带有老化确定单元的避雷器装置的制作方法

本发明涉及一种带有老化确定单元的避雷器装置。

背景技术：

过压保护设备被用于电气工程的许多领域，以保护系统或设备免受过压事件的影响。这些过压保护设备通常与要保护的系统/设备并联连接。

但是，在此指出的是，这些过压保护设备要经受老化过程。老化的一个重要因素是过压事件的导出本身给出。

因此，应不时检查过压保护设备的功能/性能。

在许多区域，安装后不再容易触及过压保护设备。在这一点上，应提及在离岸风力涡轮机中使用过压保护设备或在控制柜中使用过压保护设备。

测试通常很耗时，并且至少会暂时导致失去保护。

因此，在过去，一直寻求解决该缺点的解决方案。

由现有技术，例如de112010004351t5已知提供一种监控装置，其可以检测相对于阈值电压的电压，其中能够评估阈值电压的数量和频率以及超过阈值电压的其他特征。

de102015014468a1公开了一种多级协作式过压避雷器电路，其在横向分支中具有至少一个粗略保护，在纵向和横向路径中具有一个精细保护。监视设备分配给两个保护元件。借助于电流值和特征曲线数据确定损坏。

由de102010038208a1已知一种过压保护装置。通过温度可变电阻器监视过压保护设备的温度。

然而，所有提到的现有技术电路的共同点在于，仅不完整地检测实际损坏行为，使得不能清楚地给出所测得的电信号与对避雷器的实际损坏之间的明确依存关系，并且必须计划安全余量以免给用户带来虚假的安全感。

上述电路假定放电事件以较大的时间间隔实现，因此这些事件可以近似地解释为单个事件。但是，如果事件连续发生，则该假设不再成立。

技术实现要素：

以上述为出发点，本发明的目的是提供一种关于老化的确定的改进，以便能够更好地预测剩余使用寿命。

该目的通过根据权利要求1的具有老化确定单元的避雷器装置来实现。其他有利的实施方式形成了从属权利要求、附图和说明书的主题。

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明。示出的图是：

图1是在0℃的环境温度下避雷器针对不同放电事件的示例性温度曲线；

图2是在20℃的环境温度下避雷器针对不同放电事件的示例性温度曲线；

图3是在80℃的环境温度下避雷器针对不同放电事件的示例性温度曲线；

图4是针对引入热能的示例性降级综合特性曲线；

图5示出了根据本发明的设计方案的具有老化确定单元的避雷器装置结构。

参考标号列表

1老化确定单元

var避雷器

s1第一温度测量单元

mem存储装置

cpu评估单元

dis本地显示器

i/o接口

s2第二温度测量单元

s3湿度测量单元

pe帕尔贴元件。

具体实施方式

下面将参考图1-4更详细地说明本发明。应当注意，实施例描述了不同的方面，可以单独或组合使用。也就是说，除非明确显示为纯替代，否则任何方面均可与本发明的不同实施例一起使用。

此外，为了简单起见，下面通常仅引用一个实体。除非明确指出，否则本发明也可以具有多个相关实体。在这方面，词语“一”、“一个”和“一种”的使用仅应被理解为在简单的实施方式中使用至少一个实体的指示。

在以下描述的方法中，方法的各个步骤可以按任何顺序排列和/或组合，上下文没有另外明确说明。除非另有明确说明，否则这些过程也可以彼此组合。

具有数值的规范通常不应被理解为精确值，而是还包括+/-1％到+/-10％的公差。

对标准或规格或法规的引用应理解为对在注册时适用和/或（如果要求优先权）在优先权注册时适用的或规格或法规的引用。然而，这不应被理解为对随后或替代的或规格或法规的适用性的一般排除。

众所周知，过压保护设备的性能、老化和寿命在很大程度上取决于该设备工作的热边界条件。在那里使用的避雷器的当前温度受外部环境条件和自热影响。

过压事件的发生导致过压避雷器（简称避雷器）中不同的高能量转换，其因为通常约为1μs至1000μs的脉冲的短性而准绝热地存储在避雷器中，即对其进行加热。此外，由于实际的过压事件（例如雷击），可能会在几秒钟的时间内出现一系列不同高度和长度的不规则脉冲。即使在此类事件的情况下，也可以假设在持续几秒钟的事件中没有相关量的热能释放到环境中并且因此该系统仍可以视为绝热的。

这样的脉冲持续时间也会出现在标准测试脉冲中，例如在iec61643-32：2017（或撤回的iec61643-1：2005）中指定。例如，1.2/50μs的冲击电压脉冲为对应于上升时间在单位数微秒范围内的事件，8/20μs的测试脉冲对应于约50μs的冲击电流事件，而10/350μs测试脉冲对应于例如约1000μs的放电事件。

过压事件发生后，避雷器冷却。此过程基本上是连续的，可能需要几分钟。

因此，避雷器代表了一个具有较大时间常数的热积分器，即使具有非常复杂的形状，其也可以将通过过压造成的热量输入转换为简单的加热-冷却曲线。

在整个过程中，避雷器在过程中达到哪个最高温度一方面取决于内部转换的能量，另一方面取决于初始温度，也就是放电事件开始时的温度。

在此，初始温度还由环境温度确定。

在过压事件会短暂彼此跟随的一些情况中，散热通常还没有完成，从而除了环境温度外，避雷器的初始温度还由最后一次放电过程的余热确定。

由对避雷器的放电事件的记录，并考虑到气候边界条件及其性能特征值，能够确定避雷器的损坏或老化程度。

在此，放电过程的能量输入可以通过电流和电压曲线的时间分辨测量来计算。

如果知道放电事件开始时系统的状态，就可以得出关于避雷器var状态的结论。

以压敏电阻为例，很明显，在环境温度为80°c的情况下与在环境温度为20°c的情况下相比，压敏电阻更早地达到最高温度。

对于火花隙也可以预期类似的关系，其熄灭过程是基于使用硬质气体塑料例如聚甲醛（pom）的电弧冷却。

因此，本发明提出，不断地（连续地或以规定的时间间隔）热监视避雷器var，并将所确定的温度数据与相应的避雷器的根据试验确定的热降额特性曲线场进行比较。

随着每个相关的温度事件，避雷器将在降额特性曲线场中达到其使用寿命的尽头。

因此，可以在每个时间点确定当前状态和/或”统计剩余寿命”。

为了在过压保护事件后确保是在没有施加工作电压的情况下进行电气数据处理，可以在避雷器上以热接触的方式附加地安装帕尔帖元件pe，以便可以通过避雷器的热量为评估单元提供电压。

替代地或附加地，也可以借助于感应耦合的系统从脉冲事件中获得用于评估单元cpu的运行能量。

能量可以电容性地（例如在超级电容器中）存储。

避雷器var，也就是说火花隙以及压敏电阻和气体避雷器都会经受取决于温度的老化。在火花隙的情况中可以假设环境温度和相应的放电事件会导致相关的老化，在压敏电阻的情况中，周围的空气湿度也会产生影响。

不受限于一般性，可以在不同环境条件（温度和空气湿度）下利用规范脉冲（8/20μs，10/350μs）确定取决于温度的降解特性场（例如由制造商确定），其中，该脉冲在相应的边界调节下加载，直到避雷器损毁。由此可以为一种类型（或批次）确定特性曲线域。在此，持续地（连续或以规定的时间间隔）测量被测避雷器上的温度。在每个脉冲之后或一系列脉冲之后，确定避雷器的典型特征值，该特征值可以检测到渐进式损坏。

例如测试电压下的泄漏电流，测试电流下的电压变化（1ma点），绝缘电阻和电弧电压的变化可以用作避雷器的典型特征值。

根据这些特征值，可以确定从何时应将避雷器（在最终损毁之前）视为相关损坏（寿命终止）。

不同的极限值可以定义不同的损坏级别，在以后的运行中可以从中得出不同的警告级别。

通过对避雷器的连续温度测量，可以确定热量积分，该热量积分与避雷器直至其（确定的）使用寿命的损坏相关。

不同环境条件下的脉冲负载可以遵循避雷器的通常测试场景-如其由相应的标准，例如iec61643-11：2011等所公开的那样。

在此，可以使用规定的额定泄漏电流in进行“完全工作测试”，直到将避雷器损毁为止。与产品特定的in值（标称电流值）不同，也可以使用增加或减小的in值。

根据避雷器的类型，确定哪种类型的具有相同外部温度分布的脉冲负载会导致更高的内部损坏可能是有用的，因为温度测量无法区分例如短的高电流脉冲和长的低电流脉冲。

在最坏的情况下，如有疑问，应进行试验以确定具有较高损坏可能性的脉冲形状的参考特性场。

在另一种方法中，通过长脉冲和短脉冲来确定经验数据。然后可以确定平均期望值以及最坏情况。

为了根据经验确定老化数据，优选持续地（连续地或以规定的时间间隔）使用脉冲负载。这可以基于电源电压下的，例如已知的临界角下的规范测试（调节）来执行，从而在“最坏情况分析”的意义上总是处于安全区域中。测试应继续进行直到避雷器损毁为止。每个放电过程在避雷器处测得的温度具有图1-3中概述的走向分布。

在图1中示例性地示出了在t0＝0℃的环境温度时对避雷器进行加热和冷却。曲线k1上升到第一最高温度tm,1，然后再次收敛到零。

如果将放电事件重复多次直到避雷器被破坏，则得到避雷器可以应对该温度曲线的频率n。

因此，一条曲线下方的面积f1形成了对在避雷器中发生的损坏的相关度量。

相同的关系适用于其余三个曲线k2，k3，k4，其中，由此试验表明，避雷器应对该温度曲线的频率较低。曲线k5代表一个升温曲线，该曲线在首次出现时已经对避雷器造成了无法接受的损坏。

在检查t0=0°c的环境温度的特性曲线域之后，可以知道，如果环境温度为0°c，则哪个频率的热事件会导致避雷器使用寿命的结束。

在此，非线性损伤发展，例如“高温下的大放电事件会导致不成比例的损坏”，其特征在于根据试验确定了特性曲线域。

例如，形状k1的加热曲线可以重复10000次，形状k2的加热曲线重复1000次，形状k3的加热曲线重复100次，而形状k4的加热曲线仅重复10次。

为了获得避雷器老化的完整图像，必须为进一步的环境温度生成相应的特性曲线域。

图2示例性地示出了环境温度t0=20°c时可能的特性曲线域。

由于环境温度已经高于图1中的温度，因此动态加热曲线也从该较高的温度水平t0开始，并且在热量完全消散/冷却后又返回到那里。另一方面，最高允许温度是避雷器特定的并且与温度无关。最高允许温度因此基本上与图1相同，因为它已经显示出被破坏的避雷器的极限特性。因此，至少曲线k4和k5的最大值基本上保持相同。

从图3还清楚的是，在明显升高的环境温度（这里t0=80°c）下，避雷器允许的额外动态加热的范围变得越来越小。

因此，可以为每种避雷器类型确定唯一的参考特性曲线域，从而可以为该避雷器类型定义工作区域，并为评估允许的环境条件设置极限值。

由此，在安装位置处的已知/已测量的环境温度（t0）时可以得出反映避雷器当前状态或已安装避雷器保护能力的信息。

此外，可以基于起始温度（动态曲线下的面积f1）为每个测得的放电事件/温度分布事件计算相关的损害积分。

累积的损坏积分可以更精确地反映避雷器的持续的损坏情况。

该数据可用于进一步评估和信息处理。

总而言之，可以从所有确定的动态升温曲线以及在各个曲线下的面积创建降级特性图，其中这些面积可以视为相关的损害积分。

为此，在图4中给出了用于避雷器类型的示例性降级图。在此，q（j）对应于输入的热能，展示出了通过热量输入导致的避雷器var的一次损坏q（j）的量度，该热量输入与温度特性曲线域下的曲线的面积大致成比例。

所有面积积分的总和与总导数积分（所有导数的总和）相关，从而可以通过根据试验为每种避雷器类型确定的取决于温度的降级特征曲线域（对于压敏电阻在某些情况下还要考虑空气湿度）得出状态和使用寿命预测。

这些预测值可以连续地并且尤其是在达到避雷器的状态报告的预定义极限值时使用。

在此，所有已知的方法都可以用于状态和/或警报报告。例如，状态和/或警报报告可以通过本地（机械和/或光学和/或电子）显示器dis和/或通过接口i/o提供。接口i/o例如也可以用于远程监控。此类接口i/o例如可以设计成能通过避雷器上的rfid读取。在此，脉冲形状（8/20μs和10/350μs）或任意过压事件来自实际使用，而不会对损坏分析有影响，因为由于系统的高时间常数，整体外部温度曲线仅取决于内部能量转换。这意味着在避雷器var的表面上发生任何放电事件（爆发，1.2/50μs8/20、4/20、10/350μs，10/1000μs，任何脉冲波形）都会导致较高或较低的发热和散热曲线。在发生任何事件后，该方法都会将发生的加热和散热曲线与参考特性曲线域的曲线进行比较，因此无论事件如何，都可以得出避雷器的损坏/老化情况。

根据该方法，可以确定不同的避雷器状态数据，并将其用于评估和客户信息。

如果知道当前的避雷器温度（对避雷器温度的时间分辨测量），则可以由变化的速度来确定环境温度是否有变化（缓慢变化-通常在分钟范围内）或放电事件（快速变化-通常在秒范围内）。

然后可以将检测到的放电事件（快速变化）的数量相加，并提供作为信息。

另外，可以确定每一个放电事件能量，例如通过微分积分i²t。由此可以确定避雷器var的退化水平。替代地或附加地，避雷器var的退化可以从当前环境温度以及在导数（环境温度校正的导数积分）之后根据动态避雷器温度曲线由避雷器中转换的能量来确定。

从压敏电阻的退化信息中，用户可以接收有关退化状态的信息和/或有关使用寿命预测的信息，和/或有关即将更换的避雷器的信息，和/或有关保护是否得到充分保证的信息，或者有多少可能性可以使用，获得和提供全面保护。

此外，当前的最大放电容量例如取决于环境温度/自身温度。

此外，还可以识别环境温度条件（缓慢变化），并可以根据当前的环境温度收集有关环境的相关数据以及压敏电阻的可能老化。如果环境温度一直很高，则可以向用户提供此信息。例如也可以在避雷器var的安装位置处检测环境温度。如果该温度超出产品规格（最高/最低温度），则也可以向用户提供此信息。

如果在发生放电事件（快速温度上升）后已知避雷器的最高温度，则超过给定极限温度的次数可以算作损坏事件。可以适当提供此信息。同样，一旦达到一定数量的损坏事件，就可以认为避雷器受到了可持续的损坏。该信息也可以以适当的方式提供。

根据本发明，提供一种具有老化确定单元1的避雷器装置。

避雷器例如可以是压敏电阻或火花隙或气体避雷器，或由于导体事件而老化的另一个电气元件（半导体组件/半导体开关元件）。图5示出了作为避雷器装置示例结构。

老化确定单元1具有第一温度测量单元s1，其检测避雷器var的热状态。第一温度测量装置s1可以例如是pt100传感器，测量电桥中的热可变电阻器（例如正温度系数电阻或热敏电阻），珀尔帖元件等。

替代地或附加地，第一温度测量单元s1可以是温度辐射传感器，例如红外传感器，其也可以与避雷器var隔开。

此外，老化确定单元1具有存储单元mem和评估单元cpu。

例如，存储单元mem可以是半导体存储器。评估单元cpu可以是微处理器，微控制器（具有内置存储器mem），专用集成电路（asic），现场可编程门阵列（fpga）等。

可以以这样的方式对存储单元mem进行编程，使其包含相同类型的避雷器中由能量输入决定的与温度特性相关联类型的老化数据。数据可以以只读方式存储，以使篡改更加困难。

第一温度测量单元s1被设置为测量避雷器var中的能量输入用以确定的温度特性。

评估单元cpu被配置为：在使用所测得的能量输入确定的温度特性和存储在存储装置mem中取决于类型的老化数据比对情况下确定避雷器var的老化程度。

应该注意的是，例如避雷器var可设计为可插拔。然后例如避雷器var也可以具有存储单元mem，该存储单元可以通过适当的接口连接到评估单元cpu从中读取数据。

但是，也可以提出，在避雷器本身上仅提供一个参考，例如，url，通过它可以将与避雷器var有关的数据加载到存储单元mem中。

不受限于一般性，可以提出，如果确定的老化超过一定的值，则可以通过开关装置保护避雷器var以防过载和/或输出警告消息。在此，可以通过断开或短路避雷器var来实现保护。

不受限于一般性，还可以提出，老化确定单元1还具有本地显示器dis，其显示确定的老化值。例如可以提供彩色显示器，诸如lcd显示器或电子纸（epaper）显示器等的显示器。

不受限于一般性，还可以提出，老化确定单元1还具有接口i/o，通过该接口可以提供确定的老化值。因此可以进行与压敏电阻有关的数据的远程诊断和下载。接口i/o可以是有线和/或无线接口。有线接口的示例是所谓的1-线总线，can总线，lan接口。示例性无线接口是例如是wlan，zigbee，蓝牙，dect，第二代/第三代/第四代/第五代的移动通信，但不限于此。

不受限于一般性，老化确定单元1可以基于已测量的能量输入相对应确定的温度特性的频率和数量来确定预测的剩余使用寿命。

为了能够提供更加精确的结果，不仅可以通过确定避雷器var的温度，而且可以通过确定周围环境的温度。为此目的，老化确定单元1还可以具有用于环境温度t0测量的第二温度测量单元s2，评估单元cpu能够在使用所测得的与能量输入相对应的温度特性以及取决于类型的老化数据和所测得的环境温度的情况下确定避雷器var已老化程度。当确定的老化超过一定值时，则通过开关设备将避雷器var断开，或者通过开关设备将其短路和/或例如在显示器dis上本地输出和/或通过接口i/o输出警告消息。

所述第二温度测量单元s2例如可以是pt100传感器，测量电桥中的热可变电阻器（例如正温度系数电阻或热敏电阻），珀尔帖元件等。

不受限于一般性，也可以提出，评估单元cpu在获得使用所测得的能量输入相对应的温度特性和避雷器（var）类型的老化数据后，通过第二温度测量设备s2测得的当前环境温度，来确定不破坏避雷器var的在该时间点下一个最大放电事件的大小。可以通过显示器dis在本地和/或通过接口i/o远程提供不会破坏避雷器var的下一个最大放电事件的极限值（安全阈值）。如果用户设定的极限值被超过，会发出相应的警告。极限值可以在老化确定单元1上本地输入和/或远程输入（例如，使用i/o接口）。

此外，如果还可以测量其他影响变量，则可能是有利的。例如，对于某些避雷器var，湿度也很重要。老化确定单元1因此还可以具有湿度测量装置s3，其中，评估单元cpu在使用所测得的与能量输入相对应的温度特性以及与类型有关的老化数据以及和所测得的环境湿度的情况下来确定避雷器var的老化了程度，其中，当确定的老化超过危险值时，避雷器var通过开关设备断开连接或通过开关设备短路和/或例如在显示器dis上本地输出和/或通过接口i/o输出警告消息。

湿度测量装置s3例如可以是电容式或电阻式湿度计。

不受限于一般性，存储单元mem可以包含用于类型相同的避雷器中的能量输入决定的温度特性的取决于类型的老化数据，其中，所存储的取决于类型的老化数据是经过试验确定的。

现在，本发明使得可以更完整地记录实际的损坏行为。因此，可以减小先前的安全裕度，并且可以提高设备的安全性和可用性。

这尤其由此实现，即可以更精确地评估以短间隔发生的放电事件。

具有老化确定单元1的避雷器装置可以被提供作为集成的设备或可插入的集合，其中，避雷器var例如可以插入基础设备或基座。

就温度特性而言，在连续的、周期性的或事件控制的测量意义上的温度曲线都可以被指定。例如，某个阈值可以用作触发一个或多个测量的事件。但是，测得的温度梯度也可以用作温度特性的事件。

老化数据例如可以使用如下所述的方法来确定。

确定避雷器var类型和设定环境参数，将确定的避雷器放置在设定的环境中（例如，一定的温度和/或一定的湿度），加载预定的测试脉冲。

然后将能量输入（对应于测试脉冲）并作为设定环境参数的函数求和。在测试脉冲相同的情况下，可以可选地或附加地增加测试脉冲的数量；直到达到一定的老化状态为止，例如损毁或者出现预定的漏电流。

以简单的方式，可以为不同的环境参数创建特征曲线域，其中针对不同的环境参数执行该方法。