EP1465221B1 - Anordnung für ein Überwachungssystem für Stufenschalter - Google Patents
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- H01H2009/0061—Monitoring tap change switching devices
Definitions
- the invention relates to a monitoring system for tap changers, in which the load switching takes place in each phase to be switched by means of at least one vacuum interrupter.
- a monitoring and safety system - in analogy to monitoring mechanical contacts under oil - in many cases be useful, which ensures that in case of failure, if a vacuum interrupter when switching to If another stage does not open in time or does not open at all and the taps can not be changed without power, an actuation becomes impossible.
- a non-opening vacuum interrupter there is strong arcing on the mechanical contacts, resulting in increased burnup of these contacts.
- faults in the on-load tap-changer may occur, but in any case a critical operating state which should be avoided.
- the mentioned DE 40 09 038 A1 describes such a monitoring system, which has become known as "monitoring system", for tap changer of the reactor switch type.
- a current transformer is in each case arranged in the power supply of each vacuum interrupter, which supplies an output voltage for a respective transmitting diode (LED) of an optical waveguide.
- the current transformers report via the respective optical waveguides, at the end of which light receivers are located, whether or not there is a current flow in the respective branch.
- certain control times are provided.
- the object of the invention is therefore to avoid the disadvantages of the known monitoring system and to provide such a generic system that allows a non-contact monitoring of the respective vacuum interrupter from the outside.
- the surface acoustic wave used in this invention (A kustician O bermati w Ellen-) sensors, as a SAW (S urface A Custic W ave) sensors referred to, are known per se. So far, however, the proposal has not yet been made or attempted to use it appropriately on tap changers.
- Known SAW sensors usually consist of a LiNbO 3 substrate, which is arranged in a metal or ceramic housing, as used for integrated circuits. Such a sensor can be wirelessly read by radio; the propagation losses on the AOW sensor are extremely low, and the sensor does not require a power supply for signal processing.
- an interrogation unit is required for the radio interrogation.
- An oscillator of this interrogation unit radiates high-frequency pulses in the frequency range between 100 MHz and 3 GHz via an antenna.
- the AOW sensor itself contains an interdigital transducer connected to an antenna and, in many cases, several reflectors.
- the interdigital transducer usually comb-shaped, is excited by the received high-frequency electromagnetic pulse, and a surface acoustic wave is generated via the piezoelectric effect. This surface wave is partially reflected at the reflectors so that it again reaches the interdigital transducer. There, it is reconverted and radiated via the antenna of the AOW sensor and can be received by the interrogation unit.
- the pulse train emitted by the AOW sensor which is received by the interrogation unit, initially contains, as information, a specific specific bit pattern of the sensor which serves to identify it.
- a single interrogation unit can thus receive the information from a plurality of different AOW sensors and assign it to the individual sensors.
- a change in a relevant physical quantity at the sensor leads to a change in the speed of the described surface wave propagating on the sensor or also to a change in the geometric distance of the reflectors. This results in a change in the pulse duration, which is detected and evaluated in the interrogator and allows conclusions about the corresponding physical variable or its change in the environment of the respective AOW sensor.
- Such an AOW sensor is described in detail in WO 96/33423 of SIEMENS AG.
- FIG. 1 shows the schematic structure of a monitoring device according to the invention.
- the oil vessel 1 of a tap changer is indicated, in which there are three vacuum interrupters V1 ... V3 - for each phase U, V, W a vacuum interrupter is provided in this example.
- the invention is not limited to such an arrangement; the monitoring device according to the invention is suitable for any electrical circuit of tap changers with any number of such vacuum interrupters per phase. It should be checked at certain times, the status of the vacuum interrupters V1 ... V3, d. H. to determine if they have actually opened. If this is not the case in the event of a fault, a current flows in the corresponding branch.
- an AOW sensor S1... S3 is provided in the region of each vacuum interrupter.
- These SAW sensors do not require a separate power supply, as discussed above.
- a query unit 2 which has an oscillator and an antenna.
- the oscillator emits high-frequency pulses through the antenna towards the SAW sensors S1 ... S3.
- they produce a surface acoustic wave which, after having been reflected by the reflectors within the respective sensor, is radiated back again and received by the interrogation unit 2.
- the high-frequency radiation emitted by the scanning unit 2 is indicated by a dashed line. The radiation transmitted back from the individual SAW sensors S1...
- S3 is shown in each case by dotted lines; the different puncturing is intended to indicate the specific bit pattern that allows the interrogation unit 2 a sensor-specific assignment. If a current flows through the respective branch in the event of a fault in which one of the vacuum interrupters is not opened at the corresponding interrogation time, the electromagnetic field in the respective conductor influences the speed of the surface wave propagating on the respective sensor and leads to a change in the pulse transit time. This changed pulse transit time of the signal emitted by the corresponding sensor is detected by the interrogation unit 2, assigned as error information to the respective sensor and given as information to the monitoring unit 3 known from the prior art.
- a detection logic # 1 which is a system error of the monitoring system detects
- a recognition logic # 2 which detects a possible failure of a vacuum interrupter V1 ... V3.
- indications K1... K3 will always signal a malfunction of the corresponding vacuum interrupter V1... V3 if, at the time of checking, when all vacuum interrupters are open, current flow is reported in this phase.
- Another display K4 gives a signal if there is a system error.
- the invention thus no longer requires any connection by means of optical fibers or other transmission media from the interior of the tap changer to the outside.
- the interrogation unit 2 and the monitoring unit 3 can rather be arranged outside of the tap changer 1, for example in the region of the motor drive or elsewhere.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Überwachungssystem für Stufenschalter, bei denen die Lastumschaltung in jeder zu schaltenden Phase mittels mindestens einer Vakuumschaltröhre erfolgt.
- Eine solche Anordnung ist aus der DE 40 09 038 A1 bereits bekannt.
- Bei Stufenschaltern, bei denen statt herkömmlicher mechanischer Kontakte zur Lastumschaltung Vakuumschaltröhren Anwendung finden, kann ein Überwachungs- und Sicherheitssystem - in Analogie zur Überwachung mechanischer Kontakte unter Öl - in vielen Fällen sinnvoll sein, das gewährleistet, dass im Fehlerfall, wenn eine Vakuumschaltröhre beim Umschalten auf eine andere Stufe nicht rechtzeitig bzw. gar nicht öffnet und der Wechsel der Anzapfungen damit nicht leistungslos erfolgen kann, eine Betätigung unmöglich wird. In einem solchen Fall einer nicht öffnenden Vakuumschaltröhre kommt es zu starker Lichtbogenbildung an den mechanischen Kontakten, was erhöhten Abbrand an diesen Kontakten zur Folge hat. Beim oftmaligen Schalten unter Lichtbogen kann es in der Folge zu Störungen am Stufenschalter, auf alle Fälle jedoch zu einem kritischen Betriebszustand kommen, der vermieden werden sollte.
- Die erwähnte DE 40 09 038 A1 beschreibt ein solches Überwachungssystem, das als "Monitoringsystem" bekannt geworden ist, für Stufenschalter des Reaktorschalter-Typs.
- Bei diesem bekannten Überwachungssystem ist in der Stromzuführung jeder Vakuumschaltröhre jeweils ein Stromwandler angeordnet, der eine Ausgangsspannung für jeweils eine Sendediode (LED) eines Lichtwellenleiters liefert. Die Stromwandler melden dabei über die jeweiligen Lichtwellenleiter, an deren Ende sich Lichtempfänger befinden, ob im jeweiligen Zweig ein Stromfluss vorhanden ist oder nicht. Dafür sind bestimmte Kontrollzeitpunkte vorgesehen. So wird in dem Zeitpunkt des Bewegungsablaufes bei jeder Betätigung des Stufenschalters, in dem die Vakuumschaltröhren gerade geöffnet haben, jedoch die leistungslose Bewegung des Stufenwählers noch nicht begonnen hat, der Status der Vakuumschaltröhre geprüft. Tritt zu diesem Zeitpunkt in einer der zu schaltenden Phasen ein Stromfluss auf, deutet dies auf eine defekte - weil nicht geöffnete - Vakuumschaltröhre hin, und es wird eine phasenbezogene Fehlermeldung generiert.
- Dieses Überwachungssystem hat sich bewährt und ist seit vielen Jahren bei den von der Reinhausen Manufacturing Inc., USA hergestellten Stufenschaltern vom Typ "RMV" im Einsatz. Ein gewisser Nachteil dieses Systems besteht jedoch darin, dass die beschriebene Statusinformation über die jeweils zu überwachende Vakuumschaltröhre, die mittels Stromwandlern erfolgt, über jeweils einen Lichtwellenleiter nach außen geführt werden muss. Die beschriebenen Lichtwellenleiter müssen also durch das ölgefüllte Innere des Stufenschalters geführt werden, was nicht nur die dielektrische Spannungsfestigkeit mindert, sondern auch spezielle Abdichtungen erfordert.
- Aufgabe der Erfindung ist es demnach, die Nachteile des bekannten Überwachungssystemes zu vermeiden und ein solches gattungsgemäßes System anzugeben, das eine berührungslose Überwachung der jeweiligen Vakuumschaltröhre von außen gestattet.
- Diese Aufgabe wird durch ein Überwachungssystem mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.
- Die erfindungsgemäß verwendeten AOW(Akustische Oberflächenwellen-)Sensoren, auch als SAW(Surface Acustic Wave)-Sensoren bezeichnet, sind an sich bekannt. Bisher jedoch ist noch nicht der Vorschlag gemacht oder der Versuch unternommen worden, sie auf geeignete Weise an Stufenschaltern einzusetzen. Bekannte AOW-Sensoren bestehen üblicherweise aus einem LiNbO3-Substrat, das in einem Metall- oder Keramikgehäuse, wie es für integrierte Schaltkreise verwendet wird, angeordnet ist. Ein solcher Sensor lässt sich über Funk drahtlos auslesen; die Ausbreitungsverluste auf den AOW-Sensor sind äußerst gering, und der Sensor benötigt keine Energieversorgung für die Signalverarbeitung. Zur Funkabfrage ist neben dem eigentlichen AOW-Sensor, der sich am Messort befindet, eine Abfrageeinheit erforderlich. Von einem Oszillator dieser Abfrageeinheit werden hochfrequente Impulse im Frequenzbereich zwischen 100 MHz und 3 GHz über eine Antenne abgestrahlt. Auf dem AOW-Sensor selbst befinden sich ein mit einer Antenne verbundener Interdigitalwandler sowie in vielen Fällen mehrere Reflektoren. Der Interdigitalwandler, üblicherweise kammförmig ausgebildet, wird durch den empfangenen hochfrequenten elektromagnetischen Impuls angeregt, und es wird über den piezoelektrischen Effekt eine akustische Oberflächenwelle erzeugt. Diese Oberflächenwelle wird an den Reflektoren teilweise reflektiert, so dass sie wieder den Interdigitalwandler erreicht. Dort wird sie zurückgewandelt und über die Antenne des AOW-Sensors abgestrahlt und kann von der Abfrageeinheit empfangen werden. Die vom AOW-Sensor abgestrahlte Impulsfolge, die von der Abfrageeinheit empfangen wird, enthält zunächst einmal als Information ein bestimmtes spezifisches Bitmusters des Sensors, das zu dessen Identifizierung dient. Eine einzige Abfrageeinheit kann also die Informationen von einer Vielzahl verschiedener AOW-Sensoren empfangen und den einzelnen Sensoren zuordnen. Zum anderen führt eine Änderung einer relevanten physikalischen Größe am Sensor zu einer Geschwindigkeitsveränderung der beschriebenen, sich auf dem Sensor ausbreitenden Oberflächenwelle oder auch zur Veränderung des geometrischen Abstandes der Reflektoren. Daraus ergibt sich eine Änderung der Impulslaufzeit, die im Abfragegeräte erfasst und ausgewertet wird und Rückschlüsse auf die entsprechende physikalische Größe bzw. deren Änderung im Umfeld des jeweiligen AOW-Sensors gestattet. Ein solcher AOW-Sensor ist ausführlich in der WO 96/33423 der SIEMENS AG beschrieben.
- Aus der WO 96/33417 der gleichen Anmelderin ist es auch bereits bekannt, einen solchen AOW-Sensor zur Stromstärkemessung an auf Hochspannung liegenden elektrischen Einrichtungen zu verwenden. Bei dieser Anwendung nach Art eines Stromwandlers ist ein magneto-sensitives Element vorgesehen, das mit den Oberflächenwellenstrukturen gekoppelt ist. Eine solche per se bekannte Anordnung kann besonders vorteilhaft für eine erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung verwendet werden.
- Nachfolgend soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert werden. Die Figur zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung. Im oberen Bereich ist das Ölgefäß 1 eines Stufenschalters angedeutet, in dem sich drei Vakuumschaltröhren V1... V3 befinden - für jede Phase U, V, W ist in diesem Beispiel eine Vakuumschaltröhre vorgesehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt; die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eignet sich für jede beliebige elektrische Schaltung von Stufenschaltern mit jeder beliebigen Zahl von solchen Vakuumschaltröhren pro Phase. Es soll hierbei zu bestimmten Zeitpunkten der Status der Vakuumschaltröhren V1... V3 überprüft, d. h. festgestellt werden, ob sie tatsächlich geöffnet haben. Ist dies im Fehlerfall nicht der Fall, fließt im entsprechenden Zweig ein Strom. Zur Erfassung dieses Stromes ist jeweils im Bereich jeder Vakuumschaltröhre ein AOW-Sensor S1...S3 vorgesehen. Diese AOW-Sensoren erfordern, wie weiter oben bereits dargestellt, keine separate Energieversorgung. Außerhalb des Ölgefäßes 1 des Stufenschalters befindet sich eine Abfrageeinheit 2, die einen Oszillator und eine Antenne aufweist. Der Oszillator strahlt hochfrequente Impulse über die Antenne hin zu den AOW-Sensoren S1...S3. Dort erzeugen sie auf an sich bekannte Weise eine akustische Oberflächenwelle, die, nachdem sie von den Reflektoren innerhalb des jeweiligen Sensors reflektiert worden ist, wieder zurück abgestrahlt und von der Abfrageeinheit 2 empfangen wird. Die von der Abfrageinheit 2 ausgesandte hochfrequente Strahlung ist durch eine Strichlinie angedeutet. Die von den einzelnen AOW-Sensoren S1...S3 zurück übermittelte Strahlung ist jeweils durch Punktlinien dargestellt; die unterschiedliche Punktierung soll dabei auf das spezifische Bitmuster hinweisen, das der Abfrageeinheit 2 eine sensorspezifische Zuordnung gestattet. Fließt im Fehlerfall, bei dem eine der Vakuumschaltröhren zum entsprechenden Abfragezeitpunkt nicht geöffnet ist, ein Strom durch den entsprechenden Zweig, so beeinflusst das elektromagnetische Feld im jeweiligen Leiter die Geschwindigkeit der sich auf dem jeweiligen Sensor ausbreitenden Oberflächenwelle und führt zu einer Änderung der Impulslaufzeit. Diese geänderte Impulslaufzeit des vom entsprechenden Sensor abgestrahlten Signales wird von der Abfrageeinheit 2 erfasst, als Fehlerinformation dem jeweiligen Sensor zugeordnet und als Information an die aus dem Stand der Technik bekannte Überwachungseinheit 3 gegeben.
- Zu bestimmten, von der Schaltbewegung des Stufenschalters gesteuerten Kontrollzeitpunkten, zu denen jeweils einer von zwei Synchronkontakten RSW-1 oder RSW-2 betätigt wird, erfolgt ein Signalvergleich in einer Erkennungslogik # 1, die einen Systemfehler des Überwachungssystems erkennt, bzw. in einer Erkennungslogik # 2, die einen etwaigen Ausfall einer Vakuumschaltröhre V1...V3 erkennt. Im Ergebnis dieses Vergleichs melden Anzeigen K1...K3 immer dann eine Störung der entsprechenden Vakuumschaltröhre V1...V3, wenn zum Überprüfungszeitpunkt, zu dem alle Vakuumschaltröhren geöffnet sein sollten, in dieser Phase ein Stromfluss gemeldet wird. Eine weitere Anzeige K4 gibt ein Signal, wenn ein Systemfehler vorliegt.
- Durch die Erfindung ist damit keinerlei Verbindung mehr mittels Lichtleitern oder anderen Übertragungsmedien vom Inneren des Stufenschalters nach außen erforderlich. Die Abfrageeinheit 2 als auch die Überwachungseinheit 3 können vielmehr außerhalb des Stufenschalters 1, beispielsweise im Bereich des Motorantriebes oder an anderer Stelle, angeordnet werden.
Claims (1)
- Anordnung für ein Überwachungssystem zur Erfassung des Stromflusses an einem mit Vakuumschaltröhren zur Lastumschaltung arbeitenden Stufenschalter,
dadurch gekennzeichnet,
dass in jeder zu schaltenden Phase des Stufenschalters im Bereich jeder Vakuumschaltröhre (V1,..., V3) jeweils ein funkabfragbarer AOW-Sensor (S1,..., S3) zur berührungslosen Stromstärkemessung angeordnet ist,
dass außerhalb des Stufenschalters eine Abfrageeinheit (2) für die AOW-Sensoren (S1,..., S3) vorgesehen ist, die eine hochfrequente Strahlung aussenden als auch empfangen kann
und dass die Abfrageeinheit (2) mit einer Überwachungseinheit (3) elektrisch in Verbindung steht.
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