FI119405B

FI119405B - Laitteisto sähköisten liitosten kunnonvalvontaan

Info

Publication number: FI119405B
Application number: FI20065125A
Authority: FI
Inventors: Erkki Miettinen
Original assignee: Abb Oy
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2008-10-31
Also published as: EP1821108A1; FI20065125A; FI20065125A0; US20070207656A1

Description

119405

Laitteisto sähköisten liitosten kunnonvalvontaan

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy sähköisten liitosten kunnonvalvontaan ja erityisesti laitteistoon kaapelien ja kiskostojen tai vastaavien välisten liitosten vikaantu-5 misten havaitsemiseen.

Teollisuudessa ja rakennuksissa on yleisesti tarvetta suurivirtaisille sähkölaitteille, joissa on tyypillisesti kaapeleiden ja laitteen liittimien välisiä pult-tiliitoksia. Esimerkkinä tässä tarkoitetusta laitteesta on suuritehoinen taajuus-muuttaja. Koska nämä liitokset tehdään laitteen asennusvaiheessa, on mah-10 dollista, että liitoksen kiristys jää vaillinaiseksi, jolloin kasvavan ylimenovastuk-sen vaikutuksesta liitoksessa alkaa kehittyä lämpöä. Lämpeneminen puolestaan voi johtaa rakenteiden vaurioitumiseen ja ääritapauksessa jopa tulipaloon eristeiden syttyessä.

Tämän vuoksi ainakin tärkeimmissä ja keskeytyksille herkimmissä 15 kohteissa on tapana aika ajoin suorittaa mainittujen liitosten lämpökameraku-vaus, mikä paljastaa muista liitoksista poikkeavat lämpenemiset.

Lämpökuvaus on, paitsi laitteiden korkean hinnan vuoksi kallista, myös jossain määrin vaarallista ja hidasta, sillä lämpökuvausta varten joudutaan tyypillisesti avaamaan sekä kuvattavan laitteen sisältävän kaapin ovi että 20 poistamaan kosketussuojia tms., vaikka laite on jännitteinen ja kuormitettu • 1 : lämpenemän havaitsemisen mahdollistamiseksi. Lisäksi nykyaikaiset laitteet ja • · :.1·· kaapit ovat rakenteeltaan niin tiukkoja, että kaapeleiden liitännät on monasti *:**: pakko sijoittaa sellaisiin kohteisiin, että niiden lämpökuvaus vaatii peilejä tai : :1: muita erikoisjärjestelyltä.

• «f · ; 25 Mainittujen hankaluuksien ja riskien takia laitetason lämpökuvaus • t · .1··. suoritetaan vain ehkä kerran vuodessa, mikä ei useinkaan riitä paljastamaan nopeasti kehittyvää liitosvikaa, vaan laite ja kaapelit saattavat tuhoutua ja tuo-tantoprosessi sen seurauksena keskeytyä päiviksi tai jopa viikoiksi. On selvää, että syntyvien vahinkojen suuruus saattaa ylittää moninkertaisesti laitteiston ja • 1 · *"** 30 kaapelointien hinnan.

• · * · ♦ * ♦ ♦ .···. Keksinnön lyhyt selostus • ·

Keksinnön tavoitteena on siten kehittää laitteisto, joka mahdollistaa • ♦ · : ·[ liitosten kunnon tarkkailemisen aikaisempaa luotettavammin ja turvallisemmin.

’ Keksinnön tavoite saavutetaan järjestelmällä, jolle on tunnusomaista se, mitä 2 119405 sanotaan itsenäisessä patenttivaatimuksessa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, liitosten lämpötiloja valvotaan liitoskohtai-sesti, jolloin yksittäisen liitoksen lämpötilan poikkeaminen muista saman järjes-5 telmän liitoksista indikoi liitoksen vikaantumisen.

Keksinnön mukaisen järjestelmän etuna on merkittävästi parantuva turvallisuus, sillä keksinnön mukainen toiminta ei vaadi mitään laitteisiin kohdistuvia silmämääräisiä tarkastuksia. Lisäksi myös alkavat viat voidaan havaita ajoissa, sillä mittaustiheys voidaan moninkertaistaa aikaisempaan verrattuna, 10 ja mittaus voidaan suorittaa jopa reaaliaikaisena. Liitosviat on lisäksi helppo havaita niin ajoissa, että korjaustoimenpiteet voidaan ajoittaa ajankohtaan, mikä vähiten häiritsee tuotantoa tai vastaavaa.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yh-15 teydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa:

Kuvio 1 esittää keksinnön järjestelyn erään suoritusmuodon mukaista piiriratkaisua;

Kuvio 2 esittää kuvion 1 piiriratkaisun lähtötaajuutta lämpötilan funktiona; ja 20 Kuvio 3 esittää esimerkkiä keksintöä soveltamalla menetelmällä • · määritetyistä lämpötiloista ajan funktiona.

• · • · · • · · j Keksinnön yksityiskohtainen selostus • *#» : .·. Suurivirtaisten laitteiden sähköiset kaapeliliitännät sijoitetaan tavaili- • · · "V sesti laitteen laidoille sijoitettuihin Iiitäntäkiskoihin, jotka lepäävät eristeaineesta 25 ruiskupuristetun eristeblokin varassa. Kiskossa on tavallisesti liitäntäpultti, jon-’*··* ka kanta on kiskon alapuolella, upotettuna eristeblokkiin siten, ettei se pääse pyörimään liitosta kiristettäessä. Virran kulkiessa tämän liitoksen läpi, liitoksen ylimenovastuksessa syntyvä lämpö siirtyy sekä kiskoon että kaapeliin. Hyvän ··· termisen kontaktin ansiosta myös pelkästään kaapelissa, esimerkiksi huonos-30 sa kaapelikenkäliitoksessa syntyvä lämpö on havaittavissa kiskon kautta.

.···. Erään menetelmän mukaisesti jännitteiseksi kytketyn laitteen liittimi- *·* en liitoksen kuntoa voidaan määrittää siten, että määritetään sellaisten liittimi- • ·* en lämpötilaa, joissa liittimissä kulkee oleellisesti samansuuruinen virta. Tällai- siä liittimiä ovat esimerkiksi kolmivaiheisen laitteen, kuten kolmivaiheisen taa-35 juusmuuttajan syöttökaapeleiden ja taajuusmuuttajan sisäisen johdotuksen vä- 3 119405 liset liitokset. Tällaiset sisäiset johdotukset suoritetaan tunnetulla tavalla tyypillisesti käyttämällä jäykkiä virtakiskoja. Muita kohteita taajuusmuuttajaa ajatellen voivat olla esimerkiksi liitännät taajuusmuuttajan välipiirissä ja lähdössä.

Tämän menetelmän mukaan edelleen verrataan liittimien lämpötilo-5 jen eroja. Tämä lämpötilojen vertaaminen voidaan suorittaa varta vasten suunnitellulla laitteella, mutta edullisimmin kyseinen vertailu suoritetaan siinä laitteessa, jonka liitäntöjen lämpötiloja määritetään. Laitteen ollessa esimerkiksi taajuusmuuttaja, joka sisältää jo muutoin laskentakapasiteettia, ei tällaisen vertailun toteuttaminen vaadi lisättyä prosessoria tai muuta vastaavaa kompo-10 nenttia. Lämpötilojen vertaaminen voidaan suorittaa yksinkertaisesti määrittämällä eri vaiheista mitattujen lämpötilojen välisiä erotuksia tai näiden erotusten itseisarvoja. On selvää, että lämpötilojen erojen vertaaminen voidaan suorittaa usealla erilaisella tavalla.

Menetelmän mukaisesti edelleen havaitaan liittimien lämpötilaeron 15 kasvaminen indikaationa laitteen liittimien liitoksen vikaantumisesta. Tämä havaitseminen suoritetaan edullisesti samassa elimessä lämpötilaerojen vertaamisen kanssa, eli esimerkiksi käyttäen tarkkailtavan laitteen prosessoria. Lämpötilaeron kasvamisen havaitseminen voidaan toteuttaa vertailun perusteella siten, että havaitaan eri vaiheiden lämpötilojen erotuksen tai erotuksen it-20 seisarvon kasvaminen. Käytännön toteutuksessa muistiin voidaan tallettaa mittausarvoja, ja näiden mittausarvojen perusteella voidaan havaita erotuksen : muutos aikaisempaan erotukseen verrattuna.

• · \*·: Havaitseminen voidaan toteuttaa myös siten, että tarkkaillaan läm-

Potilojen trendejä, ja jonkin trendin poiketessa muista lämpötilatrendeistä ha-25 vaitaan lämpötilaeron kasvaminen. On selvää, että havaitseminen voidaan : suorittaa vaihtoehtoisesti esimerkiksi lämpötilojen derivaattoihin perustuen tai • · · ;**·. tarkkailemalla määritettyjen absoluuttisten lämpötilojen muutoksia, ja näiden muutosten keskinäisiä poikkeavuuksia.

On huomattava, että koska metalliset virtajohtimet johtavat lämpöä • · « 30 hyvin, voidaan menetelmällä havaita vikaantuminen myös kaapelin ja kaapelin *':** kengän liitoksen välillä, vaikka lämpötilaa määritettäisiin virtakiskossa.

v Keksinnön mukaisesti kunkin kytkentäkiskon ja eristeblokin väliseen rakoon on sijoitettu lämpötilaa määrittävä elin, kuten lämpötila-anturi, jota käyt- ··]·. täen on mahdollista tarkkailla kaikkien liitosten lämpötiloja, ja tarkemmin sanot- * i * \ 35 tuna liitosten välisiä lämpötilaeroja, sen havaitsemiseksi, onko jossakin liitok sista havaittavissa muista vastaavista poikkeavaa lämpötilan nousua merkkinä 4 119405 uhkaavasta vauriosta. Keksinnön mukaisessa järjestelyssä käytettäväksi lämpötila-anturiksi kelpaa myös halpa ja epätarkka tai epälineaarinen komponentti, koska järjestelyn suhteen ainoastaan suhteelliset erot samalla virralla kuormitettujen liitäntöjen välillä ovat merkitseviä.

5 Taajuusmuuttajissa on tyypillisesti olemassa tehoasteen ohjaus- elektroniikkaa, joka sijaitsee joko miinuskiskon tai DC-välipiirin keskipisteen potentiaalissa, mitkä kuuluvat pääpiirin potentiaaleihin. Tähän elektroniikkaan on helppoa ja edullista lisätä osa, jonka avulla liitäntäkiskojen lämpötila-antureiden signaalit voidaan muuttaa sellaiseen muotoon, että niitä voidaan 10 käsitellä digitaalisina tietoina joko suoraan kyseisessä potentiaalissa tai sitten tiedot voidaan välittää muun tietoliikenteen joukossa ulkoiseen tietojenkäsittelyresurssiin uhkaavien vikatilanteiden analyysiä varten. Keksinnön järjestelyä voidaan siten yksinkertaisella tavalla soveltaa taajuusmuuttajien yhteydessä.

On selvää, että ulkoinen tietojenkäsittelyresurssi voi myös olla yh-15 teydessä esimerkiksi internetin kautta laitteiden huollosta vastaavaa yritykseen, jolloin kunkin valvottavan laitteen kaikkien liitäntäkiskojen lämpötiloja seurataan reaaliaikaisesti - vaikka useita kertoja tunnissa - ja niistä automaattisesti kertyvien trendien mukaan on helppo asettaa kriteerit hälytyksille.

Keksinnön mukainen järjestely on edullisimmin sovellettavissa teol-20 lisesti valmistettavan uuden laitteen, esimerkiksi taajuusmuuttajan, yhteydessä, mutta keksinnön periaate on sovellettavissa myös jo olemassa oleviin lait- : teisiin.

• ·

Keksinnön mukaisessa järjestelyssä lämpötila-anturi tai lämpötilaa määrittävä piiriratkaisu sijoitetaan edullisesti liitäntäkiskojen päitä tukevien eris- ; 25 tetukikappaleiden ja liitäntäkiskojen väliin. Tätä tarkoitusta varten eristetuki- :kappaletta muotoillaan siten, että se voi vastaanottaa tällaisen anturin. Keksin-··· ····. nön edullisen suoritusmuodon mukaan lämpötilaa määrittävä piiri on muodos tettu piirilevylle siten, että komponentit on sijoitettu piirilevyn yläpinnalle ja piiri-levyn alapinta on kosketuksessa virtakiskoon. Kun piirilevy on lisaKsi RäRsipucP-^^^T- • · · 30 linen levy, jossa myös alapinnalla on kuparointi, siirtyy virtakiskon lämpö luotet-tavasti levyn yläpinnalle, jossa varsinainen mittaus suoritetaan. Kaksipuolisella • · :,v piirilevyllä on myös tietty eristelujuus, joten sen alapinnan yhdistäminen suoli^: raan jännitteiseen virtakiskoon ei tuota ongelmia eristyksen suhteen.

•v. Eristetukikappaleeseen tehtävä syvennys piirikorttia varten myös • * 35 suojaa anturia ulkoisilta vaikutteilta, ja toimii siten kotelointina anturille ja pitää anturia tukevasti paikallaan.

5 119405

On selvää, että lämpötilan määrittäminen liitosten yhteydessä voidaan suorittaa valmiilla kaupallisilla antureilla. Nämä komponentit ovat kuitenkin kalliita, koska ne on tyypillisesti toteutettu määrittämään tarkkaa absoluuttista lämpötilaa. Keksinnön mukaisessa järjestelyssä voidaan kuitenkin käyttää 5 epätarkkoja lämpötilaa määrittäviä elimiä, sillä absoluuttinen lämpötila ei ole keksinnön kannalta merkittävä keksinnön perustuessa mitattujen lämpötilojen suhteisiin.

Tyypillisiä edullisimpia komponentteja lämpötila mittaukseen ovat NTC-vastus ja signaaiidiodin liitosjännite. Näistä ensin mainittu on erittäin epä-10 lineaarinen, kun taas jälkimmäisen signaali on pieni ja sitä kautta herkkä häiriöille. Lisäksi on käytettävissä erilaisia ja edellä mainittuja huomattavasti kalliimpia kaupallisia komponentteja, jotka muuttavat tuntemansa lämpötilan joko jännitteeksi, virraksi, taajuudeksi tai suoraan digitaaliseen muotoon. Koska mittaustuloksia on edullisesti voitava käsitellä digitaalisesti, tarvitaan signaalin di-15 gitointi, jolloin etulyöntiasemassa ovat anturikomponentit, jotka antavat suoraan digitaalista signaalia.

Kuviossa 1 esitetään esimerkki keksinnön järjestelyssä käytettävästä lämpötilaa määrittävästä piiriratkaisusta. Kuviossa 1 on toteutettu sinänsä tunnettu kytkentä, missä on käytetty schmitt-triggeri-invertterillä, kondensaatto-20 rilla ja NTC-vastuksella muodostettua oskillaattoria, jonka lähtösignaali on suoraan digitaalisessa muodossa. Kytkentä voidaan toteuttaa pintaliitoskom-·’·! · ponentein ja ilman läpivientejä pienelle piirilevyn kappaleelle, joka sijoitetaan :.*'i mitattavan liitäntäkiskon alle siten, että piirilevyn takapinta on painuneena kis- koa vasten ja komponentit ovat eristeblokin onkalossa edellä kuvaillulla tavalla. 25 Tuolloin sekä piirilevy että sillä olevat komponentit noudattavat melko tarkasti : kiskon lämpötilaa. Piirilevy muodostaa tarvittavan eristyksen kiskon ja mittaus- :*"· piirin välille ja ryömintäväli voidaan mitoittaa piirilevyn ulkomittoja muuttamalla.

··«

Koska NTC-vastuksen resistanssi noudattaa lämpötilan suhteen eksponentiaalista riippuvuutta, ei resistanssia ole helppoa käyttää suoraan • · · 30 lämpötilan indikaattorina. Yhdistettynä kuitenkin oskillaattoriin sekä käyttämällä • · **.* yhtä ylimääräistä linearisointivastusta, on toteutettavissa piiriratkaisu, jolla • · :.v päästään vain muutaman asteen suuruiseen epälineaarisuuteen tyypiliisimmäl- lä mittausalueella +20 ... +140 astetta. Kuvio 2 esittää kuvion 1 oskillaattorin :v. lähtötaajuutta erään NTC-vastuksen lämpötilan funktiona. Kuvion 1 oskillaatto- • · 35 rin IShtötaajuus siis kasvaa lämpötilan noustessa.

• · 6 119405

Kun oskillaattorin taajuus johdetaan laskuriin, jonka porttiaika on säädetty sopivaksi, on kertynyt pulssimäärä suoraan verrannollinen valvottavaan lämpötilaan kuvioiden 1 ja 2 esittämässä tapauksessa. Esitetyllä oskillaattorilla onkin edullista käyttää yhden millisekunnin porttiaikaa, jolloin lasku-5 riksi riittää kahdeksanbittinen binäärilaskuri. Silloin jokainen laskuriin kertynyt pulssi vastaa yhtä astetta. Tällainen laskuri on erityisen helppoa ja edullista lisätä kullekin mitattavalle kanavalle erikseen esimerkiksi muusta valvottavan laitteen ohjauselektroniikasta huolehtivalle FPGA- tai ASIC-piirille, jolloin ei tarvita mitään ulkoisia multipleksereitä tai vastaavia valintapiirejä. Käytännössä 10 teholiitosten laadun valvonnasta syntyvät kustannukset rajoittuvatkin anturin sekä sen liittimen ja johtimen hintaan.

Kuviossa 3 on havainnollisuuden vuoksi esitetty kolmen liitoksen lämpötilaa Tu, Tv, Tw, jotka on määritetty keksintöä soveltavan menetelmän mukaisesti. Kuten kuviosta 3 ilmenee, esimerkin lämpötilanmäärityksessä on 15 käytetty absoluuttisella asteikolla epätarkkoja lämpötilanmääritysvälineitä, joten tarkkaa lämpötilan arvoa mistään liitoksesta ei tiedetä, ja kaikki lämpötilat poikkeavat toisistaan offset-virheen vuoksi. Kuvion 3 esimerkissä on ajateltu, että laitteen, kuten taajuusmuuttajan, liitokset ovat aluksi ympäröivän tilan lämpötilassa, ja hetkellä to taajuusmuuttajaa aletaan kuormittaa. Kaikkien vaiheiden 20 liitosten lämpötilat käyttäytyvät oleellisesti samalla tavoin, eli kuormituksen kasvaessa liitosten lämpötilat nousevat oleellisesti samalla nousunopeudella.

: Liitosten lämpötila saavuttaa oleellisesti vakiolämpötilan noin hetkel- • · V·: lä ti kuormituksen ollessa esimerkissä tasaista, ja offset virheestä johtuen eri vaiheiden liitosten lämpötilat poikkeavat toisistaan oleellisesti saman verran : 25 kuin alkuhetkellä to.

··· · : :*· Hetkellä t2 yhden liitoksen lämpötila Tv alkaa kuitenkin nousta mui- .***. den liitosten lämpötiloista poiketen. Muutoksesta muiden liitosten lämpötilojen suhteen, lämpötilojen derivaattojen eroista tai muista vastaavista seikoista voi- 'V. daankin havaita poikkeava lämpenemä kyseisessä liitoksessa. Muutoksen ha- • · · 30 vaitsemisen perusteella voidaan kyseiset liitokset omaava laite sammuttaa jos ’*:** siihen on mahdollisuus, tai jatkaa lämpötilojen tarkkailua mahdollisesti kuormit- v.: lamalla kyseistä laitetta pienemmällä kuormalla.

Kuvion 3 yksinkertaistettu esimerkki on tarkoitettu etupäässä valai- ··*·, semaan sitä seikkaa, että menetelmässä käytettävien lämpötilaa määrittävien • * ' \ 35 välineiden ei tarvitse olla absoluuttisen tarkkoja, sillä poikkeamat liitoksen läm- Λ · 7 119405

Potiloissa suhteessa muiden liitosten lämpötiloihin pystytään havaitsemaan myös epätarkoilla välineillä.

Edellä keksinnön järjestelyä on kuvailtu toteutetuksi erilliskom-ponenteista muodostetun lämpötilanmäärityspiirin yhteydessä. On kuitenkin 5 selvää, että keksinnön järjestely voidaan toteuttaa käyttäen myös kaupallisesti saatavilla olevia lämpötilanmittausantureita. Myös ylläesitetty piiriratkaisu on esitetty eräänä mahdollisuutena lämpötilanmittauspiirin toteuttamisesta. Onkin selvää, että kyseisen kaltainen piiri voidaan toteuttaa monin eri tavoin.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voidaan 10 toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

• · • t * • · · ·*· i • » • · * • ·· • · • · • · « · · • * · ♦ ·· « * • · * • * · ·»· ··· • m a · aa· • · • · * • · · • a • · • a a·· • • * • * t • · · • * aaa • · • a a·· • • a a • · 9 • · • - a a a a

Claims

119405

1. Järjestely sähkölaitteen liittimien liitoksen kunnon määrittämiseksi käsittäen lämpötilanmääritysvälineet, jotka on sovitettu määrittämään sähkö-5 laitteen liittimien lämpötiloja (Ty, Tv, Tw) sellaisista liittimistä, joiden kautta on tarkoitettu kulkemaan oleellisesti samansuuruiset virrat, ja on sijoitettu sähkölaitteen virtakiskoon liitoskohdan läheisyyteen, lämpötilojen vertailuvälineet, jotka on sovitettu vertailemaan liittimien lämpötilojen eroja, ja 10 välineet liittimien lämpötilaerojen kasvamisen havaitsemiseksi indi kaationa sähkölaitteen liittimien liitoksen vikaantumisesta, tunnettu siitä, että lämpötilanmääritysvälineet on muodostettu piirilevyille, joiden alapinnat ovat kosketuksessa sähkölaitteen virtakiskoihin ja joiden yläpinnoille on muodostettu lämpötilaa määrittävät kytkennät, jolloin kukin piirilevy on sovitettu 15 tuottamaan eristyksen virtakiskon ja mainitun kytkennän välille.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että lämpötilanmääritysvälineet on sijoitettu liitoskohdan läheisyyteen.

3. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että välineet liittimien lämpötilaeron kasvamisen havaitsemi- 20 seksi on sovitettu havaitsemaan yhden liittimen lämpötilan poikkeamisen muiden liittimien lämpötiloista. ί·ί 1 4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1 - 3 mukainen järjestely, V·: tunnettu siitä, että järjestely käsittää lisäksi välineet hälytyssignaalin tuot- ***" tamiseksi vasteellisena liittimien lämpötilaeron kasvamiselle.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, et- : tä piirilevy on sijoitettu kosketukseen sähkölaitteen virtakiskoon siten, että piiri- levy sijaitsee virtakiskoa tukevan eristekappaleen sisällä. ···

6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1-5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että sähkölaite on taajuusmuuttaja.

7. Taajuusmuuttaja, joka käsittää jonkin edeltävän patenttivaatimuk- • · T sen 1-6 mukaisen järjestelyn. • t * « · t · · • · ··· t · • · «·· «· t • · · • · • · »1··· • t 119405