DE69637461T2

DE69637461T2 - Überwachung von teilentladungen in leistungstransformatoren

Info

Publication number: DE69637461T2
Application number: DE69637461T
Authority: DE
Inventors: Thomas Eriksson; Mats Leijon
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 1995-05-02
Filing date: 1996-04-29
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2016-04-30
Also published as: CA2192856C; NO965625D0; SE9501664L; AU695413B2; PL317610A1; BR9606349A; CA2192856A1; EA199700012A1; EP0769150A1; AU5661396A; ES2302335T3; EP0769150B1; CN1078709C; WO1996035128A1; CZ384996A3; EA000019B1; US5903158A; NO965625L; SE515387C2; JPH10505913A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Teilentladungen in einem elektrischen Leistungstransformator, der unter normalen Betriebsbedingungen läuft bzw. betrieben wird und eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens.
Die Vorrichtung umfasst ein richtungsempfindliches Zwei-Sensor-System zum Abtasten von sowohl einem elektrischen als auch einem magnetischen Feld, das durch eine Entladung erzeugt wurde.
Stand der Technik
Fehlerstellen oder andere Defekte in einem Isolationsmaterial können zu nicht homogenen elektrischen Feldern in dem Material führen, wobei in diesem Zusammenhang die Feldstärke so hoch werden kann, dass ein lokale Entladung, eine Teilentladung, in dem Material auftreten kann. Eine allgemeine Beschreibung dieses Phänomens wird beispielsweise in E. Kuffel, W. S. Zaengl: High Voltage Engineering, Pergamon Press, 1984, gegeben.
Herkömmlicherweise werden Teilentladungen unter Verwendung einer kapazitiven Entkopplung von dem zu erfassenden Gegenstand und einer Detektoreinheit, beispielsweise einer Brücke, oder einem schnellen digitalen Wandler und einem Computer, erfasst. In IEC Veröffentlichung 270: "Partial Discharge Measurements", 1981, 2nd Edition, werden normalisierte Verfahren für derartige Erfassungen und für eine Kalibrierung des Erfassungsgerät erwähnt.
Eine Erfassung von Teilentladungen unter Verwendung von induktiven Sensoren, wird, basierend auf Rogowski-Spulen in den Fortschritten bzw. Proceedings des 1987 abgehaltenen internationalen Symposiums über Hochspannungstechnik, Vol. 2 Artikel Nr. 02, H. Borsi; M Hartje: "Application of Rogowski coils for Partial Discharge (PD), decoupling and noise suppression", beschrieben.
Die US-P-4,897,607 beschriebt ein Verfahren zum Detektieren bzw. Erkennen und Lokalisieren von Fehlern bzw. Fehlfunktionen in elektrischen Anlagen, insbesondere von Generatoren oder Energieerzeugungsstationsblöcken, worin einer Teilentladungserfassungen und Hochfrequenzerfassungen an einer oder mehreren Stellen in der elektrischen Anlage und möglicherweise für alle Phasen ausgeführt werden, wobei die Erfassungswerte miteinander oder mit Kalibrierungssignalen verglichen werden, und wobei Folgerungen daraus hinsichtlich der Stelle und des Fehlertyps gezogen werden. Das vorgeschlagene Verfahren erfordert ein Erfassen von Werten von mindestens drei Erfassungspunkten, Simulation von Fehlern in einem Computermodell und schließlich, Vergleichen der Erfassungswerte miteinander, einschließlich akustischer Werte mit dem Ergebnis von bzw. der Ergebnisform der Simulation.
Das Auftreten von Teilentladungen in einer Hochspannungsvorrichtung stellt häufig ein Anzeichen für einen sich entwickelnden Fehler dar.
Ein Leistungswandler stellt gewöhnlich eine entscheidende Komponente in einem Energie- bzw. Leistungsnetz dar. Ein umfangreicher Fehler in einem Transformator kann lange Unterbrechungen und umfangreiche Reparaturen bewirken. Folglich besteht der Wunsch so früh wie möglich Zustände bzw. Stadien festzustellen, die zu Fehlern führen können. Ein Energiewandler bzw. -transformator ist häufig bei dessen Hochspannungs-Durchführungen mit einem kapazitiven Prüfabgriff ausgerüstet, der als ein kapazitiver Entkoppler verwendet werden kann. Folglich besteht die Möglichkeit eine herkömmliche Erfassung von Teilentladungen ebenfalls unter normalen Betriebsbedingungen auszuführen.
Ein Problem sind die Störungen, die durch umgebende Vorrichtungen und Verbindungen erzeugt werden, die während einer Erfassung in einer Prüfkammerumgebung verglichen mit einer Erfassung in einer Transformatorstation entstehen. Um diese äußeren Störungen zu bewältigen, wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen und versucht, wie beispielsweise PRPDA und Mustererkennung unter Verwendung neuronaler Netzwerke, siehe beispielsweise Beschreibungen in IEE Proc. Science Measurement and Technology, Vol. 142, Nr. 1, Jan. 1995, S. 22–28, B. A. Fruth, D. W. Gross: "Partial discharge signal generation transmission and acquisition" und in IEE Proc. Science Measurement and Technology; Vol. 142, Nr. 1, Jan. 1995, S. 69–74, H. Borsi, E. Gockenbach, D. Wenzel: "Separation of partial discharges from pulse-shaped noise signals with the help of neural networks". Beide dieser Verfahren basieren auf dem Erlernen von typischen Signalmustern. Bei einer Analyse gemäß dem PRPDA-Verfahren werden Daten über eine bestimmte Zeitdauer gesammelt, woraufhin das Muster für diese Daten mit Muster für bekannte Entladungen verglichen wird. Neuronale Netzwerke lernen die Welleform für bestimmte spezifische Typen von Entladungen zu erkennen. Für beide dieser Verfahren wird die Entkopplung der Teilentladungen in einer herkömmlichen Art und Weise ausgeführt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin ein verbessertes Verfahren der Art bereitzustellen, das in dem Einführungsteil der Beschreibung beschrieben wurde, das eine Trennung von internen Teilentladungen in dem Transformator von äußeren Störungen möglich macht und das sowohl an vorhandenen als auch neuen Transformatoren verwendet werden kann und eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens.
Die Eigenschaften eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung werden aus den beigefügten Ansprüchen klar werden.
Die Vorrichtung ist kostengünstig, verlässlich und einfach auf sowohl vorhandene als auch neue Transformatoren anwendbar und kann ebenfalls zusammen mit mehr hoch entwickelten bzw. fortgeschrittenen Erfassungssystemen, wie beispielsweise PRPDA verwendet werden, und wird die Leistung davon verbessern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird durch die Beschreibung von Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlicher dargelegt werden, worin
1 schematisch einen Teil eines Leistungstransformators mit einer Hochspannungs-Durchführung und eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
2–4 Signalformen für Ausgangssignale von einer Vorrichtung zeigen,
5–8 weitere Signalformen für Ausgangssignale von einer Vorrichtung zeigen,
9a schematisch einen Teil eines induktiven Sensors zeigt,
9b schematisch eine Seitenansicht einer Hochspannungs-Durchführung mit einer Lage der induktiven Sensoren zeigt,
9c schematisch eine Endansicht bzw. Schnittansicht einer Hochspannungs-Durchführung gemäß 10b zeigt, und
10 eine Signal-Anpassungs-Einheit in der Form eines Blockdiagramms zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung bezieht sich sowohl auf das Verfahren als auch die Vorrichtung.
1 zeigt einen Teil eines elektrischen Leistungstransformators 1 mit einer Hochspannungs-Durchführung 2. Eine Signal-Anpassungs-Einheit 3 ist dicht bzw. lückenlos zu dem Transformator an der Hochspannungs-Durchführung angeordnet und ist durch einen Kondensator 4 mit einem kapazitiven Prüfabgriff bzw. -anschluss (.CSENS) 5 verbunden. Ein induktiver Sensor (.ISENS) 6, der ausführlicher nachfolgend beschrieben wird und zwei Spulen 6a, 6b umfasst, ist ebenfalls durch Kondensatoren 7a, 7b mit der Signal-Anpassungs-Einheit verbunden. Der Sensor ist an dem unteren Teil der Hochspannungs-Durchführung, unmittelbar oberhalb eines Flansches 8 angeordnet, durch welchen die Durchführung in den Transformator durchgeführt wird.
Der induktive Sensor basiert auf dem Prinzip einer Rogowski-Spule, wurde jedoch modifiziert, um eine ausreichende Empfindlichkeit zu erhalten und um die Montage und die Herstellung zu erleichtern. Der induktive Sensor umfasst folglich (9a, 9b, 9c) zwei relativ kurze Spulen 6a, 6b, die gegenseitig durch einen Kondensator 7c in Reihe geschaltet sind. Jede der Spulen, von denen eine in 9a gezeigt wird, ist auf einen magnetischen Kern 61a, 61b gewickelt und wobei die zwei Spulen anschließend miteinander in Reihe geschaltet werden. 8a zeigt eine Gestaltung der Spulen und 9b und 9c zeigen eine bevorzugte Lage davon. Um Störungen zu unterdrücken werden die zwei Spulen einander gegenüberliegend an der Hochspannungs-Durchführung angebracht und daran, beispielsweise, durch Kleben, befestigt.
Der kapazitive Prüfabgriff der Hochspannungs-Durchführung wird als ein kapazitiver Sensor verwendet.
Der Signal-Anpassungs-Einheit (10) werden von dem entsprechenden induktiven Sensor (.ICENS) 6 und von dem kapazitiven Prüfabgriff (.CSENS) 5 Signale bereitgestellt. Die Signal-Anpassungs-Einheit umfasst zwei Anpassungsschaltungen (ADP) 91, 92, um die entsprechenden Signale auf das/den gegenseitige(n) Niveau bzw. Pegel anzupassen und um auf ein geeignetes Signalniveau zu verstärken. Die Anpassung wird durch passive Schaltungselemente mit resistiven, induktiven und kapazitiven Impedanzen ausgeführt. Jedes Ausgangssignal von den entsprechenden Anpassungsschaltungen wird dann einem unterschiedlichen Bandpassfilter 101, 102 zugeführt bzw. bereitgestellt, wobei die Bandpassfilter auf die Resonanzfrequenz der Spulen abgestimmt sind. Die Resonanzfrequenz wurde so gewählt, dass das/der beste(n) Signal/Rauschen-Verhältnis bzw. Störabstand erreicht wird.
Die Ausgangssignale von dem entsprechenden Bandpassfilter werden jeweils einem Verstärkungsmittel (AMP) 111, 112 bereitgestellt, und wobei die Ausgangssignale davon einem Multipliziermittel 12 bereitgestellt werden, in dem die zwei Signale miteinander multipliziert werden. Das Ausgangssignal von dem Multiplizierer ist abhängig von dem Ursprung der Entladung entweder positiv oder negativ.
Das Erfassungsprinzip basiert auf einem Bestimmen der Polarität einer Teilentladung mit der Hilfe des Ausgangssignals von dem kapazitiven Prüfabgriff, wohingegen die Richtung des Strompulses, die mit der Entladung assoziiert ist, mit der Hilfe des Ausgangssignals von dem induktiven Sensor bestimmt wird. Folglich kann beim Abtasten des durch die Teilenetladung erzeugten elektrischen als auch des magnetischen Feldes die Richtung des Leistungsflusses der Entladung bestimmt werden, und wobei das Ausgangssignal von dem Multipliziermittel, abhängig von wo die Entladung erzeugt wurde, entweder negativ oder positiv ist. Entladungen außerhalb des Transformators werden mit positiven Signalen korrespondieren, oder umgekehrt, abhängig davon wie die Spulen in dem induktiven Sensor gewickelt sind. Die Begrenzungslinie für diese Polaritätsumkehr ist die Lage bzw. Stelle, an der die Spulen, normalerweise an der Basis der Durchführung, angelegt sind.
Die Ausgangssignale von den Multipliziermitteln werden einem Scheitelwert-Detektor (PD) 13 bereitgestellt, der lediglich positive Signale weiterleitet. Das Ausgangssignal von dem Scheitelwert-Detektor wird anschließend einer Hüllkurvenschaltung (ENV) 14 bereitgestellt, die die Verzögerungszeit für dessen Eingangssignal erweitert. Die Amplitude des Ausgangssignals von der Umschlagsschaltung ist auf das Niveau der internen Entladung bezogen, so dass ein ansteigendes Niveau einer internen Entladung zu einem erhöhten Wert des Ausgangssignals der Umschlagsschaltung führt. Dieses Ausgangssignal wird über eine Wandlerschaltung (CONV) 15, die das Ausgangssignal von der Umschlagsschaltung in einen entsprechenden Gleichstrom PDI wandelt, einem Datenerfassungssystem (DAQ) 16 bereitgestellt, das außerhalb der Signal-Anpassungs-Einheit angeordnet vorliegt. Der Gleichstrom PDI von der Signal-Anpassungs-Einheit zu dem Datenerfassungssystem wird folglich der Menge interner Entladung entsprechen. Der Gleichstrom wird in dem Datenerfassungssystem mit einem bestimmten Alarmniveau verglichen, der in die Datenerfassungseinheit programmiert ist, und wobei ein Alarm als ein Anzeichen eines abnormalen Zustands bzw. Stadiums in dem Leistungstransformator darstellt und dass eine sorgfältige Untersuchung unternommen werden sollte. Weitere Untersuchungen können beispielsweise mit bestimmten zur Verfügung stehenden Diagnosewerkzeugen ausgeführt werden; siehe beispielsweise für einen Überblick, Proceedings der 1995 Stockholm Energietechnologie-Konferenz (Power Tech Conference). C. Bengtsson: "Status and trends in Transformer Monitoring".
Das beschriebene Sensorsystem kann ebenfalls, beispielsweise PRPDA diagnostische Erfassungen verbessern.
Das beschriebene richtungsempfindliche Zwei-Sensor-System zum Abtasten von Teilentladungen zeigte, während der Labortests eine gute bzw. gültige Leistung bzw. Eigenschaft interne Entladungen von äußeren zu unterscheiden. Dies wurde während einer Felderfassung bestätigt, die an einem 100 MVA-Transformator ausgeführt wurde.
2–4 und 5–8 zeigen typische Signalformen für Ausgangssignale von der Signal-Anpassungs-Einheit, wobei die Zeit t an der horizontalen Achse und die Amplitude PDI des Ausgangssignals auf der vertikalen Achse dargestellt sind.
Die 2–3 zeigen Signalformen, die in einer Prüfraumumgebung mit den Sensoren beobachtet wurden, die einer separaten Hochspannungs-Durchführung angelegt wurden, die mit einem kapazitiven Prüfabgriff bereitgestellt war. Die Entladungen wurden simuliert, indem gemäß der ICE Veröffentlichung 270 beiden Seiten der Durchführung positive als auch negative Kalibrierungspulse bereitgestellt wurden. 2 zeigt das Ausgangssignal in dem Fall eines außen angelegten Kalibrierungspulses, und 3 zeigt das Ausgangssignal in dem Fall eines intern angelegten Kalibrierungspulses. Wie aus den Figuren klar werden wird, kann das System, dadurch dass äußere Entladungen zu einem negativen Ausgangssignal führen und eine interne Entladung zu einem positiven Ausgangssignal führt interne Entladungen klar von äußeren unterschieden.
Diese Vorzeichenkonvention gilt ebenfalls für 4 und 5–8.
4 zeigt mit den Sensoren beobachtete Signalformen, die an einen Labortransformator angelegt wurden. Äußere Störungen werden mittels eines Spitzenplattenspalts, der mit einem Hochspannungsniveau verbunden ist, simuliert, wobei die Figur eine äußere Störung (Korona) sowohl für eine halbe Periode (niedrige Horizontalachse) als auch mit einer höheren Auflösung bezüglich der Zeit (obere Horizontalachse) zeigt.
Die 5–8 zeigen Signalformen, die in dem Feld mit den Sensoren beobachtet wurden, die an einen 130/50 kV 100 MVA Transformator angelegt wurden, der mit kapazitiven Prüfabgriffen an den Hochspannungs-Durchführungen bereitgestellt wurde. Der Transformator zeigte vorher bzw. bisherig kein Anzeichen von Teilentladungen.
5 zeigt Signalformen, die mit den an Phase 1 und Phase 2 angelegten Sensoren, und mit einem an Phase 2 angelegten Kalibrierungspuls beobachtet wurden. Wie aus der Figur klar wird, wird ein Ausgangssignal mit einer negativen Polarität (untere Horizontalachse) beobachtet. Wegen der kapazitiven Entkopplung zwischen den Phasen führt der Kalibrierungspuls ebenfalls in Phase 1 (obere Horizontalachse) zu einem Ausgangssignal.
Die 6–8 zeigen Signalformen, die mit dem Transformator beobachtet werden, der mit einer 130 kV Leitung verbundenen und mit bzw. bei dem die 50 kV Seite offen ist.
6 zeigt typische Signalformen mit einer hohen Auflösung gegenüber der Zeit, die in Phase 2 mit einer Anzahl von Entladungen beobachtet werden.
7 zeigt typische Signalformen, die über eine gesamte Periode in Phase 2 (obere Horizontalachse) und Phase 1 (untere Horizontalachse) beobachtet werden.
Für beide Phasen ist das Entladungsprofil ziemlich ähnlich und es werden lediglich negative Signale detektiert. Dies deutet daraufhin, dass keine internen Entladungen auftreten und es kann angenommen werden, dass die beobachteten Ausgangssignale durch äußere Störungen (hauptsächlich Korona) von Verbindungen und dem verbundenen Schalteinrichtung bewirkt werden.
Eine akustische Erfassung von Teilentladungen PD wurde parallel zu der elektrischen Erfassung ausgeführt. Es wurden keine akustischen Signale beobachtet, die interne Defekte andeuten.
8 zeigt typische Signalformen, die während des Betriebs des Stufenschalters des Transformators beobachtet werden. Die positiven Teile des Ausgangssignals deuten auf interne Einschaltstöße. Die Signale, die durch den Betrieb des Stufenschalters bewirkt werden, sind um mehrere Größenordnungen größer als jene Signale von Teilentladungen, die die Vorrichtung abtasten wird. Aus diesem Grund sind die Verstärker gesättigt und es tritt eine assoziierte Phasenverschiebung auf. Dies ist der Grund für die negativen Werte des Ausgangssignals in 8.
Die 5–8 zeigen, dass das System ebenfalls unter Feldbedingungen zwischen internen und äußeren Entladungen unterscheiden kann.
Der induktive Sensor muss nicht notwendiger Weise in der Form von zwei in Reihe geschalteten Spulen gestaltet sein, kann jedoch als eine einzelne Spule gestaltet sein. Die kapazitiven Prüfabgriffe der Hochspannungs-Durchführungen des Transformators können vorzugsweise als kapazitive Sensoren verwendet werden, wobei jedoch ebenfalls andere Sensoren zum Abtasten der mit dem elektrischen Feld assoziierten Teilentladung verwendet werden können.
Die Prüfergebnisse zusammen mit der Einfachheit, den niedrigen Kosten und der Einfachheit einer Montage des Sensorsystems zeigen, dass die Erfindung für ein direkt angeschlossenes Überwachen von sowohl neuen als auch vorhandenen Leistungstransformatoren geeignet ist.

Claims

Verfahren zum Überwachen von Teilentladungen in einem elektrischen Leistungstransformator (1), der unter normalen Betriebsbedingungen läuft, umfassend die Schritte: Messen eines Magnetfelds an einer Hochspannungs-Durchführung (2) an dem Leistungstransformator mit einem induktiven Sensor (6), der mindestens eine Spule (6a, 6b) umfasst, die an der Hochspannungs-Durchführung angeordnet ist; Messen eines elektrischen Felds an der Hochspannungs-Durchführung mit einem kapazitiven Sensor (5); Zuführen von Ausgangssignalen von dem induktiven Sensor und dem kapazitiven Sensor an eine Signal-Anpassungs-Einheit (3), in der jedes Ausgangssignal in einem separaten Bandpassfilter (101, 102) gefiltert wird; Multiplizieren der gefilterten Ausgangssignale miteinander; Bilden eines PDI-Ausgangssignals, das der internen Teilentladung in dem Transformator entspricht, mit der Signal-Anpassungs-Einheit, in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Multiplikation, um interne Teilentladungen in dem Transformator zu erkennen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der kapazitive Sensor einen kapazitiven Prüfabgriff (5) an der Hochspannungsdurchführung einschließt.
Vorrichtung zum Überwachen von Teilentladungen in einem elektrischen Leistungstransformator (1), der unter normalen Betriebsbedingungen läuft, umfassend: einen induktiven Sensor (6), der mindestens eine Spule (6a, 6b) einschließt, die an einer Hochspannungs-Durchführung (2) an dem Leistungstransformator angeordnet ist; einen kapazitiven Sensor (5), der an der Hochspannungs-Durchführung angeordnet ist; und dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter umfasst: eine Signal-Anpassungs-Einheit (3) zum Empfangen von Ausgangssignalen von dem induktiven Sensor und dem kapazitiven Sensor, und zum Bilden eines PDI-Ausgangssignals, das dem Ausmaß der internen Teilentladung in dem Transformator entspricht, wobei die Signal-Anpassungs-Einheit (3) Bandpassfilter (101, 102) zum Filtern der Ausgangssignale des induktiven Sensors und des kapazitiven Sensors einschließt, wobei die Signal-Anpassungs-Einheit außerdem einen Multiplizierer (12) zum Multiplizieren von Signalen von den jeweiligen Bandpassfiltern miteinander und zum Erzeugen des PDI-Ausgangssignals in Abhängigkeit des Ergebnisses der Multiplikation einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der induktive Sensor zwei gegenseitig in Reihe geschaltete Spulen (6a, 6b) umfasst, die einander gegenüberliegend an der Hochspannungs-Durchführung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei der kapazitive Sensor einen kapazitiven Prüfabgriff (5) an der Hochspannungs-Durchführung einschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Signal-Anpassungs-Einheit einen Scheitelwert-Detektor (13) zum Empfangen eines Signals von dem Multiplizierer und Senden von Signalen nur mit einer vorbestimmten Polarität einschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Signal-Anpassungs-Einheit einen Wandler-Schaltkreis (15) zum Wandeln eines Signals von dem Multiplizierer in einen dem Signal entsprechenden Gleichstrom einschließt.