SE508154C2 - Anordning för övervakning av partiella urladdningar i en elektrisk högspänningsapparat eller högspänningsutrustning - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 508 15_4 avgivande av larmsignal om nivån överskrider en förutbestämd larmnivå.

Det har visat sig att denna kända anordning har vissa nack- delar. Sålunda varierar anordningens känslighet för inre urladdningar med transformatorns arbetsförhållanden, och under vissa omständigheter är känsligheten besvärande låg.

Vidare är känsligheten för inre urladdningar, dvs de intressanta urladdningarna, alltid lägre än känsligheten för yttre urladdningar eller andra utifrån kommande störningar, vilket är en självklar nackdel. Skillnaden i känslighet för yttre och inre urladdningar försvårar också anordningens kalibrering.

De båda mätsignalerna härrör i den kända anordningen från givare av skilda typer - en kapacitivt mättuttag och en induktiv mätspole. Eftersom signalerna under signalbehand- lingen multipliceras med varandra måste de ha samma fasupp- trädande. För att åstadkomma detta måste signalbehandlings- organens ingångskretsar för de båda mätsignalerna vara olika, och vidare krävs individuell justering av ingångs- stegen i beroende bl a av kabellängd och av typ av genom- föring.

Den galvaniska förbindningen från det kapacitiva mätuttaget till signalbehandlingsorganen innebär vidare en inte oväsentlig risk för att de senare utsätts för överspänningar eller andra störningar, t ex vid åsknedslag eller andra störningar på det nät till vilka transformatorn är ansluten.

Strömmen från det kapacitiva uttaget måste vid den kända anordningen passera fram och åter genom den kabel och de kontaktorgan som förbinder uttaget med de signalbehandlande organen, och i de senare genom det impedansnät i form av motstånd, kondensatorer och induktorer som ingår i ingångs- stegens anpassningskretsar. Detta innebär en inte oväsentlig risk för avbrott i strömkretsen, vilket i sin tur innebär risk för skador på genomföringen. 10 15 20 25 30 35 ~ *sas 154 REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att åstadkoma en anordning av inled- ningsvis nämnt slag, vilken, jämfört med tidigare kända anordningar av aktuellt slag, har ökad känslighet vid detek- tering av inre partiella urladdningar och samtidigt minskad känslighet för inverkan av yttre urladdningar eller andra störningar.

Uppfinningen avser också att åstadkoma en anordning vid vilken, för att möjliggöra en enkel och noggrann kalibre- ring, känsligheten kan göras lika stor för inre som för yttre urladdningar.

Uppfinningen avser ytterligare att åstadkomma en anordning där signalbehandlingsorganens ingångssteg kan utföras iden- tiskt lika, och där behovet av individuell justering bort- faller.

Uppfinningen avser vidare att åstadkomma en anordning som erbjuder större drift- och personsäkerhet och uppvisar mindre störkänslighet än den tidigare kända anordningen.

Vad som kännetecknar en anläggning enligt uppfinningen fram- går av bifogade patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-5. Figur l visar en tidi- gare känd anordning av ovan beskrivet slag, där figur la schematiskt visar anordningens uppbyggnad och anslutning till en krafttransformator, där figur lb åskådliggör funk- tionen vid en inre urladdning, och där figur lc visar funk- tionen vid en yttre urladdning. Figur 2 visar principen för en enkel utföringsform av en anordning enligt uppfinningen.

Figur 3 visar en utföringsform av uppfinningen, med ström- 10 15 20 25 30 35 508 154 delande organ som fördelar strömmen från det kapacitiva uttaget mellan två strömbanor, av vilka en löper utanför mätspolen och en genomlöper spolen. Figur 4 visar en variant av den i figur 3 visade utföringsformen, där det kapacitiva uttgets båda klämmor används för anslutning av mätledning- arna från uttaget. Figur 5 visar en föredragen utföringsform där det strömdelande organet utgörs av en första strömtrans- formator, och där en andra strömtransformator är anordnad för mätning av strömmen från det kapacitiva uttaget.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur la visar en genom den ovan nämnda äldre patentansök- ningen tidigare känd anordning för övervakning av partiella urladdningar i en elektrisk krafttransformator. Figuren visar schematiskt en transformator 1 med en genomföring 2.

Genomföringen har ett metallrör 21 som är fäst vid trans- formatorns hölje. Röret 21 uppbär en isolator 22, i vilken genomföringens ledare 24 (se fig lb) är anordnad och för- bunden med genomföringens elektriska anslutning 23. Genom- föringen har ett konventionellt kapacitivt mätuttag med en anslutningsdosa 32. Från mätuttaget avges (vid en ändring av spänningen på genomföringens ledare) en mätsignal i form av en ström "i". Runt genomföringens nedre del är en mätspole 4 anbringad, och från denna erhålles (vid en ändring av ström- men i genomföringens ledare) en mätsignal "u". Mätsignalerna tillförs ett signalbehandlingsorgan SB via ledningar 35, 41 (t ex koaxialkablar).

Såväl mätspolen 4 som signalbehandlingsorganet SB är lämpli- gen utformade på det i den ovannämnda patentansökningen nämnda sättet. Mätspolen är alltså företrädesvis en hel eller delad Rogowski-spole, och signalbehandlingsorganen är lämpligen anordnade att (efter nödvändig anpassning, filtre- ring, förstärkning etc) multiplicera de båda mätsignalerna, vilket möjliggör en bestämning av om en detekterad partiell urladdning härrör inifrån transformatorn eller är orsakad av en yttre urladdning eller annan yttre störning. Från signal- 10 15 20 25 30 35 ~ ïšos 154 behandlingsorganet SB erhålles en signal PDI somjär ett mått på nivån eller intensiteten hos interna partiella urladd- ningar i transfonmatorn. Denna signal kan på i den äldre patentansökningen beskrivet sätt tillföras ett datainsam- lingssystem för övervakning av transformatorn, t ex för avgivande av larm om urladdningsnivån överstiger ett förut- bestämt gränsvärde, eller för analys av transformatorns tillstånd och funktion i beroende av de detekterade urladd- ningarna.

Figur lb visar schematiskt ett snitt genom genomföringen vid anordningen enligt figur la. Transformatorns 1 hölje är i figuren visat anslutet till jord, och transformatorhöljets potential kommer i fortsättningen att betecknas som "jord" även om i vissa fall transformatorn kan vara uppställd på en från jord avvikande potential. Transformatorn är via genom- föringens ledare 24 ansluten till ett nät, symboliskt visat som ett impedanselement NI som motsvarar nätets impedans sett från transformatorn.

Genomföringen har ett schematiskt visat kapacitivt mätuttag med två anslutningsklämmor 33 och 34. Klämman 33 är förbun- den med ett i genomföringen anordnat kondensatorbelägg 31, och klämman 34 är ansluten till metallröret 21, dvs till jordpotential. De båda klämmorna är anslutna till ledningen 35.

Mätspolen 4 är i figuren endast visad schematiskt med sina anslutningsklämmor 42 och 43, till vilka ledningen 41 är ansluten.

Mätsignalerna "i" och "u" tillförs anpassningskretsar ADPI och ADP2 via ledningarna 35 och 41. Anpassningskretsarna ingår i det signalbehandlande organets SB ingångssteg och innehåller impedansnät med passiva kretselement i form av motstånd, kondensatorer och induktanselement för impedans- anpassning av signalbehandlingsorganets ingångar, och even- tuellt även för anpassning av signalernas nivåer till var- 10 15 20 25 30 35 508 1'54 andra. Anpassningskretsarnas utsignaler vidarebefordras till övriga i signalbehandlingsorganet ingående kretsar (icke visade i figuren) för filtrering, förstärkning, multiplice- ring etc.

Figur lb åskådliggör anordningens funktion vid en inre par- tiell urladdning. Urladdningen antas orsaka en positiv ström ut genom ledaren 24. En del av strömmen, kopplas till jord via det kapacitiva mätuttaget, och en annan del, "iz", niu I kopplas till jord via det till transformatorn anslutna nätet, t ex via ledningskapacitanser, avledare och belast- ningsobjekt. Den totala av urladdningen orsakade strömmen är alltså i + iz. Strömen "i" går emellertid både fram och tillbaka genom mätspolen - upp genom ledaren 24 och ned genom röret 21 - och ger inte upphov till någon nettoström genom spolen. Den enda ström som spolen mäter blir alltså iz. Mätsignalen komer därför att vara beroende av impedan- sen hos transformatorns last. Vid t ex högspänningsprov finns inte alltid någon last inkopplad, och den av spolen avkända strömmen blir då låg och anordningens detekterings- känslighet dålig.

Figur lc visar anordningens funktion vid en yttre partiell urladdning. I detta fall passerar genom mätspolen både den ström "it" som går till jord via transformatorlindningen W och den ström "i" som går till jord via det kapacitiva mät- uttaget. Spolen mäter alltså strömmen i + it.

Dessa fakta gör att anordningen får hög känslighet för yttre urladdningar och därmed även för yttre störningar. Känslig- heten blir däremot låg för inre urladdningar, vilka är just det fenomen som man önskar detektera. De skilda känslig- heterna för inre och yttre urladdningar, liksom den med belastningsimpedansen varierande känsligheten för inre urladdningar, gör vidare att kalibrering av anordningen försvåras. 10 15 20 25 30 35 ~ “ses 154 Som ovan nämnts krävs att de båda mätkanalerna uppvisar samma faskarakteristik, vilket kräver att t ex ingångssteget för signalen från det kapacitiva mätuttaget modifierar denna mätsignal så att dess karakteristik i görligaste mån blir densamma som signalen från mätspolen. Det har vidare visat sig att en individuell justering av åtminstone det ena ingångssteget krävs i samband med installation av anord- ningen, beroende på bl a variationer i kabellängd och på den aktuella typen av genomföring.

Figur 2 visar en utföringsform av uppfinningen. Vid denna är den strömen "i" förande återledaren 36 från signalbehand- lingsorganet SB inte som vid den tidigare kända anordningen ansluten till mätuttagets jordklämma 34 utan i stället dra- gen förbi - utanför - spolen 4 till en jordanslutning ll på transformatorhöljet. Ledarna 24, 35 och 36 bildar alltså en strömslinga runt spolen för inifrån transformatorn härrö- rande urladdningssignaler, vilket medför att dessa i sin helhet detekteras av spolen.

Figuren visar fallet med en inre partiell urladdning. Som framgår av figuren kommer spolen att detektera hela strömmen i + iz. Känsligheten blir alltså god för sådana urladdningar och dess beroende av transformatorns belastningsimpedans blir väsentligt reducerat. För en yttre urladdning detek- teras däremot endast strömmen it (jfr fig lc). Känsligheten för sådana urladdningar liksom för utifrån kommande stör- ningar blir alltså väsentligt reducerad jämfört med den kända anordningen, vilket innebär en ytterligare fördel.

Om mätspolen 4 vore ideal skulle den genom ledaren 36 fly- tande strömmen inte alls orsaka någon inducerad spänning i spolen. I praktiken finns en risk att denna ström ger upphov till en viss inducerad spänning i spolen. Under vissa omständigheter kan detta innebära att en yttre urladdning eller störning ger upphov till en mätsignal från spolen med sådan polaritet att anordningen felaktigt detekterar signa- lerna såsom härrörande från en inre urladdning. Enligt den i 10 15 20 25 30 35 508 154 figur 3 visade vidareutvecklingen av uppfinningen anordnas därför, förutom den utanför mätspolen anordnade strömbanan 36, en andra genom spolen löpande strömbana 37. Vidare anordnas ett strömdelande organ 5, som fördelar strömmen "i" från mätuttaget mellan de båda strömbanorna. Strömdelningen görs på ett sådant sätt att en ström k-i flyter genom leda- ren 37 och en ström (l-k)-i genom ledaren 36. Ledarna 36 och 37 är sammankopplade efter ledarens 37 passage av mätspolen och strömen "i" leds därefter via ett strömätdon 6 till jordanslutningen 11. Strömmätdonet avger en mot strömmen "i" svarande mätsignal i' till signalbehandlingsorganet SB.

För det i figuren visade fallet med en inre partiell urladd- ning mäter spolen strömen iz + (1-k)-i och för en yttre urladdning eller störning mäts strömmen it + k-i Det har visat sig att med rimliga värden på konstanten k kan den ovannämnda nackdelen hos anordningen i figur 2 elimine- ras. Företrädesvis väljs k så att 0,1 5 k 5 0,5. Ett lägre värde på k ger högre känslighet för inre urladdningar och lägre känslighet för yttre urladdningar och störningar, och är alltså ur dessa synpunkter fördelaktigt. För att få en enkel kalibrering av anordningen kan det dock vara fördel- aktigt att välja k = 0,5, vilket - om iz och it är små jäm- fört med “i" - ger approximativt samma känslighet för inre och för yttre urladdningar.

Som regel har en krafttransformator ingen jordanslutning som motsvarar anslutningen ll i figurerna 2 och 3, och i prakti- ken är det oftast svårt eller olämpligt att anordna en sådan anslutning speciellt för övervakningsanordningen enligt upp- finningen. Ett kapacitivt mätuttag har emellertid normalt två anslutningsklämor, av vilka den ena är ansluten till jord. Av praktiska skäl är det därför oftast önskvärt att använda denna jordklämma för jordanslutning av övervaknings- anordningen. En sådan utformning av anordningen visas i figur 4 (även denna figur visar endast fallet med en inre 10 15 20 25 30 35 ~ '508 154 partiell urladdning). Ledaren 36 är där dragen uppåt genom mätspolen och via strömätdonet 6 ansluten till mätuttagets jordkläma 34. Funktionen blir densama som den i anslutning till figur 3 beskrivna, eftersom den uppåt i figuren genom spolen flytande strömmen (1-k)-i ger upphov till en lika stor och nedåt genom röret 21 flytande ström och alltså inte orsakar något nettotillskott till den totala strömmen genom mätspolen.

Figur 5 visar hur de till det kapacitiva uttaget anslutna kretsarna är utformade vid en föredragen utföringsform av upfinningen, där både det strömdelande organet 5 och det strömätande organet 6 utgörs av strömtransformatorer.

Strömtransformatorn 5 har två lindningar 51 och 52. Med de valda lindningspolariteterna kommer en ström "i" från mät- uttaget att fördelas mellan ledarna 36 och 37 med andelen (1-k)-i genom ledaren 36 och andelen k-i genom ledaren 37.

Förhållandet mellan lindningsvarvtalen bestämer konstanten k, och vid t ex lika lindningsvarvtal blir k = 0,5.

Strömtransformatorn 6 har två primärlindningar, 61 och 62, inkopplade i strömbanorna 36 och 37. Transformatorns sekun- därlindning 63 är ansluten till ingångssteget hos de signal- behandlande organen SB och avger till detta en mätsignal i' som svarar mot summan av strömmarna i ledarna 36 och 37, dvs mot strömen "i".

Denna utföringsform har flera fördelar. Strömtransformatorn 6 kan enkelt utföras med samma impedans som mätspolen. De båda mätsignalerna får då samma frekvens- och faskarakteris- tik, vilket medför att de båda ingångskretsarna i signalbe- handlingsorganen kan utföras identiska och att behovet av individuell justering vid installationen bortfaller. Vidare blir signalbehandlingsorganen genom strömtransformatorn gal- vaniskt skilda från genomföringen, vilket medför en reduce- rad känslighet för störningar och överspänningar. En ytter- ligare fördel är att det kapacitiva uttaget (33) blir jordat (genom ledarna 36, 37 och strömtransformatorerna) på ett

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 10 508 154 förhållandevis direkt och avbrottssäkert sätt, vilket mini- merar risken för avbrott, vilka skulle kunna skada genom- föringen. De ovan beskrivna utföringsformerna av en anordning enligt uppfinningen är endast exempel, och en sådan anordning kan utformas på ett stort antal andra sätt inom ramen för upp- finningen. Uppfinningen har sålunda ovan beskrivits i anslutning till dess användning vid en krafttransformator. En anordning enligt uppfinningen kan dock användas för övervakning av partiella urladdningar hos andra högspänningsutrustningar eller -apparater, t ex vid gasisolerade ställverksutrust- ningar. I de ovan beskrivna exemplen har uppfinningen beskrivits i anslutning till en viss typ av genomföring, men den kan givetvis tillämpas även vid andra typer av genomföringar. Likaså kan mätspolen, som i de beskrivna exemplen är place- rad mellan det kapacitiva uttaget och apparaten (transforma- torn), inom ramen för uppfinningen alternativt placeras på andra sidan om uttaget (ovanför detta i figurerna). De i figurerna 3 och 4 visade utföringsformerna har ström- mätdon (6) vilkas utsignaler (i') tillförs signalbehand- lingsorganen. Alternativt kan dock mätuttagets ström "i" även vid dessa utföringsformer ledas direkt till signal- behandlingsorganens ingångssteg på det i figurerna l och 2 visade sättet. PATENTKRAV

1. l. Anordning för övervakning av partiella urladningar i en elektrisk högspänningsapparat eller högspänningsutrustning, såsom en högspänningstransformator (1), vilken apparat har en högspänningsgenomföring (2) med ett kapacitivt mätuttag 10 15 20 25 30 35 ~ 11 ses 154 (31-33), och vilken anordning innefattar en induktiv ström- givare i form av en runt högspänningsgenomföringen anordnad mätspole (4), samt signalbehandlingsorgan (SB) anordnade att för detektering av partiella urladdningar tillföras mätsig- naler från den induktiva strömgivaren (u) och från det kapa- citiva uttaget (i, i”), kännetecknad av att anord- ningen innefattar en till det kapacitiva uttaget ansluten och utanför spolen anordnad första strömbana (36), vilken är så anordnad att den tillsammans med högspänningsgenomföring- ens ledare (24) bildar en strömslinga runt spolen för ini- från apparaten kornmande och från partiella urladdningar här- rörande signaler.

2. Anordning enligt patentkravet 1, kännetecknad av att den innefattar en spolen genomlöpande andra strömbana (37) samt strömdelningsorgan (5) anordnade att fördela en från det kapacitiva uttaget flytande ström (i) mellan den första (36) och den andra (37) strömbanan.

3. Anordning enligt patentkravet 2, kännetecknad av att strömdelningsorganet (5) utgörs av en strömtransformator med en första lindning (51) inkopplad i den första ström- banan (36) och en andra lindning (52) inkopplad i den andra strömbanan ( 37).

4. Anordning enligt något av patentkraven 2 och 3, kän- netecknad av att strömdelningsorganet (5) är anordnat att fördela strömmen från det kapacitiva uttaget mellan strömbanorna så att en ström (l-k)-i går genom den första strömbanan och en ström k-i går genom den andra strömbanan, där i är strömmen från det kapacitiva uttaget k är en konstant i intervallet 0,1 5 k 5 0,5

5. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kän - ne t e c k n a d av att en strömtransformator (6) är anordnad för mätning av en från det kapacitiva uttaget flytande ström 10 15 5 0 8 15 4 (i) och att .strömtransformatorns utsignal (i') är anordnad att tillföras signalbehandlingsorganen (SB). 12

6. . Anordning enligt patentkravet 5 , k ä n n e t e c k n a d a v att strömtransformatorn (6) är så utformad att den gentemot signalbehandlingsorganen (SB) uppvisar i huvudsak samma impedans som mätspolen (4).

7. Anordning enligt något av föregående patentkrav vid en apparat, vars högspänningsgenomföring har ett kapacitivt uttag med två anslutningsklänunor (33, 34) , av vilka den ena (34) utgör en jordanslutning, kännetecknad av att den eller de till det kapacitiva uttaget anslutna strömbanorna (36, 37) är anslutna mellan det kapacitiva uttagets båda anslutningsklämmor (33 , 34) .

8. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kän - n e t e c k n a d a v att mätspolen (4) är en Rogowski-spole.