DE2900739A1

DE2900739A1 - Verfahren und vorrichtung zur feststellung von fremdteilchen in einem gasdichten elektrischen geraet

Info

Publication number: DE2900739A1
Application number: DE19792900739
Authority: DE
Inventors: Eiichi Haginomori; Shinichi Meju; Yoichi Murakami; Kunio Takahashi; Eiichi Zaima
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-01-19
Filing date: 1979-01-10
Publication date: 1979-07-26
Also published as: SE7900453L; FR2415297B1; US4231258A; CH638314A5; SE438734B; FR2415297A1; DE2900739B2

Description

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Firmen TOKYO SHIBAURA DENKI KABÜSHIKI KAISHA, 72, Horikawa-Cho, Saiwai-Ku, Kawasaki-Shi, Kanagawa-Ken, Japan

und TOKYO DENRYOKU KABUSHIKI KAISHA, 1-3, Uchisaiwai-Cho 1-Chome, Chiyoda-Ku, Tokyo-To, Japan

Verfahren und Vorrichtung zur Feststellung von Fremdteilchen in einem gasdichten elektrischen Gerät

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung von Fremdteilchen in einem elektrischen Gerät mit einem ein isolierendes Gas enthaltenden geerdeten Gefäß, das einen Hochspannung führenden Teil enthält.

Eines der Probleme, die bei ein isolierendes Gas enthaltenden, abgedichteten elektrischen Geräten auftritt, ist die Anwesenheit von Fremdteilchen, wie z.B· Metallteilchen. Solche Fremdteilchen können durch Reibung an den Kontaktflächen der Metallteile während des Zusammenbaues in dem Herstellerwerk erzeugt werden, oder sie können an der Stelle auftreten, an der das elektrische Geräte installiert ist. Die Fremdteilchen können auch in das Innere des Gerätes hineingelangen, solange dieses vor der Abdichtung der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt ist. Die Anwesenheit von Fremdteilchen in einem Stromkreisunterbrecher oder einem Ausschalter oder einem Erdungsschalter ist auch zurückführbar

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auf lokales Verschmelzen der bewegbaren und stationären Kontakte aufgrund von Reibungshitze oder Lichtbogenbildung;Wenn eine hohe Spannung an ein elektrisches Gerät angelegt wird, das metallische Fremdteile enthält, kann ein Isolationsdurchbruch bei einer

ein

Spannung auftreten, die um/Mehrfaches geringer ist als die Isolationsfestigkeit des keine metallischen Fremdteilchen enthaltenden Gerätes. Bei großen elektrischen Geräten ist es unmöglich, den Teil des Gerätes genau aufzufinden, in dem der anfängliche Spannungsdurchbruch aufgetreten ist. Um den Teil des anfänglichen Spannungsdurchbruches ausfindig zu machen, muß das ganze elektrische Gerät auseinandergebaut werden, was sehr mühsam und zeitaufwendig ist.

Der so hervorgerufene Isolationsdurchbruch führt natürlich zu Störungen in dem Leistungsübertragungssystem. Außerdem müssen die durch den Durchbruch beschädigten Teile auseinandergebaut und repariert werden.

Im allgemeinen bewegen sich die in einem gasdichten, isolierendes Gas enthaltenden Gerät vorhandenen Teilchen unter der Einwirkung des elektrischen Feldes und der Schwerkraft am Boden des geerdeten Gefäßteiles in der unten beschriebenen Weise. In Fig.1 ist ein elektrisches Gerät gezeigt, das der Einfachheit halber nur vereinfacht dargestellt ist. Das elektrische Gerät enthält ein zylindrisches, geerdetes Gehäuse oder ein Gefäß 3, das eine Elektrode bildet, und einen zentrischen Leiter 1, welcher eine zweite Elektrode bildet. Der Raum zwischen dem Gehäuse 3 und dem zentralen Leiter 1 ist mit einem isolierenden Gas 2 gefüllt. Am Boden des Gefäßes 3 ist ein nadeiförmiges Metallteilchen 4 vorhanden. Wenn an den zentralen Leiter 1 keine Spannung angelegt

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ist, befindet sich das Metallteilchen 4 in Ruhe, wie es bei (a) in Fig. 1 gezeigt ist. Wenn an den zentralen Leiter 1 eine Spannung angelegt wird, wird auf das Metallteilchen eine elektrostatische Kraft ausgeübt. Wenn die Spannung erhöht wird, wird auch die elektrostatische Kraft erhöht. Wenn die elektrostatische Kraft die Schwerkraft übersteigt, wird das Metallteilchen nach aufwärts bewegt, wie es in (b) und (c) in Fig. 1 gezeigt ist. Wenn die Spannung weiter erhöht wird, bewegt sich das Metallteilchen vom Boden weg nach aufwärts, und es schwebt in dem Gas und erreicht den zentralen Leiter 1, wie es bei (c), (d), (e) in Fig.1 dargestellt ist. Wenn die elektrostatische Kraft kleiner wird als die Schwerkraft oder wenn die Richtung der elektrostatischen Kraft umgedreht wird, fällt das Metallteilchen 4 nach abwärts, wie es bei (e), (f) und (g) in Fig. 1 gezeigt ist. Bei dem Zusammenprall mit dem Boden des geerdeten Gefäßes 3 werden elastische Wellen erzeugt, die im wesentlichen aus Ultraschallwellen bestehen. Bei einem nadeiförmigen Metallteilchen ist die elektrostatische Kraft proportional dem Quadrat der Länge des Teilchens, während die Schwerkraft direkt proportional der Länge des TEiI-chens ist, so daß die Bewegung des Teilchens umso aktiver wird und die erzeugten elastischen Wellen umso größer werden, je grosser das Teilchen ist. Bei einem kugelförmigen Metallteilchen ist die elektrostatische Kraft proportional dem Quadrat des Radius des Teilchens, während die Schwerkraft proportional der dritten Potenz des Radius des Teilchens ist, so daß die Bewegung des Teilchens umso geringer ist, je größer der Radius des Teilchens ist. In jedem Falle bewegt sich das Metallteilchen 4 aktiv in dem Raum zwischen dem zentralen Leiter 1 und dem geerdeten Gefäß 3, und es tritt während der Auf- und Abbewegung des Metallteilchens

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ein Isolationsdurchbruch auf, und zwar bei einer Spannung, die viel geringer ist als die Durchbruchsspannung bei Abwesenheit eines Metallteilchens.

Die elastischen Wellen einschließlich der Ultraschallwellen werden auch durch Koronaentladung hervorgerufen, die bei einer niedrigeren Spannung als bei Abwesenheit von Metallteilchen auftritt.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines elektrischen Gerätes, das durch die Anwesenheit von Metallteilchen beeinträchtigt werden kann. Ein zentraler Leiter 1 wird von einem geerdeten Gehäuse 3 durch isolierende Abstandshalter 9 gehalten, wobei die Abstandshalter Verbindungen 9a für die Verbindung benachbarter Teile des Leiters 1 aufweisen. Wenn kugelförmige Metallteilchen 10 oder nadeiförmige Metallteilchen 4 vorhanden sind, tritt ein Isolationsdurchbruch bei niedriger Spannung auf.

Ähnliche Probleme treten auch bei gasgefüllten Stromkreisunterbrechern auf.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und eines Gerätes zur Feststellung metallischer Teilchen, die in einem gasdicht abgeschlossenen elektrischen Gerät vorhanden sind. Durch die Erfindung soll es auch ermöglicht werden, das Auffinden von Metallteilchen in einem gasdichten elektrischen Gerät zu ermöglichen.

Die Erfindung wird darin gesehen, daß an dem Hochspannung führenden Teil eine Spannung angelegt wird, um Ultraschallwellen zu erzeugen, die sich durch das Gefäß fortpflanzen, daß die sich durch

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das Gerät fortpflanzende Ultraschallwellen gemessen werden und daß die unterschiedlichen Größen der gemessenen Ultraschallwellen festgestellt und so die Form der Fremdteilchen bestimmt wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens, das dadurch gekennzeichnet ist, daß auf dem Gefäß eine Meßvorrichtung angeordnet ist, welche die durch die in dem Gefäß befindlichen Fremdteile erzeugten und sich durch das Gefäß fortpflanzenden Ultraschallwellen mißt, wobei zweckmäßig eine Anzeigevorrichtung vorgesehen ist, die auf den Ausgang der Meßvorrichtung anspricht und die Anwesenheit von Fremdteilchen anzeigt-

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch ein elektrisches Gerät zur Illustration der Bewegung von nadeiförmigen Metallteilchen unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes und der Schwerkraft;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine gasgefüllte Stromschiene, in der Metallteilchen enthalten sind;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Meßgerätes gemäß der Erfindung, das an einem elektrischen Gerät angebracht ist;

Fig. 4 eine grafische Darstellung, welche die Größen der Ausgangssignale des Meßgerätes in Abhängigkeit von der angelegten Spannung zeigt;

Fig.5A das Meßgerät nach Fig. 4, wie es an einer gasgefüllten Stromschiene angebracht ist;

Fig.5B das Meßgerät nach Fig. 4, wie es an einem gasgefüllten Stromkreisunterbrecher angebracht ist;

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Fig. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Meßelementen an verschiedenen Stellen;

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei . Meßelementen unterschiedlicher Polaritäten, die an den

gleichen Stellen angeordnet sind; Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer vereinfachten Meßeinrichtung;und

Fig. 9 verschiedene Abwandlungen der vereinfachten Meßvorrich- und 10

tung.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung gezeigt. Ein Hochspannung führender zentraler Leiter 1 ist in einem geerdeten Gehäuse oder Gefäß 3 eingebaut, das ein isolierendes Gas 2 enthält. In dem Gehäuse 3 sind ein nadeiförmiges Metallteilchen 4 und kugelförmige Metallteilchen 10 enthalten. Wenn an den zentralen Leiter 1 eine Spannung angelegt wird, bewegen sich die Metallteilchen 4 und 10 auf und ab, und sie erzeugen bei der Berührung mit dem geerdeten Gehäuse 3 elastische Wellen, die im wesentlichen aus Ultraschallwellen bestehen. Die elastischen Wellen werden auch durch eine Coronaentladung erzeugt, die bei einer niedrigeren Spannung auftritt als in dem Falle, in dem keine Metallteilchen vorhanden sind.

Ein Ultraschallwellen-Meßgerät 5, wie z.B. ein piezoelektrisches Element, ist außen an dem geerdeten Gefäß 3 angeordnet, um die sich durch das Gehäuse 3 fortpflanzenden Ultraschallwellen zu messen und entsprechende elektrische Signale zu erzeugen. Ein Kabel 6 verbindet das Meßelement 5 mit einem Verstärker 7, dessen Ausgang einer Anzeigevorrichtung, wie z.B. einem Synchroskop oder einem Digital-Speicher zugeführt wird, um eine Beobachtung

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zu ermöglichen. Es kann somit die Anwesenheit von Metallteilchen in dem geerdeten Gehäuse durch die Anzeige der Anzeigevorrichtung 8 festgestellt werden.

Fig. 4 zeigt das durch die Ultraschall-Meßvorrichtung 5 erzeugte Ausgangssignal. Die durch eine Klammer A zusammengefaßten Aufzeichnungen werden erhalten, wenn nadeiförmige Metallteilchen vorhanden sind. Die durch eine Klammer B zusammengefaßten Aufzeichnungen werden erhalten, wenn kugelförmige Metallteilchen vorhanden sind. Bei Anwesenheit von nadeiförmigen Metallteilchen liegen die Ausgangsspannungen etwa bei oder über einem Pegel von 1 V. Längere Metallteilchen erzeugen größere Ausgangsspannungen. Bei Anwesenheit von kugelförmigen Metallteilchen liegen die gemessenen Spannungen etwa bei oder unterhalb einem Pegel von 0,5 V. Es ist also möglich, zwischen den Größen der Wellen zu unterscheiden, um festzustellen, ob die vorhandenen Metallteilchen nadeiförmig oder kugelförmig sind. Mit anderen Worten, man kann feststellen, daß die vorhandenen Teilchen nadelförmig sind, wenn der Ausgang des Meßgerätes oberhalb eines bestimmten Pegels liegt (beispielsweise 0,75 V), und daß die vorhandenen Teilchen kugelförmig sind, wenn der Ausgang der Meßvorrichtung unterhalb dieses Pegels liegt.

Die Fig. 5A und 5B zeigen Ultraschall-Meßvorrichtungen 5, die an einer gasgefüllten Stromschiene und einem Stromkreisunterbrecher angebracht sind. Bei dem in Fig. 5B dargestellten Stromkreisunterbrecher sind relativ zueinander bewegbare Kontakte 11 in einem gasgefüllten Gefäß 12 enthalten, und es sind diese Kontakte mit den gasgefüllten Stromschienen 13 verbunden. In jedem Fall ermöglicht die Anzeigevorrichtung 8 die Beobachtung der Ultra-

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schallwellen, die aufgrund der Anwesenheit von Metallteilchen 4 und 10 in einem geerdeten Gehäuse 3 und 12 hervorgerufen werden. Durch Verwendung der Anzeigevorrichtung kann ein dielektrischer Durchschlag verhindert werden.

In Fig. 6 sind wenigstens zwei Meßelemente 5 an verschiedenen Stellungen auf demselben geerdeten Gehäuse 3 (oder an verschiedenen Gehäusen 3, 15) montiert, und es ist eine einzige Anzeigevorrichtung 8 mit beiden Meßelementen verbunden, um gleichzeitig zwei Eingangsspannungen anzuzeigen. Die Zeitverzögerung T₁ einer Spannungswelle hinter der anderen wird gemessen und zusammen mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle durch das geerdete Gehäuse 3 und 15 zur Berechnung verwendet, die für die Lokalisierung der Metallteilchen erforderlich ist. Wenn ein Differentialverstärker 16 verwendet wird, können äußere, mechanische, niederfrequente Geräuschspannungen, die durch die geerdeten Gehäuse 3 und 15 übertragen und durch die Meßelemente 5 gemessen werden, ausgeschaltet werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung verbessert.

Wie in Fig. 7 dargestellt, sind Differentialmeßelemente 14a und 14b verschiedener Polaritäten an den gleichen Stellen montiert und so angeordnet, daß sie eine zusätzliche Differentialoperation ausführen. Durch die zusätzliche Differentialoperation wird die Empfindlichkeit der Messung erhöht.

Das in den Fig. 5A, 5B, 6, 7 und 8 dargestellte Meßgerät ist verhältnismäßig sperrig, und es erfordert eine Wechselspannungsquelle. Dies ist bei gewissen Anwendungen nachteilig. Auch muß für eine Messung von Metallteilchen in einem hoch gelegenen elektri-

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sehen Gerät ein besonderer Träger verwendet werden.

Fig. 8 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung. Der Ausgang eines Ultraschall-Meßelementes 5 wird über ein Kabel 6 einem Verstärker 22 zugeführt, und es wird dieses Ausgangssignal auf einen ausreichend hohen Pegel verstärkt. Der Ausgang des Verstärkers 22 wird von einem Detektor 23 festgestellt, um in eine Welle umgeformt zu werden, die für den Antrieb eines direkt anzeigenden Anzeigegerätes, wie z.B. ein Zeigermeßgerät 24, geeignet ist. Das Meßgerät 24 kann ein Scheitelwert-Meßgerät oder ein Mittelwert-Meßgerät sein. Der Verstärker 22, der Detektor 23 und das Meßgeräte 24 bilden eine vereinfachte Meßeinrichtung 21 , die durch eine tragbare Energiequelle, wie z.B. eine Batterie (Trokkenzellen oder Kadmiumzellen) erregt wird und somit keine Wechselspannungsquelle erfordert. Wenn die Anzeige des Meßgerätes größer als ein spezifischer Wert ist, kann die Anwesenheit von Metallteilchen angenommen werden.

Es sind Klemmen 25 am Ausgang des Verstärkers 7 vorgesehen, um den Anschluß eines Synchroskops zu ermöglichen, durch den die Wellenform der Spannung beobachtet werden kann, so daß bestimmt werden kann, ob die vorhandenen Metallteilchen nadeiförmig oder kugelförmig sind, und welche Größe die Metallteilchen haben.

Wie in Fig. 9 gezeigt, kann zwischen den Detektor 23 und das Meßgerät 24 ein Bandfilter 26 eingesetzt werden, so daß nur die gemessene Spannung einer vorbestimmten Frequenz dem Meßgerät 10 zuführt wird. Der Einsatz des Bandfilters 26 ist vorteilhaft zur Unterdrückung von Rauschspannungen, um dem Meßgerät 24 ein Signal zuzuführen, welches die von den Rauschspannungen befreiten

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Ultraschallwellen anzeigt.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Zeigermeßgerät 24 nach Fig. 9 ist ersetzt durch einen Analog/Digital-Konverter 27 und ein Digital-Anzeigegerät 28.

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Claims

DIPL.-ING. KLAUS BEHN DIPL. PHYS. ROBERT MÜNZHUBER 2900739 PATENTANWÄLTE WIDENMAYERSTRASSE 6 D 8000 MÜNCHEN 22 TEL- (089) 222330 295192 10. Januar 1979 A 379 B/ib PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Feststellung von Fremdteilchen in einem gasdichten elektrischen Gerät mit einem ein isolierendes Gas enthaltenden geerdeten Gefäß, das einen Hochspannung führenden Teil enthält, dadurch gekennzeichnet, daß an den Hochspannung führenden Teil eine Spannung angelegt wird, um Ultraschallwellen zu erzeugen, die sich durch das Gefäß fortpflanzen, daß die sich durch das Gefäß fortpflanzenden Ultraschallwellen gemessen werden und daß die unterschiedlichen Größen der gemessenen Ultraschallwellen festgestellt und so die Form der Fremdteilchen bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen durch den Zusammenprall der Fremdteilchen mit dem Gefäß erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sich durch das Gefäß fortpflanzenden Ultraschallwellen an mehreren voneinander getrennten Stellen auf dem Gefäß gemessen werden und daß die Zeitdifferenz zwischen den Ultraschallwellenmessungen an diesen Stellen und den Ultraschallwellen errechnet werden, um die Fremdteilchen zu lokalisieren.

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4. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gefäß (3,12) eine Meßvorrichtung (5) angeordnet ist, welche die durch die in'dem Gefäß befindlichen Fremdteilchen erzeugten und sich durch das Gefäß fortpflanzenden Ultraschallwellen mißt.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung mehrere mit Abstand voneinander angeordnete Meßelemente (5) enthält.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Meßelementen (5) und der Anzeigevorrichtung (8) ein Differentialverstärker (16) angeordnet ist.

7. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausschaltung von Rauschspannungen aus dem Ausgangssignal der Meßvorrichtung ein Bandfilter (26) vorgesehen ist.

8. Gerät nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Anzeigevorrichtung (8) ein direkt anzeigendes Instrument ist.

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