EP1649475B1 - Verfahren zur überwachung von isolieröl - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Verschmutzung von Isolieröl in Laststufenschaltern.
• Der größte Teil der derzeit kommerziell verfügbaren Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung unter Last zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators, oft auch kurz als "Stufenschalter" bezeichnet, arbeitet immer noch mit mechanischen Schaltkontakten in Isolieröl. Ein typischer Laststufenschalter dieser Gattung mit einem separaten Ölgefäß, in dem der sog. Lastumschalter angeordnet ist, ist in der Firmendruckschrift "Stufenschalter Typ M und MS" der Anmelderin, Druckimpressum VK03/93de-0793/2000 beschrieben.
• Bei jeder Betätigung der Lastumschalterkontakte eines solchen ölgefüllten Laststufenschalters entstehen kurzzeitige Lichtbögen im Isolieröl, die im Laufe der Zeit zu dessen Zersetzung und zur Rußbildung führen.
• Zur Reinigung des Isolieröles sind Ölfilteranlagen bekannt, z. B. aus der Firmendruckschrift der Anmelderin "Ölfilteranlage OF100", Druckimpressum IN173/01de-1099/1000, die einen Filtereinsatz besitzen, der das Isolieröl reinigt und gleichzeitig auch trocknen kann.
• Dennoch ist in bestimmten Abständen ein Wechsel des Isolieröles im Laststufenschalter erforderlich, zumal bei weitem nicht alle diese Laststufenschalter mit einer - als Sonderausrüstung lieferbaren - Ölfilteranlage ausgerüstet sind.
• Bisher ist kein befriedigendes Verfahren bekannt, nach dem zuverlässig ermittelt werden könnte, wann das Isolieröl tatsächlich gewechselt werden muss. In der Regel behelfen sich die Hersteller damit, dass sie ein Wechseln nach dem Erreichen fester Schaltzahlen vorschreiben; aus Sicherheitsals auch Produkthaftungsgründen sind dabei natürlich Reserven vorgesehen, so dass das Isolieröl oft noch nicht verbraucht ist, wenn es nach einem solch starren Schema gewechselt wird. Dies verursacht dem Betreiber unnötige Kosten.
• Weiterhin werden solche Isolieröl-Wechselintervalle auch nach bestimmten Zeiträumen, z. B. nach 8 Jahren, vorgeschrieben. Bei einer solch starren zeitlichen Festlegung bleiben natürlich die tatsächlich während dieses Zeitraumes absolvierten Schaltzahlen unberücksichtigt; für den Betreiber ist dies ebenfalls unbefriedigend.
• Zwar sind für andere Öle, insbesondere-Öle in Verbrennungsmotoren, zahlreiche Ölsensoren bekannt, die dort in der Ölwanne angeordnet sind und den Ölzustand feststellen sollen. Diese basieren auf den unterschiedlichsten physikalischen Prinzipien, sind jedoch sämtlich für Laststufenschalter nicht ohne weiteres anwendbar. Bei Verbrennungsmotoren sind Kriterien wie Viskosität, Schmierfähigkeit und Kühlungsfähigkeit wichtig zur Bewertung der Qualität des Öles, die bei Laststufenschaltern darüber hinaus besonders wichtigen dielektrischen bzw. Isoliereigenschaften hingegen spielen keine Rolle.
• Außerdem ist die Anordnung eines wie auch immer ausgebildeten Ölsensors im Laststufenschalter zum einen für eine Retrofit-Lösung prinzipiell ungeeignet, zum anderen wegen der erforderlichen elektrischen Anschlussleitungen vom Sensor im Inneren des Ölgefäßes nach außen schon aus Gründen der Spannungsfestigkeit unerwünscht und zudem nur kompliziert zu realisieren.
• Aus der Veröffentlichung HANDLEY B ET AL: "On load tap-changer conditioned based maintenance" IEE PROCEEDINGS: GENERATION, TRANSMISSION AND DISTRIBUTION, INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS, GB, Bd. 148, Nr. 4, 12. Juli 2001 (2001-07-12), Seiten 296-300, XP006016935 ISSN:1350-2360 ist ein Verfahren zur Überwachung der Verschmutzung von Isolieröl in Laststufenschaltern bekannt, wobei der Transformator-Laststrom während jeder Umschaltung, d. h. Betätigung des Laststufenschalters, gemessen wird und wobei ein Index bei jeder dieser Umschaltungen jeweils erhöht wird. In der Veröffentlichung ist beschrieben, dass nach einer bestimmten Zahl von Umschaltungen die potentionelle Gefahr einer Fehlfunktion des Laststufenschalters wächst. Weiterhin ist erwähnt, dass die Verschlechterung des Zustandes des Isolieröles des Laststufenschalters durch die bei der Umschaltung unvermeidlichen Lichtbögen verursacht wird. Ferner ist ausgeführt, dass der im Betrieb im Laufe der Zeit entstehende Kontaktabbrand aufsummiert, d. h. kumuliert werden kann. Überschreitet dieser kumulierte Wert einen bestimmten Grenzwert, ist eine Wartung erforderlich, was signalisiert werden kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren zur Überwachung des Isolieröles, d. h. der Bestimmung seines aktuellen Verschmutzungszustandes, in einem Laststufenschalter anzugeben.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, in einem Verfahren gemäß Anspruch 1 die bei einer Lastschaltung unter Öl frei gesetzte Lichtbogenenergie zur Bestimmung der Ölverrußung des Isolieröles zu verwenden und aus dem fortschreitenden Grad der auf diese Weise ermittelten Ölverschmutzung die Information über den erforderlichen Ölwechsel abzuleiten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet also lediglich eine gemessene elektrische Größe zur Bestimmung des Rußgehaltes; es erfordert mithin keinerlei zusätzliche Sensoren oder andere Bauteile im Inneren des Laststufenschalters.
• Das erfindungsgemäße Verfahren basiert, wie erläutert, auf der Lichtbogenenergie E, die bei einer Lastschaltung unter Öl frei gesetzt wird. Dabei zersetzt sich das Öl und erzeugt Ruß. Schalt- und Widerstandskontakte des Laststufenschalters tragen mit ihren unterschiedlichen Schaltströmen ihren jeweiligen - unterschiedlichen - Anteil dazu bei. Die einzelnen Schaltströme werden mit Hilfe des gemessenen aktuellen Transformator-Laststromes ermittelt. Dieser Laststrom ist die einzige variable Eingangsgröße, die gemessen werden muss.
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich allgemein die Lichtbogenenergie E bei jeder Betätigung des Laststufenschalters wie folgt: $$\mathrm{E}\mathrm{=}\mathrm{\Sigma J}\mathrm{\cdot }{\mathrm{U}}_{\mathrm{Lb}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{t}}_{\mathrm{Lb}}\mathrm{\cdot }\mathrm{AnzSek}\left[\mathrm{Ws}\right]$$

  
• Dabei ist $$\mathrm{\Sigma J}\mathrm{=}\left|{\mathrm{J}}_{\mathrm{SK}}\right|\mathrm{+}\left|{\mathrm{J}}_{\mathrm{WK}}\right|$$

  

  d. h., es werden zunächst bei jeder Lastschaltung jeweils die Beträge der Schaltströme sowohl für den Schaltkontakt als auch den Widerstandskontakt bzw. die Widerstandskontakte ermittelt.
• Dies geschieht für den Schaltkontakt nach der Beziehung $${\mathrm{J}}_{\mathrm{SK}}\mathrm{=}\frac{{\mathrm{J}}_{\mathrm{L}}}{\mathrm{ParSek}}$$

  

  und für den Widerstandskontakt etwa nach der Beziehung $${\mathrm{J}}_{\mathrm{WK}}\mathrm{=}\frac{{\mathrm{U}}_{\mathrm{S}}\mathrm{+}{\mathrm{J}}_{\mathrm{L}}\mathrm{\cdot }\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{0}}}{{\mathrm{s}}_{\mathrm{res}}}}{\mathrm{2}\mathrm{\cdot }{\mathrm{R}}_{\mathrm{0}}}$$

  
• Dabei bedeutet ParSek die Zahl der parallelen Sektoren des Lastumschalters, d. h. der Parallelschaltungen von einzelnen Schaltkontakten, U_S ist die jeweilige Nenn-Stufenspannung und S_res ist die resultierende Stromteilung. R₀ bezeichnet die Größe des Überschaltwiderstandes. Die genannten Größen sind sämtlich stufenschalterspezifisch und werden als Laststufenschalterparameter nicht flüchtig gespeichert, d. h. vor Verfahrensbeginn festgelegt.
• Die Berechnung der einzelnen Schaltströme mit Hilfe des gemessenen aktuellen Transformator-Laststromes an sich ist bereits aus der DE 100 03 918 C1 bekannt. Sie ist dort jedoch ein Verfahrensschritt für ein Verfahren zur volumenmäßigen Ermittlung des Kontaktabbrandes bzw. dessen Überwachung. Um eine wie auch immer geartete Überwachung des Zustandes von Isolieröl geht es in dieser Veröffentlichung nicht. Es hat sich jedoch überraschend gezeigt, dass die Berechnung der einzelnen Schaltströme erfindungsgemäß auch für die Überwachung des Rußgehaltes verwendet werden kann.
• Nachfolgend wird dann bei der Erfindung nach der o. a. Beziehung die bei der jeweiligen Lastschaltung auftretende Lichtbogenenergie E ermittelt: $$\mathrm{E}\mathrm{=}\mathrm{\Sigma J}\mathrm{\cdot }{\mathrm{U}}_{\mathrm{Lb}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{t}}_{\mathrm{Lb}}\mathrm{\cdot }\mathrm{AnzSek}\left[\mathrm{Ws}\right]$$

  
• Der Faktor AnzSek bezeichnet dabei die Anzahl der Lastumschaltersektoren bzw. Schaltsegmente. U_Lb bezeichnet die mittlere Lichtbogenspannung und t_Lb die mittlere Lichtbogenzeit. Diese Faktoren sind ebenfalls schalterabhängig und gehören zu den vorab nicht flüchtig gespeicherten Laststufenschalterparametern.
• Die jeweils ermittelten Lichtbogenenergien werden bei jeder Lastschaltung aufsummiert und ergeben die kumulierte Lichtbogenenergie GE, die mit einem vorab eingestellten und ebenfalls nicht flüchtig gespeicherten Wert GE_max verglichen wird; abhängig vom Vergleich können Warn- oder auch Abschaltfunktionen erzeugt werden. Die Erfahrung hat gezeigt, dass ein praxisnaher Grenzwert etwa mit GE_max = 50.000 KWs festgelegt werden kann.
• Da bei sehr geringen Lastströmen auch nur geringe Rußmengen entstehen bzw. berechnet werden, würde der Grenzwert GE_max in einem solchen Fall während der gesamten Lebensdauer des Laststufenschalters u. U. nie erreicht werden. Daher wird nach einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich überprüft, ob eine maximale Zahl von Lastschaltungen erreicht worden ist. Ist dies der Fall, wird - unabhängig von der Höhe der aufsummierten Lichtbogenenergie GE - eine Warnung o. ä. erzeugt.
• Aus dem gleichen Grunde wird nach einer zweiten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich überprüft, ob ein bestimmtes Zeitintervall ab Inbetriebnahme, d. h. eine maximal zulässige Betriebszeit, die dem Laststufenschalter ohne zwischenzeitliche Wartung zugestanden werden kann, erreicht ist. Ist dies der Fall, wird - wiederum unabhängig von der Höhe der bis dahin aufsummierten Lichtbogenenergie GE - eine Warnung o. ä. erzeugt.
• Die beiden beschriebenen Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch kombiniert werden.
• Diese Weiterbildungen tragen der Tatsache Rechnung, dass nicht nur der zunehmende Rußeintrag zu einer sinkenden Durchschlagsspannung des Isolieröles führt, sondern auch ein steigender Feuchtegehalt, entstehende Alterungs- und Spaltprodukte o. ä. das Isolieröl mit der Zeit unbrauchbar machen können. Diese Faktoren sind jedoch nicht unmittelbar von der Lichtbogenenergie abhängig, so dass es in vielen Fällen sinnvoll sein kann, das Isolieröl zu tauschen, auch wenn allein nach dem Vergleich der kumulierten Lichtbogenenergie GE mit dem vorab festgelegten Grenzwert GE_max dies noch nicht erforderlich wäre.
• Die Erfindung soll nachfolgend beispielhaft noch näher erläutert werden.

Figur 1

zeigt den Ablaufplan eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens

Figur 2

zeigt den Ablaufplan eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens

Figur 3

zeigt den Ablaufplan eines dritten erfindungsgemäßen Verfahrens

Figur 4

zeigt den Ablaufplan eines vierten erfindungsgemäßen Verfahrens.

• Zunächst soll das in Figur 1 dargestellte Verfahren näher erläutert werden. Zu Beginn erfolgt eine Eingabe und nicht flüchtige Speicherung spezifischer konstanter Laststufenschalterparameter bzw. - kenndaten. Dies sind der maximal zulässige Grenzwert der Lichtbogenenergie GE_max, die Zahl der parallelen Sektoren des Lastumschalters ParSek, die Nenn-Stufenspannungen U_s in jeder Betriebsstellung des Stufenschalters (oder ersatzweise die mittlere Stufenspannung). Ferner sind dies die mittlere Lichtbogenspannung U_Lb und die mittlere Lichtbogenzeit t_Lb. Für einen eingangs erwähnten Stufenschalter der Anmelderin vom Typ "M" ergibt sich beispielsweise ein Wert U_Lb = 25 V, sowie ein Wert t_Lb = 6 x 10^-3 s. Schließlich sind auch noch die schaltertypabhängige Anzahl der Lastumschaltersektoren AnzSek, die resultierende Stromteilung S_res und die Größe des Überschaltwiderstandes R_ü einzugeben.
• Die Variable n bezeichnet einen Index, der bei jeder Betätigung des Laststufenschalters um 1 erhöht wird.
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird bei jeder Betätigung des Laststufenschalters zunächst der Laststrom J_L gemessen. Im nächsten Verfahrensschritt werden daraus die Schaltströme J_SK sowie J_WK der abschaltenden Kontakte, genauer gesagt der Schalt- und Widerstandskontakte, ermittelt. Weiter vorn wurde eine solche Ermittlung unter Zuhilfenahme laststufenschalterspezifischer Parameter bereits im Detail erläutert. Wiederum nachfolgend werden diese Schaltströme aufsummiert und ergeben Σ^J. Anschließend wird die bei der jeweiligen Lastschaltung auftretende Lichtbogenenergie E_n berechnet und schließlich die kumulierte Lichtbogenenergie GE_n daraus ermittelt.
• Der Wert der kumulierten Lichtbogenenergie GE_n wird jeweils zwischengespeichert und bei der nächsten Betätigung gemeinsam mit der dann wiederum berechneten Lichtbogenenergie E_n+1 zum dann neuen Gesamtwert GE_n+1 kumuliert.
• In jedem Zyklus wird dann diese kumulierte Lichtbogenenergie GE_n mit einem vorab festeingestellten Grenzwert GE_max verglichen. In der Figur 1 ist als Beispiel ein zweistufiger Vergleich gezeigt. Ist ein bestimmter Prozentsatz des Grenzwertes GE_max erreicht, z. B. 90 %, kann eine Warnung generiert werden, die auf einen nahenden Ölwechsel hindeutet. Der Betreiber kann dann entsprechende Vorkehrungen treffen und hat noch genügend Zeit, um einen solchen Ölwechsel z. B. im Rahmen einer Wartung vornehmen zu lassen. Sind schließlich 100 % des Grenzwertes erreicht, kann eine zweite, auffälligere Warnmeldung erzeugt werden; alternativ könnte auch eine Abschaltung des Transformators erfolgen. Es sind im Rahmen der Erfindung natürlich zahlreiche andere Vergleichsmodi denkbar; wichtig ist allein, dass die im Laufe der Lastschaltungen kumulierte Lichtbogenenergie GE_n mit einem entsprechenden Grenzwert verglichen wird.
• Figur 2 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem zusätzlich noch eine Überprüfung durchgeführt wird, ob eine bestimmte Gesamtschaltzahl erreicht ist, d. h. der Index n einen bestimmten Maximalwert n_max erreicht hat.
• Figur 3 zeigt schließlich ein weiteres Verfahren, bei dem zusätzlich zum in Figur 1 gezeigten Verfahren noch überprüft wird, ob eine bestimmte absolute Betriebsdauer t des Laststufenschalters einen Grenzwert t_max erreicht hat.
• Es wurde bereits weiter oben erläutert, dass es mit den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Verfahrensabläufen möglich ist, neben der Verrußung des Öles als dem wichtigsten Kriterium für dessen Alterung auch weitere Phänomene zu berücksichtigen, die, unabhängig von der kumulierten Lichtbogenenergie GE, zu bestimmten Zeitpunkten einen Ölwechsel sinnvoll erscheinen lassen können. In den Figuren 2 und 3 sind diese zusätzlichen Verfahrensschritte an das Ende des in Figur 1 gezeigten Verfahrens angefügt; es ist im Rahmen der Erfindung ebenso möglich, diese Verfahrensschritte an einer anderen Stelle in das Gesamtverfahren einzufügen. Wichtig ist allein, dass die Ergebnisse der zusätzlichen Vergleiche mit der zulässigen Schaltzahl n_max bzw. der zulässigen Betriebsdauer t_max zusätzlich - und unabhängig vom Vergleich der kumulierten Lichtbogenenergie GE_n mit deren Maximalwert GE_max - zu Warnungen o. ä. führen können.
• In Figur 4 ist schließlich noch ein Verfahren gezeigt, bei dem sowohl der zusätzliche Vergleich der Gesamtschaltzahl n als auch der Betriebsdauer t mit entsprechenden Grenzwerten n_max bzw. t_max vorgesehen ist. Auch dies kann an den verschiedensten Stellen in den Verfahrensablauf gemäß Figur 1 eingefügt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Überwachung der Verschmutzung von Isolieröl infolge Lichtbogenüberschlag in Laststufenschaltern,
   wobei der Transformator-Laststrom J_L während jeder Umschaltung, d. h. Betätigung des Laststufenschalters, gemessen wird,
   wobei ein Index n bei jeder Umschaltung erhöht wird,
   wobei eine charakteristische Größe während jeder Umschaltung ermittelt und nachfolgend über alle bisherigen Umschaltungen kumuliert wird
   und wobei ein Grenzwert der kumulierten charakteristischen Größe vorgegeben wird, bei dessen Überschreitung Meldungen generiert werden,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass eine Eingabe und nicht flüchtige Speicherung der spezifischen Laststufenschalterparameter sowie eines Grenzwertes der zulässigen Lichtbogenenergie GE_max als charakteristischer Größe erfolgt,
   dass anschließend eine Ermittlung des Schaltstromes J_SK des abschaltenden Schaltkontaktes sowie des Schaltstromes J_WK des mindestens einen abschaltenden Widerstandskontaktes erfolgt, dass anschließend eine Aufsummierung der Beträge der ermittelten Schaltströme J_SK und J_WK zum Gesamtschaltstrom Σ^J vorgenommen wird,
   dass anschließend eine Ermittlung der Lichtbogenenergie E_n mittels der Beziehung $$\mathrm{E}=\mathrm{\Sigma J}\cdot {\mathrm{U}}_{\mathrm{Lb}}\cdot {\mathrm{t}}_{\mathrm{Lb}}\cdot \mathrm{AnzSek}\left[\mathrm{Ws}\right]$$

   

   
   erfolgt, wobei U_Lb die mittlere Lichtbogenspannung, t_Lb die mittlere Lichtbogenzeit und AnzSek die Anzahl der Lastumschaltersektoren bzw. Schaltsegmente bezeichnen und diese Faktoren zu den nicht flüchtig gespeicherten spezifischen Laststufenschalterparametern gehören,
   dass wiederum nachfolgend eine Ermittlung der kumulierten Gesamtlichtbogenenergie $${\mathrm{GE}}_{\mathrm{n}}={\mathrm{GE}}_{\mathrm{n}-1}+{\mathrm{E}}_{\mathrm{n}}$$

   

   
   als Summe der ermittelten Lichtbogenenergien aller bisherigen Umschaltungen (1...n) erfolgt und dass anschließend ein Vergleich der kumulierten Lichtbogenenergie GE_n mit dem Grenzwert der Lichtbogenenergie GE_max vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schaltstrom J_SK für den Schaltkontakt nach der Beziehung $${\mathrm{J}}_{\mathrm{SK}}\mathrm{=}\frac{{\mathrm{J}}_{\mathrm{L}}}{\mathrm{ParSek}}$$

   

   und der Schaltstrom J_WK für den Widerstandskontakt nach der Beziehung $${\mathrm{J}}_{\mathrm{WK}}\mathrm{=}\frac{{\mathrm{U}}_{\mathrm{S}}\mathrm{+}{\mathrm{J}}_{\mathrm{L}}\mathrm{\cdot }\frac{{\mathrm{R}}_{ü}}{{\mathrm{s}}_{\mathrm{res}}}}{\mathrm{2}\mathrm{\cdot }{\mathrm{R}}_{ü}}$$

   

   ermittelt wird, wobei ParSek die Zahl der parallelen Sektoren des Laststufenschalters, d. h. der Parallelschaltungen von einzelnen Schaltkontakten, U_S die jeweilige Nenn-Stufenspannung, S_res die resultierende Stromteilung und R_ü die Größe des Überschaltwiderstandes bezeichnen und diese Werte zu den nicht flüchtig gespeicherten spezifischen Laststufenschalterparametern gehören.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zusätzlich der laufende Index n mit einem vorab festgelegten Grenzwert n_max verglichen und eine Meldung generiert wird, wenn dieser Grenzwert n_max erreicht ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, wobei zusätzlich die jeweils erreichte Betriebszeit t des Laststufenschalters mit einem vorab festgelegten Grenzwert t_max verglichen und eine Meldung generiert wird, wenn dieser Grenzwert t_max erreicht wird.

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