DE69604842T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines Isoliergases in einer elektrischen Anlage - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines Isoliergases in einer elektrischen AnlageInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines Isoliergases einer elektrischen Anlage.
- Elektrische Anlagen, wie herkömmliche Unterbrecher auf isolierenden Säulen aus Porzellan oder aus synthetischen Isolatoren, sowie die Stationen mit einer metallischen Umhüllung auf dem Erdboden, sogenannte metallgekapselte Stationen, verwenden häufig ein Isoliergas mit guten dielektrischen Eigenschaften, wie Schwefelhexafluorid mit der chemischen Formel SF6.
- Die verschiedenen Merkmale dieser Anlagen, wie das Trennvermögen oder das dielektrische Verhalten hängen von der Dichte des Isoliergases ab. Den Bestimmungen entsprechend wird ihre Unterbrechungsleistung, ihr dielektrisches Verhalten usw., an der minimalen Schwelle der Dichte aufgezeigt, welche durch den Hersteller noch garantiert wird, zum Beispiel 30 kg/m³ für SF6.
- Um die Dichte des Isoliergases zu überwachen und die minimale Schwelle für das gute Funktionieren auszumachen ist jede ein Gas enthaltende Anlage oder Abteilung mit einem Gerät zur Messung der Gasdichte, Densimeter genannt, ausgestattet. Diese Densimeter können auf verschiedenen physikalischen Grundlagen basieren, zum Beispiel der Veränderung der Schwingfrequenz eines Quartzes oder der Verformung einer Membran verbunden mit einem rechnerischen Temperaturausgleich, oder auch dem Vergleich des Druckes mit einem Referenzvolumen, das mit dem gleichen Gas gefüllt ist. Diese Aufzählung ist nicht abschließend.
- Das gute Funktionieren dieser Densimeter setzt voraus, daß sie die gleiche Temperatur haben, wie das Gas dessen Dichte sie messen sollen. In der Tat ist es bekannt, daß die Dichte p eines Gases mit seiner Temperatur T und seinem Druck P durch eine Beziehung:
- ρ = F(T, P)
- verbunden ist.
- Bei einem gegebenen Druck P zieht jeder prozentuale Fehler in T einen gleichen prozentualen Fehler in ρ nach sich.
- Die Densimeter für die herkömmlichen Unterbrecher auf isolierenden Säulen werden in praktisch allgemeiner Weise am Fuße der Kolonnen angebracht. An dieser Stelle ist der Druck etwa der gleiche wie in den Unterbrechungskammern, da sich die Drücke bei in Verbindung stehenden Volumina immer ausgleichen; im Gegensatz hierzu ist die Temperatur dort wesentlich tiefer als in der Unterbrechungskammer, wenn diese von dem Nominalstrom durchströmt wird.
- Für die gekapselten Stationen ist die Situation entsprechend. Tatsächlich werden die Densimeter in praktisch allgemeiner Weise an der äußeren Oberfläche der metallischen Umhüllung angebracht. Diese Umhüllungen sind, wie zuvor, beträchtlich kälter als die Unterbrechungsmittel oder die Schienen, die sie enthalten. In der Tat stellt sich ein Temperaturgradient zwischen der Mitte der Anlagen und den Außenwänden ein. Wie zuvor herrscht in dem Volumen der gleiche Druck, da jedoch die Temperatur unterschiedlich ist weist das Gas nicht überall die gleiche Dichte auf. Sie ist in der Mitte zu den warmen Teilen hin geringer, als wie nach außen zu.
- Zum Beispiel kommt es häufig vor, daß in einer Unterbrechungskammer eines herkömmlichen Unterbrechers, die von dem Ladestrom durchströmt wird, die Temperatur des Gases im Inneren dieser Kammer 30º über der Umgebungstemperatur liegt. Nimmt man eine Umgebungstemperatur von 20ºC an, was 293 K entspricht, dann beträgt der Fehler der gemessenen Dichte ungefähr 10%. Für einen Schwellendruck von 5 bar bei 20ºC beträgt der auf den Druck übertragene Fehler 500 millibar.
- Wenn man weiß, daß das Unterbrechungsvermögen, zum Beispiel bei einer Leitungsstörung, auf Druckregelungen in der Größenordnung von 100 millibar empfindlich ist, und daß die Hersteller um ihre Anlagen möglichst genau auszulegen den Druckmeßgeräten eine Genauigkeit abverlangen, die in ihrem absoluten Wert wenigstens 50 millibar beträgt, wird ersichtlich, daß ein Fehler von 500 millibar eine beträchtliche Abweichung darstellt.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Berechnung der Dichte eines Gases in einem unzugänglichen Bereich einer elektrischen Anlage anzugeben, welches eine hohe Genauigkeit hat und den auferlegten Vorschriften und Bestimmungen entspricht.
- Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen der Dichte eines Isoliergases einer elektrischen Anlage in der Umgebung von stromdurchflossenen Teilen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Schritte aufweist:
- a) man mißt eine Referenztemperatur (Tref) außerhalb und in der Umgebung der Anlage,
- b) man mißt den die Anlage durchströmenden elektrischen Strom (IA, IB, IC) und man bestimmt anhand der Werte der Gaserwärmung als Funktion des Stromwertes und für verschiedene Referenztemperaturen die Erwärmung (ΔT) des Gases über die Referenztemperatur, wobei diese Werte für die Erwärmung zuvor durch Versuche oder über ein mathematisches Modell bestimmt wurden,
- c) man berechnet die Temperatur (T) des Gases durch Addition der Referenztemperatur (Tref) und der Erwärmung (ΔT),
- d) man mißt den Druck (P) des Gases im Innern der Anlage,
- e) man berechnet die Dichte ρ des Gases anhand von Zustandsgleichungen ρ = F(T, P) des Gases, welche tabellierte Daten sind.
- Wenn die Anlage mit einem Trennschalter umfassenden Schaltkreis verbunden ist, ist es möglich eine Korrektur des Wertes der Erwärmung (ΔT) vorzusehen, um den offenen oder geschlossenen Zustand der Trennschalter zu berücksichtigen.
- Es wird der Wert der Erwärmung (ΔT) korrigiert, um klimatische Bedingungen (Wind, Schneeverhältnisse) zu berücksichtigen.
- Gegenstand der Erfindung ist gleichermaßen eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines Isoliergases einer elektrischen Anlage in der Umgebung von stromdurchflossenen Teilen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aufweist:
- - einen in der Umgebung der Anlage angeordneten Temperaturaufnehmer, der eine Referenztemperatur (Tref) liefert,
- - eine Vorrichtung zur Messung der Stromstärken (IA, IB, IC) in der Anlage,
- - Verbindungen um die Werte der Referenztemperatur (Tref) und die Werte der Stromstärken (IA, IB, IC) einem Mikroprozessor zuzuführen, der programmiert ist, als Funktion der Stromwerte und für verschiedene Referenztemperaturen die Erwärmung des Gases (ΔT) über die Referenztemperatur zu liefern, wobei diese Werte für die Erwärmung zuvor durch Versuche oder über ein mathematisches Modell bestimmt wurden, und der Mikroprozessor programmiert ist, die Werte der Referenztemperatur (Tref) und der Erwärmung (ΔT) zu addieren um so den korrigierten Wert (T) der Temperatur des Gases zu erhalten,
- - eine Vorrichtung zur Messung des Gasdruckes (P) der Anlage,
- - eine Verbindung um dem Mikroprozessor den Druckwert (P) in der Anlage zuzuführen, wobei der Mikroprozessor programmiert ist, den Wert der Dichte (ρ) des Gases anhand der Gaszustandsgleichungen zu liefern, welche in einem Speicher des Mikroprozessors abgelegt sind,
- - Signal- und Alarmmittel, die durch den Mikroprozessor gesteuert werden, wenn der berechnete Wert der Dichte fallend einen oder mehrere Schwellenwerte erreicht.
- Wahlweise kann die Vorrichtung außerdem einen Wärmefühler aufweisen, der ein Bild der Anlage liefert und in deren Umgebung angeordnet ist, wobei dessen Anzeige dem Mikroprozessor zugeführt wird, um an dem berechneten Dichtewert ergänzend eine Korrektur vorzunehmen.
- In vorteilhafter Weise ist der Mikroprozessor programmiert, die Alarm- und Signalsteuerungen während einer bestimmten Zeitspanne zu unterdrücken, wenn der Stromwert plötzlich über einen gegebenen Wert hinaus wächst.
- Die Vorrichtung zur Druckmessung ist ein mit einem elektronischen Schaltkreis verbundener, temperaturausgeglichener Aufnehmer.
- Als Variante ist die Vorrichtung zur Druckmessung thermisch stabilisiert.
- Ein Beispiel zur Durchführung des Verfahrens ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen das folgende dargestellt ist:
- - die Fig. 1 zeigt ein Gesamtschema, welches das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Dichte des Gases in einem unzugänglichen Bereich im Innern einer elektrischen Anlage beschreibt,
- - die Fig. 2 zeigt ein Bild, das die Änderungen der Erwärmung des Gases als Funktion von plötzlichen Stromänderungen veranschaulicht und die thermischen Zeitkonstanten der Anlagen hervorhebt,
- - die Fig. 3 zeigt die schematische Ansicht der Vorrichtung zur Messung der Dichte des Isoliergases eines herkömmlichen Unterbrechers, der sich unter freiem Himmel befindet.
- In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein Mittel zur Messung der Temperatur; wie es bereits angegeben wurde, ist dieses Mittel möglichst nah am zu überwachenden Volumen angeordnet (für eine Anlage der gekapselten Art ist das Mittel zur Messung der Temperatur nahe der metallischen Umhüllung angeordnet; für einen Unterbrecher der herkömmlichen Art auf isolierenden Säulen, wird das Mittel zur Messung der Umgebungstemperatur, die in der Umgebung der Säulen oder Unterbrecher vorliegt, im allgemeinen an der Basis der isolierenden Säulen angeordnet). Im folgenden wird durch Tref (Referenztemperatur) die durch das Mittel 10 gemessene Temperatur bezeichnet.
- Das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Mikroprozessor, der programmiert ist, die Erwärmung ΔT des Gases zu berechnen, das heißt, die Differenz zwischen der Temperatur die in der Anlage nahe den Stromleitern vorliegt und der Referenztemperatur.
- Der Mikroprozessor empfängt die Stromwerte IA, IB und IC der unterschiedlichen Phasen der Anlage (wenn die Anlage aus drei gleichartigen einphasigen Elementen gebildet wird, wird nur ein einziger Intensitätswert festgehalten, zum Beispiel der höchste). Im Speicher des Mikroprozessors sind die Werte der Erwärmung als Funktion der Stromwerte für unterschiedliche Werte der Referenztemperatur eingetragen. Diese Werte der Erwärmung werden entweder über Versuche während des Betriebes der Anlage oder über ein mathematisches Modell erhalten.
- Die Berechnung der Erwärmung kann noch verbessert werden, indem die offene oder geschlossene Stellung von Trennschaltern, mit denen die Anlage ausgestattet ist, berücksichtigt wird, da die Erwärmung entsprechend dem Zustand der Trennschalter variieren kann. Ein Aufnehmer 19 liefert dem Mikroprozessor den Zustand von verschiedenen Trennschaltern a, b, c und der Mikroprozessor wählt unter den Korrekturtabellen 20 jene, die dem gesamten Zustand der Anlage entspricht.
- Der Wert ΔT der Erwärmung wird an einen Addierer 22 geschickt, der die Berechnung der Temperatur T des Gases innerhalb der Anlage durch eine einfache Addition der Referenztemperatur Tref und des Wertes der Erwärmung ΔT durchführt.
- Der Wert T wird an einen Mikrorechner 24 geschickt (in dessen Speicher die Zustandsgleichungen des Gases der Anlage in der Form:
- ρ = F (T, P) tabelliert sind)
- Diese Zustandsgleichungen sind wohlbekannt und tabelliert. (Siehe insbesondere: Equations Beattie, Bridgmann Döring, usw., die insbesondere das Phänomen der Verflüssigung berücksichtigen).
- Der Druck P wird von einem Mittel zur Messung des Druckes 25 geliefert, das mit der zu überwachenden Anlage verbunden ist.
- Das Verfahren kann verbessert werden, indem die thermische Zeitkonstante der Anlage berücksichtigt wird.
- Tatsächlich führt das Fließen des Stroms in den Schienen- oder Leitersätzen der Anlage zu einer Erwärmung deren Gleichgewichtswert nur nach einer gewissen Verzögerung ausgehend von dem Moment des Stromaufbaus erhalten wird. Die Dauer dieser Verzögerung, oder thermische Zeitkonstante hängt von der Referenztemperatur ab.
- Die Fig. 2A zeigt die Änderungen des Stroms, der von einem Wert 0 zu einem Wert I1 und dann zu einem Wert I2 läuft: die Kurve 2B zeigt das Verhalten der Kurve der Erwärmung ΔT, die die aufeinanderfolgenden Werte ΔT1 und ΔT2 mit den Zeitkonstanten GT1 und GT2 als Funktion der Stromänderung und der Temperatur annimmt.
- Wenn die Referenztemperatur jene der Umhüllung ist, die das Gas enthält (Fall einer gekapselten Station), dann ist die Zeitkonstante von den klimatischen Bedingungen (Wind, Schnee, usw.) unabhängig. Sie kann im Korrekturalgorithmus berücksichtigt werden, wobei die Berechnung der Erwärmung dann in die zeitlich langsamen Veränderungen des Stromes eingreifen läßt.
- Wenn die Referenztemperatur nicht jene der Umhüllung ist, dann hängt die Zeitkonstante von klimatischen Bedingungen ab; um diesen Parameter zu berücksichtigen ist es ein bevorzugtes Mittel einen Fühler 17 für ein "thermisches Abbild" des zu überwachenden Volumens zu verwenden, dessen Form und Montageort ihm eine Empfindlichkeit auf die Witterungseinflüsse vermitteln, die zu jenen des zu überwachenden Volumens gleichartig sind. Das Berechnungsprogramm des Mikroprozessors 15 berücksichtigt die durch den Fühler 17 gegebene Information.
- Als Variante und um das Betreiben von komplexen Gerätschaften zur Messung der klimatischen Bedingungen zu vermeiden, ermöglicht es eine Aufstellung des Algorithmus die Alarm- und Verriegelungsbefehle, die auf die programmierte Schwelle bezogen sind, für eine Zeitdauer, die eine Funktion der thermischen Zeitkonstanten ist, in der Folge einer signifikanten Stromänderung zu hemmen.
- Eine Stromänderung wird als signifikant erachtet, wenn sie in einem festgelegten Bereich eine Änderung der Erwärmung nach sich zieht, die oberhalb jener liegt, die für die verlangte Genauigkeitsklasse notwendig ist.
- Im allgemeinen ist das Gerät 25, das die Information des Druckes P liefert, ein elektronischer Aufnehmer. Die Genauigkeit dieses Geräts muß für alle Temperaturbereiche des Gases während des Betriebes des Geräts mit den Genauigkeitsvorgaben zur Messung der Dichte des Gases kompatibel sein.
- Die verwendeten Druckaufnehmer machen häufig eine Korrektur notwendig, die durchgeführt werden kann, indem der Druckaufnehmer mit einem Temperaturaufnehmer, der einen Ausgleichsschaltkreis führt, ausgestattet wird.
- Eine weniger teure Variante besteht darin, den Druckaufnehmer mittels einer thermisch isolierenden Umhüllung, welche ein oder mehrere selbstregelnde Heizelemente enthält, thermisch zu stabilisieren, oder den durch den Druckaufnehmer und seinen verbundenen Schaltkreis gebildeten Wandler mit einer Vorrichtung zur selbstregelnden Heizung auszustatten.
- Die Fig. 3 veranschaulicht eine Durchführungweise des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- In einem Raum 30 wird ein Mikroprozessor 31 angeordnet, der programmiert ist, die Erwärmung ΔT auf der Grundlage der Temperaturwerte und des Stromes zu berechnen, und die Dichte anhand der Zustandsgleichungen des Gases zu berechnen.
- Im Beispiel der Fig. 3 ist die Anlage ein herkömmlicher Unterbrecher mit SF6, von dem eine Phase 32 dargestellt ist.
- Ein Druckaufnehmer 32A liefert dem Mikroprozessor über eine geeignete Verbindung 33 den Druckwert P.
- Ein Stromwandler 34 liefert über eine Verbindung 35 die Messung des Stroms der betrachteten Phase.
- Eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur 36, die am Fuße der Säule des Unterbrechers angeordnet ist, liefert den Wert der Referenztemperatur Tref, welcher über eine Verbindung 37 zugeleitet wird.
- Schließlich liefert ein Fühler 38, der das thermische Abbild des Unterbrechers bildet und der in dessen Umgebung angeordnet ist, dem Mikroprozessor eine Information über die Änderungen der thermischen Leitfähigkeit des Unterbrechers; diese Information wird über eine Verbindung 39 zugeleitet.
- Die Vorrichtung wird durch die Signal- und Alarmmittel, die durch die Piktogramme 41 und 42 symbolisiert sind, vervollständigt.
Claims (8)
1. Verfahren zum Bestimmen der Dichte eines Isoliergases einer elektrischen
Anlage in der Umgebung von stromdurchflossenen Teilen,
dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte aufweist:
a) man mißt eine Referenztemperatur (Tref) außerhalb und in der Umgebung der Anlage,
b) man mißt den die Anlage durchströmenden elektrischen Strom (IA, IB, IC) und, man
bestimmt anhand der Werte der Gaserwärmung als Funktion des Stromwertes und für
verschiedene Referenztemperaturen die Erwärmung (ΔT) des Gases über die
Referenztemperatur, wobei diese Werte für die Erwärmung zuvor durch Versuche oder
über ein mathematisches Modell bestimmt wurden,
c) man berechnet die Temperatur (T) des Gases durch Addition der Referenztemperatur (Tref)
und der Erwärmung (ΔT),
d) man mißt den Druck (P) des Gases im Innern der Anlage,
e) man berechnet die Dichte p des Gases anhand von Zustandsgleichungen ρ = F(T, P) des
Gases, welche tabellierte Daten sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß man den Wert der Erwärmung (ΔT) korrigiert, um den
offenen oder geschlossenen Zustand von im Stromkreis der Anlage angeordneten
Trennschaltern zu berücksichtigen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß man den Wert der Erwärmung (ΔT) korrigiert, um klimatische
Bedingungen (Wind, Scheeverhältnisse) zu berücksichtigen.
4. Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines Isoliergases einer elektrischen
Anlage (32) in der Umgebung von stromdurchflossenen Teilen,
dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:
- einen in der Umgebung der Anlage angeordneten Temperaturaufnehmer (36), der eine
Referenztemperatur (Tref) liefert,
- eine Vorrichtung (34) zur Messung der Stromstärken (IA, IB, IC) in der Anlage,
- Verbindungen (37, 35) um die Werte der Referenztemperatur (Tref) und die Werte der
Stromstärken (IA, IB, IC) einem Mikroprozessor (31) zuzuführen, der programmiert ist, als
Funktion der Stromwerte und für verschiedene Referenztemperaturen die Erwärmung des
Gases (ΔT) über die Referenztemperatur zu liefern, wobei diese Werte für die Erwärmung
zuvor durch Versuche oder über ein mathematisches Modell bestimmt wurden, und der
Mikroprozessor programmiert ist, die Werte der Referenztemperatur (Tref) und der
Erwärmung (ΔT) zu addieren um so den korrigierten Wert (T) der Temperatur des Gases zu
erhalten,
- eine Vorrichtung zur Messung des Gasdruckes (P) der Anlage,
- eine Verbindung (33) um dem Mikroprozessor den Druckwert (P) in der Anlage
zuzuführen, wobei der Mikroprozessor programmiert ist, den Wert der Dichte (ρ) des
Gases anhand der Gaszustandsgleichungen zu liefern, welche in einem Speicher des
Mikroprozessors abgelegt sind,
- Signal- (41) und Alarmmittel (42), die durch den Mikroprozessor gesteuert werden, wenn
der berechnete Wert der Dichte fallend einen oder mehrere Schwellenwerte erreicht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen Fühler (38) aufweist, der ein Bild der
Anlage zusammensetzt und in deren Umgebung angeordnet ist, wobei dessen Anzeige dem
Mikroprozessor zugeführt wird, um an dem berechneten Dichtewert eine ergänzende
Korrektur vorzunehmen, die klimatische Veränderungen, wie Wind oder Schneeverhältnisse,
berücksichtigt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor programmiert ist, die Alarm- (41) und
Signalsteuerungen (42) während einer bestimmten Zeitspanne zu unterdrücken, wenn der
Stromwert plötzlich über einen gegebenen Wert hinaus wächst oder darunter fällt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Druckmessung (32A) ein mit einem
elektronischen Schaltkreis verbundener, temperaturausgeglichener Aufnehmer ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Druckmessung (32A) thermostabilisiert
ist.
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