Anordnung und Verfahren für eine Zustandsüberwachung eines Überspannungsabieiters

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Zustandsüberwachung eines Überspannungsabieiters gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß An ^¬ spruch 10.

Moderne Überspannungsabieiter mit Metalloxidhalbleiterwiderständen weisen eine sehr hohe Zuverlässigkeit über ihre ge ^¬ samte Lebensdauer auf. Dennoch wünschen Anwender dieser Betriebsmittel in bestimmten Fällen, z.B. bei kritischer elekt- rischer Auslegung mit nur geringen Reserven oder bei Installation an strategisch wichtiger Position im Netz, eine Zustandsüberwachung ihrer Abieiter, um Informationen über den aktuellen Zustand zu erhalten. Bisher gibt es noch kein allgemein akzeptiertes oder in einer Norm festgelegtes Verfahren zur Diagnostik von Überspannungsableitern, lediglich in der nicht verbindlichen Norm IEC 60099-5, Amendement 1, sind Di ^¬ agnoseverfahren beschrieben und es werden Empfehlungen gegeben . Klassische Gerate wie Ansprechzähler oder Kontrollfunkenstre ^¬ cken erfassen lediglich Ableitvorgänge aus der Vergangenheit, geben aber keinen aktuellen Zustand wieder. Messungen der Aktivteiltemperatur des Abieiters und des Leckstromes sind ge ^¬ eignete Alternativen, die jedoch z.T. einen erheblichen mess- technischen Aufwand erfordern, um verlässliche Aussagen über einen aktuellen Betriebszustand zu ermöglichen. Beispielswei ^¬ se muss für eine zuverlässige elektrische Isolierung der Messeinrichtungen gesorgt werden. Aus der Produktbroschüre „Monitoring für Überspannungsab ^¬ ieiter" der Siemens AG, 2012, Bestell-Nr. E50001-E630-A141-V2 fb 5025 WS 2012, sind verschiedene Anordnungen für eine Zu ^¬ standsüberwachung eines Überspannungsabieiters bekannt. In einer vergleichsweise einfachen Ausführung ist eine Sensoreinheit aus einem Widerstand mit parallel geschalteter Fun ^¬ kenstrecke und einem in Reihe geschalten Ringkernübertrager, dessen Primärwicklung nur eine Windung aufweist, vorgesehen. Über den Widerstand wird ein Leckstrom einer Ableitersäule mit Varistorblöcken und über den Ringkernübertrager ein Ableitstrom gemessen bzw. registriert, der über den Über- spannungsableiter abfließt. Mit Hilfe von sogenannten Kontroll-Funkenstrecken lassen sich die stattgefundenen Ableit- Vorgänge und zusätzlich aufgetretene Ableitströme abschätzen. Ein anderes Monitoringsystem bietet die Möglichkeit einer dauerhaften Anzeige des Leckstromes und einen Zähler zur Ermittlung der Anzahl von Ableitvorgängen. Ein weiteres

Monitoringsystem weist eine aktive Sensoreinheit auf Mikro- prozessorbasis auf, die über eine drahtlose Kommunikations ^¬ verbindung ausgelesen werden kann. Das Messprinzip ist auch in diesem Fall eine Ermittlung eines resistiven Leckstroms i.V.m. einer Ermittlung der Anzahl, Höhe und Dauer des Arbeitsstroms bzw. Ableitstromes.

Ausgehend von bekannten Anordnungen für eine Zustandsüberwa- chung eines Überspannungsabieiters stellt sich an die Erfin ^¬ dung die Aufgabe, eine Anordnung anzugeben, mit der vergleichsweise einfach und kostengünstig bei gleichzeitig hoher Genauigkeit eine vom Abieiter aufgenommene Energiemenge be ^¬ stimmt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1.

Ein Überspannungsabieiter ist nicht Teil der Anordnung, vielmehr dient die Anordnung der Überwachung des Abieiters.

Es ist ein wesentlicher Vorteil der erfindungsmäßen Anord- nung, dass die Temperaturmessung unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern ist. Erfahrungen bei Messungen von Leckströmen im μΑ-Bereich in Schaltanlagen zeigen eine erhöhte Störanfälligkeit bisheriger Messmethoden. Dabei ist i.d.R. für die Schätzung einer Energieaufnahme des Abieiters bei einem Ableitvorgang nur ein sehr kurzer Zeitraum zu betrachten, nämlich die Zeitspanne, in der eine Über- Spannung durch den Abieiter abgebaut wird und eine Erwärmung des Messwiderstands auftritt. Ggf. kann eine etwas längere Zeitspanne von einigen Sekunden betrachtet werden, in der sich Temperaturunterschiede im Messwiderstand aufgrund des Energieeintrag des Ableitstromes noch ausgleichen. Typisch ist jedoch, dass während der vergleichsweise kurzen Zeitspan ^¬ ne der Erwärmung des Messwiderstands mit keiner oder einer vernachlässigbaren Änderung der Umgebungstemperatur zu rechnen ist. Aus diesem Grund kann u.U. auf eine Betrachtung der Umgebungstemperatur zur Ermittelung der Energieaufnahme ver- ziehtet werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat weiterhin den Vorteil, vergleichsweise einfach aufgebaut und kostengünstig herstell ^¬ bar zu sein. Sie ist außerdem leicht bei bestehenden Über- spannungsableitern nachrüstbar und kostengünstig zu warten und auszutauschen. Es ist im Vergleich zu bisherigen Anordnungen für eine Zustandsüberwachung keine komplexe Elektronikeinheit erforderlich. Als Temperaturmesseinricht-ungen können übliche Temperatursensoren eingesetzt werden. Für die Messung der Umgebungstemperatur kann beispielsweise eine

Lufttemperatur an der Oberfläche eines Gehäuses gemessen werden, das den elektrischen Widerstand enthält. Alternativ kann eine Lufttemperatur im Inneren des Gehäuses gemessen werden. Die Auswerteeinrichtung kann mit üblichen Rechnerkomponenten ausgebildet werden. Sie kann beispielsweise als ein Mikropro ^¬ zessor mit Datenspeicher ausgebildet sein.

Die Auswerteeinrichtung ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung bereits in einer dem zu überwachenden Über- spannungsableiter nachgeschalteten Einrichtung vorhanden. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Sekundärtechniksystem wie z.B. Stationsleittechnik, Schutztechnik o. PowerQuality- Messgeräte handeln.

Der elektrische Widerstand kann beispielsweise in Reihe zur sog. Ableitersäule aus Widerstandselemente des Überspannungs ^¬ abieiters geschaltet sein, so dass Leckströme und Ableitströ ^¬ me direkt auf den zur Messung der Temperatur vorgesehenen elektrischen Widerstand einwirken. Erfindungsgemäß werden aufgrund der erfassten Temperaturwerte Kenngrößen für die Ableitvorgänge ermittelt. Die gewonnenen Temperaturwerte können beispielsweise als Temperaturverläufe, ggf. mit entsprechender Vor- und Nachlaufzeit, während eines Ableitvorganges gespeichert und angezeigt werden. Da die Än- derung der Temperaturdifferenz eine Aussage zur abgeleiteten Energiemenge erlaubt, kann diese beispielsweise als Einzel ^¬ energiewert oder Summenwert über alle Ableitvorgänge eines Ableiters gespeichert und angezeigt werden. Die ermittelte Gesamtenergiemenge eines Ableitvorganges dient dazu, eine mögliche Überlastung des Ableiters frühzeitig zu erkennen und ggf. zu reagieren, indem vor einem Totalausfall des Ableiters (mit Störlichtbogen) eine Abschaltung erfolgt. Es können in Abhängigkeit von dem ermittelten Betriebszustand auch eine Instandsetzung oder ein Austausch im Rahmen eines Wartungs- termins zu veranlasst werden. Dies verbessert die Verfügbar ^¬ keit des Ableiters, spart Kosten durch Ausfälle ein und stellt sicher, dass eine Wartung erst dann erfolgt, wenn sie tatsächlich erforderlich ist. Der geschilderte Ansatz kann bei Ableitvorgängen nicht ohne Weiteres für eine Bestimmung eines Ableitstromes eingesetzt werden, weil die Impuls-Stromform bzw. Dauer nicht bekannt sind. Erfindungsgemäß kann entsprechend nur die Energieauf ^¬ nahme des Ableiters während eines Ableitvorgangs geschätzt werden. Diese Energieaufnahme erlaubt u.A. Rückschlüsse auf die thermische Stabilität des Ableiters. Steigt die Tempera ^¬ tur bzw. eine Temperaturdifferenz zur Umgebung über einen vorher festgelegten Zeitraum stetig an, so ist der Abieiter thermisch instabil. Bei Überschreitung eines oberen Schwellenwertes der Temperatur kann eine Abschaltempfehlung übermittelt werden. Diese verhindert bei Umsetzung der Empfehlung eine Zerstörung des Abieiters mit Störlichtbogen. Es können beispielsweise aus Typprüfungen gewonnenen Erfahrungswerte bzw. Kalibrierkurven genutzt werden, um die Energieaufnahme zu bestimmen und beispielsweise einen Wartungstermin festzulegen . In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Umgebungstemperaturmesseinrichtung zur Messung einer Umgebungstemperatur der Anordnung vorgesehen, und die Auswerteeinrichtung ist ausgebildet, eine Änderung einer Temperaturdifferenz aus der gemessenen Temperatur des elektrischen Widerstands und der gemessenen Umgebungstempera ^¬ tur zu bestimmen, und aus der Änderung der Temperaturdifferenz eine Energieaufnahme durch den Überspannungsabieiter zu schätzen. Die Betrachtung der Temperaturdifferenz zur Umgebung hat den Vorteil, dass längere Zeiträume der Erwärmung des Widerstands untersucht werden können, ohne dass eine Ver ^¬ änderung der Umgebungstemperatur das Ergebnis verfälscht.

I.d.R. führt ein kleiner Leckstrom durch den Überspannungsab ^¬ ieiter und auch den Messwiderstand der Anordnung dazu, dass die Temperatur des Messwiderstandes langfristig oberhalb der Umgebungstemperatur liegt; dies wird auch als sog. Übertempe ^¬ ratur bezeichnet. Es stellt sich ein thermisches Gleichge ^¬ wicht ein, so dass aus der Übertemperatur auf den Energieeintrag geschlossen werden kann. Aus dem Energieeintrag kann der Leckstrom geschätzt werden. Da bei einem Leckstrom typischerweise die Eigenschaften des Energienetzes wie etwa eine Fre ^¬ quenz von 50 Hz oder 60 Hz sowie die vorgesehene Systemspannung des Energienetzes bekannt sind, kann auf den vermutlich fließenden Leckstrom geschlossen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, anhand einer Langzeitaufzeichnung der Temperaturdifferenz im Ruhezu- stand, d.h. zu Betriebszeiten des Abieiters ohne Ableitung eines Ableitstromes infolge einer Überspannung, einen Alte ^¬ rungszustand zu schätzen. Dies ist möglich, weil im Ruhezu ^¬ stand ein Leckstrom feststellbar ist, der durch Alterung des Überspannungsabieiters größer wird, was sich durch eine Erhö ^¬ hung der Temperaturdifferenz bemerkbar macht. Es können beispielsweise aus Typprüfungen gewonnenen Erfahrungswerte bzw. Kalibrierkurven genutzt werden, um den Alterungszustand zu bestimmen und beispielsweise einen Wartungstermin für einen Austausch des Überspannungsabieiters festzulegen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen, die die Anzahl der Ableitvorgänge anzeigt. Zusätzlich können auch Temperaturwerte und/oder Temperaturverläufe angezeigt werden. Auch die bei einem Ableitvorgang abgeleitete Energiemenge kann angezeigt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform wird ein Wartungstermin und/oder ein Austauschtermin angezeigt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Kommunikationseinrichtung zur Übermittelung von Daten an ein Leitsystem vorgesehen. Beispielsweise kann das Leitsystem ein Zustandsüberwachungssys- tem eines Energienetzbetreibers sein oder eine zentrale Leit ^¬ stellenanordnung wie z.B. ein Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) System. Die Kommunikationseinrichtung kann z.B. zur Kommunikation über ein Funknetz, Mobilfunk, W- LAN, oder Powerline Communication eingerichtet sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, aus der Temperaturdifferenz einen Leckstrom zu schätzen, der durch den Überspannungsabieiter abfließt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Anordnung ausgebildet, regelmäßig die Änderung der Temperaturdifferenz zu bestimmen und anhand der Temperaturdifferenz Ableitvorgänge zu erkennen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, erkannte Ableitvorgänge zu zählen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein Datenspeicher zur Speicherung der Zahl der Ableitvorgänge und/oder geschätzter Energieaufnahmen bei Ableitvorgängen und/oder erfasster Temperaturen vorgesehen .

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung ist der Datenspeicher als eine Cloud-

Anwendung ausgebildet und eine Kommunikationseinrichtung ist zur Übermittelung von Daten an den Datenspeicher vorgesehen. Dabei kann in einer Variante auch die Auswerteanordnung als Cloud-Applikation ausgebildet sein, so dass die Kommunikati- onseinrichtung die Temperaturmesswerte in die Cloud über ^¬ trägt, wo diese ausgewertet werden. Die Auswertung erfolgt dann über handelsübliche webbasierte Anzeigesysteme.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung ist die Auswerteeinrichtung dafür ausgebildet, bei der Schätzung einer Energieaufnahme und/oder eines Leckstromes elektrische Eigenschaften und Wärmeleitungseigenschaften des elektrischen Widerstands zu berücksichtigen. Dies ist ein Vorteil, weil unter Kenntnis der spezifischen elektrischen Leitfähigkeitswerte des Widerstands sowie seiner Wärmeleitungseigenschaften eine genauere Schätzung der Energieaufnahme und/oder des Leckstromes möglich ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung ist der elektrische Widerstand spannungsab ^¬ hängig ausgebildet. Der spannungsabhängige Widerstand, auch variable resistor oder varistor genannt, ist z.B. in Serie zum Überspannungsabieiter geschaltet und wird im Falle einer Überspannungsableitung gleichwertig mit einem Ableitstrom belastet. Es kann beispielsweise eine einzelne Varistorscheibe aus einem üblichen Metalloxid (MOV genannt) verwendet werden. Höhe und Dauer des Lecks-/Arbeitsstromes führen zu einem Tem- peraturanstieg des spannungsabhängigen Widerstands. Dieser Temperaturanstieg (gemessen wird die Temperaturdifferenz zur Umgebung) dient zur Ermittlung der im Widerstand aufgenommenen Energie. Ferner stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem vergleichsweise einfach und kostengünstig bei gleichzeitig hoher Genauigkeit eine vom Abieiter aufgenommene Energiemenge bestimmt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß

Anspruch 10 und dessen bevorzugte Ausführungsformen gemäß den Ansprüchen 11 bis 17. Es ergeben sich jeweils sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße An ^¬ ordnung erläutert.

Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigt die Figur 1 eine Anordnung für eine Zustandsüberwachung eines Überspannungsabieiters . Eine Hochspannungsleitung 1 ist mit einem Überspannungsab ^¬ ieiter 2 verbunden, der eine Ableitersäule mit Metalloxidwiderständen 3 als spannungsabhängige elektrische Widerstände 3 aufweist. In Reihe mit dem Überspannungsabieiter 2 ist eine Anordnung 4 für eine Zustandsüberwachung des Überspannungs- ableiters 2 angeschlossen, die den Überspannungsabieiters 2 mit dem Erdpotential verbindet.

Die Anordnung weist einen elektrischen Widerstand 3 auf, der z.B. baugleich mit einem in der Ableitersäule eingesetzten spannungsabhängigen Widerstand ausgebildet sein kann. Die Anordnung weist eine Umgebungstemperaturmesseinrichtung 6 zur Messung einer Umgebungstemperatur der Anordnung auf. Eine Wi- derstandstemperaturmesseinrichtung 5 dient zur Messung der Temperatur des elektrischen Widerstands 3. Die Temperaturmesseinrichtungen können alle bekannten Prinzipien einer Temperaturmessung nutzen. Für die Widerstandstemperaturmessein- richtung 5 ist es jedoch besonders bevorzugt, wenn die Tempe ^¬ ratur auf der Oberfläche des Widerstands 3 durch eine Messung eines Lichtimpulses in einem Lichtwellenleiter erfolgt. Dies hat neben einer hohen Genauigkeit den Vorteil, dass keine Probleme mit einer elektrischen Isolierung entstehen, da diese entfallen kann.

Es ist eine Auswerteeinrichtung 7 vorgesehen, die ausgebildet ist, eine Temperaturdifferenz aus der gemessenen Temperatur des elektrischen Widerstands 3 und der gemessenen Umgebungs ^¬ temperatur zu bestimmen. Aus der Temperaturdifferenz schätzt die Auswerteeinrichtung 7 einen Leckstrom durch den Über- spannungsableiter 2. Außerdem wird die Änderung der Temperaturdifferenz analysiert und die bei einem Ableitvorgang aufgenommene Energiemenge im Abieiter abgeschätzt.