DE19533303A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Inhomogenitäten im Kühlkreis eines Transformators - Google Patents

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 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 19 50 38 02 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 der Membran besteht aus Polysulfon oder Polyäthersulfon, die zweite Schicht aus Celluloseacetat-Butyrat, welches auf ein Trägergewebe aufgebracht ist.

Die Aufgabe die Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Inhomogenitäten im Kühlkreis ei­ nes Transformators anzugeben, bei der die Erfassung kontinu­ ierlich und mit der geringstmöglichen Zeitverzögerung er­ folgt. Zusätzlich soll die Meßgenauigkeit erhöht werden.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und durch ein Verfah­ ren gemäß den Patentansprüchen 1 beziehungsweise 5 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 ge­ forderten hohen Lebensdauer (ca. 30 Jahre) entgegenkommt. Ein Fehler im Transformator kann somit frühzeitig erkannt werden, wodurch Ausfälle und damit hohe wirtschaftliche Einbußen ver­ hindert 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 Ul­ traschallsignal kontinuierlich ausgesendet werden kann. Da­ durch 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-/Empfang­ seinheit 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-/Empfangs­ einheit 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.

Ausführungsbeispiel 1

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 · d_RL, wobei d_RL der Abstand zwischen dem ersten Ul­ traschallwandler USW1 und dem Reflektorelement RE oder der Rohrleitungswandung ist. Das Ultraschallsignal wird nach der Laufzeit t₁ = 2 · d_RL / c empfangen.

Ausführungsbeispiel 2

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 = d_RL. Das Ultraschallsignal wird nach der Laufzeit t₂ = d_RL/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.

Ausführungsbeispiel 3

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 Doppeleffekts 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.

Meßverfahren

Die im folgenden beschriebenen verschiedenen Möglichkeiten zur Signalauswertung sind kombinierbar.

1. Möglichkeit

Die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit SEE sendet ein Ultra­ schallsignal S_S in das im Kühlkreis KK vorhandene Kühlmittel KM, auch als flüssiges Medium bezeichnet, aus. Sofern die Ul­ traschall-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 S_E kann zusätzlich eine Korrelationsfunktion zur Aus­ wertung herangezogen werden.

2. Möglichkeit

Eine inverse Filterung der Systemübertragungseigenschaften im Zeitbereich führt zu einer Modifikation der empfangenen Meß­ signale S_E, 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 S_E 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.

3. Möglichkeit

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.

4. Möglichkeit

Bildet man aus dem Referenzsignal und dem empfangenen Ultra­ schallsignal eine Korrelationsfunktion ρ_xy(t) so ist der Wert des Maximums der Korrelationsfunktion ρ_xy(t) als Maß für die Inhomogenität des Kühlmittels KM verwendbar. Das heißt, je niedriger der Wert des Maximums der Korrelationsfunktion ρ_xy(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.

Selbstverständlich sind Merkmale der einzelnen Ausführungen untereinander austauschbar oder gegebenenfalls miteinander oder mit Merkmalen nach dem Stand der Technik kombinierbar, ohne daß der Grundgedanke der Idee verlassen wird.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Erfassung von Inhomogenitäten im Kühlkreis eines Transformators,

• - bei der eine Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit (SEE) vorgesehen ist, die in oder am Kühlkreis (KK) angeordnet ist, die ein Ultraschallsignal (S_S) in das Kühlmittel (KM) aussendet,
• - bei der eine Auswerteeinheit (AE) vorgesehen ist, um das empfangene Ultraschallsignal (S_E) auszuwerten.

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 (S_S) in das im Kühlkreis (KK) vorhandene Kühlmittel (KM) aussendet und empfängt,
• - bei dem die Amplitude, die Form und die Laufzeit des emp­ fangenen Ultraschallsignals (S_E) in einer Auswerteeinheit (AE) ausgewertet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zur Auswertung des empfangenen Ultraschallsignals (S_E) Referenzwerte herangezogen werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem zur Auswertung des empfangenen Ultraschallsignals (S_E) 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.