DE19533303C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Inhomogenitäten im Kühlkreis eines Transformators - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Inhomogenitäten im Kühlkreis eines TransformatorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Erfassung von Inhomogenitäten im Kühlkreis eines Transforma
tors.
Bei Hoch- oder Mittelspannungstransformatoren mit fokussier
ter Ölumlaufkühlung kann es dazu kommen, daß örtlich im Öl,
z. B. als Folge eines Schadens, beispielsweise Überhitzung,
Gasblasen entstehen. Durch die fokussierte Ölumwälzung können
die entstehenden Gasblasen vom Ölstrom in die Nähe hochspan
nungsführender Teile, insbesondere der Wicklung, gebracht
werden, die dann dort zu Überschlägen oder zu größeren Folge
schäden führen können.
Derartige Fehler können bereits entstehen, bevor eine Gasmel
dung vom sogenannten Buchholz-Relais erfolgt. Dieses kann
nämlich nur größere Gasansammlungen im oberen Teil des Öl
kreislaufs erfassen. Bisherige Versuche im Öl vorhandenes Gas
durch Gasfallen zu entfernen verliefen ohne befriedigende Er
gebnisse.
Deshalb wird im Stand der Technik DE 41 40 322 C1 vorgeschlagen,
im Medium auf unterschiedlichen Potentialen liegende Elektro
den mit einem Entladungswächter anzuordnen. Beim Auftreten
einer Entladung zwischen den Elektroden aufgrund von Gasbla
sen wird vom Entladungswächter ein Fehlersignal abgegeben.
Bevorzugt ist der Elektrodenzwischenraum vom Medium zwangs
durchströmt.
Eine weitere Möglichkeit zur Überwachung des Wasserstoffge
halts in Trafoöl ist aus dem Stand der Technik DE 195 03 802
bekannt. Eine mit Trafoöl gefüllte Kammer ist durch eine in
zwei Schichten aufgebaute Membran von einer Meßkammer, die
einen Wasserstoffsensor enthält, getrennt. Die erste Schicht
dem Membran besteht aus Polysulfon oder Polyäthersulfon, die
zweite Schicht aus Celluloseacetat-Butyrat, welches auf ein
Trägergewebe aufgebracht ist.
Aus dem Dokument JP 07 029 463 A ist eine weitere Vorrichtung
zur Erkennung eines Transformatordefekts bekannt. Bei dieser
Vorrichtung wird der Durchfluß, der sich aufgrund eines
Transformatordefekts ändert, mittels einer Ultraschallmeßvor
richtung bestimmt. Die im Transformatoröl aufgrund eines De
fekts entstehenden Gasblasen werden in einem Gasreservoir ge
sammelt und, falls ein Druckschwellwert überschritten wird,
über ein Gasablaßventil abgelassen.
Die Aufgabe die Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Erfassung von Inhomogenitäten im Kühlkreis
eines Transformators anzugeben, bei der die Erfassung
kontinuierlich und mit der geringstmöglichen Zeitverzögerung
erfolgt. Zusätzlich soll die Meßgenauigkeit erhöht werden.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und durch ein
Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 beziehungsweise 9
gelöst. Auf diese Weise ist eine einfache Vorrichtung
gegeben, die eine genaue und zuverlässige Erfassung von
Inhomogenitäten (z. B. Gasblasen, Verunreinigungen,
Viskositätsänderungen, Fremdkörper) im Kühlmedium oder
-mittel erlaubt. Dabei werden keinerlei mechanisch bewegte
Teile benötigt. Die Vorrichtung unterliegt damit keinem
mechanischen Verschleiß, was der bei Energietransformatoren
in Mittel- und Hochspannungsnetzen geforderten hohen
Lebensdauer (ca. 30 Jahre) entgegenkommt. Ein Fehler im
Transformator kann somit frühzeitig erkannt werden, wodurch
Ausfälle und damit hohe wirtschaftliche Einbußen verhindert
sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
So hat die Vorrichtung gemäß Anspruch 2 den Vorteil, daß der
Bauelementaufwand niedrig ist, da nur ein Ultraschallwandler
verwendet wird.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3 hat den Vorteil, daß das
Ultraschallsignal kontinuierlich ausgesendet werden kann.
Dadurch läßt sich die Meßrate erhöhen.
Die Weiterbildungen gemäß Anspruch 4, 5 und 6 dienen der Mi
nimierung des Signalenergieverlusts.
Die Weiterbildungen gemäß Anspruch 5 und 6 bieten zusätzlich
den Vorteil, daß die Rohrleitung keine optimalen Refle
xionseigenschaften aufweisen muß. Die Geometrie der Rohrlei
tung braucht damit bei der Ultraschallwegführung nicht be
rücksichtigt werden.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 7 hat den Vorteil einer zu
sätzlichen Erhöhung der Meßgenauigkeit.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 10 hat den Vorteil, daß die
Kalibrierung am Ort des Einsatzes des Meßverfahrens und der
Meßvorrichtung erfolgen kann.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 11 dient der Erhöhung der
Meßgenauigkeit.
Ebenso dient die Weiterbildung gemäß Anspruch 12 der Erhöhung
der Meßgenauigkeit. Zusätzlich können Störungen ausgeblendet
werden.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 13 dient der Erhöhung der
Meßgenauigkeit.
Die Auswertung mittels Fuzzy-Logik gemäß Anspruch 14 stellt
ein flexibles und an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten
einfach anpaßbares Verfahren dar.
Vorteilhafter Weise ist die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit
saugseitig an einer Umwälzeinrichtung im Kühlkreis
angeordnet. Damit ist eine Verwirbelung und Verkleinerung von
Gasblasen oder Inhomogenitäten verhindert, wodurch eine gute
Erkennbarkeit und Detektion gewährleistet ist.
Die Erfindung, weitere Details und Vorteile werden im folgen
den anhand mehrerer Figuren beispielhaft näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Kühlkreises eines
Transformators und den Einsatzort der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine erste mögliche Ausgestaltungsform der er
findungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 3 zeigt eine zweite mögliche Ausgestaltungsform der er
findungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 4 zeigt eine dritte mögliche Ausgestaltungsform der er
findungsgemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist der Kühlkreis KK mit einer Umwälzeinrichtung,
insbesondere eine Pumpe P, für ein flüssiges Medium schema
tisch gezeigt. Es kann sich dabei um einen Kühlkreislauf,
insbesondere ein Ölkühlkreislauf eines Transformators, han
deln. Das Medium strömt in Richtung R durch eine Rohrleitung
RL, wobei an einer Stelle der Rohrleitung RL eine Sende-/Empfangseinheit
SEE angeordnet ist. Das aktiv zu kühlende
Bauteil, beispielweise der Transformator, ist vorliegend
nicht näher dargestellt.
In Fig. 1 weist die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit (SEE)
einen ersten und einen zweiten Ultraschallwandler USW1 und
USW2 auf. Die elektrischen Meßsignale werden über eine Lei
tung L von der Sende-/Empfangseinheit SEE zur Auswerteeinheit
AE übertragen. Eine Steuereinheit SE übernimmt die Ansteue
rung der Sende-/Empfangseinheit SEE. Sofern nötig ist die
Steuereinheit SE mit der Auswerteeinheit AE verbunden. Die
Signalübertragung kann auch auf eine nicht leitungsgebundene
Art, beispielsweise per Funk, erfolgen. Dies hat den Vorteil,
daß die Zustandsüberwachung des Transformators ortsungebunden
erfolgen kann.
Um Inhomogenitäten, beispielsweise in Form von Gasblasen GB,
Festkörpern oder sonstigen Veränderungen in dem flüssigen Me
dium zu erfassen, ist in oder an der Rohrleitung RL des Kühl
kreises KK die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit SEE ange
ordnet.
Die Sende-/Empfangseinheit SEE kann, wie in Fig. 2 gezeigt,
einen ersten Ultraschallwandler USW1 aufweisen, dessen Haupt
abstrahlrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung R des Medi
ums steht. Im Hauptschallweg des in die Rohrleitung RL einge
strahlten Ultraschallsignals befindet sich ein Reflektorele
ment RE, das das Ultraschallsignal in Richtung des ersten Ul
traschallwandlers USW1 reflektiert. Bei einer geeigneten Wahl
der Geometrie der Rohrleitung RL kann das Reflektorelement RE
entfallen.
Das Reflektorelement RE kann zusätzlich eine fokussierende
Eigenschaft aufweisen, um den Energieverlust, der durch die
durch den Ultraschallwandler bedingte Streuung des Ultra
schallsignals entsteht, zu minimieren. Die eventuell in dem
flüssigen Medium vorhandenen Gasblasen GB bilden Streuzen
tren. Diese führen zu einer Frequenzverschiebung des in das
Medium ausgesandten Ultraschallsignals. Weiterhin führen sie
zu einer Änderung der Form des Ultraschallsignals. Die beiden
Eigenschaften Frequenzverschiebung und Signalformänderung
können zur Auswertung herangezogen werden. Die Zahl der in
dem flüssigen Medium vorhandenen Gasblasen GB wirkt sich auf
die Dämpfung des Ultraschallsignals aus. Ebenso hat die Zahl
der in dem flüssigen Medium vorhandenen Gasblasen GB einen
Einfluß auf die Signalform.
Auf dem Hin- und Rückweg wird das Ultraschallsignal, abhängig
von der Anzahl und der Größe der im Trafoöl befindlichen Gas
blasen GB, mehr oder weniger stark gestreut. Eine hohe Kon
zentration an Gasblasen GB oder große Gasblasen GB bewirken
eine stärkere Streuung des Ultraschallsignals als eine nied
rige Gasblasenkonzentration oder kleine Gasblasen GB. Somit
ändert sich das am Ultraschallwandler USW empfangene Ultra
schallsignal abhängig von der Größe und/oder der Konzentrati
on der Gasblasen GB.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung beträgt der Meßweg
x₁ = 2 · dRL, wobei dRL der Abstand zwischen dem ersten Ul
traschallwandler USW1 und dem Reflektorelement RE oder der
Rohrleitungswandung ist. Das Ultraschallsignal wird nach der
Laufzeit t₁ = 2 · dRL / c empfangen.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung sind in oder an der
Rohrleitung RL zwei Ultraschallwandler USW1 und USW2 gegen
überliegend angeordnet. Bei dieser Vorrichtung beträgt der
Meßweg x₂ = dRL. Das Ultraschallsignal wird nach der Laufzeit
t₂ = dRL / c empfangen.
Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung hat gegenüber der in Fig.
2 gezeigten Anordnung den Vorteil, daß die Signalmeßrate,
welche durch die Laufzeit t₂ bedingt ist, wenigstens doppelt
so hoch sein kann.
Um eine Vergrößerung des Meßwegs zu erhalten, was die Emp
findlichkeit gegenüber Gasblasen GB oder allgemein gegenüber
Inhomogenitäten weiter erhöht, kann die Einstrahlung in die
Rohrleitung RL (Meßrohr) schräg erfolgen, wie dies in Fig. 4
gezeigt ist. Es muß jedoch gewährleistet sein, daß die da
durch verursachte erhöhte Dämpfung nicht zu hoch wird, um am
Empfangs-Ultraschallwandler USW2 noch ein Ultraschallsignal
mit ausreichender Signalenergie zu empfangen.
Weiterhin ist bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4 zu beachten,
daß es bei einem strömenden Medium zu einer Frequenzverschie
bung aufgrund des Dopplereffekts kommt. Das Reflektorelement
RE′ in Fig. 4 dient ebenso wie das Reflektorelement RE in
Fig. 2 zur Reflexion des Ultraschallsignals in Richtung des
empfangenden Ultraschallwandlers. Das Reflektorelement RE
kann zusätzlich eine fokussierende Wirkung auf die Ultra
schallstrahlung haben.
Sofern die durch das flüssige Medium bedingte Dämpfung zu
hoch ist um den in Fig. 2 gezeigten Meßweg x₁ verwenden zu
können ist die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung vorzuziehen.
Grundsätzlich kann zusätzlich in die Rohrleitung RL ein Ele
ment eingebracht werden, dessen Geometrie so gewählt wurde,
daß sich die eventuell im Kühlmittel KM vorhandenen Gasblasen
GB konzentrieren.
Das Element kann dabei beispielsweise als (Gas-) Falle oder
Leiteinrichtung ausgebildet sein. Wesentlich ist dabei, daß
es zu einer Konzentration der Inhomogenitäten führt, so daß
die Wahrscheinlichkeit der Detektion möglichst hoch ist.
Der Fokus des Ultraschalls ist bevorzugt auf diese Stelle ge
richtet.
Sofern die Rohrleitung RL eine Stelle mit erhöhter Gasblasen
konzentration aufweist, kann das oben genannte Element zur
Verstärkung des Effekts verwendet werden oder, falls die Kon
zentration bereits hoch genug ist, entfallen.
Die im folgenden beschriebenen verschiedenen Möglichkeiten
zur Signalauswertung sind kombinierbar.
Die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit SEE sendet ein Ultra
schallsignal SS in das im Kühlkreis KK vorhandene Kühlmittel
KM, auch als flüssiges Medium bezeichnet, aus. Sofern die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit
SEE einen ersten und einen
zweiten Ultraschallwandler USW1 und USW2 aufweist, dient ei
ner der beiden Ultraschallwandler als Sender und der andere
Ultraschallwandler als Empfänger. Das vom Sender ausgesandte
Ultraschallsignal erfährt, sofern Gasblasen oder Festkörper
im Kühlmittel vorhanden sind neben der Änderung der Signal
amplitude auch eine Signalformänderung. Diese Änderung tritt
um so verstärkter auf, um so mehr Gasblasen oder Festkörper
sich im Kühlmittel befinden.
Das im Meßbetrieb empfangene Ultraschallsignal kann mit dem
von einer Referenzmessung stammenden empfangenen Signal ver
glichen werden, wobei bei der Referenzmessung das Kühlmittel
KM keine Gasblasen GB und keine Festkörper aufweist. Sofern
die Kalibrierung am Einsatzort erfolgt, enthält das Refe
renzsignal alle vom jeweiligen Transformator abhängigen In
formationen.
Der Einfluß der Temperatur des Kühlmittels KM kann bei einer
Fuzzy-Auswertung berücksichtigt werden. Die Temperatur des
Kühlmittels KM ist dabei durch geeignete Maßnahmen zu ermit
teln. Vorteilhafter Weise erfolgt die Erfassung der Tempera
tur in unmittelbarer Nähe der Sende-/Empfangseinheit SEE.
Neben der Form und der Amplitude des empfangenen Ultraschall
signals SE kann zusätzlich eine Korrelationsfunktion zur Aus
wertung herangezogen werden.
Eine inverse Filterung der Systemübertragungseigenschaften im
Zeitbereich führt zu einer Modifikation der empfangenen Meß
signale SE, so daß sie für eine weitere Auswertung optimale
Eigenschaften, wie eine hohe Bandbreite und kurze Ein- und
Ausschwingzeiten, aufweisen. Um die Systemübertragungsfunkti
on H(ω) zu kompensieren, muß die Übertragungsfunktion des in
versen Filters I(ω) invers zur Systemübertragungsfunktion H(ω)
gewählt werden. Die Systemübertragungsfunktion H(ω) läßt
sich dabei aus einer Referenzmessung ohne Inhomogenitäten im
Kühlmittel KM bestimmen.
Es besteht die Möglichkeit das empfangene Ultraschallsignal
SE durch ein nachgeschaltetes inverses Filter zu bearbeiten
oder aber die inverse Filterfunktion in das Sendesignal ein
zurechnen. Die inverse Vorfilterung bietet den Vorteil, daß
hierbei das modifizierte Sendesignal nur einmal in einer In
itialisierungsphase berechnet werden muß und dann alle weite
ren Messungen mit diesem optimierten Sendesignal durchgeführt
werden können. Eine hohe Wiederholrate ist somit gegeben.
Eine weitere Möglichkeit der Signalauswertung besteht darin,
das Profil des normierten Empfangssignals vom Profil des nor
mierten Sendesignals zu subtrahieren. Aus dem sich ergebenden
Differenzsignal können die Lage und die Amplitude der vorhan
denen Maxima extrahiert und weiter verarbeitet werden.
Bildet man aus dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultra
schallsignal eine Korrelationsfunktion ρxy(t) so ist der Wert
des Maximums der Korrelationsfunktion ρxy(t) als Maß für die
Inhomogenität des Kühlmittels KM verwendbar. Das heißt, je
niedriger der Wert des Maximums der Korrelationsfunktion ρxy(t)
ist, desto höher ist der Grad der Inhomogenität des
Kühlmittels KM.
Die obengenannten Merkmale zur Auswertung des Ultraschalls
können einer Fuzzy-Logik zugeführt werden. Hierdurch wird ei
ne Kombination oder ein Vergleich der Merkmale deutlich ver
einfacht. Ein weiterer Vorteil besteht in der Übertragung
großer Meßwertbereiche nach vorgegebenen Regeln in wenige
Klassenzugehörigkeitsgrade, so daß die Anzahl der bei der
Auswertung zu berücksichtigenden Merkmale stark reduziert
werden kann. Die leichte Adaptierbarkeit der Regeln erlaubt
eine einfache Anpassung der Auswertung an veränderte Bedin
gungen.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Erfassung von Inhomogenitäten im Kühlkreis
eines Transformators,
- - bei der eine Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit (SEE) vorgesehen ist, die im oder am Kühlkreis (KK) angeordnet ist, die ein Ultraschallsignal (SS) in das Kühlmittel (KM) aussendet und empfängt,
- - bei der eine Auswerteeinheit (AE), die mit der Ultraschall-Sende/Empfangseinheit (SE) verbunden ist, vorgesehen ist, um das empfangene Ultraschallsignal (SE) auszuwerten, wobei das empfangene Ultraschallsignal (SE) Informationen über die Konzentration der Inhomogenitäten enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
bei der die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit (SEE) einen
Ultraschallwandler (USW1) zum Senden und zum Empfangen auf
weist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
- - bei der die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit (SEE) ei nen ersten Ultraschallwandler (USW1) zum Senden aufweist,
- - bei der die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit (SEE) ei nen zweiten Ultraschallwandler (USW2) zum Empfangen auf weist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
bei der die Abstrahlflächen der beiden Ultraschallwandler
(USW1, USW2) parallel zueinander angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4,
bei der im Kühlkreis (KK) ein Reflektorelement (RE, RE′)
zur Reflexion des Ultraschalls in Richtung des zum Empfang
dienenden Ultraschallwandlers vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
bei der das Reflektorelement (RE, RE′) so gekrümmt ist, daß
eine Fokussierung des Ultraschalls erfolgt, wobei der Fokus
beim zum Empfang dienenden Ultraschallwandler liegt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6,
bei der im Kühlkreis (KK) eine Gasfalle vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7,
bei der der Kühlkreis (KK) eine Umwälzeinrichtung umfaßt
und die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit (SEE) auf der
Ansaugseite der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit (SEE)
angeordnet ist.
9. Verfahren zur Erfassung von Inhomogenitäten im Kühlkreis
eines Transformators,
- - bei dem eine Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit (SEE) ein Ultraschallsignal (SS) in das im Kühlkreis (KK) vorhandene Kühlmittel (KM) aussendet und empfängt,
- - bei dem die Amplitude, die Form und die Laufzeit des empfangenen Ultraschallsignals (SE) in einer Auswerteeinheit (AE) ausgewertet werden, wobei jeweils der Wert der Veränderung ein Maß für die Konzentration der Inhomogenitäten ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zur Auswertung des empfangenen Ultraschallsignals
(SE) Referenzwerte herangezogen werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
bei dem zur Auswertung des empfangenen Ultraschallsignals
(SE) die Frequenzverschiebung herangezogen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11,
- - bei dem eine Referenzmessung durchgeführt wird und das dabei empfangene Referenzsignal gespeichert wird,
- - bei dem aus dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultra schallsignal eine Korrelationsfunktion bestimmt wird,
- - bei dem der Wert des Maximums der Korrelationsfunktion als Maß für die Inhomogenität dient.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-12,
bei dem die Temperatur des Kühlmittels (KM) am Ort der Ul
traschallbeaufschlagung erfaßt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-13,
bei dem die Auswertung mittels Fuzzy-Logik erfolgt.
15. Verwendung der Vorrichtung oder des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1-14,
zur Erfassung von Gasblasen.
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1995
- 1995-09-08 DE DE1995133303 patent/DE19533303C2/de not_active Expired - Fee Related
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