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Einsatz von passiven funkabfragbaren OFW-Sensoren in der elektrischen Energietechnik

Teminova, Renata :
Einsatz von passiven funkabfragbaren OFW-Sensoren in der elektrischen Energietechnik.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einsatz von passiven funkabfragbaren OFW-Sensoren in der elektrischen Energietechnik
Language: German
Abstract:

Mit passiven funkabfragbaren Oberflächenwellen-Sensoren (FOFW-Sensoren) lassen sich physikalische Größen wie Temperatur, Druck oder Moment messen. Ihre wesentlichen Vorteile gegenüber herkömmlichen Messaufnehmern oder Sensoren sind die völlig passive Wirkungsweise, die einen Betrieb ohne eigene Energieversorgung ermöglicht, sowie die drahtlose Hochfrequenz-Messsignalübertragung über Entfernungen bis zu etwa 10-15 Metern auch durch (nicht-metallische) Gehäuse hindurch. Diese Eigenschaften prädestinieren FOFW-Sensoren ganz besonders für den Einsatz in Hochspannungsbetriebsmitteln der elektrischen Energieversorgung. Nachdem bereits ein Temperaturmonitoringsystem für Überspannungsableiter auf Basis von FOFW-Sensoren über mehrere Jahre erfolgreich in Feldversuchen erprobt worden ist, befasst sich dieses an der TU Darmstadt durchgeführte Projekt mit dem Einsatz von FOFW-Sensoren für die Temperaturüberwachung von Freileitungs-Leiterseilen und die Zustandsbewertung von Trennschalterkontakten durch Temperaturmonitoring mit Hilfe fest installierter und mobiler Abfragesysteme. Um die Betriebsfestigkeit und die Einsatzfähigkeit der FOFW-Sensoren sicherzustellen, wurden unterschiedliche Hochspannungs-, Hochstrom-, thermische und Lichtbogenbeanspruchungsprüfungen im Labor durchgeführt, um sie für die geplanten Anwendungen zu qualifizieren. Alle Laboruntersuchungen bestätigten, dass FOFW-Sensoren, wie es ihr Wirkungsprinzip auch erwarten lässt, eine äußerst robuste und störunanfällige Technik darstellen. Ein FOFW-Sensor besteht allgemein aus einem FOFW-Sensorchip, einer Sensorantenne (zum Senden und Empfangen des HF-Signals) und einem Gehäuse (Schutz gegen klimatische Bedingungen). Man muss hierbei einen Kompromiss zwischen den thermischen, dielektrischen und HF-technischen Eigenschaften finden. Gleichzeitig muss er sich leicht installieren lassen. Diese Anforderungen an den FOFW-Sensor haben sich als sehr schwer koordinierbar herausgestellt. Besonders schwierig ist, es eine hohe Messunsicherheit zu erreichen. Es wurde zunächst ein FOFW-Sensor für die Leiterseiltemperaturmessung entwickelt. Dieser ist HF-technisch und dielektrisch optimiert. Alle derzeit laufenden Feldversuche wurden mit diesem Sensor gestartet. Seine thermischen Eigenschaften sind jedoch, wie sich im Laufe der Zeit herausstellte, noch nicht optimal. Zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften der FOFW-Sensoren bieten sich grundsätzlich zwei Möglichkeiten an. Man kann entweder das Gehäuse so gestalten, dass es praktisch keinen Einfluss auf die gemessene Temperatur hat, oder man kann die verfälschte Temperatur mit einer Korrelationsrechnung korrigieren. Beide Möglichkeiten wurden parallel verfolgt. Als erstes wurde ein thermisch optimierter Sensor für die Leiterseiltemperaturmessung entwickelt. Die zweite Möglichkeit, die thermischen Eigenschaften der FOFW-Sensoren zu verbessern, ist die Korrekturrechnung. Mit Hilfe von Entfaltung und Faltung lässt sich aus einer bekannten Sensortemperatur die Leiterseiltemperatur bestimmen. Im Labor wurde die Korrekturrechnung für den nicht thermisch-optimierten FOFW-Leiterseiltemperatursensor getestet. Es wurde festgestellt, dass eine Korrekturrechung im Prinzip möglich ist. In Feldversuchen wurden mehrere Sensoren in Freileitungen eingebaut, um das gesamte Messsystem unter realen Betriebs¬bedingungen zu erproben und zu optimieren. Dabei wurden sowohl fest installierte als auch mobile Abfragesysteme vorgesehen. In Feldversuchen konnte gezeigt werden, dass die FOFW-Technik grundsätzlich einsatzreif für das Leiterseiltemperaturmonitoring ist. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Dissertation läuft der erste dieser Feldversuche bereits seit über 3 Jahren. Der zweite Teil des Projektes beschäftigt sich mit der Zustandsbewertung von Trennschalterkontakten. Für diese Zwecke wurde ein nach dem gleichen Prinzip arbeitender FOFW-Sensor entwickelt. Dieser Sensor ist HF-technisch, dielektrisch und thermisch optimiert. Verschiedene Trennschalterarten wurden im Labor untersucht: ein 420-kV-Einsäulentrennschalter (im gebrauchten Zustand) und ein neuer 245-kV-Drehtrennschalter. Als erstes wurde die Position des Trennschaltersensors für diese zwei Trennschalterarten bestimmt. Für die Wahl der Position wurden dabei verschiedene Gesichtspunkte berücksichtigt. Zum einen soll der Sensor nicht durch Lichtbögen beschädigt werden, und zum anderen soll eine sichere Abfrage der Sensoren und eine Erkennung von Fehlern möglich sein. Danach wurden die thermischen Eigenschaften des FOFW-Sensors an der gewählten Position und die Möglichkeit, Fehler zu erkennen untersucht. Anschließend wurden zwei Feldversuche gestartet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Passive remote Surface Acoustic Wave (SAW) sensors have been applied e.g. as temperature, pressure or torque sensors. Their important advantages over standard methods are their passive operating principle, which allows operation without any power supply, as well as the wireless high-frequency signal transmission over distances up to about 10…15 m even through (non metallic) housings. These properties of SAW sensors particularly qualify them for applications in high voltage operational equipment. First experience was gained in a long time field test of surge arrester monitoring based on SAW temperature sensors in a German high-voltage substation. Now, this system has been further developed at Darmstadt University of Technology for other applications, the first of them being an overhead line (OHL) conductor temperature measurement, the second one a temperature monitoring system for of high-voltage disconnectors. After designing and building the sensors, extensive laboratory tests were carried out applying high-voltage, high-current and thermal stress in order to approve the suitability for the intended application. All these tests confirmed the assumption that SAW sensors, due to their passive working principle, are not affected at all by any kind of electrical, magnetic or thermal stress that may occur during service. The complete temperature sensor consists of three parts: a sensor chip, an antenna which receives and transmits the signal from and to the radar unit and a body for installation and for protection against environmental impact. One must find a good compromise between optimizing of thermal, dielectric and high-frequency characteristics and at the same time taking into consideration a simple installation. These requirements on the SAW sensors turned out to be difficult to coordinate. To achieve a high measuring precision is especially difficult. First, a new sensor for OHL application was developed. The OHL conductor temperature sensor had been optimized with regard to low-frequency dielectric and high-frequency transmission characteristics. But it has turned out over time that its thermal properties are not optimal. For this reason, the sensor has to be thermally optimized. The problem may be overcome by two alternative or combined approaches: optimization of the thermal parameters of the sensor (thermal capacitance, heat transfer resistances) in order to minimize the influence on the OHL conductor temperature, or corrective calculations based on the raw data of temperature information. Both approaches are actually being investigated. The first approach to a sensor reconfiguration is to design a smaller sensor body, i.e. to minimize its volume, mass and surface area. For this purpose, a new sensor has been developed. The second possibility to improve the thermal properties of the SAW sensors is the correction calculation. By the use of deconvolution and convolution the OHL conductor temperature could be calculated from a known sensor temperature. The correction calculation of the not thermal optimized SAW sensor was tested in the laboratory. It was considered to be possible in principle. In a next step, a couple of sensors have been installed in different field tests in order to test and optimize the entire measuring system under real operation conditions. Both mobile (for occasional temperature measurements) and stationary (for online monitoring purposes) systems were applied. Service experience with this novel OHL temperature measuring system is quite promising so far. Obviously, the technology in hand is well suitable for this kind of application. A second part of the research project covers temperature measurement of high-voltage disconnectors in order to allow condition monitoring of their contact systems. The working principle is the same as for the overhead line temperature measurement, but the sensor itself is a new development as it has to fulfil completely different requirements. The temperature sensor had been optimized with regard to low-frequency dielectric, high-frequency transmission and thermal characteristics. Different types of disconnectors were studied in the laboratory: a 420-kV pantograph disconnector and 245-kV centre break disconnector. At first the positions of the disconnector sensors at these two disconnectors were determined. Different aspects were considered to choose the position. For one, the sensors should not be damaged by electric arc. For another, a secure read of the sensors and a detection of defects should be possible. Afterwards, the thermal properties of the SAW sensor at the chosen position and the possibility to detect defects were studied. In the end two field tests were started.English
Uncontrolled Keywords: OFW-Sensor, Hochspannungsfreileitungen, Trennschalter, Temperaturmessung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
OFW-Sensor, Hochspannungsfreileitungen, Trennschalter, TemperaturmessungGerman
SAW-Sensor, Over head line, High-voltage disconnector, Temperature measurementEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000901
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9013
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr.- Volker and Großmann, Prof. Dr.- Steffen
Advisors: Hinrichsen, Prof. Dr.- Volker
Refereed: 29 June 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/901
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