EP3959731A1 - Überwachungsanordnung für ein elektrisches betriebsmittel und überwachungssystem - Google Patents

Überwachungsanordnung für ein elektrisches betriebsmittel und überwachungssystem

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Publication number
EP3959731A1
EP3959731A1 EP20732741.2A EP20732741A EP3959731A1 EP 3959731 A1 EP3959731 A1 EP 3959731A1 EP 20732741 A EP20732741 A EP 20732741A EP 3959731 A1 EP3959731 A1 EP 3959731A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
monitoring arrangement
sensor
monitoring
designed
equipment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20732741.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Koch
Bastian Robben
Matthias Schubert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP3959731A1 publication Critical patent/EP3959731A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
    • G01R31/14—Circuits therefor, e.g. for generating test voltages, sensing circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
    • G01R31/1227—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials
    • G01R31/1236—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials of surge arresters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
    • H01C7/123—Arrangements for improving potential distribution
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B17/00—Insulators or insulating bodies characterised by their form
    • H01B17/005—Insulators structurally associated with built-in electrical equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors

Definitions

  • the invention relates to a monitoring arrangement for electrical equipment according to the preamble of claim 1 and a monitoring system according to the preamble of claim 20.
  • Surge arresters are used in the medium-voltage and high-voltage range in order to safely divert so-called overvoltages, i.e. voltages far above the nominal voltages intended during operation, to earth. This causes damage to equipment such as Transformers avoided.
  • a surge arrester for high voltage can be placed on an overhead line and in the event of a lightning strike or short circuit, it can discharge impermissibly high currents to earth.
  • Surge arresters usually contain so-called varistors ("variable resistors”), i.e. electrical resistors whose electrical resistance value is very high up to a design-related threshold voltage and greatly reduced above the threshold voltage, so that the surge arrester becomes a good electrical conductor.
  • varistors electrical resistors whose electrical resistance value is very high up to a design-related threshold voltage and greatly reduced above the threshold voltage, so that the surge arrester becomes a good electrical conductor.
  • varistors i.e. electrical resistors whose electrical resistance value is very high up to a design-related threshold voltage and greatly reduced above the threshold voltage, so that the surge arrester becomes a good electrical conductor.
  • the surge arrester is hardly conductive during normal operation, so that only a small leakage current flows to earth. In the event of an overvoltage, however, a high leakage current flows.
  • the monitoring device "ACM advanced - Arrester Condition Monitoring” for monitoring surge arresters. It is connected to the underground cable of an arrester and has solar cells for power supply.
  • the device has a digital display device and a communication device that is designed for radio transmission of measurement data in the immediate vicinity Overvoltage impulses are recorded by sensors with regard to a maximum amplitude, pulse width and energy input and provided with a time stamp. Furthermore, the total leakage current is recorded (3rd harmonic) and the total energy absorption of the arrester is determined. The device saves the measured values internally in a data memory so that later information can be obtained from the history of the derivation processes.
  • the object of the invention is to specify a monitoring arrangement with which an accurate remote monitoring of electrical equipment is made possible in a comparatively comprehensive and efficient manner.
  • the invention solves this problem by means of a monitoring arrangement according to claim 1.
  • Electrical equipment within the meaning of the invention is, for example, a surge arrester or an electrical insulator, e.g. a long rod insulator. Even equipment that has insulators and surge arresters, such as an EGLA (“externally gapped line arrester”) are suitable.
  • the monitoring arrangement has a computer device.
  • the computer device has, for example, processor means and / or data storage means in order to summarize the acquired sensor measurement data in digital form and to prepare them for transmission.
  • the first sensor has an electrically conductive electrode.
  • This can for example have a metal, so for example at least partially made of aluminum, copper, brass, stainless steel. Since arresters are also used outdoors, weather-resistant, ie corrosion-resistant metals such as brass are preferred.
  • the electrode can be guided around the housing, for example, as a clamp or cuff or as a band, that is to say encompass the housing completely on its circumference. Alternatively, a solution can be chosen in which the electrode overlaps only part of the circumference of the housing.
  • the electrode is arranged on the earth side and has a predetermined minimum distance from the metallic end fitting.
  • the electrode should rest completely on the insulated housing and can, for example, be placed between two screens, i.e. in cross-section ge, so to speak, in the valley between two mountains, be arranged.
  • the first sensor and also all further sensors that may be used according to the invention provide sensor measurement data. These can be available in different data formats depending on the type of sensor used. In a preferred variant, all of the sensor measurement data can be combined by means of the computer device and prepared for transmission in a uniform data format. A computer device can also be used for this purpose, which is provided in a communication device of a monitoring system.
  • a second sensor for detecting a voltage applied to the equipment is formed, the second sensor evaluating the electrical and / or magnetic field in the vicinity of the equipment.
  • the second sensor is used in the vicinity of the high-voltage potentiometer, it can be supplied with electrical energy from surrounding electromagnetic radiation, for example by means of so-called “energy harvesting", which is possibly temporarily stored in an energy store be transmitted by radio link to other components of the monitoring arrangement so that isolation distances can be maintained.
  • energy harvesting which is possibly temporarily stored in an energy store be transmitted by radio link to other components of the monitoring arrangement so that isolation distances can be maintained.
  • a sensor for voltage measurement can be provided, which is galvanically connected to the current path.
  • the use of the second sensor enables, in particular, an evaluation of the harmonics (e.g. 3rd, 5th, 7th harmonic).
  • Harmonics are caused by equipment with a non-linear characteristic, such as transformers.
  • the non-sinusoidal currents of these loads cause a voltage drop in the network impedance that distorts the nominal network voltage.
  • the 3rd harmonics are proportional to the resistive components of the currents (at a mains frequency of 50 Hz there are 3rd harmonic harmonics at 150 Hz). This allows conclusions to be drawn about the aging of the at least one varistor. In other words, the more the varistor has aged, the stronger 3rd harmonics are detected.
  • a service life detection device which detects the service life of the equipment from the time it is put into operation and emits a maintenance signal at predetermined ages of the equipment.
  • This is an advantage because such maintenance signals can be transmitted to a remote server device within the scope of a monitoring system according to the invention in order to routinely and automatically process a whole Manage a fleet of equipment.
  • Maintenance can include, for example, a visual inspection by a technician or by an autonomous drone in order to detect errors. If, for example, damage to a housing or insulator jacket is recognizable, the operating means can be replaced.
  • Such maintenance can, for example, be scheduled every second year after the equipment has been installed.
  • a third sensor for detecting acoustic signals in the vicinity of the operating means is designed.
  • This is an advantage because vibrations in the equipment can be detected. It can be a microphone or a piezoelectric component, for example.
  • the microphone is, for example, suitable for monitoring frequency ranges in the frequency range audible to humans of between 20 and 20,000 Hertz, so that e.g. Arcs, rattling or mechanical vibrations can be detected at the nominal frequency of the network.
  • the operating means has an electrical insulator. It can e.g. about one
  • the operating means has a bushing. It can e.g. be a bushing or bushing for a transformer.
  • the operating means has a surge arrester with at least one varistor.
  • a fourth sensor is provided for detecting an operating temperature of a varistor.
  • a surge arrester can be used, which has a housing with a viewing window.
  • the viewing window is provided with a transparent and infrared light-permeable material and the fourth sensor has a measuring device for infrared light.
  • the fourth sensor can automatically deduce a temperature of the varistor from a measurement of a light intensity by means of a previously established calibration curve and provide this determined temperature. Alternatively, the fourth sensor can fall back on the computer device mentioned at the beginning in order to undertake this conversion.
  • the viewing window can, for example, be a round or rectangular recess in a tube made of glass fiber reinforced plastic that surrounds a column of varistor disks.
  • the viewing window can e.g. be sealed fluid-tight by a glass that is permeable to infrared light.
  • a sensor for the temperature can be used, which is arranged directly on a varistor disk or between two varistors of the arrester column.
  • a disk-shaped device with the same diameter as the Varis torenin used can be used.
  • Such a device with what is known as a surface wave sensor is known from the publication EP 0 996 956 B1.
  • the temperature measured directly at the varistor can preferably be sent to a control center (for example a supervisory control and data acquisition (SCADA) system) of the energy supply network be transmitted.
  • a control center for example a supervisory control and data acquisition (SCADA) system
  • SCADA supervisory control and data acquisition
  • the monitoring arrangement can be connected to the control technology of a substation via Modbus or Ethernet, which forwards the temperature measurement data to the control center.
  • the temperature measured directly on the varistor can first be transmitted to the server device and from there to the control center.
  • the measured temperature of the varistor is preferably evaluated so that when a first threshold value of e.g. 200 ° C to give an advance warning that a so-called "thermal runaway” threatens (ie a thermal overload of the arrester with failure of the device) Furthermore, if a second threshold value of 230 ° C, for example, is exceeded, the network section on which the arrester is located can be switched off immediately.
  • a first threshold value e.g. 200 ° C to give an advance warning that a so-called "thermal runaway” threatens (ie a thermal overload of the arrester with failure of the device)
  • a second threshold value of 230 ° C for example
  • the fourth sensor is designed to detect an ambient temperature of the operating means. This is an advantage because the temperature difference between the varistor and the environment can be determined.
  • a fifth sensor for detecting a leakage current of the surge arrester is provided.
  • the fifth sensor can for example be arranged on the underground cable or e.g. on the earth-side end fitting.
  • the fifth sensor is also keptbil det to detect a total leakage current, which consists of a Leakage current through the at least one varistor and one
  • the fifth sensor is designed to detect direct currents and alternating currents.
  • leakage current measuring devices are provided for measuring alternating currents.
  • Leakage current meters for alternating current are for example formed with an iron rod that is surrounded by a coil.
  • inductive measuring device is unsuitable for measuring direct currents.
  • a uniform monitoring arrangement for equipment such as surge arresters can be used to advantage, particularly on overhead power towers for so-called hybrid lines with DC voltage lines and AC voltage lines on a common pole.
  • the fifth sensor has an ohmic resistor and a spark gap, a rectifier being provided for rectifying alternating currents.
  • a rectifier being provided for rectifying alternating currents.
  • a bridge rectifier can be used. This embodiment has the advantage that alternating currents can also be measured by means of the rectifier.
  • the fifth sensor has a Hall probe.
  • a metal bolt or the like can be used on which the Hall probe for detecting magnetic fields is arranged.
  • a sixth sensor for detecting a density of an electrically insulating protective gas is designed.
  • a high-voltage arrester is typically monitored as equipment.
  • the arrester has a fluid-tight housing, for example made of metal, which is provided on the inside with one or more columns of varistor disks.
  • the columns are often braced using GRP rods.
  • the columns are electrically insulated from each other and from the housing by electrically isolating the protective gas.
  • Sulfur hexafluoride (SF6) is often used under pressure or alternatively, purified and dehumidified air (so-called "clean air” systems, such as those offered by Siemens AG).
  • the gas density can, for example, be determined by means of pressure and temperature sensors using a gas equation of an ideal gas or the like. Particularly suitable are sensor types that can be operated without their own energy supply by means of so-called "energy harvesting" from the electromagnetic field and transmit their measured values by radio from inside the housing to the outside . If the gas density falls below a specified threshold value, the arrester can no longer be operated safely and must be switched off and replaced.
  • a seventh sensor for detecting surge currents.
  • Surge currents are brief current surges with currents of e.g. 100 A to 100 kA.
  • the seventh sensor can, for example, carry out an inductive current measurement; a so-called Ro gowskispule can preferably be used, which is arranged around the underground cable.
  • a data memory for storing the measured values recorded by the sensors.
  • the data memory can be designed to be recorded To temporarily store sensor measurement data prior to transmission by means of a communication device.
  • an HDD or RAM memory can be used. This embodiment has the advantage that in the event of an interruption in the connection between the monitoring arrangement and a remote server device, the raw data collected can be cached and sent later after a connection has been re-established.
  • an energy supply is provided which is designed to generate energy via an Ethernet connection.
  • An energy supply can alternatively or additionally take place by so-called “energy harvesting" from surrounding electromagnetic radiation by means of an energy recovery device.
  • a solar power supply can also be provided in the outside area.
  • a time stamp device which is designed to assign a time stamp to each of the sensor measurement data.
  • the time stamp indicates the point in time at which the respective measured values or sensor measurement data are recorded in the monitoring arrangement.
  • a single time stamp device can preferably be provided in order to provide all of the sensor measurement data that arise at the various sensors with time stamps.
  • several time stamping devices can be provided, e.g. a time stamp facility for each sensor.
  • the time stamps can, for example, be recorded to the millisecond. Acquisition in hundredths of a second or in tenth of a second range can also be carried out.
  • the time stamp device is synchronized with an external timer.
  • this can be done by receiving satellite time data, for example via a receiving device for global positioning System (GPS) can be achieved, which, for example, are in turn synchronized with an atomic clock.
  • GPS global positioning System
  • This has the advantage that all sensor measurement data are recorded at the same time, regardless of where the monitoring arrangements are located.
  • measurement data from various monitoring arrangements can be brought into a chronological order, which enables more precise calculations, for example of network stability in a control center.
  • the object of the invention is to provide a monitoring system with which an accurate remote monitoring of electrical equipment is enabled in a comparatively comprehensive and efficient manner.
  • the invention solves this problem by a monitoring system according to claim 20.
  • a preferred embodiment is given in claim 21.
  • the same advantages result analogously as at the beginning for the inventive Monitoring arrangement specified. It is clear to a person skilled in the art that all of the embodiments of the invention described in connection with the monitoring arrangement can also be used in the monitoring system.
  • the server device can e.g. be a central server facility such as a data center or a cloud application.
  • a cloud application is to be understood as a computer program that uses networked resources (processors, data storage, etc.) via a data network such as the Internet. Examples are Microsoft Azure, Amazon Web Services or Siemens Mindsphere.
  • the server device can also be a decentralized server device
  • this can be understood, for example, as a computer device locally available in a substation.
  • data exchange can also be provided between the server device and a control center in order to improve the network control in the control center.
  • the communication device is designed for data communication with a network control center.
  • a network control center For example, data communication according to the IEC 61850 standard can be provided.
  • This embodiment has the advantage that a direct connection and transmission of the sensor measurement data to a network control center or a control device for a substation is made possible. In this way, it is possible to feed directly into a "Supervisory Control and Data Acquisition" (SCADA) system, for example, without detour via the aforementioned server facility.
  • SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
  • This allows the sensor measurement data to be used to control network operation
  • Sensor measurement data in the control center Faults in electrical equipment such as surge arresters, which affect network operation, can be quickly detected.
  • the severity of faults and thus the probability of failure of the electrical systems can be estimated on the basis of the measurement data. Without the sensor measurement data evaluation, the control center could only recognize the failure of an electrical system as soon as it happened. A slow deterioration, etc., would go undetected.
  • data communication according to the Modbus protocol can also be provided. This is particularly important within an electrical system such as a substation advantageous.
  • the server device can bring together the sensor measurement data from a large number of data processing arrangements centrally and thus provide cross-fleet monitoring of the operating status of the electrical equipment.
  • an app with a user interface can be provided which, in addition to the information obtained from the sensor measurement data, also displays the time of the data acquisition in a so-called dashboard.
  • dashboard a so-called dashboard.
  • a mobile device which is designed for data communication with the server device. It can be, for example, a tablet, a cell phone or a laptop, with e.g. an LTE network is used for data communication.
  • the mobile device is used to present information about an operating state of the
  • a “Sensformer TM Connectivity Device” or a “Sensformer TM Connectivity Device, outdoor version” described above can serve as the communication device.
  • the communication device is designed to transmit the sensor measurement data to a further communication device of a further monitoring arrangement.
  • the monitoring arrangements involved are designed to receive data from other monitoring arrangements.
  • This procedure makes it possible, in cases where no connection to the server facility or the network control center is possible (weak infrastructure), to pass on data within the spatial distribution of the electrical systems. For example, this can be done in a substation via W-LAN, WAN, radio or Ethernet.
  • the transmission of the sensor measurement data takes place until a monitoring arrangement is reached that can establish a connection to the server device and / or to the network control center. This creates a dynamic transmission path. With this method you can also reduce the effective transfer points in the data cloud.
  • the connection points are so limited that a mesh network must be set up. This means that larger distances can be overcome before a connection to the server device and / or to the network control center can be established.
  • the central server device is designed to determine a degree of pollution of the housing on the basis of a detected leakage current.
  • a next maintenance date can also be set based on the degree of soiling.
  • This embodiment is of particular advantage because in many regions of the world the insulating equipment housings are heavily burdened with electrically conductive foreign layers due to particularly harsh environmental conditions. For this reason, customers in Egypt, for example, have the housings of equipment with a porcelain jacket regularly cleaned by maintenance teams to remove sand deposits, salts and the like. It is also known from the Canary Islands that customers regularly clean or wash polymer housings. This serves to ensure the safety of the equipment, since foreign layer discharges can be avoided when the housings are dirty.
  • a Conclusions can be drawn about the degree of contamination, ie, for example, the type and thickness of the foreign layer by comparison with calibration measurements and a prediction of the further course of the contamination over time can be calculated. This makes it possible to set a maintenance time individually for each item of equipment because, for example, the degree of contamination has exceeded a permissible threshold value. This saves time and money.
  • the central server device is designed to determine an influence of direct sunlight on the housing temperature on the basis of a correlation of the measured leakage current through the at least one varistor with a measured housing temperature.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the invention.
  • a surge arrester 2 has a large number of varistor disks 8, 10 or voltage-dependent disks in its interior
  • the bracing is produced in a so-called cage construction by means of tension elements 24.
  • the tension elements 24 are, for example, rods made of glass fiber reinforced plastic (GRP). That tensed up in this way Down conductor column is net angeord in a tubular housing 25, which is surrounded by an electrically insulating housing 4 with creep path lengthening shield.
  • the creep path-extending shield can be made of silicone rubber or porcelain, for example.
  • the surge arrester 2 On the high voltage side, the surge arrester 2 has a first connection bolt 26. On the earth side, a second connection bolt 27 is connected to an earth cable 36.
  • the tube 25 and the insulating housing 4 have at one point a recess 11 in which a viewing window 12 is provided.
  • the viewing window 12 is closed in a fluid-tight manner with a transparent pane permeable to infrared light, for example made of a suitable glass or plastic.
  • the surge arrester is monitored for a wide variety of operating parameters by means of a monitoring arrangement 1.
  • This first sensor 3 is connected to an input 31 of a housing 35.
  • a second sensor 5 is designed to detect a voltage applied to the surge arrester 2 and detects the electric and / or magnetic field in the vicinity of the surge arrester 2.
  • This second sensor 5 is connected to an input 34.
  • a fourth sensor 9 is provided for detecting an operating temperature of a varistor 10 loading.
  • the sensor 9 has a measuring device for infrared light and is arranged on the viewing window 11.
  • the fourth sensor 9 is connected to an input 33.
  • a third sensor 7 is arranged in the vicinity of the surge arrester 2 and is designed to detect acoustic signals. This sensor 7 is connected to an input 32.
  • the inputs 30 - 34 are connected to a computer device 17 via data communication lines 37.
  • This has a data memory 14.
  • the ones arriving at entrances 30 - 34 Sensor measurement data are transmitted to the computer device 17 and summarized there and preprocessed for transmission.
  • the computer device 17 is connected to a communication device 18 via a further data communication line 37.
  • the communication device 18 is designed for data transmission 20 by radio to a cloud application 19.
  • an energy supply 15, which is formed for generating energy via an Ethernet connection 16, and an energy store 16 are also provided.
  • a service life detection device 6 is provided in order to detect the service life of the surge arrester 2 from the time of commissioning and to transmit a maintenance signal to the communication device 18 via a further data communication line at the predetermined age of the surge arrester.
  • the sensor measurement data are further processed and, for example, displayed in a structured manner within the framework of a fleet management for a large number of operating resources to be monitored.
  • This information can be transferred to a mobile device 22 by means of a data communication 21.
  • the mobile device is, for example, a cell phone or tablet. This has a display device 23, for example a touch screen. In this way, a maintenance technician can easily determine the operating state of the surge arrester 2 at any time and regardless of location and, if necessary, initiate maintenance or repair measures.

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Abstract

Uberwachungsanordnung für ein elektrisches Betriebsmittel, aufweisend einen ersten Sensor zur Erfassung eines oberflächlichen Kriechstromes an einem kriechwegverlängernden elektrisch isolierenden Gehäuse des Betriebsmittels und ein Überwachungssystem mit der Überwachungsanordnung.

Description

Beschreibung
Überwachungsanordnung für ein elektrisches Betriebsmittel und ÜberwachungsSystem
Die Erfindung betrifft eine Überwachungsanordnung für ein elektrisches Betriebsmittel gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1 sowie ein Überwachungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 20.
Überspannungsableiter werden im Mittelspannungs- und Hoch spannungsbereich eingesetzt, um sog. Überspannungen, also Spannungen weit oberhalb der im Betrieb vorgesehenen Nenn spannungen, sicher zu Erde abzuleiten. Hierdurch werden Schä den an Betriebsmitteln wie z.B. Transformatoren vermieden. Beispielsweise kann ein Überspannungsableiter für Hochspan nung an einer Freileitung angeordnet werden und bei Blitzein schlag oder Kurzschluss unzulässig hohe Ströme zur Erde hin ableiten .
Überspannungsableiter enthalten i.d.R. sog. Varistoren („va riable resistors”) , d.h. elektrische Widerstände, deren elektrischer Widerstandswert bis zu einer bauartbedingten Schwellenspannung sehr hoch und oberhalb der Schwellenspan nung stark vermindert ist, so dass der Überspannungsableiter zu einem guten elektrischen Leiter wird. Es werden z.B. Me talloxidwiderstände in Scheibenform übereinander in einem Ge häuse angeordnet und an den jeweiligen Enden des Gehäuses mit dem Hochspannungspotential und dem Erdpotential verbunden. Dabei ist der Überspannungsableiter im Regelbetrieb kaum lei tend, so dass nur ein geringer Leckstrom zur Erde fließt. Im Fall einer Überspannung dagegen fließt ein hoher Ableitstrom.
Aus der Produktbroschüre „A full ränge of monitoring Soluti ons for surge arresters", Siemens AG 2012, Order No. E50001- G630-A141-V2-4A00, ist es von den Seiten 4-6 und 10 bekannt, das Überwachungsgerät „ACM advanced - Arrester Condition Monitoring" für die Überwachung von Überspannungsableitern einzusetzen. Es wird an das Erdkabel eines Ableiters ange schlossen und verfügt über Solarzellen zur Energieversorgung. Das Gerät weist eine digitale Anzeigeeinrichtung sowie eine Kommunikationseinrichtung auf, die zur Funkübertragung von Messdaten in die unmittelbare Umgebung ausgebildet ist. Es werden von Sensoren Überspannungsimpulse im Hinblick auf eine Maximalamplitude, Pulsweite und Energieeintrag erfasst und mit einem Zeitstempel versehen. Ferner wird der totale Leck strom erfasst (3. Harmonische Oberschwingung) und die totale Energieabsorption des Ableiters bestimmt. Das Gerät speichert die Messwerte intern in einem Datenspeicher ab, so dass spä ter Informationen aus der Historie der Ableitvorgänge gewon nen werden können.
Im Zuge der immer stärkeren Vernetzung von Geräten im Inter net, dem sog. „Internet of Things", werden derzeit immer mehr Geräte direkt untereinander durch Maschine-zu-Maschine
Schnittstellen verbunden. Im Bereich der Industrieautomati sierung werden beispielsweise unter dem Schlagwort „Industrie 4.0" Fertigungsstraßen als sog. „Cyber-Physcial-Systems" si muliert, um in Echtzeit die Produktion von Waren überwachen und optimieren zu können.
Auch im Bereich der Energietechnik ist es erstrebenswert, vormals nicht fernüberwachbare Geräte wie z.B. Hochspannungs transformatoren über eine Datenkommunikation von außen über wachen zu können. Zur Übertragung und Bündelung von mittels Sensoren erfassten Sensorsignalen des jeweiligen Betriebsmit tels wird typischerweise ein Gerät verwendet, dass die Sen sorsignale in eine Internetumgebung transferiert („IoT De vice") . Aus den Datenblättern „Sensformer™ Connectivity De vice" und „Sensformer™ Connectivity Device, outdoor Version" sind solche Geräte bekannt. Beide Modelle weisen eine be grenzte Anzahl von Eingängen bzw. Schnittstellen auf (z.B. drei Analoge und zwei Digitale Eingänge) sowie eine Reihe von Kommunikationsmöglichkeiten wie z.B. Ethernet, USB, oder Funk (GSM) auf.
An die Erfindung stellt sich ausgehend von dem bekannten „ACM advanced" die Aufgabe, eine Überwachungsanordnung anzugeben, mit der vergleichsweise umfassend und effizient eine genaue Fernüberwachung von elektrischen Betriebsmitteln ermöglicht wird .
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Überwachungsan ordnung gemäß Anspruch 1.
Eine elektrisches Betriebsmittel im Sinne der Erfindung ist beispielsweise ein Überspannungsableiter oder ein elektri scher Isolator, z.B. ein Langstabisolator. Auch Betriebsmit tel, die Isolatoren und Überspannungsableiter aufweisen, wie z.B. ein EGLA („externally gapped line arrester") sind geeig net .
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen weist die Überwachungsanordnung eine Rechnereinrichtung auf. Die Rechnereinrichtung weist beispielsweise Prozessormittel und/oder Datenspeichermittel auf, um die erfassten Sen sormessdaten in digitaler Form zusammenzufassen und für die Übermittlung vorzubereiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen weist der erste Sensor eine elektrisch leitfähige Elektrode auf. Diese kann beispielsweise ein Metall aufweisen, also z.B. zumindest anteilig aus Aluminium, Kupfer, Messing, Edel stahl bestehen. Da Ableiter auch im Außenbereich eingesetzt werden, sind witterungsbeständige, d.h. korrosionsbeständige Metalle wie z.B. Messing bevorzugt. Die Elektrode kann bei spielsweise als eine Schelle bzw. Manschette oder als ein Band um das Gehäuse geführt sein, d.h. das Gehäuse an seinem Umfang komplett umfassen. Alternativ kann eine Lösung gewählt werden, bei der die Elektrode nur einen Teil des Umfangs des Gehäuses übergreift.
Bevorzugt ist es ferner, wenn die Elektrode erdseitig ange ordnet ist und einen vorher festgelegten Mindestabstand zur metallischen Endarmatur aufweist. Die Elektrode sollte voll ständig auf dem isolierten Gehäuse aufliegen und kann bei spielsweise zwischen zwei Schirmen, d.h. im Querschnitt ge wissermaßen im Tal zwischen zwei Bergen, angeordnet sein.
Der erste Sensor und auch alle weiteren Sensoren, die ggf. erfindungsgemäß eingesetzt werden, liefern Sensormessdaten. Diese können je nach eingesetztem Sensortyp in unterschiedli chen Datenformaten vorliegen. In einer bevorzugten Variante können alle Sensormessdaten mittels der Rechnereinrichtung zusammengefasst und in einem einheitlichen Datenformat zur Übermittlung vorbereitet werden. Es kann hierfür auch eine Rechnereinrichtung eingesetzt werden, die in einer Kommunika tionseinrichtung eines Überwachungssystems vorgesehen ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist ein zweiter Sensor zur Er fassung einer am Betriebsmittel anliegenden Spannung ausge bildet, wobei der zweite Sensor das elektrische und/oder das magnetische Feld in der Umgebung des Betriebsmittels auswer tet. Dies ist ein Vorteil, weil Überspannungen erkannt und gezählt werden können, um die thermische Belastung des Be triebsmittels über die Lebenszeit zu ermitteln. Es kann bei spielsweise ein Sensor für das elektrische Feld eingesetzt werden, der bevorzugt in der Nähe des Erdpotentials angeord net wird.
Wird der zweite Sensor in der Nähe des Hochspannungspotenti als eingesetzt, so kann er beispielsweise per sog. „energy- harvesting" aus umgebender elektromagnetischer Strahlung mit elektrischer Energie versorgt werden, die ggf. in einem Ener giespeicher zwischengespeichert wird. Sensormessdaten können per Funkverbindung zu anderen Komponenten der Überwachungsan ordnung übermittelt werden, damit Isolationsabstände einge halten werden können.
Es kann alternativ oder zusätzlich auch ein Sensor zur Span nungsmessung vorgesehen werden, der galvanisch mit dem Strom pfad verbunden ist.
Der Einsatz des zweiten Sensors ermöglicht insbesondere eine Auswertung der harmonischen Oberschwingungen (z.B. 3., 5., 7. Oberschwingung) . Oberschwingungen entstehen durch Betriebs mittel mit nichtlinearer Kennlinie wie etwa Transformatoren. Die nichtsinusförmigen Ströme dieser Verbraucher verursachen an der Netzimpedanz einen Spannungsfall, der die Netznenn spannung verzerrt. Dabei verhalten sich die 3. Oberschwingun gen (bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ergeben sich 3. Harmo nische Oberschwingungen bei 150 Hz) proportional zu den re- sistiven Anteilen der Ströme. Dies erlaubt es, einen Rück schluss auf die Alterung des mindestens einen Varistors zu ziehen. Mit anderen Worten ist der Varistor umso mehr geal tert, desto stärkere 3. Oberschwingungen erkannt werden.
Durch Vergleich mit einer vorher ermittelten Kennlinie bzw. Eichmessung kann aus den Messdaten des zweiten Sensors folg lich auf einen Alterungsgrad des mindestens einen Varistors geschlossen werden. Dies ermöglicht eine besonders genaue Le bensdauervorhersage für das Betriebsmittel Überspannungsab leiter .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist eine Lebensdauererfassungs einrichtung vorgesehen, die vom Inbetriebnahmezeitpunkt an die Lebensdauer des Betriebsmittels erfasst und an vorgegebe nen Lebensaltern des Betriebsmittels ein Wartungssignal ab gibt. Dies ist ein Vorteil, weil solche Wartungssignale im Rahmen eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems an eine entfernte Server-Einrichtung übermittelt werden können, um auf diese Weise routinemäßig und automatisiert eine ganze Flotte von Betriebsmitteln managen zu können. Eine Wartung kann beispielsweise eine visuelle Inspektion durch einen Techniker oder durch eine autonome Drohne beinhalten, um Feh ler zu erkennen. Sind z.B. Schäden ein einem Gehäuse bzw. Isolatormantel erkennbar, kann ein Austausch des Betriebsmit tels durchgeführt werden. Eine solche Wartung kann z.B. für jedes zweite Jahr nach Installation des Betriebsmittels vor gesehen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist ein dritter Sensor zur Er fassung von akustischen Signalen in der Umgebung des Be triebsmittels ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil Vibra tionen des Betriebsmittels erkannt werden können. Es kann sich beispielsweise um ein Mikrofon oder ein Piezoelektri sches Bauteil handeln. Das Mikrofon ist beispielsweise geeig net, Frequenzbereiche im für Menschen hörbaren Frequenzbe reich von zwischen 20 und 20.000 Hertz, zu überwachen, so dass z.B. Lichtbögen, Klappern oder mechanische Schwingungen mit der Nennfrequenz des Netzes erfasst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung weist das Betriebsmittel einen elektrischen Isolator auf. Es kann sich z.B. um einen
Langstabisolator handeln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung weist das Betriebsmittel eine Durchführung auf. Es kann sich z.B. um eine Durchführung bzw. ein Bushing für einen Transformator handeln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung weist das Betriebsmittel einen Überspannungsableiter mit mindestens einem Varistor auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist ein vierter Sensor zur Er fassung einer Betriebstemperatur eines Varistors vorgesehen.
Es kann z.B. ein Überspannungsableiter eingesetzt werden, der ein Gehäuse mit einem Sichtfenster aufweist. Das Sichtfenster ist mit einem transparenten und infrarot-lichtdurchlässigem Material versehen und der vierte Sensor weist eine Messein richtung für Infrarotlicht auf. Der vierte Sensor kann aus einer Messung einer Lichtstärke mittels einer vorher festge legten Eichkurve auf eine Temperatur des Varistors selbsttä tig schließen und diese ermittelte Temperatur bereitstellen . Alternativ kann der vierte Sensor auf die eingangs erwähnte Rechnereinrichtung zurückgreifen, um diese Umrechnung vorzu nehmen. Das Sichtfenster kann beispielsweise eine runde oder rechteckige Aussparung in einem Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff sein, das eine Säule aus Varistorenscheiben umgibt. Das Sichtfenster kann z.B. von einem Glas fluiddicht abgeschlossen sein, das durchlässig für Infrarot-Licht ist.
Es kann z.B. eine Fotodiode oder eine Wärmebildkamera einge setzt werden. Besonders geeignet ist ein sog. „Thermopile" zur Temperaturmessung, wie er beispielsweise auf Wikipedia beschrieben wird (permanenter Link: „https : //en . wikipe dia . org/w/index . php?title=Thermopile&oldid=890447398 ) .
Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Sensor für die Tem peratur eingesetzt werden, der direkt an einer Varistoren scheibe oder zwischen zwei Varistoren der Ableitersäule ange ordnet ist. Beispielsweise kann eine Scheibenförmige Vorrich tung mit dem gleichen Durchmesser wie die verwendeten Varis torenscheiben eingesetzt werden. Eine solche Vorrichtung mit einem sog. Oberflächenwellensensor ist aus der Druckschrift EP 0 996 956 Bl bekannt.
Die direkt am Varistor gemessene Temperatur kann bevorzugt an eine Leitstelle (z.B. ein supervisory control and data aqui- sition (SCADA) System) des Energieversorgungsnetzes übermittelt werden. Beispielsweise kann die Überwachungsan ordnung per Modbus oder Ethernet an die Steuertechnik einer Substation angeschlossen sein, die die Temperaturmessdaten and die Leitstelle weiterleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die direkt am Varistor gemessene Temperatur zunächst zur Server-Einrichtung und von dort zur Leistelle übermittelt werden .
Die gemessene Temperatur des Varistors wird bevorzugt ausge wertet, um bei Überschreiten eines ersten Schwellenwertes von z.B. 200°C eine Vorwarnung zu geben, dass ein sog. „Thermal runaway" (d.h. eine thermische Überlastung des Ableiters mit Ausfall des Geräts) droht. Ein Techniker der Leitstelle kann Gegenmaßnahmen einleiten und z.B. eine Abschaltung des be treffenden Netzabschnitts planen, um eine thermische Überlas tung zu vermeiden. Ferner kann bei Überschreiten eines zwei ten Schwellenwertes von z.B. 230 °C eine sofortige Abschal tung des Netzabschnitts, an dem der Ableiter angeordnet ist, ausgelöst werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist der vierte Sensor zur Erfassung einer Umgebungstemperatur des Be triebsmittels ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil die Temperaturdifferenz des Varistors im Vergleich zur Umgebung bestimmt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist ein fünfter Sensor zur Er fassung eines Leckstroms des Überspannungsableiters vorgese hen. Der fünfte Sensor kann beispielsweise am Erdkabel ange ordnet sein oder z.B. an der erdseitigen Endarmatur.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist der fünfte Sensor ausgebil det, einem Gesamtleckstrom zu erfassen, der sich aus einem Leckstrom durch den mindestens einen Varistor und einem
Kriechstrom über das isolierende Gehäuse zusammensetzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist der fünfte Sensor zur Er fassung von Gleichströmen und Wechselströmen ausgebildet.
Dies ist ein Vorteil, weil bisherige Leckstrommessgeräte aus schließlich zur Messung von Wechselströmen vorgesehen werden. Leckstrommessgeräte für Wechselstrom werden beispielsweise mit einem Eisenstab, der von einer Spule umgeben ist, ausge bildet. Eine solche induktive Messeinrichtung ist aber für eine Messung von Gleichströmen ungeeignet. Insbesondere an Freileistungsmasten für sog. Hybridleitungen mit Gleichspan nungsleitungen und Wechselspannungsleitungen an einem gemein samen Mast kann mit Vorteil eine einheitliche Überwachungsan ordnung für Betriebsmittel wie Überspannungsableiter einge setzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung weist der fünfte Sensor einen ohmschen Widerstand und eine Funkenstrecke auf, wobei zur Gleichrichtung von Wechselströmen ein Gleichrichter vorgese hen ist. Beispielsweise kann ein Brückengleichrichter einge setzt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mittels des Gleichrichters auch Wechselströme gemessen werden können .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung weist der fünfte Sensor eine Hall-Sonde aufweist. Es kann beispielsweise ein Metallbolzen oder Dergleichen eingesetzt werden, an dem die Hall-Sonde zur Erkennung von Magnetfeldern angeordnet wird. Eine solche nie derohmige Ausführung (der Metallbolzen hat in erster Näherung nahezu keinen elektrischen Widerstand) ist vorteilhaft, weil bisherige Varianten mit elektrischen Widerständen über län gere Zeiträume häufig ausfallen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist ein sechster Sensor zur Er fassung einer Dichte eines elektrisch isolierenden Schutzga ses ausgebildet. In diesem Fall wird typischerweise ein Hoch- spannungsableiter als Betriebsmittel überwacht. Der Ableiter weist ein fluiddichtes Gehäuse, z.B. aus Metall auf, das im Inneren mit einer oder mehreren Säulen aus Varistorenscheiben versehen ist. Die Säulen werden häufig mittels GFK-Stangen verspannt. Die Säulen werden durch ein elektrisch isolieren des Schutzgas voneinander und vom Gehäuse elektrisch iso liert. Häufig kommt Schwefelhexafluorid (SF6) unter Druck o- der alternativ gereinigte und entfeuchtete Luft zum Einsatz (sog. „Clean Air" Systeme, wie sie z.B. von der Siemens AG angeboten werden) . Die Gasdichte kann beispielsweise mittels Druck- und Temperatursensoren anhand einer Gasgleichung eines idealen Gases o.Ä. bestimmt werden. Geeignet sind insbeson dere Sensortypen, die ohne eigene Energieversorgung mittels sog. „energy-harvesting" aus dem elektromagnetischen Feld be trieben werden können und ihre Messwerte per Funk aus dem In neren des Gehäuses nach außen senden. Fällt die Gasdichte un ter einen vorgegebenen Schwellenwert, so kann der Ableiter nicht mehr sicher betrieben werden und muss abgeschaltet und ersetzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist ein siebenter Sensor zur Erfassung von Stoßströmen vorgesehen. Stoßströme sind zeit lich kurze Stromstöße mit Stromstärken von z.B. 100 A bis 100 kA. Der siebente Sensor kann beispielsweise eine induktive Strommessung durchführen; es kann bevorzugt eine sog. Ro gowskispule eingesetzt werden, die um das Erdkabel herum an geordnet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist ein Datenspeicher zur Spei cherung der von den Sensoren erfassten Messwerten vorgesehen. Der Datenspeicher kann ausgebildet sein, erfasste Sensormessdaten vor einer Übertragung mittels einer Kommuni kationseinrichtung zwischen zu speichern. Es kann beispiels weise eine HDD oder ein RAM Speicher verwendet werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass im Falle einer Unter brechung der Verbindung zwischen der Überwachungsanordnung und einer entfernten Server-Einrichtung die erhobenen Rohda ten zwischengespeichert und später, nach Wiederherstellung einer Verbindung, gesendet werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Überwachungsanordnung ist eine Energieversorgung vor gesehen, die zur Energiegewinnung über einen Ethernet-An schluss ausgebildet ist. Eine Energieversorgung kann alterna tiv oder zusätzlich durch sog. „energy-harvesting" aus umge bender elektromagnetischer Strahlung mittels einer Energiege winnungseinrichtung erfolgen. Im Außenbereich kann auch eine Solarstromversorgung vorgesehen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist eine Zeitstempeleinrichtung vorge sehen, die ausgebildet ist, den Sensormessdaten jeweils einen Zeitstempel zuzuordnen. Der Zeitstempel gibt dabei jeweils den Zeitpunkt an, an dem die jeweiligen Messwerte bzw. Sen sormessdaten in der Überwachungsanordnung erfasst werden. Be vorzugt kann eine einzige Zeitstempeleinrichtung vorgesehen werden, um alle Sensormessdaten, die an den verschiedenen Sensoren entstehen, mit Zeitstempeln zu versehen. Alternativ können mehrere Zeitstempeleinrichtungen vorgesehen werden, also z.B. eine Zeitstempeleinrichtung für jeden Sensor. Die Zeitstempel können dabei beispielsweise ms-genau erfasst wer den. Auch eine Erfassung im hundertstel-Sekunden oder im zehntel-Sekundenbereich kann durchgeführt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Zeitstempeleinrichtung mit einem externen Zeitgeber synchronisiert ist. Beispiels weise kann dies durch den Empfang von Satellitenzeitdaten, z.B. über eine Empfangseinrichtung für das Global Positioning System (GPS) erreicht werden, welche beispielsweise wiederrum mit einer Atomuhr synchronisiert sind. Auf diese Weise ergibt sich der Vorteil, dass alle Sensormessdaten mit der gleichen Zeit erfasst werden, unabhängig davon, wo sich die Überwa chungsanordnungen jeweils befindet. Ferner können Messdaten von verschiedenen Überwachungsanordnung in eine zeitliche Reihenfolge gebracht werden, was genauere Berechnungen z.B. einer Netzstabilität in einer Leitstelle ermöglicht.
Dadurch, dass die Sensormessdaten erfindungsgemäß i.d.R.
nicht lokal in einem fest verdrahteten System ausgewertet werden, sondern entfernt und zentral in einer Server-Einrich tung, kann es insbesondere bei Nutzung von Funkverbindungen und/oder Internetverbindungen zu verlangsamten Datentransport oder einer Unterbrechung der jeweiligen Verbindung kommen. Szenarien für eine Unterbrechung der Verbindung sind bspw. ein Stromausfall im Nieder- und/oder Mittelspannungsnetz und damit Ausfall einer GSM-Verbindung und/oder Ausfall einer LAN-Verbindung . Alternativ besteht beim Internet Service Pro vider ein Systemfehler und die Internet-Verbindung ist sei tens des Dienstleisters gestört.
In einem solchen Fall ist nach Widerherstellung der Verbin dung problemlos möglich, die Sensormessdaten anhand ihrer Zeitstempel gegenüber neueren Sensormessdaten in eine zeitli che Reihenfolge zu bringen und auf Seiten der Server-Einrich tung vorgesehene Auswertungen wieder aufzunehmen.
An die Erfindung stellt sich ausgehend von dem bekannten „ACM advanced" die Aufgabe, ein Überwachungssystem anzugeben, mit der vergleichsweise umfassend und effizient eine genaue Fern überwachung von elektrischen Betriebsmitteln ermöglicht wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Überwachungssystem gemäß Anspruch 20. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in An spruch 21 angegeben. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Überwachungsanordnung angegeben. Dem Fachmann ist dabei klar, dass sämtliche im Zusammenhang mit der Überwachungsanordnung beschriebene Ausgestaltungen der Erfindung auch im Überwa chungssystem Anwendung finden können.
Es kann sich bei der Server-Einrichtung z.B. um eine zentrale Server-Einrichtung wie beispielsweise ein Rechenzentrum oder eine Cloud-Application handeln. Eine Cloud-Application ist im Sinne der Erfindung als ein Computerprogramm zu verstehen, dass sich über ein Datennetzwerk wie dem Internet vernetzter Ressourcen (Prozessoren, Datenspeicher, usw.) bedient. Bei spiele sind Microsoft Azure, Amazon Web Services oder Siemens Mindsphere .
Es kann sich alternativ oder parallel bei der Server-Einrich tung auch um eine dezentrale Server-Einrichtung handeln;
diese kann beispielsweise als in einer Substation lokal vor handene Rechnereinrichtung verstanden werden.
Zusätzlich oder alternativ zur vorgenannten Ausführungsform kann auch zwischen der Server-Einrichtung und einer Leit stelle ein Datenaustausch vorgesehen werden, um die Netzsteu erung in der Leitstelle zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist die Kommunikationseinrichtung zur Da tenkommunikation mit einer Netzleitstelle ausgebildet. Bei spielsweise kann eine Datenkommunikation nach der Norm IEC 61850 vorgesehen werden. Diese Ausführungsform hat den Vor teil, dass eine direkte Verbindung und Übermittlung der Sen sormessdaten an eine Netzleitstelle oder eine Steuereinrich tung für eine Substation ermöglicht wird. Auf diese Weise kann ohne Umweg über die eingangs erwähnte Server-Einrichtung direkt z.B. in ein „Supervisory Control and Data Acquisition" (SCADA) System eingespeist werden. Dies erlaubt es, die Sen sormessdaten zur Steuerung des Netzbetriebs zu verwenden. Beispielsweise können anhand der verarbeiteten Sensormessdaten in der Leitstelle Fehler in elektrischen Be triebsmitteln wie z.B. Überspannungsableitern rasch erkannt werden, die sich auf den Netzbetrieb auswirken. Insbesondere kann anhand der Messdaten die Schwere von Störungen und damit die Ausfallwahrscheinlichkeit der elektrischen Anlagen abge schätzt werden. Ohne die Sensormessdatenauswertung könnte die Leitstelle nur den Ausfall einer elektrischen Anlage erken nen, sobald er passiert. Eine langsame Verschlechterung usw. bliebe unerkannt.
In einem anderen Beispiel kann auch eine Datenkommunikation nach dem Modbus-Protokoll vorgesehen werden. Dies ist insbe sondere innerhalb einer elektrischen Anlage wie z.B. einer Substation vorteilhaft.
Die Server-Einrichtung kann die Sensormessdaten einer Viel zahl von Datenverarbeitungsanordnungen zentral zusammenführen und damit eine flottenübergreifende Überwachung des Betriebs zustands der elektrischen Betriebsmittel bereitstellen . Auf Seiten der Server-Einrichtung kann eine App mit einer Bedien oberfläche vorgesehen sein, die in einem sog. Dashboard neben den aus den Sensormessdaten gewonnenen Informationen auch den jeweiligen Zeitpunkt der Datenerfassung anzeigt. Es ist fer ner z.B. eine allgemeine Übersicht zu allen elektrischen Be triebsmitteln eines Netzes und/oder Kunden vorgesehen, die neben einer Beschreibung von ggf. entdeckten Auffällig keit (en) auch den aktuellen Live-Status (Online/Offline) der jeweiligen Überwachungsanordnungen dargestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist ein Mobilgerät vorgesehen, das zur Datenkommunikation mit der Server-Einrichtung ausgebildet ist. Es kann sich beispielsweise um ein Tablet, ein Handy o- der einen Laptop handeln, wobei z.B. ein LTE-Netz zur Daten kommunikation verwendet wird. Das Mobilgerät ist zur Darstel lung von Informationen über einen Betriebszustand der
elektrischen Anlagen ausgebildet. Eingesetzt werden kann beispielsweise einen Touchscreen. Dieser Ansatz stellt einen entscheidenden Vorteil im Vergleich zu den klassischen Syste men der Leittechnik dar. Elektrische Betriebsmittel lassen sich dadurch bequem, unkompliziert und ortsungebunden überwa chen. Es können ferner leicht Vergleiche zwischen zwei oder mehr elektrischen Betriebsmitteln durchgeführt werden, um Ab weichungen von zulässigen Betriebsparametern zu erkennen. Kontroll- und Wartungspersonal hat direkt vor Ort bspw. in nerhalb eines Umspannwerkes die Möglichkeit, z.B. mittels Tablets oder Notebooks den gesamten Anlagenzustand zu überwa chen. Es kann unmittelbar vor einer Aktivität, wie bspw. ei ner Reparaturmaßnahme, noch einmal den Anlagenzustand über prüfen .
Als Kommunikationseinrichtung kann beispielsweise ein ein gangs beschriebenes „Sensformer™ Connectivity Device" oder ein „Sensformer™ Connectivity Device, outdoor Version" die nen .
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist die Kommunikationseinrichtung ausge bildet, die Sensormessdaten an eine weitere Kommunikations einrichtung einer weiteren Überwachungsanordnung zu übermit teln. Entsprechend sind die beteiligten Überwachungsanordnun gen ausgebildet, von jeweils anderen Überwachungsanordnungen Daten zu empfangen.
Dieses Vorgehen ermöglicht es in Fällen, bei denen keine Ver bindung zur Server-Einrichtung oder zur Netzleitstelle mög lich ist (schwache Infrastruktur), Daten auch innerhalb der räumlichen Verteilung der elektrischen Anlagen weiterzugeben. Beispielsweise kann dies in einer Substation per W-LAN, WAN, Funk oder per Ethernet erfolgen. Die Weitergabe der Sen sormessdaten findet statt, bis eine Überwachungsanordnung er reicht ist, die eine Verbindung zur Server-Einrichtung und/o der zur Netzleitstelle hersteilen kann. Hierdurch entsteht ein dynamischer Sendepfad. Mit dieser Methode lassen sich auch die effektiven Übergabepunkte in die Datenwolke reduzie ren. Man kann also auch gezielt Überwachungsanordnungen ver bauen, die geplant keine Verbindung zur Server-Einrichtung und/oder zur Netzleitstelle aufbauen können. In einem solchen Fall können alle Überwachungsanordnung einen gemeinsamen Rou ter verwenden, um Kontakt nach außen herzustellen. Im Extrem fall sind die Verbindungspunkte derart limitiert, dass ein Mesh-Netzwerk aufgebaut werden muss. So können auch größeren Distanzen überwunden werden, bevor eine Verbindung zur Ser ver-Einrichtung und/oder zur Netzleitstelle hergestellt wer den kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist zentrale Server-Einrichtung ausgebil det, anhand eines ermittelten Kriechstromes einen Verschmut zungsgrad des Gehäuses zu bestimmen. Anhand des Verschmut zungsgrades kann zusätzlich ein nächster Wartungstermin fest gelegt werden. Diese Ausführungsform ist von besonderem Vor teil, weil in vielen Regionen der Welt durch besonders har sche Umweltbedingungen die isolierenden Betriebsmittelgehäuse stark mit elektrisch-leitfähigen Fremdschichten belastet wer den können. Deswegen lassen Kunden beispielsweise in Ägypten die Gehäuse von Betriebsmitteln mit Porzellanmantel regelmä ßig durch Wartungsteams reinigen, um Sandablagerungen, Salze und dergleichen zu entfernen. Auch von den kanarischen Inseln ist bekannt, dass Kunden bei Polymer-Gehäusen regelmäßige Reinigungseinsätze bzw. Abwaschungen durchführen. Dies dient der Sicherheit der Betriebsmittel, da Fremdschichtentladungen bei verschmutzten Gehäusen vermieden werden können. Aller dings sind solche Einsätze sehr personal-, zeit- und kosten intensiv. Ferner muss aus Gründen der Arbeitssicherheit das betreffende Betriebsmittel spannungsfrei geschaltet werden, was die Verfügbarkeit und Sicherheit des Energienetzes ver ringert. Es ist daher ein großer Vorteil der Erfindung, dass nicht ein zur Sicherheit minimales Reinigungsintervall für alle Betriebsmittel eines Kunden festgelegt werden muss.
Vielmehr kann nun anhand der Kriechstrommessung ein Rückschluss auf einen Verschmutzungsgrad, d.h. z.B. auf Art und Stärke der Fremdschicht durch Vergleich mit Eichmessungen gezogen werden und eine Vorhersage über den weiteren zeitli chen Verlauf der Verschmutzung berechnet werden. Dies ermög licht es, für jedes Betriebsmittel individuell einen War tungszeitpunkt festzulegen, weil z.B. der Verschmutzungsgrad einen zulässigen Schwellenwert überschritten hat. Dies spart Zeit und Kosten ein.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist zentrale Server-Einrichtung ausgebil det, anhand einer Korrelation von gemessenem Leckstrom durch den mindestens einen Varistor mit einer gemessenen Gehäuse temperatur, einen Einfluss von direkter Sonneneinstrahlung auf die Gehäusetemperatur zu bestimmen. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise eine erkennbare Erwärmung des Betriebs mittels an der Außenseite (auch ohne Kenntnis einer direkt gemessenen Varistortemperatur) als unkritisch für die Sicher heit erkannt werden kann, da der Leckstrom im Wesentlichen in einem Erwartungsbereich verharrt und nicht ansteigt. Dies ist ein Vorteil, weil falsche Alarme in Bezug auf die Temperatur des Ableiters vermieden werden können. Auch ohne direkte Mes sung der Temperatur des Varistors kann ein sog. „thermal runaway" des Varistors ausgeschlossen werden.
Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigt die Figur 1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung .
Ein Überspannungsableiter 2 weist in seinem Inneren eine Vielzahl von Varistorenscheiben 8, 10 bzw. spannungsabhängige
Widerstände auf, die zu einer Ableitsäule übereinandergesta- pelt und zwischen zwei Endarmaturen 28 verspannt sind. Die Verspannung wird in einer sogenannten Käfigbauweise mittels Zugelementen 24 hergestellt. Bei den Zugelementen 24 handelt es sich beispielsweise um Stangen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) . Die auf diese Weise verspannte Ableitersäule ist in einem rohrförmigen Gehäuse 25 angeord net, das von einem elektrisch isolierenden Gehäuse 4 mit kriechwegverlängernder Beschirmung umgeben ist. Die kriech wegverlängernde Beschirmung kann beispielsweise aus Silikon kautschuk oder Porzellan hergestellt sein. Hochspannungssei tig weist der Überspannungsableiter 2 einen ersten Anschluss bolzen 26 auf. Erdseitig ist ein zweiter Anschlussbolzen 27 mit einem Erdkabel 36 verbunden. Das Rohr 25 sowie das Iso liergehäuse 4 weisen an einer Stelle eine Aussparung 11 auf, in der ein Sichtfenster 12 vorgesehen ist. Das Sichtfenster 12 ist fluiddicht verschlossen mit einer transparenten und für Infrarotlicht durchlässigen Scheibe, beispielsweise aus einem geeigneten Glas oder Kunststoff.
Der Überspannungsableiter wird auf verschiedenste Betriebspa rameter mittels einer Überwachungsanordnung 1 überwacht.
Diese weist einen ersten Sensor 3 auf, der an dem kriechweg verlängernden Schirm zur Erfassung eines oberflächlichen Kriechstromes angeordnet ist. Dieser erste Sensor 3 ist mit einem Eingang 31 eines Gehäuses 35 verbunden. Ein zweiter Sensor 5 ist zur Erfassung einer am Überspannungsableiter 2 anliegenden Spannung ausgebildet und erfasst das elektrische und/oder magnetische Feld in der Umgebung des Überspannungs ableiters 2. Dieser zweite Sensor 5 ist mit einem Eingang 34 verbunden. Ein vierter Sensor 9 ist zur Erfassung einer Be triebstemperatur eines Varistors 10 vorgesehen. Hierfür weist der Sensor 9 eine Messeinrichtung für Infrarotlicht auf und wird an dem Sichtfenster 11 angeordnet. Der vierte Sensor 9 ist mit einem Eingang 33 verbunden. Ein dritter Sensor 7 ist in der Umgebung des Überspannungsableiters 2 angeordnet und zur Erfassung von akustischen Signalen ausgebildet. Dieser Sensor 7 ist mit einem Eingang 32 verbunden.
In dem Gehäuse 35 der Überwachungsanordnung 1 sind die Ein gänge 30 - 34 über Datenkommunikationsleitungen 37 mit einer Rechnereinrichtung 17 verbunden. Diese weist einen Datenspei cher 14 auf. Die an den Eingängen 30 - 34 ankommenden Sensormessdaten werden zur Rechnereinrichtung 17 übermittelt und dort zusammengefasst sowie für die Übermittlung vorverar beitet. Über eine weitere Datenkommunikationsleitung 37 ist die Rechnereinrichtung 17 mit einer Kommunikationseinrichtung 18 verbunden. Die Kommunikationseinrichtung 18 ist zur Daten übertragung 20 per Funk an eine Cloud-Applikation 19 ausge bildet. Im Gehäuse 35 sind ferner eine Energieversorgung 15, die zur Energiegewinnung über einen Ethernetanschluss 16 aus gebildet ist, sowie ein Energiespeicher 16 vorgesehen. Eine Lebensdauererfassungseinrichtung 6 ist vorgesehen, um vom In betriebnahmezeitpunkt an die Lebensdauer des Überspannungsab leiters 2 zu erfassen und an vorgegebenen Lebensaltern des Überspannungsableiters ein Wartungssignal über eine weitere Datenkommunikationsleitung an die Kommunikationseinrichtung 18 zu übergeben. In der Cloud-Applikation 19, die als eine Servereinrichtung mit dezentralen Ressourcen verstanden wer den kann, werden die Sensormessdaten weiterverarbeitet und beispielsweise im Rahmen eines Flottenmanagements für eine Vielzahl von zu überwachenden Betriebsmittels strukturiert dargestellt. Diese Informationen können mittels einer Daten kommunikation 21 an ein Mobilgerät 22 übergeben werden. Das Mobilgerät ist beispielsweise ein Handy oder Tablet. Dieses verfügt über eine Anzeigeeinrichtung 23, zum Beispiel einen Touchscreen. Ein Wartungstechniker kann auf diese Weise ein fach und ortsungebunden jederzeit den Betriebszustand des Überspannungsableiters 2 ermitteln und gegebenenfalls War- tungs- oder Reparaturmaßnahmen einleiten.
Bisherige Überwachungsanordnungen wie der bekannte „ACM ad- vanced" verfügen nicht über eine Mehrzahl von Eingängen, um verschiedenste Sensormessdaten gleichzeitig erfassen zu kön nen. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber bisherigen Gerä ten .

Claims

Patentansprüche
1. Überwachungsanordnung (1) für ein elektrisches Betriebs mittel ( 2 ) ,
aufweisend, gekennzeichnet durch
einen ersten Sensor (3) zur Erfassung eines oberflächlichen Kriechstromes an einem kriechwegverlängernden elektrisch iso lierenden Gehäuse (4) des Betriebsmittels (2) .
2. Überwachungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der erste Sensor (3) eine elektrisch leitfä hige Elektrode aufweist.
3. Überwachungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Sensor (5) zur Erfassung ei ner am Betriebsmittel (2) anliegenden Spannung ausgebildet ist, wobei der zweite Sensor (5) das elektrische und/oder das magnetische Feld in der Umgebung des Betriebsmittels (2) aus wertet .
4. Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lebensdauerer fassungseinrichtung (6) vorgesehen ist, die vom Inbetriebnah mezeitpunkt an die Lebensdauer des Betriebsmittels (2) er fasst und an vorgegebenen Lebensaltern des Betriebsmittels (2) ein Wartungssignal abgibt.
5. Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Sensor
(7) zur Erfassung von akustischen Signalen in der Umgebung des Betriebsmittels (2) ausgebildet ist.
6. Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel einen elektrischen Isolator aufweist.
7. Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel einen Überspannungsableiter (2) mit mindestens einem Varistor ( 8 , 10) aufweist .
8. Überwachungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus Messdaten des zweiten Sensors dritte harmonische Oberschwingungen ermittelt werden, anhand derer ein Alterungsgrad des mindestens einen Varistors bestimmt wird.
9. Überwachungsanordnung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Sensor (9) zur Erfassung ei ner Betriebstemperatur eines Varistors (10) vorgesehen ist.
10. Überwachungsanordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, dass
der Überspannungsableiter (2) ein Gehäuse (4) mit einem
Sichtfenster (11) aufweist, das mit einem transparenten und infrarot-lichtdurchlässigem Material (12) versehen ist, und dass
der vierte Sensor eine Messeinrichtung (8) für Infrarotlicht aufweist .
11. Überwachungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein fünfter Sensor (13) zur Erfassung eines Leckstromes des Überspannungsableiters (2) vorgesehen ist.
12. Überwachungsanordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, dass der fünfte Sensor ausgebildet ist, einem Gesamtleckstrom zu erfassen, der sich aus einem Leckstrom durch den mindestens einen Varistor und einem Kriechstrom über das isolierende Gehäuse zusammensetzt.
13. Überwachungsanordnung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der fünfte Sensor zur Erfassung von Gleichströmen und Wechselströmen ausgebildet ist.
14. Überwachungsanordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, dass der fünfte Sensor einen ohmschen Wider stand und eine Funkenstrecke aufweist, wobei zur Gleichrich tung von Wechselströmen ein Gleichrichter vorgesehen ist.
15. Überwachungsanordnung (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der fünfte Sensor eine Hall- Sonde aufweist.
16. Überwachungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein sechster Sensor zur Er fassung einer Dichte eines elektrisch isolierenden Schutzga ses ausgebildet ist.
17. Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Datenspeicher
(14) zur Speicherung der von den Sensoren erfassten Messwer ten vorgesehen ist.
18. Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieversor gung (15) vorgesehen ist, die zur Energiegewinnung über einen Ethernet-Anschluss (16) ausgebildet ist.
19. Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeicher
(16) zur Energieversorgung vorgesehen ist.
20. Überwachungssystem, gekennzeichnet durch
- ein elektrisches Betriebsmittel (2), und
- eine Überwachungsanordnung (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, und - eine Kommunikationseinrichtung (18) zur Übermittelung von Daten an eine zentrale Server-Einrichtung (19), und
- eine zentrale Server-Einrichtung (19), die zum Empfang und zur Auswertung der Daten ausgebildet ist.
21. Überwachungssystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich net, dass die Kommunikationseinrichtung (18) ausgebildet ist, die Daten auf mindestens eine der folgenden Arten zu übermitteln: per Ethernet, USB, Serial interface lx RS485, IEC 61850 Standard, Funk, GSM, 2G, 3G, 4G, 5G, long ränge ra- dio, NFC, Bluetooth, W-LAN, Lichtwellenleiter, powerline-com- munication, Modbus, Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP.
22. Überwachungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich- net, dass die zentrale Server-Einrichtung (19) ausgebildet ist, anhand eines ermittelten Kriechstromes einen Verschmut zungsgrad des Gehäuses zu bestimmen.
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