05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Quantitative analysis of the sensitivity of UHF sensor positions on a 420 kV power transformer based on electromagnetic simulation(2019) Beura, Chandra Prakash; Beltle, Michael; Tenbohlen, Stefan; Siegel, MartinWith an increasing interest in ultra-high frequency (UHF) partial discharge (PD) measurements for the continuous monitoring of power transformers, it is necessary to know where to place the UHF sensors on the tank wall. Placing a sensor in an area with many obstructions may lead to a decrease in sensitivity to the UHF signals. In this contribution, a previously validated simulation model of a three-phase 300 MVA, 420 kV power transformer is used to perform a sensitivity analysis to determine the most sensitive sensor positions on the tank wall when PD activity occurs inside the windings. A matrix of UHF sensors located on the transformer tank is used to perform the sensitivity analysis. Some of the windings are designed as layer windings, thus preventing the UHF signals from traveling through them and creating a realistic situation with very indirect propagation from source to sensor. Based on these findings, sensor configurations optimized for UHF signal sensitivity, which is also required for PD source localization, are recommended for localization purposes. Additionally, the propagation and attenuation of the UHF signals inside the windings and the tank are discussed in both oil and air.Item Open Access Einfluss der Abschlussimpedanz von Hochvoltkabeln auf Funkstörgrößen in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen(2012) Reuter, Martin; Waible, Manuel; Tenbohlen, Stefan; Köhler, WolfgangIn diesem Beitrag wird die Frage untersucht, welche Auswirkung die Fehlanpassung von Kfz-Hochvoltkabeln auf EMV-Störgrößen in der Komponentenmessung nach CISPR 25 hat.Item Open Access Assessment of overload capabilities of power transformers by thermal modelling(2011) Schmidt, Nicolas; Tenbohlen, Stefan; Skrzypek, Raimund; Dolata, BartekThis contribution presents an approach to determine the overload capabilities of oil-cooled power transformers depending on the ambient temperature. For this purpose the investigated method introduces a simplified, empirical based thermal model that predicts changes in oil temperature with high accuracy. This model considers the entire transformer as a single, homogenous tempered body with a certain thermal capacity. All electrical losses are perceived as an input of equally distributed heat and assumed to be the sum of the load and no-load losses given by the transformer design. In contrary to earlier approaches the heat exchange with the ambience is modelled as a complex function depending first of all on the temperature difference between the transformer and its surroundings. Furthermore, the loading rate, material properties, levels of temperatures and emerging temperature gradients are taken into account as influencing factors determining the heat exchange. To display the behaviour of a specific transformer, the model employs several empirical factors. For determination of these empirical factors an evaluation time of two to four representative weeks of transformer operation is found to be sufficient. To validate the created model and test its operational reliability, measuring data from several ONAN- and ONAF-transformers are consulted. These data sets comprise the top oil and ambient temperature as well as the loading rate and the status of the cooling system. Furthermore, the corresponding name plate data is integrated. Subsequently to the calculation of the top oil temperature, the maximum constant loading rate resulting in a hot-spot temperature below critical level is determined based upon the remarks of IEC 60076 - 7 [1]. Finally, a characteristic linear function for each investigated transformer displaying the maximum loading rate depending solely on the ambient temperature is derived. In case of the investigated ONAN- and ONAF-transformers within a power range of 31.5 - 63 MVA, significant overload potentials could be disclosed.Item Open Access Suitability of ultra high frequency partial discharge measurement for quality assurance and testing of power transformers(2013) Tenbohlen, Stefan; Siegel, Martin; Beltle, Michael; Reuter, MartinWell known reasons for local failures in power transformers are caused by partial discharges (PD) in the electric insulation. Continuous deterioration over time increases the defect which finally can lead to a breakdown of the entire insulation. The importance of PD measurement is accommodated by standardized electrical measurement according to IEC 60270 [1] which is required for acceptance certificates at routine testing. Therefore, the apparent charge QIEC has become an important value for transformer quality. Since a couple of years, alternative measurement methods for PD are used. Originally developed for gas insulated systems [2], [3], ultra high frequency (UHF) measurement found its way into transformer diagnosis over the last years [4]. To become an accepted quality factor, UHF has to be proven a reliable testing method, which can bear up against electrical measurements. Therefore, the general physics of UHF PD has to be considered at first. Ultra-high-frequency antennas measure electromagnetic emissions of PD directly in-oil inside a transformer. It becomes apparent, that UHF measurement usually is advantageous concerning external disturbances. Compared to the electric measurement, the UHF method is robust against external signals [5], which makes it suitable for both, offsite measurement at routine testing under laboratory conditions with low ambient noise and onsite, e.g. after transportation and installation of transformers with usually high noise levels. These considerations make the UHF method interesting as supplement for transformer routine tests. Therefore, a sensor calibration or at least a validation of its sensitivity is required [6] comparable to the electrical measurement. To provide profound knowledge of the equipment, the antenna factor (AF) of the UHF sensor needs to be determined under inside-transformer conditions. This contribution shows the determination of the UHF sensor’s AF using a Gigahertz-Transversal-Electro-Magnetic Setup (GTEM cell). To meet inside-transformer conditions, an oil-filled GTEM cell is required for correct permittivity. Correction factors can then be introduced to minimize measurement errors and to establish better comparability of different UHF sensors. Hence, a standard test setup can be defined.Item Open Access Influence of termination impedance on conducted emissions in automotive high voltage networks(2012) Reuter, Martin; Tenbohlen, Stefan; Köhler, WolfgangThis contribution investigates the effect of changed network topologies within HV systems on component level EMC tests. Therefore the recent state of art in component level testing is presented and the differences of LV and HV network topologies are discussed. An adaption of the component level test setup for HV components is introduced and a minimized HV system investigated. Results of a case study on an inverter for a hybrid car are presented and the impact of the measurements in the design of HV systems will be discussed.Item Open Access Zustandsabhängiges, risikobasiertes Asset-Management in der Energieversorgung(2007) Osztermayer, Jozsef; Feser, Kurt (Prof. Dr.-Ing.Dr.h.c.)Für die vorliegende Arbeit versteht man unter risikobasiertem und funktionsübergreifendem Asset-Management (RB&FÜAM) die risikobewusste Verwaltung von technischen Anlagen während ihrer gesamten Lebensdauer. Die konkrete Aufgabe ist dabei, die betriebsmittelrelevanten Aktivitäten zeitlich und inhaltlich funktionsübergreifend so zu koordinieren, dass die strategischen Unternehmensziele bei minimalen Anlagenkosten erreicht werden können. In der Tat geht es um die optimale Geldmittelallokation unter den Kernprozessen des Unternehmens, welche die Vernetzung von aktuellen risikorelevanten Informationen über das gesamte Anlagenportfolio voraussetzt. Die wesentlichen Nachteile der traditionellen Asset-Management Ansätze lassen sich wie folgt zusammenfassen: 1. Die Ursache-Wirkungskette zwischen den risikorelevanten Anlagendaten und der zugehörigen prozesscharakterisierenden Zielkennzahl (z.B. Instandhaltungsbudget) ist für Entscheidungsträger nicht transparent. Der Koordinationsaufwand und die Prozessdurchlaufzeit für die Entscheidungsunterstützung ist unverhältnismäßig groß. 2. Die rechnergestützte Überwachung von betriebswirtschaftlichen Prozessindikatoren, die ihrerseits vom Anlagenzustand abhängig sind, ist wegen mangelnder Methodenkompetenz für die Informationsverzahnung nicht möglich. Um diese Unzulänglichkeiten zu eliminieren, wurde der vorliegende Ansatz entwickelt. Hierbei wird der Anlagenzustand mittels Fuzzy-Logik anhand von aktuellen zustandsrelevanten Messgrößen der fehleranfälligen Anlagenkomponenten online geschätzt und die monetären Konsequenzen des Anlagenzustandes in Form eines Katalogs für Instandhaltungsszenarien formalisiert. Das von den fehlerbehafteten Anlagenkomponenten bzw. der Anlage ausgehende Risiko wird dabei durch den monetären Erwartungswert für die Durchführung eines dem aktuellen Zustand angemessenen Instandhaltungsszenarios berechnet. Als Alternative zur erwähnten Beschreibung des Risikos mit Erwartungswert kann auch die vektorbasierte Methode eingesetzt werden. In diesem Fall wird das Risiko durch die lineare Kombination des Zustandes und der Wichtigkeit der jeweiligen Betrachtungseinheit abgebildet. Nachdem der neue Ansatz durch die theoretische Behandlung der relevanten Basisdisziplinen fundiert wurde, wird die Anwendung der erarbeiteten Methode in zwei Fallbeispielen demonstriert. Während im Beispiel bezüglich einer Gruppe von Leistungstransformatoren die vektorbasierte Risikoanalyse eine Anwendung findet, wird das zustandsbedingte Risiko in der Analyse für ein Leistungsschalterportfolio mittels Bildung von entsprechenden Erwartungswerten abgebildet. Gemäß den Forderungen in der Praxis wurde die verursachungsgerechte Zusammenführung der Zustandsverschlechterung von Betriebsmittelkomponenten durch einen adäquaten Algorithmus, basierend auf der Theorie der Zielkostenrechnung, gelöst. Die Berechnungsvorschrift ermöglicht den Zustandsverschlechterungsgrad jeder Komponente einer zweckmäßig aufgebauten Anlagenhierarchie zu berechnen und damit die Überwachung des Zustandsforschrittes jeweils auf die zeitliche Verfolgung einer einzigen Zustandskennzahl zu reduzieren. Diese Möglichkeit gewinnt an Bedeutung beim Aufsteigen in der Systemhierarchie. Weil die Kennzahlabbildung durchgängig formalisiert ist, bietet der Ansatz umfassende Möglichkeiten auch für die Ursachenforschung. Da die weiteren Algorithmen für die anlagencharakterisierenden Indikatoren wie: 1. Anlagenpriorität für Ersatzinvestition 2. Ausfallwahrscheinlichkeit einer Betriebsmittelkomponente 3. finanzielles Risiko für Ersatz bzw. Instandhaltung 4. Priorität für Instandhaltung auf dem relevanten Wahrscheinlichkeitswert für Ersatz, Ausfall und Durchführung des aktuellen Instandhaltungsszenarios basieren, wird der Übergang vom aktuellen Zustandsverschlechterungsgrad zu den erwähnten Wahrscheinlichkeiten diskutiert. Mit Hilfe des vorgestellten Ansatzes, dessen Umsetzung durch ein modular aufgebautes Simulink-Modell getestet wurde, kann man eine fundierte Entscheidungsunterstützung für die folgenden Kernprozesse online zur Verfügung stellen: 1. Budgetierung von Instandhaltungskosten 2. Budgetierung von Kosten für Ersatzinvestitionen 3. zustandsbasierte Schätzung der Restlebensdauer einer Anlage Die nachstehenden Analysemöglichkeiten ergeben sich durch das AM-Modell: a. kontinuierliche Risikostrukturanalyse im selektierten Anlagenportfolio b. Simulation der Auswirkungen von geplanten risikominimierenden Maßnahmen auf unterschiedlicher Ebene der Anlagenhierarchie c. trendbasierte Prognose für die Kennzahlen anhand historischer Daten d. komponentenbezogene Archivierung von Wissen über die noch nicht vollständig erforschten Fehlermechanismen in Form von Beurteilungsregeln.Item Open Access Schwung-Energiespeicher-System mit supraleitenden Magnetlagern(2002) Koch, Ralf; Gutt, Hans-Joachim (Prof. Dr.)Schwungrad-Energiespeicher-Systeme (SES) sind in der Lage, zeitlich begrenzt anfallende Überschussenergie aufzunehmen, über einen gewissen Zeitraum zu speichern und im Bedarfsfall, ebenfalls wieder zeitlich begrenzt, abzugeben. Das in dieser Arbeit entwickelte System basiert auf einem neuartigen, passivmagnetischem Konzept zur Lagerung eines Rotors unter Verwendung von schmelztexturierten Hochtemperatursupraleitern (HTS). Die Pinning-Eigenschaften der 1986 von Bednorz und Müller entdeckten harten Typ II- Supraleiter ermöglichen eine technische Realisierung von Magnetlagern ohne aktiv-elektromagnetische Regelung. Die beiden herausragenden Eigenschaften, sehr geringe Reibungsverluste und die Möglichkeit des Betriebs im Hochvakuum, favorisieren supraleitende Magnetlager für den Einsatz in Schwungenergiespeichern. Darüberhinaus bieten diese Magnetlager eine erhöhte Sicherheit aufgrund ihres absolut passiven Charakters, was im Vergleich zu aktiven Magnetlagern einen besonderen Vorteil darstellt. Das Hauptaugenmerk bei der vorliegenden Entwicklung lag darauf, die Verluste während der Speicherzeit auf einen Minimum zu reduzieren. Dadurch wird der Energiewirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Ausführungen deutlich verbessert. Ausgehend von der Entwicklung und Untersuchung der elektrischen Antriebsmaschine wurde ein Gesamtsystem entwickelt, welches die gesamtheitliche Bewertung einer neuartigen Technik ermöglicht und wichtige Erkenntnisse im Hinblick auf den praktischen Einsatz bringt.Item Open Access Identifikation und Prädiktion von Fehlern bei Käfigläufer-Niederspannungs-Normmotoren(2003) Haug, Christoph; Gutt, Hans-Joachim (Prof. Dr.)In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Diagnosesystems für Käfigläufer-Niederspannungs-Normmotoren beschrieben. Dabei wurde insbesondere versucht ein System zu entwickeln, welches den niederen Kosten dieser IEC-Normmotoren gerecht wird und mit möglichst wenig Aufwand realisiert werden kann. Dazu gehört, dass dieses Diagnosesystem ohne eine Strommessung auskommt und die entwickelten und verwendeten Komponenten für sämtliche Baugrößen Verwendung finden können. Ausgehend von einer Anwenderbefragung wurde ein Systemkonzept für solch ein Diagnosesystem ausgearbeitet. Dabei wurde versucht die Vorschläge und Wünsche als Ergebnis dieser Umfrage zu berücksichtigen. Weiterhin wurden bei der Konzeption die Bedürfnisse der Motorhersteller in Betracht gezogen und die Ergebnisse der Untersuchung der zu diagnostizierenden Normmotoren integriert. Anhand der Systemkonzeption wurde eine Hardware realisiert, welche über Sensoren den Motorzustand erfasst, auswertet und die Ergebnisse an einen Prozessrechner oder Visualisierungsrechner, z. B. als Alarmmeldungen, über einen Feldbus weitergibt. Weiterhin ist es möglich Alarme direkt am Gerät visuell auszugeben. Zur Diagnose der Sensormesswerte wurden Algorithmen entwickelt und als Software unter einem Echtzeitbetriebssystem implementiert. Dabei wurde auf Modularität und die Möglichkeit späterer Erweiterungen wert gelegt. Insbesonders wurden bei der Diagnose des Motorzustandes die Motorvibrationen am Motorlager und am Klemmenkasten der Maschine mittels piezokeramischer und mikromechanischer Beschleunigungssensoren untersucht. Dabei können bei einer Vibrationsmessung am Klemmenkasten die Verhältnisse im Luftspaltfeld analysiert werden. Weiterhin wurde versucht die Werte von Drehmoment und Motorstrom möglichst genau durch Auswertung der zur Verfügung gestellten Messsignale nachzubilden und so dem Benutzer und weiteren Analysealgorithmen zur Verfügung zu stellen.Item Open Access Water saturation limits and moisture equilibrium curves of alternative insulation systems(2011) Tenbohlen, Stefan; Jovalekic, Mark; Bates, Lisa; Szewczyk, RadoslawA method developed for establishing moisture equilibrium curves for any combination of liquid and solid insulation is presented in this paper. Moisture saturation curves for natural and synthetic esters have been presented in the temperature range up to 140°C together with curve for mineral oil as a reference. Sorption isotherms have been established for cellulose based and aramid fiber based materials. Eventually, the moisture equilibrium diagrams have been created for given combinations of solids and liquids. Moisture equilibrium curves have been created for combinations of mineral oil and ester fluids with aramid fiber based papers and boards, as they are commonly used in alternative insulation systems. The new curves give information on moisture distribution within the alternative insulation systems and may be critical for setting the material choices, design rules and maintenance guidelines for equipment using these combinations. Only then the materials could be used optimally and their specific characteristics could bring full range of benefits to the equipment. Also the condition monitoring and diagnostics for the purpose of asset management will be more reliable when these new characteristics are used. It has been observed that insulation components made of aramid insulation may have lower water content comparing to cellulose based conventional materials at the same water content measured in dielectric liquid. As a result, the performance of aramid insulation components may be less sensitive to moisture in oil (aging processes, dielectric strength, partial discharge performance) comparing to conventional systems based on cellulose.Item Open Access A comprehensive analysis of windings electrical and mechanical faults using a high-frequency model(2019) Tahir, Mehran; Tenbohlen, StefanThe measurement procedures for frequency response analysis (FRA) of power transformers are well documented in IEC and IEEE standards. However, the interpretation of FRA results is still far from reaching an accepted methodology and is limited to the analysis of the experts. The dilemma is that there are limited case studies available to understand the effect of different faults. Additionally, due to the destructive nature, it is not possible to apply the real mechanical deformations in the transformer windings to obtain the data. To solve these issues, in this contribution, the physical geometry of a three-phase transformer is simulated using 3D finite integration analysis to emulate the real transformer operation. The novelty of this model is that FRA traces are directly obtained from the 3D model of windings without estimating and solving lumped parameter circuit models. At first, the method is validated with a simple experimental setup. Afterwards, different mechanical and electrical faults are simulated, and their effects on FRA are discussed objectively. A key contribution of this paper is the winding assessment factor it introduces based on the standard deviation of difference (SDD) to detect and classify different electrical and mechanical faults. The results reveal that the proposed model provides the ability of precise and accurate fault simulation. By using SDD, different deviation patterns can be characterized for different faults, which makes fault classification possible. Thus, it provides a way forward towards the establishment of the standard algorithm for a reliable and automatic assessment of transformer FRA results.