
g) Einleiten des ersten demodulierten Signals in eine Auswertevorrichtung, wo erste Teilentladungsimpulse detektiert, angezeigt und sichtbar gemacht werden,
h) Wiederholen der Verfahrensschritte b) bis g) mit anderen diskreten Empfängeroszillatorsignalen, mit entsprechend angepaßten Mittenfrequenzen und auf die jeweilige Mittenfrequenz abgestimmten Tiefpaßfiltern (17).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Verfahren kontinuierlich arbeitet.

3. Erfassungseinrichtung für die Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit mindestens einer Meßelektrode (2) und mit mindestens einer mit der Meßelektrode (2) verbundenen Signalverarbeitungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Meßelektrode (2) ein Signalmischer (8) nachgeschaltet ist,
- daß der Signalmischer (8) mit einem einstellbaren Oszillator (10) verbunden ist,
- daß dem Signalmischer (8) eine mit Tiefpaßfiltern (17) beschaltete Filteranordnung (14) nachgeschaltet ist, und
- daß der Filteranordnung (14) ein Hüllkurvendetektor (19) nachgeschaltet ist.

4. Erfassungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß zwischen der Meßelektrode (2) und dem Signalmischer (8) ein Vorverstärker (5) vorgesehen ist,
- daß zwischen dem Signalmischer (8) und der Filteranordnung (14) ein regelbarer Verstärker (13) vorgesehen ist, und
- daß zwischen der Filteranordnung (14) und dem Hüllkurvendetektor (19) ein Zwischenverstärker (18) vorgesehen ist.

5. Erfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Signalmischer (8) als ein Diodenmischer ausgebildet ist.

6. Erfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Tiefpaßfilter (17) der Filteranordnung (14) als aktive oder passive Filter ausgebildet sind.

7. Erfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Frequenz des durch den Oszillator (10) gelieferten Empfängeroszillatorsignals mittels einer Gleichspannungsregelung einstellbar ist.