NO325439B1 - Jordfeilovervåking - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører stabil drift av elektrisk kraftdistribusjon i undervannsomgivelser.

Mer spesielt vedrører oppfinnelsen tilstandsovervåking i systemer som fordeler elektrisk kraft i undervannsinstallasjoner.

Det er tidligere kjent å benytte måleinnretninger for å overvåke isolasjonsmotstanden i elektriske kraftforsyningssystemer med en isolert nøytralleder, se for eksempel US patent nr. 5,272,440 hvor det er beskrevet en isolasjonsovervåker som er elektrisk koplet mellom jord og en isolert nøytralleder i en transformator som forsyner elektrisk vekselspenning. Det er også beskrevet hvordan det på de enkelte forsyningsledere er anbrakt toroidbaserte strømmålingskretser basert på flere transformatorer plassert foran hver belastningskrets, og hvordan isolasjonsovervåkeren og strømmålingskretsene benyttes til å måle og lokalisere feil i forsyningssystemet.

I nevnte US-patent er ikke selve isolasjonsovervåkningsenheten beskrevet i detalj, men det vises til et annet patent, US patent nr. 5,101,160 for eksempel på en typisk isolasjonsovervåkingskrets som omfatter en digital signalprosessor til bruk for å foreta en isolasjonsovervåkning.

Disse løsningene er ikke særlig godt egnet til overvåkning i undervannsinstallasjoner, ettersom de inneholder mange komponenter, og ingen av disse løsningene gir god isolasjon av tre-fase utstyr som kobles til en sekundærside på en transformator, noe som ville vært svært fordelaktig for en undervannsanvendelse.

I den tyske patentpublikasjonen DE 41 40 556 Al er det beskrevet en løsning som også berører dette området. Denne publikasjonen omhandler en anordning for å detektere og overvåke jordfeil ved hjelp av fasevinkelmåling.

I US-patent US 2,342,800 er det beskrevet et jordingssystem for en generator som skal begrense eller forhindre en falsk indikasjon av en jordfeil og å forhindre farlige overspenninger som kan forårsakes av flere omstendigheter.

Der er således et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en enkel og driftssikker løsning for isolasjonsovervåking av sekundærsiden i en kraftforsyning for en undervannsinstallasjon, som ivaretar isolasjon av utstyret som er tilkoplet på en best mulig måte.

Ifølge et første aspekt ved foreliggende oppfinnelse oppnås ovennevnte formål ved en anordning for å detektere og overvåke jordfeil i installasjoner i undervannsomgivelser som omfatter en feildeteksjonsinnretning for tilkopling til et elektrisk kraftforsyningssystem der en første hovedtransformator har en galvanisk skilt primærside og sekundærside. Den første hovedtransformatoren transformerer en forsyningsspenning som tilføres primærsiden fra en ekstern kilde til en internspenning på sekundærsiden for forsyning til en første kraftforbruksenhet i en undersjøisk installasjon, der feildeteksjonsinnretningen er kjennetegnet ved en spenningsmålingskrets koblet mellom den første hovedtransformatorens nulleder og jord (chassis/sjø/havbunn), der spenningsmålingskretsen er innrettet til å danne et jordfeilsignal på en utgang som er galvanisk skilt fra koblingen til nevnte nulleder, derigjennom indikerende på nevnte utgang en eventuell elektrisk jordfeil på den første hovedtransformatorens sekundærside og en krets som forsynes fra nevnte sekundærside.

I en spesielt foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen omfatter feildeteksjonsinnretningen en måletransformator med en primærvikling koblet mellom den første hovedtransformatorens nulleder og jord, og der en spenning dannet over måletransformatorens sekundærvikling representerer et feilsignal som indikerer en eventuell elektrisk jordfeil på den første hovedtransformatorens sekundærside.

I enda en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen er måletransformatoren anbrakt innenfor et første hus/innkapsling, typisk et ytre koblingskammer, som omgir hovedtransformatoren.

I nok en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen er måletransformatoren anbrakt innenfor et andre hus/innkapsling som omgir en forbruksenhet som er tilkoplet hovedtransformatorens sekundærside og der nevnte forbruksenhet har en elektrisk forbindelse til nullederen i hovedtransformatorens sekundærside.

I nok enda en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen er måletransformatoren tilkoplet en instrumenteringsenhet som er tilpasset for å aktivere gitte funksjoner ved deteksjon av et feilsignal fra måletransformatoren.

I en ytterligere foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen er instrumenteringsenheten anbrakt som en del av en undervannsinstallasjon, eksempelvis en undervannsinstallasjon som anvendes for kontroll og overvåkning av annet undervannsutstyr.

I nok enda en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen er instrumenteringsenheten anbrakt utenfor nevnte undervannsomgivelser, eksempelvis på en båt, plattform eller på land.

I enda en ytterligere foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen er måletransformatoren utstyrt med en fiberoptisk signalutgang og er koplet til kontrollenheten via en fiberoptisk forbindelse, eksempelvis en fiberoptisk kabel.

I nok enda ytterligere foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen er en strømtransformator tilkoplet en av fasene på hovedtransformatorens sekundærside for overvåking av en driftsstrøm til en forbruksenhet tilkoplet sekundærsiden.

Ytterligere enda en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen omfatter minst en tilleggsvis måletransformator for overvåking av minst en andre hovedtransformator på samme måte, der nevnte andre hovedtransformator er anbrakt utenfor nevnte undervannsomgivelser, eksempelvis på en båt, plattform eller på land.

Enda en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen omfatter minst en andre forbruksenhet koplet til en av hovedtransformatorene og er anbrakt utenfor nevnte undervannsomgivelser, eksempelvis på en båt, plattform eller på land.

I et andre aspekt ved oppfinnelsen er et elektrisk kraftforsyningsanlegg for å forsyne elektrisk kraft til en undervannsinstallasjon utstyrt med en anordning for å detektere og overvåke jordfeil i som gitt ved første aspekt ved oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet i ytterligere detalj med henvisninger til den ene figuren;

FIG. 1 illustrerer tilkoblingen av en måletransformator til hovedtransformator i et kraftforsyningssystem beregnet for undervannsinstallasjoner.

Det er vist en hovedtransformator på FIG. 1 som består av en primærside 1 og en sekundærside 2. Det tilføres elektrisk kraft ved en spenning fra en ekstern elektrisk kraftforsyningsenhet 10, vanligvis plassert på en oljeplattform til havs eller på land, til transformatorens primærside Lip, L2p og L3p. Den tilførte spenningen transformeres normalt til en annen utgangsspenning på transformatorens sekundærside Lis, L2s og L3s. Vanligvis tilføres en høy primærspenning som i transformatoren omformes til en sekundærspenning som er lavere enn primærspenningen. For å nyttiggjøre seg av denne oppfinnelsen er det enklest at hovedtransformatoren 1,2 er Y-koblet på sekundærsiden 2. Dersom en deltakoblet hovedtransformator må brukes på grunn av andre hensyn tilføyes ny(e) transformator(er) som skaper dette Y-punkt. Alternativt er viklinger for å skape Y-punkt inkludert i måletransformator 3.

For en undervannsinstallasjon er isolasjonstilstanden på sekundærsiden 2 av stor viktighet. Undervannsutstyr 20A tilkoples sekundærsiden 2, og det er vesentlig å kunne overvåke utstyrssiden av transformatoren, ettersom selve utstyret kan være en vesentlig kilde til feil i slike systemer, og en kan fa oppdaget og reparert en jordfeil slik at man minimaliserer driftsstanstiden.

I følge foreliggende oppfinnelse koples derfor en spenningsmålingskrets i form av en måletransformator M slik at en første vikling Mi er koplet mellom nullpunktet N på sekundærsiden 2 av transformatoren og jord J. Dersom det blir jordfeil vil en spenning oppstå over den første viklingen Mi i måletransformatoren som genererer en tilsvarende spenning i en andre vikling M2 i måletransformatoren M. De to viklingene Mi,M2 i måletransformatoren er galvanisk atskilt, noe som gjør at det kan tilkoples en overvåkningsenhet eller instrumenteringsenhet 30 til en andre vikling på måletransformatoren M. Den enkleste plasseringen av måletransformatoren M vil ofte være inne i et ytre koblingskammer som omgir kabeltilkoblingen av hovedtransformatorens tilkoblinger Lis, L2s og L3s. Kamre 40A og 40B kan være separate kamre eller et felles kammer. Måletransformatoren M kan imidlertid i enkelte utførelsesformer av oppfinnelsen også være anbrakt inne i den indre kapsling/hus 100 som omgir hovedtransformatoren, i de tilfeller der dette er enklere og bedømt som like driftssikkert. I det indre huset er det mer direkte tilgang til trefaseforsyningens nullpunkt eller Y-punkt. I noen utførelsesformer kan det være enklest å installere måletransformator M i egen kapsling eller i forbruksenheten 20.

Måling av strøm på hovedtransformatorens sekundærside 2 er i mange tilfeller fordelaktig, ettersom måling på tilførselssiden 10 kan gi betydelig unøyaktighet på grunn av fasebalanse, fasebrudd og ladestrøm i de vanligvis ganske lange kabler mellom tilførselssiden 10 og hus 100 og andre driftsforhold.

Elektriske kraftdistribusjonssystemer med isolert 0-punkt er fordelaktig å bruke på undersjøiske anlegg, ettersom det da er mulig å unngå å stenge ned det undersjøiske anlegget selv om jordfeil skulle oppstå på en fase. Ved å få jordfeilvarsel kan en planlegge å sende fartøy ut for å reparere feil når dette passer best for driften av anlegget, og når reparasjon er kostnadsoptimalt.

Foreliggende løsning gir en svært enkel løsning som kan realiseres med få og robuste komponenter. I undersjøiske installasjoner er dette et svært viktig moment, ettersom tilgjengeligheten etter plassering av installasjonen på dypt vann ikke er særlig enkel.

Hovedspenningstransformatoren 1,2 vil i normal drift (når alle tre faser har høy isolasjonsmotstand) ha samme spenning på alle faser, og spenningen mellom nullpunktet og jord vil normalt være null. Skulle jordfeil oppstå vil måletransformatoren M få en spenning over den første viklingen Mi som normalt er begrenset til fasespenningen (maksimal spenning) på sekundærsiden 2. En tilsvarende spenning vil da dannes over måletransformatorens andre vikling M2 som svarer til den feilspenningen som opptrer over den første viklingen Mi. Spenningen over den andre viklingen M2 kan så avføles av en kontrollenhet 30 som er koplet til denne andre viklingen M2. Måletransformatoren M gir galvanisk isolasjon mellom en kontrollenhet 30 og hovedtransformatorens sekundærside 2 og det der tilkoplede utstyr 20A, 20B. Valg av målenøyaktighet på måletransformatoren M kan foretas ut fra kravet til robusthet for denne.

Måletransformatoren M kan i en utførelsesform av oppfinnelsen kombineres med minst en tilleggsvis strømtransformator 50 i en eller flere faser på sekundærsiden 2 av hovedtransformator 1,2. Med en eller flere slike tilleggsvise strømtransformatorer 50, fortrinnsvis en på hver av fasene, koplet til kontrollenheten 30, vil man i tillegg til feilovervåkingen også kunne avlese størrelsen på den elektriske strøm som går til hver forbruksenhet 20A (tilkoplet utstyr).

Ved å kombinere avføling av strømtransformatorspenningen med avføling av måletransformatoren for jordfeilovervåking vil en kunne detektere eventuell ubalanse i fasestrømmer, inkludert fasebrudd på sekundærsiden 2 av hovedtransformatoren. En vil muligens også kunne se hvilken fase som er feil.

Måletransformatoren M kan være av en konvensjonell type med en analog spennings-utgang for tilkopling til annet utstyr eller den kan være utstyrt med en fiberoptisk utgang. Måletransformatorens andre vikling vil normalt være tilkoplet via en elektrisk ledning eller kabel, eller via en fiberoptisk forbindelse til en kontrollenhet 30 der undervannsutstyrets 20A tilstand overvåkes. Kontrollenheten 30 kan da foreta aksjoner ved eventuelle feil. Spenningen på måletransformatorens utgang vil også gi en indikasjon på størrelsen av en eventuell feil, i de fleste tilfeller vil spenningen være større jo større feilen er. Kontrollenheten 30 vil da tilsvarende kunne få tilført via de elektriske eller fiberoptiske forbindelsene, et signal som tilsvarer feilens størrelse, og kan foreta aksjoner avhengig av feiltypen som den detekterer, eksempelvis størrelsen av feilen eller feilens varighet. Måletransformatoren M gir galvanisk isolasjon mellom hovedtransformatorens nullpunkt og en kontrollenhet, som fortrinnsvis er plassert som en del av undervannsinstallasjonen, muligens integrert i selve undervannsutstyret. I noen utførelsesformer kan kontrollenheten være anbrakt på sjøoverflaten, dvs. et fartøy eller en plattform, eller eventuelt på land.

Selv om oppfinnelsen er rettet mot feildeteksjon og overvåkning av utstyr som er plassert under vann, så kan anordningen også være innrettet til å utføre tilsvarende kontroll og overvåkning med en kontrollenhet som er plassert på land, eller til havs på en båt eller plattform, dvs. utenfor undervannsmiljøet. På samme vis kan en hovedtransformator være tilkoplet forbruksenheter som er plassert på land, på en båt eller på en plattform og således utenfor undervannsmiljøet der utstyret av primær interesse er anbrakt. Og selv om kontrollenheten i de fleste utførelsesformer av oppfinnelsen er plassert i et undervannsmiljø, så kan den i tillegg være tilkoplet en eller flere andre hovedtransformatorer 3,4 i det samme undervannmiljøet for overvåkning også av disse. En eller flere av de andre hovedtransformatorene 3,4 kan også være anbrakt på land, på en båt eller en plattform, dvs. utenfor undervannsmiljøet. Videre vil det bli forstått fra denne beskrivelsen at et elektrisk kraftforsyningssystem for undervannsinstallasjoner ikke behøver være begrenset til en anordning i henhold til oppfinnelsen for feildeteksjon og overvåkning, men at et kraftforsyningssystem for en eller flere undervannsinstallasjoner kan inneholde en eller flere av anordningene i henhold til oppfinnelsen for feildeteksjon og overvåkning.

Således vil en person med alminnelige ferdigheter på fagområdet som leser beskrivelsen av denne oppfinnelsen innse at mange utførelsesformer av oppfinnelsen kan være mulig innenfor oppfinnelsens omfang slik det er gitt av patentkravene.

Claims (13)

1. Anordning for å detektere og overvåke jordfeil i installasjoner i undervannsomgivelser, omfattende en feildeteksjonsinnretning for tilkopling til et elektrisk kraftforsyningssystem der en første hovedtransformator (1,2) med en galvanisk skilt primærside (1) og sekundærside (2), og der den første hovedtransformatoren transformerer en forsyningsspenning som tilføres primærsiden (1) fra en ekstern kilde (10) til en internspenning på sekundærsiden (2) for forsyning til en første kraftforbruksenhet (20A) i en undersjøisk installasjon, der feildeteksjonsinnretningen er karakterisert ved en spenningsmålingskrets koblet mellom den første hovedtransformatorens nulleder (N) og jord (J), der spenningsmålingskretsen er innrettet til å danne en spenning på en utgang (M2) som er galvanisk skilt fra koblingen til nevnte nullederen (N), derigjennom indikerende på nevnte utgang en eventuell elektrisk jordfeil i en krets som forsynes fra nevnte hovedtransformators sekundærside (2).

2. Anordning ifølge krav 1, omfattende en måletransformator (M) med en primærvikling (Mi) som er koblet mellom den første hovedtransformatorens nullpunkt (N) og jord (J), og der en spenning dannet over måletransformatorens sekundærvikling (M2) representerer et feilsignal som indikerer en eventuell elektrisk feil på den første hovedtransformatorens sekundærside.

3. Anordning i følge krav 2, der måletransformatoren (M) er anbrakt innenfor et første hus/innkapsling (100) som omgir hovedtransformatoren.

4. Anordning i følge krav 2, der måletransformatoren (M) er anbrakt innenfor et ytre koblingskammer (40A) der hovedtransformatoren kobles lasten (20A).

5. Anordning ifølge krav 2, der måletransformatoren er anbrakt i en forbruksenhet (20A) som er tilkoplet hovedtransformatorens sekundærside (2) og der nevnte forbruksenhet (20A) har et nullpunkt (Nl) i elektrisk forbindelse med nullederen i hovedtransformatorens sekundærside (2).

6. Anordning ifølge krav 2, der måletransformatoren (M) er tilkoplet en instrumenteringsenhet (30) som er tilpasset for å aktivere gitte funksjoner ved deteksjon av et feilsignal fra måletransformatoren (M).

7. Anordning ifølge krav 6, der instrumenteringsenheten (30) er anbrakt som en del av en undervannsinstallasjon, eksempelvis en undervannsinstallasjon som anvendes for kontroll og overvåking av annet undervannsutstyr.

8. Anordning ifølge krav 6, der instrumenteringsenheten (30) er anbrakt utenfor nevnte undervannsomgivelser, eksempelvis på en båt, plattform eller på land.

9. Anordning ifølge krav 6, der måletransformatoren (M) er utstyrt med en fiberoptisk signalutgang og er koplet til instrumenteringsenheten (30) via en fiberoptisk forbindelse, eksempelvis en fiberoptisk kabel.

10. Anordning ifølge krav 1, omfattende en strømtransformator (50) tilkoplet en av fasene på hovedtransformatorens sekundærside (2) for overvåking av en driftsstrøm til en forbruksenhet tilkoplet sekundærsiden.

11. Anordning ifølge krav 1, omfattende minst en tilleggsvis måletransformator for overvåking av minst en andre hovedtransformator (3,4) eller en annen last som er galvanisk atskilt fra første hovedtransformators sekundærside (2) på samme måte, der nevnte andre hovedtransformator eller last er anbrakt undersjøisk eller utenfor nevnte undervannsomgivelser, eksempelvis på en båt, plattform eller på land.

12. Anordning ifølge krav 1, der minst en andre forbruksenhet (20B) er koplet til en av hovedtransformatorene og er anbrakt utenfor nevnte undervannsomgivelser, eksempelvis på en båt, plattform eller på land.

13. Elektrisk kraftforsyningsanlegg for å forsyne elektrisk kraft til en undervannsinstallasjon karakterisert ved at den omfatter en anordning for å detektere og overvåke jordfeil i henhold til ett av kravene 1-12.