DE69212594T2

DE69212594T2 - Temperaturmesssystem

Info

Publication number: DE69212594T2
Application number: DE69212594T
Authority: DE
Inventors: Lennart Balgard
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2012-02-22
Also published as: EP0573509A1; WO1992014999A1; DE69212594D1; NO305186B1; SE9100534D0; NO933014D0; FI933714A; NO933014L; EP0573509B1; FI933714A0; FI107644B; US5525976A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung der Temperatur an auf hohem Potential liegenden Stromleitern, welche Anordnung im Oberbegriff des Anspruches 1 genauer definiert ist. Unter "hohem Potential" werden hier Spannungen von 220 v bis zu den höchsten in Übertragungssystemen für elektrische Energie vorkommenden Netzspannungen.

Stand der Technik

In der Starkstromtechnik ist es von großer Wichtigkeit, die Temperatur von stromführenden Geräten und Sammelschienen zu kennen. Diese Kenntnis kann verwendet werden zur Überwachung und Steuerung der Größe einer Last (zum Beispiel im Falle einer vorübergehenden Überlast) und zur überwachung auf unerwünschte Leistungentwicklungen in Sammelschienenverbindungen, Kontakten und Kabelverbindungen, wodurch beispielsweise durch Korrosion entstandene vergrößerte Übergangswiderstände erkannt werden können.
Was das oben genannten Meßproblem insbesondere erschwert, ist die Tatsache, daß die Meßpunkte auf hohem Potential liegen und im Zusammenhang mit hohen Strömen benötigt werden. Das Meßsystem muß mit hohen elektrischen und magnetischen Feldstärken fertig werden und darf nicht die Gefahr von Kriechströmen und Überschlägen vergrößern. Vorzugsweise soll es so beschaffen sein, daß keine neuen Baumusterprüfungen erforderlich sind, um die Sicherheit zu überprüfen.
In der Druckschrift Siemens-Energietechnik 6 (1984) Nr. 6, Seite 277-279, Jez et al: "Lichtleiter-Trennverstärker, ein Gerät zum Messen auf hohem Potential" wird eine Meßanordnung beschrieben, die unter anderem zur Temperaturmessung in Hochspannungsanlagen bestimmt ist. Ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Stromversorgung für den Meßdatentransmitter mit Hilfle eines Akkumulators stattfindet, der auf dem hohen Potential nahe dem Transmitter plaziert ist, was zur Folge hat, daß der Hochspannungsteil der Vorrichtung raumaufwendig und wartungsbedürftig wird. Als Temperatursensoren werden in dieser Anordnung Thermoelemente verwendet, die ein schwaches analoges Signal liefern, welches verstärkt und umgewandelt werden muß. Für die Übertragung gemessener Daten (Informationen) von dem Transmitter auf hohem Potential zu dem Empfänger auf Erdpotential wird ein Lichtleiter mit optischen Fasern verwendet. Dies kann in gewissen Fällen eine erhöhte Gefahr von Kriechströmen und Überschlägen begründen.
Die oben genannten Nachteile können nur zum Teil durch eine Anordnung zur Temperaturmessung vermieden werden, wie sie in der Patentschrift EP-A-0263233 beschrieben wird. Diese Anordnung enthält einen Temperatursensor in Form eines Quarzkristalls. Der Kristall ist das frequenzbestimmende Element in einer Oszillatorschaltung, deren Ausgangssignal in eine Folge von Impulsen umgewandelt wird, die als Licht zu einem Detektor gesandt werden. Die Temperatur des Sensors erhält man durch Messung der Periode der empfangenen Signale. Die Stromversorgung der Sensoreinheit erfolgt auch bei dieser Anordnung mit Hilfe einer Batterie oder mit Hilfe einer Auswerteinheit über ein Kabel. Eine solche Lösung ist daher kaum verwendbar zur Temperaturmessung auf hohem Potential. Außerdem ist die Anordnung relativ empfindlich gegen Störungen durch Umgebungslicht, da jede Periode des Signals, auf welcher die Messung basiert, nur einen Impuls enthält. Die Auswerteinheit dieser Vorrichtung empfängt nur Daten von einem einzigen Transmitter, was bedeutet, daß in Anwendungsfällen, in denen Temperaturmessungen an einer Vielzahl von Meßpunkten durchzuführen sind, ein Meßsystem, das nach dieser Lehre gebaut wird, relativ teuer ist.
Aus der Patentschrift DE-B-1904853 ist es auch bekannt, bei der Temperaturmessung in Öltransformatoren einen Quarzkristall zu verwenden, welcher als Temperatursensor zur Steuerung eines Oszillators dient. Die Übertragung der gemessenen Daten auf Erdpotential erfolgt in diesem Falle mit Hilfe von Ultraschall. Auch bei dieser Anordnung ist es nicht möglich, daß ein und derselbe Empfänger Meßdaten von verschiedenen Transmittern empfängt und unterscheidet.
Eine Temperaturmeßanordnung für stromführende Leiter auf hohem Potential ist bekannt aus der EP-A-O 256 207.

Zusammenfassung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine relativ einfaches und praktisch wartungsfreies Temperatur- Meßanordnung für die obengenannten Zwecke zu entwickeln, die nicht unter den oben genannten Nachteilen der bekannten Anordnungen leidet. Die Anordnung soll wenig Raum einnehmen, damit sie beispielsweise in bestehenden in Schaltschränken untergebrachten Schaltanlagen für Mittelspannung verwendet werden kann. Dies wird gemäß der Erfindung durch eine Anordnung erreicht, die die in den angefügten Ansprüchen beschriebenen charakteristischen Merkmale hat.
Eine Meßanordnung gemäß der Erfindung kann eine Vielzahl kleiner elektronischer Einheiten haben, die an den Meßpunkten derart plaziert werden, daß sie in elektrischer Hinsicht auf dem gleichen Potential wie die Meßpunkte liegen. Die Einheiten sind so beschaffen, daß sie ihre benötigte Betriebsenergie aus dem magnetischen Feld am Meßpunkt beziehen, die Temperatur messen, Meßdaten in eine Nachricht umwandeln und diese durch die Luft an einen Empfänger übertragen, der auf Erdpotential positioniert ist. Die Nachricht ist so aufgebaut, daß ein Empfänger Meßdaten von verschiedenen Transmittern empfangen kann.
Ein Transmitter für Meßdaten ist gemäß der Erfindung so beschaffen, daß er zur gleichen Zeit sowohl einen eigenen digitalen Identifikationscode als auch analog gemessene Daten an den Datenempfänger übertragen kann, und zwar durch Modulation des Ausgangssignals eines Transmitterelementes in der Weise, daß dieses Ausgangssignal in der Form kurzer Impulsstöße (kurzzeitige Impulsfolgen) vorliegt, die mit einer relativ langen Periode wiederholt werden, die sowohl von dem Identifikationscode des Datentransmitters als auch von dem Meßwert bestimmt wird. Der Meßwert wird dabei repräsentiert durch eine stufenlose Abweichung von einer Grundperiode, die für jeden Datentransmitter gewählt wird und die ihrerseits den Identifikationscode des betreffenden Datentransmitter repräsentiert. Durch Übertragung der gemessenen Daten in Form von Impulsstößen können zuverlässigere und empfindlichere Empfänger konstruiert werden, als wenn die Daten nur aus einem Impuls pro Periode bestehen würde. Der Grund hierfür besteht darin, daß der Empfänger für die Frequenz der Impulse in den Impulsstößen selektiv gemacht werden kann, so daß auf diese Weise nicht zur Messung gehörende Signale, beispielsweise vom Umgebungslicht, ausgeschieden werden können.
Die vorgeschlagene Lösung, die es den Transmittern ermöglicht, ihre eigenen Identifikationscodes zu übertragen, so daß derselbe Empfänger Daten von verschiedenen Transmittern empfangen und unterscheiden kann, ist insofern vorteilhaft, weil sie kaum zusätzliche Hardware in den Transmittereinheiten erfordert im Vergleich mit einem System ohne Transmitteridentifikation. Bei Anwendungen, bei denen die Anzahl der Sensoreinheiten groß ist, ist es wichtig, den Grad der Komplexität in den Sensoreinheiten klein zu halten und lieber etwas mehr für den Empfänger aufzuwenden.
Bei einer besonders geeigneten Ausführungsform der Erfindung enthält die oben genannte elektronische Einheit eine Oszillatorschaltung, deren Frequenz sich mit der Temperatur ändert. Als Temperatursensor wird unmittelbar ein Kristall (Quarzresonator) verwendet, dessen Resonanzfrequenz eine spezifische Temperaturabhängigkeit hat.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun genauer erläutert durch Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen
Figur 1 ein Schaltschema des Prinzips einer Meßanordnung gemäß der Erfindung zeigt,
Figur 2 schematisch einen Transmitter für Meßdaten zeigt, der an einer stromführenden Schiene befestigt ist, und
Figur 3 Beispiele von Impulsfolgen zeigt, die von drei Transmittern ausgesandt werden, die an verschiedenen Phasenleitern in einem Dreiphasensystem angebracht sind.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles

Der in Figur 2 gezeigte Datentransmitter ist an einer stromführenden Schiene 2 in beispielsweise einem Schaltschrank für Mittelspannung befestigt, beispielsweise mit einem Befestigungsband. (Unter Mittelspannung wird hier ein Spannungsbereich von 1 bis 40 kV verstanden). Der Transmitter 1 hat eine Größe von beispielsweise 10 x 40 x 40 mm und ist mit abgerundeten Ecken ausgeführt, um elektrische Feldkonzentrationen zu vermeiden. Der Transmitter ist mit einer Energieversorgungseinheit versehen, zu der eine Spule 3 mit einem Eisenkern 4 gehört (Figur 1). Das magnetische Feld B, welches von dem Strom in der Schiene 2 erregt wird, induziert in der Spule 3 eine Spannung, die durch einen Gleichrichter 5 gleichgerichtet wird. In einem Kondensator 6 wird Energie gespeichert zur kontinuierlichen Versorgung einer elektronischen Einheit 7 und zur Übertragung von Daten. Der Strom in der Schiene 2 kann variieren von beispielsweise 50 A (Betriebsstrom) bis 40 kA (Kurzschlußstrom), was große Änderungen der in die Spule 3 induzierten Spannung zur Folge hat. Jedoch wird infolge des Eisenkerns 4, der bei den hohen Strömen in die Sättigung gerät, eine gewisse Stabilität der von der Spule gelieferten Energie erreicht. Bei zu kleinen magnetischen Feldern (also bei kleinen Strömen) ist vorgesehen, daß die Temperatur-Meßfunktion eingestellt werden kannn.
Als Temperatursensor wird ein Quarzkristall 8 verwendet, dessen Resonanzfrequenz eine bestimmte Temperaturabhängigkeit hat. Ein geeigneter Kristall für diese Zwecke wird von der Schweizer Firma Micro Crystal, CH-2540 Grenchen hergestellt. Dieser Kristall hat eine Resonanzfrequenz von 262144 Hz bei 25ºC, und die Frequenzänderung ist linear mit etwa 7 Hz/1ºC. Der Kristall 8 ist Teil eines sogenannten Pierce-Oszillators in der elektronischen Einheit 7. Das Oszillatorsignal der Temperaturmessung ist in mehreren Stufen frequenzgeteilt und wird zur Erzeugung einer Impulsfolge verwendet, die aus Impulsstößen von Impulsen (beispielsweise 16 Zyklen) mit einer geeigneten Frequenz (beispielsweise 33 kHz) besteht, die in Abständen übertragen werden, welche in dem Transmitter gewählt werden können (beispielsweise ein Impulsstoß/8-16 s, der entweder bei der Herstellung oder bei der Indienststellung gewählt wird). Damit ein Empfänger, der Meßdaten von mehreren verschiedenen Transmittern empfängt, in der Lage ist, die verschiedenen Impulsfolgen zu identifizieren, können unterschiedliche Längen der Abstände zwischen den Impulsstößen der verschiedenen Transmitter gewählt werden, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Die Abstände tR, tS und tT zwischen den Impulsstößen P der verschiedenen Phasen R, S, T können beispielsweise tR = 8 s, tS = 9 s und tT = 10 s betragen. Da die Abstände unterschiedliche Längen haben, gewinnt man auch den Vorteil, daß Impulsstöße von verschiedenen Transmittern selten zur gleichen Zeit den Empfänger erreichen.
Wenn sich die Temperatur von beispielsweise der Schiene 2 der Phase R ändert, ändern sich die Abstände zwischen den Impulsstößen der Datentransmitter der Schiene, um einen Betrag Δt von dem Wert tR, der genau für eine bestimmte Temperatur eingestellt wurde. Diese Änderung Δt kann einige Millisekunden betragen und stellt ein Maß für die Änderung der Temperatur dar.
Die durch die Umwandlung der Meßdaten gewonnene Impulsfolge steuert eine Leuchtdiode (LED) 9, die sichtbares oder infrarotes Licht emittiert. Um ein größeres Maß an Streuung des emittierten Lichtes zu erreichen, können zwei Transmitterdi oden verwendet werden, die in verschiedene Richtungen zeigen.
Die Übertragung gemessener Daten auf Erdpotential erfolgt durch die Luft, das heißt, ohne Verwendung von Lichtleitern. Die Daten werden von einem Datenempfänger 10 eingefangen, zu dem ein Fotodetektor 11 gehört, der das Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelt, welches wird zu einer geeigneten Anzeige weiterverarbeitet.
Die Übertragung von gemessenen Daten in Form kurzer Impulsstöße mit relativ langen Abständen hat im Vergleich zu einer Übertragung mit kontinuierlichen Impulsfolgen den Vorteil, daß ein und derselbe Empfänger Meßdaten von mehreren verschiedenen Transmittern empfangen und unterscheiden kann. Außerdem ist der Energieverbrauch reduziert und die Lebensdauer der Leuchtdiode verlängert.
Der Übertragungsabstand zwischen dem Transmitter und dem Empfänger kann zwischen etwa 0,1 m in Mittelspannungsschalt anlagen und etwa 8 m bei einer Schaltanlage für 800 kV variieren.
Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern verschiedene Abänderungen im Rahmen der Ansprüche sind möglich. Beispielsweise ist es möglich, anstelle der Übertragung von Meßdaten durch Licht Ultraschall für die Übertragung zu verwenden. Die vorgeschlagene Anordnung ist auch zur Temperaturmessung in Öltransformatoren geeignet, wobei dann die gemessenen Daten durch das Transformatoröl übertragen werden.

Claims

1. Anordnung zur Messung der Temperatur an einer Anzahl von Meßpunkten an auf hohem Potential liegenden stromführenden Leitern (2), zu welcher Anordnung ein Transmitter (1) für gemessene Daten gehört, der nahe jedem Meßpunkt und auf im wesentlichen dem gleichen Potential wie der Meßpunkt angeordnet ist und der von einem Temperatursensor (8) gesteuert wird, wobei der Datentransmitter (1) mit einer Energieversorgungseinheit (3 - 6) versehen ist, die so beschaffen ist, daß sie ihre Energie aus dem elektrischen und/oder magnetischen Feld um den entsprechenden Leiter (2) bezieht, und wobei der Datentransmitter in der Lage ist, gemessene Informationen an einen auf Erdpotential befindlichen Datenempfänger (10) in solcher Weise zu übertragen, daß der Datenempfänger (10) Daten von einer Vielzahl von Datentransmittern (1) zu empfangen vermag, dadurchgekennzeichnet, daß der Datentransmitter (1) so beschaffen ist, daß er zur gleichen Zeit sowohl seinen eigenen digitalen Kennungscode als auch analog gemessene Informationen an den Datenempfänger (10) durch Modulation des Ausgangssignals eines Transmittergliedes (9) in der Weise zu übertragen vermag, daß das genannte Signal aus Impulsfolgen (P) besteht, die mit einer Periodendauer (tR, tS tT) wiederholt werden, die lang im Verhältnis zur Dauer der Impulsfolgen ist und die sowohl durch den Kennungscode des Datentransmitters als auch und durch den gemessenen Wert bestimmt wird, wobei der gemessene Wert durch eine stufenlose Abweichung von der Grundperiodendauer dargestellt wird, die für jeden Datentransmitter spetiell gewählt ist und die den Kennungscode des entsprechenden Datentransmitters darstellt, und daß die Stufen zwischen den für die verschiedenen Datentransmitter gewählten Grundperiodendauern beträchtlich größer sind als die von den gemessenen Daten verursachte maximale Abweichung.

2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der gemessenen Werte zwischen dem Transmitter (1) und dem Empfänger (10) im wesentlichen durch Luft oder ein anderes gasförmiges Medium erfolgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der gemessenen Werte zwischen dem Transmitter (1) und dem Empfänger (10) durch ein flüssiges Medium erfolgt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (8) aus einem Quarzkristall in einem Oszillatorkreis besteht, wobei die Resonanzfrequenz des Quarzkristalls eine bestimmte Temperaturabhängigkeit hat.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Transmitter ein Wandler für gemessene Daten gehört, welcher eine Leuchtdiode (9) steuert, die sichtbares oder infrarotes modulliertes Licht aussendet.

6. Anordnung nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Datentransmitter (1) ein Ultraschall-Transmitter ist.