数字化变压器的制作方法

本发明涉及一种用于连接在高压电网上的电气设备，所述电气设备具有能磁化的芯、至少一个设置用于在所述芯中产生磁场的线圈和成组的测量传感器，所述测量传感器在输出侧提供测量信号。

这种电气设备例如由专利文献wo2012/142355a1已知。在所述专利文献中公开了一系列装备有所谓的″在线传感器″的变压器。所述在线传感器例如检测变压器的油中的湿度、所述油的流通的、分级开关的或者冷却系统的状态。此外建议，在线传感器针对上述油湿度、绕组温度、继电器的、例如布赫霍尔茨继电器的状态检测并且传输至中央计算系统中。还能够为所述中央计算系统提供所谓的″离线数据″，并且所述中央计算系统既包括硬件部件也包括软件部件。中央计算系统分析测量信号，从而能够判断装备有相应的在线传感器的变压器是否必须马上进行维修或者可能在危险运行中损坏。

设计为变压器的电气设备用于将高压转换为低压或者将低压转换为高压，并且应用在电能传输和电能分配的整个领域中。电力变压器用于在大约50kv至1000kv范围内的高压下在长距离上传输电能。尤其是在运行电压较高时，电力变压器可能具有数百吨的重量，并且与单户住宅的尺寸相当。配电变压器相对较紧凑并且例如也可以固定在电源桅杆或轨道交通工具上。所有变压器的共同点在于，所述变压器具有芯和相互感应地耦连的绕组。绕组在运行期间处于高压电位。绝缘材料用于绝缘和冷却绕组，所述绝缘材料在电力变压器的情况下可以是流体、例如油、酯液体或者也可以是气体。

配电变压器也可以具有填充有绝缘流体的容器。然而与此不同地也可行的是，将配电变压器设计为所谓的干式变压器，其中，将绕组嵌入固体、例如环氧树脂中，而不嵌入液态的或者气态的绝缘介质。

在故障情况下，变压器是对于电网供电的安全性而言关键的构件，因为供电由于变压器的故障而中断。因此期望的是，能够远程地并且由此在线地监测变压器的状态，以便尽可能地预防故障。

开篇所述的电气设备具有的弊端在于，测量传感器必须是单独地联网的。尽管这实现了使测量传感器灵活地与电气设备的相应的使用位置适配。然而另一方面，能联网的测量传感器是耗费的、易出现故障的并且成本高昂的。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种开篇所述类型的电气设备，所述电气设备成本低廉并且同时能够在电能传输和电能分配的整个领域中灵活地满足现存的各种要求。

本发明解决所述技术问题的方式是，设置有至少一个具有壳体的通讯单元，在所述壳体中布置有gsm模块以及多个模拟的和多个数字的测量输入端，其中，多个测量传感器与通讯单元连接并且相应的通讯单元设置用于处理从不同的测量信号中获取的测量数据。

按照本发明的电气设备装备有通讯单元，所述通讯单元具有带有多个测量输入端的壳体，从而使布置在电气设备中的整个系列的不同传感器能够灵活地与相应的通信单元连接。如果例如电气设备是用于电压高于50kv的输电电网中的变压器，则所述变压器通常具有填充有绝缘流体的容器或贮存箱。在所述贮存箱中布置有芯和绕组。在这种情况下通常需要用于检测容器中的流体温度的温度传感器。与此不同的是，在具有不超过50kv的电压的配电电网中用于配电的所谓的干式变压器具有不同的传感器，所述传感器例如设置用于绕组温度或者绕组电流。为了能够将相同的通讯单元用于所有电器设备，所述通讯单元在本发明的范围中装备有多个模拟的和数字的输入端。此外，按照本发明地设置有所谓的gsm模块，由通讯单元收集的测量信号能够通过所述gsm模块经由已知的标准传输至远程的、例如基于云的计算单元中。在那里能够接着实现对多个、也分散地设立的电气设备的集中监测。通信单元一方面对分别所需的传感器并且另一方面对已经处理的测量信号的共同传输具有很强的适配性，这相对于开篇所述的具有整个系列的能够单独地联网的传感器的系统而言提供了决定性的优势。在此，在本发明的范围中同样可行的是，电气设备具有传感器，所述传感器不与通讯单元连接。

通讯单元在本发明的范围中具有壳体，所述壳体用于容纳所述通讯单元的电子部件以及用于在整体上固持所述通讯单元。壳体有利地由塑料、烧结的材料或者金属制造并且例如可以布置在电气设备的开关柜中。在一些电气设备中，不可能或不期望将通讯单元布置在电气设备的开关柜中或者提供保护以防污物或者有害天气情况的影响的其它部件中。在这些情况下，通讯单元具有保护壳体，所述保护壳体同样有利地由塑料、烧结的材料或者金属制造并且布置在通讯单元的所有其余部件中。通讯单元优选具有壳体和保护壳体，所述保护壳体保护性地包封所述壳体。保护壳体装备有使信号线缆能够穿过所述保护壳体的壁的信号线缆套管。多条信号线缆在此能够共同地导引通过一个信号线缆套管。不受气候影响的保护壳体优选装备有固定器件，通信单元例如借助所述固定器件固定在露天地设立的电气设备的外部。然而尤其在配电变压器的情况下也可行的是，所述配电变压器布置在建筑中，其中，通讯单元在内部或者外部固定在所述建筑的壁上。

在本发明的范围中，电气设备优选是变压器或者扼流圈。此外可行的是，电气设备具有多个通讯单元，然而其中，每个通讯单元与多个传感器连接。

成组的测量传感器有利地包括绕组电流传感器和位置传感器，所述绕组电流传感器设置用于检测流过绕组的绕组电流，所述位置传感器用于确定电气设备的位置情况。按照这种有利的扩展设计使用下述测量传感器，所述测量传感器既适用于具有填充绝缘流体的容器的电气设备，也适用于固体绝缘的电气设备。所述传感器可与相应的电气设备的类型无关地使用。以此方式能够节省成本。位置传感器原则上能够任意地设计。所述位置传感器例如是存储在通信单元的存储单元上的能够从外部读取的位置信息。然而位置传感器优选设计为能够由轨道中环行的卫星监测的gps天线。gps在此代表对于技术人员已知的全球定位系统。

此外，通讯单元具有电阻温度计。电阻温度计通常包括由下述材料制成的测量探针，所述材料的电阻是取决于温度的。测量探针例如具有铂基体并且具有约100ohm的静态电阻。这种电阻温度传感器也被称为pt-100传感器。pt-100传感器通常由多芯电缆与通讯单元连接，所述多芯电缆具有与这些测量传感器适配的输入段。由此提高了使用通讯模块的灵活性。

此外可能有利的是，每个通讯单元具有usb接口和所谓的以太网接口。usb接口或者以太网接口用于立即读出通讯单元的存储的参数和/或用于访问作为通讯单元的部件的逻辑单元，并且能够借助所述逻辑单元设置通讯单元在检测和处理接收到的测量信号时的作用方式。以太网接口还实现了与互联网的连接。

位置传感器有利地布置在通讯单元的壳体之外。如上文已经阐述的，考虑所谓的gps天线作为位置传感器。所述gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)天线为了确定位置必须被卫星检测。位置传感器由于其能拆卸的固定而能够与通讯单元分离并且例如可以布置在壳体之外，否则所述壳体会屏蔽布置在内部的天线。gps天线可以有利地经由gps信号输入端与通讯单元的其余部件连接。

通讯单元可以具有内部的计时器以用于进行时间信号化(zeitsignalisierung)。计时器例如可以通过gps天线实现。与此不同地设置有附加的计时器，所述附加的计时器根据所谓的ntp时间同步协议工作。

按照一种不同的变型方案，电气设备具有填充有绝缘流体的容器，其中，成组的传感器具有在容器的上部区域中的温度传感器和在所述容器的下部区域中的温度传感器，所述温度传感器分别设置用于检测绝缘流体的温度。按照这种变型方案设置测量传感器并且将所述测量传感器与通讯单元连接，所述传感器设置用于检测绝缘流体的上部的和下部的温度。与此不同，仅在电气设备的容器的一侧上检测绝缘流体的温度。

按照另一种变型方案，每个绕组都嵌在不导电的固体中并且装备有设置用于检测绕组的温度的绕组温度传感器。这种绕组温度传感器优选用于所谓的干式变压器。

通讯单元有利地具有协处理器，所述协处理器在输入侧与测量输入端连接并且在输出侧与主处理器连接，其中，设置有存储单元，所述存储单元与主处理器连接。计算能力的分配是有利的并且保证通讯单元无故障的运行。

按照一种在这方面适宜的扩展设计，协处理器设置用于在得到测量值的同时收集和采样测量信号，在得到测量数据的同时将所述测量值数字化，对数字化的测量数据取平均值并将平均的测量数据转发给主处理器。协处理器由此用于对包含不同传感器的测量数据的测量数据包进行预处理并且尤其是进行整合。在此对测量数据包的测量数据取平均值。测量数据被传递至主处理器。优选在一秒上取平均值，其中，协处理器每秒形成从测量传感器的各种测量信号得出的测量数据的平均值。当然可以通过通讯单元的相应的参数化来改变协处理器取平均值的持续时间，从而改变取平均值的持续时间。

按照一种在这方面适宜的扩展设计，主处理器设置用于接收数字的平均的测量数据并且在获取处理过的测量数据的同时对所述平均的测量数据进行进一步处理、将处理过的测量数据存储在存储单元中并且将加工过的测量数据发送至gsm模块。在本发明的范围中，将预处理的测量数据提供给主处理器，所述主处理器例如对每秒到达的测量数据继续取平均值，并且在一分钟上对所述测量数据取平均值，并将重新取平均值的测量数据存储在存储单元中。这些测量数据同时经由gsm模块传递至中央的计算单元。主处理器的取平均值的时间间隔也可以通过相应的参数化进行设置。

通讯单元适宜地具有逻辑单元。例如可以通过usb接口或者通过以太网输入端访问所述逻辑单元。此外，逻辑单元也用于控制所谓的gsm模块或者通过所述gsm模块被云(cloud)控制。逻辑单元是从所述接口接收请求、输入命令或者参数的并且执行相应指令的软件。

通讯单元适宜地具有装备有输入端开口的保护壳体，壳体被完全包封地布置在所述保护壳体中。保护壳体用于保护通讯单元的电子部件免受污染和其它有害的环境影响、例如雪、雨、日照以及异常高或者异常低的温度。信号线能够通过输入端开口导入具有测量输入端的壳体中。在此也可以将多条信号线导引通过输入端开口。

保护壳体例如具有用于将通讯单元直接固定在电气设备的其它部件上的固定器件。在一种变形方案中，通讯单元布置在开关柜的内部。原本即存在的开关柜可以在本发明的范围中用于容纳通讯单元。

布置在电气设备中的测量传感器与通讯单元的连接原则上是任意的并且通常通过数据链路实现。数据链路例如可以设计为信号线缆，其中，所述信号线缆例如从填充有绝缘流体的贮存箱中流体密封地导引出来。然而在本发明的范围中与此不同地也可行的是，将测量信号无线地传输至传输单元中。

本发明的另外有利的设计方案和优点由以下参照附图对本发明的实施例的描述得出，其中，相同的附图标记表示功能相同的部件，并且其中，

图1在示意性的侧视图中示出了按照本发明的电气设备的实施例，

图2在示意性的视图中示出了电气设备的另一实施例，

图3在逻辑图中示出了按照图1或者图2的电气设备的通讯单元的实施例，

图4示出了按照图3的通讯单元的模拟的测量输入端的实施例，

图5示出了按照图3的通讯单元的pt100输入端的实施例，

图6示出了通信单元的保护壳体的实施例，

图7示出了按照本发明的设备的另一实施例，

图8示出了按照本发明的设备的与图7不同的实施例，并且

图9示意性地示出了能拆卸的位置传感器的实施例。

图1示出了按照本发明的电气设备的实施例，所述电气设备在此设计为变压器1。所示的变压器1是电力变压器并且设置用于连接在345kv的高压电网上。针对导引交流电压的高压电网的每个相都设置有高压套管2，所述高压套管通过未图示的固定器件固定在变压器1的容器3上。每个高压套管2在其远离固定器件的端部上都装备有露天接口，所述露天接口用于安装空气绝缘的露天导线。在容器3的内部布置有芯5，所述芯由能磁化的材料构成，所述材料在此为铁。芯5在此构成闭合的磁路并且具有三个芯柱，在图1中仅能看到其中一个。芯柱分别由彼此同心地布置的绕组包围，其中，在图1中仅能看到高压绕组6，所述高压绕组6包围内部的低压绕组和辅助绕组。每个高压绕组6经由未图示的连接导线与所示的高压套管2的其中一个连接。低压绕组同样经由未示出的连接导线与输出套管和/或与电缆插座连接。变压器1将在此为345kv的输入电压转化为更低的、在此为175.5kv的输出电压。

为了对包围芯5和绕组6的有源部件进行冷却和电绝缘，容器3由绝缘流体填充，所述绝缘流体在此为酯油，其中，设置有补偿容器7用于补偿酯流体的取决于温度的体积波动，所述补偿容器通过连接通道8与容器3的内部空间连接。在容器3的上部区域中能够在其内壁上看到温度传感器9，其中，在所述容器3的下部区域中安设有其它温度传感器10。温度传感器9和10设置用于分别检测绝缘流体、即酯液体在所述上部区域和下部区域处具有的温度。此外，设置有温度传感器11，所述温度传感器11设置用于测量高压绕组6的绕组温度。传感器9、10和11通过未示出的信号线与通讯单元12连接，下文仍将更详细描述所述通讯单元12。

通讯单元12收集输入的测量信号，在获取测量数据的同时将所述测量信号数字化并且在预设的持续时间上对所述测量信号取平均值。最终将平均的测量数据存储在通讯单元的存储单元中，所述存储单元在图1中未图示。此外，通讯单元12具有gsm模块，所述gsm模块实现与计算单元14a的通讯，所述计算单元14a也可以称为所谓云14的组成部分。平均的测量数据被输入gsm模块中并且从所述gsm模块传输至云14。

图2示出了按照本发明的电气设备的另一实施例，所述电气设备又设计为变压器1，然而其中，所述变压器1是所谓的干式变压器。变压器1在此也包括芯5，所述芯5由在上方水平地延伸的磁轭和三个垂直的芯柱构成，所述芯柱分别由多个同心的绕组包围，其中，在所示的剖视图中能够看到高压绕组6和低压绕组15。芯5通常由相互贴靠的铁片构成，从而抑制涡流。变压器1还装备有未图示的传感器，其中，未示出的温度传感器用于检测绕组温度。此外，借助电流测量传感器测量相应的绕组电流。传感器通过同样未示出的信号线与通讯单元12连接，所述通讯单元12又装备有gsm模块并且收集由测量传感器得到的测量信号并且将所述测量信号取平均值和处理以及发送至云14以便监测。在本发明的范围中自然也可行的是，直接将通讯单元固定在干式变压器上。

图3在逻辑图中示出了通讯单元12的结构。通讯单元12具有布置在图3中未示出的壳体中的主处理器13以及协处理器14。此外示出了已经阐述的gsm模块15。为了进行能量供给设置有主供电入口16，通过所述主供电入口能够为协处理器14和主处理器13供给电能。此外可以看到电源开关17，所述电源开关能够由主处理器13控制，以便将gsm模块15与主供电入口连接或者与其断开。此外设置有能量存储单元18，所述能量存储单元例如设计为能充电的蓄电池或者电池。

主处理器13和协处理器14与状态显示器19耦连，所述状态显示器可以从外部观看，并且在所示的实施例中是设计为led的光学的状态显示器19。led显示主处理13和协处理器14的相应的状态。在状态显示器19上方能够看到以太网输入端20并且在所述以太网输入端上方能够看到所谓的usb接口21。usb接口21与协处理器14连接并且以太网接口20与主处理器13连接。

此外能够看到在输出侧连接在协处理器14上的测量输入端22a至22g。测量输入端22a和22b是所谓的数字的输入端。测量输入端22c、22d和22e设计为模拟的输入端。测量输入端22f是用于设计为所谓的pt100传感器的电阻温度计的输入端。输入端22g是所谓的rs-485输入端。rs-485也称为tia-485，其表示异步串行数据传输的标准。技术人员已知该标准，因此可以省去更详细的描述。大范围的测量输入端22a至22g使得通信单元12能够灵活地用于这种在电能传输和分配领域中常见的电气设备。

在此不必真正地使用所有测量输入端22a至22g。在所示的实施例中仅有一个数字的输入端与测量传感器23a连接，而数字的输入端22b保持空闲并且未与传感器连接。模拟的输入端22c与所谓的4-20ma传感器23c连接。与模拟的测量输入端22d连接的传感器23d是所谓的+/-20ma传感器。在下文中将结合图4更详细地阐述区别。

模拟的输入端22e在所示的实施例中同样保持空闲。传感器23f是所谓的pt-100传感器。传感器23g是rs-485传感器，该rs-485传感器在输出侧提供按照rs-485标准的测量信号。

图4以图3的模拟的输入端22c为例示出了模拟的输入端的结构，然而其中，模拟的输入端22d和22e相同地构造。模拟的输入端22c包括插座24，所述插座设置用于容纳传感器22c的形状互补的插塞件。为了扩宽模拟的输入端的应用多样性，为每个模拟的输入端提供能量供给装置25，以便能够为有源的测量传感器、例如4-20ma电流传感器供给电压或电流。能量供给单元25包括真正的能量源26、过流保护装置27以及极化保护装置28。此外设置有过压保护装置29。接着设置有电阻单元30，所述电阻单元的内阻能够通过选择开关31从60ohm调节至120ohm或者相反地调节。选择开关31在此与补偿元件34连接，在所述补偿元件之后又连接有滤波器、例如巴特沃思滤波器35。滤波器35对输入的模拟测量信号进行平滑处理，然后在获取采样值的同时对所述测量信号进行采样，随后通过未图示的模拟/数字转换器将所述采样值数字化。借助选择开关31可行的是，将模拟的测量输入端22c从所谓的4-20ma标准转换至+/-20ma传感器，其中，分别设置的状态通过led显示器36在壳体外视觉地显示。在所示的实施例中自动地实现所述转换，从而进一步提高了通讯箱12的灵活性。

图5详细地示出了用于作为电阻温度计22f的pt100传感器的输入端。pt100传感器通过三元件的信号线缆连接在输入端插座24上。电流源37与输入端插座24连接并且提供pt100传感器所必要的测量电流。输入端插座24之后连接有电阻补偿单元38并且接着又连接有滤波器单元35，所述滤波器单元提供了数字化所需的平滑性。图4和图5中在输出侧提供的平滑的测量信号如上文所述的那样由协处理器在获取数字的测量数据的同时数字化。协处理器在第一取平均范围、例如在一秒上对数字的测量数据取平均值，并且将平均的测量数据提供给主处理器13，由所述主处理器进行进一步处理。因此主处理器13例如具有未图示的存储单元，由所述主处理器例如在第二取平均持续时间上平均后的平均值存储在所述存储单元中。此外，平均值被输入gsm模块15中(参见图3)，所述gsm模块在输出端侧与gsm天线39以及位置传感器天线40连接。gsm天线39和位置传感器天线40优选都布置在壳体之外。借助gsm天线39经由无线电连接将进行了两次平均的测量数据提供给在图1中所示的云计算机14a。

位置传感器天线优选是gps天线。gps天线是全球定位系统的部件，所述全球定位系统能够由分布在地球轨道上的卫星测定位置，从而也能够将设备的位置传送给云计算器14a。

最后，通讯单元12还具有能够与gsm模块15连接的所谓的sim卡读取器41(图3)。

图6示出了按照本发明的通讯单元12的保护壳体42的实施例。在图6右侧的俯视图中示出了保护壳体42的底部部件42a并且在左侧的俯视图中示出了保护壳体42的盖子部件42b。可以看到的是，保护壳体42的底部部件42a具有平坦的底壁，在所述底壁上设置有固定器件43，所述固定器件用于将未图示的内部的壳体固定在保护壳体42中，在所述内部的壳体中布置有前述的除了天线的电子部件。侧壁从底部部件42a的底壁、也就是从附图平面上突出，所述侧壁从所有侧面上围成保护空间。所述四个侧壁的其中一个装备有相邻地布置成列的输入端开口44。输入端开口44允许与测量传感器连接的信号线导入至通讯单元12的输入端上，所述输入端构造在内部的壳体上。不需要的输入端开口由未示出的封闭件封闭。盖子部件42b具有帽罩状地构造的耦连区段45，所述耦连区段通过其侧壁在所有侧面上以一定的间隙跨越底部部件42a的侧壁。针对每个输入开口44都在盖子部件42b的耦连区段的壁上设置有导入间隙。

当壳体布置在底部部件42a中并且固定在该底部部件42a上之后，盖子部件42b可以盖在底部部件42a的侧壁上并且例如通过螺纹连接与所述底部部件机械连接。为此在盖子部件42b中构造有通孔46。通过能够在底部部件42a中看到的通孔，保护壳体42例如可以固定在容器的外侧上或者固定在干式变压器上。布置在保护壳体42中的壳体被所述保护壳体完全地包封并且由此被保护免受污染和有害的天气影响、例如雪或者雨。耦连区段在此具有足够的位置空间，以便容纳gps天线和未布置在内部的壳体中的gps天线。

图7示出了按照本发明的电气设备的另一实施例，所述电气设备又设计为电力变压器并且具有填充有绝缘流体的容器3。附加壳体42固定在容器3上，壳体47在所述附加壳体的内部由虚线表示。

图8示出了按照本发明的电气设备1与图7不同的实施例，不同之处在于通讯单元12连同其壳体47布置在电气设备1的开关柜48内。在这种情况下，开关柜48提供对通讯单元12的必要的保护以防外界影响。因此没有设置附加的保护壳体。

如果壳体47被保护壳体42包封，则gsm天线和gps天线尽管布置在内部的壳体47之外，然而却仍布置在保护壳体42的内部。保护壳体42的盖子部件42b相应地进行设计。

然而在本发明的范围中也可行的是，分别将gps天线40和/或gsm天线39设计为外部天线，从而使所述天线39或者40可以在没有由附加的壳体保护的情况下例如固定在容器的外侧上或者固定在壳体的外壁上。如果壳体47如图7所示的那样布置在通常为金属的开关柜48内，那么这例如是必要的。金属的开关柜48可能会过强地屏蔽布置在其中的天线。

图9示出了单独的天线49的实施例，所述单独的天线既包括gsm天线39也包括gps天线40。所示的单独的天线49设计为外部天线并且具有外部的遮盖帽罩，所述天线39、40被保护地布置在所述遮盖帽罩下方。针对每个天线39、40都在下方从遮盖帽罩中导引出连接导线。