WO2023156019A1 - Method and device for monitoring a high-energy network infrastructure - Google Patents

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WO2023156019A1
WO2023156019A1 PCT/EP2022/054268 EP2022054268W WO2023156019A1 WO 2023156019 A1 WO2023156019 A1 WO 2023156019A1 EP 2022054268 W EP2022054268 W EP 2022054268W WO 2023156019 A1 WO2023156019 A1 WO 2023156019A1
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magnetic field
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signal
frequency
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PCT/EP2022/054268
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Inventor
Biagio ZOCCOLILLO
Olivier BARTHE
Martin Heuschkel
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Energie Network Services Ag
Emhc Ag
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J3/001Methods to deal with contingencies, e.g. abnormalities, faults or failures
    • H02J3/0012Contingency detection
    • GPHYSICS
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    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08Locating faults in cables, transmission lines, or networks
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    • GPHYSICS
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J13/00Circuit arrangements for providing remote indication of network conditions, e.g. an instantaneous record of the open or closed condition of each circuitbreaker in the network; Circuit arrangements for providing remote control of switching means in a power distribution network, e.g. switching in and out of current consumers by using a pulse code signal carried by the network
    • H02J13/00002Circuit arrangements for providing remote indication of network conditions, e.g. an instantaneous record of the open or closed condition of each circuitbreaker in the network; Circuit arrangements for providing remote control of switching means in a power distribution network, e.g. switching in and out of current consumers by using a pulse code signal carried by the network characterised by monitoring

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for monitoring a high-energy network infrastructure.
  • faults in dielectrics for example in insulators, surge arresters, switches, transformers, reactive current compensators, capacitors and other system components of a network infrastructure can generally be detected by analyzing small magnetic fields in the network infrastructure. This provides an opportunity to proactively coordinate the maintenance of the network infrastructure.
  • WO 2009037163 discloses a method and a device for measuring and/or calculating the magnitude and direction of the power flow in a power transmission line almost in real time. This includes the calculation of an active and a reactive power to determine a different power factor. Measurable power grid parameters such as shape, behavior, period and nominal frequency of magnetic field signals and voltage signals and higher and lower harmonic frequencies and their deviation relative to the expected power grid parameters are used.
  • the grid infrastructure for the secure supply of consumers with electrical energy has to be, despite strong fluctuations in some cases are kept stable and secure over the course of the day and year as production and consumption change.
  • the network infrastructure includes high-voltage lines such as overhead lines and/or underground cables, always designed as a three-wire system, and support masts.
  • the relevant system components of the grid infrastructure also include transformers, switches and secondary systems.
  • overhead lines are exposed to environmental influences, they are advantageous compared to underground cables in terms of the ability to localize and rectify faults.
  • Overhead pylons for high-voltage lines also known as high-voltage pylons, are equipped to accommodate three conductor cables or an integral multiple thereof.
  • Corresponding insulators are often hanging insulators, which are provided on high-voltage pylons designed as steel framework pylons.
  • a change in harmonic characteristics of dielectrics, such as insulators, of a transmission line can be measured using a parameter value detected by an electromagnetic sensor.
  • a magnetic field that can be measured on a monitored system component can be set in phase relationship with another signal that is synchronized with the mains frequency.
  • the signal values can be processed by transduction, for example filtered or cleaned up.
  • the amounts and relative phase angles of the signals can be converted into digital signals, evaluated and stored.
  • the digital signals can be analyzed and recorded, for example by means of a central processing unit.
  • a spectrum can be calculated by means of a fast Fourier transformation, it being possible by means of PLL, for example, to track the starting point of the period in the time range under consideration.
  • PLL fast Fourier transformation
  • other suitable calculation methods such as digitally realized lock-in amplifiers and digital detectors as well as narrow-band filters can be used.
  • spatially and temporally defined measuring points are defined, at which magnetic field sensors are arranged.
  • the values that can be recorded at the defined measuring point represent a superimposition of a large number of magnetic fields with different orientations and from different locations.
  • the parameters that can be assigned to the magnetic fields, which can be recorded and measured at the defined measuring point, must therefore be evaluated in such a way that that these can be assigned to the original current flows of the individual components of the high-energy network infrastructure.
  • the parameters of a magnetic field generated by the electric currents transported in the transmission lines that can be detected at the defined measuring point can be a spatial orientation, a geometric position in the network infrastructure relative to the position of the measuring point, a time profile, a phase position relative to a reference frequency, an intensity and/or be a spectral composition.
  • a definable spatial orientation of electromagnetic sensors for example magnetic field sensors, can be used.
  • At least one acceleration sensor is used to determine the position of the magnetic field sensors in space, in order to detect unwanted accelerations which can be caused, for example, by earthquakes, storms, sabotage and the like.
  • magnetic field sensors are used to determine the strength and/or direction of an electromagnetic field, ie a magnetic field, at a location.
  • a magnetic field sensor can be set up to measure changes in the flow of the magnetic field at defined time intervals or continuously. Magnetic field measurements may include peak, integral, shape, and/or frequency.
  • an exact, known position in space can be assigned to each of the magnetic field sensors that can be arranged.
  • the measurement data recorded and measured by the magnetic field sensors can be marked with a defined time code and/or a defined position information at the location of the measuring point and as an orientation in space. Based on this data, it is possible to create a model of the magnetic field in which the defined magnetic field sensor is placed.
  • the measuring arrangement for measuring the magnetic field comprises at least one three-dimensional ultra-sensitive magnetic field sensor.
  • these are magneto-resistive sensors, flux gate sensors and/or Hall sensors and/or combinations of these magnetic field sensor technologies in order to use the measurable magnetic field with a resolution of a few picotesla and/or a sensitivity in the nanotesla range to detect the leakage current or leakage currents in a dielectric component, such as an insulator, of the network infrastructure.
  • the magnetic field sensors mentioned are generally characterized by a strong dependency on the orientation of the magnetic field relative to the sensor and a strong dependency on the magnitude of the magnetic field. Accordingly, magnetic fields can be detected in all three spatial directions with one sensor unit.
  • the 3D magnetic field sensor can comprise individual sensor elements arranged directly adjacent to one another, of which one sensor element each is used for detecting a magnetic field in one spatial direction, with this having its defined sensitivity direction. Accordingly, specific and possibly different 3D magnetic field sensors can be combined in one assembly depending on the sensitivity range. The existing magnetic field is thus recorded using its vectorial individual components. The magnetic field vector at the location of the sensor element can be reconstructed in an evaluation unit by vectorial addition. Corresponding sensor elements are characterized by a high sensitivity, which is specified differently in the three spatial axes, as well as the possibility of compensating for offsets and temperature by means of integrated electronics.
  • a magnetic field sensor designed as a three-dimensional magnetoresistive sensor and a magnetic field sensor designed as a fluxgate sensor is preferably used, which has a corresponding number of sensitive measuring surfaces.
  • the sensitive measuring surfaces can be arranged approximately in the shape of a cross and form a kind of sensor array, so that a measurement of the three-dimensional magnetic field can be determined at the same location or at a common point. Measures such as shielding on the one hand and iron cores on the other, as well as a defined design of the magnetic field sensors and their technology, can make one of the axes more sensitive than the others Axles. Accordingly, magnetic sensitivities that are several powers of 10 higher can be achieved for one and/or two of the three measuring field components.
  • the at least one electromagnetic sensor is a coil probe and is set up for the high-resolution measurement of magnetic fields.
  • a measuring arrangement for measuring a magnetic field or a magnetic field change uses planar or toroidal coils for detecting magnetic fields in a detection plane whose surface normal is aligned perpendicular or transverse to the magnetic field component to be determined.
  • Magnetic field sensors designed as toroidal coils use the flux-conducting toroidal core to significantly increase the sensitivity in the detection plane compared to a planar coil.
  • magnetic field amplitudes can be determined over a wide range.
  • three mutually orthogonal elements can be combined with one another in order to determine the magnetic field vector.
  • such an arrangement can additionally include magnetic field sensors of the type magnetoresistive sensor, fluxgate sensor and/or Hall sensor in each of the three spatial axes.
  • the analysis includes a correlation of the harmonic components filtered out with the state of dielectrics.
  • This is based on the changing dielectric properties of the material, for example insulators, preferably silicone and its composite materials. Silicone-coated dielectrics are subject to a typical aging process. One of the consequences of this is that they have a spectrum that is characteristic of the aging condition when leakage current is flowing through them. Accordingly, the condition and/or an expected remaining service life of the dielectric can be inferred from the spectrum that can be determined, taking into account the conditions of use and taking into account parameters such as temperature, humidity, degree of contamination and other influencing factors.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • Time units can be defined and can be 20 ms or 1/50 s, for example.
  • the transformation can preferably take place by means of a Fourier transformation.
  • Detectable changes can be based on aging or damage.
  • the quality of the analysis increases with the available amount of data and/or by using artificial intelligence for a self-learning adaptation of the change patterns.
  • Changes can be traced back to abruptly occurring or gradual changed states of a monitored system component, which can be displayed to the system operator. Events such as an unexpected change, as well as information relevant in this context, can be displayed to the operator of the network infrastructure as acoustic and/or visual warnings on suitable devices.
  • a galvanic measurement can also be used as a measurement method, in particular where the measurement of a magnetic field is not possible and at the same time a corresponding physical intervention in the system is not disruptive.
  • a galvanic measurement involves de-energizing the system and arranging a measurement arrangement that measures the leakage current directly or via a current divider, e.g. a shunt. Leakage current is measured grounded to earth or zero potential.
  • this relates to a device for monitoring a network infrastructure with a large number of system components, which device comprises at least one electromagnetic sensor for measuring a three-dimensional magnetic field in at least one of the system components and for generating a time-dependent signal. Furthermore, means are provided for receiving the time-dependent signal and for analyzing this transformed and cleaned up. Changes can be determined from a comparison with stored data in connection with known change patterns.
  • a 3D fluxgate sensor, a magnetoresistive sensor and/or a Hall sensor can be provided as an electromagnetic sensor in the vicinity of the system component to be monitored.
  • the at least one electromagnetic sensor can also be electrically connected to the system component to be monitored if this is possible in the position.
  • the means include an algorithm, by means of which the signal values can be processed.
  • the signal values can be cleaned of interference components, converted into a Frequency-dependent spectrum transformed and / or reduced in terms of the frequency range under consideration.
  • the data processed in this way can be compared with stored data, which can be known change patterns and/or data that can be adapted on the basis of a self-learning system.
  • Adjustments to the device and/or the method can be made based on practical experience.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a measuring arrangement for measuring magnetic fields on a mast arm according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a signal recorded by the measuring arrangement and a representation of the transformed signals.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a measuring arrangement 10 for measuring a magnetic field in a component of a network infrastructure 1 .
  • the network infrastructure 1 comprises at least one overhead line 2 which is arranged on one of the plurality of mast brackets 3 .
  • a measuring arrangement 10 for example a 3D magnetic field sensor 12, is arranged close to the mast arm 3 for measuring the magnetic field.
  • the 3D magnetic field sensor 12 is arranged in such a way that it is aligned orthogonally to a main magnetic field induced by the useful current.
  • the 3D magnetic field sensor 12 is arranged close to the mast arm 3 .
  • An arrangement of the measuring arrangement 10 on the pylon arm 3 is advantageous compared to an arrangement at the base of an electricity pylon. Measurements at the base generally contain significantly more interference and extraneous influences, which have to be eliminated using complex methods in order to actually be able to serve as the basis for an interference analysis. Accordingly, despite a more complex arrangement of the measuring arrangement 10 on the mast arm 3, this is advantageous in order to enable a more precise localization of leakage currents that occur.
  • Measuring arrangement 10 comprising at least one 3D magnetic field sensor 12 is set up to measure leakage currents on dielectrics.
  • the temporal signals that can be detected in this way which are correspondingly cleaned and subjected to a transformation, serve as the basis for an analysis or a comparison with known change patterns in order to detect both spontaneously occurring and gradually changing states of the monitored dielectric component.
  • FIG. 2 shows a further embodiment in detail, with the measuring arrangement 10 being designed as a coil probe 14 for measuring the induced magnetic field.
  • the coil probe 14 comprises an excitation coil, an induction coil and a magnetic core, the measured external magnetic field, the basic magnetization of the magnetic core varies, with an induction current depending on the varying basic magnetization at the induction coil can be tapped as a measurement signal. Compensation for undesired magnetic field entries at the measuring point(s) can be achieved with a further 3D magnetic field sensor 12 in which these further sensors can be positioned in the vicinity of the known source of interference and thus also referenced in a signal evaluation.
  • the data originating from the measuring arrangement 10 over time is shown schematically in a graph.
  • the first curve 20 traces the course of the useful current, which can be seen as a fundamental wave with a frequency of 50 Hz.
  • the leakage current is represented by the second curve 22 and a third curve 24 represents the superimposition of the useful current and the leakage current.
  • the curves shown are idealized and simplified for better understanding.
  • the profile of the leakage current i.e. the profile of the second curve 22, is relevant for analyzing the status of the monitored system component.
  • the first harmonics i.e. integer multiples of the fundamental frequency. In the example shown, this is three times the fundamental frequency.
  • a frequency-dependent representation of the useful current 20 and the leakage current 22 can also be generated from the course of the third curve 24 or the current course over time and knowledge of the fundamental wave, as shown in FIG.

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Abstract

The invention relates to a method and device for monitoring a network infrastructure having a plurality of system components, wherein the method comprises: measuring a three-dimensional magnetic field on a system component in phase synchronicity with a main magnetic field induced by a useful current and generating a time-dependent signal that is proportional to the current; dividing the time-dependent signal into time units along a period of the system frequency and system phase position; adjusting the time-dependent signal by eliminating signal portions; transforming the time-dependent and adjusted signal into a frequency-dependent spectrum; reducing the frequency-dependent spectrum to a definable number of harmonics; comparing the reduced frequency-dependent spectrum with data, stored in a database, of change patterns; and outputting a notification if there are deviations of the detected spectrum of the monitored system component from change patterns.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ÜBERWACHUNG EINER ENERGIEREICHEN NETZINFRASTRUKTUR METHOD AND DEVICE FOR MONITORING A HIGH ENERGY NETWORK INFRASTRUCTURE
Technisches Gebiet der Erfindung Technical field of the invention
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer energiereichen Netzinfrastruktur. Gemäss der Erfindung können allgemein Störungen an Dielektrika, beispielsweise an Isolatoren, Überspannungsableitern, Schaltern, Transformatoren, Blindstromkompensatoren, Kondensatoren und weitere Systemkomponenten einer Netzinfrastruktur mittels einer Analyse kleiner Magnetfelder in der Netzinfrastruktur detektiert werden. Dies stellt eine Möglichkeit bereit, die Wartung der Netzinfrastruktur vorausschauend zu koordinieren. The invention relates to a method and a device for monitoring a high-energy network infrastructure. According to the invention, faults in dielectrics, for example in insulators, surge arresters, switches, transformers, reactive current compensators, capacitors and other system components of a network infrastructure can generally be detected by analyzing small magnetic fields in the network infrastructure. This provides an opportunity to proactively coordinate the maintenance of the network infrastructure.
Stand der Technik State of the art
Um eine hohe Stabilität eines Stromübertragungsnetzes und damit eine gesicherte und auf den Bedarf abstimmbare Nutzung des Stromnetzes bzw. eine Netzinfrastruktur trotz zunehmender Grösse und Komplexität zu gewährleisten, sind zeitnahe Informationen erforderlich. Diese über schnelle und direkte Messung der Netzbedingungen zugängliche Information kann für eine rasche Anpassung der Netzinfrastruktur und für eine vorausschauende Planung der Wartung genutzt werden. Demnach besteht ein grosser Bedarf, Störungen in einer energiereichen Netzinfrastruktur sicher lokalisieren zu können. In order to ensure a high level of stability of an electricity transmission network and thus secure use of the electricity network or network infrastructure that can be tailored to needs, despite increasing size and complexity, timely information is required. This information, accessible through fast and direct measurement of network conditions, can be used for rapid adjustment of network infrastructure and for proactive maintenance planning. Accordingly, there is a great need to be able to reliably localize faults in a high-energy network infrastructure.
Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen und Lokalisieren von Störungsereignissen innerhalb eines Stromübertragungsnetzes sind bekannt. Generell stützt sich ein derartiges Verfahren auf Messungen von Parametern des Stromübertragungsnetzes an unterschiedlichen Punkten und auf ein System, welches konfiguriert ist, um die ermittelbaren Daten zu empfangen und zu analysieren. Es ist bekannt, die durch ein Störereignis verursachten Frequenzänderungen nach Eliminieren von Hochfrequenzkomponenten hinsichtlich ihrer Reihenfolge und Empfangsmuster zu analysieren und so die Art und den Ort des Ereignisses zu triangulieren. Allerdings ist hierfür eine Messung eines vollständigen Frequenzzyklus erforderlich und durch Eliminieren der hohen Frequenzen gehen Informationen verloren. Methods and devices for detecting and localizing fault events within an electricity transmission network are known. In general, such a method relies on measurements of parameters of the electricity transmission network at different points and on a system configured to receive and analyze the ascertainable data. It is known to analyze the frequency changes caused by an interference event after eliminating high-frequency components with regard to their sequence and reception pattern and thus to triangulate the type and location of the event. However, there is one for this Measurement of a complete frequency cycle is required and information is lost by eliminating the high frequencies.
Ferner ist ein Verfahren bekannt, welches die von den überwachten Hochspannungsleitungen ausgehenden Magnetfelder sowie ein mit der von den Hochspannungsleitungen ausgehenden Netzfrequenz synchronisiertes Signal zur Überwachung nutzt. Furthermore, a method is known which uses the magnetic fields emanating from the monitored high-voltage lines and a signal synchronized with the mains frequency emanating from the high-voltage lines for monitoring.
Aus WO 2009037163 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung und/oder Berechnung der Grösse und Richtung des Leistungsflusses in einer Leistungsübertragungsleitung nahezu in Echtzeit bekannt. Dies schliesst die Berechnung einer Wirk- und einer Blindleistung mit ein, um einen abweichenden Leistungsfaktor zu ermitteln. Genutzt werden messbare Stromnetzparameter wie Form, Verhalten sowie Periode und Nennfrequenz von Magnetfeldsignalen und Spannungssignalen und höhere und niedere harmonische Frequenzen sowie deren Abweichung relativ zu den zu erwartenden Stromnetzparametern. WO 2009037163 discloses a method and a device for measuring and/or calculating the magnitude and direction of the power flow in a power transmission line almost in real time. This includes the calculation of an active and a reactive power to determine a different power factor. Measurable power grid parameters such as shape, behavior, period and nominal frequency of magnetic field signals and voltage signals and higher and lower harmonic frequencies and their deviation relative to the expected power grid parameters are used.
Den bekannten Verfahren und Vorrichtungen haftet die Schwäche an, eine Vielzahl von Mitteln ausserhalb des Feldes aber in der Nähe der Stromleitungen zu platzieren und eine ausreichende Geschwindigkeit bei der Analyse zu erreichen. The known methods and devices have the weakness of placing a large number of means outside the field but in the vicinity of the power lines and achieving a sufficient speed in the analysis.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, um Störungen in und eine Wartungsplanung von einer energiereichen Netzinfrastruktur mit geringem Aufwand und möglichst in Echtzeit zu ermöglichen. The object of the present invention is to propose a method and a device to enable faults in and maintenance planning of a high-energy network infrastructure with little effort and, if possible, in real time.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the Invention
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer energiereichen Netzinfrastruktur vor. The present invention provides a method and apparatus for monitoring a high-energy network infrastructure.
Die Netzinfrastruktur zur sicheren Versorgung von Verbrauchern mit elektrischer Energie muss trotz teilweise starker Schwankungen aufgrund sich über den Tages- und Jahresverlauf veränderter Produktion und Verbrauch stabil und sicher gehalten werden. Die Netzinfrastruktur umfasst Hochspannungsleitungen wie Freileitungen und/oder Erdkabel, stets ausgebildet als Dreileitersystem, sowie Stützmasten. Ferner zählen zu den relevanten Systemkomponenten der Netzinfrastruktur Transformatoren, Schalter als auch Sekundärsysteme. Freileitungen sind zwar Umwelteinflüssen ausgesetzt aber hinsichtlich Lokalisierbarkeit und Behebbarkeit von Fehlern vorteilhaft gegenüber Erdkabeln. Freileitungsmasten für Hochspannungsleitungen, auch als Hochspannungsmasten bezeichnet, sind für die Aufnahme von drei Leiterseilen oder einem ganzzahligen Vielfachen davon ausgerüstet. Entsprechende Isolatoren sind häufig Hängeisolatoren, welche an als Stahlfachwerkmasten ausgebildete Hochspannungsmasten vorgesehen sind. The grid infrastructure for the secure supply of consumers with electrical energy has to be, despite strong fluctuations in some cases are kept stable and secure over the course of the day and year as production and consumption change. The network infrastructure includes high-voltage lines such as overhead lines and/or underground cables, always designed as a three-wire system, and support masts. The relevant system components of the grid infrastructure also include transformers, switches and secondary systems. Although overhead lines are exposed to environmental influences, they are advantageous compared to underground cables in terms of the ability to localize and rectify faults. Overhead pylons for high-voltage lines, also known as high-voltage pylons, are equipped to accommodate three conductor cables or an integral multiple thereof. Corresponding insulators are often hanging insulators, which are provided on high-voltage pylons designed as steel framework pylons.
Eine Veränderung harmonischer Charakteristika der Dielektrika, beispielsweise der Isolatoren, einer Übertragungsleitung kann mittels eines von einem elektromagnetischen Sensor erfassten Parameterwerts gemessen werden. Hierbei ist von besonderem Interesse den Anteil der Oberwellen herauszufiltern, welches gemäss einem Aspekt der Erfindung schmalbandig aus einem ansonsten energiereichen Störspektrum möglich ist. Somit kann ein an einer überwachten Systemkomponente messbares Magnetfeld in Phasenbeziehung zu einem anderen Signal gesetzt werden, welches mit der Netzfrequenz synchronisiert ist. Die Signalwerte können durch Transduktion verarbeitet werden, beispielsweise gefiltert bzw. bereinigt werden. Die Beträge und relativen Phasenlagen der Signale können in digitale Signale umgewandelt, ausgewertet und gespeichert werden. Die digitalen Signale können analysiert und aufgezeichnet werden, beispielsweise mittels einer zentralen Recheneinheit. Neben Kommunikationsmitteln zum Übertragen von Daten können auch Speichermittel zum Speichern von Daten umfasst sein. Die Überlagerung einer harmonischen Oberwelle und der Grundfrequenz weist eine nichtsinusförmige Kurvenform auf. Mit Hilfe einer Fourier-Transformation oder anderer mathematischer Verfahren kann eine gemessene Signalform in eine Signalform der Grundwelle und derjenigen der harmonischen Oberwelle zerlegt werden. Zur Bestimmung von Oberwellen bzw. zur Signalanalyse wird unter anderem häufig eine schnelle Fourier-Transformation eingesetzt, um ein Spektrogramm als Darstellung der Zusammensetzung des Signals aus einzelnen Frequenzen in einem zeitlichen Verlauf zu erhalten. Hierbei wird bevorzugt FFT (Fast-Fourier-Transformation) eingesetzt oder alternativ kann beispielsweise ein PLL (Phase-Locked-Loop)-Verfahren angewendet werden. Mittels einer schnellen Fourier-Transformation ist ein Spektrum berechenbar, wobei mittels PLL beispielsweise es möglich ist, den Startpunkt der Periode im betrachteten Zeitbereich nachzuführen. Darüber hinaus können weitere geeignete Rechenverfahren wie z.B. digital realisierte Lock-In Verstärker und digitale Detektoren sowie Schmalbandfilter zum Einsatz kommen. A change in harmonic characteristics of dielectrics, such as insulators, of a transmission line can be measured using a parameter value detected by an electromagnetic sensor. In this context, it is of particular interest to filter out the portion of the harmonics which, according to one aspect of the invention, is possible in a narrow-band manner from an otherwise high-energy interference spectrum. Thus, a magnetic field that can be measured on a monitored system component can be set in phase relationship with another signal that is synchronized with the mains frequency. The signal values can be processed by transduction, for example filtered or cleaned up. The amounts and relative phase angles of the signals can be converted into digital signals, evaluated and stored. The digital signals can be analyzed and recorded, for example by means of a central processing unit. In addition to communication means for transmitting data, storage means for storing data can also be included. The superposition of a harmonic wave and the fundamental frequency shows a non-sinusoidal waveform. With the help of a Fourier transformation or other mathematical methods, a measured signal form can be broken down into a signal form of the fundamental wave and that of the harmonic wave. To determine harmonics or for signal analysis, a fast Fourier transformation is often used, among other things, in order to obtain a spectrogram as a representation of the composition of the signal from individual frequencies over time. In this case, FFT (Fast Fourier Transformation) is preferably used, or alternatively, for example, a PLL (Phase Locked Loop) method can be used. A spectrum can be calculated by means of a fast Fourier transformation, it being possible by means of PLL, for example, to track the starting point of the period in the time range under consideration. In addition, other suitable calculation methods such as digitally realized lock-in amplifiers and digital detectors as well as narrow-band filters can be used.
In der Realität gibt es in der Regel mehrere Freileitungen, so dass ein Superpositionsprinzip für die Grösse detektierbarer Magnetfeldvektoren gilt. Gemäss der Erfindung ist es möglich, sehr schwache Ströme in einem Umfeld sehr starker Stromflüsse zu messen. Von besonderem Interesse ist dabei die Messung von Kriechströmen in einer Komponentenstruktur der Netzinfrastruktur, beispielsweise an dem Hochspannungsmast, insbesondere an Auslegern des Hochspannungsmasts. Grundsätzlich denkbar wären auch Messungen am Fusspunkt, wobei diese aufgrund der wesentlich aufwendigeren Nachbearbeitung durch viel mehr Stör- und Fremdeinflüsse als am Mastausleger, weniger geeignet sind. Dabei werden Ströme durch räumliche Zuordnung bzw. Isolation ihren induzierten Magnetfelder zugeordnet, und diese Zuordnung erfolgt vorzugsweise schmalbandig. Dies ist durch eine phasensynchrone Messung der Grund- und Oberwellen der Systemfrequenz möglich. In reality, there are usually several overhead lines, so that a principle of superposition applies to the size of detectable magnetic field vectors. According to the invention it is possible to measure very weak currents in an environment of very strong current flows. Of particular interest is the measurement of leakage currents in a component structure of the network infrastructure, for example on the high-voltage pylon, in particular on arms of the high-voltage pylon. In principle, measurements at the base would also be conceivable, although these are less suitable due to the significantly more complex post-processing due to many more interference and external influences than at the mast arm. In this case, currents are assigned to their induced magnetic fields by spatial assignment or isolation, and this assignment preferably takes place in a narrow band. This is possible through a phase-synchronous measurement of the fundamental and harmonics of the system frequency.
Zum Zuordnen von Leistungen in Stromübertragungsleitungen einer energiereichen Netzinfrastruktur zu den von induzierten Magnetfeldern werden räumlich und zeitlich definierte Messpunkte definiert, an welchen Magnetfeldsensoren angeordnet sind. Die an dem definierten Messpunkt erfassbaren Werte stellen eine Überlagerung einer Vielzahl von Magnetfeldern mit unterschiedlicher Orientierung und von unterschiedlichen Orten dar. Die den Magnetfeldern zuordenbare Parameter, welche am definierten Messpunkt erfassbar und messbar sind, müssen demnach derart ausgewertet werden, dass diese den ursprünglichen Stromflüssen der einzelnen Komponenten der energiereichen Netzinfrastruktur zugeordnet werden können. To allocate power in power transmission lines of a high-energy network infrastructure to the induced magnetic fields, spatially and temporally defined measuring points are defined, at which magnetic field sensors are arranged. The values that can be recorded at the defined measuring point represent a superimposition of a large number of magnetic fields with different orientations and from different locations. The parameters that can be assigned to the magnetic fields, which can be recorded and measured at the defined measuring point, must therefore be evaluated in such a way that that these can be assigned to the original current flows of the individual components of the high-energy network infrastructure.
Die am definierten Messpunkt erfassbaren Parameter eines durch die in den Übertragungsleitungen transportierten elektrischen Ströme erzeugtem Magnetfeld können eine räumliche Orientierung, eine geometrische Position in der Netzinfrastruktur relativ zur Position des Messpunkts, ein zeitlicher Verlauf, eine Phasenlage relativ zu einer Referenzfrequenz, eine Intensität und/oder eine spektrale Zusammensetzung sein. The parameters of a magnetic field generated by the electric currents transported in the transmission lines that can be detected at the defined measuring point can be a spatial orientation, a geometric position in the network infrastructure relative to the position of the measuring point, a time profile, a phase position relative to a reference frequency, an intensity and/or be a spectral composition.
Um eine exakte und verbesserte räumlich Zuordnung der Magnetfelder zu ihren Strömen zu ermöglichen, kann eine definierbare räumliche Orientierung elektromagnetischer Sensoren, beispielsweise Magnetfeldsensoren, eingesetzt werden. In order to enable an exact and improved spatial assignment of the magnetic fields to their currents, a definable spatial orientation of electromagnetic sensors, for example magnetic field sensors, can be used.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Beschleunigungssensor zur Lagebestimmung der Magnetfeldsensoren im Raum genutzt, um somit unerwünschte Beschleunigungen zu erkennen, welche beispielsweise in Erdbeben, Sturm, Sabotage und ähnliches ihre Ursache haben können. In a further embodiment of the invention, at least one acceleration sensor is used to determine the position of the magnetic field sensors in space, in order to detect unwanted accelerations which can be caused, for example, by earthquakes, storms, sabotage and the like.
Generell werden Magnetfeldsensoren eingesetzt, um die Stärke und/oder Richtung eines elektromagnetischen Feldes, d.h. eines Magnetfeldes, an einem Ort zu bestimmen. Ein Magnetfeldsensor kann eingerichtet sein, um in definierten Zeitintervallen oder kontinuierlich Änderungen des Flusses des Magnetfeldes zu messen. Die Messungen des Magnetfeldes können Spitzenwerte, das Integral, die Form und/oder die Frequenz umfassen. Darüber hinaus kann jedem der anordenbaren Magnetfeldsensoren eine exakte bekannte Position im Raum zugeordnet werden. Insbesondere können die von den Magnetfeldsensoren erfassten und gemessenen Messdaten mit einer definierten Zeitkennzeichnung und/oder einer definierten Positionsangabe am Ort des Messpunktes und als Orientierung im Raum gekennzeichnet werden. Ausgehend von diesen Daten, ist es möglich, ein Modell des Magnetfeldes zu erstellen, in dem der definierte Magnetfeldsensor platziert ist. Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messanordnung zum Messen des Magnetfeldes mindestens einen dreidimensionalen ultraempfindlichen Magnetfeldsensor. Beispielsweise sind dies Magneto-Resistive Sensor, Flux Gate Sensor und/oder Hall Sensor und/oder Kombinationen dieser Magnetfeldsensortechnologien, um mittels des messbaren Magnetfelds in einer Auflösung von wenigen Picotesla und/oder einer Empfindlichkeit im Bereich von Nanotesla den Kriechstrom bzw. die Kriechströme in einer dielektrischen Komponente, beispielsweise einem Isolator, der Netzinfrastruktur zu bestimmen. Die genannten Magnetfeldsensoren zeichnen sich allgemein durch eine starke Abhängigkeit von der Orientierung des Magnetfeldes relativ zum Sensor und eine starke Abhängigkeit vom Betrag des Magnetfeldes aus. Demnach können Magnetfelder in allen drei Raumrichtungen mit einer Sensoreinheit erfasst werden. Hierbei kann der 3D-Magnetfeldsensor direkt benachbart angeordnete Einzelsensorelemente umfassen, von denen je ein Sensorelement für die Erfassung eines Magnetfelds in eine Raumrichtung genutzt wird, wobei dieses seine festgelegte Empfindlichkeitsrichtung aufweist. Demnach sind in einer Baugruppe spezifische und eventuell unterschiedliche 3D-Magnetfeldsensoren je nach Empfindlichkeitsbereich kombinierbar. Das vorhandene Magnetfeld wird somit mittels seiner vektoriellen Einzelkomponenten erfasst. Durch vektorielle Addition kann in einer Auswerteeinheit der Magnetfeldvektor am Ort des Sensorelements rekonstruiert werden. Entsprechende Sensorelemente zeichnen sich durch eine hohe und in den drei Raumachsen unterschiedlich spezifizierte Empfindlichkeit sowie durch Kompensationsmöglichkeiten von Offsets und Temperatur durch eine integrierte Elektronik aus. In general, magnetic field sensors are used to determine the strength and/or direction of an electromagnetic field, ie a magnetic field, at a location. A magnetic field sensor can be set up to measure changes in the flow of the magnetic field at defined time intervals or continuously. Magnetic field measurements may include peak, integral, shape, and/or frequency. In addition, an exact, known position in space can be assigned to each of the magnetic field sensors that can be arranged. In particular, the measurement data recorded and measured by the magnetic field sensors can be marked with a defined time code and/or a defined position information at the location of the measuring point and as an orientation in space. Based on this data, it is possible to create a model of the magnetic field in which the defined magnetic field sensor is placed. According to one embodiment of the invention, the measuring arrangement for measuring the magnetic field comprises at least one three-dimensional ultra-sensitive magnetic field sensor. For example, these are magneto-resistive sensors, flux gate sensors and/or Hall sensors and/or combinations of these magnetic field sensor technologies in order to use the measurable magnetic field with a resolution of a few picotesla and/or a sensitivity in the nanotesla range to detect the leakage current or leakage currents in a dielectric component, such as an insulator, of the network infrastructure. The magnetic field sensors mentioned are generally characterized by a strong dependency on the orientation of the magnetic field relative to the sensor and a strong dependency on the magnitude of the magnetic field. Accordingly, magnetic fields can be detected in all three spatial directions with one sensor unit. In this case, the 3D magnetic field sensor can comprise individual sensor elements arranged directly adjacent to one another, of which one sensor element each is used for detecting a magnetic field in one spatial direction, with this having its defined sensitivity direction. Accordingly, specific and possibly different 3D magnetic field sensors can be combined in one assembly depending on the sensitivity range. The existing magnetic field is thus recorded using its vectorial individual components. The magnetic field vector at the location of the sensor element can be reconstructed in an evaluation unit by vectorial addition. Corresponding sensor elements are characterized by a high sensitivity, which is specified differently in the three spatial axes, as well as the possibility of compensating for offsets and temperature by means of integrated electronics.
Bevorzugt wird ein als dreidimensionaler magnetoresistiver Sensor und ein als Fluxgatesensor ausgebildeter Magnetfeldsensor eingesetzt, welcher eine entsprechende Anzahl an sensitiven Messflächen aufweist. Die sensitiven Messflächen können in etwa kreuzförmig angeordnet eine Art Sensor-Array bilden, so dass eine Messung des dreidimensionalen Magnetfeldes am selben Ort bzw. an einem gemeinsamen Punkt ermittelbar ist. Durch Massnahmen, beispielsweise Abschirmung einerseits und Eisenkerne andererseits, sowie durch definierte Auslegung der Magnetfeldsensoren und deren Technologie kann eine der Achsen eine höhere Empfindlichkeit haben als die anderen Achsen. Demnach sind um mehrere 10er-Potenzen höhere magnetische Empfindlichkeiten für eine und/oder zwei der drei Messfeldkomponenten erreichbar. A magnetic field sensor designed as a three-dimensional magnetoresistive sensor and a magnetic field sensor designed as a fluxgate sensor is preferably used, which has a corresponding number of sensitive measuring surfaces. The sensitive measuring surfaces can be arranged approximately in the shape of a cross and form a kind of sensor array, so that a measurement of the three-dimensional magnetic field can be determined at the same location or at a common point. Measures such as shielding on the one hand and iron cores on the other, as well as a defined design of the magnetic field sensors and their technology, can make one of the axes more sensitive than the others Axles. Accordingly, magnetic sensitivities that are several powers of 10 higher can be achieved for one and/or two of the three measuring field components.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine elektromagnetische Sensor eine Spulensonde und eingerichtet zur hochauflösenden Messung von Magnetfeldern. Eine derartige Messanordnung zur Messung eines Magnetfeldes bzw. einer Magnetfeldänderung verwendet Planar- oder Ringspulen für eine Erfassung von Magnetfeldern in einer Erfassungsebene, deren Flächennormale senkrecht bzw. quer zur ermittelnden Magnetfeldkomponente ausgerichtet ist. Als Ringkernspulen ausgebildete Magnetfeldsensoren wird durch die Nutzung des flussleitenden Ringkerns die Empfindlichkeit in der Erfassungsebene verglichen mit einer Planarspule deutlich erhöht. Abhängig von der Signalfrequenz und ob zusätzlich ein ferromagnetischer Kern in der Spule eingesetzt wird, können in einem breiten Bereich Magnetfeldamplituden bestimmt werden. Ebenfalls können drei zueinander orthogonale Elemente, vorzugsweise mit unterschiedlichen Messempfindlichkeiten, miteinander kombiniert werden, um den magnetischen Feldvektor zu bestimmen. Beispielsweise kann eine derartige Anordnung in jeder der drei Raumachsen jeweils Magnetfeldsensoren vom Typ magnetoresistiver Sensor, Fluxgatesensor und/oder Hallsensor ergänzend umfassen. In a further embodiment of the invention, the at least one electromagnetic sensor is a coil probe and is set up for the high-resolution measurement of magnetic fields. Such a measuring arrangement for measuring a magnetic field or a magnetic field change uses planar or toroidal coils for detecting magnetic fields in a detection plane whose surface normal is aligned perpendicular or transverse to the magnetic field component to be determined. Magnetic field sensors designed as toroidal coils use the flux-conducting toroidal core to significantly increase the sensitivity in the detection plane compared to a planar coil. Depending on the signal frequency and whether an additional ferromagnetic core is used in the coil, magnetic field amplitudes can be determined over a wide range. Likewise, three mutually orthogonal elements, preferably with different measurement sensitivities, can be combined with one another in order to determine the magnetic field vector. For example, such an arrangement can additionally include magnetic field sensors of the type magnetoresistive sensor, fluxgate sensor and/or Hall sensor in each of the three spatial axes.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Analyse eine Korrelation der herausgefilterten Oberwellenanteile mit dem Zustand von Dielektrika. Grundlage hierfür sind sich verändernde dielektrische Eigenschaften des Materials, beispielsweise von Isolatoren, vorzugsweise Silikon und seine Verbundwerkstoffe. Silikon beschichtete Dielektrika unterliegen einem typischen Alterungsprozess. Dieser hat unteranderem zur Folge, dass sie bei durchfliessendem Kriechstrom ein zum Alterungszustand charakteristisches Spektrum aufweisen. Demnach kann aus dem ermittelbaren Spektrum auf den Zustand und/oder einer erwartbare Restlebensdauer des Dielektrikums unter Berücksichtigung der Einsatzbedingungen und unter Berücksichtigung von Parametern wie Temperatur, Feuchtigkeit, Verschmutzungsgrad und anderen Einflussfaktoren geschlossen werden. Das Verfahren gemäss der Erfindung umfasst die folgenden Schritte: According to one embodiment of the invention, the analysis includes a correlation of the harmonic components filtered out with the state of dielectrics. This is based on the changing dielectric properties of the material, for example insulators, preferably silicone and its composite materials. Silicone-coated dielectrics are subject to a typical aging process. One of the consequences of this is that they have a spectrum that is characteristic of the aging condition when leakage current is flowing through them. Accordingly, the condition and/or an expected remaining service life of the dielectric can be inferred from the spectrum that can be determined, taking into account the conditions of use and taking into account parameters such as temperature, humidity, degree of contamination and other influencing factors. The method according to the invention comprises the following steps:
- Messen eines dreidimensionalen Magnetfeldes an einer Systemkomponente phasensynchron zu einem durch einen Nutzstrom induziertes Hauptmagnetfeld und Erzeugen eines zum Strom proportionalen zeitabhängigen Signals; - Measuring a three-dimensional magnetic field on a system component in phase synchronism with a main magnetic field induced by a useful current and generating a time-dependent signal proportional to the current;
- Unterteilen des zeitabhängigen Signals in Zeiteinheiten entlang einer Periode der Systemfrequenz und Systemphasenlage. Zeiteinheiten sind definierbar und können beispielsweise 20 ms bzw. 1/50 s sein. - Subdividing the time-dependent signal into time units along a period of the system frequency and system phase. Time units can be defined and can be 20 ms or 1/50 s, for example.
- Bereinigen des zeitabhängigen Signals durch Elimieren von Signalanteilen. Dabei werden Systemanteile eliminiert, welche durch den Nutzstrom und/oder systemfremde Komponenten induziert werden. Diese sind beispielsweise induziert von Schienenverkehr, Blitzschlag, Funk, WLAN und/oder Mobiltelefonen. Die systemfremden Frequenzanteile stehen in keiner Korrelation zur Systemfrequenz der mit dem erfindungsgemässen Verfahren überwachten Komponenten und können einfach vernachlässigt werden. - Clean up the time-dependent signal by eliminating signal components. In the process, system parts are eliminated which are induced by the useful current and/or non-system components. These are induced, for example, by rail traffic, lightning, radio, WLAN and/or mobile phones. The non-system frequency components have no correlation to the system frequency of the components monitored using the method according to the invention and can simply be ignored.
- Transformieren des zeitabhängigen und bereinigten Signals in ein frequenzabhängiges Spektrum. Die Transformation kann vorzugsweise mittels einer Fourier-Transformation erfolgen. - Transforming the time-dependent and adjusted signal into a frequency-dependent spectrum. The transformation can preferably take place by means of a Fourier transformation.
- Reduzieren des ermittelten Spektrums auf eine bestimmbare Anzahl von Harmonischen, beispielsweise 10 Harmonische. - Reduction of the determined spectrum to a determinable number of harmonics, for example 10 harmonics.
- Vergleichen der reduzierten frequenzabhängigen Spektrums mit in einer Datenbank gespeicherten Daten von Veränderungsmustern. Ermittelbare Veränderungen können auf Alterung oder Schädigung basieren. Hierbei steigt die Qualität der Analyse mit der verfügbaren Datenmenge und/oder mittels Einsatz künstlicher Intelligenz für eine selbstlernende Anpassung der Veränderungsmuster. Veränderungen können sowohl auf abrupt auftretende oder graduell erfolgende veränderte Zustände einer überwachten Systemkomponente zurückgeführt werden, welche dem Systembetreiber angezeigt werden können. Ereignisse, wie eine unerwartete Veränderung, sowie in diesem Zusammenhang relevante Informationen können dem Betreiber der Netzinfrastruktur als akustische und/oder visuelle Warnungen auf geeigneten Einrichtungen angezeigt werden. - Comparing the reduced frequency-dependent spectrum with data of change patterns stored in a database. Detectable changes can be based on aging or damage. The quality of the analysis increases with the available amount of data and/or by using artificial intelligence for a self-learning adaptation of the change patterns. Changes can be traced back to abruptly occurring or gradual changed states of a monitored system component, which can be displayed to the system operator. Events such as an unexpected change, as well as information relevant in this context, can be displayed to the operator of the network infrastructure as acoustic and/or visual warnings on suitable devices.
In einer weiteren Ausführungsform kann als Messmethode auch eine galvanische Messung eingesetzt werden, insbesondere dort wo die Messung eines Magnetfelds nicht möglich und gleichzeitig ein entsprechender physischer Eingriff in das System nicht störend ist. Eine galvanische Messung bedingt das Versetzen des System in einen spannungslosen Zustand und Anordnen einer Messanordnung, welche den Kriechstrom direkt oder über einen Stromteiler, z.B. einen Shunt, misst. Die Messung von Kriechstrom erfolgt dabei geerdet gegen Erde bzw. Nullpotential. In a further embodiment, a galvanic measurement can also be used as a measurement method, in particular where the measurement of a magnetic field is not possible and at the same time a corresponding physical intervention in the system is not disruptive. A galvanic measurement involves de-energizing the system and arranging a measurement arrangement that measures the leakage current directly or via a current divider, e.g. a shunt. Leakage current is measured grounded to earth or zero potential.
In einem anderen Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Vorrichtung zur Überwachung einer Netzinfrastruktur mit einer Vielzahl von Systemkomponenten, welche Vorrichtung mindestens einen elektromagnetischen Sensor zum Messen eines dreidimensionalen Magnetfeldes bei mindestens einer der Systemkomponenten und zum Erzeugen eines zeitabhängigen Signals umfasst. Ferner sind Mittel vorgesehen, um das zeitabhängige Signal zu empfangen und dieses transformiert und bereinigt zu analysieren. Aus einem Vergleich mit gespeicherten Daten in Zusammenhang zu bekannten Veränderungsmustern können Veränderungen ermittelt werden. In another aspect of the invention, this relates to a device for monitoring a network infrastructure with a large number of system components, which device comprises at least one electromagnetic sensor for measuring a three-dimensional magnetic field in at least one of the system components and for generating a time-dependent signal. Furthermore, means are provided for receiving the time-dependent signal and for analyzing this transformed and cleaned up. Changes can be determined from a comparison with stored data in connection with known change patterns.
Als elektromagnetischer Sensor kann beispielsweise ein 3D- Fluxgatesensor, ein magnetoresistiver Sensor und/oder ein Hallsensor in Nähe zu der zu überwachenden Systemkomponente vorgesehen sein. Alternativ kann der mindestens eine elektromagnetische Sensor auch galvanisch mit der zu überwachenden Systemkomponente verbunden sein, wenn dies in der Position möglich ist. For example, a 3D fluxgate sensor, a magnetoresistive sensor and/or a Hall sensor can be provided as an electromagnetic sensor in the vicinity of the system component to be monitored. Alternatively, the at least one electromagnetic sensor can also be electrically connected to the system component to be monitored if this is possible in the position.
Gemäss einem Ausführungsbeispiel umfassen die Mittel einen Algorithmus, mittels welcher die Aufarbeitung der Signalwerte erfolgen kann. Beispielsweise können die Signalwerte von Störanteilen bereinigt, in ein frequenzabhängiges Spektrum transformiert und/oder hinsichtlich des betrachteten Frequenzbereichs reduziert werden. Die derart aufbereiteten Daten können mit gespeicherten Daten verglichen werden, welche bekannte Veränderungsmuster und/oder aufgrund eines selbstlernenden Systems angepasste Daten sein können. According to one exemplary embodiment, the means include an algorithm, by means of which the signal values can be processed. For example, the signal values can be cleaned of interference components, converted into a Frequency-dependent spectrum transformed and / or reduced in terms of the frequency range under consideration. The data processed in this way can be compared with stored data, which can be known change patterns and/or data that can be adapted on the basis of a self-learning system.
Aufgrund der Praxiserfahrung können Anpassungen hinsichtlich der Vorrichtung und/oder des Verfahrens erfolgen. Adjustments to the device and/or the method can be made based on practical experience.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nun folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen hervor, welche in den beiliegenden Zeichnungen beispielhaft dargestellt sind. Aus der Beschreibung lassen sich die weiteren Vorteile der vorliegenden Erfindung entnehmen, sowie Anregungen und Vorschläge, wie der Erfindungsgegenstand im Rahmen des Beanspruchten abgeändert oder auch weiterentwickelt werden kann. Further details of the invention emerge from the following description of preferred embodiments, which are illustrated by way of example in the accompanying drawings. The further advantages of the present invention can be gathered from the description, as well as suggestions and suggestions as to how the subject of the invention can be modified or further developed within the scope of what is claimed.
Kurzbeschreibunq der Zeichnungen Brief description of the drawings
Es zeigen: Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur Magnetfeldmessung an einem Mastausleger gemäss einer Ausführungsform der Erfindung; FIG. 1 shows a schematic representation of a measuring arrangement for measuring magnetic fields on a mast arm according to an embodiment of the invention;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur Magnetfeldmessung an einem Mastausleger gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; FIG. 2 shows a schematic representation of a measuring arrangement for measuring magnetic fields on a mast arm according to a further embodiment of the invention;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines von der Messanordnung aufgezeichneten Signals sowie eine Darstellung der transformierten Signale. Bevorzugte Ausführunqsformen der Erfindung FIG. 3 shows a schematic representation of a signal recorded by the measuring arrangement and a representation of the transformed signals. Preferred embodiments of the invention
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung 10 zur Messung eines Magnetfeldes in einer Komponente einer Netzwerkinfrastruktur 1 . In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Netzwerkinfrastruktur 1 mindestens eine Freileitung 2, welche an einem der Vielzahl von Mastauslegern 3 angeordnet ist. Gemäss der dargestellten Ausführungsform ist nahe am Mastausleger 3 zur Messung des Magnetfeldes eine als Messanordnung 10, beispielsweise ein 3D-Magnetfeldsensor 12 angeordnet. Der 3D-Magnetfeldsensor 12 ist dabei derart angeordnet, dass sie orthogonal zu einem durch den Nutzstrom induziertes Hauptmagnetfeld ausgerichtet ist. Insbesondere ist der 3D-Magnetfeldsensor 12 nahe am Mastausleger 3 angeordnet. FIG. 1 shows a schematic representation of a measuring arrangement 10 for measuring a magnetic field in a component of a network infrastructure 1 . In the embodiment shown, the network infrastructure 1 comprises at least one overhead line 2 which is arranged on one of the plurality of mast brackets 3 . According to the illustrated embodiment, a measuring arrangement 10, for example a 3D magnetic field sensor 12, is arranged close to the mast arm 3 for measuring the magnetic field. The 3D magnetic field sensor 12 is arranged in such a way that it is aligned orthogonally to a main magnetic field induced by the useful current. In particular, the 3D magnetic field sensor 12 is arranged close to the mast arm 3 .
Eine Anordnung der Messanordnung 10 am Mastausleger 3 ist gegenüber einer Anordnung am Fusspunkt eines Strommastes vorteilhaft. Messungen am Fusspunkt enthalten generell wesentlich mehr Stör- und Fremdeinflüsse, welche mit komplexen Verfahren eliminiert werden müssen, um tatsächlich als Grundlage für eine Störanalyse dienen zu können. Demnach ist trotz einer aufwendigeren Anordnung der Messanordnung 10 am Mastausleger 3 diese vorteilhaft, um eine genauere Lokalisierung auftretender Kriechströme zu ermöglichen. An arrangement of the measuring arrangement 10 on the pylon arm 3 is advantageous compared to an arrangement at the base of an electricity pylon. Measurements at the base generally contain significantly more interference and extraneous influences, which have to be eliminated using complex methods in order to actually be able to serve as the basis for an interference analysis. Accordingly, despite a more complex arrangement of the measuring arrangement 10 on the mast arm 3, this is advantageous in order to enable a more precise localization of leakage currents that occur.
Die mindestens einen 3D-Magnetfeldsensor 12 umfassende Messanordnung 10 ist eingerichtet, um Kriechströme an Dielektrika zu messen. Die somit erfassbaren zeitlichen Signale, welche entsprechend bereinigt einer Transformation unterworfen werden, dienen als Grundlage für eine Analyse bzw. ein Abgleich mit bekannten Veränderungsmustern, um sowohl spontan auftretende als auch graduell sich veränderte Zustände der überwachten dielektrischen Komponente zu erfassen. Measuring arrangement 10 comprising at least one 3D magnetic field sensor 12 is set up to measure leakage currents on dielectrics. The temporal signals that can be detected in this way, which are correspondingly cleaned and subjected to a transformation, serve as the basis for an analysis or a comparison with known change patterns in order to detect both spontaneously occurring and gradually changing states of the monitored dielectric component.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform im Detail, wobei die Messanordnung 10 zum Messen des induzierten Magnetfeldes als eine Spulensonde 14 ausgebildet ist. Die Spulensonde 14 umfasst eine Erregerspule, eine Induktionsspule und einen magnetischen Kern, wobei das vermessende externe Magnetfeld die Grundmagnetisierung des Magnetkerns variiert, wobei ein Induktionsstrom abhängig von der variierenden Grundmagnetisierung an der Induktionsspule als Messsignal abgegriffen werden kann. Eine Kompensation unerwünschter Magnetfeldeinträge an dem bzw. den Messpunkten kann mit einem weiteren 3D-Magnetfeldsensor 12 erreicht werden, in dem diese weitere Sensoren in der Nähe der bekannten Störquelle positioniert und damit in einer Signalauswertung auch referenziert werden kann. FIG. 2 shows a further embodiment in detail, with the measuring arrangement 10 being designed as a coil probe 14 for measuring the induced magnetic field. The coil probe 14 comprises an excitation coil, an induction coil and a magnetic core, the measured external magnetic field, the basic magnetization of the magnetic core varies, with an induction current depending on the varying basic magnetization at the induction coil can be tapped as a measurement signal. Compensation for undesired magnetic field entries at the measuring point(s) can be achieved with a further 3D magnetic field sensor 12 in which these further sensors can be positioned in the vicinity of the known source of interference and thus also referenced in a signal evaluation.
In Figur 3 ist schematisch in einer Graphik die aus der Messanordnung 10 stammenden Daten über der Zeit dargestellt. Hier zeichnet die erste Kurve 20 den Verlauf des Nutzstroms nach, welcher als Grundwelle mit einer Frequenz von 50 Hz erkennbar ist. Der Kriechstrom ist durch die zweite Kurve 22 wiedergegeben und eine dritte Kurve 24 gibt die Überlagerung des Nutzstroms und des Kriechstroms wieder. Die dargestellten Kurvenverläufe sind zum besseren Verständnis idealisiert und vereinfacht. Zur Analyse des Zustands der überwachten Syste m ko m ponente ist der Verlauf des Kriechstroms, d.h. der Verlauf der zweiten Kurve 22 relevant. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die ersten Harmonischen, d.h. ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz. In dem dargestellten Beispiel sind dies das dreifache der Grundfrequenz. Mittels beispielsweise einer Fourier-Transformation kann auch dem Verlauf der dritten Kurve 24, bzw. dem zeitlichen Stromverlauf und Kenntnis der Grundwelle eine frequenzabhängige Darstellung des Nutzstroms 20 und des Kriechstroms 22 erzeugt werden, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. In FIG. 3, the data originating from the measuring arrangement 10 over time is shown schematically in a graph. Here, the first curve 20 traces the course of the useful current, which can be seen as a fundamental wave with a frequency of 50 Hz. The leakage current is represented by the second curve 22 and a third curve 24 represents the superimposition of the useful current and the leakage current. The curves shown are idealized and simplified for better understanding. The profile of the leakage current, i.e. the profile of the second curve 22, is relevant for analyzing the status of the monitored system component. Of particular importance here are the first harmonics, i.e. integer multiples of the fundamental frequency. In the example shown, this is three times the fundamental frequency. By means of a Fourier transformation, for example, a frequency-dependent representation of the useful current 20 and the leakage current 22 can also be generated from the course of the third curve 24 or the current course over time and knowledge of the fundamental wave, as shown in FIG.

Claims

Patentansprüche patent claims
1 . Verfahren zur Überwachung einer Netzinfrastruktur mit einer Vielzahl von Systemkomponenten, umfassend 1 . Method for monitoring a network infrastructure with a large number of system components, comprising
- Messen eines dreidimensionalen Magnetfeldes an einer Systemkomponente phasensynchron zu einem durch einen Nutzstrom induziertes Hauptmagnetfeld und Erzeugen eines zum Strom proportionalen zeitabhängigen Signals; - Measuring a three-dimensional magnetic field on a system component in phase synchronism with a main magnetic field induced by a useful current and generating a time-dependent signal proportional to the current;
- Unterteilen des zeitabhängigen Signals in Zeiteinheiten entlang einer Periode der Systemfrequenz und Systemphasenlage; - dividing the time-dependent signal into time units along a period of the system frequency and system phase;
- Bereinigen des zeitabhängigen Signals durch Eliminieren von Signalanteilen; - Clean up the time-dependent signal by eliminating signal components;
- Transformieren des zeitabhängigen und bereinigten Signals in ein frequenzabhängiges Spektrum; - Transforming the time-dependent and adjusted signal into a frequency-dependent spectrum;
- Reduzieren des frequenzabhängigen Spektrums auf eine definierbare Anzahl von Harmonischen; - Reduction of the frequency dependent spectrum to a definable number of harmonics;
- Vergleichen des reduzierten frequenzabhängigen Spektrums mit in einer Datenbank gespeicherten Daten von Veränderungsmustern; und - comparing the reduced frequency dependent spectrum with change pattern data stored in a database; and
- Ausgeben einer Meldung bei Abweichungen des ermittelten Spektrums der überwachten Systemkomponente von Veränderungsmustern. - Outputting a message in the event of deviations in the determined spectrum of the monitored system component from change patterns.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bereinigung des zeitabhängigen Signals die durch den Nutzstrom und/oder systemfremden Komponenten induzierten Systemanteile eliminiert werden. 2. The method as claimed in claim 1, characterized in that the system parts induced by the useful current and/or non-system components are eliminated during the cleaning of the time-dependent signal.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen des dreidimensionalen Magnetfeldes kontinuierlich mittels mindestens einer Messanordnung erfolgt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the measurement of the three-dimensional magnetic field is carried out continuously by means of at least one measuring arrangement.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung im Bereich eines Mastauslegers der Netzinfrastruktur angeordnet ist. 4. The method according to claim 3, characterized in that the measuring arrangement is arranged in the area of a mast arm of the network infrastructure.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitabhängige Signal in Zeiteinheiten von ca. 20 ms unterteilt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the time-dependent signal is divided into time units of approximately 20 ms.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierbare Anzahl der Harmonischen 10 beträgt. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the definable number of harmonics is 10.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelbare Daten an eine Speichereinheit übertragen und gespeichert werden. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that identifiable data is transmitted to a storage unit and stored.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelbaren Daten verschlüsselt an eine externe Speichereinheit übertragen und gespeichert werden. 8. The method as claimed in claim 7, characterized in that the data which can be determined are transmitted in encrypted form to an external storage unit and stored.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass künstliche Intelligenz zum Analysieren eingesetzt wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that artificial intelligence is used for the analysis.
10. Vorrichtung zur Überwachung einer Netzinfrastruktur mit einer Vielzahl von Systemkomponenten gemäss einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend 10. Device for monitoring a network infrastructure with a large number of system components according to a method according to any one of claims 1 to 9, comprising
- mindestens einen elektromagnetischen Sensor zum Messen des dreidimensionalen Magnetfeldes bei mindestens einer der Systemkomponenten und Erzeugen eines zeitabhängigen Signals, - at least one electromagnetic sensor for measuring the three-dimensional magnetic field in at least one of the system components and generating a time-dependent signal,
- Mittel, um das zeitabhängige Signal zu empfangen und ein transformiertes und bereinigtes zeitabhängiges Signal zu analysieren, um mittels Vergleich mit in einer Speichereinheit gespeicherten Daten Veränderungen in Veränderungsmustern zu ermitteln. - means for receiving the time-dependent signal and analyzing a transformed and cleaned time-dependent signal in order to determine changes in change patterns by comparison with data stored in a memory unit.
11 . Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Sensor ein 3D- Hallsensor ist. 11 . Device according to Claim 10, characterized in that the electromagnetic sensor is a 3D Hall sensor.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Sensor eine Spulensonde umfasst. 12. The device according to claim 11, characterized in that the electromagnetic sensor comprises a coil probe.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis13. Device according to one of the preceding claims 10 to
12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Sensor als dreidimensionaler Magnetfeldsensor mit in den x, y, z-Raumrichtungen unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweist. 12, characterized in that the electromagnetic sensor, as a three-dimensional magnetic field sensor, has different sensitivities in the x, y, z spatial directions.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Sensor galvanisch mit der zu überwachenden Systemkomponente verbunden ist. 14. Device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the electromagnetic sensor is galvanically connected to the system component to be monitored.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Algorithmus umfassen. 15. Device according to one of claims 10 to 14, characterized in that the means comprise an algorithm.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschleunigungssensor zum Bestimmen der Lage des elektromagnetischen Sensors vorgesehen ist. 16. Device according to one of claims 10 to 15, characterized in that an acceleration sensor is provided for determining the position of the electromagnetic sensor.
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