DE4126868A1

DE4126868A1 - Vorrichtung zum erfassen von teilentladungsimpulsen in einer metallgekapselten gasisolierten hochspannungsanlage

Info

Publication number: DE4126868A1
Application number: DE19914126868
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Dunz
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1991-08-14
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1993-02-18

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Vorrichtung zum Erfassen von Teilentladungsimpulsen in einer metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsanlage mit mindestens einer zumindest das elektrische Feld von Teilentladungsimpulsen erfassenden Meßstelle.

STAND DER TECHNIK

Die Erfassung von Teilentladungen spielt bei der Qualitätssicherung von metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsanlagen eine zentrale Rolle. Teilentladungsmessungen werden sowohl bei der fabrikationsmäßigen Qualitätskontrolle als auch bei der Qualitätsprüfung während des Vor-Ort-Aufbaus durchgeführt. Allerdings existieren - besonders bei der Vor-Ort-Prüfung - große Probleme bezüglich der Meßempfindlichkeit, der Meßwertinterpretation und der Lokalisierung der Teilentladungen.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Erfassung von Teilentladungen ist beispielsweise aus der US-A-42 77 746 bekannt. In dieser Patentveröffentlichung ist eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage beschrieben, welche im Inneren der isoliergasgefüllten Metallkapselung einen auf Hochspannungspotential befindlichen Stromleiter aufweist. Dieser Stromleiter ist von einem scheibenförmigen Isolator getragen, dessen aus der Metallkapselung geführter Außenrand eine gegenüber der Metallkapselung isoliert eingesetzte Meßelektrode zur Detektion von Teilentladungen trägt. Solche Teilentladungen können etwa hervorgerufen werden durch Fabrikationsfehler, durch Schädigungen im Betrieb oder leitfähige Partikel, die sich während des Betriebs der Anlage auf der Oberfläche des Isolators oder anderer dielektrisch belasteter Teile der Hochspannungsanlage angelagert haben. Teilentladungen können zum Durchschlag und schließlich zum Versagen des Isolators oder irgendeines der anderen isolierenden Teile führen. Bei der Messung der Teilentladungen werden von den Teilentladungen erzeugte sehr kurze Spannungszusammenbrüche in der Hochspannungsanlage über den hierbei gebildeten kapazitiven Verschiebungsstrom ausgekoppelt. Dabei ist jedoch nicht auszuschließen, daß die Meßelektrode Stromimpulse erfaßt, welche von außen in die Hochspannungsanlage eintreten oder welche von Teilentladungen an irgendeinem der anderen isolierenden Teile erzeugt werden.

Weiterentwickelte Vorrichtungen zum Erfassen von Teilentladungen können zudem Informationen bezüglich der Ladung einzelner Teilentladungsimpulse, der Anzahl an Teilentladungsimpulsen sowie der Phasenlage der Teilentladungsimpulse liefern. Diese Informationen ergeben charakteristische, von der Größe und Anzahl der Teilentladungsimpulse sowie von der Phase der anliegenden Hochspannung bestimmte Fehlermuster, die bei der Identifizierung der Fehlerart von großem Nutzen sein können. Eine eindeutige Identifizierung und Bewertung einer Teilentladung ist allerdings nur dann möglich, wenn das Fehlermuster einer einzigen Fehlerstelle zugeordnet werden kann. In einer metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsanlage werden sich jedoch im allgemeinen mehrere Fehlermuster additiv überlagern, wobei auch Teilentladungen und Störungen direkt von außen und/oder aber auch indirekt von der Nachbarphase eingekoppelt werden können. Zudem können von jedem der zu erfassenden Teilentladungsimpulse innerhalb der metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsanlage auch Wanderwellen ausgelöst werden, welche die Erfassung jedes Teilentladungsimpulses selbst und seine Bewertung bezüglich des aufgezeichneten Fehlermusters sehr erschweren. An der Meßstelle wird daher kein für eine Teilentladung typisches Signal von 1 bis 2 ns Dauer erfaßt, sondern steht ein über einen vergleichsweise großen Zeitraum sich periodisch veränderndes Signal an.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche auch in ausgedehnten metallgekapselten gasisolierten Anlagen eine genaue Ortung einer Teilentladung sowie eine zusätzliche Separierung des bei der Teilentladungsmessung ermittelten charakteristischen Fehlermusters ermöglicht.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß selbst in einer großen Hochspannungsanlage mit vielen dielektrisch hochbeanspruchten Isolatoren sowohl während der fabrikmäßigen Qualitätssicherung als auch während des Betriebes mit großer Sicherheit der Ort angegeben werden kann, an dem Teilentladungen auftreten. Von besonderem Vorteil ist es hierbei, daß sonst schwer zu erfassende Fehlerquellen erkannt und von außerhalb eindringende Störungen eliminiert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 in stark vereinfachter Darstellung eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage mit einer als Blockschaltbild dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung von Teilentladungen,

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Teilbereich B_j (j = 1, 2, 3, . . ., m) einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit n (n = 1, 2, 3, . . ., k, . . ., n) Meßstellen, von denen jeweils eines von n logischen Richtungssignalen RM₁, RM₂, RM₃, . . ., RM_k, . . ., RM_n zur logischen Verknüpfung an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgegeben wird, und

Fig. 3 ein Diagrammm, in dem das Ergebnis der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 2 logisch verknüpften Richtungssignale für eine Zählergewichtung Z_k der Meßstelle M_k tabellarisch dargestellt ist.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 bezeichnet H eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage. Diese Hochspannungsanlage enthält ein als Metallkapselung ausgebildetes, auf Erdpotential gelegtes und mit einem Isoliergas, wie typischerweise SF₆, von bis zu einigen Bar Druck gefülltes Gehäuse G sowie einen im Inneren des Gehäuses G von nicht dargestellten Isolatoren getragenen und Hochspannung von einigen bis zu einigen hundert kV führenden Leiter L. Die Hochspannung wird über eine Durchführung D von einem nicht dargestellten Hochspannungsnetz in die Hochspannungsanlage H eingespeist und kann je nach Ausbildung und Funktionsbereitschaft der Hochspannungsanlage H auf einen zum ebenfalls nicht dargestellten Verbraucher führenden Kabelabgang K wirken. Die Hochspannungsanlage H wird mit Hilfe einer Vorrichtung zum Erfassen von Teilentladungsimpulsen V überwacht. Diese Vorrichtung enthält Meßstellen M₁, M₂, M₃ und M₄ sowie eine Auswerteeinheit A, welcher die Ausgangssignalen der Meßstellen M₁, M₂, M₃ und M₄ zugeführt werden.

B₁, B₂, B₃, B₄ und B₅ bezeichnet Teilbereiche, in welche die Hochspannungsanlage H aufgeteilt ist. Die Grenzen der Teilbereiche sind jeweils durch geeignete Anordnung der Meßstellen M₁, M₂, M₃ und M₄ festgelegt. Es ist hierbei zu unterscheiden zwischen nach außen abgeschlossenen Teilbereichen, wie den Teilbereichen B₁, B₂ und B₃, und nach außen offenen Teilbereichen, wie den Teilbereiche B₄ und B₅. Die Meßstellen M₁, M₂, M₃ und M₄ sind derart über die Hochspannungsanlage H verteilt angeordnet, daß die Meßstellen M₁, M₂ und M₃ den nach außen abgeschlossenen Teilbereich B₁, die Meßstellen M3 und M₄ den nach außen abgeschlossenen Teilbereich B₃ begrenzen, und die Meßstelle M₂ den nach außen abgeschlossenen Teilbereich B₂, die Meßstelle M₁ den über die Durchführung D zum Hochspannungsnetz offenen Teilbereich B₄ und die Meßstelle M₄ über den Kabelanschluß K den zum Verbraucher offenen Teilbereich B₅ begrenzt. In die nach außen abgeschlossenen Teilbereichen B₁, B₂ und B₃ können von den Meßstellen erfaßbare und von außen herbeigeführte Signale, wie insbesondere von Störimpulsen hervorgerufene Wanderwellen, nur dann eingekoppelt werden, wenn sie irgendeine der den nach außen abgeschlossenen Teilbereich, z. B. B₁, begrenzenden Meßstellen, z. B. M₁, M₂ und M₃ passieren. In den nach außen offenen Teilbereichen, z. B. B₄, können von den Meßstellen erfaßbare und von außen herbeigeführte Signale, wie insbesondere von Störimpulsen hervorgerufene Wanderwellen, auch dann eingekoppelt werden, wenn sie keine der Meßstellen, z. B. M₁, passieren. Je nach Anzahl n, wobei n = 1, 2, . . ., k, . . ., n, und nach Verteilung von den Messstellen M₁, M₂, M₃, . . ., M_k, . . ., M_n können so beliebig viele und beliebig fein abgegrenzte Teilbereiche Bj, wobei j = 1, 2, 3, . . ., m betragen kann und die Mindestanzahl der Teilbereiche zwei beträgt, gebildet werden.

Jede der Meßstellen M₁, M₂, . . ., M_k, . . ., M_n weist zwei Sensoren und eine Signalverarbeitungseinheit auf. Einer beider Sensoren erfaßt zumindest die Polarität des elektrischen Feldes und ein anderer zumindest die Polarität des magnetisches Feldes des ersten Teils einer von einem Teilentladungsimpuls ausgehenden Wanderwelle. Die Signalverarbeitungsvorrichtung ermittelt ein logisches Richtungssignal RM₁, RM₂, RM₃, . . ., RM_k, . . . bzw. RM_n aus den von den Sensoren erfaßten Signalen. Derartige Meßstellen sind beispielsweise aus A. Küchler, J. Dams, Th. Dunz, A. J. Schwab: "Combined E-and H-Field Probe for Traveling Wave Analysis in Pulse Power Generators" 5^th IEEE Pulsed Power Conf., Arlington, Virginia, 1985 bekannt. Durch eine weitergehende Verarbeitung der erfaßten Signale von E- und H-Feld werden dem ersten Teil des Teilentladungsimpulses Impulsladung, Impulspolarität und aus einer vektoriellen Verknüpfung von E-und H-Feld ein die Richtung der Energie des Teilentladungsimpulses bzw. der dadurch erzeugten Wanderwelle bestimmendes Signal zugeordnet.

Da bei einer Teilentladungsmessung allein schon wegen der Spannungsphasenzuordnung eine Vielzahl von Messungen vorzunehmen sind, werden an den Meßstellen, z. B. M₁, periodisch sich wiederholende Messungen vorgenommen, wobei die Periode, welche typischerweise bei etwa 1 µs liegen kann, bestimmt ist durch einen Zeitraum, der ausreicht, um die vom Teilentladungsimpuls hervorgerufene Wanderwelle in der Hochspannungsanlage abklingen zu lassen.

Zu jedem Meßzeitpunkt liegt dann an jeder Meßstelle M_k eines Teilbereichs B_j eine verwertbare Signalinformation vor, die jeweils von einem einzigen Teilentladungsimpuls herrührt, und aus der das zuvor beschriebene logische Richtungssignal RM_k dieses Teilentladungsimpulses ermittelt wird. Die von den Meßstellen eines Teilbereichs abgegebenen logischen Richtungssignale werden in der Auswerteeinheit A logisch miteinander verknüpft, und es kann so festgestellt werden, ob der Teilentladungsimpuls innerhalb oder außerhalb des betreffenden Teilbereichs aufgetreten ist.

In Fig. 2 ist dies anhand des allgemein formulierten Teilbereichs B_j mit einer beliebigen Anzahl von n Meßstellen dargestellt. Wird bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 beispielsweise der Teilbereich B₁ überwacht und treten an den diesem Teilbereich zugeordneten Meßstellen M₁, M₂ und M₃ jeweils aus dem Teilbereich nach außen orientierte logische Richtungssignale RM₁, RM₂ und RM₃ auf, so ergibt sich nach deren logischer Verknüpfung, daß der gemessene Teilentladungsimpuls innerhalb des Teilbereiches aufgetreten ist.

Durch Überwachung der Teilbereiche B₄ bzw. B₅ läßt sich in besonders einfacher und sicherer Weise feststellen, ob ein an den zugeordneten Meßstellen ermittelter Impuls von außen, d. h. vom Hochspannungsnetz oder der Durchführung D bzw. vom Verbraucher oder dem Kabelabgang K, in die Hochspannungsanlage H eingedrungen ist.

Für jede, z. B. M_k, der einen Teilbereich, z. B. B_j, begrenzenden Meßstellen M₁, . . ., M_k, . . ., M_n wird eine logische Zählergewichtung nach folgender Bewertung durchgeführt:

Z_k = RM₁ AND RM₂ AND . . . AND RMk AND . . . AND RM_n,

wobei RM₁, RM₂, . . ., RM_k, . . ., RM_n die logischen Energierichtungen einer vom Teilentladungsimpuls ausgehenden Wanderwelle am Ort der Meßstellen M₁, M₂, . . ., M_k, . . ., M_n aus dem betrachteten Teilbereich B_j heraus und Z_k die Zählergewichtung für die Meßstelle M_k bedeuten.

Über eine derartige Bewertung erhält man ein charakteristisches Teilentladungsfehlerbewertungsmuster für Teilentladungsfehler im Teilbereich B_j. Hierdurch wird eine einfache Ortung und eine vereinfachte Fehlererkennung ermöglicht. Für den Teilbereich B_j ist in Fig. 3 ein Diagrammm, in dem die durch eine logische "0" oder eine logische "1" charakterisierten Richtungssigale und das Ergebnis der verknüpften Richtungssignale für eine Zählergewichtung Z_k der Meßstelle M_k tabellarisch dargestellt ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen von Teilentladungsimpulsen in einer metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsanlage mit mindestens einer zumindest das elektrische Feld von Teilentladungsimpulsen erfassenden Meßstelle (z. B. M₁), dadurch gekennzeichnet,
daß die Hochspannungsanlage in mindestens zwei Teilbereiche (z. B. B₁, B₄) aufgeteilt ist, deren Bereichsgrenzen jeweils durch geeignete Anordnung der mindestens einen Meßstelle (z. B. M₁) festgelegt ist,
daß die mindestens eine Meßstelle (z. B. M₁) ein logisches Richtungssignal (z. B. RM₁) ausgibt, welches durch die Ausbreitungsrichtung einer von einem Teilentladungsimpuls ausgehenden Wanderwelle am Ort der Meßstelle (z. B. M₁) bestimmt ist, und
daß eine Auswerteeinheit (A) vorgesehen ist, in der anhand des von der mindestens einen Meßstelle (z. B. M₁) ausgegebenen logischen Richtungssignals (z. B. RM₁) festgestellt wird, ob der Teilentladungsimpuls innerhalb oder außerhalb eines der mindestens zwei Teilbereiche (z. B. B₁, B₄) aufgetreten ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mindestens zwei Meßstellen aufweisende Gruppe von Meßstellen (z. B. M₁, M₂, M₃, M₄) über die Hochspannungsanlage verteilt ist, von denen ein erster Teil von Meßstellen (z. B. M₁) mindestens einen zum Hochspannungsnetz offenen Teilbereich (z. B. B₄) begrenzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil (z. B. M₁, M₂, M₃) der Gruppe von Meßstellen mindestens einen gegenüber dem in die Hochspannungsanlage einspeisenden Hochspannungsnetz abgeschlossenen ersten Teilbereich (B₁) der Hochspannungsanlage begrenzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Meßstelle (M₁) den zum Hochspannungsnetz offenen Teilbereich (B₄) und den in der Hochspannungsanlage befindlichen abgeschlossenen ersten Teilbereich (B₁) und eine zweite Meßstelle (M₄) den ersten (B₁) oder einen zweiten abgeschlossenen Teilbereich (B₃) der Hochspannungsanlage und einen zu einem Verbraucher offenen Teilbereich (B₅) gegeneinander abgrenzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß erster (B₁) und zweiter (B₃) abgeschlossener Teilbereich gegeneinander durch eine dritte Meßstelle (M₃) abgegrenzt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine vierte Meßstelle (M₂) vorgesehen ist, welche den ersten Teilbereich (B₁) von einem dritten abgeschlossenen Teilbereich (B₂) der Hochspannungsanlage abgrenzt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Meßstelle (M₁) sowohl einen zumindest die Polarität des elektrischen Feldes als auch einen zumindest die Polarität des magnetisches Feldes der Wanderwelle erfassenden Sensor aufweist sowie eine das logische Richtungssignal (z. B. RM₁) aus den von den Sensoren erfaßten Signalen ermittelnde Signalverarbeitungs vorrichtung.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Meßstellen (z. B. M₁, M₂, M₃) eines Teilbereichs (z. B. B₁) abgegebenen Richtungssignale (z. B. RM₁, RM₂, RM₃) in der Auswerteeinheit (A) logisch miteinander verknüpft werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Meßstellen (z. B. M₁) periodisch sich wiederholende Messungen vorgenommen werden, wobei die Periode bestimmt ist durch einen Zeitraum, der ausreicht, um die vom Teilentladungsimpuls hervorgerufene Wanderwelle in der Hochspannungsanlage abklingen zu lassen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für jede (M_k) der einen Teilbereich (z. B. B_j) begrenzenden Meßstellen (M₁, . . ., M_k, . . ., M_n) eine logische Zählergewichtung nach folgender Bewertung durchgeführt wird: Z_k = RM₁ AND RM₂ AND . . . AND RMk AND . . . AND RM_n,wobei RM₁, RM₂, . . ., RM_k, . . ., RM_n die logischen Energierichtungen einer vom Teilentladungsimpuls ausgehenden Wanderwelle am Ort der Meßstellen (M₁, M₂, . . ., M_k, . . ., M_n) aus dem betrachteten Teilbereich (z. B. B_j) heraus und Z_k die Zählergewichtung für die Meßstelle M_k bedeuten.