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Diese
Erfindung betrifft die Kontrolle des Zustands elektrischer Kontakte
in elektrischen Stromversorgungsinstallationen. Insbesondere bezieht
sie sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, durch die genaue
Messungen des Widerstands durch einen oder mehrere Kontakte bei
unterschiedlichen Strompegeln durchgeführt werden. Wenn der Widerstand konstant
und unabhängig
vom Strom ist, ist der Kontakt gut, ein Widerstand, der jedoch mit
anwachsendem Strom anwächst
oder auf andere Weise nicht konstant oder reproduzierbar ist, gibt
eine zuverlässige
Anzeige, dass der Kontakt schlecht oder überlastet ist. Die Erfindung
kann allgemein verwendet werden, alle Typen von elektrischen Kontakten
zwischen metallischen Leitern zu kontrollieren.
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Überhitzung
in den elektrischen Kontakten, z.B. in den Verbindungen zwischen
leitenden Abschnitten in völlig
eingekapselten SF6-isolierten Hochspannungsverbindungsinstallationen,
die zugelassen wird, sich zu entwickeln, kann zu teurem Versagen
führen.
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Konventionelle
Techniken für
Zustandskontrolle von Kontakten, das heißt visuelle thermische Inspektion
und Vier-Punkt Widerstandsmessungen haben begrenzte Möglichkeiten,
alternde Kontakte innerhalb einer SF6-Installation
frühzeitig
anzuzeigen. Die Einkapselung schirmt Wärmestrahlung ab, und wenn ein
mäßiges Anwachsen
des Widerstands gemessen wird, ist es nicht möglich, herauszufinden, ob dies
durch ein beträchtliches
Anwachsen des Widerstandes in einem Kontakt oder kleineres Anwachsen in
vielen Kontakten verursacht wird, oder dass die Temperatur der Leiter
etwas höher
als im Vergleich mit vorherigen Messungen ist.
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Aus
der Theorie elektrischer Kontakte ist es gut bekannt, dass solche
Kontakte, die überbelastet sind,
ein lokales Anwachsen der Temperatur in den kleinen Kontaktpunkten
haben. Eine maßvolle Überlastung
des Kontaktwiderstands wird etwas höher für große Ströme als für kleinere sein, da der spezifische Widerstand
im Metall in den Kontaktpunkten mit anwachsender Temperatur anwächst.
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In
extremeren Situationen kann die Temperatur der Kontaktpunkte so
hoch werden, dass lokales Schmelzen auftritt. Dies kann plötzliche
Veränderungen
des Widerstands des Kontakts bewirken und wird allgemein dramatisch
die Rate chemischer und metallurgischer Prozesse erhöhen, die
zum Versagen des Kontakts beitragen. Beispielsweise werden Schmelz-
und Korrosionsvorgänge
schnell und irreversibel leitende Metalle in Oxide, Sulfate oder
andere isolierende Materialien oder Materialien mit niedriger Leitfähigkeit
umzuwandeln vermögen.
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Konventionelle
Verfahren von Messungen an elektrischen Kontakten in luftisolierten
elektrischen Installationen können
in den meisten Fällen
mögliche Beschädigung an
den elektrischen Kontakten deutlich vor dem Auftreten von größeren Schäden feststellen.
Die Kontakte sind leicht zugänglich,
und sogar kleinere Kontaktschäden
können
mit Infrarotkameras oder ganz einfach dadurch detektiert werden, dass
ein Gleichstrom von einigen hundert Ampere durch die Kontakte geschickt
wird und der resultierende Spannungsabfall über jeden Kontakt gemessen
wird. Solche Techniken sind jedoch nicht geeignet, um mäßigen Kontaktschaden
innerhalb gasisolierter Räume
zu finden. Die Metallwände
hindern Infrarotstrahlung von einem verschlechterten Kontakt. Konventionelle
Widerstandsmessungen zwischen äußeren Kontaktpunkten
haben begrenzten Wert, indem die Messungen eine Anzahl von Kontakten
in Reihe einschließen
und es schwierig ist, ein gefährliches
Anwachsen des Widerstandes, der durch Beschädigung an einem Kon takt bewirkt
wird, von Ansteigen des Widerstands zu trennen, der durch kleinere
und harmlose Schäden
an einer Anzahl von Kontakten bewirkt wird.
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Unter
den vorher bekannten Verfahren, verschlechterte Kontakte zu detektieren,
ist es z.B. aus
DD 257885
A1 bekannt, kurze Strompulse im Mikrosekundenbereich anzulegen,
um anschließend
kurze Strompulse zu detektieren, die durch Funkenentladungen in
den verschlechterten Kontakten bewirkt sind.
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US 5,721,688 beschreibt
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von elektrischen Systemen,
einschließlich
Batteriezustand, Widerstand in Leitern, Kontakten usw. Das Verfahren
ist besonders auf Stromversorgungssysteme gerichtet, und es wird eine
Stromquelle verwendet, die unter Verwendung eines Mikrocomputers
die Anlegung von vorbestimmten Stromsignalen steuert, und wo Messungen
der elektrischen Spannungen, die durch die angelegten Ströme verursacht
sind, gemessen werden, und wo wenigstens eine elektrische Eigenschaft
des Systems geschätzt
wird.
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Es
ist aus
US 3,816,812 eine
Vorrichtung für die
Messung des Widerstandes von elektrischen Kontakten in elektrischen
Versorgungsinstallationen vorbekannt. Die Vorrichtung weist eine
gepulste Stromquelle auf, die durch eine Batterie betrieben wird,
die in einer der Ausführungen
aufladbare Batterien und Kondensatormittel einschließt.
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Unter
den vorbekannten Verfahren, schlechte Kontakte festzustellen, gibt
es auch Verfahren, die die nichtlinearen Strom-Spannungs-Charakteristiken von
schlechten Kontakten ausnutzen, indem ein zusammengesetztes Signal
angelegt wird, dass ein Gleichstromsignal in Kombination mit einem
Wechselstromsignal aufweist, was zu Fehlersignalen führt, das
heißt,
einem Signal der zweiten Oberschwingung, das heißt einem Signal der doppelten
Frequenz gegenüber
dem angelegten Prüfsignal.
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US-Patent
4,496,900 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren der zerstörungsfreien Feststellung
von Fehlern in Leitern, das zu Nichtlinearität im Widerstand durch Anlegen
von Strömen führt, wo
das angelegte Stromsignal ein zusammengesetztes Wechsel- und Gleichspannungssignal
ist.
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US-Patent
3,500,188 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen
elektrischen Widerstands von elektrischen Verbindungen, indem die
Nichtlinearität
des Widerstands gemessen wird, die durch Anlegen eines Stroms erscheint.
Ein zusammengesetztes Signal, das ein Wechselstromsignal aufweist,
wird angelegt, und höhere
Oberschwingungen der Wechselstromsignale werden im resultierenden
Spannungssignal in den zu untersuchenden Leitern gefunden.
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US-Patente
5,469,051 und 4,213,087 beschreiben Verfahren und Vorrichtungen
zum Prüfen von
elektrischen Leiterelementen bei der Herstellung von integrierten
Schaltungen, wo die Nichtlinearität des Widerstandes bestimmt
wird. US-Patent 5,496,051 beschreibt, dass Stromsignale mit einer ersten
und einer zweiten Frequenz an den anzulegenden Teilen angelegt werden.
US-Patent 4,213,087 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Pulsfolge
an das zu untersuchende Element angelegt wird, wonach der mittlere
Strom durch oder die Spannung über
das Element ein Maß für mögliche nichtlinearen
Widerstand des Element gibt.
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Weiter
ist früher
ein alternatives Verfahren durch M. Runde, A. Gjelsvik und A. Rein
beschrieben worden in "Method
of detecting degraded contacts in gas insulated substations (Verfahren
zum Feststellen von verschlechterten Kontakten in gasisolierten
Unterstationen)",
Proc. 17th Int. Conf. Electrical Contacts,
Nagoya, Japan, 1994, wo die Stromspannungscharakteristik der Kontakte
geliefert werden, indem gepulste Wechselspannungssignale variierender
Spannung an die Kontakte angelegt wer den. Es wird jedoch erwähnt, dass
ein Nachteil dieses Verfahrens mit der Stromzufuhr verknüpft ist.
Obwohl Dauerbetrieb der Stromquelle nicht erforderlich ist, ist
es offensichtlich, dass eine Gleichspannungsversorgung, die im Stande
ist, die erforderlichen Strompegel zu liefern, sowohl groß als auch
teuer sein wird.
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Versorgungen,
die dauernd Wechselstrom (Transformator) liefern, sind versucht
worden, dies ergibt jedoch große
und schwere Stromversorgungen. Weiter ist es früher versucht worden, Batterien als
Quelle von Gleichstrom zu verwenden, dies ergibt aber ebenfalls
eine unannehmbar schwere Stromversorgung.
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Runde
et al (1994) diskutierten die Möglichkeit,
gepulste Gleichspannungssignale zu verwenden und den Strom zu messen.
Es wird erwähnt, dass,
obwohl, dauernder Betrieb der Stromquelle nicht erforderlich ist,
eine Gleichspannungsversorgung, die im Stande ist, mehreren tausend
Amperes zu liefern, sowohl groß als
auch teuer sein wird.
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Runde
et al (1994) diskutierten auch die Möglichkeit, Wechselspannungssignale
zusammen mit der Messung der dritten Oberschwingungskomponente des
resultierenden Stroms zu verwenden. Es wird erwähnt, dass dieses Verfahren
ebenfalls Begrenzungen hat. Aufgrund des verhältnismäßig großen induktiven Spannungsverlustes
wird eine sogar noch größere Stromversorgung
erfordert, als wenn ein Gleichspannungssignal verwendet wird. Weiter muss
möglicherweise
eine Kalibrierung auf Nichtlinearität in der Stromversorgung durchgeführt werden.
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Runde
et al offenbart auch ein Verfahren für die Kontrolle des Zustands
von elektrischen Kontakten in Stromversorgungsinstallationen, insbesondere in
Installationen, die einen oder mehrere Kontakte haben und wo der
gesamte Hauptstromweg oder Teile desselben eingekapselt oder auf
andere Weisen schwierig zu erreichen sind, wie z.B. in gasisolierten Verbindungsinstallationen,
das es einschließt,
elektrischen Strom von einer Stromversorgung anzulegen, die mit
dem Hauptstromweg der elektrischen Stromversorgungsinstallation
verbunden ist, wobei der zeitliche Verlauf des angelegten Strom
gemessen wird, wobei eine resultierende elektrische Spannung gemessen
wird, die über
einen besonderen Teil des Hauptstromwegs erscheint, und wobei der
Widerstand des Teils aufgrund der Messungen von Strom und Spannung
als Ausdruck des Zustands der Kontakte geschätzt wird.
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Es
ist im Dokument von Runde et al auch eine Einrichtung für die Kontrolle
des Zustands von elektrischen Kontakten von elektrischen Stromversorgungsinstallationen
offenbart, insbesondere Installationen, wo der gesamte Hauptstromweg
oder Teile desselben eingekapselt oder auf andere Weise schwierig
zu erreichen sind, wie z.B. in gasisolierten Verbindungsinstallationen,
die eine Stromversorgung einschließen, die dazu ausgebildet ist,
mit dem Hauptstromweg in einer elektrischen Stromversorgungsinstallation
verbunden zu werden.
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Gepulste
auf Kondensatoren beruhende Stromversorgungen sind als solche gut
bekannt aus US-Patent 6,184,662 B1. Es ist jedoch nicht bekannt, solche
Stromquellen in Verbindung mit der Messung von Kontaktwiderstand
zu verwenden.
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US-Patent
Nummer 6,034,531 offenbart ein Verfahren zum Überwachen der Abnutzung von
wenigstens einem gleitenden elektrischen Kontakt einer Bürste, die über eine
Schiene gleitet, die sich in Bezug auf die Bürste bewegen kann, das die
Messung des elektrischen Widerstands dieses Kontakts, die Lieferung
eines Bildsignals, das diesem Widerstand entspricht, die Verfolgung
seiner Veränderung,
die Bildung eines Bezugsignals, das den Abnutzungszustand des Kontaktes
anzeigt, den Vergleich des Bildsignals mit dem Bezugsignal und die
Ableitung des Signals, das von diesem Vergleich herrührt, entsprechend
dem Zustand der Abnutzung des Kontakts einschließt. Der Widerstand wird durch
das Verhältnis der Änderungen
der Spannung über
die Anschlüsse des
Kontakts zu den Änderungen
des Stroms gemessen, der durch den Kontakt fließt. Das beschriebene Verfahren
ist auf die Überwachung
der Abnutzung von wenigstens einem gleitenden elektrischen Kontakt
einer Bürste
gerichtet, und es wird angenommen, dass das Rauschbild den Zustand
des gleitenden Kontaktes bestimmt.
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US-Patent
Nummer 3,816,812 offenbart eine Vorrichtung zum Messen des Widerstands
einer Last wie z.B. Stromkreisunterbrecherkontakten mit Strompulsen.
Eine Steuerschaltung zum Betreiben eines digitalen Voltmeters ist
so ausgebildet, dass sie das Voltmeter nur dann betätigt, wenn
der Strompuls eine vorbestimmte Amplitude hat.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neues verfahren und
eine Vorrichtung zum Kontrollieren des Zustands von elektrischen
Kontakten in Stromversorgungsinstallationen zu schaffen, insbesondere
in Installationen, wo die Kontakte und der Hauptstromweg eingekapselt
oder auf andere Weise schwer zugänglich
ist, wie z.B. gasisolierten Verbindungsinstallationen, wobei beträchtliche
Nachteile der meisten gut bekannten Verfahren und Vorrichtungen
beseitigt werden. Die obigen Zwecke werden mit einem Verfahren erzielt,
das erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet ist, dass das Verfahren für Kontrolle des Zustands von
stationären
elektrischen Kontakten in elektrischen Stromversorgungsinstallationen
ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Strompuls eine Amplitude hat,
die dem Nennstrom der betreffenden Installation äquivalent ist, und
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dass
ungefähr
entsprechende Werte des Stroms und der Spannung wenigstens im Bereich nahe
dem Spitzenwerte des Stromsverlaufs und an einer Anzahl unterschiedlicher
Stromwerte abgetastet werden, um Zeitreihen oder Sequenzen von Abtastwerten i(n)
und u(n) zu bilden, wobei 1<n<N und N die Gesamtanzahl
von Abtastwerten in jeder Zeitreihe ist und die Abtastwerte zu einem
Mikroprozessor oder Computer zum Berechnen des Widerstands übertragen
werden.
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Eine
Vorrichtung zum Erreichen der obigen Zwecke ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung einen oder mehrere Kondensatoren zum Zuführen von
wenigstens einem Strompuls, der eine anfängliche Anstiegsflanke aufweist,
die beträchtlich steiler
als die hintere abfallende Flanke des Stromspulses ist, wobei der
Strompuls einen Spitzenwert im Bereich zwischen den Flanken aufweist,
mittels
zur Strommessung,
eine Mess- und Kontrolleinheit, die dazu
ausgebildet ist, mit der Stromversorgung verbunden zu werden, um
ein Kontrollsignal zu liefern und um gemessene Stromwerte von den
Mitteln für
Strommessung zu empfangen, aufweist, und
wobei die Mess- und
Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Spannung über den
gesamten Hauptstromweg oder einen Teil desselben zu messen,
wobei
die Vorrichtung zur Kontrolle des Zustands von stationären elektrischen
Kontakten in elektrischen Stromversorgungsinstallationen ausgebildet
ist, wobei wenigstens ein Strompuls eine Amplitude hat, die dem
Nennstrom der entsprechenden Installation äquivalent ist,
wobei die
Mess- und Kontrolleinheit dazu ausgebildet ist, ungefähr entsprechende
Werte des Stroms und der Spannung wenigstens im Bereich nahe dem
Spitzenwert des Stromsverlaufs und an einer Anzahl von unterschiedlichen
Stromwerten abzutasten,
wobei die Mess- und Steuereinheit eine
Eingangsstufe aufweist, die dazu ausgebildet ist, die abgetasteten Strom-
und Spannungsmessungen in digitale Zeitserien oder Sequenzen i(n)
und u(n) umzuwandeln, wobei 1<n<N und N die gesamte
Anzahl von Abtastwerten in jeder Zeitserie ist,
dass ein Mikroprozessor
oder Computer für
Aufnehmen, Filtern, Speichern und weiteres Bearbeiten der Zeitserien
ausgebildet ist,
und dass der Widerstandswert des gesamten
Hauptstromwegs der Installation oder ein Teil desselben in dem Mikroprozessor
oder Computer berechnet wird.
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Der
zweite Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Kontrollieren des Zustands von elektrischen
Kontakten in elektrischen Stromversorgungsinstallationen zu schaffen,
die auch Messdaten liefern, die es für einen Betreiber einfach machen,
festzustellen, ob einer oder mehrere Kontakte in einer SF6-Installation Zeichen der Alterung zeigen.
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Es
ist ein dritter Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung für
die Kontrolle des Zustands von elektrischen Kontakten in elektrischen
Stromversorgungsinstallationen zu schaffen, die mit einer leichteren
Stromversorgung als bei vorher bekannten Techniken auskommt.
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Es
ist ein vierter Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung für
die Kontrolle des Zustands von elektrischen Kontakten in elektrischen
Stromversorgungsinstallationen zu schaffen, die schnell und wirksam
genaue Werte für den
Widerstand in einem Abschnitt des Hauptstromwegs der Installation
liefern können,
so dass Änderungen
im Widerstand bei starken Belastungen leicht gefunden werden können, ohne
dass die Installation geöffnet
werden muss und ohne dass man Bezugswerte kennen muss.
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Die
obigen Zwecke werden mit einem Verfahren erzielt, das gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren für Kontrolle
des Zustands von stationären
elektrischen Kontakten in elektrischen Stromversorgungsinstalla tionen
ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Strompuls eine Amplitude hat,
die dem Nennstrom der betreffenden Installation äquivalent ist, und
dass
ungefähr
entsprechende Werte des Stroms und der Spannung (20A, 20B)
wenigstens im Bereich nahe dem Spitzenwert des Stromverlaufs und
an einer Anzahl von unterschiedlichen Stromwerten abgetastet werden,
um Zeitserien oder Sequenzen von Abtastwerten, i(n) und u(n) zu
bilden, wobei 1<n<N und wobei N die
Gesamtzahl von Abtastwerten in jeder Zeitserie ist, und die Abtastwerte
zu einem Mikroprozessor oder Computer (50) für Berechnung
des Widerstands übertragen
werden.
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Eine
Vorrichtung, um die obigen Zwecke zu erreichen, ist erfindungsgemäß entsprechend
den Merkmalen der Ansprüche
11–14
ausgebildet.
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Die
Erfindung soll im Folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen erläutert
werden. Es zeigen:
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1 Ausrüstung zum
Messen entsprechender Erfindung für die Kontrolle des Zustands
der Kontakte in SF6-Installationen;
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2 ein
vereinfachtes Schaltungsdiagramm für die Stromversorgung, Kabelverbindungen und
die elektrische Installation, z.B. eine SF6-Installation;
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3 eine
Darstellung von Messabtastwerten für eine vollständige Messung
und die entsprechenden Messabtastwerte nach Korrektur von Versorgungsrauschen
und Gleichspannungsversetzung;
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4 eine
Darstellung von geschätzter
Impedanz und geschätztem
Widerstand beruhend auf den Messungen;
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5 ein
Sequenzdiagramm für
eine Messung;
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6 eine
Darstellung, wie die Eingangsstufen für die Datenerfassung zusammengesetzt
sind;
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7 den
zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung, wie er in einer SF6-Installation registriert wird; und
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8 die
Strompulse, die erscheinen, wenn eine Kondensatorbank, die auf unterschiedliche Spannungen
geladen ist, durch eine SF6-Installation entladen
wird.
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1 zeigt
eine Stromversorgung 1, die ihre elektrische Energie von
der Netzversorgung (220V Wechselspannung) entnimmt. Von einer Mess-
und Steuereinheit 2 empfängt die Stromversorgung 1 Steuersignale über ein
Signalkabel 5. Unter Verwendung des Signalkabels 5 überträgt die Stromquelle 1 das
Analogsignal von einem internen Stromsensor zurück zur Mess- und Kontrolleinheit 2.
Die Stromversorgung 1 ist mit der elektrischen Installation 3,
die untersucht werden soll, über
Verbindungskabel 4 verbunden, die mit einer Freileitungsdurchführung 8 an der
elektrischen Installation verbunden sind.
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Die
Verbindungskabel 4 können
den Strom zur elektrischen Installation 3 durch Verbindung
zu einer Freileitungsdurchführung 8,
durch eine isolierte Erdverbindung oder an einem anderen zur Verfügung stehenden
Ort (1, 17A, 17B) führen. Der
Strom wird dann durch den Abschnitt der zu prüfenden Installation und in
die Verkapselung durch eine Erdverbindung 9 gesandt und
anschließend
zurück
durch die Verkapselung zum Startpunkt. Die Verbindungskabel 4 sollten
zwischen der Stromversorgung 1 und der elektrischen Installation 3 auf
solche Weise angeordnet sein, dass die Induktivität, die sie
bilden, so niedrig wie möglich
bleibt. In der Praxis bedeutet dies, dass die Verbindungskabel nicht
eine größere Fläche oder
eine größere Schlaufe
bilden sollten, als notwendig ist – sie sollten vorzugsweise
soweit wie möglich
verdrillt sein.
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Messkabel 6 für die Spannungsmessung sind
auf ähnliche
Weise wie bei konventionellen Vier-Punkt Widerstandsmessungen verbunden.
Diese bedeutet, dass die Messkabel zwischen den Ver bindungspunkten
(17A, 17B) so verbunden werden sollten, dass der
Widerstand in der Verbindung zwischen den Verbindungskabeln 4 und
der Installation 3 nicht eingeschlossen ist. Messkabel 6 müssen auf solche
Weise verbunden werden, dass der Spannungsabfall in der Verkapselung
nicht eingeschlossen ist. Die Mess- und Kontrolleinheit 2 ist über Messkabel 6 mit
der Installation 3 so verbunden, dass eines der Messkabel 6 mit
der Durchführung 8 der
Installation 3 verbunden ist, während das andere Messkabel 6 mit
Erdpotential der elektrischen Installation unter Verwendung einer
isolierten Erdverbindung 7 verbunden ist.
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Bezüglich der
Messkabel 6 ist es von Vorteil, große Schlaufen zu vermeiden.
Insbesondere, wenn es Freileitungen in der Nähe mit einer großen Strombelastung
und daher einem starkem Magnetfeld gibt, könnte eine Menge von Rauschen
oder Störungen um
die Frequenz der elektrischen Netzversorgung und der Oberschwingungen
derselben herum eingeschlossen sein, wenn die Messkabel in unvorteilhafter
Weise angeordnet sind. Wenn die Bedingungen hierfür geeignet
sind, ist es das Beste, das Kabel um die Verkapselung des zu untersuchenden
Abschnitts zu verdrillen.
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Steuersignale
von der Mess- und Kontrolleinheit 2 entscheiden die Zeit
einer laufenden Entladung von der Stromversorgung 1. Die
Steuersignale entscheiden weiter, wenn die Stromquelle die Kondensatoren
nach einer Stromentladung aufladen sollen.
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2 zeigt
die Stromversorgung mehr im Detail, und 5 zeigt
ein typisches Sequenzdiagramm für
eine Messsequenz. Die Stromversorgung 1 enthält einen
oder mehrere Kondensatoren 11, die von der Netzstromversorgung
unter Verwendung eines Gleichrichters 10 geladen werden.
Die Kondensatoren haben eine typische Kapazität von 4 Farad. Eine typische
Ladespannung ist einige 10 Volt. Die Kondensatoren sind über einen
Thyristor 13 und eine Luftspule 14 mit der zu
untersuchenden elektrischen In stallation 3 gekoppelt, das
heißt
einer SF6-Installation, unter Verwendung
von Verbindungskabeln 4. Der Widerstandswert und die Induktivität der Verbindungskabel
sind unter Verwendung von Symbolen in 2 angezeigt.
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Die
Mess- und Kontrolleinheit 2 kann mit einem "Start"-Knopf versehen sein, so dass eine Bedienungsperson
eine Messung von Hand starten kann. Wenn die Bedienungsperson den "Start"-Knopf aktiviert hat, sendet die Mess-
und Kontrolleinheit 2 ein Aktivierungssignal an einen Sequenzkontroller 15,
der Teil der Stromversorgung 1 sein kann, und steuert die
weitere Sequenz der Strompulse. Der Sequenzkontroller 15 steuert
das Entladen und Laden der Stromversorgung 1.
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Eine
typische Sequenz, wie sie in 5 dargestellt
ist, wird sein, dass der Sequenzkontroller 15 ein Trennungssignal 37 zur
Ladungseinheit 10 für
einige wenige Sekunden sendet. Einige Millisekunden, z.B. 20 ms
nach Deaktivierung der Ladungseinheit wird ein Auslösepuls 38 zu
den Analog-digital-Wandlern 20 der Mess- und Kontrolleinheit 2 gesendet,
so dass Messung der ungefähr
entsprechenden Werte von Strom und Spannung eingeleitet wird. Der
Sequenzkontroller 15 sendet dann einen Zündpuls 39 an
den Thyristor 13, der gezündet wird und als ein Kopplungselement
verwendet wird. Die elektrische Energie, die in den Kondensatoren
gespeichert ist, wird dann durch die zu prüfende Schaltung in Form eines
Strompulses 40 entladen. Die Form des Strompulses wird
durch die Schaltungsparameter bestimmt, ändert sich jedoch normalerweise
wenig von Strompuls zu Strompuls. Typischerweise wird die Anstiegszeit
sehr kurz sein, im Bereich von einigen Millisekunden, das heißt derselbe
Bereich wie z.B. ein Viertel einer Periode des Netzsignals, und
nachdem ein Spitzenwert erreicht worden ist, folgt ein exponentiell
abfallender Verlauf, siehe auch 7. Die Amplitude
des Strompulses kann z.B. 3000 bis 5000 Ampere bei vollgeladenen
Kondensatoren erreichen. Wenn der Strompuls seinen Maximalwert 30 erreicht hat,
ist die Kon densatorspannung ungefähr gleich dem resistiven Spannungsabfall
in der Schaltung. Wenn der Strom beginnt, abzufallen, werden die
Induktivitäten
der Schaltung versuchen, den Strom aufrecht zu erhalten. Eine Freilaufdiode 12 verhindert Schaden
an den Kondensatoren 11 durch Laden in der umgekehrten
Richtung. Die Freilaufdiode wird auch Oszillationen in der Schaltung
vermeiden und sicherstellen, dass der Strompuls langsamer nach dem
Spitzenwert abfällt.
Die Kondensatoren 11 entladen vollständig oder fast vollständig jedes
Mal, wenn sie ein Strompuls liefern.
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Nach
jedem Strompuls beendet der Sequenzkontroller 15 das Trennungssignal 37 zur
Ladungseinheit 10, so dass eine neue Ladung beginnen kann.
Die Kondensatoren werden dann auf die erforderliche Spannung geladen.
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Integriert
in die Stromversorgung 1 ist eine Luftspule 14,
um den Kurzschlussstrom im Falle unerwünschter Kurzschließung der
Anschlüsse
und um Beschädigung
des Thyristors 13 zu vermeiden. Zusätzlich beeinflusst die Luftspule
auch den zeitlichen Verlauf des Strompulses positiv, so dass sie
zu einem langsameren Abfall des Strompulses nach dem Spitzenwert
beiträgt.
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Die
Stromversorgung 1 weist auch einen Stromsensor 16 auf,
der eine Rogowski-Spule mit einem Integrator für genaue Messung des Stroms
einschließt.
Der Stromsensor 16 liefert ein Spannungssignal, das jederzeit
zum Strom proportional ist.
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Die
Verbindungskabel 4, die die Stromversorgung 1 mit
der zu untersuchenden Schaltung verbinden, müssen eine verhältnismäßig große Querschnittsfläche haben,
dass der Spannungsabfall nicht zu groß wird, und sollten aus demselben
Grunde nicht länger
als notwendig sein. Sie können
z.B. 70mm2 flexible gummiisolierte Kupferkabel
sein, sogenanntes "Schweißkabel". In der Praxis sollte
die Stromversorgung so nah wie möglich
zu den Verbindungspunkten 17A, 17B der elektrischen
Installation angeordnet werden. Üblicherweise
ist es zweckmäßig, die
Verkapselung als Rückleiter
zu verwenden und die Kabel zu stromführenden und Erdverbindungen
einer Durchführung 3 zu
verbinden, wie dies in 1 gezeigt ist. Für die größten Installationen
ist es zweckmäßig, die
Stromversorgung 1 in einem anhebenden Hebezeug oder dergleichen
anzuordnen, abhängig
von den lokalen Bedingungen. Alle Funktionen der Stromversorgung 1 werden
von der Mess- und Kontrolleinheit 2 gesteuert, so dass
ein etwas schwieriger Zugang zum Ort der Stromversorgung 1 aus
diesem Grunde nicht besonders problematisch ist.
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Die
Mess- und Kontrolleinheit 2 enthält Analog-digital-Wandler (A/D) 20,
die einen differentiellen Kanal 20A für Strommessung und einen für Spannungsmessung 20B haben.
Um ausreichende Genauigkeit der Messungen zu erzielen, sollten die A/D-Wandler eine 16-bit
Auflösung
und eine Abweichung von der Linearität von weniger als 0,5% innerhalb
eines Messbereiches von –5
bis +5 Volt haben. Sie müssen
auch im Stande sein, eine Abtastfrequenz von 50 kHz zu handhaben.
Die Komponente Transguard S14K17 könnte z.B. benutzt werden.
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6 zeigt
im Detail die Eingangsstufe 26 in der Mess- und Kontrolleinheit
für Umwandlung
der Analogspannungen von der Rogowski-Spule und von der Potentialdifferenz
von der elektrischen Installation in digitale Zeitsequenzen.
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Beide
Signale werden typischerweise eine Amplitude von bis zu einigen
Volt haben und enthalten nur in kleinem Ausmaß Frequenzkomponenten von höher als
einige wenige Hertz. Die A/D-Wandler werden
durch Anlegen des Auslösesignals 38 (5)
an den Auslöseeingang 25 der
A/D-Wandler aktiviert.
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Für die Spannungsmessung
kann ein gewöhnliches
Koaxialkabel 23 benutzt werden, wobei der Mittelleiter
in einer großen
Krokodilklemme 24 enden, die mit der elektrischen Installation verbunden
werden kann. Die Abschirmung ist über das Chassis der Mess- und
Kontrolleinheit geerdet und kann den ganzen Weg bis zum Messpunkt
in der Installation geführt
werden, damit aber nicht verbunden sein. Die Kabel sind mit der
Mess- und Kontrolleinheit an der Installation unter Verbindung von
Bajonettverbindungen oder dergleichen verbunden.
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Für die Strommessung
wird das Signal von der Rogowskispule 16 durch einen verdrillten
Zweileitungsdraht 22 mit einer Abschirmung, die in dem Kabel
integriert ist, zwischen der Stromversorgung 1 und der
Mess- und Kontrolleinheit übertragen.
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Nach
A/D-Wandlung werden die digitalen Daten in Puffern 21 gespeichert,
die eine volle Messperiode speichern können, z.B. 2500 Abtastwerte, die
einer Messsequenz von 50 ms Länge
entsprechen. Von den Puffern werden die Messdaten weiter für digitale
Filterung, andere zusätzliche
Bearbeitung und Berechnung übertragen.
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Die
Mess- und Kontrolleinheit 2 filtert die Messwerte, schätzt und
subtrahiert den induktiven Spannungsabfall und bestimmt danach den
Widerstand der Schaltung für
die Zeit, wo der Strom seinen Maximalwert hat.
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7 zeigt
ein detaillierteres Bild eines typischen Zeitverlaufs des Stroms
und der Spannung, wie sie bei einer SF6-Installation registriert
werden. Die Spannung hat einen exponentiell abfallenden zeitlichen
Verlauf. Der Strom hat eine schnell steigende Flanke 31 und
erreicht dann eine Spitze oder einen Maximalwert 30. Dann
hat der Strom einen exponentiell abfallenden zeitlichen Verlauf 32.
Die Analogmesswerte werden in der Mess- und Kontrolleinheit abgetastet.
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Der
Stromverlauf wird wenigstens nahe dem oberen Teil des Stromsverlaufs 30 abgetastet.
Die Abtastwerte bilden Zeitsequen zen i(n). Eine ungefähr entsprechende
Zeitsequenz u(n) wird für
den zeitlichen Spannungsverlauf abgetastet. Ein Computer oder Mikroprozessor 50 (1),
der normalerweise ein integrierter Teil der Mess- und Kontrolleinheit 2 sein
wird, führt
die weitere Verarbeitung der Abtastwerte durch.
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Bei
einer Ausführungsform
wird die Anlegung des elektrischen Stroms von der Stromversorgung 1 in
Form eines einzigen Stromspulses durchgeführt, während die Strom- und Spannungsverläufe eine
Mehrzahl von Malen während
der abfallenden Flanke abgetastet werden, wodurch die Zeitsequenzen
i(n) und u(n) gebildet werden. Hier wird der Stromverlauf i(n) eine
Anzahl von unterschiedlichen Werten annehmen. Bei dieser Einzelpulsversion
wird die Stromversorgung vorzugsweise auf eine Spannung aufgeladen,
die hoch genug ist, dass der resultierende Spitzenwert 30 des
Strompulses nahe dem maximalen Nennstrom der Installation ist. Der
Nennstrom der Installation ist ein anderer bekannter Ausdruck für den maximalen
Laststrom der Installation.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
ist die Anlegung von elektrischer Energie von der Stromversorgung 1 in
Form einer Mehrzahl von Strompulsen von unterschiedlichem Strom. 8 illustriert
den zeitlichen Verlauf des Stroms für einen solchen Satz von Strompulsen 40A–C, die
sich ergeben, wenn die Kondensatorbank auf unterschiedliche Spannungen geladen
wird, bevor sie entladen wird. Wenigstens einer der Strompulse hat
einen Spitzenwert, der nahe dem Nennstrom der Installation ist.
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Die
weitere Verarbeitung der Zeitsequenzen i(n) und u(n) zielt darauf,
den Widerstandswert der Schaltung bei unterschiedlichen Stromwerten
zu erhalten. Für
die Einzelpulsausführungsform
wird der Widerstand an den unterschiedlichen Stromwerten entlang
der abfallenden Flanke des Stromspulses geschätzt. Für die Mehrpulsausführungsform
wird der Widerstandswert an der Spitze des Strompulses für jeden
einzelnen Strompuls geschätzt. Da
die Strompulse sich verändernde
Spitzenwerte für
den Strom haben, wird ein Satz von Widerstandswerten für variierende
Stromwerte gebildet.
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Die
Berechnungen müssen
verschiedene Gesichtpunkte in Betracht ziehen. Erstens können die
Strom- und Spannungsmessungen sowohl Hochfrequenzrauschen und -störungen (von
Funksendern, Entladungen, usw.) und Netzfrequenzstörungen (z.B.
16 2/3 Hz, 50 Hz oder 60 Hz) enthalten. Zweitens enthält die Schaltungsimpedanz
eine induktive Komponente, die subtrahiert werden muss, um zum Widerstandswert
zu kommen.
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Alle
Frequenzkomponenten oberhalb von einigen hundert Hz werden als Rauschen
oder Störungen
angesehen. Diese werden unter Verwendung eines steilen Digitalfilters 59 entfernt.
Ein Bandstop FIR (Finite Impulse Response, endliches Impulsansprechverhalten)
Filter mit Grenzfrequenz von 250 Hz und einer Dämpfung von 44 dB ist geprüft worden und
als gut arbeitend befunden worden.
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Störungen bei
der Netzfrequenz und Gleichspannungsversetzung von A/D-Wandlern
werden anschließend
unter der Annahme entfernt, dass dieses Rauschen oder diese Störung vorhersehbar
ist. Die folgende Prozedur kann verwendet werden:
- 1)
Der Sequenzkontroller 15 ist so eingestellt, dass die Datenansammlung
ungefähr
30 ms oder 1500 Abtastungen früher
beginnt, bevor der Strompuls beginnt. Das Intervall enthält daher normalerweise
nur Niedrigfrequenzstörungen
als auch Gleichspannungsversetzung von den A/D-Wandlern.
- 2) Ein Abschnitt, der genau eine Netzperiode lang ist, wird
von Abtastwert Nr. 250 bis Abtastwert Nr. 1249 von jedem Kanal extrahiert
(vorausgesetzt, dass die Abtastfrequenz 50 kHz ist).
- 3) Die extrahierten Abschnitte werden zwei oder dreimal kopiert,
und die Abschnitte werden einer nach dem anderen angeordnet, um
eine 2500 Abtastungen lange Zeitsequenz für jeden Kanal zu bilden. Diese
Zeitsequenzen werden als ein Maß für die Niedrigfrequenzstörungen und
Gleichspannungsversetzung benutzt.
- 4) Die Störungszeitsequenzen
werden von den Zeitsequenzen beider Kanäle abgezogen.
- 5) Das Ergebnis in Form einer 2500 Elemente langen Zeitsequenz
für jeden
Kanal wird gespeichert und bei der nachfolgenden Verarbeitung verwendet.
Die Zeitsequenzen werden als i(n) und u(n) für das Strom- bzw. Spannungssignal
bezeichnet, wobei 1<N<2500 ist. Die Dimensionen
sind [kA] bzw. [V].
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3 zeigt
ein Bild der Zeitsequenzen i(n) für Strom 44 und u(n)
für Spannung 45 sowohl
vor als auch nach dem Filtern von Netzstörungen und Korrektur von Gleichspannungsversetzung.
In 3 zeigt eine gepunktete Linie die Messabtastwerte,
und die ausgezogene Linie zeigt die korrigierten Daten. Der Kurvenabschnitt
in 3 zeigt alle 2500 Messabtastwerte für einen
typischen Messverlauf.
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Bei
der Netzfrequenz gibt es einen Spannungsabfall über einen Abschnitt der SF6-Installation, in erster Linie induktiv
induziert, typischerweise X/R = 3, wo X die Reaktanz und R der Widerstand
ist.
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Wenn
ein Strompuls durchgeschickt wird, bildet der resistive Spannungsabfall
einen variierenden Teil des gesamten gemessenen Spannungsabfalls. Der
resistive Teil ist am niedrigsten an der ansteigenden Flanke des
Strompulses, da hier di/dt den größten Wert hat, und ist am größten, wenn
der Strompuls seinen Spitzenwert 30 erreicht. Dann ist
di/dt = 0, und der induktive Teil des Spannungsabfalls ist daher ebenfalls
0.
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Der
Widerstandswert der Schaltung ist auch nicht konstant, da die Eindringungstiefe
des Stroms während
des Stromverlaufs anwächst.
Der Widerstandswert ist daher ein wenig höher an der ansteigenden Flanke 31 des
Strompulses als bei der abfallenden Flanke 32.
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Die
Herausforderung ist es im wesentlichen, den rein resistiven Beitrag
zur Impedanz auf solche Weise zu schätzen, dass eine geringe Abweichung gefunden
werden kann, wenn die Ergebnisse von mehreren Pulsen von unterschiedlichen
Spitzenwerten des Stroms verglichen werden.
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Bei
einer Ausführungsform
wird erst die Induktivität,
L, der Schaltung durch Regression bestimmt, und davon wird die Reaktanz
durch einen Teil des Pulsverlaufs gefunden. Die Reaktanz wird dann von
der gemessenen Impedanz abgezogen, so dass der rein resistive Beitrag
verbleibt. Der resistive Beitrag beim Spitzenwert des Stroms wird
als der Widerstandswert der Schaltung genommen.
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Detaillierter
kann der Widerstandswert durch Verarbeiten der beiden Zeitsequenzen
i(n) und u(n) für
1<n<2500 in der folgenden
Weise bestimmt werden.
- 1) Die Zeit, wo der
Strom seinen Spitzenwert hat, wird bestimmt, indem das n herausgefunden
wird, bei dem die Zeitsequenz i(n) den größten Wert hat. Dies wird als
nmax bezeichnet.
- 2) Ein Segment von 200 Abtastwerten wird von den Strommessungen
i(n) und den Spannungsmessungen u(n) um die Zeit herum extrahiert,
bei der der Strom seinen Spitzenwert hat, das heißt für nmax–9<n<nmax+100
- 3) Eine neue Zeitserie didt(n), die die Ableitung des 200 Punkte
langen Segments des Stromsignals ist, wird bestimmt. Dies wird durch
Berechnung von didt(n) = [i(n + 1) – i(n)]/20 für nmax–9<n<nmax+99 durchgeführt. Diese
Reihe von 199 Abtastwerten hat die Dimension [MA/s]
- 4) Eine neue Zeitserie didt_over_i(n) = didt(n)/i(n) wird für nmax–9<n<nmax+99 bestimmt.
Diese Serie kriegt die Dimension [1/ms].
- 5) Eine neue Serie z(n) = u(n)/i(n) für nmax–9<n<nmax+99 wird
bestimmt. Die Dimension von z(n) wird [mΩ].
- 6) Eine lineare Kurvenanpassung unter Verwendung z.B. des Verfahrens
der kleinsten Quadrate wird durchgeführt, um den Koeffizienten L
in dem Ausdruck z(n) = R + L didt_over_i(n) für nmax–9<n<nmax+99 zu
bestimmen. Die Dimension des Koeffizienten L wird [μH].
- 7) Eine neue zeitserie r(n) = z(n) – L didt_over_i(n) wird für nmax–9<n<nmax+99 berechnet.
- 8) Der Widerstandswert des Spitzenwertes des Stroms r(nmax) wird gelesen.
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4 zeigt
ein Bild der Zeitserien 46, 47 für die berechnete
Impedanz z(n) und den Widerstandswert r(n) für ein Segment des Testverlaufs
nahe der Zeit des Spitzenwertes des Stroms 30. In diesem Segment
ist die Widerstandswertkurve 47 ungefähr eine flache Kurve. Mögliche Abweichungen
von einer flachen, ho rizontalen Kurve können berechnet werden und benutzt
werden, ein Ziel für
die statistische Unsicherheit der Messung zu bilden.
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Ein
auf einem Mikroprozessor beruhendes System wird sowohl zum Implementieren
der oben erwähnten
Routinen als auch zur Konstruktion einer Benutzerschnittstelle (Darstellung
in Bildern auf Anzeigeschirmen) benutzt. Als Beispiel können Kurven den
zeitlichen Verlauf des Tests selbst und der berechneten Zeitsequenzen
zeigen, wie dies in 3 und 4 gezeigt
ist. In denselben Bildern des seitlichen Verlaufs des Tests können auch
die wichtigsten Ergebnisse des Tests gezeigt werden, das heißt, der
Spitzenwert des Stroms und der entsprechende berechnete Widerstandswert.
Auf diese Weise hat der Benutzer die Möglichkeit, herauszufinden,
wie gut die Tests sind. Mögliche
schwerwiegende Fehler im zeitlichen Verlauf der Tests können auf
diese Weise einfach identifiziert werden. Weiter sind auch die wichtigsten
Daten der Sequenzkontrolle gezeigt.
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Das
auf einem Mikroprozessor beruhende System enthält vorzugsweise auch konventionelle Funktionen
zum Speichern von mehreren Testverläufen, zum Anzeigen von vorhergehenden
Testverläufen
und Funktionen zum Übertragen
von Testverläufen
und Funktionen zum Übertragen
von Messdaten zu einem PC.
