DE2404223B2

DE2404223B2 - Verfahren zur Messung der elektrischen Ladung von Teilentladungen und zur Ortung von Fehlerstellen in der Isolierung von isolierten Leitern

Info

Publication number: DE2404223B2
Application number: DE2404223A
Authority: DE
Inventors: Fred Dr.-Ing. 3000 Hannover Wiznerowicz
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1974-01-30
Filing date: 1974-01-30
Publication date: 1978-07-27
Also published as: DD116512A5; DE2404223C3; US3991364A; NL7417022A; DE2404223A1

Description

7 (f|) = lim

.v(i)-s(i + MJi

bestimmt wird, wobei f| eine am Meßgerät einstellbare zeitliche Verschiebung ist, so daß sich die Entfernung χ der Fehlerstelle vom Leiterende mit der Beziehung

ν ■ At

berechnen läßt und L die Länge der Leitung, ν die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektrischer Impulse auf der Leitung und At die Verschiebungszeit /ι darstellt, bei der die Autokorrelationsfunktion ein Maximum aufweist, das seinerseits der bei der Teilentladung transportierten Ladung proportional ist und mit Hilfe bekannter Kalibrierverfahren zur Messung dieser elektrischen Ladung benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Meßstelle des isolierten Leiters abgekehrte Ende offen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der direkte Impuls im Signal s(t+t\) dem reflektierten Impuls in s (t) bezüglich Impulsamplitude und Impulsdauer sowie Form angepaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Durchführung der eigentlichen Messung zwei Kalibriermessungen mit bekannten Ladungsimpulsen durchgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der elektrischen Ladung von Teilentladungen und zur Ortung von Fehlerstellen in der Isolierung von isolierten Leitern, wobei sich die Teilentladungen in Form von Strom- und Spannungsimpulsen von den Fehlerstellen nach beiden Seiten des Leiters fortpflanzen. Unter Leiter im Sinne der Erfindung sind beispielsweise die Leiter von Hochspannungskabeln, Leitungen und Wicklungen elektrischer Maschinen, wie Transformatoren und dergleichen zu verstehen.

Beim Anlegen einer genügend hohen Wechselspannung, der sogenannten Teilentladungs-Einsatzspannung, kommt es an den Stellen, an denen Fehlerstellen in der Isolierung der Leiter vorhanden sind, zu Teilentladungen. Bei diesen Teilentladungen werden Strom- und Spannungsimpulse erzeugt, die sich beispielsweise beim Prüfen eines Kabels in beiden Richtungen entlang des Kabels ausbreiten. Der eine Impuls läuft unmittelbar zu einer Meßanordnung, welche beispielsweise am Kabelanfang angeordnet ist. Der andere Impuls läuft zunächst zum anderen Kabelende, wo das Kabel nicht mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, wird dort reflektiert und dann zum Kabelanfang zurückgeleitet. Auch der zweite Impuls gelangt somit ebenfalls, wenn auch verzögert, zur Meßanordnung. Die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen dieser beiden Impulse ist von der Differenz der zurückgelegten Wege abhängig. Dies bedingt, daß bei vielen bekannten Teilentladungsdetektoren Impulse gleicher Intensität eine unterschiedliche Anzeige am Anzeigegerät ergeben, wenn sie an verschiedenen Stellen im Kabel auftreten, da sich die durch die beiden Impulse der Meßanordnung erzeugten Schwingungen überlagern und eine resultierende Anzeige ergeben.

Bei in neuerer Zeit durchgeführten Untersuchungen über die sogenannten Lebensdauerkurven von elektrischen Kabeln und Leitungen ist man zu der Ansicht gelangt, daß eine entscheidende Verkürzung der Lebensdauer der Isolierung elektrischer Kabel und Leitungen durch Teilentladungen gegeben ist, die z. B. in Hohlräumen der Isolierung entstehen und zur Zerstörung des Isolierstoffes führen. Es ist deshalb erforderlich, neben der sonstigen Überprüfung der Kabel und Leitungen auf ihre Funktionsfähigkeit auch Teilentladungsmessungen durchzuführen.

Schwierigkeiten ergeben sich hierbei jedoch dadurch, daß die Teilentladungen nur Spannungsimpulse in der Größenordnung von Rundfunk-Antennenspannungen hervorrufen, d. h. solche Spannungen, die sich nur wenig oder gar nicht aus dem Pegel der Störungen herausheben. Dieser Störpegel, der z. B. durch Rundfunksender oder Schaltimpulse hervorgerufen wird, erschwert die Teilentladungsmessungen beträchtlich. Kosspielige und aufwendige Maßnahmen, wie Filter, Abschirmung und dergleichen sind notwendig, um den Störpegel zu vermindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, das es ermöglicht, aus der Vielzahl vorhandener Störimpulse die Impulse herauszufinden, die von Teilentladungen auf Grund von Fehlerstellen in der Isolierung herrühren.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren zur Messung der elektrischen Ladung von Teilentladungen und zur Ortung von Fehlerstellen in der Isolierung von isolierten Leitern gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß für das am Leiterende ankommende Signalgemisch s (ι) aus den duah Teilentladungen und Störungen verursachten Spannungs- und Strominipulsen die sogenannte Autokorrelationsfunklion

= lim

.S(O-V(Z + MJ'

bestimmt wird, wobei fi eine am Meßgerät einstellbare zeitliche Verschiebung ist, so daß sich die Entfernung χ der Fehlerstelle vom Leiterende mit der Beziehung

ν =

ν Ii

berechnen läßt und L die Länge der Leitung, ν die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektrischer Impulse auf

der Leitung und A ι die Verschiebungszeit t\ darstellt, bei der die Autokorrelationsfunktion ein Maximum aufweist, das seinerseits der bei der Teilentladung transportierten Ladung proportional ist und mit Hilfe bekannter Kalibrierverfahren zur Messung dieser elektrischen Leitung benutzt wird.

Die in der obengenannten Gleichung zur Bildung der Autokorrelationsfunktion angegebene Rechenvorschrift beinhaltet, daß zunächst das Produkt aus dem das Meßgerät erreichenden Signal s(t) und dem um eine Zeitspanne f-, verzögerten Signal s(t+t\) zu bilden ist. Das Produkt ist ebenfalls eine Funktion der Zeit t und wird dann einer Mittelwertbildung unterworfen. Es läßt sich leicht zeigen, daß der zeitliche Mittelwert φ (U), also die Autokorrelationsfunktion, dann ein Maximum aufweist, wenn bei der Messung von periodisch auftretenden Impulsen die Verzögerungszeit fi der Meßeinrichtung gleich dem Kehrwert aus der Impulsfolgefrequenz gewählt wird. Im Gemisch aus Teilentladungs- und Störimpulsen treten nur die Impulse mit einer zeitlich unveränderlichen Zeitdifferenz auf, die gleichzeitig an einer Fehlerstelle als Teilentladungsimpulse entstehen, aber einmal unmittelbar und erst ein zweites Mal erst nach einer Reflexion am Leiterende die Meßanordnung erreichen. Die zeitliche Verzögerung zwischen dem direkt und dem reflektiert ankommenden Impuls errechnet sich aus

- x)

i'· Ii

II)

211

wobei L die gesamte Leiterlänge ist, χ die Entfernung der Fehlerstelle von dem Leiterende, an dem die Meßanordnung angeschlossen ist, und ν die Ausbrei- π tungsgeschwindigkeit der Impulse auf dem Leiter darstellt. Eine an der Stelle Ar vorhandene Teilentladung führt also dann zu einem Maximum der Autokorrelationsfunktion φ (t\), wenn die Verzögerungszeit t\ gleich At gemacht wird. Teilentladungen an anderen w Fehlerstellen oder Störungen rufen stets Impulse hervor, die gegenüber den Teilentladungsimpulsen der ersten Fehlerstelle eine zeitlich zufällig veränderliche Phasenverschiebung aufweisen. Sie liefern damit zu dem oben angegebenen Integral nur einen sehr kleinen 4> Beitrag. Auf diese Weise ist es möglich, die Beeinflussung der Messung durch äußere magnetische oder elektrische Felder und durch galvanisch eingekoppelte Störung auszuschalten, so daß auch Signale gemessen werden können, die kleiner als der Störpegel sind. Das ">u Verfahren ist daher auch in nicht abgeschirmten Räumen, z. B. also auch an verlegten Kabeln anwendbar. Durch gleichzeitige Bestimmung der Impulsintensität und der Laufzeitdifferenz A t dient das Verfahren ebenso zur Ortung wie zur größenmäßigen Beurteilung der ■>> Fehlerstellen, da sich der Fehlerabstand xgemäß

aus At berechnen läßt und die Impulsintensität der Größe der Teilentladung proportional ist.

An sich ist die obengenannte Gleichung aus der Korrelationsanalyse in der Signal- und Systemtheorie t>i bekannt. So hat man die Korrelationstechnik bereits beim Einsatz von Sensoren im Gebiet kleiner gestörter Nutzsienale und ebenso dann verwendet, wenn stark verrauschte Signale meßtechnisch zu verarbeiten waren. So sind solche Korrelationsrnecsungen bereits bei Produktions-, Prozeß- und Testabläufen gebräuchlich, aber auch für die Lokalisierung von Störquellen und zur kontaktlosen Messung, beispielsweise der Geschwindigkeit gewalzter Bleche wurden diese Meßverfahren bereits angewendet. Die Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß wegen der Schwierigkeiten bei der Messung von Tulentladungen, die Spannungsimpulse im Bereich der Rundfunk-Antennenspannungen hervorrufen, eine Messung dann und nur dann möglich ist, wenn durch Produktbildung und Mittelung z. B. an einem Hohlraum entstehender und in beiden Richtungen des isolierten Leiters sich fortpflanzender Impulse eine Meßgröße geschaffen wird, die aus dem Störspannungspegel deutlich herausragt.

Zur Erhöhung der Genauigkeit des Meßverfahrens nach der Erfindung hat es sich in Weiterführung als besonders vorteilhaft erwiesen, das der Meßstelle abgekehrte Ende des langgestreckten Prüflings, beispielsweise eines elektrischen Kabels oder einer Leitung leerlaufen zu lassen. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Reflexion des zum Ende des Kabels hinlaufenden Impulses, so daß auch die gebildete Meßgröße einen größeren Wert annimmt und leichter meßbar wird.

Dadurch, daß das zu messende Kabel oder die Leitung oder auch jeder beliebige andere elektrische Leiter nicht wie bisher vielfach üblich mit Wellenwiderstand und Kondensator abgeschlossen ist, entfällt jeglicher Mehraufwand bei der Überprüfung, gleichzeitig wird aber auch eine Verfälschung des Meßergebnisses durch diese zusätzlichen Schaltelemente verhindert.

Für die Durchführung der Meßwertverarbeitung nach der obigen Gleichung sind verschiedene Methoden denkbar. So kann die Produktbildung und Integration mit stetig arbeitenden Schaltungen analog oder mit diskret arbeitenden Systemen digital erfolgen. Auch eine Kombination aus analoger und digitaler Meßwertverarbeitung ist denkbar. Als Variante der digitalen Verarbeitung ist der Einsatz stochastisch-ergodischer Meßverfahren möglich. Für eine verfeinerte Messung der Teilentladungen kann die Schaltung zur Meßwertverarbeitung insoweit erweitert werden, als neben oder anstelle der oben angeführten Autokorrelationsfunktion erster Ordnung auch die aus der Literatur bekannten Korrelationsfunktionen oder -spektren höherer Ordnung gebildet werden. Diese Erweiterung bringt völlig neue Zugänge zur Korrelationsanwendung und ihrer Vorteile und kann für die künftige Entwicklung der Teilentladungs-Meßtechnik von bedeutendem Interesse sein.

Schwierigkeiten bei der Teilentladungsmessung mit bekannten Detektoren können dann entstehen, wenn der direkt ankommende und der reflektierte Strombzw. Spannungsimpuls nicht mehr dieselbe Form aufweisen. Dieser Fall tritt beispielsweise dann auf, wenn der reflektierte Impuls eine viel längere Wegstrecke zurückzulegen hat als der direkte Impuls oder wenn der isolierte Leiter auf Grund seiner Konstruktion eine hohe Dämpfung und Phasendrehung aufweist. In diesem Fall tritt meist durch die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit eine Verformung des Impulses, z. B. entsprechend der F i g. 1 auf, die bewirkt, daß die Amplitude kleiner und die Impulsdauer größer wird. Eine solche Impulsverformung ist beispielsweise in der F i g. 2 dargestellt. Die Impuls-Zeitfläche jedoch, sie ist der transportierten

Ladung proportional, bleibt konstant, wenn nicht gleichzeitig der Isolierstoff eine zu hohe Leitfähigkeit besitzt. Da in der Teileniladungs-Mcßtechnik stets die Ladung gemessen werden muß, wenn die Entladung an der Fehlerstelle selbst zu beurteilen ist, muß gewährleistet sein, daß auch das in der obigen Formel angegebene Produkt richtig gebildet wird. Der Ausdruck s(t+ti) darf dann also nicht nur gegen s(i) verzögert sein, sondern muß auch durch bekannte Schaltungen verformt werden.

Zur Erhöhung der Meßsicherheit und des Bedienungskomforts hat es sich als zweckmäßig erwiesen, eine McUwcrtausgabc am erfindungsgemäßen Meßgerät vorzusehen. Dabei kann der Meßwert verändert. z. IJ. linearisiert, logarithmicrt usw. werden, an einem Instrument oder Oszillographenschirm abgelesen weiden, gezeichnet oder auch gedruckt werden. Neben einer digitalen Ausgabe hat sich insbesondere die analoge Ausgabe als vorteilhaft erwiesen. Dazu wird ein Schreibe!- angeschlossen, dessen Schreibstift in A-Riehlung proportional zu ii bewegt wird und in y-RichUing die unter Umständen weiter verarbeitete Meßgröße wiedergibt. Vorteilhaft ist es hierbei, die Messung dreimal durchzuführen, wobei die ersten beiden Messungen Kalibriermessungen ohne angelegte l'riilspannung sind.

Die Lrfindung sei an Hand der in den I" ig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbcispicie näher erläutert.

Das zu prüfende Kabel 1 läuft an seinem F.nde leer, d. h.. es ist dort nicht mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen. An seinem anderen linde ist eine Spannungsquellc 2 vorgesehen, die die notwendige Prüfwcchsclspannung liefert. Mit 3 ist der Kopplungskondcnsator für den Abgriff der ankommenden Meßimpulse bezeichnet, 4 ist ein Ankopplungsvierpol. Die Kabelabüchirmung 5 sei an der Stelle 6 geerdet, zur Bildung der Aulokorrelationsfunktion dient das Meßgerät 7, das an den Ankopplungsvicrpol 4 angeschaltet ist.

Geht man davon aus, daß sich an der Stelle 8 in der Isolierung des Kabeis ein Hohlraum befindet, dann treten in diesem Bereich bei angelegter Prüfwcchsclspannung Tcilcntladungcn auf, die Spannungsimpulse ;i und b zur Folge haben, welche sich längs des Kabels ausbreiten. Während sich der Impuls a in Richtung auf das Meßgerät fortpflanzt, wird der Impuls b in entgegengesetzter Richtung zunächst bis zum Kabelende laufen und von dort nach entsprechender Reflexion ebenfalls /um Meßgerät zurückgeführt werden. Diese Meßimpulse unterscheiden sich damit in ihrer Laufzeit vom Ort ihres Lntstehens bis zum Meßgerät. Die Messung erfolgt nun zur Ausschaltung des vorhandenen Störpegels dadurch, daß die Autokorrelationsfunktion (/ (ii) der Impulsfolge s(t\) gemessen wird. Wenn I; gleich dem l.aufzcittinterschicd zwischen dem Impuls ;) und b gewählt wird, ergibt das zeitliche Mittel des Produktes aus s (%)und s(t+ ii/'cine maximale Grolle, die in jedem Fall aus dem vorhandenen Störpegel meßbar herausragt. Aus der bekannten 1 .aufzcitdiffcrcnz wird schließlich daraus zur Ortung der Fehlerstelle die Fntfernung auf dem Kabel festgelegt, wo sich die Fehlerstelle befindet. Die angegebene Schaltung ist nur ein Ausführungsbeispiel, es ist in Abweichung hiervon durchaus auch möglich, andere übliche Schaltungen zur Messung von Tcilcntladungen zu verwenden.

In der F i g. 4 schließlich sind in einem Diagramm sehemalisch die oben bereits erwähnten drei Messungen dargestellt, von denen die ersten beiden sogenannte Kalibriermcssungci! ohne angelegte Prüfspannung sind. So werden bei der ersten Messung am linde des isolierten Leiters, das an das Meßgerät angeschlossen ist. Ladungsimpulse bekannter (Jrolle eingespeist. Die Autokorrelationsfunktion erreicht ihr Maximum für

2/.

_)-, Bei der zweiten Messung wird so vorgegangen, daß Ladungsimpulse gleicher Größe am anderen linde des isolierten Leiters eingespeist werden, so daß die Aulokorrelationsfunktion ihr Maximum erreicht für ii =0. Die dritte Messung beruht dann auf der Messung

in mit der Prüfspannung, wo die Autokorrclationsfunklion maximal für

21/. λ)

wird. Durch die beiden obengenannten und in der l'igui dargestellten Kalibriermessungen wird einmal clic Meßschaltung kalibriert und zum anderen die lintfcrnungsberechnung des Fchlcrortcs ermöglicht, ohni in dall die Ausbrcitiingsgcschwindigkcit ν benötigt wird Zwar läßt sich vans der ersten Kalibriermessung zu

ν = 2 Uu

■ΙΊ bestimmen, jedoch ist die Ablesung des Fchlcrortcs au: der graphischen Dursteilung der Aulokorrelationsfunk lion (/ (i\) für alle drei Messungen aus dem Diagramn gemäß F" ig. 4 mit weniger Aufwand behaftet. Dii Linstcllung der Dämplungsglieder wird dadurch crinög

Vi licht, dall die an den beiden linden cingcspcislei bekannten Impulse jeweils einen gleichen Aussehlaj ergeben müssen. Aus der dritten Messung ergibt sich dii Intensität der Lntladung und die Lage der Fehlerstelle!' Das als Diagramm dargestellte Mellergebnis kann al

■Γι Protokoll von Prüffeldmessungen dienen.

I lici/u I IiIaIl /eic

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der elektrischen Ladung von Teilentladungen und zur Ortung von Fehlerstellen in der Isolierung von isolierten Leitern, wobei sich die Teilentladungen in Form von Strom- und Spannungsimpulsen von den Fehlerstellen nach beiden Seiten des Leiters fortpflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß für das am Leiterende ankommende Signalgemisch s(t) aus den durch Teilentladungen und Störungen verursachten Spannungs- und Stromimpulsen die sogenannten Autokorrelationsfunktion