1997 - Fachgebiet Hochspannungstechnik - Schering-Institut

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- 24 - Clusteralgorithmen detektieren selbständig ohne Zuhilfenahme von Referenzimpulsen Gemeinsamkeiten in Mustern und teilen diese in homogene Gruppen ein. Dabei wird berücksichtigt, daß die Muster innerhalb einer Gruppe möglichst ähnlich sind, während sich die Cluster untereinander weitestgehend unterscheiden. Zur Beschreibung der Ähnlichkeit bzw. Verschiedenheit der Muster im Merkmalsraum dienen als Distanzmaße häufig der Euklidische Abstand und der City-Block-Abstand. Neben der Mustereinteilung ergeben sich für jede Gruppe Clusterzentren, die berechnete Referenzsignale darstellen. Zur Veranschaulichung einer Clusteranalyse soll beispielhaft ein Datensatz dienen, der drei Dreiecke, ein Viereck und drei Fünfecke enthält. Nach einer Verarbeitung der Muster könnte z. B. die in Bild 1 dargestellte Aufteilung in zwei Cluster erfolgt sein, wobei der Algorithmus idealerweise die Anzahl der Ecken als Unterscheidungskriterium verwendet. 4 5 1 3 6 7 2 Clusterung Bild 1 Clusterung eines Datensatzes mit geometrischen Figuren Zur Ermittlung der Eignung von Clusteralgorithmen für die TE-Meßtechnik wurden - die ISODATA-Methode - das Fuzzy-ISODATA-Verfahren und ein - neuer selbstorganisierender Fuzzy-Clusteralgorithmus untersucht. Der "scharfe" konventionelle ISODATA-Algorithmus (Iterative Self-Organisation Data Analysis Techniques A) bestimmt die optimale Gruppenanzahl selbständig, während der zum Vergleich in die Untersuchungen einbezogene "unscharfe" Fuzzy-ISODATA-Algorithmus (vgl. Jahresbericht 1994) die Vorgabe der Clusteranzahl erfordert. Dafür erlaubt diese Methode aber partielle Zuordnungen der Muster zu mehreren Clustern, so daß im Beispiel das Viereck den Drei- und Fünfecken zu gleichen Anteilen zugewiesen werden kann. Da beide Verfahren Vor- und Nachteile aufweisen, wurde ein neuer selbstorganisierender Fuzzy- Clusteralgorithmus entwickelt, der deren positive Eigenschaften kombiniert und somit nach Vorgabe der Unschärfe eine Mustereinteilung bei selbständiger Ermittlung der optimalen Clusteranzahl vornimmt. Um in allen Verarbeitungsstufen möglichst wenig Vorwissen einzubringen, wird auch die Initialisierung der Algorithmen nicht mit Hilfe von Referenzmustern vorgenommen, sondern zufällig durchgeführt. Durchführung Nadelhalter Hochspannungswicklung Nadel 3 1 v 1 Clusterzentren 2 C 1 C 2 VER HP A/D HP : Hochpaßfilter VER : Verstärker A/D : Digitalisierer Bild 2 Versuchsaufbau zur Erzeugung von TE-Impulsen an einem Transformator unter Spannung 4 5 v 2 Cluster 1 Cluster 2 6 7 - 25 - Die Auskopplung der bei den Untersuchungen verwendeten TE-Impulse erfolgte an der Oberspannungsdurchführung eines 36 kV/380 V-Transformators. Bei diesem wurde eine Kesselwand durch eine Plexiglasscheibe ersetzt, so daß der Aktivteil zu sehen ist. Damit läßt sich eine an einer Stange befestigte Nadel gezielt vor den Wicklungen plazieren, um TE-Impulse an verschiedenen Wicklungsabschnitten zu initiieren, während der Transformator unter Spannung steht. Bei dem in Bild 2 wiedergegebenen Versuchsaufbau ist der Transformatorkessel zur besseren Übersicht nicht abgebildet. Beispiele für am ersten und vierten Wicklungsabschnitt der Oberspannungswicklung erzeugte TE-Impulse sind in Bild 3 aufgeführt. Es sind deutlich die unterschiedlichen, für den jeweiligen Wicklungsabschnitt charakteristischen Signalformen zu erkennen. ) U 500 250 0 -250 -500 mV µs 0 12,8 25,6 38,4 51,2 t b) 200 100 V 0 U -100 -200 0 12,8 25,6 38,4 µs 51,2 TE an Wicklungsabschnitt 1 TE an Wicklungsabschnitt 4 Bild 3 TE-Impulse am ersten und vierten Wicklungsabschnitt des Transformators Die verwendeten Störimpulse wurden an einem Leistungstransformator (220 kV/110 kV/200 MVA) vor Ort aufgezeichnet. Zur Simulation von fehlgetriggerten "Störimpulsen" dienen synthetisch generierte AM-Schwingungen. Die mit einer Abtastfrequenz von 20 MHz digitalisierten Signale werden auf ihre Maximalamplituden getriggert und mit einem Pretrigger von 20 % versehen. Um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, liegen den Untersuchungen nahezu 1000 Muster zugrunde. Die Clusteranalysen mit dem ISODATA-Verfahren und dem neuen Algorithmus starten mit einer Clusteranzahl von fünf, während der Parameter der Unschärfe bei der Fuzzy-ISODATA- Methode und beim neuen Algorithmus einen Wert von drei erhält. Den Fehler bei der Impulsdiskriminierung mit den drei Algorithmen für jeweils beide Distanzmaße zeigt Bild 4. Sowohl das ISODATA-Verfahren als auch der neue Fuzzy-Clusteralgorithmus generieren jeweils selbständig drei Gruppen, während diese Anzahl bei der Analyse mit dem Fuzzy-ISODATA- Algorithmus vorgegeben wurde. Fehler 0,6 % 0,4 0,2 0 Euklidischer Abstand City-Block-Abstand ISODATA Fuzzy-ISODATA Neuer Algorithmus Bild 4 Fehler bei der Separierung von TE- und Störimpulsen mit Hilfe von Clusteralgorithmen
- 26 - Bild 5 zeigt beispielhaft die Clusterzentren bei Einteilung der Muster mit dem neuen Algorithmus unter Verwendung der Euklidischen Distanz. Während die ersten beiden Cluster die TE- Impulse enthalten, vereint der dritte Cluster die Störsignale. Die TE-Impulse werden auf zwei Gruppen aufgeteilt, da ihre Maximalamplituden je nach Entstehungsort positiv oder negativ sind und aufgrund der Impulstriggerung auf die Maximalwerte somit vollkommen unterschiedliche Muster entstehen. a) b) c) CZ/1 CZ/1 CZ/1 1 0,5 0 -0,5 1 0,5 0 -0,5 -1 0,2 0,1 0 -0,1 0 64 128 192 256 Z : Clusterzentrum Abtastwerte Bild 5 Vom neuen Algorithmus generierte Clusterzentren für TE- (a, b) und Störimpulse (c) Die Untersuchungen verdeutlichen, daß sich mit Hilfe der Clusteralgorithmen Störunterdrückungen von mehr als 99 % erreichen lassen. Damit sind alle untersuchten Verfahren für eine Auswertung von breitbandigen TE-Messungen geeignet. Nach Anpassung der Parameter ermöglichen die Clusteralgorithmen zusätzlich eine Gruppierung der TE-Impulse entsprechend ihrer Entstehungsorte, so daß sich mit Hilfe dieser Verfahren auch eine Ortung der Fehlstellen im Transformator realisieren läßt. Da das ISODATA-Verfahren und der neue Algorithmus neben der Mustereinteilung auch die Clusteranzahl selbständig berechnen, ist mit diesen Methoden eine Impulsdiskriminierung ohne Vorwissen über die Signalformen und - klassen möglich. Dipl.-Ing. P. Werle "Digitale Erfassung und Auswertung von Blitzstoßspannungsparametern" Durch die Verwendung von analogen Meßsystemen ist die Bestimmung von Blitz- und Schaltstoßspannungsparametern, wie sie in den Normen IEC 60-1 bzw. VDE 0432-1 vorgesehen ist, begrenzt, da eine Evaluierung der Messungen nur manuell vorgenommen werden kann. In den letzten Jahren wurden deshalb die analogen Meßgeräte weitestgehend durch preisgünstigere und leistungsfähigere digitale Meßsysteme ersetzt, welche die erwähnten Einschränkungen bezüglich der Meßdatenauswertung nicht aufweisen. Der Einsatz digitaler Meßtechnik führte jedoch auch zu einigen Problemen, insbesondere hinsichtlich einer Automatisierung der Erfassung von in den Normen definierten charakteristischen Kenngrößen für Blitzstoßspannungen. Diese Schwierigkeiten sind hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß in der IEC 60-1 bzw. VDE 0432-1 keine - 27 - eindeutigen Prozeduren zur Bestimmung dieser Kennwerte angegeben sind. Aus diesem Grund führen verschiedene Institutionen die Parameterbestimmung auf unterschiedliche Art durch, so daß letztendlich eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse nicht immer gewährleistet ist, obwohl die entsprechenden Normen beachtet und eingehalten wurden. Um künftig solchen Problemen entgegenwirken zu können, eine eindeutige Bewertung der Kenngrößen sowie eine Einschätzung der Einflüsse dieser Größen auf die Durchschlagfestigkeit zu ermöglichen und damit in letzter Konsequenz die Stoßspannungsprüfung effektiver zu gestalten, wurde die Durchführung eines europäischen Projektes beschlossen. Teinehmer dieses Projektes sind neben dem Schering-Institut die folgenden Institutionen: KEMA, Niederlande, L.C.O.E., Spanien und NGC, England. Die Ziele des Projektes sind: • Festlegung signifikanter Kenngrößen zur Charakterisierung von Blitzstoßspannungen, • Etablierung eindeutiger Algorithmen zur Bestimmung dieser Kenngrößen und • Unterbreitung von Vorschlägen zur Verbesserung der entscheidenden Abschnitte der Normen IEC 60-1 bzw. VDE 0432-1. Zu Beginn des Projektes war es zunächst erforderlich, Informationen über die Probleme zu sammeln, die Hersteller von Hochspannungsanlagen sowie Test- und Kalibrierlabore bei der Ermittlung von Blitzstoßspannungskenngrößen haben. Dazu wurden an verschiedene Hersteller und Labore entsprechende Fragebögen versandt, deren Auswertung die Notwendigkeit dieses Projektes bestätigte. Aus den Fragebögen wurde zum einen ersichtlich, daß unterschiedliche Institutionen verschiedene Algorithmen zur Bestimmung der Kenngrößen verwenden und zum anderen, daß einige der benutzten Algorithmen zum Teil größere Unterschiede zu den in den Normen festgelegten Auswerteprozeduren aufweisen. Zusätzlich erfolgten Literaturrecherchen über das Durchschlagverhalten verschiedener Isoliermaterialien bei Blitzstoßspannungsbeanspruchungen, um Erkenntnisse über den Einfluß der charakteristischen Stoßspannungskenngrößen auf das Durchschlagverhalten zu gewinnen. Wie sich dabei zeigte, sind in den letzten 10 Jahren nur wenige Informationen auf diesem Gebiet publiziert bzw. präsentiert worden, so daß es notwendig erschien, dahingehende Untersuchungen durchzuführen. Dazu war es jedoch zunächst erforderlich, einen geeigneten Stoßspannungskreis aufzubauen, ein entsprechendes Meßsystem auszuwählen und eine einheitliche Auswertungssoftware zu entwickeln. Die Auswertung umfangreicher Simulationen unter Berücksichtigung der Anforderungen führte zu der im Bild 1 dargestellten Schaltung. Diese Schaltung besteht aus zwei Teilkreisen, von denen der obere eine genormte Blitzstoßspannung (1.2/50) generiert, welche am Testobjekt mit einer schwingenden Spannung überlagert wird. Auf diese Weise ist es möglich, Blitzstoßspannungen mit Schwingungen beliebiger Amplituden und Frequenzen zu superponieren, wie dies schematisch im rechten Teil des Bildes dargestellt ist. Der Hauptvorteil der verwendeten Schaltung liegt in der Möglichkeit, die Blitzstoßspannung und den überlagerten schwingenden Spannungsanteil separat zu erzeugen, zu erfassen und auszuwerten. Dies ist vor allem bei der Bestimmung der Spannungsparameter entsprechend der Norm hilfreich, da es dazu in einigen Fällen nötig ist, eine mittlere, geglättete Kurve heranzuziehen, welche in unserem Fall der gemessenen überlagerungsfreien Blitzstoßspannung entspricht. Ein Nachteil der Schaltung ist darin zu sehen, daß sämtliche Elemente des Schwingkreises für die maximal auftretende Stoßspannung ausgelegt sein müssen, da diese im Falle eines Durchschlags des Testobjektes direkt am Schwingkreis anliegt. Deshalb wurden auch alle
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