WO2022199956A1

WO2022199956A1 - Temperaturüberwachung für schaltanlagen

Info

Publication number: WO2022199956A1
Application number: PCT/EP2022/054113
Authority: WO
Inventors: David Peukert
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2022-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanlage (1) und eine gemäß dem Verfahren betreibbare Schaltanlage (1). Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst wenigstens die folgenden Schritte: Messen einer Leitertemperatur an einem jeweiligen Messpunkt jeder der wenigstens drei Phasen, um jeweilige Phasentemperaturmesswerte zu erhalten; Bilden eines Mittelwerts der Phasentemperaturmesswerte; Vergleichen der Phasentemperaturmesswerte mit dem Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte; und Erzeugen eines Alarmsignals, wenn einer der Phasentemperaturmesswerte um mehr als einen vorbestimmten Alarmschwellwert von dem Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte abweicht. Die erfindungsgemäße Schaltanlage (1) besitzt wenigstens drei Phasen, wobei an jeweiligen Messpunkten jeder der wenigstens drei Phasen a Temperatursensoren (18) angeordnet sind, die dazu ausgebildet sind, Leitertemperaturen zu messen, um Phasentemperaturmesswerte zu erhalten. Die Schaltanlage (1) umfasst außerdem eine mit den Temperatursensoren (18) verbundene Steuereinheit (17), welche ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.

Description

Beschreibung

Temperaturüberwachung für Schaltanlagen

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanlage und eine gemäß dem Verfahren betreibbare Schalt anlage.

Technischer Hintergrund

In Schaltanlagen, wie sie in der Hoch- und Mittelspannungs technik, aber auch in Starkstromniederspannungsanlagen, ein gesetzt werden, werden stromführende Komponenten häufig mit einander verschraubt oder auf sonstige Art kraftschlüssig verbunden. Im Gegensatz zu einer stoffschlüssigen Verbindung können sich diese kraftschlüssigen Verbindungen im Betrieb beispielsweise durch Erschütterungen, Kalt-/Warmzyklen oder Materialermüdung lösen. Zudem können an den Kontaktstellen Verschmutzungen oder Oxidationen der Leiter auftreten. In beiden Fällen erhöht sich der Kontaktwiderstand, was eine er höhte Wärmeentstehung zur Folge hat. Die Wärmeentstehung kann zu einer beschleunigten Oxidation der Leiter führen, so dass sich der Zustand des Kontaktes mit zunehmender Geschwindig keit verschlechtert. Im Extremfall kann es zu einer Zerstö rung der Schaltanlage kommen.

Aus US 2014/0145849A1 ist bekannt, Leitertemperaturen an meh reren Stellen entlang der Phasenleiter sowie weitere Be triebsparameter wie die Umgebungstemperatur und die in den Phasenleitern fließenden Ströme zu messen. Anhand der beiden letztgenannten Parameter sowie bekannter Eigenschaften der Schaltanlage wird eine Vorhersage der zu erwartenden Tempera turen erstellt, die dann mit den Temperaturmesswerten vergli chen werden. Bei einer auffallenden Abweichung der Tempera- turmesswerte von der Vorhersage kann dann ein Alarm ausgelöst werden.

Das bekannte Verfahren ist aufwendig zu implementieren und erfordert profundes Wissen über die jeweils zu überwachende Schaltanlage, weshalb es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe macht, ein einfach durchzuführendes Verfahren zur Temperaturüberwachung von Schaltanlagen einzuführen, das den noch die Erkennung unzureichender Kontaktzustände erlaubt.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein erster Aspekt der Erfindung löst diese Aufgabe durch ein neuartiges Verfahren zum Betreiben einer Schaltanlage mit we nigstens drei Phasen. Das Verfahren umfasst wenigstens die folgenden Schritte:

Messen einer Leitertemperatur an einem jeweiligen Mess punkt jeder der wenigstens drei Phasen, um jeweilige Phasen temperaturmesswerte zu erhalten;

Bilden eines Mittelwerts der Phasentemperaturmesswerte;

Vergleichen der Phasentemperaturmesswerte mit dem Mit telwert der Phasentemperaturmesswerte; und

Erzeugen eines Alarmsignals, wenn einer der Phasentempe raturmesswerte um mehr als einen vorbestimmten Alarmschwell wert von dem Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte ab weicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit geringem Aufwand durchgeführt werden und beruht auf der Einsicht, dass mehr phasige Schaltanlagen gewissermaßen eine eingebaute Redundanz aufweisen. Aufgrund der meist ähnlichen Belastung der Phasen und deren wenigstens nahezu identischen Aufbaus sollten daher bei ordnungsgemäßem Zustand der Schaltanlage alle Phasenlei ter der Schaltanlage identische Temperaturen aufweisen. Indem jeder Phasentemperaturmesswert mit dem Mittelwert der Phasen temperaturmesswerte verglichen wird, können zufällige Abwei chungen und Messfehler ausgeglichen werden und gleichzeitig kann eine zu heiße Phasentemperatur zuverlässig erkannt wer den. Eine Messung der Ströme oder der Umgebungstemperatur kann entfallen beziehungsweise braucht nicht berücksichtigt zu werden, wodurch die rechnerische Komplexität des erfin dungsgemäßen Verfahrens sehr gering ist.

Bevorzugt wird auf einen Empfang des Alarmsignals hin eine Sicherheitsmaßnahme durchgeführt. Dabei kann es sich bei spielsweise um ein Reduzieren eines durch diejenige Phase, bei der der eine Phasentemperaturmesswert um mehr als den vorbestimmten Alarmschwellwert von dem Mittelwert der Phasen temperaturmesswerte abweicht, fließenden Stromes, ein Ab schalten der Schaltanlage oder das Veranlassen einer War tungsmaßnahme handeln. Beispielsweise kann die Dringlichkeit oder der Grad der Sicherheitsmaßnahme von dem Maß der Abwei chung über den Alarmschwellwert hinaus abhängig gemacht wer den.

Der vorbestimmte Alarmschwellwert kann bevorzugt in Abhängig keit von einem Laststrom der Schaltanlage vorbestimmt werden. Beispielsweise kann für einen höheren Laststrom auch eine hö herer Alarmschwellwert vorgesehen werden, da die Wärmeentste hung proportional zum Quadrat des Laststroms ist und mithin bei gleichbleibenden Qualitäten der Kontakte und steigendem Laststrom auch entsprechend größere Abweichungen zwischen den Phasentemperaturmesswerten zu erwarten sind. Um Fehlalarme bei hohen Lastströmen und das Ausbleiben eines Alarms bei ge ringen Lastströmen zu vermeiden, kann deshalb ein höherer Alarmschwellwert für einen größeren Laststrom vorbestimmt werden als für einen geringeren Laststrom.

Der vorbestimmte Alarmschwellwert kann auch in Abhängigkeit von dem Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte vorbestimmt werden. Hierbei kann gegenüber der eben erläuterten Ausfüh rungsform der Erfindung vorteilhaft die Messung des Last stroms entfallen, da davon ausgegangen werden kann, dass der Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte maßgeblich durch den fließenden Laststrom bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der vorbestimmte Alarm schwellwert auch in Abhängigkeit von einer Umgebungstempera tur der Schaltanlage vorbestimmt werden. Bei einer hohen Um gebungstemperatur kann weniger Wärme aus der Schaltanlage ab geführt werden, weshalb der Mittelwert der Phasentemperatur messwerte steigt. Dadurch kann es zu einer Verfälschung der Beurteilung des Zustands der Kontakte anhand des Vergleichs der einzelnen Phasentemperaturmesswerte mit ihrem Mittelwert kommen. Dies ist um so wahrscheinlicher, wenn der Alarm schwellwert außerdem in Abhängigkeit des Mittelwerts vorbe stimmt wird.

Der jeweilige Messpunkt jeder der drei Phasen kann insbeson dere an einer Sammelschienenverbindung, einer Kabelverbin dung, einem oberen Abgang, einem unteren Abgang oder an einer Durchführung angeordnet sein. Vorzugsweise können bei einer Schaltanlage Temperatursensoren an mehreren oder allen ge nannten Messpunkten vorgesehen sein. In einem solchen Fall können entsprechend die jeweiligen Verbindungen einzeln beur teilt werden, wobei vorzugsweise jeweilige Mittelwerte für die an demselben Messpunkt, aber den unterschiedlichen Phasen gemessenen Phasentemperaturmesswerte gebildet werden, mit de nen die an dem jeweiligen Messpunkt gemessenen Phasentempera turmesswerte dann verglichen werden.

Vorzugsweise umfasst das Alarmsignal eine Information über den jeweiligen Messpunkt und/oder die jeweilige Phase, für die das Abweichen des einen der Phasentemperaturmesswerte um mehr als den vorbestimmter Alarmschwellwert von dem Mittel wert der Phasentemperaturmesswerte festgestellt wurde.

Dadurch wird die Lokalisierung des unzureichenden Kontakts vereinfacht. Das Alarmsignal kann beispielsweise an eine ent fernte Leitstelle übertragen werden, von wo aus ggf. geeigne te Sicherheitsmaßnahmen veranlasst werden können.

Bei Ausführungsformen der Erfindung können auch unterschied liche Schweren einer Schädigung eines Kontaktes beziehungs- weise unterschiedliche Arten von Sicherheitsmaßnahmen oder unterschiedliche Dringlichkeiten dieser Sicherheitsmaßnahmen erfasst werden. Beispielsweise kann ein Warnsignal erzeugt werden, wenn einer der Phasentemperaturmesswerte um mehr als einen vorbestimmten Warnschwellwert, der kleiner als der Alarmschwellwert ist, von dem Mittelwert der Phasentempera turmesswerte abweicht. Auf das Warnsignal hin kann dann eine längerfristige oder weniger drastische Sicherheitsmaßnahme vorgesehen sein als bei Empfang des Alarmsignals. Hierbei ist denkbar, weitere Schwellwerte vorzusehen, die dementsprechend unterschiedliche Aussagen über die Qualität eines Kontaktes machen.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaltanlage mit wenigstens drei Phasen, an jeweiligen Messpunkten jeder der wenigstens drei Phasen angeordneten Temperatursensoren und einer mit den Temperatursensoren verbundenen Steuerein heit. Die Temperatursensoren sind dazu ausgebildet, Leiter temperaturen zu messen, um Phasentemperaturmesswerte zu er halten. Die Steuereinheit ist dabei dazu ausgebildet, das Verfahren des vorhergehenden Erfindungsaspekts durchzuführen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltanlage; und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver fahrens zum Betreiben einer Schaltanlage. Ausführliche Figurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltanlage 1 in einer Querschnittsdarstellung. Die Schalt anlage 1 ist vorliegend als luftisolierte Schaltanlage ausge führt, die Erfindung kann jedoch auch auf gasisolierte oder sonstige Schaltanlagen der Nieder-, Mittel- oder Hochspan nungstechnik angewendet werden.

Die Schaltanlage 1 von Fig. 1 besitzt vier verschiedene Räu me, die voneinander durch Trennwände abgetrennt sind. Ein Sammelschienenraum 4 beherbergt einen Satz von Sammelschienen 14 (gewöhnlich eine Schiene pro Phase des Energienetzes), über die elektrische Energie zwischen mehreren nebeneinander angeordneten Schaltanlagen verteilt wird. Die jeweiligen Sam melschienenräume 4 können dabei direkt miteinander verbunden sein und somit einen gemeinsamen Sammelschienenraum bilden oder voneinander abgetrennt sein.

Die in dem Sammelschienenraum 4 angeordneten Sammelschienen 14 sind über Verbindungsleiter 16 mit oberen Abgängen 12 ei nes in einem Geräteraum 2 befindlichen Schaltgerätes 10 ver bunden, wobei beispielsweise sogenannte Kontakttulpen oder Fingerkontakte zur Bereitstellung von lösbaren Kontakten für eine einfache Austauschbarkeit des Schaltgerätes 10 verwendet werden können. Als Schaltgerät 10 können beispielsweise Leis tungsschalter, Lastschalter, Kurzschließer, Erdungsschalter, Sicherungen und dergleichen mehr zum Einsatz kommen.

Untere Abgänge 13 des Schaltgerätes 10 sind in entsprechender Weise über Verbindungsleiter 16 mit in einem Kabelanschluss raum 3 befindlichen Kabeln 15 verbunden, die als Eingänge o- der Ausgänge der von der Schaltanlage 1 verteilten elektri schen Energie dienen können.

Die Verbindungsleiter 16 werden dabei über Durchführungen 11 zwischen dem Geräteraum 2 einerseits und dem Sammelschienen- raum 4 beziehungsweise dem Kabelanschlussraum 3 elektrisch mit dem Schaltgerät 10 verbunden.

Ein Niederspannungsraum 5 kann Steuerelektronik, Mess- und Meldegeräte und andere derartige Niederspannungshilfsgeräte aufnehmen. Diese Niederspannungshilfsgeräte können Messwerte von den verschiedenen stromführenden und spannungstragenden Komponenten einiesen und für Steuer- und Schutzzwecke an ent fernte Vorrichtungen weiterleiten und/oder lokal anzeigen und/oder automatisiert auswerten. Zur Bereitstellung solcher Messwerte werden üblicherweise an den Sammelschienen und den Kabeln befestigte Strom- und Spannungswandler vorgesehen, de ren Messausgänge mit den Niederspannungshilfsgeräten verbun den sind.

Wartungspersonal kann auf den Geräteraum 2 und auf den Nie derspannungsraum 5 durch jeweilige Zugangstüren 7 und 8 zu greifen. Die Räume 2, 3 und 4 sind mit einem Heißgaskanal 6 verbunden, der während einer Fehlfunktion wie einem Lichtbo gen in der Schaltanlage entstehende heiße Gase aufnehmen, von dieser wegleiten und an einer für etwaiges in der Nähe be findliches Personal ungefährlichen Stelle in die Umgebung entlassen kann.

Die Verbindungen zwischen den oberen und unteren Abgängen 12, 13 und dem Schaltgerät 10, zwischen den oberen und unteren Abgängen 12, 13 und den Durchführungen 11, zwischen den

Durchführungen 11 und den Verbindungsleitern 16 sowie zwi schen den Verbindungsleitern 16 und den Sammelschienen 14 be ziehungsweise den Kabeln 15 können unter Verwendung von kraftschlüssigen Verbindungen wie Schraub- oder Klemmverbin dungen vorgenommen werden. An diesen Punkten kann es daher zu erhöhter Wärmeentwicklung kommen, wenn die Qualität eines derart hergestellten elektrischen Kontaktes zu gering ist, weshalb einer, mehrere oder alle genannten Punkte abhängig von der jeweiligen Ausführung einer Schaltanlage 1 als Mess punkt für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Betracht kommen. Demzufolge können an diesen Stellen an jeder Phase der Schaltanlage jeweilige Temperatursensoren 18 ange ordnet sein, welche mit einer Steuereinheit 17 kommunikativ verbunden sind. Die kommunikative Verbindung zwischen den Temperatursensoren 18 und der Steuereinheit 18 kann über eine elektrische oder optische Datenleitung, eine drahtlose Kommu nikationsverbindung oder über eine Nahfeldkommunikation ver wirklicht sein. In letztgenanntem Fall werden die Temperatur sensoren 18 über nicht dargestellte Antennen in den Räumen 2, 3, 4 der Schaltanlage 1 elektromagnetisch angeregt und anhand ihrer Reaktion auf die elektromagnetische Anregung ausgele sen. Dies bietet den Vorteil, die Temperatursensoren 18 gal vanisch getrennt von der Steuereinheit 17 und zudem ohne Bat terien für die Versorgung einer drahtlosen Kommunikationsver bindung ausführen zu können.

Die Steuereinheit 17 ist vorliegend im Niederspannungsraum 5 angeordnet und kann Teil eines sonstigen Niederspannungs hilfsgeräts sein. Die Steuereinheit 17 ist dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Schaltanlage, beispielsweise eine Schaltanlage 1 wie in Fig. 1 dargestellt, in Form eines Flussdiagramms. Das Verfahren beginnt in einem Startschritt SO und setzt in einen Schritt S1 fort, in dem eine Leitertem peratur an einem Messpunkt der Schaltanlage gemessen wird, um jeweilige Phasentemperaturmesswerte zu erhalten. Da eine Schaltanlage üblicherweise dreiphasig ausgeführt ist, wird der Schritt S1 dreimal ausgeführt, einmal für jede Phase. Es ist selbstredend ebenfalls möglich, in einer einzigen Ausfüh rung des Schrittes S1 Phasentemperaturmesswerte für alle drei Phasen gleichzeitig auszulesen. Der Schritt S1 kann auch für weitere Messpunkte der Schaltanlage wiederholt werden.

In einem nachfolgenden Schritt S2 wird ein Mittelwert der in Schritt S1 erhaltenen Phasentemperaturmesswerte gebildet. Dieser Mittelwert wird anschließend in Schritt S3 mit einem der Phasentemperaturmesswerte verglichen. In Schritt S4 wird geprüft, ob der verglichene Phasentemperaturmesswert um mehr als einen vorbestimmten Alarmschwellwert von dem Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte abweicht. Es wird also insbe sondere geprüft, ob ein Phasentemperaturmesswert größer als der Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte zuzüglich des vorbestimmten Alarmschwellwertes ist. Oder als Formel ausge drückt wird geprüft, ob:

T₁₂₃>T + DT, wobei Ti_2,3 die Phasentemperaturmesswerte für die drei Phasen,

T den Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte und DT den vorbestimmten Alarmschwellwert bezeichnen. Ist dies für einen Phasentemperaturmesswert der Fall, wird in Schritt S5 ein Alarmsignal erzeugt. Im anderen Fall wird Schritt S5 über sprungen. Der vorbestimmte Alarmschwellwert kann, wie oben ausführlich erläutert, dabei von weiteren Parametern bezie hungsweise Messwerten abhängig vorbestimmt sein, insbesondere von einem Laststrom der Schaltanlage, dem Mittelwert der Pha sentemperaturmesswerte oder einer Umgebungstemperatur der Schaltanlage .

Die Schritte S3, S4 und S5 werden wie Schritt S1 für jede der drei Phasen der Schaltanlage durchgeführt, wobei das oben zur gleichzeitigen oder sequentiellen Ausführung Gesagte auch hier gilt.

In Schritt S6 kann das Verfahren enden oder, gegebenenfalls nach Verstreichen einer Wartezeitspanne, zu Schritt SO zu rückgekehrt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Schaltan lage und die erfindungsgemäße Schaltanlage erlauben ein zu verlässiges Erkennen von schlechten oder verschlechterten Verbindungen in der Schaltanlage, ohne dass eine aufwendige Modellierung der Schaltanlage und ihres Betriebs notwendig wäre. Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele die nen dabei lediglich der Veranschaulichung und sollen den Schutzbereich der Erfindung, der ausschließlich durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird, nicht einschränken.

Bezugszeichenliste

1 luftisolierte Schaltanlage

2 Geräteraum 3 Kabelanschlussraum

4 Sammelschienenraum

5 Niederspannungsraum

6 Heißgaskanal

7, 8 Zugangstüren 9 Zugriffsrichtung

10 Schaltgerät 11 Durchführungen 12 oberer Abgang 13 unterer Abgang 14 Sammelschiene

15 Kabel

16 Verbindungsleiter

17 Steuereinheit

18 Temperatursensor

Claims

Patentansprüche

1. Ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanlage (1) mit we nigstens drei Phasen, wobei das Verfahren wenigstens die fol genden Schritte umfasst:

Bilden eines Mittelwerts der Phasentemperaturmesswerte; Vergleichen der Phasentemperaturmesswerte mit dem Mit telwert der Phasentemperaturmesswerte; und

2. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem auf einen Empfang des Alarmsignals hin eine Sicherheitsmaßnahme durchgeführt wird.

3. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem die Sicherheitsmaßnahme ein Reduzieren eines durch diejenige Pha se, bei der der eine Phasentemperaturmesswert um mehr als den vorbestimmten Alarmschwellwert von dem Mittelwert der Phasen temperaturmesswerte abweicht, fließenden Stromes, ein Ab schalten der Schaltanlage (1) oder das Veranlassen einer War tungsmaßnahme umfasst.

4. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der vorbestimmte Alarmschwellwert in Abhängigkeit von einem Laststrom der Schaltanlage (1) vorbestimmt wird.

5. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der vorbestimmte Alarmschwellwert in Abhängigkeit von dem Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte vorbestimmt wird.

6. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der vorbestimmte Alarmschwellwert in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur der Schaltanlage (1) vorbestimmt wird.

7. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der jeweilige Messpunkt jeder der drei Phasen an einer Sam melschienenverbindung, einer Kabelverbindung, einem oberen Abgang, einem unteren Abgang oder an einer Durchführung (11) angeordnet ist.

8. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Alarmsignal eine Information über den jeweiligen Mess punkt und/oder die jeweilige Phase umfasst, für die das Ab weichen des einen der Phasentemperaturmesswerte um mehr als den vorbestimmter Alarmschwellwert von dem Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte festgestellt wurde.

9. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Warnsignal erzeugt wird, wenn einer der Phasentemperatur messwerte um mehr als einen vorbestimmten Warnschwellwert, der kleiner als der Alarmschwellwert ist, von dem Mittelwert der Phasentemperaturmesswerte abweicht.

10. Eine Schaltanlage (1) mit wenigstens drei Phasen, an je weiligen Messpunkten jeder der wenigstens drei Phasen ange ordneten Temperatursensoren (18), die ausgebildet sind, Lei tertemperaturen zu messen, um Phasentemperaturmesswerte zu erhalten, und einer mit den Temperatursensoren (18) verbunde nen Steuereinheit (17), welche ausgebildet ist, das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.