DE60020050T2

DE60020050T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ortung der Quelle von Teilentladungen

Info

Publication number: DE60020050T2
Application number: DE60020050T
Authority: DE
Inventors: Mats Björkqvist; Vesa Latva-Pukkila; Pertti Pakonen
Original assignee: ABB Oy
Current assignee: ABB Oy
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2020-10-12
Also published as: EP1094324A3; EP1094324A2; US6448782B1; EP1094324B1; DE60020050D1; FI107082B

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Orte von Teilentladungen in einem elektrischen System.
Die Spannungsfestigkeit einer isolierenden Struktur bezieht sich auf ihre Fähigkeit, einer Spannungsbelastung ohne elektrische Entladungen standzuhalten, die Störungen oder Schäden verursachen. Wenn die Spannungsbelastung in der isolierenden Struktur hinreichend erhöht wird, treten Entladungen auf, die die Isolierung vollständig oder teilweise leitend machen. Die zuletzt genannten Entladungen werden als Teilentladungen bezeichnet. Eine Teilentladung vereinigt die Elektroden nicht, so dass die Isoliereigenschaften des Isoliermaterials nicht vollständig verschwinden. Teilentladungen bewirken jedoch einen Verschleiß des Isoliermaterials und schwächen somit weiter seine Spannungsfestigkeit und können schließlich zur vollständigen elektrischen Entladung führen. Teilentladungen können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden, nämlich interne und externe Entladungen. Interne Entladungen weisen Kavitätsentladungen und externe Entladungen weisen Oberflächen-, Korona- und Funkenentladungen auf. Jede Gruppe kann weiter in mehrere Untergruppen unterteilt werden, die sich oft nur schwer deutlich voneinander unterscheiden lassen. Teilentladungsimpulse sind sehr schnelle Impulse und treten normalerweise als Impulsgruppen auf. Eine Teilentladung und die Umkehr der Ladung, die in ihrem Zusammenhang auftritt, zeigen sich als Stromimpuls in den Anschlüssen des Isoliermaterials. In der Praxis summieren sich diese Impulse auch in die Phasenspannung des Systems.
Die rasche Lokalisierung der Quellen von Teilentladungen in elektrischen Systemen ist wichtig, um das Auftreten eines schwerer wiegenden Defektes zu verhindern. Die Erkennung von Teilentladungen in elektrischen Netzen und die Lokalisierung der Entladungsquelle hat normalerweise eine Analyse der Messdaten durch einen Fachmann erfordert. Außerdem gibt es Verfahren zur automatischen Bestimmung des Ortes der Entladungsquelle.
So offenbart beispielsweise die veröffentlichte Anmeldung WO 93/17351 ein Verfahren zu Lokalisierung von Teilentladungen in einem Kabel auf Basis der Verwendung eines Messsensors und -geräts. Das Messgerät misst den von der Fehlerstelle direkt zum Sensor kommenden Teilentladungsimpuls und den Teilentladungsimpuls von der Fehlerstelle, der zum Sensor vom anderen Ende des Kabels reflektiert wird. Der Ort der Entladung im Kabel wird auf Basis der Zeitdifferenz der Impulse bestimmt. Das Verfahren wird als TDR- (time domain reflectory – Zeitbereich-Reflexionsmessung) Verfahren bezeichnet.
Die veröffentlichte Anmeldung CA 2119702 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Ortes von Teilentladungen in einem Kabel ohne Verfahren auf Basis der Impulsreflexionen (TDR-Verfahren) oder einer Kommunikationen zwischen Sensoren. Das Verfahren basiert auf der Verwendung von zwei Sensoren, die z. B. nahe an den Kabelenden installiert sind. Der erste Sensor misst den Teilentladungsimpuls, der direkt von der Fehlerstelle kommt, an einer Seite der Fehlerstelle, wobei dieser Impuls als der erste Impuls bezeichnet wird. Der zweite Sensor misst den Teilentladungsimpuls, der direkt von der Fehlerstelle kommt, an der anderen Seite der Fehlerstelle, wobei dieser Impuls als der zweite Impuls bezeichnet wird. Unmittelbar nach Erkennen des zweiten Impulses wird ein dritter Impuls, der mit dem ersten Sensor gemessen werden kann, an das Kabel geschickt. Durch Berechnen der Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dritten Impuls ist es möglich, den Ort des Entladungspunktes zu bestimmen.
Ein Nachteil des Standes der Technik, der in der veröffentlichten Anmeldung WO 93/17351 offenbart wird, besteht darin, dass sie schlecht funktionieren kann, wenn der Kabelabschnitt lang ist, oder eine hohe Dämpfung hat oder in der Umgebung zahlreiche Störungen vorliegen. Dies wird durch die Tatsache verursacht, dass im schlechtesten Fall der reflektierte Impuls eine Strecke zurücklegen muss, die nahezu der doppelten Kabellänge entspricht, und zu stark gedämpft wird, um noch messbar zu sein. Mit anderen Worten, wenn die Lokalisierung in allen Situationen funktionieren soll, bleibt die Länge eines Kabelabschnitts, der von einem Messpunkt abgedeckt wird, etwa die Hälfte von der, die mit einem anderen nicht auf der Messung der Impulsreflexion basierenden Verfahren möglich wäre.
Ein Nachteil des Standes der Technik, der in der veröffentlichten Anmeldung CA 2119702 offenbart wird, besteht darin, dass speziell unter Störungsbedingungen die Amplitude des Referenzimpulses (dritter Impuls), der durch den Sensor zum Kabel geschickt wird, groß genug sein muss, was zu Problemen bei der Implementierung des Sensors und des Impulsgenerators führen kann, so dass folglich der Preis schnell unangemessen hoch wird. Wenn der Sensor hinsichtlich der Messempfindlichkeit geeignet konzipiert wird und einen vorteilhaften Preis hat, ist sein Spannungsteilungsverhältnis nicht geeignet, um einen hinreichend starken Referenzimpuls in das Kabel einzuspeisen.
Die US-A-4887041 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen der Orte von Teilentladungen in einer isolierten Netzleitung, die die Kabeltransferfunktion zur zuverlässigen Bestimmung der Fehlerstelle verwenden.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein das Verfahren implementierendes System zu entwickeln, um die oben genannten Probleme zu lösen. Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren und ein System gelöst, die durch das, was in den Hauptansprüchen 1 und 8 angegeben ist, gekennzeichnet sind. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung basiert auf der Tatsache, dass sich die Eigenschaften von Teilentladungsimpulsen, die in einer Teilentladungsquelle erzeugt werden, in Abhängigkeit von der Strecke, die sie im elektrischen System beispielsweise entlang eines Leiters zurücklegen. Durch die Ableitung charakteristischer Parameter, die bestimmte Eigenschaften der Teilentladungsimpulse angeben, aus gemessenen Teilentladungsimpulsen und durch Einsetzen der Parameter in ein vorab z. B. experimentell erstelltes Modell, das die Änderung der charakteristischen Parameter in Abhängigkeit von der Strecke im Wesentlichen bei den Frequenzen, bei denen Teilentladungsimpulse auftreten, beschreibt, ist es möglich, den Abstand einer Quelle von Teilentladungen zum Messpunkt mit einer gewissen Genauigkeit zu bestimmen.
Das Verfahren und die Anordnung der Erfindung bieten den Vorteil, dass es mittels der Erfindung möglich ist, Quellen von Teilentladungen, die in einem elektrischen System auftreten, automatisch und zu erkennen und ihre Orte mit Sicherheit und Genauigkeit zu bestimmen. Außerdem kann die Erfindung auf einfache Weise zur Überwachung verschiedener Vorrichtungen und Umgebungen eingesetzt werden, indem das verwendete Modell entsprechend dem zu überwachenden System geändert wird. Ferner ist für das Verfahren und das System der Erfindung keine zusätzliche Ausrüstung zusätzlich zur Messung der Teilentladungsimpulse, die an einem Punkt vorgenommen wird, erforderlich.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Beseitigung schmalbandiger Störungen;
2 ein beispielhafter Störsignal in einem Zeitbereich;
3 ein Amplitudenspektrum des beispielhaften Signals;
4 das Amplitudenspektrum des beispielhaften Signals, skaliert relativ zur Amplitude;
5 Schnittmediane des Amplitudenspektrums und eine an sie angepasste Umhüllende;
6 ein angeglichenes Amplitudenspektrum und einen Abschneidepegel für hohe Spitzen;
7 ein korrigiertes angeglichenes Amplitudenspektrum und einen Abschneidepegel für niedrige Spitzen;
8 ein aus dem korrigierten Spektrum berechnetes Amplitudenspektrum;
9 das korrigierte beispielhafte Signal in einem Zeitbereich;
10 die Amplitudenverteilung des angeglichenen Amplitudenspektrums;
11 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Beseitigung asynchroner Impulsstörungen;
12 die Teilung eines Amplitudenbereichs;
13 die Basisstruktur einer Zeitdifferenzmatrix;
14 ein beispielhaftes Störsignal;
15 die im beispielhaften Signal erkannten Spitzen;
16 die Verteilung der Blöcke der Zeitdifferenzverteilung;
17 eine für das beispielhafte Signal gebildete Zeitdifferenzverteilung;
18 die im beispielhaften Signal erkannten Störimpulse;
19 ein beispielhaftes Signal, aus dem Störimpulse beseitigt wurden;
20 ein Beispiel einer Zeitdifferenzmatrix;
21 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Beseitigung synchroner Impulsstörungen;
22 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems nach einer Ausführungsform der Erfindung;
23 ein Blockdiagramm eines Abtast-, Messsignalfilter- und Teilentladungsimpuls-Erfassungsblocks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
24 ein Flussdiagramm zur Bildung eines mathematischen Modells, das zur Bestimmung der Ortes verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
22 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens und eines Systems der Erfindung. Die Erfindung kann in zwei Hauptblöcke geteilt werden: Abtasten, Filtern des Messsignals und Erfassung der Teilentladungsimpulse 400 sowie Analyse 300 der Teilentladungsimpulse. Außerdem zeigt die 22 die Funktionsweise des Analyseblocks 300 in Form eines Flussdiagramms. Die Verwendung des Verfahrens und des Systems der Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes System beschränkt, sondern sie können in Zusammenhang mit verschiedenen elektrischen Systemen wie elektrischen Netzen oder Vorrichtungen verwendet werden, um die Orte von Quellen von Teilentladungen zu bestimmen, die möglicherweise in ihnen stattfinden. Die Anordnung der Erfindung kann z. B. mittels digitaler Signalverarbeitungsausrüstung implementiert werden.
23 zeigt ein Flussdiagramm, das die Funktionsweise des Abtast-, Messsignalfilter- und Teilentladungsimpuls-Erfassungsblocks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Bei dem Verfahren wird eine hochfrequente Spannung (oder eine andere Variable, von der Teilentladungsimpulse unterschieden werden können), die in einem elektrischen Netz vorliegt, vorzugsweise kontinuierlich während mehrerer Netzzyklen digitalisiert. Das angewendete Messverfahren hat keine Bedeutung bezüglich der Grundidee der Erfindung und hängt beispielsweise von dem zu untersuchenden elektrischen System ab. Die untere Grenzfrequenz f_l beträgt z. B. einige Zehnfache Kilohertz und die obere Grenzfrequenz f_u beträgt z. B. einige Megahertz (z. B. f_l ≈ 60 kHz und f_u ≈ 8 MHz). Die Digitalisierung bei einer Abtastfrequenz von 16 MS/s z. B. resultiert 130 in insgesamt 960.000 Abtastungen während drei Netzzyklen. Dieses 3-Zyklus-Paket wird im Folgenden als eine Messung bezeichnet und stellt außerdem die Eingangsdaten eines Algorithmus dar. Der Algorithmus beseitigt 100, 121, 200 vorzugsweise Störsignale aus der Messung, beispielsweise mittels digitalem Filtern. Der Algorithmus entnimmt Teilentladungsimpulse aus der Abtast-Kette, die in der Messung verbleibt. Aus den Impulsen berechnet 111 der Algorithmus z. B. die folgenden Parameter, die die Impulsform beschreiben: Anstiegszeit des Impulses (vorzugsweise 10 bis 90% Punkte), Abfallzeit des Impulses (vorzugsweise 90 bis 10% Punkte), Impulsbreite (vorzugsweise in einer Höhe von 50%). Welche Impulsparameter in diesem Stadium definiert werden, hängt von den später in der Analysestufe zu verwendenden charakteristischen Parametern ab. Die oben genannten Impulsparameter werden für jeden Impuls zur Analyse gespeichert 120.
Alternativ ist es möglich z. B. folgende Informationen für jeden Impuls zu speichern: 50 bis 100 Abtastpunkte jedes Impulses, den Anfangsphasenwinkel des Impulses, die Sequenznummer des Netzzyklus (wo der Impuls auftrat) und den Zeitstempel der Anfangszeit des Netzzyklus (wo der Impuls auftrat). In diesem alternativen Fall werden die früher genannten Impulsparameter nur im Analyseblock 300 berechnet.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Filtern des Messsignals und die Erfassung der Teilentladungsimpulse auch durch andere Verfahren erfolgen können, ohne dass dies für die Grundidee der Erfindung von Bedeutung wäre. Es ist auch möglich, dass nur ein Teil der vorgestellten Filterverfahren angewendet wird oder dass kein Filtern erforderlich ist, wenn das untersuchte System gegen externe Störungen geschützt ist.
Eine Störungsart in Zusammenhang mit Messungen von Teilentladungen sind schmalbandige Störungen. Unter schmalbandigen Störungen sind Störsignale mit schmalem Band zu verstehen, d. h. die Energie der Signale ist in einem schmalen Frequenzbereich konzentriert.
Verschiedene Funksender und Kommunikationsgeräte, die in einem schmalen Frequenzbereich arbeiten, verursachen typischerweise schmalbandige Störungen. Dieser Störungstyp kann schwache Teilentladungsimpulse überdecken, wodurch die Messempfindlichkeit der Teilentladungsimpulse geschwächt wird. Ein anderer Störungstyp in Zusammenhang mit Messungen von Teilentladungen sind asynchrone Impulsstörungen, bei denen es sich um eine Störung mit Impulsform handelt, die nicht synchron mit einer Phasenspannung auftreten (Nennfrequenz z. B. 50 oder 60 Hz); mit anderen Worten, in aufeinander folgenden Phasenspannungszyklen treten die Impulse nicht bei den gleichen Phasenwinkeln auf. Die Zeit zwischen aufeinander folgenden Störimpulsen bleibt jedoch nahezu konstant. Kommutierungsimpulse eines Inverters sind ein typisches Beispiel für asynchrone Impulsstörungen. Eine dritte Störungsart in Zusammenhang mit Messungen von Teilentladungen sind synchrone Impulsstörungen, bei denen es sich um eine Störung mit Impulsform handelt, die synchron mit einer Phasenspannung auftreten. Die Störimpulse wiederholen sich in aufeinander folgenden Zyklen bei nahezu konstanten Phasenwinkeln. Außerdem bleibt die Amplitude der Impulse nahezu konstant. Synchrone Impulsstörungen werden beispielsweise durch Kommutierungsimpulse von Gleichrichtern und Phasenwinkelreglern verursacht.
Beseitigung schmalbandiger Störungen 100
Schmalbandige Störungen sind als Spitzen im Amplitudenspektrum dargestellt. Die Breite der Spitze ist direkt proportional zur Breite des Interferenzbandes. Um schmalbandige Störungen aus einem Signal beseitigen zu können, müssen alle im Amplitudenspektrum auftretenden Spitzen identifiziert werden können. Die Leistung der Teilentladungen und Rauschen sind gleichmäßig über den gesamten Frequenzbereich des Spektrums verteilt. Das Amplitudenspektrum von weißem Rauschen ist gemäß seiner Spezifikation im gesamten Frequenzbereich konstant. Bei buntem Rauschen ist die Leistung in manchen Frequenzbereichen höher, aber selbst diese Fälle zeigen sich im Amplitudenspektrum als ebene Bereiche. Bei den Tests mit dem Messsystem, das als Beispiel bei der Anmeldung verwendet wurde, hat der Anmelder festgestellt, das die Leistung der Teilentladungen über den gesamten Frequenzbereich im Spektrum verteilt ist. Teilentladungen haben jedoch bei niedrigen Frequenzen eine höhere Leistung als bei hohen Frequenzen. So zeigt beispielsweise 4, die das Amplitudenspektrum |G(jω)| des beispielhaften Signals G(jω) relativ zur Amplitude skaliert offenbart, dass die Leistung der Teilentladungen im Frequenzbereich von 0 bis 2,5 MHz höher ist und dass die Leistung im Frequenzbereich von 2,5 bis 8 MHz nahezu konstant ist. Die in 4 dargestellten Spitzen werden durch schmalbandige Störungen verursacht. Im Beispiel von 4 sind die schmalbandigen Störungen bei niedrigen Frequenzen konzentriert, sie können jedoch in der Praxis im gesamten Frequenzbereich auftreten.
1 zeigt ein Blockdiagramm, in dem ein Verfahren zur Beseitigung schmalbandiger Störungen dargestellt ist. Das Verfahren basiert auf der Modifikation 110 eines Signals finiter Länge in einem Frequenzbereich. Zu diesem Zweck wird das Signal vor der Modifikation von einem Zeitbereich (g(t), wobei t die Zeit ist) in einen Frequenzbereich (G(jω), wobei j eine imaginäre Einheit und ω = 2πf und f die Frequenz ist) in Zeitintervallen geeigneter Länge in einen Frequenzbereich vorzugsweise mittels Fourier-Transformation transformiert 101. Nachdem das Zeitintervall des Signals modifiziert worden ist, wird es durch eine inverse Fourier-Transformation an den Zeitbereich zurückgeschickt 109. In den Beispielen wird ein 60 msec langes Signalzeitintervall bei einer Abtastfrequenz von 16 MHz verwendet, wodurch insgesamt 960.000 Abtastpunkte erhalten werden. Die Länge des Signalzeitintervalls kann vom obigen beispielhaften Wert verschieden sein.
2 zeigt das beispielhafte Signal g(t) in einem Zeitbereich, wobei die senkrechte Achse die Signalamplitude g(t) und die waagrechte Achse die Zeit t angibt. Es ist zu beachten, dass die in den 2 bis 10 dargestellten Graphen nur ein beispielhaftes Signal beschreiben und nur dazu dienen, die Funktionsweise eines Filterverfahrens zu verdeutlichen. Das Amplitudenspektrum |G(jω)| (3), das die Signalamplitude |G(jω)| (senkrechte Achse) relativ zur Frequenz f (waagrechte Achse) darstellt, wird aus dem Fourier-Spektrum des in den Frequenzbereich transformierten Signals berechnet 102, d. h. aus dem Spektrum G(jω). 4 zeigt das relativ zur Amplitude skalierte Amplitudenspektrum |G(jω)|. Beim Versuch, die Spitzen der schmalbandigen Störung aus einem Amplitudenspektrum |G(jω)| wie dem von 4 zu identifizieren, kann es geschehen, dass eine starke Leistungsspitze einer im Frequenzbereich von z. B. 0 bis 1 MHz auftretenden Teilentladung als eine Störungsspitze interpretiert wird. Wird aufgrund dessen der Frequenzbereich von 0 bis 1 MHz vollständig weggefiltert, wird aus dem Teilentladungssignal eine erhebliche Leistungsmenge entfernt. Dies resultiert in der Verzerrung von Teilentladungsimpulsen und das Filterergebnis kann nicht verwendet werden. Um das obige Problem zu vermeiden, wird das Amplitudenspektrum |G(jω)| des Signals angeglichen. Die Angleichung erfolgt durch Suchen der Umhüllenden eines gleichmäßigen unteren Pegels des Amplitudenspektrums. Im Fall von 4 kann der gleichmäßige Bereich am Grund des Amplitudenspektrums als unterer Pegel betrachtet werden. Spitzen gehören nicht zum unteren Pegel. Zur Definition der Umhüllenden des unteren Pegels des Amplitudenspektrums wird das Amplitudenspektrum in Abschnitte, z. B. in 32 Abschnitte, geteilt und für jeden Abschnitt ein Median bestimmt. Der erste der 32 Abschnittsmediane wird vorzugsweise weggelassen, wenn bei der Abtastung dass Messsignal mit einem Hochpass gefiltert wurde, um die Hauptspannung und die Harmonischen zu entfernen, so dass in diesem Fall der Median des ersten Abschnitts nicht die tatsächliche Form der Umhüllenden darstellt. Die Umhüllende wird erhalten 102, indem diesen 31 Punkten (eingekreiste Werte in 5) z. B. ein Exponentialpolynom 51 dritten Grades der Form
angepasst wird, wobei
a, b, c und d die Koeffizienten des Polynoms sind;
e ist die Neper-Zahl und
x die Frequenz.
Das Amplitudenspektrum |G(jω)| wird angeglichen 104, indem es abtastwertweise durch die Werte der Umhüllenden dividiert wird. Das angeglichene Amplitudenspektrum |G(jω)|₀ ist in 6 dargestellt. Im angeglichenen Amplitudenspektrum ist der untere Pegel nahezu konstant und bei den daraus aufsteigenden Spitzen handelt es sich um schmalbandige Störungen. Spitzen schmalbandiger Störungen sind in einem angeglichenen Amplitudenspektrum leicht zu identifizieren, wenn ein unterer Pegel definiert worden ist. Eine einfache Lösung wäre die Verwendung eines festen Abschneidepegels. Die Stärke und Dichte von Teilentladungen und die Leistung des Hintergrundrauschens und somit auch die Leistung des gesamten Signals variieren jedoch, wodurch auch die Höhe des unteren Pegels des Amplitudenspektrums variiert. Bei Verwendung eines festen Abschneidepegels sollte der Pegel so hoch eingestellt werden, dass absolut sichergestellt ist, dass der untere Pegel und gleichzeitig die Teilentladungen nicht als Störungen interpretiert werden können. In diesem Fall nimmt jedoch die Empfindlichkeit der Störungsbeseitigung ab, d. h. ein gewisser Anteil der Störungen wird nicht beseitigt. Die vorteilhafteste Lösung ist die Definition des Abschneidepegels von Fall zu Fall. Der Abschneidepegel muss so niedrig wie möglich, aber deutlich über dem unteren Pegel eingestellt werden. Ein optimaler Abschneidpegel kann z. B. durch das Mittel und die Standardabweichung oder Varianz eines angeglichenen Amplitudenspektrums definiert werden. Die Amplitudenverteilung des angeglichenen Amplitudenspektrums ist in 10 dargestellt, in der die waagrechte Achse den Amplitudenwert und die senkrechte Achse die Wahrscheinlichkeitsdichte des Amplitudenwertes zeigt. Die Verteilung ähnelt einer χ²-Verteilung. Für eine χ²-Verteilung sowie für eine Normalverteilung gibt es jeweils eine Formel, mit der es möglich ist zu schätzen, wie groß ein Teil der Werte innerhalb der gegebenen Grenzwerte ist. Von den Werten eines normal verteilten Signals liegen z. B. 95% innerhalb der Grenzwerte μ ± 1,96σ (μ ist das Mittel und σ ist die Standardabweichung). Die Formel der χ²-Verteilung hat die gleiche Form wie die der Normalverteilung, aber die Wahrscheinlichkeitsgrenzwerte sind verschieden. Der Abschneidepegel level der Spektrumspitzen kann mittels des Mittels und der Standardabweichung des angeglichenen Amplitudenspektrums definiert 105 und 107 werden, z. B. mit der Formel level = mean + coef·stdwobei
mean = Mittel des angeglichenen Amplitudenspektrums;
std = Standardabweichung des angeglichenen Amplitudenspektrums; und
coef = Koeffizient, der die Empfindlichkeit des Abschneidepegels definiert.
Das Abschneiden der Spektrumspitzen wird auf die meist bevorzugte Weise in zwei Teilen vorgenommen: zuerst werden die möglichen hohen Spitzen entfernt 106 und dann die verbleibenden niedrigen Spitzen 108. Das Abschneiden in zwei Teilen liefert ein exaktes und robustes Ergebnis. Dies stellt außerdem sicher, dass Teilentladungen nicht gedämpft werden. Mit anderen Worten, mit dem ersten Abschneiden 106 wird versucht, die hohen Spitzen zu entfernen, die die Standardabweichung stark beeinflussen, wobei in diesem Fall beim zweiten Abschnitten 108 der Abschneidepegel level so genau wie möglich über dem unteren Pegel definiert werden kann. Im Fall der 10 könnte beispielsweise ein akzeptabler level-Wert zwischen 5 und 15 liegen. Alternativ ist es auch möglich, nur ein Mal oder öfter als zwei Mal abzuschneiden. Würden zwei oder mehr Abschneidepegel verwendet, ließe sich sogar ein noch exakteres und robusteres Ergebnis erzielen, aber gleichzeitig würde sich die erforderliche Rechenzeit verlängern. Bei Verwendung nur eines Abschneidepegels ist die Wirkung der hohen Spitzen auf die Einstellung des Abschneidepegels erheblich. Durch eine korrekte Wahl des Koeffizienten coef kann sichergestellt werden, dass kein Filtern erfolgt, wenn keine schmalbandige Störung im Signal vorhanden ist. In einem solchen Fall werden die Abschneidepegel so hoch eingestellt, dass das gesamte Amplitudenspektrum unterhalb von ihnen bleibt. Beim Definieren 105 der Abschneidepegel der hohen Spitzen wird vorzugsweise der Wert coef = 4 und beim Definieren 107 der Abschneidepegel der niedrigen Spitzen vorzugsweise der Wert coef = 3 verwendet, wenn das Abschneiden in zwei Teilen erfolgt. Diese Werte des Koeffizienten coef basieren auf vom Anmelder durchgeführten Tests. Andere Werte können ebenfalls verwendet werden, aber der vorteilhafteste Wertebereich des Koeffizienten coef bei der Berechnung der ersten Abschneidepegel beträgt 3 bis 6 und bei der Berechnung der zweiten Abschneidepegel 2 bis 4.
Die Entfernung der Spektrumspitzen aus dem Spektrum erfolgt in einer ersten Stufe auf eine solche Weise, dass die Frequenzbereiche mit Werten, die den Abschneidepegel 61 der hohen Spitzen im angeglichenen Amplitudenspektrum |G(jω)| überschreiten, im Spektrum G(jω) genullt werden 106. Da das Spektrum G(jω) (wie das Amplitudenspektrum) relativ zur Frequenz diskret ist, d. h. aus Frequenzabtastungen besteht, ist der kleinste Frequenzbereich, der genullt werden kann, ein Frequenzbereich mit der Länge einer Frequenzabtastung. Schmalbandige Störungen konzentrieren sich jedoch typischerweise nicht punktweise auf einer Frequenz, sondern können etwas breiter gestreut sein. Die Bandbreite einer AM-Funkübertragung einschließlich Seitenbändern kann z. B. 9 kHz betragen. Die Störungen können also im Bereich mehrerer Frequenzabtastungen gestreut sein. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, dass der zu nullende Frequenzbereich nicht nur die Frequenzabtastung aufweiset, in der sich die Störung zeigt, d. h. der Abschneidepegel wird überschritten, sondern je nach der verwendeten Abtastfrequenz auch eine oder mehrere benachbarte Frequenzabtastungen. Bei einer Abtastfrequenz von 16 MHz z. B. und einer Abtast-Kette von 960.000 Punkten entspricht die Breite einer Frequenzabtastung ca. 16,7 Hz. Wenn die Breite der zu entfernenden Störung 9 kHz beträgt, ist die Anzahl der zu nullenden Frequenzabtastungen 540, d. h. 270 Abtastungen zu beiden Seiten der den Abschneidepegel überschreitenden Abtastung. Das Ergebnis ist das korrigierte Spektrum G(jω)₁. 6 zeigt ein angeglichenes Amplitudenspektrum |G(jω)|₀ und den ersten Abschneidepegel 61. Zum Definieren 107 des Abschneidepegels bei niedrigen Spitzen werden die den Abschneidepegel 61 überschreitenden Amplitudenwerte im angeglichenen Amplitudenspektrum ebenfalls genullt 106, wobei in diesem Fall der Block 107 das korrigierte angeglichene Amplitudenspektrum |G(jω)|_k zum Definieren des zweiten Abschneidepegels 71 verwendet. Die Korrektur des angeglichenen Amplitudenspektrums ändert (verringert) sind Mittel und die Standardabweichung und die Definition des zweiten Abschneidepegels kann genauer erfolgen. Wenn mehr als zwei Abschneidepegel verwendet würden, würde das bei der Definition 105 und 107 des Abschneidepegels verwendete Amplitudenspektrum ebenfalls entsprechend mit jeder Spektrumkorrektur 106 korrigiert werden. Die Korrektur des Amplitudenspektrums wird nicht bei der letzten Spektrumkorrektur durchgeführt, da das Amplitudenspektrum später nicht gebraucht wird. Die Beseitigung 108 niedriger Spitzen aus dem Spektrum erfolgt entsprechend, d. h. die Frequenzbereiche mit Werten, die den Abschneidepegel 71 der niedrigen Spitzen im korrigierten angeglichenen Amplitudenspektrum |G(jω)|_k überschreiten, werden im korrigierten Spektrum G(jω)₁ genullt. 7 zeigt das korrigierten angeglichene Amplitudenspektrum und den zweiten Abschneidepegel 71. Damit ist das Ergebnis das Spektrum G(jω)₂, von dem Spitzen in zwei verschiedenen Stufen entfernt worden sind. Das Amplitudenspektrum |G(jω)₂|, das diesem korrigierten Spektrum G(jω)₂ entspricht, ist in 8 dargestellt. Als Ergebnis des Filterns bleiben durch schmalbandige Störungen verursachte niedrige Spitzen oft im Amplitudenspektrum, aber wenn Breite und Höhe der Spitze berücksichtigt werden, kann festgestellt werden, dass die Leistung des Störimpulses sehr niedrig ist. 9 zeigt das korrigierte Signal g(t)₂ in einem Zeitbereich, das durch Transformieren 109 des zwei mal korrigierten 106 und 108 Spektrums erhalten wird, d. h. Signals, G(jω)₂ vom Frequenzbereich zurück zum Zeitbereich. Die im Signal verbleibenden schmalbandigen Störungen sind erheblich geringer als das Hintergrundrauschen, so dass eine Unterscheidung von Störungen im Zeitbereich (9) fast unmöglich ist.
Beseitigung asynchroner Impulsstörungen 121
Die Funktionsweise eines Verfahrens zur Beseitigung asynchroner Impulsstörungen basiert auf der Tatsache, dass die typischen Eigenschaften eines Teilentladungsimpulses und von asynchronen Störimpulsen ausreichend verschieden voneinander sind, um ihre Unterscheidung zu ermöglichen. Teilentladungsimpulse treten in Impulsgruppen in Zyklenbereichen je nach Entladungstyp auf und Lage und Amplitude eines einzigen Impulses weichen voneinander ab, während asynchrone Impulsstörungen mit nahezu gleichen Intervallen, nahezu konstanter Amplitude und während des gesamten Zyklus auftreten.
Als Anfangsdaten verwendet das Verfahren Impulsparameter, die durch Auffinden der in einem Messsignal bei Teilentladung auftretenden Impulse erhalten werden, und durch Berechnen und Speichern der folgenden zugehörigen Informationen: Amplitude, Anfangsphasenwinkel, Zyklusnummer, Anstiegszeit, Abfallzeit, Breite und Fläche des Impulses. Bei den Beispielmessungen wurden Daten während drei Netzzyklen gemessen (60 msec bei einer Frequenz von 50 Hz) und in den früheren Phasen wurde die Amplitude der Impulse auf zwischen 0 und 128 skaliert. Für die Anzahl der Impulse werden keine Grenzwerte eingestellt. Während eines Zyklus werden 5 bis 500 asynchrone Störimpulse angenommen und folglich wird angenommen, dass die Zeit zwischen aufeinander folgenden Störimpulsen zwischen 0,04 und 4 msec variiert. Das Flussdiagramm des Verfahrens ist in 11 dargestellt.
In der Stufe 111 des Suchens der Impulse und Berechnens der Impulsparameter werden die im Messsignal auftretenden Impulse gefunden und die Impulsparameter (z. B. Amplitude, Phasenwinkel und Zyklusnummer) für die Impulse definiert. 14 zeigt ein Messsignal bei Teilentladung. Die Spitzen der im Signal gefundenen Impulse sind eingekreist. Die Impulsparameter der gefundenen Impulse werden als Anfangsdaten verwendet. 15 zeigt die Spitzen der gefundenen Impulse in zeitlicher Reihenfolge. In den 14 und 15 repräsentiert die X-Achse die Abtastungen und somit entspricht im hier beschriebenen Fall eine Abtastung 62,5 nsec. 15 zeigt ebenfalls eine 50 Hz-Sinuswelle, um die Lage der Impulse in der Phasenspannung deutlicher zu zeigen. Die Kette der asynchronen Störimpulse ist in 15 als Kette im Amplitudenbereich 20 bis 25 dargestellt.
Der Amplitudenbereich (0 bis 128) wird vorzugsweise in 41 Untersuchungsperioden geteilt (Schritt 112), wie aus 12 zu ersehen ist. Die Amplitudenabweichung, d. h. die Länge der Periode, beträgt vorzugsweise ±3. Die Perioden werden nacheinander geprüft 113 und nur die Impulse, deren Amplitude innerhalb der Periode liegt, werden in jedem Zeitabschnitt untersucht. Der Amplitudenbereich wird in kleinere Untersuchungsperioden geteilt, um die Zeitdifferenz zwischen Impulsen bestimmter Amplituden untersuchen zu können. Durch Ändern der Amplitudenabweichung und der Anzahl der Untersuchungsperioden ist es möglich, die maximal zulässige Amplitudenabweichung der asynchronen Impulsstörungen zu ändern. Wenn sich die Untersuchungsperioden etwas überlappen, können alle asynchronen Störungen ungeachtet ihrer Amplitude und Amplitudenabweichung erkannt werden.
Mit Hilfe der Informationen über den Anfangsphasenwinkel und die Zyklusnummer ist es möglich, die Zeitdifferenz zwischen den Impulsen mit gleicher Amplitude und den vorhergehenden Impulsen zu berechnen (so sind z. B. die Impulsspitzen in 15 unter Verwendung der Informationen über den Phasenwinkel und die Zyklusnummer eingetragen). Die Informationen werden in der Zeitdifferenzmatrix gespeichert 114. 14 zeigt die Grundstruktur der Matrix. Jede senkrechte Zeile zeigt die Zeitdifferenz zwischen den fraglichen Impulsen zu den ihnen vorangehenden; z. B. zeigt Zeile 5, Spalte 8, die Zeitdifferenz zwischen dem fünften und achten Impuls. Die Zeitdifferenzmatrix enthält die Zeitdifferenz (d. h. den Abstand) jedes Impulses zu allen ihm vorangegangenen innerhalb derselben Untersuchungsperiode.
Gleichzeitig mit der Erstellung der Zeitdifferenzmatrix wird eine Zeitdifferenzverteilung erzeugt 114. Die Verteilung wird z. B. im Bereich von 0,04 bis 4 msec gebildet. Die Verteilung wird vorzugsweise in 91 logarithmische Blöcke geteilt, so dass der Schritt von einem Block zum anderen 5,2% beträgt. Am Ort der fraglichen Zeitdifferenz wird der Wert (Zeitdifferenz/20) zur Verteilung addiert und zu beiden Seiten der Zeitdifferenz der Wert (Zeitdifferenz/20)2. 16 zeigt die Teilung der Blöcke der Zeitdifferenzverteilung. Die Größe der Blöcke nimmt von links nach rechts zu. Die Verteilung wird aus der Zeitdifferenz zwischen aufeinander folgenden Impulsen in derselben Untersuchungsperiode gebildet (d. h. Zeitdifferenz des Impulses zum vorangehenden). In der Praxis liegen die Werte, aus denen die Verteilung gebildet wird, unmittelbar über der diagonalen Achse der Zeitdifferenzmatrix.
17 zeigt eine Zeitdifferenzverteilung, die für das zuvor genannte beispielhafte Teilentladungssignal in einer Untersuchungsperiode 21 ± 3 gebildet wird. Die Verteilung zeigt eine starke Spitze bei etwa 1 msec und die Spitze ist höher als der als Schwelle eingestellte Wert 1, und folglich kann auf Basis der Verteilung festgestellt werden, dass das Signal eine asynchrone Impulsstörung bei Intervallen von 1 msec (16.000 Abtastungen) aufweist.
Der Wert (Zeitdifferenz/20) ist ein Dichteindex. Die Summe der Indizes, die schließlich aus der Verteilung erhalten wird, gibt in gewisser Weise des Schweregrad der Situation an. Wie die Beschreibung später erläutern wird, muss es fünf mal so viele in Intervallen von 2 msec auftretende Impulse geben, damit die in Intervallen von 2 msec auftretenden Impulse "gleich oft" wie die in Intervallen von 1 msec auftretenden Impulse vorkommen. Die Höhe der Spitze in der in 17 dargestellten Verteilung beträgt ca. 1,8. Der Spitzenwert für drei Zyklen ist 3, so dass über die Hälfte der in Intervallen von 1 msec auftretenden Impulspaare erkannt worden ist. Die Zeitdifferenz nur aufeinander folgender Impulse wird in der Verteilung gespeichert.
Die Tatsache, dass die Werte (Zeitdifferenz/20)2 in der Verteilung zu benachbarten Orten der gefundenen Zeitdifferenz addiert werden, trägt dazu bei, die Verteilung zu runden und sicherzustellen, dass auch die Zeitdifferenzen, die sich an den Grenzen zweier Blöcke befinden, erkannt werden.
Der Wert (Zeitdifferenz/20) bedeutet, dass der Wert 1 für die Verteilung erhalten wird, wenn der Zyklus 20 Impulse mit Intervallen von 1 msec oder 100 Impulse mit Intervallen von 0,2 msec hat. Die Verteilung zeigt also die Zeitdifferenz, bei der Impulse mit gleichen Intervallen proportional am häufigsten auftreten.
Wenn die Information bezüglich der Zeitdifferenz für jeden Impuls mit gleicher Amplitude berechnet worden ist, wird das Maximum der Zeitdifferenzverteilung gesucht 115 sowie die Zeitdifferenz, bei der es verwirklicht wird. Wenn der Spitzenwert der Zeitdifferenzverteilung höher ist als ein voreingestellter Schwellenwert, werden Impulse gesucht, die sich in gleichen Intervallen in der Zeitdifferenzmatrix wiederholen. Eine drei Zyklen lange Messung verwendet den Wert 1 als Schwellenwert. Dies macht es erforderlich, dass bei der Bildung der Zeitdifferenzverteilung mindestens jedes dritte der sich wiederholenden Impulspaare erkannt worden ist. Der Schwellenwert sollte nicht zu hoch eingestellt werden, da es vorkommen kann, dass in derselben Untersuchungsperiode sowohl Teilentladungsimpulse als auch Störimpulse vorhanden sind. Es ist nicht immer möglich, die Zeitdifferenz zwischen zwei Störimpulsen bei Teilentladungsgruppen zu erhalten, aber es ist wahrscheinlich, dass die Zeitdifferenz zwischen einem Teilentladungsimpuls und einem Störimpuls erhalten wird. Der Schwellenwert ist jedoch so hoch, dass ihn die Teilentladungen nicht überschreiten. Sogar die Impuls-Ketten einer Koronaentladung sind nicht "lang" genug, um als Störung interpretiert zu werden. Der Wert (Zeitdifferenz/20) skaliert die Verteilung so, dass der höchste mögliche Wert der Verteilung der Anzahl der Zyklen entspricht. Würden nur Abtastungen aus einem Netzzyklus vorliegen, wäre der Spiznenwert 1. Im Beispiel werden drei Netzzyklen lange Pakete untersucht und der Spitzenwert der Verteilung ist 3.
Das Suchen 116 von Impulsen, die sich in gleichen Intervallen in der Zeitdifferenzmatrix wiederholen, wird wie folgt ausgeführt. Die Suche beginnt unter Verwendung von Impuls 1 als ersten Impuls. Aus der ersten waagrechten Zeile wird ein Wert gesucht, der innerhalb des folgenden Bereichs liegt: k·AE – 0,135·AE ≤ Value ≤ k·AE + 0,135·AEwobei AE die Zeitdifferenz zwischen sich wiederholenden Impulsen ist, die aus der Zeitdifferenzverteilung erhalten wird und k = 1, 2, 3 .... 20 zeigt die Werte einer Zeitdifferenzmatrix für die ersten 31 Impulse. Im Beispiel beträgt die Zeitdifferenz zwischen sich wiederholenden Impulsen 1 msec. In diesem Fall findet sich der die Bedingungen erfüllende Wert in Zeile 1, Ort 22, der Matrix. Der Impulsindex wird gespeichert, so dass er als Störimpuls markiert werden kann, wenn die gefundene Impuls-Kette die für sie eingestellten Bedingungen erfüllt. Die Impulssuche wird nunmehr ab Zeile 22 fortgesetzt. Ein die Bedingungen erfüllender Wert kann in dieser Tabelle nicht gefunden werden, und später kann festgestellt werden, dass in der gefundenen Impuls-Kette mehrere Impulse fehlen, d. h. dass sie nicht gleichmäßig genug ist, um eine Störimpuls-Kette zu sein. Die Suche wird dann vom Anfang an gestartet, wobei Impuls 2 als der erste Impuls dient. Ein die Bedingungen erfüllender Wert wird in der zweiten senkrechten Zeile gesucht. Er wird an Ort 3 gefunden. Der Impulsindex wird gespeichert und die Suche in Zeile 3 fortgesetzt. Ein geeigneter Wert wird an Ort 5 gefunden, der Index wird gespeichert und die Suche wird in Zeile 5 fortgesetzt. In Zeile 5 wird nach einem Wert gesucht, der im gewünschten Bereich liegt, wenn k = 1. Ein solcher Wert wird an Ort 7 gefunden und die Suche wird in Zeile 7 fortgesetzt. Wenn der Impuls an Ort 7 nicht gefunden worden wäre und der fragliche Ort beispielsweise den Wert 1,2 gehabt hätte, würde hier festgestellt werden, dass dann wenn k = 1 kein die Bedingungen erfüllender Wert in dieser Zeile vorliegt, da die Werte in den Zeilen von links nach rechts ansteigen. Der Wert von k würde dann im eins erhöht und die Suche ab diesem Ort fortgesetzt werden. Ein diese Bedingung erfüllender Wert würde an Ort 10 gefunden und die Suche in Zeile 10 fortgesetzt werden. Bei jedem Start einer Suche nach dem nächsten Störimpuls wird der Wert von k stets auf 1 gesetzt. Wenn kein Störimpuls gefunden werden kann, wird der Wert von k um eins erhöht. Wenn die Zeitdifferenz der aus der Verteilung erhaltenen Störimpulse z. B. 1 msec beträgt, wird in der Zeitdifferenzmatrix eine Impuls-Kette gesucht, deren Zeitdifferenz zwischen Impulsen k × 1 msec ±0,135 msec beträgt. Die im beispielhaften Signal gefundenen Störimpulse sind in 18 eingekreist.
Wenn die gesamte Impulsmenge untersucht worden ist, erfolgt ein Kontrolle, um festzustellen, ob der Impuls-String hinreichend gleichmäßig ist. Die Bedingung lautet vorzugsweise, dass mindestens die Hälfte der Impulse gefunden worden ist. Wenn der Impuls-String ausreichend gleichmäßig ist, werden die darin befindlichen Impulse als Störimpulse markiert 117. Die Anzahl der gefundenen Störimpulse kann leicht berechnet werden und die maximale Anzahl von Störimpulsen, die in Intervallen mit bestimmten Zeitdifferenzen auftreten, kann ebenfalls anhand der Zeitdifferenz und der Abtastzeit berechnet werden, indem die Abtastzeit durch die Zeitdifferenz zwischen den Impulsen dividiert wird. Mit anderen Worten, bei der drei Zyklen umfassenden Messung und der im Beispiel verwendeten Zeitdifferenz von 1 msec beträgt dies (3 × 20 msec)/1 msec = 60 Impulse. Wenn also in diesem Fall mehr als 30 Störimpulse gefunden werden, ist die Impuls-Kette hinreichend gleichmäßig.
Wenn alle Untersuchungsperioden geprüft worden sind 118, werden alle im Amplitudenbereich auftretenden Impulse kontrolliert und die Impulsparameter der Impulse, die als Störimpulse markiert worden sind, werden aus der Datenbasis entfernt 119. 19 zeigt ein beispielhaftes Signal, aus dem alle Störimpulse entfernt worden sind. Die folgenden Parameter beispielsweise können bei dem Verfahren geändert werden: Amplitudenabweichung, Anzahl der Untersuchungsperioden, Abweichung der Zeitdifferenz und Anzahl der gefundenen asynchronen Störimpulse. Außerdem kann die Zeitdifferenzmatrix ersetzt werden, indem nur die Werte unmittelbar über ihrer Diagonalen berechnet werden, d. h. indem die Zeitdifferenz aufeinanderfolgender Impulse definiert wird. Die Zeitdifferenz zwischen zwei Impulsen kann unter Verwendung dieser Werte berechnet werden, aber die Berechnung wird komplizierter.
Beseitigung synchroner Impulsstörungen 200
Die Funktionsweise eines Verfahrens zur Beseitigung synchroner Impulsstörungen basiert auf der Tatsache, dass die typischen Eigenschaften eines Teilentladungsimpulses und von synchronen Störimpulsen ausreichend verschieden voneinander sind, um ihre Unterscheidung zu ermöglichen. Teilentladungsimpulse treten in Impulsgruppen in Zyklenbereichen je nach Entladungstyp auf, aber es besteht eine Abweichung hinsichtlich Lage und Amplitude eines einzigen Impulses, während synchrone Impulsstörungen mit nahezu gleichen Phasenwinkeln und nahezu konstanter Amplitude auftreten.
Als Anfangsdaten verwendet das Verfahren Impulsparameter, die durch Auffinden der in einem Messsignal bei Teilentladung auftretenden Impulse erhalten werden, und durch Berechnen und Speichern 120 der Amplitude, des Anfangsphasenwinkels, der Zyklusnummer, der Anstiegszeit, der Abfallzeit, der Breite und Fläche des Impulses. In den früheren Phasen wurde die Amplitude der Impulse auf zwischen 0 und 128 skaliert. Es wird angenommen, dass die Anzahl der synchronen Störimpulse während eines Zyklus von Fall zu Fall variiert. Das Flussdiagramm des Verfahrens ist in 21 dargestellt.
Der Amplitudenbereich (0 bis 128) wird wie bei der Beseitigung der asynchronen Impulsstörungen in kleinere Untersuchungsperioden geteilt (Schritt 201). Der Amplitudenbereich wird z. B. in 20 teilweise überlappende Untersuchungsperioden geteilt und die Breite einer Periode beträgt ±0,055 × Amplitude des größten Impulses in der Impulsreihe. Die Untersuchungsperioden werden nacheinander untersucht 202 und nur diejenigen Impulse, deren Amplitude innerhalb der Periode liegt, werden geprüft.
Zuerst wird eine Phasenwinkelverteilung der Impulse gebildet 203, indem alle Impulse in derselben Untersuchungsperiode kontrolliert und die Verteilung aus ihren Anfangsphasenwinkeln gebildet wird. Die Verteilung wird z. B. bezogen auf die Phase in 180 Blöcke geteilt, d. h. die Breite eines Blocks entspricht 2°. Bei der Bildung der Verteilung sollten auch die anderen im selben Zyklus auftretenden Impulse berücksichtigt werden. Die Bildung der Verteilung beginnt ab dem ersten gemessenen Zyklus und dem ersten Block der Verteilung, d. h. den Phasenwinkeln 0 bis 2°. Der Wert 1 wird zum ersten Block der Verteilung addiert, wenn im ersten Zyklus nur ein Impuls in diesem Block auftritt und innerhalb zweier Blöcke des untersuchten Blocks keine Impulse auftreten, d. h. bei den Phasenwinkeln 2 bis 6°. Würde beispielsweise der fünfte Block untersucht, d. h. die Phasenwinkel 8 bis 10°, dürften keine Impulse bei den Phasenwinkeln 4 bis 8° und 10 bis 14° vorliegen. Wenn mehr als ein Impuls im Block vorhanden ist oder Impulse in den benachbarten Blöcken vorhanden sind, wird der Wert der Verteilung nicht geändert. Durch diese Aktion soll die Beseitigung von Teilentladungsimpulsen verhindert werden. Obwohl Teilentladungsimpulse ziemlich unregelmäßig sind, ist es möglich, dass in der Mittel von Impulsgruppen Impulse so dicht auftreten, dass manche von ihnen als synchrone Impulsstörung identifiziert werden können. Der Nachteil dabei ist, dass synchrone Störimpulse, die bei den gleichen Phasenwinkeln wie Teilentladungen auftreten, nicht notwendigerweise identifiziert werden können. Die erhaltene Verteilung wird durch Summieren der jedem Block benachbarten Werte gerundet.
Vor dem Aufsuchen der Spitzen 204 wird die Phasenwinkelverteilung normiert, indem ihre Werte durch die Anzahl der Zyklen dividiert werden. Alle Werte, die größer als 0,4 sind werden als Spitzen der Phasenwinkelverteilung interpretiert 204. Wenn Spitzen erkannt werden, werden die Impulse erneut geprüft und die bei Phasenwinkeln entsprechend den Spitzen auftretenden Impulse werden als Störimpulse markiert 205. Die Markierung als Störimpulse erfolgt jedoch so, dass nur ein Impuls pro Zyklus als Störimpuls in einem Phasenfenster markiert wird. Wenn also in einem Phasenfenster sowohl ein Teilentladungsimpuls als auch ein Störimpuls vorhanden sind, wird mindestens einer von ihnen analysiert.
Wenn alle Untersuchungsperioden geprüft worden sind 206, werden alle Impulse im Amplitudenbereich kontrolliert und die Impulsparameter der als Störimpulse markierten Impulse werden aus der Datenbasis entfernt 207. Bei dem Verfahren können z. B. die folgenden Parameter geändert werden: Amplitudenabweichung, Anzahl der Untersuchungsperioden und Schwellenwert der Spitzensuche.
Analyse von Teilentladungen 300
Es werden so lang Messungen vorgenommen, bis zumindest eine bestimmte Anzahl 122 Impulse erfasst worden ist, die hierin als Analysegrenzwert bezeichnet wird Der Analysegrenzwert entspricht z. B. 1000 Impulsen. eine erfasste Gruppe von beispielsweise 1000 Impulsen wird im Folgenden als Abtastung bezeichnet.
Für die erfassten Impulse werden ein oder mehrere charakteristische Parameter definiert 301. Die charakteristischen Parameter können den zuvor aus den Impulsen definierten 111 Impulsparametern entsprechen, wobei in diesem Fall die Werte der entsprechenden Impulsparameter als die Werte der charakteristischen Parameter definiert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die folgenden drei charakteristischen Parameter definiert:
Der charakteristische Parameter Tr (Anstiegszeit) gibt die Anstiegszeit des Impulses an, gemessen von der Anstiegsseite des Impulses, z. B. zwischen 10% und 90% Punkten.
Der charakteristische Parameter Tf (Abfallzeit) gibt die Abfallzeit des Impulses an, gemessen von der Abfallseite des Impulses, z. B. zwischen 90% und 10% Punkten.
Der charakteristische Parameter Tw (Impulsbreite) gibt die Breite des Impulses an, gemessen zwischen der Anstiegs- und Abfallseite des Impulses, z. B. zwischen den 50% Punkten.
Es ist zu beachten, dass auch andere charakteristische Parameter verwendet werden können, ohne dass dies eine Bedeutung hinsichtlich der Grundidee der Erfindung hat. Andere mögliche charakteristische Parameter sind beispielsweise der Oberflächenbereich und der Spitzenwert des Impulses.
Wenn die charakteristischen Parameter definiert worden sind, wird vorzugsweise das Mittel der aus verschiedenen Impulsen jedes charakteristischen Parameters definierten Werte berechnet. Die Mittel der charakteristischen Parameter werden in ein Modell eingesetzt 302, das später detaillierter beschrieben wird und das die Änderung der Impulsparameter (charakteristische Parameter) in Abhängigkeit vom Abstand im Wesentlichen bei den Frequenzen beschreibt, bei denen Teilentladungsimpulse auftreten. Eine Schätzung des Abstands des Entladungspunktes vom Messpunkt wird als Ergebnis erhalten 303. Alternativ ist es möglich, zuerst die charakteristischen Parameter jedes Impulses in das Modell einzusetzen und dann die Mittel aus den vom Modell erhaltenen Ergebnissen zu berechnen.
Ein dem elektrischen System entsprechendes Modell kann z. B. auf Basis von praktischen Messungen definiert werden. 24 zeigt ein Flussdiagramm zur Erstellung des Modells. Das Modell kann entweder direkt für das gesamte elektrische System oder zuerst für seine Teile und dann für das gesamte System erstellt werden, indem die Modelle der Teile kombiniert werden. Modelle können im Voraus für bestimmte im elektrischen System verwendete Standardkomponenten wie für verschiedene Kabeltypen gebildet werden, wobei in einem solchen Fall das Modell eines elektrischen Systems, das solche Standardkomponenten aufweist, auf einfache Weise auf Basis der Informationen über die Standardkomponenten erstellt werden kann, so dass keine Notwendigkeit besteht, das elektrische System zur Bildung des Modells getrennt zu messen. Zur Erstellung des Modells eines elektrischen Systems oder seiner Komponenten wird wie folgt vorgegangen: Platzieren 501 einer Teilentladungsquelle im untersuchten System in verschiedenen Abständen zum Messpunkt und Definieren 502 eines oder mehrerer charakteristischer Parameter aus den Teilentladungsimpulsen, die die Eigenschaften der Impulse auf die gleiche Weise angeben wie oben in Zusammenhang mit der Analysephase beschrieben worden ist. Dies wird für eine ausreichende Anzahl Abstände wiederholt 503. Mit Hilfe der definierten charakteristischen Parameter können ein oder mehrere Graphen über die Änderung der charakteristischen Parameter in Abhängigkeit vom Abstand erstellt werden. Mittels der Graphen ist es dann möglich, ein Modell der Änderung der charakteristischen Parameter in Abhängigkeit vom Abstand zu bilden 504.
Das Modell kann beispielsweise auf einem Polynom basieren. Die allgemeine Form eines Polynoms ist z. B.: h(u) = vnun + vn-1un-1 + ... + v1u + v0 und vn ≠ 0wobei
h = Abstand der Teilentladungsquelle vom Messpunkt;
u = charakteristischer Parameter;
v_n, ... v₀ = Koeffizienten des Polynoms und
n = Ordnung des Polynoms.
Das Polynom wird für jeden verwendeten charakteristischen Parameter u an die Graphen angeglichen, wobei die Graphen die Änderung der charakteristischen Parameter in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Teilentladungsquelle und dem Messpunkt angeben. Die Angleichung des Polynoms an den Graphen kann gemäß allgemein bekannter Grundsätze erfolgen und wird hier nicht näher beschrieben. Die Ordnung der an die Graphen angeglichenen Polynome wird so eingestellt, dass der im Modell verbleibende Fehler innerhalb gewünschter Grenzwerte liegt, z. B. unter 100 m. Es gibt demnach ebenso viele Polynome wie verwendete charakteristische Parameter. Das Modell wird z. B. aus den Polynomen (h_{rise time}, h_{fall time} und h_{pulse width}) der charakteristischen Parameter Anstiegszeit, Abfallzeit und Impulsbreite gebildet. Jedes Polynom erzeugt seine eigene Abstandsschätzung und diese z. B. drei Abstandsschätzungen werden als Endergebnis h_estimate kombiniert, indem vorzugsweise der mittelgroße Wert, d. h. der Median der Gruppe gesucht wird: hestimate = Median(hrise time, hfall time und hpulse width).
Wenn drei charakteristische Parameter und folglich drei Schätzungen verwendet werden, liefert dieses Verfahren die Möglichkeit, den Einfluss einer eindeutig falschen Schätzung (h_{rise time}, h_{fall time} oder h_{pulse width}) auf die endgültige Schätzung h_estimate zu verhindern. Um mit dem Verfahren genaue und zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, müssen die Ordnungen und Koeffizienten der Polynome für jedes elektrische System oder seine Komponenten auf Basis praktischer Messungen getrennt definiert werden, wie oben bereits erläutert worden ist.
Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens kann beeinflusst werden, indem eine andere Modellstruktur gewählt wird, z. B. ein ARMA-Modell (AutoRegressive – Moving Average) oder indem das Modell auf ein neuronales Netzwerk gestützt wird oder indem ein physikalisches Modell definiert wird, das das Verhalten jedes charakteristischen Parameters beeinflusst. Eine Kombination der Ergebnisse kann ebenfalls durch alternative Mittel vorgenommen werden, ohne von der Grundidee der Erfindung abzuweichen.
Es ist zu beachten, dass mit der obigen Beschreibung nur eine mögliche Anwendung der Erfindung dargelegt worden ist. Das Verfahren und das System der Erfindung können gegenüber der vorliegenden Beschreibung z. B. wie folgt abgeändert werden: Ändern der Mittelfrequenz und Bandbreite des Messbandes (die Mittelfrequenz kann auch erheblich höher sein als die Bandbreite), Einstellen der Mittelfrequenz durch das Programm, indem vor der Digitalisierungskette in Mischer und ein lokaler Oszillator hinzugefügt werden, deren Frequenz durch das Programm eingestellt werden kann, Einstellen der Bandbreite durch das Programm, Ändern/Hinzufügen von charakteristischen Parametern, Gewichten verschiedener charakteristischer Parameter und der Abstandsschätzungen, die durch sie erhalten werden, durch spezifische Gewichtungsparameter. Des Weiteren ist es Möglich, Fuzzy Logic bei der Bildung der Abstandsschätzung einzusetzen oder das Verfahren mit einem TDR-Verfahren zu kombinieren wie Pegelkreuzung, Autokorrelation, angepasstes Filter und Querkorrelation.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass mit dem technologischen Fortschritt die Grundidee der Erfindung auf zahlreiche verschiedene Arten implementiert werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind deshalb nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können innerhalb des Gültigkeitsbereichs der Ansprüche variieren.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Orte von Quellen von Teilentladungen in einem elektrischen System, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Messen (130) einer Variablen des elektrischen Systems wie Spannung oder Strom, bei der im elektrischen System auftretende Teilentladungen Impulse verursachen, Trennen (111) der durch Teilentladungen, d. h. Teilentladungsimpulse, verursachten und in der gemessenen Variablen auftretenden Impulse, Definieren (301) eines oder mehrerer charakteristischer Parameter, die die Eigenschaften der Teilentladungsimpulse für jeden Teilentladungsimpuls darstellen, nachdem mindestens eine vorgegebene Anzahl Teilentladungsimpulse erfasst worden ist, gekennzeichnet durch Bestimmen (302) des Ortes der Quelle der Teilentladung durch Einsetzen der erhaltenen charakteristischen Parameter in ein im Voraus erstelltes Modell, das die Abhängigkeit von Werten der charakteristischen Parameter vom Abstand zwischen der Quelle der Teilentladung und dem Messpunkt, in dem die charakteristischen Parameter auf Basis der gemessenen Variablen definiert worden sind, abbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort der Quelle der Teilentladung bestimmt wird (302), indem ein Wert in das Modell eingesetzt wird, der für die aus zwei oder mehr Impulsen jedes charakteristischen Parameters definierten Werte repräsentativ ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der repräsentative Wert das Mittel der Werte ist, die aus zwei oder mehr Impulsen jedes charakteristischen Parameters definiert worden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die für jeden Teilentladungsimpuls definierten charakteristischen Parameter zumindest eine der folgenden Größen aufweisen: Anstiegszeit Tr, die die Anstiegszeit des Impulses angibt, Abfallzeit Tf, die die Abfallzeit des Impulses angibt, und Pulsbreite Tw, die die Breite des Impulses angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstellung des Modells die Schritte aufweist: Setzen (501) der Teilentladungsquelle in mindestens zwei verschiedenen Abständen zum Messpunkt, Messen der Teilentladungsimpulse, die von den Teilentladungsquellen in verschiedenen Abständen erzeugt werden, im Messpunkt Definieren (502) eines oder mehrerer charakteristischer Parameter, die die Eigenschaften der Teilentladungsimpulse für jeden Teilentladungsimpuls darstellen, Erstellen (504) von Graphen der Änderung der Werte der charakteristischen Parameter als Funktion des Abstands zwischen dem Messpunkt und der Teilentladungsquelle, und Erstellen (504) eines Modells auf Basis der Graphen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Modelle getrennt für jeden Teil oder für verschiedene Arten von Teilen des elektrischen Systems erstellt werden, wodurch ein dem gesamten elektrischen System entsprechendes Modell durch Kombinieren der Modelle seiner Teile erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell eine Polynomform hat.
Anordnung zur Bestimmung der Orte von Quellen von Teilentladungen in einem elektrischen System, wobei die Anordnung Messmittel (400) aufweist, die angeordnet sind, um eine Variable des elektrischen Systems wie Spannung oder Strom zu messen, bei der im elektrischen System auftretende Teilentladungen Impulse verursachen, die durch Teilentladungen, d. h. Teilentladungsimpulse, verursachten und in der gemessenen Variablen auftretenden Impulse zu trennen, und Analysemittel (300), die angeordnet sind, um einen oder mehrere charakteristische Parameter, die die Eigenschaften der Teilentladungsimpulse für jeden Teilentladungsimpuls darstellen, nachdem mindestens eine vorgegebene Anzahl Teilentladungsimpulse erfasst worden ist, zu definieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysemittel (300) außerdem angeordnet sind, um den Ort der Quelle der Teilentladung durch Einsetzen der erhaltenen charakteristischen Parameter in ein im Voraus erstelltes Modell, das die Abhängigkeit von Werten der charakteristischen Parameter vom Abstand zwischen der Quelle der Teilentladung und dem Messpunkt, in dem die charakteristischen Parameter auf Basis der gemessenen Variablen definiert worden sind, abbildet, zu bestimmen.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysemittel (300) außerdem angeordnet sind, um den Ort der Quelle der Teilentladung zu bestimmen, indem ein Wert, der für die aus den zwei oder mehr Impulsen jedes charakteristischen Parameters definierten Werte repräsentativ ist, in das Modell eingesetzt wird.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert das Mittel der Werte ist, die aus zwei oder mehr Impulsen jedes charakteristischen Parameters definiert worden sind.
Anordnung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die für jeden Teilentladungsimpuls definierten charakteristischen Parameter zumindest eine der folgenden Größen aufweisen: Anstiegszeit Tr, die die Anstiegszeit des Impulses angibt, Abfallzeit Tf, die die Abfallzeit des Impulses angibt, und Pulsbreite Tw, die die Breite des Impulses angibt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell eine Polynomform hat.