WO2022043035A1 - Verfahren zur zustandsbestimmung eines betriebsmittels und betriebsmittel - Google Patents

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WO2022043035A1
WO2022043035A1 PCT/EP2021/072113 EP2021072113W WO2022043035A1 WO 2022043035 A1 WO2022043035 A1 WO 2022043035A1 EP 2021072113 W EP2021072113 W EP 2021072113W WO 2022043035 A1 WO2022043035 A1 WO 2022043035A1
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temperature
equipment
current
curve
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PCT/EP2021/072113
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Inventor
Ivana Mladenovic
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/327—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers
    • G01R31/3271—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of high voltage or medium voltage devices
    • G01R31/3275—Fault detection or status indication
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/62—Testing of transformers

Definitions

  • the object of the invention is to provide a method for determining the status of an item of equipment and an item of equipment as such, which, compared to the prior art, enables a reliable prediction of the condition of the item of equipment and prevents a premature, premature replacement of the item of equipment or the operating time extended.
  • the solution to the problem consists in a method for determining the status of an item of equipment with the features of patent claim 1 and an item of equipment according to claim 6 for carrying out a method according to one of claims 1
  • the method for determining the state of equipment in an electrical network according to claim 1 consists of the following method steps: First, the current intensity I of an electrical current flowing through the equipment is measured, followed by a temperature measurement on a component thermally influenced by the current flow of the equipment, whereupon the time course of the current and the time course of the temperature are combined in a current-temperature course and compared with a reference course of the current and the temperature of a piece of equipment in a known state with regard to defined course criteria.
  • the method described has the advantage that only two measured variables have to be recorded over time at the equipment and these are set in a specific correlation. This takes advantage of the fact that very many pieces of equipment have at least one current measuring device and a temperature measuring device is often already present on certain components. Furthermore, a temperature measuring device can be retrofitted to existing equipment with little effort. Measured variables are thus used which can also be determined with little effort for existing equipment and which can be compared using defined progression criteria of these measured variables as a function of time with the progression of equipment whose progression of these variables is known for new equipment. If there are noticeable changes in these course criteria, certain errors or signs of aging can be inferred. Electrical networks are to be understood here as public supply networks, transmission networks and distribution networks, but also industrial networks in companies.
  • the term reference profile is understood to mean a time-related current-temperature profile of an item of equipment with a known condition, preferably in a new condition.
  • the reference curve can also originate from a defective item of equipment, which can be used to detect a known error in an item of equipment that is in operation.
  • the reference profile preferably has a current-time profile that is similar to the current-time profile considered or can be back-calculated.
  • An advantageous and easy-to-determine profile criterion consists in considering the time interval between a change in current intensity and a subsequent change in temperature. If the current intensity running through the equipment changes, for example if it increases, this is usually accompanied by a time-delayed temperature change. If, for example, the temperature rises faster after the current rise than in the case of a new item of equipment, which is represented by the reference curve, this may indicate a change in the condition of the equipment, which is checked, for example, by a maintenance measure can be.
  • Another characteristic criterion is the ratio of the gradient of the current change to the gradient of the temperature change. This means that not only the delay in the temperature rise provides information about the condition of the equipment, but also the gradient, i.e.
  • a further expedient course criterion is the consideration of an extremum of a temperature value, ie a maximum or minimum temperature value, which occurs when the current intensity increases or decreases, based on an absolute current value. So far, three possible ways of looking at process criteria have been mentioned. On the one hand, the delay in the temperature change to the current change, the increase in the temperature change and the extreme temperature reached, both at the minimum and at the maximum with falling or rising current strength.
  • a further advantageous embodiment of the invention consists in the fact that a plurality of temperature sensors is used to create an at least partially spatial, time-variable temperature image of the equipment, which is part of the current-temperature curve.
  • This measure means that measurements are taken using a number of temperature sensors at different, particularly critical, positions of the equipment at which temperature hotspots are to be expected. From this, a topographical temperature map can be made in the equipment, which can become part of the current-temperature curve in various configurations.
  • a further component of the invention is an operating means for carrying out a method according to one of patent claims 1-6.
  • This operating means has the advantages already described in the method.
  • the equipment is a transformer.
  • it is expedient to measure the temperature curve in particular on an oil tank of the transformer or in an oil tank of the transformer.
  • this is a medium-voltage transformer.
  • the design of the equipment in the form of a switchgear for example in the form of a circuit breaker or an isolating switch, is expedient.
  • the use of the method described is particularly expedient in medium-voltage switchgear and in medium-voltage networks and in low-voltage networks.
  • Considering the temperature of switching contacts is particularly interesting for switchgear, since these are most affected by changes in current strength in the form of temperature changes. Since switching contacts can only be provided with direct temperature sensors with a great deal of technical effort, it is expedient at this point to use indirect temperature sensors, such as infrared measurement sensors, to determine the temperature of the switching contacts.
  • FIG. 1 a schematic, three-dimensional representation of a part of a supply network with a transformer station to a network with a low voltage level;
  • FIG. 2 shows a purely schematic representation of a cross section through a transformer
  • FIG. 3 shows a very schematic representation of an electrical switchgear
  • FIG. 4 shows a typical current/temperature profile of an operating resource in comparison to a reference current/temperature profile.
  • An electrical network 12 is shown schematically in FIG. 1, with the area of a substation being shown here. A plurality of different operating means 2 are fitted in this representatively selected sub-area of the electrical network 12, which are monitored with regard to their status using the methods to be described below.
  • Equipment 2 includes transformers 4 and switchgear 6.
  • the switchgear 6 is shown in the form of circuit breakers 8 and in the form of isolating switches 10.
  • the electrical network 12 has measuring transformers 22 and surge arresters in this area.
  • ter 20 which are also referred to as equipment.
  • the electric current is transformed from a medium-voltage area down to a low-voltage area.
  • circuit breakers 10, 8 and, in particular, a transformer 4 are provided.
  • the down-transformed current is then fed into a local network.
  • the method described can be used for high-voltage, medium-voltage or low-voltage networks, but also for networks in industrial plants and companies.
  • a piece of equipment 2 that is particularly suitable for determining reliability using the method that is still to be described is a transformer 4. This is shown schematically in FIG. 2 in its cross section.
  • two coils 30 are provided, which are arranged in an oil container, which is to be regarded as a thermally influenced component of the transformer 4.
  • eight sensors 18 or 18' for temperature measurement are shown schematically. The temperature is measured at different points on the oil tank 14.
  • sensors 18 can also be arranged on lead-through devices 26, which serve to lead power lines 32 through into the interior of the transformer 4.
  • the lead-through devices 26 are also to be regarded as operating means 2.
  • the arrangement of a plurality of temperature sensors 18, 18' makes it possible to display a topographical temperature profile along the transformer 4 and this also over time. In this way, thermal hotspots can be detected at an early stage in highly stressed areas.
  • FIG. 3 shows a further piece of equipment 2 in the form of a switchgear 6 in a very schematic form. This can be either a circuit breaker 8 or a disconnector 10 .
  • the switchgear 6 in FIG. 3 has no oil bath 14.
  • an expedient temperature measurement by means of a temperature sensor 18, 18' is arranged on or in a switching chamber 16, which is to be regarded as a thermally influenced component in this operating means 2.
  • two contacts 28 are arranged in the switching chamber 16, which experience a temperature change when current flows or during a disconnection process and thus when the current flow through the electrical lines 32 changes.
  • a switchgear 6 it can be expedient in a switchgear 6 according to FIG. 3 to design the temperature measuring sensors 18 or 18' in the form of an indirect measuring device, for example in the form of an infrared measuring device.
  • FIGS. 2 and 3 Typical equipment 2 with temperature measuring sensors 18 arranged thereon are described in FIGS.
  • the electrical current applied to the many pieces of equipment is measured as standard. This is indicated schematically in FIGS. 2 and 3 by the capital I on the electrical lines 32.
  • a current-temperature curve can be displayed over time.
  • Such a current-temperature profile is shown in FIG. 4 in the upper diagram.
  • the sizes shown in the diagram above are indexed with an m.
  • the small m stands for current readings.
  • a res diagram is shown in FIG.
  • the R stands for a reference value or is the curve in the graphic below a current-temperature reference curve.
  • This reference curve originates from an item of equipment with a known status that is not shown here.
  • the known condition is usually the condition of a newly installed, identical piece of equipment. It should therefore be expected that in the case of current change curves that are designed analogously to the reference curve (as is the case in the two diagrams in FIG.
  • the current curves result in a comparable temperature curve. If the temperature profile T m (t) deviates significantly from the temperature profile T R (t), and this deviation increases in the course of operation, this can be due to signs of aging or defects in the equipment 2 at the time the recording was made indicate measurement.
  • various course criteria of the temperature course in relation to the current course can be considered. These are each compared to the corresponding course criteria of the reference curve.
  • the first characteristic criterion is the time interval between a change in current intensity ⁇ I m and the subsequent change in temperature ⁇ T m . In the graphic according to FIG. 4, two current changes ⁇ I 1m and ⁇ I 2m are considered in the upper diagram.
  • the first increase in the current intensity I with the designation ⁇ I 1m starts from an even current value and leads to a delayed increase in the temperature value. This delay is denoted by the value ⁇ t m1 on the time axis of the diagram. If one compares the value ⁇ t R1 in the lower diagram of FIG. 4, i.e. with the reference value, one can see that the temperature in the equipment under consideration begins to rise after a shorter time than is shown in the reference curve. It should be noted that empirical values from manufacturers and operators of real existing equipment in relation to new equipment are included in the consideration. The examples shown here are purely schematic and are for illustration purposes only. What the changes in certain process criteria mean in detail cannot be explained here, as this is extremely plant-specific.
  • Such comparable IT courses are then preferably stored in a database 36, which is arranged directly on the equipment, for example, and is evaluated with a corresponding evaluation device 34 (as shown schematically in FIGS. 2 and 3). According to the result of the calculations comparing the reference profile and the measured profile, this evaluation device can forward corresponding status reports to a control system for the power grid 12 (not shown here). Arrow 38 illustrates this.
  • the database 36 and the evaluation device 34 can also be arranged directly in a cloud memory or directly in the control room.
  • the state variables determined in this way can then be stored in a further database, for example, and used to provide replacement information for the corresponding equipment 2 .
  • another curve criterion is the slope S T , which the temperature follows after a corresponding rise S I in the current.
  • the ratio between S I and S T can be formed in order to get a measure of the increase in temperature in relation to the increase in current.
  • FIG. 4 shows two temperature changes S T , each of which is provided with the index 1m or 2m. At 1m, the temperature rises as a result of an increase in current, at 2m the temperature, which is indicated by the broken line of the curve, falls again with a corresponding gradient S T2m .

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsbestimmung eines Betriebsmittels (2, 4, 6, 8, 10) eines elektrischen Netzes (12), wobei - eine Messung der Stromstärke I eines, durch das Betriebsmittel (2, 4, 6, 8, 10) fließenden, elektrischen Stroms vorgenommen wird und wobei - eine Temperaturmessung an einer vom Stromfluss thermisch beeinflussten Komponente (14, 16, 26) durchgeführt wird und - der zeitliche Verlauf des Stroms (Im(t)) und der zeitliche Verlauf der Temperatur (Tm(t)) in einen Strom-TemperaturVerlauf (I-T(t)m) zusammengeführt werden und mit einem Referenzverlauf (I-T(t)R) des Stroms (IR(t)) und der Temperatur (TR(t)) eines Betriebsmittels mit bekannten Zustands bezüglich festgelegter Verlaufskriterien verglichen werden.

Description

Beschreibung Verfahren zur Zustandsbestimmung eines Betriebsmittels und Betriebsmittel Die Zuverlässigkeit von elektrischen Netzen, hier sind sowohl öffentliche Versorgungsnetze, Übertragungsnetze und Verteil- netze, aber auch industrielle Netze in Betrieben zu verste- hen, ist durch eine zuverlässige Funktionsweise der Komponen- ten, also der sogenannten Betriebsmittel, gegeben. Ein unge- planter Ausfall eines Betriebsmittels führt nicht nur zu technischen Problemen, sondern verursacht sehr hohe Kosten und wirtschaftliche Verluste, die zu Schadenersatzforderun- gen, Produktionsunterbrechungen und Vertragsstrafen führen können. Um diesem zuvor zu kommen, werden die Komponenten z. B. in vorgegebenen Zeitintervallen ausgetauscht. Es hat sich gezeigt, dass diese Vorgehensweise noch wirtschaftlich optimierbar ist, da die präventiv und in bestimmten Interval- len ausgetauschten Betriebsmittel teilweise noch für weitere Einsatzzeiten funktionsfähig wären. Deswegen ist man be- strebt, ein zustandsorientiertes Assetmanagement durchzufüh- ren, um diese vorzeitigen Austausche von Betriebsmitteln zu flexibilisieren und wirtschaftlich zu optimieren. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Zustandsbestimmung eines Betriebsmittels sowie ein Betriebs- mittel als solches bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik eine zuverlässige Vorhersage des Zustandes des Betriebsmittels ermöglicht und einen vorzeitigen, verfrühten Austausch des Betriebsmittels verhindert bzw. die Betriebs- zeit verlängert. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Zu- standsbestimmung eines Betriebsmittels mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie einem Betriebsmittel nach Anspruch 6 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 Das Verfahren zur Zustandsbestimmung eines Betriebsmittels eines elektrischen Netzes nach Anspruch 1 setzt sich aus fol- genden Verfahrensschritten zusammen: Zunächst erfolgt eine Messung der Stromstärke I eines durch das Betriebsmittel fließenden elektrischen Stroms, im Weite- ren folgt eine Temperaturmessung an einer vom Stromfluss thermisch beeinflussten Komponente des Betriebsmittels, wo- rauf anschließend der zeitliche Verlauf des Stroms und der zeitliche Verlauf der Temperatur in einem Strom-Temperatur- Verlauf zusammengeführt wird und mit einem Referenzverlauf des Stromes und der Temperatur eines Betriebsmittels in einem bekannten Zustand bezüglich festgelegter Verlaufskriterien verglichen wird. Das beschriebene Verfahren weist den Vorteil auf, dass ledig- lich zwei Messgrößen in ihrem zeitlichen Verlauf am Betriebs- mittel aufgenommen werden müssen und diese in bestimmte Kor- relation gesetzt werden. Dabei wird zunutze gemacht, dass sehr viele Betriebsmittel zumindest eine Strommessvorrichtung aufweisen und häufig bereits eine Temperaturmessvorrichtung an bestimmten Komponenten vorhanden ist. Ferner kann durch wenigen Aufwand in bestehende Betriebsmittel eine Temperatur- messvorrichtung nachgerüstet werden. Somit werden Messgrößen herangezogen, die auch bei Bestandsbetriebsmitteln mit gerin- gem Aufwand bestimmbar sind und die durch festgelegte Ver- laufskriterien dieser Messgrößen als Funktion der Zeit mit den Verläufen von Betriebsmitteln verglichen werden können, deren Verlauf dieser Größen bei neuwertigen Betriebsmitteln bekannt ist. Bei auffälligen Veränderungen dieser Verlaufs- kriterien kann auf bestimmte Fehler bzw. Alterungserscheinun- gen geschlossen werden. Unter elektrischen Netzen, sind hier sowohl öffentliche Ver- sorgungsnetze, Übertragungsnetze und Verteilnetze, aber auch industrielle Netze in Betrieben zu verstehen. Als Betriebs- mittel sind grundsätzlich alle Komponenten des elektrischen Netzes zu verstehen, bei denen es zu einer Materialerwärmung durch den Stromfluss kommen kann, dazu gehören insbesondere Transformatoren und Schalter, auch Halbleiterschalter, in in- dustriellen Netzen werden auch Elektromotoren und Halbleiter- bauelemente wie Umrichter als Betriebsmittel bezeichnet. Un- ter Referenzverlauf wird dabei ein zeitlicher Strom-Tempera- tur-Verlauf eines Betriebsmittels mit einem bekannten Zu- stand, bevorzugt in einem neuwertigen Zustand verstanden. Grundsätzlich kann der Referenzverlauf auch von einem fehler- haften Betriebsmittel stammen, was dazu dienen kann, einen bekannten Fehler in einem im Betrieb befindlichen Betriebs- mittel zu detektieren. Der Referenzverlauf weist dabei bevor- zugt einen Strom-Zeitverlauf auf, der dem betrachteten Strom Zeitverlauf ähnlich ist oder auf den zurückrechenbar ist. Ein vorteilhaftes und leicht zu bestimmendes Verlaufskriteri- um besteht darin, den zeitlichen Abstand zwischen einer Stromstärkenänderung und einer darauf folgenden Temperaturän- derung zu betrachten. Wenn sich die durch das Betriebsmittel verlaufende Stromstärke ändert, also beispielsweise größer wird, so ist das auch in der Regel mit einer zeitversetzten Temperaturänderung einhergehend. Wenn beispielsweise der Tem- peraturanstieg nach dem Anstieg der Stromstärke schneller er- folgt als bei einem neuwertigen Betriebsmittel, das durch den Referenzverlauf repräsentiert wird, so deutet dies ggf. auf eine Veränderung im Zustand des Betriebsmittels hin, die bei- spielsweise durch eine Wartungsmaßnahme überprüft werden kann. Ein weiteres Verlaufskriterium besteht im Verhältnis des Gra- dienten der Stromänderung zum Gradienten der Temperaturände- rung. Das bedeutet, dass nicht nur die Verzögerung des Tempe- raturanstieges Hinweise auf den Zustand des Betriebsmittels liefert, sondern auch der Gradient, also die Steigerung der Kurve, mit der die Temperatur nach einer Stromänderung an- steigt. Diese kann bevorzugt auch wiederum im Verhältnis zum Gradienten der Stromänderung betrachtet werden. Ein weiteres zweckmäßiges Verlaufskriterium ist die Betrach- tung eines Extremums eines Temperaturwertes, also eines maxi- malen bzw. minimalen Temperaturwertes, der sich bei einer Stromstärkenerhöhung bzw. Stromstärkenerniedrigung, bezogen auf einen absoluten Stromwert, einstellt. Somit sind bisher drei mögliche Betrachtungsweisen für Ver- laufskriterien genannt. Zum einen die Verzögerung der Tempe- raturänderung zur Stromänderung, die Steigerung der Tempera- turänderung und die erreichte Extremtemperatur, sowohl im Mi- nimum als auch im Maximum bei fallender oder steigender Stromstärke. Zudem ist es noch zweckmäßig, beispielsweise als Verlaufskriterium die Dauer heranzuziehen, die benötigt wird, damit, ausgehend von einer spontanen Stromstärkenänderung, das Extremum des Temperaturwertes erreicht wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass mittels einer Mehrzahl von Temperatursensoren ei- ne, zumindest teilweise, räumliche, zeitlich variable Tempe- raturabbildung des Betriebsmittels erstellt wird, die Teil des Strom-Temperatur-Verlaufes ist. Diese Maßnahme beinhal- tet, dass durch mehrere Temperatursensoren an verschiedenen, insbesondere kritischen Positionen des Betriebsmittels, an denen Temperaturhotspots zu erwarten sind, Messungen vorge- nommen werden. Hieraus kann eine topografische Temperaturab- bildung im Betriebsmittel vorgenommen werden, die in ver- schiedenen Ausgestaltungsformen Teil des Strom-Temperatur- Verlaufes werden kann. So können beispielsweise verschiedene Strom-Temperatur-Verläufe, die den Strom-Temperatur-Verlauf jedes einzelnen Sensors widerspiegeln, angegeben werden. An- dererseits ist es auch möglich, durch Extrapolationsrechnun- gen eine dreidimensionale Darstellung des Strom-Temperatur- Verlaufes wiederzugeben. Mit diesem Verfahrensschritt ist es besonders gut möglich, frühzeitig Anomalien beim Temperatur- verlauf festzustellen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzu- leiten. Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Betriebsmittel zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Patentan- sprüche 1 – 6. Dieses Betriebsmittel weist die bereits im Verfahren beschriebenen Vorteile auf. Dabei ist das Betriebs- mittel in ganz vorteilhafter Ausgestaltungsform ein Transfor- mator. Insbesondere in Öl-temperierten Transformatoren bzw. Öl- und Papier-temperierten Transformatoren ist die Messung des Temperaturverlaufes, insbesondere an einem Ölbehälter des Transformators bzw. in einem Ölbehälter des Transformators, zweckmäßig. Dabei handelt es sich weiterhin in einer vorteil- haften Ausgestaltungsform um einen Mittelspannungstransforma- tor. Des Weiteren ist die Ausgestaltung des Betriebsmittels in Form einer Schaltanlage, beispielsweise in Form eines Leis- tungsschalters oder eines Trennschalters, zweckmäßig. Auch hier ist die Anwendung des beschriebenen Verfahrens ganz be- sonders in Mittelspannungsschaltanlagen sowie in Mittelspan- nungsnetzen sowie in Niederspannungsnetzen zweckmäßig. Insbesondere bei Schaltanlagen ist die Betrachtung der Tempe- ratur von Schaltkontakten besonders interessant, da diese von Stromstärkenänderungen am stärksten in Form von Temperaturän- derungen betroffen sind. Da Schaltkontakte nur mit hohem technischem Aufwand mit direkten Temperatursensoren versehen werden können, ist es an dieser Stelle zweckmäßig, indirekte Temperatursensoren, wie beispielsweise Infrarotmesssensoren zur Bestimmung der Temperatur der Schaltkontakte zu verwen- den. Als Betriebsmittel zur Durchführung des beschriebenen Verfah- rens ist auch eine sogenannte Durchführungsvorrichtung zweck- mäßig, wobei die Durchführungsvorrichtung zur Durchführung von elektrisch isolierten Leitungen in ein weiteres Betriebs- mittel fungiert. So sind z. B. die Kabeldurchführungen in ei- nen Transformator oder in eine Schaltanlage solche Durchfüh- rungsvorrichtungen, die als Betriebsmittel betrachtet werden. Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfin- dung werden anhand von den folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein schematische Ausgestaltungsfor- men, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen. Merkmale mit derselben Bezeichnung, aber mit unterschiedli- chen Ausgestaltungsformen werden mit demselben Bezugszeichen, jedoch einem zusätzlichen Strich versehen. Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische, dreidimensionale Darstellung ei- nes Teilbereiches eines Versorgungsnetzes mit einer Trafostation zu einem Netz mit niedriger Spannungs- ebene; Figur 2 eine rein schematische Darstellung eines Quer- schnittes durch einen Transformator; Figur 3 eine sehr schematische Darstellung durch eine elektrische Schaltanlage; Figur 4 einen typischen Strom-Temperatur-Verlauf eines Be- triebsmittels im Vergleich zu einem Referenzstrom- Temperatur-Verlauf. In Figur 1 ist schematisch ein elektrisches Netz 12 darge- stellt, wobei hier der Bereich einer Umspannstation gezeigt ist. In diesem repräsentativ gewählten Teilbereich des elektrischen Netzes 12 ist eine Mehrzahl verschiedener Be- triebsmittel 2 angebracht, die mit den noch zu beschreibenden Verfahren bezüglich ihres Zustandes überwacht werden. Be- triebsmittel 2 sind dabei u. a. Transformatoren 4 sowie Schaltanlagen 6. In diesem Beispiel sind die Schaltanlagen 6 in Form von Leistungsschaltern 8 sowie in Form von Trenn- schaltern 10 dargestellt. Ferner weist das elektrische Netz 12 in diesem Bereich Messwandler 22 sowie Überspannungsablei- ter 20 auf, die ebenfalls als Betriebsmittel bezeichnet wer- den. Der elektrische Strom wird in den in Figur 1 gezeigten Be- reich des elektrischen Netzes 12 von einem Mittelspannungsbe- reich auf einen Niederspannungsbereich heruntertransformiert. Hierzu sind, wie beschrieben, Trenn- und Leistungsschalter 10, 8 sowie insbesondere ein Transformator 4 vorgesehen. In einem Schalthaus 24 wird anschließend der heruntertransfor- mierte Strom in ein lokales Ortsnetz eingespeist. Grundsätz- lich kann das beschriebene Verfahren für Hochspannungs-, Mit- telspannungs- oder Niederspannungsnetze aber auch für Netze in Industrieanlagen und Betrieben angewendet werden. Ein Betriebsmittel 2, das besonders zur Zuverlässigkeitsbe- stimmung mittels des noch zu beschreibenden Verfahrens geeig- net ist, ist ein Transformator 4. Dieser ist schematisch in Figur 2 in seinem Querschnitt dargestellt. Hierzu sind zwei Spulen 30 vorgesehen, die in einem Ölbehälter, der als ther- misch beeinflusste Komponente des Transformators 4 anzusehen ist, angeordnet sind. In Figur 2 sind schematisch acht Senso- ren 18 bzw. 18‘ zur Temperaturmessung eingezeichnet. Die Tem- peraturmessung erfolgt an unterschiedlichen Stellen am Ölbe- hälter 14. Grundsätzlich können auch Sensoren 18 an Durchfüh- rungsvorrichtungen 26 angeordnet sein, die zur Durchführung von Stromleitungen 32 ins Innere des Transformators 4 dienen. Dabei sind die Durchführungsvorrichtungen 26 auch als Be- triebsmittel 2 anzusehen. Durch die Anordnung einer Mehrzahl von Temperatursensoren 18, 18‘ ist es möglich, entlang des Transformators 4 ein topogra- fisches Temperaturprofil und dieses auch im Verlauf der Zeit darzustellen. So können an hoch belasteten Stellen thermische Hotspots frühzeitig erkannt werden. Auf der anderen Seite ist es möglich, einen Strom-Temperatur-Verlauf, wie er noch be- züglich der Figur 4 näher erläutert werden wird, als Mittel über mehrere Temperatursensoren oder in Form einer Vielzahl von Stromtemperaturverläufen für jeden einzelnen Temperatur- sensor 18, 18’ darzustellen. In Figur 3 ist ein weiteres Betriebsmittel 2 in Form einer Schaltanlage 6 in sehr schematisierter Form dargestellt. Hierbei kann es sich sowohl um einen Leistungsschalter 8 als auch um einen Trennschalter 10 handeln. Im Gegensatz zu dem in Figur 2 beschriebenen Transformator 4 weist die Schaltanlage 6 in Figur 3 kein Ölbad 14 auf. Hier ist eine zweckmäßige Temperaturmessung mittels Temperatur- sensor 18, 18’ an bzw. in einer Schaltkammer 16, die als thermisch beeinflusste Komponente in diesem Betriebsmittel 2 anzusehen ist, angeordnet. In der Schaltkammer 16 sind zudem zwei Kontakte 28 angeordnet, die bei einem Stromfluss bzw. bei einem Trennvorgang und somit bei einer Veränderung des Stromflusses durch die elektrischen Leitungen 32 eine Tempe- raturveränderung erfahren. Anders als bei dem Ölbehälter 14 am Transformator 4 kann es bei einer Schaltanlage 6 gemäß Fi- gur 3 zweckmäßig sein, die Temperaturmesssensoren 18 bzw. 18’ in Form einer indirekten Messvorrichtung, beispielsweise in Form eines Infrarotmessgerätes, auszugestalten. In Figur 1 sind verschiedene Beispiele für mögliche Betriebs- mittel 2 in einem elektrischen Netz gegeben. In den Figuren 2 und 3 werden typische Betriebsmittel 2 mit daran angeordneten Temperaturmesssensoren 18 beschrieben. Ferner wird in der Praxis an den vielen Betriebsmitteln standardmäßig eine Mes- sung des anliegenden elektrischen Stroms vorgenommen. Dies ist in den Figuren 2 und 3 schematisch durch das große I an den elektrischen Leitungen 32 angedeutet. Mit den erhaltenen Messwerten Strom und Temperatur kann ein Strom-Temperatur- Verlauf über der Zeit dargestellt werden. Ein derartiger Strom-Temperatur-Verlauf ist in Figur 4 im oberen Diagramm dargestellt. Die im oberen Diagramm darge- stellten Größen sind mit einem m indiziert. Das kleine m steht für aktuelle Messwerte. Im Gegensatz dazu ist ein unte- res Diagramm in Figur 4 dargestellt, in dem ebenfalls ein Strom-Temperatur-Verlauf abgebildet ist, der mit einem R in- diziert ist. Das R steht für einen Referenzwert bzw. handelt es sich bei dem Verlauf in der unteren Grafik um einen Strom- Temperaturreferenzverlauf. Dieser Referenzverlauf stammt von einem hier nicht dargestellten Betriebsmittel mit einem be- kannten Zustand. Dabei ist der bekannte Zustand in der Regel der Zustand eines neu installierten, baugleichen Betriebsmit- tels. Es soll also erwartet werden, dass bei Stromänderungs- verläufen, die analog dem Referenzverlauf ausgestaltet sind (wie dies in den beiden Diagrammen der Figur 4 der Fall ist), in einem zu beobachtenden Betriebsmittel 2, die Stromverläufe einen vergleichbaren Temperaturverlauf nach sich ziehen. Sollte der Temperaturverlauf Tm(t) signifikant von dem Tempe- raturverlauf TR(t) abweichen, und diese Abweichung vergrößert sich im Laufe des Betriebs, so kann dies auf Alterungser- scheinungen oder auf Defekte im Betriebsmittel 2 zum Zeit- punkt der aufgenommenen Messung hindeuten. Hierzu können verschiedene Verlaufskriterien des Temperatur- verlaufes im Verhältnis zum Stromverlauf betrachtet werden. Diese werden jeweils im Vergleich zu den entsprechenden Ver- laufskriterien der Referenzkurve betrachtet. Das erste Ver- laufskriterium ist dabei der zeitliche Abstand zwischen einer Stromstärkenänderung ∆Im und der darauffolgenden Tempera- turänderung ∆Tm. In der Grafik nach Figur 4 sind im oberen Diagramm zwei Stromänderungen ∆I1m und ∆I2m betrachtet. Der erste Anstieg der Stromstärke I mit der Bezeichnung ∆I1m er- folgt von einem gleichmäßig verlaufenden Stromwert aus und führt zu einem verzögerten Anstieg des Temperaturwertes. Die- se Verzögerung ist auf der Zeitachse des Diagrammes mit dem Wert ∆tm1 bezeichnet. Vergleicht man den Wert ∆tR1 im unteren Diagramm der Figur 4, also mit dem Referenzwert, so sieht man, dass in dem betrachteten Betriebsmittel die Temperatur nach einer kürzeren Zeit beginnt anzusteigen, als dies im Re- ferenzverlauf dargelegt ist. Dabei ist anzumerken, dass Erfahrungswerte von Herstellern und Betreibern an real existierenden Betriebsmitteln in Bezug auf neuwertige Betriebsmittel in die Betrachtung mit einflie- ßen. Die hier dargestellten Beispiele sind rein schematisch und dienen lediglich der Veranschaulichung. Was die Verände- rungen bestimmter Verlaufskriterien im Einzelnen bedeuten, kann hier nicht dargelegt werden, da dies ausgesprochen anla- genspezifisch ist. Die Ermittlung dieser auch noch im Weite- ren beschriebenen Verlaufskriterien und der Vergleich mit dem Referenzwert wird an real existierenden Betriebsmitteln un- tersucht und der darauf basierende tatsächliche Zustand des Betriebsmittels wird abgeleitet. Derartige vergleichbare I-T- Verläufe werden dann bevorzugt in einer Datenbank 36 abge- legt, die beispielsweise direkt an dem Betriebsmittel ange- ordnet ist und mit einer entsprechenden Auswertevorrichtung 34 (wie in Figuren 2 und 3 schematisch dargestellt) ausgewer- tet wird. Diese Auswertevorrichtung kann nach dem Ergebnis der Berechnungen im Vergleich des Referenzverlaufes und des gemessenen Verlaufes entsprechende Zustandsmeldungen an ein hier nicht dargestelltes Leitsystem für das Stromnetz 12 wei- tergeben. Dies ist durch den Pfeil 38 veranschaulicht. Grund- sätzlich können die Datenbank 36 und die Auswertevorrichtung 34 auch direkt in einem Cloudspeicher bzw. direkt in der Leitwarte angeordnet sein. Die so ermittelten Zustandsgrößen können im Weiteren beispielsweise in einer weiteren Datenbank abgelegt werden und zu Austauschhinweisen für das entspre- chende Betriebsmittel 2 herangezogen werden. Ein weiteres Verlaufskriterium ist neben dem zeitlichen Ab- stand ∆t auch die Steigung ST, die die Temperatur nach einem entsprechenden Anstieg SI des Stromes vollzieht. Auch hier kann das Verhältnis zwischen SI und ST gebildet werden, um ein Maß für den Anstieg der Temperatur im Verhältnis zum Stromanstieg zu bekommen. In Figur 4 sind zwei Temperaturän- derungen ST, die jeweils mit dem Index 1m bzw. 2m versehen sind, dargestellt. Bei 1m steigt die Temperatur infolge eines Stromanstieges an, bei 2m sinkt die Temperatur, die durch den gestrichelten Verlauf der Kurve gekennzeichnet ist, wieder mit einer entsprechenden Steigung ST2m ab. Dies alles erfolgt in einer Zeitspanne, die an der Temperatur-Y-Achse mit ∆T eingezeichnet ist und die analoge Indizes aufweisen. Ferner ist es noch zweckmäßig zu betrachten, auf welche Maximaltem- peratur bzw. welche Minimaltemperatur die Temperatur an dem betrachteten Messsensor 18 abfällt bzw. ansteigt. Hierzu sind an der beschriebenen Temperatur-Y-Achse die Werte Tmax, m und Tmin, m eingezeichnet, die die Temperaturextremwerte darstel- len. Vergleicht man die Temperaturkurve T(t)m des oberen Diagramms in Figur 4 mit der Temperaturkurve TR(t) des unteren Dia- gramms, so kann man verschiedene Abweichungen erkennen. Zum einen ist das ∆t (R1 und R2) des Referenzverlaufes größer als das ∆t (m1 und m2) des gemessenen Verlaufes im oberen Dia- gramm. Dies kann, wie bereits dargelegt, auf einen Fehler in dem Betriebsmittel 2 zurückzuführen sein. Im Weiteren steigt die Temperatur nicht nur eher sondern auch steiler als Aus- wirkung auf die Stromänderung ∆I1m im oberen Diagramm an, als dies im Referenzverlauf beschrieben mit ∆tR1Tmax erfolgt. Au- ßerdem ist die Maximaltemperatur Tmax, die durch diesen Tempe- raturanstieg erreicht wird, im oberen reell gemessenen Dia- gramm höher als die Maximaltemperatur TmaxR, die im Referenz- verlauf festgehalten ist. Ferner sinkt die Temperatur im ge- messenen Verlauf auf einen Tmin-m-Wert ab, der höher liegt als der Tmin-R-Wert im unteren Referenzdiagramm. Dieser veränderte Temperaturverlauf des im oberen Diagramm dargestellten Betriebsmittels hat also verschiedene Änderun- gen gegenüber dem Referenzverlauf. Die kürzere Zeit bis zum Ansteigen der Temperatur, das steilere Ansteigen der Tempera- tur nach einer Stromänderung und der höhere Maximalwert kön- nen darauf hindeuten, dass ein Fehler an dem betrachteten Be- triebsmittel vorliegt. Außerdem sinkt der Wert der Temperatur im oberen Diagramm mit der Steigerung ST2m langsamer wieder ab auf einen Minimalwert Tmin-m, der höher liegt als der Minimal- wert im Referenzverlauf, was wiederum darauf schließen lässt, dass an diesem Betriebsmittel eine entsprechende Fehlfunktion vorliegen könnte. Die so beschriebenen Verlaufskriterien, al- so der zeitliche Abstand bis zum Temperaturanstieg, der ent- sprechenden Anstiegsgradienten, die Extremtemperaturen und die Gesamtdauer vom Anstieg des Stromes I bis zum Erreichen der Maximaltemperatur Tmax, der mit ∆tm1+mTmax und im Referenz- diagramm mit ∆tR+RTmax beschrieben ist, sind Größen, die über die bereits beschriebene Auswerteeinheit 34 zu einer Zu- standsaussage über das im oberen Diagramm der Figur 4 darge- stellte betrachtete Betriebsmittel 2 führen kann.
Bezugszeichenliste 2 Betriebsmittel 4 Transformator 6 Schaltanlage 8 Leistungsschalter 10 Trennschalter 12 elektrisches Netz 14 thermisch beeinflusste Komponente, Ölbehälter 16 thermisch beeinflusste Komponente, Schaltkammer 18 Temperatursensor 20 Überspannungsableiter 22 Messwandler 24 Schalthaus 26 Durchführung 28 Kontakte 30 Spulen 32 elektrische Leitungen 34 Auswerteeinheit 36 Datenbank 38 Pfeil Im (t) Stromverlauf Tm (t) Temperaturverlauf I-Tm (t) Strom–Temperaturverlaufsdiagramm I-TR (t) Referenzwert IR (t) Referenzwert Stromverlauf TR (t) Referenzwert Temperaturverlauf Δtm zeitlicher Abstand ΔIm Stromstärkenänderung ΔTm Temperaturänderung SIm Gradient Stromänderung STm Gradient Temperaturänderung Tmax,m; Tmin,m extreme Temperaturwerte Δtm+m Tmax Dauer bis Tmax,m Δtm+m Tmin Dauer bis Tmin,m

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Zustandsbestimmung eines Betriebsmittels (2, 4, 6, 8, 10) eines elektrischen Netzes (12), wobei - eine Messung der Stromstärke I eines, durch das Be- triebsmittel (2, 4, 6, 8, 10) fließenden, elektrischen Stroms vorgenommen wird und wobei - eine Temperaturmessung an einer vom Stromfluss ther- misch beeinflussten Komponente (14, 16, 26) durchgeführt wird und - der zeitliche Verlauf des Stroms (Im(t)) und der zeit- liche Verlauf der Temperatur (Tm(t)) in einen Strom- Temperatur-Verlauf (I-T(t)m) zusammengeführt werden und mit einem Referenzverlauf (I-T(t)R) des Stroms (IR(t)) und der Temperatur (TR(t)) eines Betriebsmittels mit be- kannten Zustands bezüglich festgelegter Verlaufskriterien verglichen werden wobei ein weiteres Verlaufskriterium das Verhältnis des Gradienten (SIm) der Stromänderung zum Gradienten (STm) der Temperaturänderung ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlaufskriterium der zeitliche Abstand (Dtm) zwi- schen einer Stromstärkenänderung (DIm) und einer darauf- folgenden Temperaturänderung (DTm) ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass ein weiters Verlaufskriterium das Ext- remum eines Temperaturwerts (Tmax,m, Tmin,m) ist, der der Stromänderung (DIm) auf einen absoluten Stromwert (Im) folgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Verlaufskriterium die Dauer (Dtm+mTmax, Dtm+mTmin) ist, bis sich das Extremum des Temperaturwertes (Tmax,m, Tmin,m) nach Änderung des Stromwertes (DIm) ein- stellt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Mehrzahl von Temperatursensoren (18, 18‘) eine zumindest teilweise räumliche, zeitlich variable Temperaturabbildung des Be- triebsmittels (2, 4, 6, 8, 10) erstellt wird, die Teil des Strom-Temperatur-Verlaufs ist.
6. Betriebsmittel zur Durchführung eines Verfahrens nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Betriebsmittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel (2) ein Transformator (4) ist.
8. Betriebsmittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel (2) ein Mittelspannungstransfor- mator (4) ist.
9. Betriebsmittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Temperatursensoren (18, 18‘) an einem Ölbehälter (14) des Transformators angeordnet sind.
10. Betriebsmittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel (2) eine Schaltanlage (6, 8, 10) ist.
11. Betriebsmittel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel (2) eine Schaltanlage (6, 8, 10) in Form eines Leistungsschalters (8) oder Trennschalters (10) ist.
12. Betriebsmittel nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Schaltanlage Schaltkontakte aufweist und die Temperaturmessung an Kontakte indirekt erfolgt.
13. Betriebsmittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel eine Durchführungsvorrichtung zur elektrisch isolierten Durchführung einer elektrische Lei- tung ist.
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