WO2020064300A1 - Hochspannungs-schaltanlage mit sensor-array und verfahren zur verwendung der sensoren - Google Patents

Hochspannungs-schaltanlage mit sensor-array und verfahren zur verwendung der sensoren Download PDF

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WO2020064300A1
WO2020064300A1 PCT/EP2019/073805 EP2019073805W WO2020064300A1 WO 2020064300 A1 WO2020064300 A1 WO 2020064300A1 EP 2019073805 W EP2019073805 W EP 2019073805W WO 2020064300 A1 WO2020064300 A1 WO 2020064300A1
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voltage
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PCT/EP2019/073805
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Radu-Marian Cernat
Thomas Chyla
Oliver Dohnke
Stefan Giere
Rudolf GROTH
Prosper Hartig
Stefan Lecheler
Jörg Teichmann
Claudia Wiesinger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02B13/035—Gas-insulated switchgear
    • H02B13/065—Means for detecting or reacting to mechanical or electrical defects

Definitions

  • the invention relates to a high-voltage switchgear and a method for using sensors in high-voltage switchgear, the high-voltage switchgear comprising at least one housing and at least one electrical contact, the contact comprising at least two contact pieces.
  • High-voltage switchgear include e.g. B. high-voltage circuit breakers, arresters, earth electrodes and / or disconnectors.
  • the high-voltage switchgear is designed to switch voltages in the range of up to 1200 kV and currents in the range of up to a few hundred amperes.
  • a high voltage power switch such as. B. in high-voltage switchgear, is known from EP 0 024 252 Al.
  • the high-voltage circuit breaker has an electrical contact with a fixed and a movable contact piece, which are angeord net in a housing, in particular an insulator housing.
  • the housing is filled with a switching gas, in particular SF 6 and / or clean air. As a contact z. B.
  • a nominal current contact with two nominal current contact pieces, and in addition an arcing contact, with two arcing contact pieces.
  • at least one vacuum tube can be used, which housing in the housing z. B. filled with clean air, is arranged.
  • Switching resistance can be used to dampen an on and / or off switching current, especially in connection with only one contact, a nominal current contact.
  • High-voltage switchgear has been in use for decades and must work flawlessly over the entire operating time.
  • the high-voltage switchgear is inspected at regular intervals and waited. This requires personnel who perform the service with time and expense. Unforeseen errors in a high-voltage switchgear can lead to network failures, which are associated with high consequential damage and costs.
  • the object of the present invention is to provide a high-voltage switchgear and a method for using sensors in high-voltage switchgear, which solve the problems described above.
  • it is the task to monitor a high-voltage switchgear in a simple and cost-effective manner, in order to be able to extend service intervals and / or to simplify troubleshooting, and in particular to be able to save service by personnel during normal, error-free operation.
  • a high-voltage switchgear having the features according to claim 1 and / or by a method for using sensors in high-voltage switchgear, in particular using the previously described high-voltage switchgear, according to claim 14.
  • Advantageous embodiments of the high-voltage switchgear according to the invention and / or of the method for using sensors in high-voltage switchgear, in particular using the previously described high-voltage switchgear, are specified in the subclaims. Objects of the main claims can be combined with one another and with features of subclaims and features of the subclaims.
  • An inventive high-voltage switchgear comprises at least one housing and at least one electrical contact, the contact comprising at least two contact pieces.
  • the high-voltage switchgear also comprises several sensors, which are arranged in the form of an array. The arrangement of several to a large number of sensors in the array means that a high-voltage switchgear can not only be monitored selectively but also completely. In particular, it is possible to monitor the high-voltage switchgear in continuous operation without frequent service intervals by personnel. This can save costs and effort. Measuring devices used in the prior art, e.g. B. mechanical pressure gauges, must be read manually and do not result in spatially resolved data, especially long-term data, which can be used in the design and maintenance of high-voltage switchgear. Online monitoring is not possible with mechanical measuring devices alone.
  • a combination of different sensors provides a complete picture of the state of a high-voltage switchgear, particularly at all times, and enables a better diagnosis and prognosis when combined.
  • Eg printing and Temperature sensors arranged in one or in separate arrays, not only enable gas flows to be determined in a spatial and temporally resolved manner, especially when switching, but also help to calculate the causes and consequences of the flow via the temperature distribution in the gas flow .
  • acceleration sensors e.g. B. Effects of flow on the kinematic chain un testable, z. B. by expansion and / or contraction of elements with temperature changes.
  • friction losses in the kinematic chain are examined, and in particular aging effects and / or the consumption of lubricants are identified.
  • a combination with weather data, e.g. B. radiation, temperature, and / or air pressure, z. B. aging processes and / or flows in the housing can be determined more precisely.
  • Data can have different uses.
  • acceleration sensors can simultaneously provide information about the switching frequency, switching speed, friction losses, vibrations during maintenance, sabotage and / or earthquakes.
  • switches With a large number of high-voltage switchgear with sensor arrays, statements about the spread and the consequences of e.g. B. earthquake possible, and a shutdown and / or restart of the power grid after an earthquake speci fish and quickly possible.
  • the high-voltage switchgear can include a high-voltage circuit breaker, in particular an outdoor high-voltage circuit breaker.
  • the at least one contact can comprise a nominal current contact, with at least two nominal current contact pieces, in particular a movable and a fixed nominal current contact piece, and comprise an arcing contact, with at least two arcing contact pieces, in particular a movable one and a fixed arcing contact.
  • An insulating nozzle can be included.
  • the housing can be an insulator, in particular a ribbed insulator made of a composite material, ceramic and / or silicone.
  • the housing can be filled with insulating gas, in particular with Clean Air and / or SF 6 .
  • Sensors in one or more arrays on the contact pieces, in particular on the movable contact pieces, and / or the insulating nozzle, and / or the inside of the housing enable, for. B. to analyze gas flows of the insulating gas, in particular spatially and temporally resolved, to clarify thermal loads, in particular during switching, to examine the switching frequency and switching speed for individual components and to diagnose the switch z. B. with regard to aging, wear and tear and failure of elements, prediction of failures and further development.
  • a vacuum tube can be included, in which at least one contact is arranged, in particular with at least two tel-shaped contact pieces, the vacuum tube in particular being arranged in the housing, in particular a ribbed insulator made of a composite material, ceramic and / or silicone.
  • the housing can be filled with insulating gas, in particular with Clean Air and / or SF 6 .
  • Sensors in the vacuum tube can provide information about the quality of the vacuum and information about possible leaks, as well as the arrangement in the array, sensors can provide a spatial location of a possible leak. As previously described, further information with sensors in and / or on the housing is to be obtained, e.g. B. in terms of switching frequency, and the state and interaction of elements of the kinematic chain. In relation to the tightness of the insulation or
  • the sensors in the housing can be arranged, in particular on the inner wall of the housing and / or on elements of a kinematic chain and / or on contact pieces with which previously benefits.
  • the sensors can alternatively or additionally be arranged outside the housing, in particular on the outer wall of the housing and / or on a carrier of the housing, and / or on devices of the high-voltage switchgear assembly, in particular an arrester, a disconnector and / or an earth electrode.
  • weather sensors, vibration sensors and / or inclination sensors on the outer wall of the housing can provide information such.
  • the sensor array can include temperature and / or pressure sensors, which are designed in particular to measure gas flows in a spatially and temporally resolved manner and / or to determine thermal loads, with the advantages described above.
  • Long-term measurements enable the optimization of high-voltage switchgear or switches, and short-term measurements can e.g. B. can be used to improve the performance of the high-voltage switchgear.
  • temperature values z. B. be used to allow higher current / voltage values for a short time, and when critical values z. B. the temperature to reduce the current or voltage re. This enables the high-voltage switchgear to be operated with a lower buffer or to be better used for the load case, which saves costs.
  • the sensor array can include GPS, inclination, acceleration and / or vibration sensors, which are designed in particular friction losses in the kinematic chain, the switching state and / or the switching frequency, malfunctions, in particular breakage, wind and / or Determine ice load, location, transport, service activities, sabotage, and / or earthquakes. Transport loads can be determined and a check for damage can be initiated if limit values are exceeded. Especially in connection with print data, a set of switches in z. B. unauthorized environment, especially height, can be prevented by the switch automatically prevents commissioning. Damage caused by environmental influences, e.g. B. storm, earthquake, and / or frost with ice formation in particular can be measured, forecast and / or remedied promptly. This means that network failures can be minimized and damage to the network avoided. A self-diagnosis of the switch enables z. B. after earthquakes, depending on the local loads, a quick restart of the high-voltage switchgear.
  • the sensor array can include optical sensors, in particular color sensors, thermal imaging sensors and / or cameras, which are in particular designed to measure gas flows spatially and temporally resolved and / or mechanical and thermal loads, aging, arcing, and / or malfunction to determine with the advantages described above.
  • Color markers in connection with color sensors enable the identification of spatial displacements of elements or parts and the change of dimensions. Movements and breaks can be identified, especially after earthquakes or storms. Colors can also depend on the degree of aluminum Information about elements of the high-voltage switchgear provide information, and z. B. determine an exchange time.
  • thermal imaging sensors can help identify leaks in a housing. Cameras arranged in an array provide a complete picture of the state of a high-voltage switchgear. B. identify sabotage or support maintenance actions, e.g. B. via online remote advice or remote maintenance.
  • the sensor array can be gas, specific pressure and / or
  • Moisture sensors include, which are in particular gas compositions, specific gas flows from z. B. individual gas components and / or dew point determinations. When using Clean Air, the gas quality and / or insulation properties can be determined using moisture sensors. An exchange time of z. B. insulating gas and / or desiccants in the high-voltage switchgear can be determined via gas and / or moisture sensors.
  • the sensor array can comprise acoustic sensors, which are designed in particular for the diagnosis of switching noises, sabotage, maintenance and / or environmental parameters.
  • the location of the source of the acoustic signal can be localized by arranging the sensors in the array.
  • the measured frequency can provide information about the causes of malfunctions, e.g. B. in the kinematic chain and its intensity. Breaks, e.g. B. on the housing can be registered and Wet terbelastept, z. B. can be identified in a storm on different elements of the high-voltage switchgear. Ver wear, e.g. B. by increased friction can be acoustically regis triert. Depending on the registered tones, a maintenance can be triggered.
  • the sensor array can include Hall sensors and / or sensors in the manner of an induction coil, which are formed in particular from spatially resolved electromagnetic fields measure up.
  • the data can be used to determine switching capacities and switching frequency, and can be used to develop the switches.
  • Elements of the switch, e.g. B. shields are optimized and environmental pollution, z. B. be determined by electromagnetic fields.
  • the sensor array can include tilt sensors and / or mechanical voltage sensors, in particular piezo sensors, and / or torsion sensors, which are in particular designed to determine mechanical loads on elements of the high-voltage switchgear assembly.
  • z. B mechanical voltages in the housing and / or in elements of the kinematic chain are determined, and when reaching limit values ge suitable relief measures and / or an exchange of the elements take place.
  • Inclination sensors can be used to determine environmental parameters, in particular in the event of wind and / or earthquakes, with the advantages described above.
  • Mechanical fractions, e.g. B. the housing and / or in particular shafts, shift rods and / or transmission parts of the kinematic's chain can be prevented by z. B.
  • Torsion sensors can determine movements in the kinematic chain, switching operations and / or errors such. B. identify by increased friction and contribute to the optimization of high-voltage switchgear, among other sensor data.
  • An evaluation unit and / or storage unit and / or data transmission unit can be included, which are designed to evaluate measurement results of the sensors, in particular to compare them with predetermined values, and / or to store and / or transmit them, in particular to a central control room and / or in the cloud, in particular for monitoring and / or controlling and / or regulating the high-voltage switchgear.
  • With stored data in particular long-term data, simulations and developments of the high-voltage switchgear can be made possible, and in particular a digital twin can be created.
  • a method for the use of sensors in high-voltage switchgear in particular in a previously described high-voltage switchgear, comprises that the sensors are arranged in an array, inside and / or outside of a housing, and sensors are read out simultaneously and / or in succession, continuously and / or at regular and / or irregular time intervals, in particular predetermined time intervals, and / or the read measured values are evaluated in at least one evaluation unit and / or storage unit and / or data transmission unit, in particular compared with predetermined values, and / or stored are, and / or transmitted, in particular to a central control room and / or in the cloud, in particular for monitoring and / or controlling and / or regulating the high-voltage switchgear manually and / or automatically.
  • Gradients of physical quantities can be measured spatially and / or temporally, in particular changes in temperature, pressure, position, in particular distance and / or inclination, acceleration, torsion, mechanical tension,
  • High-voltage switchgear 1 viewed from one side with a sensor array.
  • a high-voltage switchgear according to the Invention is shown schematically in a sectional view viewed from one side.
  • a high-voltage power switch is shown as a high-voltage switchgear 1 with a contact 3 in a housing 2.
  • the electrical contact 3 comprises a movable 4 and a fixed 5 contact piece, for. B. made of copper, graphite and / or steel.
  • the movable contact piece 4 is moved towards the fixed contact piece 5 until a mechanical and electrical contact exists.
  • the movable con tact piece 4 is moved away from the fixed contact piece 5 until the electrical contact is open.
  • a motor and / or spring-loaded drive provides the kinetic energy for switching.
  • the contact 3 is arranged in a housing 2.
  • the housing 2 is, for. B. a ribbed insulator made of a composite material, ceramic and / or silicone.
  • An electrical resistor comprises resistor stacks 10 made of resistor disks 11, which are arranged in each case around the contact pieces 4, 5.
  • the resistance disks 11 each have a bore and the contact pieces 4, 5 run through the bores.
  • the resistor is designed to dampen the current when switching on and off, in order to suppress arcing when switching.
  • the housing 2 is filled with a switching or insulating gas 6, for. B. SF 6 and / or Clean Air, in order to obtain good electrical insulation between the contact pieces 4, 5 and over the inside of the housing when the high-voltage circuit breaker is switched off.
  • a sensor array with temperature and pressure sensors 7, which are arranged on the inside of the housing 2, is shown as an example in the high-voltage circuit breaker.
  • the housing 2 is hollow cylindrical, and along the inner circumference of the housing 2, the temperature and / or pressure sensors 7 be fastened, for. B. glued.
  • the sensors 7 are e.g. B. arranged at regular intervals along the longitudinal axis of the housing 2 and at regular intervals along the circumference.
  • a sensor 7 is arranged along the circumference every 90 degrees.
  • the sensors 7 can also be arranged at irregular intervals, e.g. B. with a higher sensor density in the area of the gap between the separate contact pieces 4, 5, and / or in a higher or lower sensor density along the circumference.
  • Sensors 7 can also, for. B. on nozzles, which are not shown for the sake of simplicity, and / or contact pieces 4, 5 may be arranged, in particular in order to obtain measured values near an arc.
  • the sen sensors 7 are z. B. integrated semiconductor sensors, which Da transmission units connected via z. B. optical and / or electrical lines and / or wireless z. B. via radio.
  • radio equipment such. B. directional radio, WiFi, Bluetooth and / or mobile devices that NEN, z. B. with energy harvesting via temperature gradients, radio or pressure gradients.
  • temperature and pressure sensors 7 By arranging the temperature and pressure sensors 7 in an array form, in particular at certain locations in the high-voltage switchgear assembly 1, in contrast to individual sensors, temperature and pressure gradients and their change over time can be measured in a spatially resolved manner. This allows spatially resolved gas flows and thermal loads from elements of the high-voltage switchgear 1 to be measured or examined, and z. B. calibrated via environmental sensors who the. For example, a temperature and pressure sensor 7 is arranged on the right upper side of the high-voltage switchgear 1, which can measure the temperature and pressure of the ambient air as part of the sensor array or as a stand-alone sensor 7.
  • a sensor array with a multiplicity of temperature and pressure sensors 7 can be arranged on the outside of the housing 2 in order, for. B. to measure temperature differences on the housing surface, in particular generated by solar radiation.
  • optical or radiation sensors on the outside of the housing can measure radiation, in particular in the visible range, UV and / or thermal radiation. The data obtained in this way can be used to determine or simulate e.g. B. Old tion of the housing, to compensate for environmental influences on measurement results, and / or for weather information.
  • Optical sensors 9 can also include thermal imaging and / or optical cameras, in particular CCD cameras. Organized in the housing 2, z. B.
  • Acceleration, inclination, vibration and / or GPS sensors 8, in particular arranged in array form, enable the measurement of changes in position of the high-voltage switchgear 1 and / or of elements of the high-voltage switchgear 1 relative to one another.
  • the installation site and the orientation of the high-voltage switchgear 1 and / or of elements of the high-voltage switchgear 1 relative to one another can be determined at the installation site.
  • the installation altitude above sea level can also be determined via pressure sensors 7. Commissioning of the high-voltage switchgear 1 can be prevented in the case of installations that do not correspond to the intended and / or construction or approval.
  • Changes in position, especially in the event of earthquakes and / or storms, can be spatially resolved by the array shape of the sensors, e.g. B. for individual components or elements of the high-voltage switchgear 1.
  • This is damage and the degree of damage quickly and easily, for. B. possible by self-test and / or by remote diagnosis, and high-voltage switchgear 1 can after environmental damage aims to be switched off promptly or to be switched on again quickly if it is functional or without serious damage. This can result in a power grid after environmental damage
  • acceleration, inclination, vibration, and / or GPS sensors can register 8 switching processes and their frequency, with z. B. After a predetermined number, a service can take place on site.
  • the intensity of the load on individual elements of the high-voltage switchgear system 1 can be determined by the array shape of the sensors, and particularly stressed elements can be specifically maintained or replaced.
  • the acceleration, inclination, vibration, and / or GPS sensors 8 can, for. B. can be arranged in and / or on elements of the kinematic chain 12 and / or on contact pieces 4, 5. This means that the kinematics of elements of the high-voltage switchgear 1 can be measured specifically, and the data obtained in this way can be used to develop and maintain the high-voltage Switchgear 1 used who.
  • friction losses can be identified spatially resolved, and z.
  • high-voltage switchgear 1 ge and to optimize them.
  • heavily loaded parts or elements can be made mechanically more stable using other materials and / or spatial dimensions, or their structure can be adapted to the measured values and / or simulations with the measured values.
  • the exemplary embodiments described above can be combined with one another and / or can be combined with the prior art. So z. B. vacuum switch, circuit breaker with rated current and arcing contact, or combinations of both can be used.
  • Sensors can also supply data from devices of the high-voltage switchgear assembly 1, in particular arresters, disconnectors and / or earth electrodes. Further sensor arrays or sensors in the array can e.g. B.
  • acoustic sensors which use spatially resolved frequency and / or sound intensity measurements to provide information about the location and type of e.g. B. increased friction in the drive 13 and / or in the kinematic chain 12, break z.
  • Hall sensors and / or sensors in the manner of an induction coil can be included for measuring the spatial distribution and temporal change in electromagnetic fields. Data about electromagnetic fields enable e.g. B. the precise clarification of processes in the arc, the optimization of shields, the measurement of switching currents and / or voltages, and / or the influence of interference fields, in particular via induction in elements of the high-voltage switchgear 1.
  • Resistance measurements on the insulator 2 can identify soiling and determine their degree. Cleanings can be arranged accordingly during maintenance in order to avoid electrical arcing over the insulator 2 and increased aging of the insulator 2.
  • Resistance measurements in the resistance stack 10, in particular via a sensor array, each with at least one sensor on a resistance disk 11, can identify switching currents, in particular short-circuit currents, and contribute to the optimization of high-voltage switchgear assemblies 1.
  • torsion sensors can analogously identify GPS, inclination, acceleration and / or vibration sensors 8 movements spatially and temporally and breaks or loading Damage to elements of the high-voltage switchgear 1, in particular the drive 13, the kinematic chain 12 and / or the housing 2, for. B. after environmental damage or when switching.
  • the data measured by the sensors can be evaluated by an evaluation unit, e.g. B. a microchip or computer, or evaluated in the cloud.
  • a comparison with target and / or simulation values can identify critical values, and suitable measures can be initiated or carried out automatically or by hand.
  • a storage unit can process the data until it is processed and / or read out, e.g. B. on site, or for data transmission z. B. by radio and / or wired z. B. via the Internet.
  • a data transmission unit can transmit measurement results or critical values or signals determined therefrom, in particular to a central control room and / or to the cloud. This enables monitoring on site or by remote maintenance, triggering of service actions, an exchange and / or controlling or regulating the high-voltage switchgear 1.
  • Measurement data can be continuously, periodically with fixed or variable time intervals, or e.g. B. in events such. B. switching and / or environmental events.
  • B. on-site evaluations and / or in the cloud e.g. B. in the Mindsphere
  • information is obtained, such as B. on maintenance intervals le, for improvements in the design, switching properties and / or the switching frequency, the state in particular with regard to aging of components, and environmental influences sen.
  • Later apps can be developed to facilitate the maintenance and operation of power grids with the high-voltage switchgear and / or the data can be sold.
  • the sensor data provide information about the status and switching of the high-voltage switchgear in the power grid and about the environment of the high-voltage switchgear.
  • sensors arranged in an array, at different locations in or at high-voltage switchgear, which can measure and / or send data continuously or at certain intervals, enables temporal and spatial distributions to be measured.
  • changes in temperature and / or pressure gradients or gas flows can be measured in a spatially and temporally resolved manner in the high-voltage switchgear, in particular during and after the switching operation.
  • changes in gas flows such. B. measured along the outer support insulator, in the area of a blow nozzle and / or in gas chambers, continuously over years, and the evaluation can lead to optimization of the high-voltage switchgear.
  • Temperature distributions can be measured spatially and temporally resolved, especially along the post insulator and / or in the area of the contact pieces. Thermal loads in the high-voltage switchgear and the post insulator can be determined, especially during switching operations, and thermal flows can be measured, e.g. B. triggered by external environmental influences such. B. external temperature changes.
  • Piezo sensors can measure material tensions and signal tensions before a break. Material can be saved in the construction, since safety buffers in the material design can be reduced by the sensors used.
  • Optical sensors at different locations with a clear view of arcs can be used in the spatially and temporally resolved analysis of arcs, e.g. B. to track contact pieces in the event of erosion, or an analysis of the current / voltage when switching can be used to who.
  • a wavelength or spectra, e.g. B. for spatially resolved substance analysis, in particular gas composition, NEN can be recorded temporally and spatially.
  • Distance sensors in particular via laser light, can measure spatial changes, in particular in length and scope, which, for. B.
  • Optical or acoustic measurements can detect changes in density in the high-voltage switchgear, which can be used to determine spatially resolved flows.
  • Acoustic signaling devices and sensors can determine material changes, e.g. B. errors in the support ceramic before or after breakage of the ceramic, or you detect te changes in the gas.
  • Thermal imaging sensors can record different temperature distributions in parts in a spatially and temporally resolved manner and trigger warnings in critical conditions. Color sensors and / or resistance measurements can determine the aging of different materials and areas, spatially resolved when sensors are used at different positions.
  • Acoustic sensors can detect spatially resolved processes when switching, and spatially resolved malfunctions, e.g. B.
  • Shock sensors can z. B. switching, earthquake, service work or sabotage, depending on the measured amplitude and timing or the frequency of the vibration, and the location, z. B. on a control cabinet, on the ceramic top / bottom, on a support of a high-voltage switchgear, on the elements of the kinematic chain.
  • the propagation speed and direction of an earthquake can be determined, whereby the data can be used commercially, e.g. B. analogous weather data by selling to meteorological services.
  • Inclination sensors in particular tilt sensors, mechanical tension sensors, e.g.
  • B. piezo sensors, and / or torsion sensors can be used to determine z.
  • Hall sensors or induction coils can measure electromagnetic fields at different locations in the high-voltage switchgear.
  • a large number of sensors in particular of different types in the high-voltage switchgear or switch, can be used to record and evaluate processes in the switch over a period of years in regular operation in the network.
  • the combination of a large number of sensors of the same and different types increases the accuracy of diagnosis and prognosis.
  • a combination of the spatial and temporal courses of different sensor data of a switch in comparison with other switches in combination with environmental data can provide information about aging, functionality, and / or elements to be maintained and / or help with the further development of high-voltage switchgear. Failures can be investigated more easily and the reasons for failure identified more easily. In particular, parameters when switching can draw conclusions about the network as a whole and the state of the high-voltage switchgear.
  • temperature, pressure, optical and / or movement profiles can be spatially resolved to determine flows contribute to the high-voltage switchgear, in particular specifically for gas components, identify switched outputs, e.g. B. about arc intensity and the following temperature profile, identify problems, e.g. For example, the aging of seals, lubrication, material fatigue, and environmental data, which can be resold. Different materials can react differently critically to environmental influences. For example, a low temperature can lead to the breakage of special connections, and measuring the temperature spatially resolved can give a prediction of when a high-voltage switchgear will be functional.
  • the outside temperature can thus be transported to the critical component with a time delay, which means that, despite the critical outside temperature, the high-voltage switchgear can continue to be used depending on the switching frequency. If the critical outside temperature is only short-term, the high-voltage switchgear can be used continuously, when measuring the temperature profile in the high-voltage switchgear, predetermined until a time when the critical temperature reaches the critical component.
  • a dew point can be calculated, at which liquid condenses locally at predetermined locations in the high-voltage switchgear.
  • Spatially resolved temperature measurements can be used to determine the spatial area for condensation depending on the outside temperature. The area can migrate due to heating during switching or current flow, and spatially resolved temperature values can be used to determine the condensation range.
  • the high-voltage switchgear can be shut down if critical values are reached.
  • the measured values of other sensors can be used to simulate the sensor data of the failed sensor. For example, data from a failed sensor can be interpolated from data from neighboring sensors be determined. Sensors of other high-voltage switchgear in the same state can be used to replace the data of the failed sensor. This means that times can be bridged until the next maintenance when a sensor is replaced.
  • the data from the sensors can be read on site, at intervals, or centrally, transmitted e.g. B. be evaluated by radio or Internet.
  • the evaluation and combination of linked data in the cloud or mind sphere, evaluated with artificial intelligence can lead to the prediction of errors, forecast failures or allow access for diagnostics and maintenance at any location in the world, especially in encrypted form , personalized for selected users or user groups.
  • Statistics and evaluations and comparison of different high-voltage switchgear for different switching operations can enable statistics to be used to evaluate normal and abnormal failures, to identify production errors in contrast to design errors and normal wear and tear through aging.
  • the combination of a large number of different sensors, spatially distributed in the high-voltage switchgear, measured in a temporally resolved manner, averaged over many high-voltage switchgear enables predictions, the identification of temporal profiles of the network parameters, spatially resolved depending on environmental influences and switch states, and can be used Increasing the reliability, stability of the networks and increasing the period of use of the high-voltage switchgear.
  • the in-situ data help in the optimization of the high-voltage switchgear, can be used to determine maintenance intervals or necessary maintenance, can signal errors in the high-voltage switchgear early on or switch properties such as. B. switching frequency and load when switching. Online monitoring of the data can take place for selected high-voltage Switchgear in normal mains operation or for all series-produced high-voltage switchgear.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Schaltanlage (1) mit wenigstens einem Gehäuse und mit wenigstens einem elektrischen Kontakt (3), wobei der Kontakt (3) wenigstens zwei Kontaktstücke (4, 5) umfasst. Die Hochspannungs-Schalt- anlage (1) umfasst mehrere Sensoren (7, 8, 9), welche in Form eines Arrays angeordnet sind. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung von Sensoren (7, 8, 9) in Hochspannungs- Schaltanlagen (1) umfasst, dass die Sensoren (7, 8, 9) in ei- nem Array angeordnet werden, innerhalb und/oder außerhalb ei- nes Gehäuses (2), und Sensoren (7, 8, 9) gleichzeitig und/oder nacheinander ausgelesen werden, kontinuierlich und/oder in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen, insbesondere vorbestimmten zeitlichen Abständen, und/oder die ausgelesenen Messwerte in wenigstens einer Aus- wertungseinheit und/oder Speichereinheit und/oder Datenüber- mittlungseinheit ausgewertet werden, insbesondere mit vorbe- stimmten Werten verglichen werden, und/oder gespeichert wer- den, und/oder übermittelt werden, insbesondere an eine Zent- rale Warte und/oder in die Cloud, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln der Hochspannungs- Schaltanlage (1) manuell und/oder automatisch.

Description

Beschreibung
Hochspannungs-Schaltanlage mit Sensor-Array und Verfahren zur Verwendung der Sensoren
Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Schaltanlage und ein Verfahren zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs- Schaltanlagen, wobei die Hochspannungs-Schaltanlage wenigs tens ein Gehäuse und wenigstens einen elektrischen Kontakt umfasst, wobei der Kontakt wenigstens zwei Kontaktstücke um fasst .
Hochspannungs-Schaltanlagen umfassen z. B. Hochspannungs- Leistungsschalter, Ableiter, Erder und/oder Trenner. Die Hochspannungs-Schaltanlagen sind ausgelegt, Spannungen im Be reich von bis zu 1200 kV und Ströme im Bereich von bis zu ei nigen hundert Ampere zu schalten. Ein Hochspannungs-Leis tungsschalter, wie z. B. in Hochspannungs-Schaltanlagen ein gesetzt, ist aus der EP 0 024 252 Al bekannt. Der Hochspan nungs-Leistungsschalter weist einen elektrischen Kontakt mit einem festen und einem beweglichen Kontaktstück auf, welche in einem Gehäuse, insbesondere einem Isolatorgehäuse angeord net sind. Das Gehäuse ist mit einem Schaltgas, insbesondere SF6 und/oder Clean Air befüllt. Als Kontakt kann z. B. ein Nennstrom-Kontakt, mit zwei Nennstrom-Kontaktstücken, und zu sätzlich ein Lichtbogen-Kontakt, mit zwei Lichtbogen-Kontakt stücken, verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens eine Vakuumröhre verwendet werden, welche im Ge häuse z. B. mit Clean Air befüllt, angeordnet ist. Ein
Schaltwiderstand kann zur Dämpfung eines Ein- und/oder Aus schaltstroms verwendet werden, insbesondere in Verbindung mit nur einem Kontakt, einem Nennstrom-Kontakt.
Hochspannungs-Schaltanlagen sind über eine Dauer von Jahr zehnten im Einsatz und müssen über die gesamte Betriebszeit hinweg fehlerfrei arbeiten. Dabei werden die Hochspannungs- Schaltanlagen in regelmäßigen zeitlichen Abständen inspiziert und gewartet. Dazu ist Personal notwendig, welches mit Zeit- und Kostenaufwand den Service durchführt. Unvorhergesehene Fehler an einer Hochspannungs-Schaltanlage können zu Netzaus fällen führen, welche mit hohen Folgeschäden und Kosten ver bunden sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochspan nungs-Schaltanlage und ein Verfahren zur Verwendung von Sen soren in Hochspannungs-Schaltanlagen anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme lösen. Insbesondere ist es Auf gabe, einfach und kostengünstig eine Hochspannungs-Schalt anlage zu monitoren, um Service-Intervalle verlängern zu kön nen und/oder eine Fehlersuche zu vereinfachen, und insbeson dere einen Service durch Personal bei normalen, fehlerfreien Betrieb einsparen zu können.
Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hoch spannungs-Schaltanlage mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und/oder durch ein Verfahren zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schaltanlagen, insbesondere unter Verwendung der zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltanlage, gemäß Pa tentanspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der er findungsgemäßen Hochspannungs-Schaltanlage und/oder des Ver fahrens zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schalt anlagen, insbesondere unter Verwendung der zuvor beschriebe nen Hochspannungs-Schaltanlage, sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände der Hauptansprüche unterei nander und mit Merkmalen von Unteransprüchen sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar.
Eine erfindungsgemäße Hochspannungs-Schaltanlage umfasst we nigstens ein Gehäuse und wenigstens einen elektrischen Kon takt, wobei der Kontakt wenigstens zwei Kontaktstücke um fasst. Die Hochspannungs-Schaltanlage umfasst des Weiteren mehrere Sensoren, welche in Form eines Arrays angeordnet sind . Durch die Anordnung von mehreren bis hin zu einer Vielzahl an Sensoren im Array kann eine Hochspannungs-Schaltanlage nicht nur punktuell, sondern vollständig gemonitort bzw. überwacht werden. Insbesondere ist eine Überwachung der Hochspannungs- Schaltanlage im Dauerbetrieb möglich, ohne häufige Servicein tervalle durch Personal. Dadurch können Kosten und Aufwand eingespart werden. Im Stand der Technik verwendete Messein richtungen, z. B. mechanische Druckmesser, müssen manuell ab gelesen werden und ergeben keine räumlich aufgelösten Daten, insbesondere Langzeitdaten, welche bei der Konstruktion und Wartung von Hochspannungs-Schaltanlagen verwendet werden kön nen. Ein Online-Monitoring ist mit mechanischen Messeinrich tungen allein nicht möglich.
Einzelne Sensoren ergeben keine räumlich und zeitlich aufge lösten Informationen über Zustandsgrößen wie z. B. Druck, Temperatur, Beschleunigung und/oder Lage von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage, insbesondere im Dauerbetrieb über Jahre hinweg, kontinuierlich. Mit Hilfe von Sensoren, ange ordnet in Array-Form, können hingegen nicht nur einzelne Grö ßen zu einem Zeitpunkt manuell abgelesen werden, sondern zu sätzliche Informationen gewonnen werden wie z. B. zeitliche Änderungen von Strömungsverhältnissen und/oder Bewegungspro file von Elementen der kinematischen Kette über die gesamte kinematische Kette hinweg, welche Aufschlüsse z. B. über Al terung, Reibungsverluständerungen mit der Zeit, Bruch und Verschleiß von Elementen ermöglichen. Dadurch wird eine mög liche Fehlersuche erleichtert und ein Online-Monitoring er möglicht. Mit den Daten können Hochspannungs-Schaltanlagen weiterentwickelt werden und über Digital-Twins Simulationen zu deren Verhalten im Betrieb durchgeführt, und Fehler vor hergesagt werden.
Eine Kombination unterschiedlicher Sensoren ergibt ein voll ständiges Bild des Zustands einer Hochspannungs-Schaltanlage insbesondere zu jedem Zeitpunkt, und ermöglicht in der Kombi nation eine bessere Diagnose und Prognose. Z. B. Druck- und Temperatur Sensoren, in einem oder in getrennten Arrays ange ordnet, ermöglichen in der Kombination nicht nur räumlich und zeitlich aufgelöst Gas-Strömungen, insbesondere beim Schal ten, zu bestimmen, sondern helfen über die Temperaturvertei lung in der Gasströmung Ursachen und Folgen der Strömung zu berechnen. In Kombination mit Beschleunigungssensoren sind z. B. Wirkungen der Strömung auf die kinematische Kette un tersuchbar, z. B. durch Ausdehnung- und/oder Kontraktion von Elementen bei Temperaturänderungen. Über Daten eines Be- schleunigungssensor-Arrays können z. B. Reibungsverluste in der kinematische Kette untersucht werden, und insbesondere Alterungseffekte und/oder der Verbrauch von Schmiermitteln identifiziert werden.
Eine Kombination mit Wetterdaten, z. B. Strahlungseinwirkung, Temperatur, und/oder Luftdruck, können z. B. Alterungsprozes se und/oder Strömungen im Gehäuse genauer bestimmt werden. Daten können unterschiedlichen Nutzen ergeben. Z. B. können Beschleunigungssensoren gleichzeitig zu Aufschlüssen über Schalthäufigkeit, Schaltgeschwindigkeit, Reibungsverluste, Erschütterungen bei Wartung, Sabotage und/oder Erdbeben füh ren. Mit einer Vielzahl von Hochspannungs-Schaltanlagen mit Sensor-Arrays sind Aussagen über die Ausbreitung und die Fol gen von z. B. Erdbeben möglich, und ein Abschalten und/oder Wiederhochfahren des Stromnetzes nach einem Erdbeben spezi fisch und schnell möglich.
Die Hochspannungs-Schaltanlage kann einen Hochspannungs-Leis tungsschalter umfassen, insbesondere einen Freiluft-Hochspan- nungs-Leistungsschalter . Der wenigstens eine Kontakt kann ei nen Nennstrom-Kontakt umfassen, mit wenigstens zwei Nenn- strom-Kontaktstücken, insbesondere einem beweglichen und ei nem festen Nennstrom-Kontaktstück, und einen Lichtbogen-Kon takt umfassen, mit wenigstens zwei Lichtbogen-Kontaktstücken, insbesondere einem beweglichen und einem festen Lichtbogen- Kontaktstück . Eine Isolierdüse kann umfasst sein. Das Gehäuse kann ein Isolator sein, insbesondere ein gerippter Isolator aus einem Verbundwerkstoff, Keramik und/oder Silikon. Das Ge häuse kann mit Isoliergas befällt sein, insbesondere mit Clean Air und/oder SF6. Sensoren in einem oder mehreren Ar- rays an den Kontaktstücken, insbesondere an den beweglichen Kontaktstücken, und/oder der Isolierdüse, und/oder dem Gehäu se innen ermöglichen z. B. Gas-Strömungen des Isoliergases zu analysieren, insbesondere räumlich und zeitlich aufgelöst, thermische Belastungen aufzuklären, insbesondere während des Schaltens, Schalthäufigkeit und Schaltgeschwindigkeit für einzelne Komponenten spezifisch zu untersuchen und eine Diag nose des Schalters z. B. bezüglich Alterung, Verschleiß und Ausfall von Elementen, Vorhersage von Ausfällen und zur Wei terentwicklung zu ermöglichen.
Eine Vakuumröhre kann umfasst sein, in welcher wenigstens ein Kontakt angeordnet ist, insbesondere mit wenigstens zwei tel lerförmigen Kontaktstücken, wobei die Vakuumröhre insbesonde re im Gehäuse, insbesondere einem gerippten Isolator aus ei nem Verbundwerkstoff, Keramik und/oder Silikon, angeordnet ist. Das Gehäuse kann mit Isoliergas befällt sein, insbeson dere mit Clean Air und/oder SF6. Sensoren in der Vakuumröhre können Aufschluss über die Qualität des Vakuums geben und Hinweise auf eventuelle Leckstellen, sowie über die Anordnung im Array können Sensoren eine räumliche Lokalisierung eines möglichen Lecks ergeben. Wie zuvor beschrieben sind weitere Informationen mit Sensoren im und/oder am Gehäuse zu gewin nen, z. B. bezüglich Schalthäufigkeit, und dem Zustand sowie dem Zusammenwirken von Elementen der kinematischen Kette. In formationen bezüglich Dichtigkeit des mit Isolier- bzw.
Schaltgas befüllten Gehäuses, sowie eine räumliche Identifi kation von Leckstellen sind möglich. In Hinblick auf die Kli maschädlichkeit von Isoliergasen wie z. B. SF6 ist eine zeit nahe Identifikation und Behebung von Leckstellen wichtig.
Die Sensoren im Gehäuse können angeordnet sein, insbesondere an der Gehäuseinnenwand und/oder an Elementen einer kinemati schen Kette und/oder an Kontaktstücken, mit den zuvor be- schriebenen Vorteilen. Die Sensoren können alternativ oder zusätzlich außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, insbeson dere an der Außenwand des Gehäuses und/oder an einem Träger des Gehäuses, und/oder an Vorrichtungen der Hochspannungs- Schaltanlage, insbesondere einem Ableiter, einem Trenner und/oder einem Erder. Z. B. Wettersensoren, Erschütterungs sensoren und/oder Neigungssensoren an der Außenwand des Ge häuses können Informationen z. B. bezüglich Windlast, Strah- lungs- und Temperatureinflüssen, Alterung, und/oder Erdbeben ergeben, und bei Überschreiten von vordefinierten Werten oder gemessenen Schäden an der Hochspannungs-Schaltanlage eine zeitnahe Steuerung und/oder Regelung ermöglichen, z. B. ein Abschalten, oder eine Wartung durch Personal auslösen. Ser vice Intervalle können verlängert werden, da ein Service ohne belastende Faktoren und/oder Schäden eingespart werden kann.
Das Sensor-Array kann Temperatur- und/oder Drucksensoren um fassen, welche insbesondere ausgebildet sind, Gas-Strömungen räumlich und zeitlich aufgelöst zu messen und/oder thermische Belastungen zu bestimmen, mit den zuvor beschriebenen Vortei len. Langzeitmessungen ermöglichen die Optimierung von Hoch spannungs-Schaltanlagen bzw. Schaltern, und kurzzeitige Mes sungen können z. B. verwendet werden, um die Performance der Hochspannungs-Schaltanlage zu verbessern. So können Tempera turwerte z. B. genutzt werden, um kurzzeitig höhere Strom- /Spannungswerte zu ermöglichen, und bei Erreichen kritischer Werte z. B. der Temperatur den Strom bzw. die Spannung zu re duzieren. Dies ermöglicht die Hochspannungs-Schaltanlage mit geringerem Puffer zu betreiben bzw. für den Lastfall besser auszunutzen, was Kosten spart. Temperaturwerte, insbesondere im Schalter räumlich aufgelöst gemessen z. B. in Verbindung mit Außentemperaturwerten, können weiterhin Rückschlüsse auf Schaltleistungen ergeben, da eine hohe Schaltleistung zu ei ner spezifischen Erwärmung von Elementen der Hochspannungs- Schaltanlage führt. Darüber hinaus sind Rückschlüsse auf Schalthäufigkeit, Schaltintervalle und zu schaltender Leis tung möglich. Temperatur- und Druckwerte über lange Zeiträume hinweg gemessen, ermöglichen die Vorhersage von Materialalte rungsgrad, Verschleißgrad und die Notwendigkeit des Aus- tauschs von Komponenten bzw. Elementen der Hochspannungs- Schaltanlage .
Das Sensor-Array kann GPS-, Neigungs-, Beschleunigungs und/oder Erschütterungs-Sensoren umfassen, welche insbesonde re ausgebildet sind Reibungsverluste in der kinematischen Kette, den Schaltzustand und/oder die Schalthäufigkeit, Fehl funktionen, insbesondere Bruch, Wind- und/oder Eislast, Auf stellungsort, Transport, Servicetätigkeit, Sabotage, und/oder Erdbeben zu bestimmen. Transportbelastungen lassen sich be stimmen und bei Überschreiten von Grenzwerten eine Überprü fung auf Schäden einleiten. Insbesondere in Verbindung mit Druckdaten kann eine Aufstellung von Schaltern in z. B. nicht zugelassener Umgebung, insbesondere Höhe, verhindert werden, indem der Schalter insbesondere automatisch eine Inbetrieb nahme verhindert. Schäden durch Umwelteinflüsse, z. B. Sturm, Erdbeben, und/oder Frost mit insbesondere Eisbildung können gemessen, prognostiziert und/oder zeitnah behoben werden. Dadurch sind Netzausfälle minimierbar und Schäden im Netz vermeidbar. Eine Selbstdiagnose des Schalters ermöglicht nach Abschaltung z. B. nach Erdbeben, abhängig der lokal aufgetre- tenen Belastungen, eine schnelle Wiederinbetriebnahme der Hochspannungs-Schaltanlage .
Das Sensor-Array kann Optische Sensoren, insbesondere Farb sensoren, Wärmebildsensoren und/oder Kameras umfassen, welche insbesondere ausgebildet sind Gas-Strömungen räumlich und zeitlich aufgelöst zu messen und/oder mechanische sowie ther mische Belastungen, Alterung, Lichtbögen, und/oder Fehlfunk tion zu bestimmen, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Farbmarker in Verbindung mit Farbsensoren ermöglichen die Identifikation von räumlichen Verschiebungen von Elementen bzw. Teilen und der Änderung von Ausdehnungen. Bewegungen und Brüche sind dadurch identifizierbar, insbesondere nach Erdbe ben oder Sturm. Farben können ebenfalls über den Grad der Al- terung von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage Auskunft geben, und z. B. einen Austauschzeitpunkt bestimmen. Wärme bildsensoren können neben thermischen Belastungen Leckstellen in einem Gehäuse identifizieren helfen. Kameras in einem Ar- ray angeordnet ermöglichen ein vollständiges Bild über den Zustand einer Hochspannungs-Schaltanlage, und ermöglichen z. B. Sabotage zu identifizieren oder Wartungsaktionen zu unter stützen, z. B. über online Fernberatung bzw. Fernwartung.
Das Sensor-Array kann Gas-, spezifische Druck- und/oder
Feuchtigkeits-Sensoren umfassen, welche insbesondere ausge bildet sind Gaszusammensetzungen, spezifische Gas-Strömungen von z. B. einzelnen Gaskomponenten und/oder Taupunktbestim mungen zu ermöglichen. Bei Verwendung von Clean Air kann über Feuchtigkeits-Sensoren die Gasqualität und/oder können Iso liereigenschaften bestimmt werden. Ein Austauschzeitpunkt von z. B. Isoliergas und/oder Trockenmitteln in der Hochspan nungs-Schaltanlage kann über Gas- und/oder Feuchtigkeits- Sensoren bestimmt werden.
Das Sensor-Array kann Akustische Sensoren umfassen, welche insbesondere ausgebildet sind zur Diagnose von Schaltgeräu schen, Sabotage, Wartung und/oder Umweltparametern. Über die Anordnung der Sensoren im Array ist eine Lokalisierung des Ursprungsorts des akustischen Signals möglich. Die gemessene Frequenz kann Aufschluss über Ursachen von Fehlfunktionen, z. B. in der kinematischen Kette und deren Intensität geben. Brüche, z. B. am Gehäuse können registriert werden und Wet terbelastungen, z. B. bei Sturm auf unterschiedliche Elemente der Hochspannungs-Schaltanlage identifiziert werden. Ver schleiß, z. B. durch erhöhte Reibung kann akustisch regis triert werden. Abhängig der registrierten Töne kann eine War tung ausgelöst werden.
Das Sensor-Array kann Hall-Sensoren und/oder Sensoren nach Art einer Induktionsspule umfassen, welche insbesondere aus gebildet sind elektromagnetische Felder räumlich aufgelöst zu messen. Die Daten können zur Bestimmung von Schaltleistungen sowie Schalthäufigkeit dienen, und zur Entwicklung der Schal ter genutzt werden. So können Elemente des Schalters, z. B. Abschirmungen, optimiert werden und Umweltbelastungen, z. B. durch elektromagnetische Felder, bestimmt werden.
Das Sensor-Array kann Tilt-Sensoren und/oder mechanische Spannungssensoren, insbesondere Piezo-Sensoren, und/oder Tor sions-Sensoren umfassen, welche insbesondere ausgebildet sind mechanische Belastungen von Elementen der Hochspannungs- Schaltanlage zu bestimmen. So können z. B. mechanische Span nungen im Gehäuse und/oder in Elementen der kinematischen Kette bestimmt werden, und bei Erreichen von Grenzwerten ge eignete Entlastungsmaßnahmen und/oder ein Austausch der Ele mente erfolgen. Neigungssensoren können zur Bestimmung von Umweltparametern insbesondere bei Wind und/oder Erdbeben ge nutzt werden, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Mechani sche Brüche, z. B. des Gehäuses und/oder von insbesondere Wellen, Schaltstangen und/oder Getriebeteilen der kinemati schen Kette, können verhindert werden, indem z. B. bei Auf treten von kritischen Werten die Hochspannungs-Schaltanlage außer Betrieb genommen wird. Torsions-Sensoren können Bewe gungen in der kinematischen Kette bestimmen, Schaltvorgänge und/oder Fehler z. B. durch erhöhte Reibung identifizieren und neben anderen Sensordaten zur Optimierung von Hochspan nungs-Schaltanlagen beitragen.
Eine Auswertungseinheit und/oder Speichereinheit und/oder Da tenübermittlungseinheit können umfasst sein, welche ausgebil det sind Messergebnisse der Sensoren auszuwerten, insbesonde re mit vorbestimmten Werten zu vergleichen, und/oder zu spei chern, und/oder zu übermitteln, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln der Hochspannungs-Schalt anlage. Dadurch wird z. B. eine Fernwartung möglich, mit mi nimierten Wartungsintervallen vor Ort. Damit wird Zeit, Kos ten und Aufwand für Personal eingespart. Bei Fehlern kann zeitnah in die Hochspannungs-Schaltanlage eingegriffen wer den. Mit gespeicherten Daten, insbesondere Langzeitdaten, können Simulationen und Entwicklungen der Hochspannungs- Schaltanlage ermöglicht werden, und insbesondere ein digita ler Twin angelegt werden. Dadurch sind Aussagen über zukünf tiges Schaltverhalten, Wartungsbedürfnisse und einen notweni gen Austausch von Teilen oder der ganzen Hochspannungs- Schaltanlage möglich. Bei Erreichen von kritischen Werten oder Messung von z. B. speziellen akustischen, optischen, Druck- und/oder Spannungs-Signalen, kann eine Wartung von ei ner Zentrale aus zeitnah ausgelöst werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schaltanlagen, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltanlage, umfasst, dass die Sensoren in einem Array angeordnet werden, innerhalb und/oder außerhalb eines Gehäuses, und Sensoren gleichzeitig und/oder nacheinander ausgelesen werden, kontinuierlich und/oder in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen, insbesondere vorbestimmten zeitlichen Abständen, und/oder die ausgelesenen Messwerte in wenigstens einer Auswertungseinheit und/oder Speichereinheit und/oder Datenübermittlungseinheit ausgewertet werden, insbesondere mit vorbestimmten Werten verglichen werden, und/oder gespeichert werden, und/oder übermittelt werden, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln der Hochspannungs-Schaltanlage manu ell und/oder automatisch.
Räumlich und/oder zeitlich aufgelöst können Gradienten von physikalischen Größen gemessen werden, insbesondere Änderun gen in Temperatur, Druck, Lage, insbesondere Abstand und/oder Neigung, Beschleunigung, Torsion, mechanischer Spannung,
StoffZusammensetzung, Farbe, elektromagnetischen Feldern und/oder elektrischem Widerstand, wobei Änderungen der räum lich aufgelöst gemessenen physikalischen Größen über die Zeit beobachtet Ergebnisse, insbesondere Schaltstellung, Schalt- häufigkeit und -Zeitpunkt, thermische Belastungen, Alterung, Reibungsverluste, Fehlfunktionen, Gas-Strömungen, Gaszusam mensetzung, Materialänderungen, insbesondere Bruch, Klang bild, Schnee- und Eislast, Erdbeben, Servicetätigkeit, Sabo tage, Aufstellungsortsänderungen und/oder Wettereinflüsse er geben und zur Entwicklung, Wartung, Steuer- oder Regelung, und/oder Austauschzeitpunkt der Hochspannungs-Schaltanlage und/oder von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage verwen det werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs-Schaltanlagen, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltanlage, gemäß Anspruch 14 sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Hochspannungs-Schaltanlage gemäß Anspruch 1 und umgekehrt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sche matisch in der einzigen Figur dargestellt und nachfolgend nä her beschrieben.
Dabei zeigt die
Figur schematisch in Schnittansicht eine erfindungsgemäße
Hochspannungs-Schaltanlage 1 von einer Seite be trachtet mit einem Sensor-Array .
In Figur 1 ist schematisch in Schnittansicht eine erfindungs gemäße Hochspannungs-Schaltanlage von einer Seite betrachtet dargestellt. Beispielhaft ist ein Hochspannungs-Leistungs schalter als Hochspannungs-Schaltanlage 1 mit einem Kontakt 3 in einem Gehäuse 2 dargestellt. Der elektrische Kontakt 3 um fasst ein bewegliches 4 und ein festes 5 Kontaktstück, z. B. aus Kupfer, Graphit und/oder Stahl. Beim Einschalten des Hochspannungs-Leistungsschalters wird das bewegliche Kontakt stück 4 auf das feste Kontaktstück 5 zubewegt, bis ein mecha nischer und elektrischer Kontakt besteht. Beim Ausschalten des Hochspannungs-Leistungsschalters wird das bewegliche Kon taktstück 4 von dem festen Kontaktstück 5 weg bewegt, bis der elektrische Kontakt geöffnet ist. Ein Antrieb 13, z. B. ein Motor und/oder Federspeicherantrieb, stellt die Bewegungs energie zum Schalten bereit. Elemente der kinematischen Kette 12, z. B. Getriebeelemente und/oder eine Antriebsstange, übertragen die Antriebsbewegung vom Antrieb 13 auf das beweg liche Kontaktstück 4.
Der Kontakt 3 ist in einem Gehäuse 2 angeordnet. Das Gehäuse 2 ist z. B. ein gerippter Isolator aus einem Verbundwerk stoff, Keramik und/oder Silikon. Ein elektrischer Widerstand umfasst Widerstandsstapel 10 aus Widerstandsscheiben 11, wel che jeweils um die Kontaktstücke 4, 5 angeordnet sind. Die Widerstandsscheiben 11 weisen jeweils eine Bohrung auf und die Kontaktstücke 4, 5 verlaufen durch die Bohrungen. Der Wi derstand ist zur Dämpfung des Stroms beim Ein- und Ausschal ten ausgebildet, um Lichtbögen beim Schalten zu unterdrücken. Das Gehäuse 2 ist mit einem Schalt- bzw. Isoliergas 6 be- füllt, z. B. SF6 und/oder Clean Air, um beim ausgeschalteten Zustand des Hochspannungs-Leistungsschalters eine gute elekt rische Isolation zwischen den Kontaktstücken 4, 5 und über die Gehäuseinnenseite zu erhalten.
Beispielhaft ist in dem Hochspannungs-Leistungsschalter ein Sensor-Array mit Temperatur- und Drucksensoren 7, welche am Gehäuse 2 Innen angeordnet sind, dargestellt. Das Gehäuse 2 ist hohlzylinderförmig, und entlang des inneren Umfangs des Gehäuses 2 sind die Temperatur- und/oder Drucksensoren 7 be festigt, z. B. angeklebt. Die Sensoren 7 sind z. B. in regel mäßigen Abständen entlang der Längsachse des Gehäuses 2 und in regelmäßigen Abständen entlang des Umfangs angeordnet.
Z. B. ist entlang des Umfangs jeweils alle 90 Grad ein Sensor 7 angeordnet. Alternativ können die Sensoren 7 auch in unre gelmäßigen Abständen angeordnet sein, z. B. mit einer höheren Sensordichte im Bereich des Spalts zwischen den getrennten Kontaktstücken 4, 5, und/oder in höherer oder geringerer Sen- sordichte entlang des Umfangs. Sensoren 7 können auch z. B. an Düsen, welche der Einfachheit halber nicht eingezeichnet sind, und/oder Kontaktstücken 4, 5 angeordnet sein, insbeson dere um nahe einem Lichtbogen Messwerte zu erhalten. Die Sen soren 7 sind z. B. integrierte Halbleitersensoren, welche Da tenübermittlungseinheiten, verbunden über z. B. optische und/oder elektrische Leitungen und/oder Drahtlos z. B. über Funk, umfassen. Als Funkeinrichtungen können z. B. Richt funk-, W-Lan, Bluetooth- und/oder Mobilfunkeinrichtungen die nen, z. B. mit Energieharvesting über Temperaturgradienten, Funk oder Druckgradienten.
Durch die Anordnung der Temperatur- und Drucksensoren 7 in einer Array-Form, insbesondere an bestimmten Orten in der Hochspannungs-Schaltanlage 1, sind im Gegensatz zu einzelnen Sensoren räumlich aufgelöst Temperatur- und Druckgradienten und deren zeitliche Änderung messbar. Dadurch können räumlich aufgelöst Gas-Strömungen und thermische Belastungen von Ele menten der Hochspannungs-Schaltanlage 1 gemessen bzw. unter sucht werden, und z. B. über Umweltsensoren kalibriert wer den. Beispielhaft ist an der rechten Oberseite der Hochspan nungs-Schaltanlage 1 ein Temperatur- und Drucksensor 7 ange ordnet, welcher als Teil des Sensor-Arrays oder als stand alone Sensor 7 Temperatur und Druck der Umgebungsluft messen kann. Alternativ zu einem Sensor 7 kann an der Außenseite des Gehäuses 2 ein Sensor-Array mit einer Vielzahl von Tempera tur- und Drucksensoren 7 angeordnet sein, um z. B. Tempera turunterschiede auf der Gehäuseoberfläche, insbesondere über Sonneneinstrahlung erzeugt, zu messen. Alternativ oder zu sätzlich können optische bzw. Strahlungs-Sensoren an der Ge häuseaußenseite Strahlung, insbesondere im sichtbaren Be reich, UV und/oder Wärmestrahlung messen. Die derart gewonnen Daten können zur Bestimmung bzw. Simulation von z. B. Alte rung des Gehäuses, zur Kompensation von Umwelteinflüssen auf Messergebnisse, und/oder zur Wetterinformation dienen. Optische Sensoren 9 können auch Wärmebild- und/oder optische Kameras, insbesondere CCD-Kameras umfassen. Im Gehäuse 2 an geordnet, z. B. im Bereich von Lichtbögen zwischen den Kon taktstücken 4, 5, insbesondere an der Gehäuseinnenwand befes tigt, können Informationen über zeitlich und räumliche Aus breitung von Lichtbögen gewonnen werden. Durch die Anordnung in Array-Form, z. B. entlang des inneren Umfangs des Gehäuses 2, können Lichtbögen in 3D aufgezeichnet und untersucht wer den. Informationen über die räumliche Verteilung eines Licht bogens und, über spektrale Analyse, über die StoffZusammen setzung und Temperaturgradienten sowie Strömungsgeschwindig keiten räumlich aufgelöst sind derart möglich. Optische Sen soren 9, z. B. Wärmebild- und/oder optische Kameras, an der Außenseite des Gehäuses 2 angeordnet, an unterschiedlichen Positionen, ermöglichen die Beobachtung von z. B. Service- Personal und insbesondere deren Anleitung über Fernberatung, sowie die Registrierung von Sabotage.
Beschleunigungs- , Neigungs-, Erschütterungs- , und/oder GPS- Sensoren 8, insbesondere in Array-Form angeordnet, ermögli chen die Messung von Lageänderungen der Hochspannungs-Schalt anlage 1 und/oder von Elementen der Hochspannungs-Schaltan lage 1 zueinander. Dadurch kann der Aufstellungsort und die Ausrichtung der Hochspannungs-Schaltanlage 1 und/oder von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1 zueinander am Auf stellungsort bestimmt werden. Über Drucksensoren 7 kann zu sätzlich die Aufstellungshöhe über Meeresspiegel bestimmt werden. Bei Aufstellungen, welche nicht der Bestimmung und/oder Konstruktion bzw. Zulassung entsprechen, kann eine Inbetriebnahme der Hochspannungs-Schaltanlage 1 unterbunden werden. Lageänderungen, insbesondere bei Erdbeben und/oder Sturm, können durch die Array-Form der Sensoren räumlich auf gelöst, z. B. für einzelne Komponenten bzw. Elemente der Hochspannungs-Schaltanlage 1 erfolgen. Dadurch sind Beschädi gungen und der Grad der Beschädigung schnell und einfach, z. B. durch Selbs-Test und/oder per Ferndiagnose möglich, und Hochspannungs-Schaltanlagen 1 können nach Umweltschäden ge- zielt zeitnah abgeschaltet werden oder bei Funktionsfähigkeit bzw. ohne schwerwiegende Schäden, schnell wieder zugeschaltet werden. Dadurch kann ein Stromnetz nach Umweltschäden
schnell, einfach und sicher wieder in Betrieb genommen wer den .
Weiterhin können Beschleunigungs- , Neigungs-, Erschütte- rungs-, und/oder GPS-Sensoren 8 Schaltvorgänge und deren Häu figkeit registrieren, wobei z. B. nach einer vorbestimmten Zahl ein Service vor Ort erfolgen kann. Die Intensität der Belastung von einzelnen Elementen der Hochspannungs-Schaltan lage 1 kann durch die Array-Form der Sensoren bestimmt wer den, und besonders belastete Elemente können gezielt gewartet bzw. gewechselt werden. Die Beschleunigungs-, Neigungs-, Er- schütterungs- , und/oder GPS-Sensoren 8 können z. B. in und/oder an Elementen der kinematischen Kette 12 angeordnet sein und/oder an Kontaktstücken 4, 5. Dadurch ist spezifisch die Kinematik von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1 messbar, und die derart gewonnen Daten können zur Entwicklung und Wartung der Hochspannungs-Schaltanlage 1 verwendet wer den .
Beispielsweise können Reibungsverluste räumlich aufgelöst identifiziert werden, und z. B. Alterungsprozesse von insbe sondere Schmiermitteln und/oder Elementen der kinematischen Kette 12 zeitlich untersucht werden. Bei Erreichen eines vor bestimmten Alterungsgrads kann ein Wechsel oder einer Wartung von Elementen der kinematischen Kette 12 und/oder Schmiermit teln erfolgen. Die Daten können zur Weiterentwicklung
und/oder Konstruktion von Hochspannungs-Schaltanlagen 1 ge nutzt werden und zu deren Optimierung. Z. B. können stark be lastet Teile bzw. Elemente mechanisch stabiler über andere Werkstoffe und/oder räumliche Dimensionen ausgeführt werden, oder deren Aufbau den gemessenen Werten und/oder Simulationen mit den Messwerten angepasst werden. Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können unterei nander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z. B. Vakuumschalter, Leistungsschalter mit Nennstrom- und Lichtbogenkontakt, oder Kombinationen beider verwendet werden. Sensoren können auch Daten von Vorrichtungen der Hochspannungs-Schaltanlage 1, insbesondere Ableitern, Trennern und/oder Erdern liefern. Weiter Sensor-Arrays oder Sensoren im Array können z. B.
akustische Sensoren sein, welche über räumlich aufgelöste Frequenz- und/oder Schall-Intensitätsmessungen Informationen über Ort und Art von z. B. erhöhter Reibung im Antrieb 13 und/oder in der kinematischen Kette 12, Bruch z. B. von Ele menten der kinematischen Kette 12 und/oder des Gehäuses 2, Sabotage und/oder Wartung ergeben können. Hall-Sensoren und/oder Sensoren nach Art einer Induktionsspule können um fasst sein, zur Messung der räumlichen Verteilung und zeitli chen Änderung von elektromagnetischen Feldern. Daten über elektromagnetische Felder ermöglichen z. B. die genaue Klä rung von Prozessen im Lichtbogen, die Optimierung von Ab schirmungen, die Messung von Schaltströmen- und/oder Spannun gen, und/oder den Einfluss von Störfeldern insbesondere über Induktion in Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1.
Widerstandsmessungen am Isolator 2 können Verschmutzungen identifizieren und deren Grad bestimmen. Reinigungen können entsprechend bei einer Wartung veranlasst werden, um elektri sche Überschläge über den Isolator 2 und erhöhte Alterung des Isolators 2 zu vermeiden. Widerstandsmessungen im Wider standsstapel 10 insbesondere über ein Sensor-Array jeweils mit wenigstens einem Sensor an einer Widerstandsscheibe 11 können Schaltströme, insbesondere Kurzschlussströme identifi zieren und zur Optimierung von Hochspannungs-Schaltanlagen 1 beitragen. Sensor-Arrays mit Tilt-Sensoren und/oder mechani schen Spannungssensoren, insbesondere Piezo-Sensoren,
und/oder mit Torsions-Sensoren können analog GPS-, Neigungs-, Beschleunigungs- und/oder Erschütterungs-Sensoren 8 Bewegun gen räumlich und zeitlich identifizieren und Brüche bzw. Be- Schädigungen von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage 1, insbesondere des Antriebs 13, der kinematischen Kette 12 und/oder des Gehäuses 2, z. B. nach Umweltschäden oder beim Schalten, identifizieren.
Die von den Sensoren gemessenen Daten können von einer Aus wertungseinheit, z. B. einem Mikrochip oder Computer, oder in der Cloud ausgewertet werden. Dabei kann ein Vergleich mit Soll- und/oder Simulationswerten kritische Werte identifizie ren, und geeignete Maßnahmen können automatisch oder per Hand eingeleitet bzw. vorgenommen werden. Eine Speichereinheit kann die Daten bis zu einem Verarbeiten und/oder Auslesen z. B. vor Ort, oder für eine Datenübertragung z. B. per Funk und/oder Kabelgebunden z. B. per Internet, speichern. Eine Datenübermittlungseinheit kann Messergebnisse oder kritische Werte bzw. daraus bestimmte Signale übermitteln, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud. Dadurch wird eine Überwachung vor Ort oder per Fernwartung, ein Auslösen von Serviceaktionen, eines Austauschs und/oder ein Steuern oder Regeln der Hochspannungs-Schaltanlage 1 möglich.
Messdaten können insbesondere im Dauerbetrieb kontinuierlich, periodisch mit festen oder variablen Zeitabständen, oder z. B. bei Ereignissen wie z. B. Schalten und/oder Umwelter eignissen, erhoben werden. Dadurch können über Auswertungen vor Ort und/oder in der Cloud, z. B. in der Mindsphere, In formationen gewonnen werden, wie z. B. über Wartungsinterval le, für Verbesserungen der Konstruktion, über Schalteigen schaften und/oder der Schalthäufigkeit, den Zustand insbeson dere bezüglich Alterung von Komponenten, und Umwelteinflüs sen. Spätere Apps können entwickelt werden, um die Wartung und den Betrieb von Stromnetzen mit den Hochspannungs-Schalt anlagen zu erleichtern und/oder die Daten können verkauft werden. Die Sensordaten geben Informationen über den Zustand und das Schalten der Hochspannungs-Schaltanlagen im Stromnetz sowie über die Umwelt der Hochspannungs-Schaltanlagen. Durch die parallele Verwendung von Sensoren, in Array-Form angeordnet, an unterschiedlichen Orten im bzw. an Hochspan nungs-Schaltanlagen, welche Daten kontinuierliche oder in be stimmten Abständen messen und/oder senden können, sind zeit liche und räumliche Verteilungen messbar. Z. B können Ände rungen von Temperatur- und/oder Druckgradienten bzw. Gas- Strömungen räumlich und zeitlich aufgelöst in der Hochspan nungs-Schaltanlage gemessen werden, insbesondere während und nach dem Schaltvorgang. So können Änderungen von Gas-Strö mungen z. B. entlang des äußeren Stützisolators, im Bereich einer Blasdüse und/oder in Gaskammern gemessen werden, konti nuierlich über Jahre hinweg, und die Auswertung kann zur Op timierung der Hochspannungs-Schaltanlage führen. Temperatur verteilungen können räumlich und zeitlich aufgelöst gemessen werden, insbesondere entlang des Stützisolators und/oder im Bereich der Kontaktstücke . Thermische Belastungen in der Hochspannungs-Schaltanlage und des Stützisolators können be stimmt werden, insbesondere während Schaltvorgängen, und thermische Strömungen können gemessen werden, z. B. ausgelöst durch äußere Umwelteinflüsse wie z. B. äußere Temperaturände rungen .
Piezo-Sensoren können Materialspannungen messen und Verspan nungen vor einem Bruch signalisieren. Material kann bei der Konstruktion eingespart werden, da Sicherheitspuffer in der Materialauslegung reduziert werden kann durch die verwendete Sensorik. Optische Sensoren an unterschiedlichen Orten mit freier Sicht zu Lichtbögen können bei der räumlich und zeit lich aufgelösten Analyse von Lichtbögen genutzt werden, z. B. zur Nachführung von Kontaktstücken bei Abbrand, oder eine Analyse der Strom-/Spannung beim Schalten kann verwendet wer den. Eine Wellenlänge oder Spektren, z. B. zur räumlich auf gelösten Stoffanalyse, insbesondere Gaszusammensetzung, kön nen zeitlich und räumlich erfasst werden. Abstandssensoren, insbesondere über Laserlicht, können räumliche Änderungen messen, insbesondere in Länge und Umfang, welche z. B. zur Änderung der Spannungsfestigkeit eines Schalters bzw. einer Hochspannungs-Schaltanlage führen. Dadurch kann eine Nachfüh rung von Schaltelementen erfolgen oder die Einsatzparameter der Hochspannungs-Schaltanlage bestimmt werden. Optische oder akustische Messungen können Dichteänderungen in der Hochspan nungs-Schaltanlage detektieren, womit räumlich aufgelöst Strömungen bestimmt werden können. Akustische Signalgeber und Sensoren können Materialänderungen bestimmen, z. B. Fehler in der Stützkeramik vor oder nach Bruch der Keramik, oder Dich teänderungen im Gas detektieren.
Bei Verwendung von z. B. Clean Air können spezifische Gas-, Druck- und/oder Feuchtesensoren räumlich aufgelöst zur Iden tifizierung von Leckstellen führen, räumlich aufgelöst Ab brandprodukte identifizieren und z. B. Reinigungsintervalle und zu reinigende Bereiche identifizieren. Es können Zeiten bestimmt werden, zum Erneuern bzw. zur Aufbereitung der Clean Air, oder es können Änderung der Spannungsfestigkeit der Hochspannungs-Schaltanlage durch Änderung der Qualität von Clean Air bestimmt werden. Wärmebildsensoren können räumlich und zeitlich aufgelöst unterschiedliche Temperaturverteilun gen in Teilen aufzeichnen und bei kritischen Zuständen War nungen auslösen. Farbsensoren und/oder Widerstandsmessungen können Alterungen unterschiedlicher Materialien und Bereiche bestimmen, räumlich aufgelöst bei Verwendung von Sensoren an unterschiedlichen Positionen. Akustische Sensoren können räumlich aufgelöst beim Schalten Prozesse detektieren, und am Klangbild räumlich aufgelöst Fehlfunktionen, z. B. Knacken bei Bruch, Quietschen bei Reibung von Teilen, identifizieren sowie die Art und Position des Fehlers bestimmen. Erschütte rungssensoren können z. B. Schalten, Erdbeben, Servicearbeit oder Sabotage identifizieren, abhängig von der gemessenen Amplitude und zeitlichen Verlauf oder der Frequenz der Er schütterung, sowie dem Ort, z. B. an einem Schaltschrank, an der Keramik oben/unten, an einem Träger einer Hochspannungs- Schaltanlage, an den Elementen der kinematischen Kette. Über die Messung an unterschiedlichen Hochspannungs-Schalt anlagen kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit und Richtung ei nes Erdbebens bestimmt werden, wobei die Daten kommerziell genutzt werden können, z. B. analog Wetterdaten durch Verkauf an Meteorologische Dienste. Neigungssensoren, insbesondere Tilt-Sensoren, mechanische Spannungssensoren, z. B. Piezo- Sensoren, und/oder Torsions-Sensoren können zur Bestimmung von z. B. Schnee- und/oder Eislast dienen, Schaltstellungen bestimmen, die Stellung von Elementen der kinematischen Ket te, insbesondere abhängig der Position entlang der kinemati schen Kette, und/oder des Antriebs ergeben. Analog können op tische Marker, z. B. Positionskreuze auf Teilen, und deren Erfassung an unterschiedlichen Stellen wirken. Hall-Sensoren oder Induktionsspulen können elektromagnetische Felder an un terschiedlichen Orten in der Hochspannungs-Schaltanlage mes sen .
Im Unterschied zum Stand der Technik kann eine Vielzahl von Sensoren, insbesondere unterschiedlicher Art in der Hochspan nungs-Schaltanlagen bzw. Schaltern räumlich verteilt, dazu genutzt werden, Prozesse im Schalter zeitlich aufgelöst im regulären Betrieb im Netz über Jahre hinweg aufzuzeichnen und auszuwerten. Die Kombination einer Vielzahl von Sensoren gleicher und unterschiedlicher Art erhöht die Diagnose- und Prognosegenauigkeit. Eine Kombination der räumlichen und zeitlichen Verläufe von unterschiedlichen Sensordaten eines Schalters im Vergleich mit anderen Schaltern in Kombination mit Umweltdaten, kann Auskunft über Alterung, Funktionsfähig keit, und/oder zu wartende Elemente geben und/oder bei der Weiterentwicklung der Hochspannungs-Schaltanlagen helfen. Ausfälle können leichter untersucht und die Ausfallgründe leichter identifiziert werden. Insbesondere Parameter beim Schalten können Rückschlüsse auf das Netz als Ganzes ergeben und auf den Zustand der Hochspannungs-Schaltanlage.
Z. B. können Temperatur-, Druck-, optische und/oder Bewe gungsverläufe räumlich aufgelöst zur Bestimmung von Strömun- gen in der Hochspannungs-Schaltanlage beitragen, insbesondere spezifisch für Gaskomponenten, geschaltete Leistungen identi fizieren, z. B. über Lichtbogenintensität und den folgenden Temperaturverlauf, Probleme identifizieren, z. B. die Alte rung von Dichtungen, Schmierungen, Materialermüdung, und Um weltdaten erfassen, welche weiterverkauft werden können. Un terschiedliche Materialien können unterschiedlich kritisch reagieren auf Umwelteinflüsse. Z. B. kann eine tiefe Tempera tur zum Bruch von speziellen Verbindungen führen, und Messung der Temperatur räumlich aufgelöst kann eine Vorhersage erlau ben, bis wann eine Hochspannungs-Schaltanlage funktionsfähig ist. So kann die Außentemperatur zeitlich verzögert zu der kritischen Komponente transportiert werden, wodurch trotz kritischer Außentemperatur die Hochspannungs-Schaltanlage ab hängig der Schalthäufigkeit weiter benutzt werden kann. Bei nur kurzfristiger kritischer Außentemperatur kann die Hoch spannungs-Schaltanlage ununterbrochen genutzt werden, bei Messung des Temperaturverlaufs in der Hochspannungs-Schalt anlage, vorbestimmt bis zu einem Zeitpunkt an dem die kriti sche Temperatur an der kritischen Komponente ankommt.
Aus Temperatur und Luftfeuchtigkeitsmessung kann z. B. bei Clean Air ein Taupunkt berechnet werden, bei dem lokal an vorbestimmten Orten in der Hochspannungs-Schaltanlage Flüs sigkeit kondensiert. Dabei können räumlich aufgelöste Tempe raturmessungen zur Bestimmung des räumlichen Bereichs zur Kondensation abhängig der Außentemperatur verwendet werden. Durch Erwärmung bei Schaltung oder Stromfluss kann der Be reich wandern, wobei räumlich aufgelöste Temperaturwerte zur Bestimmung des Kondensationsbereichs dienen können. Bei kri tischen Werten kann die Hochspannungs-Schaltanlage außer Be trieb gestellt werden.
Bei Ausfällen von Sensoren können die Messwerte anderer Sen soren genutzt werden, um die Sensordaten des ausgefallenen Sensors zu simulieren. Z. B. können Daten eines ausgefallenen Sensors durch Interpolation aus Daten benachbarter Sensoren ermittelt werden. Sensoren anderer Hochspannungs-Schaltan lagen im gleichen Zustand können verwendet werden, um die Da ten des ausgefallenen Sensors zu ersetzen. Dadurch können Zeiten bis zur nächsten Wartung überbrückt werden, bei der ein Sensor ausgewechselt wird. Die Daten der Sensoren können vor Ort, in Abständen ausgelesen, oder zentral, übermittelt z. B. per Funk- oder Internet, ausgewertet werden. Die Aus wertung und Kombination von verknüpften Daten in der Cloud bzw. Mindsphere, ausgewertet mit künstlicher Intelligenz, kann zur Vorhersage von Fehlern führen, Ausfälle prognosti zieren oder per App, an jedem Ort der Welt einen Zugriff für Diagnose- und Wartung erlauben, insbesondere verschlüsselt, personalisiert für ausgewählte Nutzer oder Nutzergruppen.
Auswertungen und Vergleich unterschiedlicher Hochspannungs- Schaltanlagen bei unterschiedlichen Schaltvorgängen, sortiert nach Umwelt-, Schaltertyp-, Schaltbedingungen und Verschleiß zustand, kann eine Statistik ermöglichen, zur Auswertung nor maler und anormaler Ausfälle, zur Identifikation von Produk tionsfehlern im Unterschied zu Konstruktionsfehlern und nor malen Verschleiß durch Alterung. Die Kombination einer großen Zahl unterschiedlicher Sensoren, räumlich verteilt in der Hochspannungs-Schaltanlage, zeitlich aufgelöst gemessen, ge mittelt über viele Hochspannungs-Schaltanlagen, ermöglicht Vorhersagen, die Identifizierung von zeitlichen Verläufen der Netzparameter räumlich aufgelöst abhängig von Umwelteinflüs sen und Schalterzuständen, und kann zur Erhöhung der Zuver lässigkeit, Stabilität der Netze und zur Erhöhung der Ein- satzdauer der Hochspannungs-Schaltanlagen führen.
Die in-situ Daten helfen bei der Optimierung der Hochspan nungs-Schaltanlagen, können zur Bestimmung von Wartungsinter vallen oder notwendigen Wartungen verwendet werden, können Fehler an der Hochspannungs-Schaltanlage frühzeitig signali sieren oder Schalteigenschaften wie z. B. Schalthäufigkeit und Belastung beim Schalten ergeben. Ein Online-Monitoring der Daten kann erfolgen, für ausgewählte Hochspannungs- Schaltanlagen im normalen Netzbetrieb oder für alle serienge fertigten Hochspannungs-Schaltanlagen .
Bezugszeichenliste
1 Hochspannungs-Schaltanlage, insbesondere Hochspannungs- Leistungsschalter
2 Gehäuse
3 Kontakt
4 bewegliches Kontaktstück
5 festes Kontaktstück
6 Isoliergas
7 Temperatur- und/oder Drucksensoren
8 GPS-, Neigungs-, Beschleunigungs- und/oder Erschütte rungs-Sensoren
9 Optischer Sensor
10 Widerstandsstapel
11 Widerstandsscheibe
12 Element der kinematischen Kette
13 Antrieb

Claims

Patentansprüche
1. Hochspannungs-Schaltanlage (1) mit wenigstens einem Gehäu se (2) und mit wenigstens einem elektrischen Kontakt (3), wo bei der Kontakt wenigstens zwei Kontaktstücke (4, 5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Sensoren umfasst sind, welche in Form eines Arrays angeordnet sind.
2. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Hochspannungs-Leistungsschalter umfasst ist, insbesondere ein Freiluft-Hochspannungs-Leistungsschalter, und/oder dass der wenigstens eine Kontakt (3) einen Nennstrom-Kontakt um fasst, mit wenigstens zwei Nennstrom-Kontaktstücken (4, 5), insbesondere einem beweglichen (4) und einem festen Nenn- strom-Kontaktstück (5) , und einen Lichtbogen-Kontakt umfasst, mit wenigstens zwei Lichtbogen-Kontaktstücken, insbesondere einem beweglichen und einem festen Lichtbogen-Kontaktstück, und/oder dass eine Isolierdüse umfasst ist, und/oder dass das Gehäuse (2) ein Isolator ist, insbesondere ein gerippter Iso lator aus einem Verbundwerkstoff, Keramik und/oder Silikon, und/oder dass das Gehäuse (2) mit Isoliergas (6) befüllt ist, insbesondere mit Clean Air und/oder SF6.
3. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Vakuumröhre umfasst ist, in welcher wenigstens ein Kon takt angeordnet ist, insbesondere mit wenigstens zwei teller förmigen Kontaktstücken, wobei die Vakuumröhre insbesondere im Gehäuse (2), insbesondere einem gerippten Isolator aus ei nem Verbundwerkstoff, Keramik und/oder Silikon, angeordnet ist, und/oder dass das Gehäuse (2) mit Isoliergas befüllt ist, insbesondere mit Clean Air und/oder SF6.
4. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoren im Gehäuse (2) angeordnet sind, insbesondere an der Gehäuseinnenwand und/oder an Elementen einer kinemati schen Kette (12) und/oder an Kontaktstücken .
5. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoren außerhalb des Gehäuses (2) angeordnet sind, ins besondere an der Außenwand des Gehäuses (2) und/oder an einem Träger des Gehäuses (2), und/oder an Vorrichtungen der Hoch spannungs-Schaltanlage (1), insbesondere einem Ableiter, ei nem Trenner und/oder einem Erder.
6. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensor-Array Temperatur- und/oder Drucksensoren (7) um fasst, welche insbesondere ausgebildet sind Gas-Strömungen räumlich und zeitlich aufgelöst zu messen und/oder thermische Belastungen zu bestimmen.
7. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensor-Array GPS-, Neigungs-, Beschleunigungs- und/oder Erschütterungs-Sensoren (8) umfasst, welche insbesondere aus gebildet sind Reibungsverluste in der kinematischen Kette (12), den Schaltzustand und/oder die Schalthäufigkeit, Fehl funktionen, insbesondere Bruch, Wind- und/oder Eislast, Auf stellungsort, Transport, Servicetätigkeit, Sabotage, und/oder Erdbeben zu bestimmen.
8. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor-Array Optische Sensoren (9), insbesondere Farb sensoren, Wärmebildsensoren und/oder Kameras umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind Gas-Strömungen räumlich und zeitlich aufgelöst zu messen und/oder mechanische sowie ther mische Belastungen, Alterung, Lichtbögen, und/oder Fehlfunk tion zu bestimmen.
9. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensor-Array Gas-, spezifische Druck- und/oder Feuchtig keits-Sensoren umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind zur Bestimmung der Gaszusammensetzungen, von spezifischen Gas-Strömungen von insbesondere einzelnen Gaskomponenten, der Gasqualität, der Isoliereigenschaften von insbesondere Iso liergas und/oder zur Taupunktbestimmung.
10. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorherge henden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensor-Array Akustische Sensoren umfasst, welche insbe sondere ausgebildet sind zur Diagnose von Schaltgeräuschen, Sabotage, Wartung und/oder Umweltparametern.
11. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorherge henden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensor-Array Hall-Sensoren und/oder Sensoren nach Art ei ner Induktionsspule umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind elektromagnetische Felder räumlich aufgelöst zu messen.
12. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorherge henden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensor-Array Tilt-Sensoren und/oder mechanische Span nungssensoren, insbesondere Piezo-Sensoren, und/oder Tor sions-Sensoren umfasst, welche insbesondere ausgebildet sind mechanische Belastungen von Elementen der Hochspannungs- Schaltanlage (1) zu bestimmen.
13. Hochspannungs-Schaltanlage (1) nach einem der vorherge henden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Auswertungseinheit und/oder Speichereinheit und/oder Da tenübermittlungseinheit umfasst sind, welche ausgebildet sind Messergebnisse der Sensoren auszuwerten, insbesondere mit vorbestimmten Werten zu vergleichen, und/oder zu speichern und/oder zu übermitteln, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln der Hochspannungs-Schaltanlage (1).
14. Verfahren zur Verwendung von Sensoren in Hochspannungs- Schaltanlagen (1), insbesondere in einer Hochspannungs- Schaltanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoren in einem Array angeordnet werden, innerhalb und/oder außerhalb eines Gehäuses (2), und Sensoren gleich zeitig und/oder nacheinander ausgelesen werden, kontinuier lich und/oder in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen zeitli chen Abständen, insbesondere vorbestimmten zeitlichen Abstän den, und/oder die ausgelesenen Messwerte in wenigstens einer Auswertungseinheit und/oder Speichereinheit und/oder Daten übermittlungseinheit ausgewertet werden, insbesondere mit vorbestimmten Werten verglichen werden, und/oder gespeichert werden, und/oder übermittelt werden, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud, insbesondere zum Über wachen und/oder Steuern und/oder Regeln der Hochspannungs- Schaltanlage (1) manuell und/oder automatisch.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
räumlich und/oder zeitlich aufgelöst Gradienten von physika lischen Größen gemessen werden, insbesondere Änderungen in Temperatur, Druck, Lage, insbesondere Abstand und/oder Nei- gung, Beschleunigung, Torsion, mechanischer Spannung, Stoff zusammensetzung, Farbe, elektromagnetischen Feldern und/oder elektrischem Widerstand, wobei Änderungen der räumlich aufge löst gemessenen physikalischen Größen über die Zeit beobach- tet Ergebnisse, insbesondere Schaltstellung, Schalthäufigkeit und Zeitpunkt, thermische Belastungen, Alterung, Reibungsver luste, Fehlfunktionen, Gas-Strömungen, Gaszusammensetzung, Materialänderungen, insbesondere Bruch, Klangbild, Schnee- und Eislast, Erdbeben, Servicetätigkeit, Sabotage, Aufstel- lungsortsänderungen und/oder Wettereinflüsse ergeben und zur Entwicklung, Wartung, Steuer- oder Regelung, und/oder Aus tauschzeitpunkt der Hochspannungs-Schaltanlage (1) und/oder von Elementen der Hochspannungs-Schaltanlage (1) verwendet werden .
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