DE3910696A1 - Verfahren zum ueberwachen des drucks in einer druckgasgefuellten kammer sowie eine vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zur Überwachung des Drucks in hermetisch geschlossenen Kammern eines druckgasisolierten Hochspannungsschaltfeldes sind jeder Kammer ein Drucksensor, ein Temperatursensor und ein Lichtsensor zugeordnet, die entsprechende Zustandsgrößen in der zugeordneten Kammer erfassen. Die elektrischen Ausgangssignale des jeweiligen Drucksensors und des zugehörigen Temperatursensors werden einem elektronischen Prozessor zugeführt, der aus den ermittelten Werten die Gasdichte als Kriterium für das Isoliervermögen des unter Druck eingefüllten Isoliergases ermittelt. Dabei sind Einrichtungen vorgesehen, über welche die Druck­ und Temperaturwerte der jeweiligen Kammer abgefragt und angezeigt werden können. Außerdem ist es möglich, die aktuellen Ist-Werte mit vorgegebenen Sollbereichen zu vergleichen und im Falle des Überschreitens oder Unterschreitens einen Alarm oder eine Betriebsunterbrechung durch den Prozessor zu steuern. In dem vom Prozessor ausgegebenen Schalt- oder Anzeigesignal ist auch das Signal des Lichtsensors berücksichtigt, der in der Kammer auftretende Lichtbogen berücksichtigt und zur Abschaltung oder Alarmauslösung herangezogen wird. Bei der Auswertung des vom Drucksensor abgegebenen Druckmeßsignals ergeben sich insoweit Schwierigkeiten, als der Druck in der Kammer sowohl von der Erwärmung durch innerhalb der Kammer angeordnete stromdurchflossene Bauelemente als auch durch die Umgebungstemperatur der Kammer beeinflußt wird. Hierdurch können Fehlschaltungen ausgelöst und Anzeigewerte ausgegeben werden, die trotz ausreichenden Isoliervermögens Fehlschlüsse nahelegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, durch welche bei einfachem Aufbau zuverlässige Schalt- oder Anzeigesignale bereit gestellt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten bzw. achten Anspruchs.

Bei einer Verfahrensweise gemäß der Erfindung werden die durch die Außentemperatur bewirkten thermischen Einflüsse auf das in der Kammer befindliche Isoliergas in bezug auf das Schalt- oder Anzeigesignal eliminiert. Dadurch kann nicht nur der Fülldruck bei der erstmaligen Füllung der Kammer reduziert werden, weil der tatsächliche Druck in der Kammer so umgerechnet wird, als ob eine konstante Außentemperatur von beispielsweise 20° Celsius herrschte, bei welcher im allgemeinen das Füllen der Kammer erfolgt. Deshalb braucht auch als untere Sollwertvorgabe nicht der Druck vorgegeben zu werden, der bei der oberen, nach den Vorschriften geforderten Umgebungstemperatur der Kammer in der Kammer für die Sicherstellung des Isoliervermögens gefordert wird. Der untere Solldruckwert kann demnach so gewählt werden, wie er bei der Bezugstemperatur bei vorgegebener Leckrate am Ende der vorbestimmten Lebensdauer nach beispielsweise 10 Jahren noch vorhanden sein muß. Bei geringerem Fülldruck wird außerdem eine entsprechend geringere mechanische Belastung der Kammer erreicht.

Wird das Druckmeßsignal in Abhängigkeit von der jeweiligen Umgebungstemperatur entsprechend der sich aus der thermischen Zustandsgleichung ergebenden Gasdruckänderung korrigiert, also so umgerechnet, als ob die Umgebungstemperatur bei der vorgegebenen Bezugstemperatur liegt, dann braucht dieses korrigierte Druckmeßsignal nur mit dem für das Ende der Lebensdauer bei der Bezugstemperatur geforderten Gasdruck-Sollwertsignal verglichen zu werden. Dieses Gasdruck-Sollwertsignal ist dann als fester Wert vorgegeben. Insbesondere kann das korrigierte Druckmeßsignal über eine Anzeigeeinrichtung zur optischen Überwachung in analoger oder digitaler Form ausgegeben oder in ein Steuersignal umgesetzt werden, so daß das ausgebenene Anzeigesignal nicht mit der Außentemperatur schwankt. Irritationen der Bedienungsperson oder der nachfolgenden Steuereinrichtung durch Umgebungstemperatureinflüsse sind somit ausgeschlossen. Ein Abfall der Umgebungstemperatur führt somit nicht mehr zu der Aussage, die Kammer müsse ein Leck aufweisen, da der Druck entsprechend schnell abgefallen ist.

Es ist jedoch auch möglich, das Gasdruck-Sollwertsignal von seinem bei der Bezugstemperatur vorgegebenen Bezugswertsignal in Abhängigkeit von der der Umgebungstemperatur entsprechenden, sich aus der thermischen Zustandsgleichung ergebenden Gasdruckänderung zu ändern, so daß der umgebungstemperaturabhängige Gasdruck-Sollwert auf der Geraden gleitet, die der Gasdruck beim Ändern von der untersten bis zur obersten, durch Vorschriften vorgegebenen Umgebungstemperatur durchläuft. Zur Anzeige wird hierbei nur die Differenz zwischen diesem gleitenden Solldruckwert und dem tatsächlichen Druckwert herangezogen, die somit wiederum unabhängig von der Umgebungstemperatur ist. Für Schaltvorgänge kann dann das dem tatsächlichen Druck in der Kammer entsprechende Druckmeßsignal mit dem gleitenden Drucksollwertsignal verglichen werden. In jedem Falle werden nur die Druckänderungen angezeigt bzw. zu Schaltvorgängen ausgenutzt, die sich aus einer Druckänderung ergeben, welche aus der zu­ oder abnehmenden Erwärmung der in der Kammer angeordneten elektrischen Bauteile resultiert.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfordert lediglich einen den Innendruck einer Kammer erfassenden Drucksensor und einen die Umgebungstemperatur der Kammer erfassenden Temperatursensor, deren elektrische Meßsignale an einen Prozessor geliefert werden, der entweder das dem tatsächlichen Druck in der Kammer entsprechende Druckmeßsignal mit dem aus der Umgebungstemperatur abgeleiteten Korrekturfaktor mulitipliziert und das korrigierte Druckmeßsignal mit einem festen Bezugs-Sollwert vergleicht. Es kann aber auch das Bezugs-Drucksollwertsignal in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur durch entsprechende Multiplikation mit dem entsprechenden Korrekturfaktor berichtigt werden, so daß dann ein Vergleich mit dem Druckmeßsignal auszuführen ist, das dem tatsächlichen Druck in der Meßkammer entspricht. Änderungen des Anzeige- oder Schaltsignals werdem somit immer nur dann angezeigt, wenn sich in Folge Änderung der Erwärmung der in der Kammer angeordneten Bauteile eine Gasdruckänderung ergibt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen zu einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Überwachung des Drucks in einer druckgasisolierten Schaltanlage und

Fig. 2 ein Druckdiagramm.

Eine Hochspannungsschaltanlage weist zwei durch strichpunktierte Linien umrandete, getrennte Schaltfelder 1, 2 auf, die für sich hermetisch geschlossen und mit einem isolierenden Druckgas, insbesondere SF6-Gas mit einem Fülldruck von beispielsweise 1,3 bar bei 20° Celsius Umgebungstemperatur und ohne Wärmeerzeugung durch Einbauten wie Leistungsschalter 3 oder Stromschienen 4 gefüllt sind. Die Schaltfelder 1, 2 sind in einzelne Kammern 5 unterteilt, die je Schaltfeld über Verbindungsleitungen 6 mit eingeschalteten, trennbaren Kupplungsstücken, die beim Öffnen selbstschließende Ventile aufweisen, miteinander verbunden. Jedem Schaltfeld 1, 2 bzw. den zugehörigen Kammern 5 gemeinsam ist ein Drucksensor 7 zugeordnet, über den der tatsächlich innerhalb der Kammern 5 des jeweiligen Schaltfeldes 1, 2 herrschende Druck des Isoliergases erfaßt wird. Die Sensoren 7 erzeugen elektrische Ausgangssignale, die einem Anzeig- und Steuergerät 8 mit darin vorgesehenem Prozessor, Anzeigeelementen 9 und Abfragetasten 10 getrennt zugeführt werden. Außerdem ist im Umgebungsbereich der Schaltanlage 1, 2 ein Temperatursensor 11 vorgesehen, der die dort herrschende Umgebungstemperatur erfaßt und ebenfalls ein elektrischen Signal, das abhängig von der Umgebungstemperatur ist, an den Prozessor im Steuergerät 8 liefert. Die Druckmeßsignale der Drucksensoren 7 werden vom Prozessor abwechselnd abgefragt.

Das Isoliervermögen des in den Kammern 3 enthaltenen Druckgases wird durch Erwärmungen beeinflußt, die einerseits von den wärmeerzeugenden stromdurchflossenen Einbauten 3, 4 und andererseits von der Umgebungstemperatur außerhalb der Kammern 3 herrühren. Bei konstanter Umgebungstemperatur lassen sich über die am Drucksensor 7 auftretende Druckänderung Aussagen über die Betriebssicherheit des jeweiligen Schaltfeldes 1, 2 ableiten. So kann über einen Druckanstieg auf eine unzulässig Erwärmung von Einbauten 3, 4 und bei stets sinkendem Druck auf ein Leck in einer der Kammern 5 geschlossen werden. Diese Meßwerte werden jedoch durch Änderungen der Umgebungstemperatur verfälscht, so daß entweder bei manueller Ablesung der Druckmeßwerte Fehlschlüsse oder bei elektrischer Auswertung Fehlentscheidungen getroffen werden können. Aus diesem Grunde wird das vom Prozessor aus der Temperatur und dem Druck generierte Schalt- oder Anzeigesignal in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur der Kammer korrigiert. Die Korrektur erfolgt dabei in der Weise, daß ein Korrekturfaktor eingeführt wird, der sich aus der thermischen Zustandsgleichung p×V=R×T ergibt. Es wird somit der tatsächlich in den Kammern 5 herrschende Druck in Abhängigkeit von der gemessenen Außentemperatur so korrigiert, als ob die Außentemperatur konstant geblieben wäre. Hierdurch wird der Einfluß der Außentemperatur auf das vom Drucksensor 7 abgegebene Druckmeßsignal eliminiert. Dieses korrigierte Druckmeßsignal kann nun unmittelbar durch Betätigen einer der Abruftasten 10 vom Prozessor an das Auszeigeelement 9 als digitaler Zahlenwert oder in analoger Weise als Balken oder dergleichen ausgegeben werden. Das hat zur Folge, daß der aus dem korrigierten Druckmeßsignal abgeleitete Anzeigewert die Druckverhältnisse in den Kammern 5 angibt, wie sie bei Vorhandensein einer Bezugs-Umgebungstemperatur gegeben wären. Bei nicht stromführenden Einbauten 3, 4 und damit fehlender innerer Erwärmung kann über den korrigierten Druckwert unabhängig von der Außentemperatur abgelesen werden, in welchem Verhältnis der gegebene Gasdruck zum Gassolldruck steht, der bei ordnungsgemäßer Funktion am Ende der Lebensdauer unter Berücksichtigung üblicher Leckraten noch in den Kammern 5 herrschen muß. Für das vom Außentemperatureinfluß befreite korrigierte Druckmeßsignal braucht ferner auch nur ein für die Bezugstemperatur bestimmter Drucksollwert vorgegeben zu werden. Dieser Drucksollwert entspricht bei der Bezugstemperatur dem Druckwert, den die Kammern 5 am Ende der Lebensdauer noch aufweisen müssen, wenn die Isoliereigenschaften ausreichen sollen. Unterschreitet der korrigierte Druckmeßwert diesen Sollwert, wird auf jeden Fall ein Warnsignal ausgelöst und gegebenenfalls eine Unterbrechung des Stromflusses durch die Einbauten 3, 4 über den Prozessor ausgelöst.

In Fig. 2 ist ein Druckdiagramm dargestellt, aus dem sich die tatsächlich in den Kammern 5 herrschenden Drücke und der entsprechend der Außentemperatur korrigierte Druckwert ergibt. Dabei ist die Umgebungstemperatur der Kammern 5 auf der X-Achse und der tatsächliche Druck in den Kammern 5 auf der Y-Achse aufgetragen. Dabei wird davon ausgegangen, daß das Füllen der Kammern 3 mit Isoliergas bei einer Umgebungstemperatur von 20° Celsius bei nicht stromführenden Einbauten 3, 4 erfolgt. Der Anfangsfülldruck beträgt hierbei 1,3 bar und ist so bemessen, daß am Ende der geforderten Lebensdauer bei vorgegebener Leckrate noch ein Druck von 1,14 bar herrscht. Unterhalb dieses Druckes ist eine sichere Isolierung nicht mehr gegeben. Als oberster Betriebsdruck ergibt sich dann ein Wert von 1,5 bar. Den Vorschriften gemäß reicht der Umgebungstemperaturbereich von Minus 10° Celsius bis Plus 40° Celsius. Innerhalb dieses Umgebungstemperaturbereichs ändert sich der Anfangs- oder Nennfülldruck von 1,3 bar entsprechend der geneigten Geraden 12, die bei 20° Celsius die Y-Achse bei 1,3 bar schneidet. Aus der Steigung dieser Druckgeraden 12 ergibt sich der Korrekturfaktor, mit dem der tatsächlich vom Drucksensor 7 ermittelte Druckwert zu multiplizieren ist. Dieser Faktor ergibt sich zu 1+a (TB-TU), wobei a die Steigung der den Druckanstieg über der Temperatur wiedergebenden Geraden 12, TB die absolute Temperatur beim Bezugspunkt (vorliegend 293 K entsprechend 20° Celsius) und TU den Absolutwert der herrschenden Umgebungstemperatur angibt. Selbstverständlich kann der Korrekturfaktor auch nach anderen Methoden bestimmt werden. Durch diese rechnerische Kompensation der Umgebungstemperatur wird somit ein druckabhängiges Steuersignal zur Verfügung gestellt, das unabhängig von der Umgebungstemperatur einem Wert entspricht, der bei der Bezugstemperatur herrschen würde. Daraus folgt beispielsweise, daß bei einem tatsächlichen Nennfülldruck von 1,3 bar bei 20° Celsius das korrigierte Druckmeßsignal auch bei geänderter Umgebungstemperatur dem Nennfülldruck von 1,3 bar entspricht. Zu einer Änderung der Druckanzeige führen somit nur Temperaturänderungen, die durch die Wärmeabgabe der Einbauten 3, 4 in den Kammern erzeugt werden. Aus den über das korrigierte Druckmeßsignal sich ergebenden Änderungen einer Anzeige kann somit auf den tatsächlich elektrischen Belastungszustand der Einbauten 3, 4 in den Kammern 5 geschlossen werden. Das korrigierte Druckmeßsignal kann somit auch zu Schaltvorgängen ausgenutzt werden, die eine Unterbrechung des Stromflusses durch die Einbauten 3, 4 auslösen können. Dabei wird durch das umgebungstemperaturkompensierte Druckmeßsignal die Möglichkeit geschaffen, einen festen Vergleichswert als Sollwert vorzugeben. Dieser Sollwert wird für die Überwachung des ausreichenden Isoliervermögens auf einen Wert festgesetzt, bei dem das geforderte Isoliervermögen noch sichergestellt ist. Dieser Solldruckwert entspricht dem tatsächlichen Fülldruck bei der Bezugstemperatur, wie er am Ende der Lebensdauer der Schaltanlage noch gegeben sein muß. Vorliegend ist das ein Druck von 1,14 bar durch den die Drucklinie 13 hindurch läuft, die sich bei diesem Fülldruck über den Umgebungstemperaturbereich von beispielsweise Minus 10° Celsius bis Plus 40° Celsius ergibt. Selbstverständlich können daneben auch andere Solldruckwerte festgelegt werden, die beispielsweise eine oberste Betriebstemperatur festlegen und zu einer Abschaltung der stromführenden Teile führt. Eine solche oberste Gasdrucklinie ist beispielsweise bei 14 angegeben, die bei der Bezugsumgebungstemperatur durch den Druckwert von 1,5 bar verläuft und die gleiche Steigung wie die Gasdruckgeraden 12, 13 aufweisen muß.

Im Diagramm gemäß Fig. 2 ist eine senkrecht zur Geradenschar 12 bis 14 verlaufende Linie 15 angegeben, die dem korrigierten Druckmeßsignal entspricht und gemäß der Übertemperatur des Isoliergases aufgrund der inneren Erwärmung durch die Einbauten 3, 4 mit 5 Kelvin pro Teilstrich unterteilt ist. Bei einer Umgebungstemperatur von 10° Celsius und einem Nennfülldruck von 1,3 bar entsprechend der Geraden 12 ergibt sich als Schnittpunkt mit der senkrechten Linie 16 ein korrigiertes Druckmeßsignal von ebenfalls 1,3 bar. Hierzu addiert sich entsprechend der Linie 15 bei einer Betriebsübertemperatur von 40 Kelvin, also 8 Teilstrichen, ein Druckanstieg in den Kammern 5, der zu einem tatsächlichen Druckmeßsignal entsprechend 1,43 bar gemäß der waagerechten Linie 17 führt. Das korrigierte Druckmeßsignal schneidet jedoch bei der Betriebsübertemperatur von 40° die Gasdruckgerade 18 mit einem korrigierten Druckmeßsignal gemäß 1,48 bar. Daraus folgt, daß bei gleicher elektrischer Belastung und 20° Celsius Umgebungstemperatur ein tatsächlicher Druck von 1,48 bar herrschen würde. Beträgt die Umgebungstemperatur dagegen nur Minus 10° Celsius, dann hat auch hier das korrigierte Druckmeßsignal einen Wert entsprechend 1,3 bar. Eine Betriebserwärmung von ebenfalls 40 Kelvin führt auch hier zu einem Schnittpunkt mit der Gasdrucklinie 18, so daß wieder ein korrigiertes Druckmeßsignal entsprechend 1,48 bar vorliegt, der tatsächliche Druck in den Kammern 5 jedoch bei 1,34 bar liegt. Die Steigung der Gasdrucklinien ist vorliegend mit etwa 0,0035 bar pro Kelvin angenommen.

Da das umgebungstemperaturkompensierte Druckmeßsignal immer auf die Bezugstemperatur von vorliegend 20° Celsius bezogen ist, kann, wie bereits erwähnt, der Gasdruck-Sollwert zur Anzeige oder Auslösung von Schaltvorgängen bei nicht mehr sichergestellter Isoliereigenschaft des Isoliergases auf den Druck festgelegt werden, der für die sichere Funktion unbedingt erforderlich ist. Das ist vorliegend 1,14 bar. Dieser mindestens notwendige Drucksollwert müßte sonst bei nicht umgebungstemperaturkompensiertem Druckmeßsignal auf den Wert eingestellt werden, den die den Mindestzustand darstellende Gasdruckkurve 13 bei 40° Celsius Umgebungstemperatur aufweisen muß, also bei etwa 1,22 bar. Der Anfangs- oder Nennfülldruck gemäß der Gaskennlinie 12 kann somit gegenüber einer nicht umgebungstemperaturkompensierten Druckauswertung niedriger gewählt werden. Das bringt eine Verminderung der Gasdruckbelastung des Gehäuses der jeweiligen Schaltanlage 1 oder 2 mit sich.

Claims (14)

1. Verfahren zum Überwachen des Druckes in wenigstens einer geschlossenen, mit Druckgas gefüllten Kammer mit wärmeerzeugenden Einbauten, insbesondere einer Schaltanlage, in welcher der Gasdruck gemessen und mit einem Temperatursignal zu einem Schalt- oder Anzeigesignal verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalt­ oder Anzeigesignal in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur der Kammer korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmeßsignal in Abhängigkeit von der jeweiligen Umgebungstemperatur entsprechend der sich aus der thermischen Zustandsgleichung ergebenden Gasdruckänderung korrigiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierte Druckmeßsignal mit einem konstanten Sollwert verglichen wird und daß bei Unterschreiten des Sollwerts ein Schaltsignal erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierte Druckmeßsignal angezeigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmeßsignal mit einem Gasdruck-Sollwert verglichen wird, der in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur entsprechend der sich aus der thermischen Zustandsgleichung ergebenden Gasdruckänderung korrigiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem Druckmeßsignal und dem korrigierten Sollwert des Gasdrucks für eine Anzeige ausgewertet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Umgebungstemperatur keinen Einfluß auf die das Isoliervermögen kennzeichnende Anzeige des Gasdrucks hat, der innerhalb der Kammer herrscht und daß nur Druckänderungen ausgewertet werden, die durch innerhalb der Kammer entstehende Erwärmungen erzeugt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Innendruck einer Kammer erfassender Drucksensor (7) und ein die Umgebungstemperatur der Kammer (5) erfassender Temperatursensor (11) vorgesehen sind, daß die Sensoren (7, 11) elektrische Meßsignale an einen Prozessor liefern, in dem das aus den Signalen generierte Schalt­ oder Anzeigesignal in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur entsprechend der sich aus der thermischen Zustandsgleichung jeweils ergebenden Gasdruckänderung korrigiert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmeßsignal des Drucksensors (7) im Prozessor mit einem der außentemperaturabhängigen Gasdruckänderung entsprechenden Korrekturfaktor multipliziert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor ein dem korrigierten Druckmeßsignal entsprechendes Anzeigesignal an eine Anzeigeeinheit (9) abgibt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozesor das korrigierte Druckmeßsignal mit einem konstanten Gasdrucksollwertsignal vergleicht und bei Unterschreiten des Sollwerts ein Schaltsignal erzeugt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Prozessor ein vorgegebenes Gasdruck-Bezugswertsignal mit einem der jeweiligen umgebungstemperaturabhängigen Gasdruckänderung entsprechenden Korrekturfaktor multipliziert und als gleitender Gasdruck-Sollwert ausgegeben wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmeßsignal im Prozessor mit dem gleitenden Gasdruck-Sollwert verglichen wird und daß der Prozessor bei Unterschreiten des umgebungstemperaturabhängig gleitenden Sollwerts ein Schaltsignal erzeugt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor ein der Differenz zwischen dem Druckmeßsignal und dem gleitenden Sollwert entsprechendes Anzeigesignal generiert und einer Anzeigevorrichtung zuführt.