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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Instrument zum Detektieren und
Analysieren von Teilentladungen in elektrischen Maschinen.
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Bekanntlich
weisen elektrische Maschinen (vorwiegend Wechselstromgeneratoren,
elektrische Motoren und Transformatoren) unter anderem elektrische
Wicklungen auf, die in Aufnahmen untergebracht sind, die wiederum
in metallischen Strukturen ausgearbeitet sind, beispielsweise in
metallischen Strukturen, die aus mehreren überlappenden Metallfolien gebildet
sind.
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Die
elektrischen Wicklungen werden aus drahtförmigen oder flachen Leitern
aus metallischem Material (allgemein Kupfer) hergestellt, die mit
einer isolierenden Hülle
beschichtet sind, wobei die Wicklung mittels isolierender Wickelbänder und/oder
isolierender Harze, die den Leitersatz einhüllen, isoliert wird.
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Es
ist ebenfalls bekannt, dass durch in der Isolierung vorhandene Fehlstellen
(beispielsweise mikroskopische Hohlräume) elektrische Entladungen
erzeugt werden können,
die genauer als Teilentladungen bezeichnet werden und die zwischen
der Wicklung und der metallischen Struktur, die mit einem Erdpotential
verbunden ist, auftreten.
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Das
Vorhandensein solcher elektrischer Teilentladungen ist eine potentiell
schädliche
Erscheinung, die sorgfältig
bewertet werden muss.
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Für diesen
Zweck wurden Instrumente zum Detektieren von Teilentladungen entwickelt.
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Eine
erste Kategorie bekannter Detektionsinstrumente arbeitet mit einer
Messung vom Offlinetyp, das heißt,
die Messung wird an der vom elektrischen Stromnetz abgetrennten
und "angehaltenen", also nicht in Betrieb
befindlichen Maschine ausgeführt.
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Solche
Detektionsinstrumente erfordern eine Stromversorgung an einer (oder
mehreren) Wicklung(en) der elektrischen Maschine durch eine externe
Stromquelle, die eine allgemein einstellbare Referenzspannung liefert.
Die bekannten Instrumente verwenden einen kapazitiven/widerstandsbasierten
Spannungsteiler, der zwischen der zu prüfenden Wicklung und einem Referenzpotential
angeordnet ist, und sie messen die Spannungsimpulse, die am Widerstandselement
auftreten, um das Vorhandensein/die Intensität der Teilentladungen zu erfassen.
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Eine
zweite Kategorie bekannter Detektionsinstrumente arbeitet mit einer
Messung vom Onlinetyp, das heißt,
dass die Messung ausgeführt
wird, während
die elektrische Maschine an der elektrischen Leitung angeschlossen
ist (arbeitende elektrische Maschine).
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Für die Messung
vom Onlinetyp wird ein Paar kapazitiver/widerstandsbasierter Spannungsteiler
zwischen der Phase der zu prüfenden
Wicklung und einem Referenzpotential (Erdpotential) angeordnet,
wobei auch in diesem Fall die Intensität der auf dem Widerstandselement
vorhandenen Spannungsimpulse detektiert wird, um das Vorhandensein/die
Intensität
der Teilentladungen zu erfassen.
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Der
Vorteil der Verwendung von Instrumenten vom Onlinetyp ist, dass
es zur Ausführung
der Prüfungen
nicht erforderlich ist, die elektrische Maschine anzuhalten und
deshalb die Messung zu keiner Störung
des Betriebs der elektrischen Maschine führt. Außerdem erlaubt die Messung
vom Onlinetyp eine Verifizierung des Zustands der Isolation unter
echten Einsatzbedingungen, unter welchen alle Belastungen (elektrisch,
thermisch, mechanisch) vorhanden sind, die während des normalen Einsatzes
der elektrischen Maschine auftreten.
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Das
Dokument
JP-A-01 049
984 offenbart eine Teilentladung-Diagnostikvorrichtung für Transformatoren,
in der das Schallsignal von Ultraschallvibrationen erfasst wird,
die von der Teilentladungsspitze erhalten werden. Wenn zwei aufeinander
folgende Spitzenwerte innerhalb eines Intervalls auftreten, das
kürzer
als ein gewisser Schwellenwert ist, wird angenommen, dass eine Entladung
im Transformator stattgefunden hat.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Instrument zum Detektieren
und Analysieren von Teilentladungen in elektrischen Maschinen zu
erhalten, das besonders effizient und einfach anzuwenden ist.
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Dieses
Ziel wird von der vorliegenden Erfindung erreicht, indem sie sich
auf ein Instrument zum Detektieren und Analysieren von Teilentladungen
von dem im Anspruch 1 beschriebenen Typ bezieht.
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Die
Erfindung wird nun mit besonderer Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung erläutert,
die eine bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsform von dieser zeigt,
in der:
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1 ein
vereinfachtes Verdrahtungsdiagramm eines Instruments zum Detektieren
und Analysieren von Teilentladungen in elektrischen Maschinen zeigt,
das gemäß den Vorgaben
der vorliegenden Erfindung erstellt wurde; und
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die 2 und 3 Variablen
darstellen, die mit dem gemäß der vorliegenden
Erfindung realisierten Instrument ausgearbeitet wurden.
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In 1 bezeichnet 1 als
Ganzes ein Instrument zum Detektieren und Analysieren von Teilentladungen
in elektrischen Maschinen 2, das gemäß den Vorgaben der vorliegenden
Erfindung erstellt wurde.
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Das
Instrument 1, das Messungen vom Onlinetyp ausführt, weist
einen ersten Teilentladungssensor 3 (vom bekannten Typ)
auf, der dafür
eingerichtet ist, an eine elektrische Leitung 4 angekoppelt
zu werden, die mit einer Phase (im Beispiel eine Wicklung 12)
der zu prüfenden
elektrischen Maschine 2 (beispielsweise einem Drehstromgenerator)
verbunden ist, um ein Signal S1(t) aufzunehmen, in dem detektierbare
Spitzenwerte vorhanden sind, die mit Teilentladungen zusammenhängen.
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Das
Instrument 1 weist auch einen zweiten Teilentladungssensor 5 (vom
bekannten Typ) auf, der dafür eingerichtet
ist, direkt an die Wicklung 12 der elektrischen Maschine 2 angekoppelt
zu werden, um ein Signal S2(t) aufzunehmen, in dem detektierbare
Spitzenwerte enthalten sind, die mit Teilentladungen zusammenhängen.
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Jeder
Sensor 3, 5 umfasst einen Kondensator 10,
der ein erstes Ende hat, das mit einem Anschluss der Wicklung 12 und
der elektrischen Leitung 4 verbunden ist, und ein zweites
Ende hat, das über
eine Leitung 7 bzw. 6 mit einem ersten Anschluss
eines Widerstands 12 verbunden ist, der seinerseits einen
zweiten Anschluss hat, der mit einem Referenzpotential 13 (Erde)
verbunden ist. Die Leitungen 6 und 7 haben wechselseitig
unterschiedliche Längen – diese
Längen
werden während
des Kalibrierschritts des Instruments 1 festgelegt.
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An
den Enden des ersten Anschlusses jedes Widerstands 12 wird
das Signal s1(t), s2(t) abgenommen, das an die Eingänge 16 und 15 des
Instruments 1 durch die elektrischen Leitungen 18 bzw. 17,
die gleiche Längen
haben, übertragen
wird.
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Die
Signale s(t), s2(t) weisen eine Reihe von Welligkeiten auf, in denen
wenigstens ein Spitzenwert P beim Auftreten einer Teilentladung
innerhalb der Isolation der Wicklung der elektrischen Maschine 2 (1, Detail)
detektierbar ist.
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Wie
oben gezeigt wurde, bilden die Sensoren 5 und 3 kapazitive/widerstandsbasierte
Spannungsteiler, die zwischen der Wicklung L2/der elektrischen Leitung 4 und
dem Referenzpotential 13 angeordnet sind. Die an den Eingängen 16 und 15 vorhandenen
Signale S1(t) und S2(t) sind wegen der unterschiedlichen Längen der
Leitungen 7 und 6 ebenfalls gegenseitig zeitlich
versetzt. Folglich sind ein erster und ein zweiter, mit dem Auftreten
derselben Teilentladung zusammenhängender Spitzenwert in zwei
verschiedenen Signalen s1(t) und s2(t) gegenseitig zeitlich versetzt.
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Das
Instrument 1 umfasst:
- • eine erste
Bearbeitungsschaltung für
das Stromnetzsignal 20 (vom bekanntem Typ), die das Eingangssignal
s1(t) empfängt
und die dafür
eingerichtet ist, dieses Signal zu verstärken und zu formen;
- • eine
zweite Bearbeitungsschaltung für
das Stromnetzsignal 24 (ebenfalls von bekanntem Typ), die
das Eingangssignal s2(t) empfängt
und dafür
eingerichtet ist, dieses Signal zu verstärken und zu formen;
- • einen
Differenzverstärker 30 mit
programmierbarer variabler Verstärkung,
der an seinen Eingängen
die Ausgangssignale der zwei Schaltungen 20, 24 empfängt und
der zur Unterdrückung
der Gleichtakt-Störsignale
eingerichtet ist, insbesondere, um die Störung auf der elektrischen Leitung 4 zu
beseitigen. Die Verstärkungsänderung
ermöglicht
eine Veränderung
des Vollausschlags des Instruments 1, um es an die Intensität der Teilentladungen
in der Wicklung anzupassen;
- • eine
Spitzenwert-Detektionsschaltung 32, die als Eingangssignal
das Signal S1-S2(t) gefiltert vom Ausgang des Differenzverstärkers 30 empfängt;
- • einen
Analog-Digital-Wandler 34, der als Eingang das Ausgangssignal
der Spitzenwert-Detektionsschaltung 32 empfängt;
- • einen
Mehrkanalanalysator 36, der als Eingang das digitalisierte
Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 34 empfängt, wobei
der Mehrkanal-Analysator 36 den
Maximalwert der digitalisierten Spitzenwerte misst, die sequentiell
an seinem Eingang auftreten, und beim Detektieren von jedem Spitzenwert
den Inhalt einer Speicherzelle (Kanal), deren Adresse dem binären Wert
der detektierten Teilentladungs-Intensität entspricht, um eins inkrementiert;
und
- • einen
Steuerblock 38 des Instruments 1 (der zweckmäßig aus
einem Personal-Computer besteht), der von einem Benutzer verwendet
werden kann und der mit dem Mehrkanal-Analysator 36 verbunden
ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine mit der Spitzenwert-Detektionsschaltung 32 verbundene Unterdrückungsschaltung 40 vorgesehen,
um die folgende Funktion auszuführen:
nach
dem Detektieren eines ersten Spitzenwerts durch den Spitzenwert-Detektor 22 wird
das Detektieren von Spitzenwerten durch denselben Spitzenwert-Detektor 32 während eines
vom Benutzer mit dem Steuerblock 38 beliebig einstellbaren
Ruheintervalls ΔTsleep
unterdrückt.
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Wie
oben erwähnt
wurde, sind beim Auftreten einer Teilentladung die zwei Signale
S1 und S2 (t) gegenseitig zeitlich um ein Verzögerungs-Zeitintervall ΔTret versetzt,
das hauptsächlich
von den unterschiedlichen Übertragungswegen
der Signale selbst entlang der Leitungen 6, 7,
abhängt,
deren Längen – wie oben gezeigt – gegenseitig
verschieden sind.
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Durch
das Einstellen des Ruheintervalls ΔTsleep, so dass es länger als
das Verzögerungs-Zeitintervall ΔTret ist,
wird das doppelte Detektieren desselben Spitzenwerts (mit umgekehrter
Polarität)
in den zwei verschiedenen Signalen vermieden, wodurch die nachträglich vom
Mehrkanal-Analysator 36 ausgeführte Verarbeitungsoperation
vereinfacht wird. Das Detektieren einer Teilentladung entspricht
genau dem Detektieren eines Spitzenwerts, da wie oben erwähnt die
Teilentladung einer schnellen Welligkeit im Signal s1(t), s2(t)
entspricht.
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Die
Störsignale
von außerhalb
der elektrischen Maschine 2 treffen im Gegensatz dazu gleichzeitig
an den Eingängen
des Differenzverstärkers 30 ein
und werden dagegen von der Differential-Filterfunktion beseitigt.
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Das
Instrument kann somit zwischen Störsignalen, die von außerhalb
der elektrischen Maschine kommen, und dem im Zusammenhang mit den
auftretenden Teilentladungen innerhalb der elektrischen Maschine entstehendem
Signal unterscheiden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erzeugt der Mehrkanal-Analysator 36 eine
graphische Darstellung der detektierten Daten, wobei auf der Ordinate
die Anzahl der innerhalb der Erfassungszeit gezählten Teilentladungen dargestellt
ist und auf der Abszisse die Entladungsintensität aufgetragen werden kann (N(q)-Graph);
hierdurch wird ein Balkendiagramm bereitgestellt, das die Frequenz
der Teilentladungen für
verschiede Intensitätswerte
zeigt (2).
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Alternativ
kann auf der Abszisse die 50 Hz Sinusphase dargestellt werden, in
der die einzelnen Teilentladungsereignisse detektiert werden (N(V)-Graph).
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Eine
weitere Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der
Möglichkeit,
die Wahrscheinlichkeitsdichte der Teilentladungsereignisse gemäß der Weibull-Funktion
darzustellen:
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In
dieser Funktion gilt,
- – N ist die Anzahl der detektierten
Teilentladungen für
einen bestimmten Wert der Last q, die der Intensität der Teilentladungen
in Pikocoulomb entspricht;
- – α ist der
Skalenparameter oder die "charakteristische
Last", die ein Vergleichsterm
zwischen verschiedenen Detektionen liefert,
- – β entspricht
dem Formparameter, der den Wert der Streuung der Werte der Verteilungskurve
um den Wert α herum
angibt,
- – γ wird als
der "Triggerpegel" definiert, und insbesondere
hat γ die
gleichen Maßeinheiten
wie q und gibt an, wie weit die Verteilung in Bezug auf Null versetzt
ist, und definiert folglich einen Schwellenwert, unterhalb von dem
kein Teilentladungswert vorliegt.
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Mit
der Formel (1) ergibt sich eine numerische Darstellung der Amplitudenverteilung,
die von der Vorrichtung 1 angezeigt wird.
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Für Amplitudenverteilungen
der Teilentladungen bezüglich
neuer Statoren muss der Wert von β in
der Nähe
von 0,5 liegen, da sonst Herstellungsfehler innerhalb der Statoren
selbst vorliegen würden:
tatsächlich, beim
Auftreten oberflächlicher
Entladungen auf den Involuten tendiert der Wert von β zu 1, während beim
Auftreten von Schlitzentladungsphänomenen β Werte größer als 1 annimmt (unter Berücksichtigung
der Tatsache, dass zusätzlich
zur gewöhnlichen
Teilentladungsaktivität
in Hohlräumen,
die gleichmäßig in der
isolierenden Wand verteilt sind, überlagernde Aktivitäten vorhanden
sind, die sich in größeren Hohlräumen, beispielsweise aufgrund
der Delaminierungen zwischen den Schichten der isolierenden Wand,
konzentrieren).
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist auch dafür
eingerichtet, einen kumulativen Weibull-Graphen (siehe
3)
bereitzustellen, bei dem auf der Abszisse die Intensität der Teilentladungen
(PD) auf einer logarithmischen Achse dargestellt wird, während auf
der Ordinate das Integral der Funktion N(q) dargestellt wird. Legende zu den Figuren:
| | Englisch | Deutsch |
| | | |
| Fig.
1 | | |
| 20, 24 | Signal
conditioning | Signalbearbeitung |
| | Amplifier
gain control | Verstärker-Verstärkungsregler |
| 30 | Diff.
amp. | Differenzverstärker |
| 32 | Peak
detector | Spitzenwertdetektor |
| 40 | Inhibitor | Unterdrückungsschaltung |
| 34 | A/D | A/D |
| 36 | Multichannel
analyser | Mehrkanal-Analysator |
| 38 | PC | PC |
| | | |
| Fig.
2 | | |
| | Number
of discharges | Anzahl
der Entladungen |
| | Intensity | Intensität |
| | | |
