用于监视交流电电气设备的方法、装置和组件与流程

1.本发明涉及一种用于监视交流电电气设备例如像配电变压器的方法、装置和组件。


背景技术：

2.在配电网络(电网)中，各种不同设备被用于按需分配电力，同时保持电网公称值例如额定电压或额定频率。为了在电网内将电力从一个电压水平转变至另一电压水平(如从高压传输子电网至局域低压或中压配电子电网)，采用变压器。在典型规模的电网中，在整个电网内安装几千个变压器。
3.因为变压器正确发挥功能对于电网运行是至关重要的，变压器需要被定期监控是否有危急的缺陷迹象。例如电网中的所有变压器的每月监控需要巨量资源，主要是技工的工作小时数。
4.另外，在一个或多个变压器当前失效的情况下通常无法识别出具体功能故障的变压器。相反，仅已出故障的整个电网区域可被确定。因此，为了找到功能故障的变压器，技工被派出以人工检查该区域内的每个变压器是否正确发挥功能。在此情况下需要人工检视的变压器数量一般可达到30个变压器。
5.为了减小对人工监控的需求，已经研发出被直接集成到变压器中的监视器，它们可监视电流、负荷、负荷系数、油温等。因为这些监视器被直接集成到待监视的变压器中，故它们需要被设计成承受在变压器内的电磁和热的作用，这使得它们花费高昂。另外，这样的监视器的安装只能由专门培训的技工完成且总体上需要变压器在安装期间被关断，因此造成电网中断。
6.结果，通常无法实现根据现有技术在电网的所有变压器中安装监视器。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供用于监视交流电电气设备像变压器的方法、装置和组件，其至少部分应对当前现有技术的缺点。
8.此问题通过一种根据独立权利要求的方法以及一种根据独立权利要求的装置和组件来解决。优选实施例是从属权利要求的主题。
9.本发明于是涉及一种用于监视交流电电气设备的方法，利用适于探测在提供给待监视设备的交流电的频率下的电磁场且布置在待监视设备附近但与之间隔的感应天线，该方法包括以下步骤：
[0010]-探测由待监视电气设备辐射的电磁场；
[0011]-数字化所探测的电磁场以获得emf数据；
[0012]-对数字化的emf数据进行快速傅里叶变换以获得fft变换数据；并且
[0013]-监视至少在提供给待监视设备的交流电的频率及其三次谐波下的fft变换数据的幅值是否有异常。
[0014]
本发明还涉及一种为了用根据本发明方法监视交流电电气设备而布置在待监视设备附近但与之间隔开的监视器，包括：
[0015]-适于探测在提供给待监视设备的交流电的频率下的辐射电磁波的感应天线；
[0016]-将由感应天线探测的辐射电磁波数字化成emf数据的数字转换器；
[0017]-对emf数据执行快速傅里叶变换而产生fft变换数据的处理器；以及
[0018]-传送至少一部分fft变换数据至中央评估单元以监视至少在提供给待监视设备的交流电的频率及其三次谐波下的fft变换数据的幅值是否有异常的通信模块。
[0019]
另外，本发明也涉及一种用于根据本发明的方法监视交流电电气设备的组件，其具有要布置在待监视设备的附近但与之间隔的监视器并具有中央评估单元，其中，该监视器包括：
[0020]-适于探测在提供给待监视设备的交流电的频率下的辐射电磁波的感应天线；
[0021]-将感应天线探测的辐射电磁波数字化成emf数据的数字转换器；
[0022]-传输该emf数据至中央评估单元的通信模块；
[0023]
并且其中，该中央评估单元设计成
[0024]-对数字化的emf数据进行快速傅里叶变换以获得fft变换数据；和
[0025]-监视至少在提供给待监视设备的交流电的频率及其三次谐波下的fft变换数据的幅值是否有异常。
[0026]
本发明基于以下见解，即，通过在特别是至少交流电频率及其三次谐波(即3倍的交流电频率)频域内监视交流电电气设备的电磁场，运行异常可被确定，因此能提供充分可靠的表明被监视设备近似失效或严重失效的象征。已经发现，虽然在交流电频率下的电磁场振荡直接与经过被监视设备(根据设备类型)的电流和/或电功率相关联，通过同时监视在三次谐波探测下的频域幅度，例如在所述两个频率下的频率分量之间关联性的各不同发散度可被观察，其已经被确认能提供有关近似失效或严重失效的良好指标。
[0027]
为此，由被监视设备所辐射的电磁场借助感应天线被探测，其当然需要适合在随后用于监视的频率下探测电磁场。因此该感应天线需要适于在提供给待监视设备的交流电的频率下探测电磁场。这样的天线通常与此同时适用于在三次谐波探测电磁场。
[0028]
这样的感应天线提供模拟信号，其接着被数字化以进一步处理。所述数字化需要用合适的取样频率进行，其能容易地且不费力地由技术人员针对可想到的本发明任何应用例子来确定，并产生数字emf数据。
[0029]
所述数字emf数据于是可以被输入快速傅里叶变换中，其将按照时域的emf数据转换为在频域内的fft变换数据。基于fft变换数据，在所要求频率下的幅度可容易被提取并且被用于如上所述的监视。
[0030]
当然，任何数量的谐波和它们之间的各种不同关联性可以被监视以确定被监视设备潜在失效的迹象，其中，甚至可行的是特定幅度或关联性的特有差异可能指向具体失效类型。但在本发明中，依赖在不同频率下的幅度之间的单个关联性通常可能就足以用于监视幅度，甚至不用查看在所述频率下的当前幅度。在此情况下，幅度监视(仅)由监视被提供给待监视设备的交流电的频率与其三次谐波下的频率幅度之间的多个或甚至单个关联性来构成。仅利用该关联性，一般可以识别大范围的被监视设备潜在失效。
[0031]
监视fft变换数据的幅度且尤其是确定异常的幅度变化和/或特定关联性的差异
通常包括与过去针对被监视设备所探测的、即在先用本发明方法收集的电磁场历史数据的比较。在所述历史数据与当前测量结果之间发现的任何偏差可被解读成设备运行的变化，其又可能指向潜在的设备失效或功能故障。依赖于历史数据提供了感应天线和/或其定位不需要被专门校准的优点。相反，只要该感应天线适当布置成探测设备的电磁场，校准就可以在假定设备正确运行的初始阶段中自动进行。
[0032]
电磁场的检测可以被辅以其它同时测量，其也可能提供关于被监视设备的运行和健康的信息，依据其自身或者与其它测量结果和值例如以上解释的频域内的幅度相关。尤其为此优选的是，任何其它共同测量结果可与fft变换数据在时间上关联地被记录下来，以允许容易确定各不同数据的幅度和/或相互关联性的异常。
[0033]
所述其它测量可以包括被监视设备的温度或至少在被监视设备附近的温度。附加地或替代地，在选择的待监视设备上的温度分布可被采集。对于前者测量例如红外温度计就够了，而后者测量需要热成像传感器。利用这些测量，被监视设备中的升温可被探测，其至少与fft变换数据的信息相关地可被评估以确定异常行为。
[0034]
替代地或附加地，由电气设备排出或在其附近排出的气体可被监视。通过监视气体排放或气体总体成分例如在被监视的设备周围的空气，冷却剂的泄漏或油的沸腾可被确定。
[0035]
由待监视设备发出或在其附近发出的声音也可以被探测和评估。设备的某些(潜在)失效可能产生噪音。
[0036]
同样的情况适用于由待监视设备发出或在其附近发出的光，例如源自火花的闪光，其可能也是失效的信号。
[0037]
相似地，由被监视设备造成或在其附近出现的地震微振动可被探测。这些振动可能通常与被监视设备的噪音相关，但也可能表明设备中的机电故障。例如在变压器的情况下，增强的地震微振动可能指向用于其冷却的泵系统出故障或变压器内总体过载，此时它的振动明显强于先前状况，两者都可能是故障前兆。
[0038]
电磁场的所有上述潜在附加测量和探测的共同点是各自感应天线和/或传感器(例如温度传感器、气体传感器、声音传感器、光传感器
…
)被布置在待监视设备附近但与之间隔开。换言之，感应天线和/或传感器不需要安装在待监视设备中或直接在待监视设备上；相反，对此将其布置成紧邻被监视设备就够了。因为被监视设备不需要针对本发明方法所需要的感应天线和/或传感器而被改变，故其安装可以与该设备无关地进行，因此不需要由熟悉待监视设备相关工作的技术人员来完成。
[0039]
实际上，本发明总体上允许感应天线和/或执行如上所述测量的任何传感器定位成与待监视设备间隔开一段大于该设备的电气安全距离的距离。各种设备、尤其用在配电中的设备在运行时产生如下的强电磁场，其需要人们为了安全而与设备保持距离。任何要在距设备的所述距离内完成的工作需要关停该设备。因为本发明的方法允许感应天线和/或用于该方法的任何其它传感器布置在该电气安全距离外，故潜在被用于执行本发明以监视某种设备的上述及所有其它组成部件可以在该设备保持全效工作的同时被安装。安装导致的设备停机时间是不需要的。
[0040]
通常优选的是，根据本发明的监视是实时或至少近似实时进行的，即，实时监视仅因数据处理和/或数据传输、尤其是打包数据传输而被延迟。因为本发明方法可以有助于识
别设备潜在失效，故实时监视可有助于通过启动合适的应对措施来防止设备的实际停电。
[0041]
为了识别出(潜在)失效，用于emf数据的高于5,000抽样/秒的取样率通常是合适的且因此是优选的。为了使所述识别更精确，取样率可以优选高于10,000抽样/秒、更优选高于18,000抽样/秒。在某些应用场合下，较低的取样率也可能就够了，例如200抽样/秒。
[0042]
优选地，监视fft变换数据的频率包括频率或频率范围50
±
3hz和150
±
3hz和/或60
±
3hz和180
±
3hz，其等同于例如在欧洲和美国的公共电网频率及其各自三次谐波。就所指出的范围，也可以考虑微小频率偏差。
[0043]
如果探测到任何异常，则本发明的方法可能导致对一位或多位技工的警报，他可决定任何进一步行动过程。替代地或附加地，探测异常可导致对被监视设备或所在布置结构如电网的控制的自动改变。
[0044]
本发明的方法很好地适于监视配电所用的设备。这些设备通常所辐射出的强电磁场能容易通过感应天线被探测。与此同时，为了安装而关停这些设备例如根据现有技术的监视器通常是成问题的，或者至少在企图避免至少一部分配电网关停时是困难的。已经确定本发明方法对于监视配电变压器特别有利，其于是是优选应用案例。
[0045]
根据本发明的监视器被设计成用在本发明的方法中并因此包括用于探测由待监视设备辐射的电磁波并且将所述探测结果数字化转换成emf数据的硬件元件，即，合适的感应天线和数字转换器。
[0046]
该装置也包括用于对emf数据本地执行快速傅里叶变换的处理器，从而比之发送完整emf数据，通过通信模块要发送至中央评估单元用以例如借助与历史数据比较来达成实际监视的数据被减少。如果仅该中央评估单元所需要的频率的fft变换数据通过通信模块被发送，则数据量可以被进一步减小；任何其它频率的fft变换数据可被舍弃。
[0047]
但是，本发明的组件按照略有不同的做法。它包括监视器，其总体与本发明的上述监视器类似，但没有用于对本地获得的emf数据进行快速傅里叶变换的处理器。相反，这样的原始数字化的emf数据经由通信模块被传送至中央评估单元，中央评估单元也是所述组件的一部分。接着由中央评估单元进行快速傅里叶变换，采用所产生的fft变换数据用于如上所述的监视。
[0048]
在本发明的装置和本发明的组件两者中，监视器优选包括一个或多个附加传感器，其测量与被监视设备间隔一段距离地进行并且也被传送至该中央评估单元用以监视。这些传感器可以选自包含以下内容的组：
[0049]-从远处测量被监视设备的温度和/或被监视设备上的温度分布的非接触式温度传感器和/或热成像传感器；
[0050]-探测由被监视设备发出或在其附近发出的气体的气体传感器；
[0051]-探测由被监视设备发出或在其附近发出的声音的声音传感器；
[0052]-探测由被监视设备发出或在其附近发出的光的光传感器；和
[0053]-探测由被监视设备造成的地震微振动的振动传感器。
[0054]
已经发现，尽管所有的传感器要与待监视设备间隔就位，例如位于设备的电气安全距离外，气体、声音和光测量可以通常对应于被监视设备，或是因为该设备位于周围有限的空间内，或是通过与源自该设备的其它数据、尤其是fft变换数据的关联。
[0055]
本发明的装置和本发明的组件总体被设计成应用在本发明的方法中。于是，它们
优选设计成也允许执行本发明方法的优选实施例。
[0056]
通信模块可以被设计成通过利用无线网或有线网(如根据ieee-802.11标准的wlan网络、移动通信网络例如3g、lte、4g或5g或电力线通信)的互联网任意发送和/或接收数据。或者，可以采用独立的数据通信网络，可能根据ieee-802.15.4thread标准。
附图说明
[0057]
现在将关于附图来进一步详细描述本发明：
[0058]
图1示出变压器护罩连同用于执行本发明方法的本发明组件的监视器的示意图；
[0059]
图2示出根据图1的本发明的组件的示意图；
[0060]
图3示出在执行本发明方法时通过根据图1和图2的本发明组件获得的示例性数据；和
[0061]
图4示出本发明装置的示意图。
具体实施方式
[0062]
图1示意性示出变压器护罩2连同在其内的变压器3。变压器3被完全包围在变压器护罩2中，变压器护罩2具有通风出口4和能够在必要时接近变压器3的门5。变压器护罩2根据需要配设有根据现有技术的电磁屏蔽件。
[0063]
在工作时，变压器3辐射电磁场，其在变压器3附近强烈作用以致有害健康。在变压器护罩2中，因此在地板和壁板上有表明电气安全距离的标记6，即，在变压器3工作时总是应保持的距离。
[0064]
在变压器护罩2的其中一个内壁上，在电气安全距离外安装有监视器10。因为监视器10位于变压器3周围的有限空间内，故通过监视器10完成的测量可以与变压器3相关，尽管距监视器10有一段距离。监视器10形成本发明的组件1的一部分以执行本发明方法并且现在将参照图2来更详细描述。
[0065]
如图2所示的组件1的监视器10包括感应天线11，其适于探测由变压器2辐射的电磁波，尤其在变压器2被供以的交流电的频率及其三次谐波。在本例子中，变压器2被连接至具有50hz公称频率的电网。因此，三次谐波的公称频率是150hz。
[0066]
感应天线11被连接至数字转换器12(未示出连接)，数字转换器12将感应天线11的模拟信号以数字化方式转换成数字emf数据。接着，emf数据被传送至通信模块17，其将emf数据传送至随后要描述的中央评估单元20。
[0067]
除了感应天线11外，监视器10还具有热成像传感器14，用于测量在传感器14的视野内的物体上的温度分布。显而易见的是，监视器10应该如此就位，即，待监视设备位于所述视野内。热成像传感器14伴随有环境温度传感器13，其为了校准热成像传感器14而输出绝对温度值。
[0068]
另外，设有气体传感器15。例如在监视器10安装在变压器护罩2内的情况下(如图1所示)，护罩2内空气成分的突然明显变化可以与变压器3的气体排放相关联。
[0069]
相似地，由也设置在监视器10上的声音传感器16采集的声音可以至少高于某个量地与变压器3相关，因为在此例子中在变压器护罩2内设有仅潜在产生声音的部件。
[0070]
作为声音传感器16的替代或补充，监视器10可以包括用于探测由变压器3及其子
系统造成的地震微振动的振动传感器。变压器3的振动经由地板和壁板传播至监视器10并且可以是判断标准。振动异常(它是指随着时间推移而出现偏离正常振动模式)可能是故障的前兆。
[0071]
通过传感器14、15、16获得的测量结果和其它数据被传输至通信模块17且被传输至中央评估单元20。来自传感器14、15、16的所有数据例如通过通信模块17被附以时间戳以便与也附有时间戳的emf数据产生时间关联。通信模块17设计成通过移动式通信网络与互联网建立连接并通过互联网发送数据。
[0072]
如上已经描述地，除了监视器10外，本发明的组件1还包括中央评估单元20，其进一步处理从如图2所示的监视器10接收的数据，但也可以是任何其它数量的相似监视器10、10’(如图2或图4所示)，其均被用于监视其它变压器2或辐射可由各自监视器10探测的电磁场的任何其它设备。
[0073]
中央评估单元20包括接收单元23用于接收由各自不同监视器10、10’的通信模块17发送的数据。与被描述为无线电极无关地，接收单元23仅被要求连接至互联网(无线或有线)以便其接收所需数据。
[0074]
所接收的数据接着在处理器单元21内被处理。
[0075]
首先，在时域内描绘被测电磁场频率的从图2的监视器10接收的emf数据通过如下方式被转换到频域，即，对数字化emf数据进行快速傅里叶变换，用以获得fft变换数据。
[0076]
于是，fft变换数据以及从监视器10接收的附加传感器14、15、16的任一其它数据被监视是否有异常。当前探测异常所需要的作为依据的“正常状况”基于在先已从各自监视器10接收并存储在数据存储器22中的历史数据。
[0077]
监视可能在探测单独值例如在特定频率下的fft变换数据或由附加传感器14、15、16之一提供的任何值的幅值偏差方面受限。但也可以限定两个或更多个值之间的关系并且监视是否有与正常状况的偏差。所述关系可以被人工限定或它们通过例如训练合适的神经网络来确定。
[0078]
如果探测到任何异常，则可以由中央评估单元10产生警告，其可被用来派出技工至被监视设备所在地点以验证任何功能故障和/或进行维护。通常，已探测的异常的类型提供有关被监视设备可能出现的问题的指示。
[0079]
这可以通过图3所示的例子被示出。在上部分中，此图示出由提供基本数据的监视器10监视的值的时间线，而在下部分中，在分立点上的两幅热图像被按时间呈现。每条时间线表示针对图1的变压器3通过例如图2所示的监视组件1接收的约24小时的数据。
[0080]
在本例子中假定，变压器3以恒定负荷运行所述期间。但是，在15:00之后马上就是气态冷却剂从变压器3被突然短暂排放。
[0081]
在图3中，上时间线表示在50hz频率，即，与变压器3相连的电网的公称频率的频率幅度。下方时间线是在150hz频率的频率幅度，即，关于公称频率的三次谐波。
[0082]
仅看这两条时间线，在气体排放事件后不久，可以注意到在50hz的频率幅度增大直到约17:00，随后它保持在所达到的较高水平。与此同时，在150hz的频率幅度也增大。但在此频率的增大持续到约18:00。
[0083]
因为这两个幅度(它们通常可以如针对00:00到15:00时段举例所示从历史数据中推测的那样成正比)呈现不均匀变化，故中央评估单元20已经可以探测到异常并针对具体
变压器3发出警告。
[0084]
当然，通过考虑由监视器10提供的附加传感器14、15、16的数据，可以提高确定异常的精度。
[0085]
图4中的第三时间线表示气体传感器15的输出，其表示在变压器护罩2内空气中的总挥发性有机化合物(tvoc)的份额。清晰可见的是在15:00之后不久气态冷却剂从变压器被排放。此附加信息可如上解释地被用于更好地评估频率幅度的变化。例如，通过将来自所有三条时间线的数据关联起来，可以估计“在气体排放中损失的冷却剂量是否危险并需要马上关注”或者“变压器3是否能被延迟维护，直到有合格技工能够维护变压器3”。
[0086]
为了评估，它还可能依赖来自热成像传感器14的图像，图3中再现其中的两幅图像。左侧绘图示出在15:00、即在气体排放前的变压器范围内的温度分布，同时右侧绘图示出在18:00的温度分布。因为借助环境温度传感器13对热成像传感器14进行校准，两幅图像的比较揭示出变压器3温度总体上升。但与此同时，可以注意到在18:00的温度还是与在15:00相似分布。因此不存在温度热点、即在独立区域内的很高温度，比之识别到热点时，变压器3维护的急迫性可略微降低。
[0087]
在边注中且经过进一步调查，在10:00之后不久观察到tvoc增大，其未造成频率幅度显著变化，它也可能潜在被确认为变压器3即将出现功能故障的指示。
[0088]
在图4中，根据本发明的监视器10’被示出。此监视器10’大部分对应于关于图2所描述的本发明监视组件1的装置10，其也可以从总体相同的附图标记中获悉。因此关于监视器10’的各组成部件11
’‑
17’的概述参照以上内容。
[0089]
除了已经描述的感应天线11’连同与之连接的数字转换器12’外，还设有处理器18’以对由监视器10’内的数字转换器12’提供的emf数据进行快速傅里叶变换，因此产生fft变换数据。fft变换数据、至少是代表待进行异常监视的频率的部分于是通过通信模块17’连同通过其它传感器13
’‑
16’提供的任何其它数据一起被传送至中央评估单元20。
[0090]
中央评估单元20设计用于监视例如在图3的上下文中如上所述的fft变换数据的幅度，并因此通常是相似的，即使并非与在监视收到的各不同信息是否有异常时的图2的中央评估单元20相同。当然，对于从图4的监视器10’接收的数据，中央评估单元20不需要fft变换，因为该变换已由监视器10’完成。