DE4138579A1

DE4138579A1 - Messeinrichtung fuer eine metallgekapselte anlage

Info

Publication number: DE4138579A1
Application number: DE19914138579
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Dunz
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1991-11-23
Filing date: 1991-11-23
Publication date: 1993-05-27

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung für eine me tallgekapselte Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus dem Beitrag zur 5th Pulsed Power Conference, Arlington, Virginia, 1985 von A. Küchler, J. Dams, Th. Dunz und A.J. Schwab mit dem Titel: Combined E- and H-Field Probe for Tra veling Wave Analysis in Pulse Power Generators, sind kombi nierte E- und H-Feld Sensoren bekannt. Diese Sensoren sind speziell ausgelegt für die Untersuchung von Wanderwellen und sind deshalb für eine Meßeinrichtung, die in einer metall gekapselten Anlage im Betrieb für die Messung von Strom und Spannung an den Aktivteilen eingesetzt wird, nur bedingt ge eignet.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie im unabhängigen Anspruch gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Meßeinrichtung für eine metallgekapselte An lage zu schaffen, die hinreichend genau arbeitet, um die Pa rameter für den Anlagenschutz liefern zu können.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentli chen darin zu sehen, daß die Meßeinrichtung sehr unempfind lich gegen Überspannungen und Störlichtbogenauswirkungen ist, so daß der Anlagenschutz auch im Störfall korrekte Meß daten erhält, wodurch dessen einwandfreies Funktionieren stets sichergestellt ist. Besonders vorteilhaft wirkt es sich aus, daß durch eine sinnvolle Formgebung der Meßeinrichtung eine Kompensation eingestreuter Fehler erreicht werden kann, so daß auch Fremdbeeinflussung das Meßergebnis nicht ver fälschen kann.

Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher er läutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausgestaltung der Erfindung,

Fig. 2 eine zweite Ausgestaltung der Erfindung,

Fig. 3 ein erstes Ersatzschaltbild, und

Fig. 4 ein zweites Ersatzschaltbild.

Bei allen Figuren sind gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung 1, die in einer metallgekapselten Anlage eingesetzt ist. Von der Anlage ist eine geerdete Kapselung 2 angedeutet und ein in der zylinder förmig ausgebildeten Kapselung 2 zentral angeordneter Leiter 3. Die Kapselung 2 müßte an der gezeigten Stelle eine Flanschverbindung samt den zugehörigen Dichtungen aufweisen, um die Meßeinrichtung 1 montieren zu können, auf deren Dar stellung wurde der besseren Übersichtlichkeit halber ver zichtet. Zwischen dem Leiter 3 und der Kapselung 2 ist in der Regel ein mit Isoliergas gefüllter Raum 4 vorgesehen, es ist jedoch auch möglich, eine isolierende Flüssigkeit in diesen Raum 4 einzubringen.

Die Meßeinrichtung 1 ist als Ring ausgebildet, der in einer entsprechenden Aussparung der Kapselung 2 angeordnet ist. Es ist auch möglich, statt des Ringes einzelne Ringsegmente ein zubauen. Die Ringsegmente werden vorteilhaft gleichmäßig am Umfang verteilt. Die Meßeinrichtung 1 weist eine Schutzhülle 5 aus Epoxydharz auf. Im Innern der Schutzhülle 5 ist eine leitende torusförmig ausgebildete erste Schicht 6 vorgesehen, die dem Leiter 3 zu als halbkreisförmige Kalotte ausgebildet ist, wobei sich dem Halbkreis noch auf der dem Leiter 3 ab gewandten Seite ein gerades Stück anschließt. Eine strich punktierte Linie 7 deutet eine Symmetrieebene senkrecht zum Leiter 3 an, welche die Meßeinrichtung 1 in zwei zueinander symmetrisch aufgebaute Hälften teilt. Der Scheitel 8 des Halbkreises der ersten Schicht 6 liegt in dieser Symmetrie ebene. In diesem Scheitel 8 ist eine einzige Anschlußleitung 9 mit der Schicht 6 leitend verbunden, welche zu einer Klemme 10 herausgeführt ist.

Parallel zur Schicht 6 ist eine zweite leitende Schicht 11 angeordnet. Diese zweite leitende Schicht 11 ist auf der vom Leiter 3 abgewandten Seite der Schicht 6 vorgesehen. Die zweite leitende Schicht 11 ist als torusförmiges Gebilde an zusehen, welches von der ersten Schicht 6 umgeben ist. An einer Stelle dieses Torus ist, wie in Fig. 1 gezeigt, jeweils der Rand 12, 13 des geraden Stücks der Schicht 11 mit jeweils einer Anschlußleitung 14, 15 elektrisch leitend verbunden. Die Ränder 12, 13 liegen symmetrisch zur Symmetrieebene. Die Anschlußleitungen 14, 15 sind ebenfalls symmetrisch zur Sym metrieebene angeordnet und führen durch Bohrungen zu Klemmen 16, 17. Der Scheitel 18 des Halbkreises der zweiten Schicht 11 wird an einer Stelle durch die Anschlußleitung 9 durchstoßen, und zwar liegt diese Stelle in der gleichen Ebene wie die Kontaktierungen der Anschlußleitungen 14, 15 mit dem Rand 12, 13. Die zweite Schicht 11 ist im Scheitel 18 des Halbkreises mit einem Metallrohr 19 elektrisch leitend ver bunden. Das Metallrohr 19 verbindet den Scheitel 18 der Schicht 11 elektrisch leitend mit der geerdeten Kapselung 2. Das Metallrohr 19 nimmt im Innern gleichzeitig die Anschluß leitung 9 auf. Die elektrisch isolierenden, druckdichten Durchführungen für die Anschlußleitungen 9, 14, 15 durch die Kapselung 2 gehören zum Stand der Technik und sind hier nicht näher dargestellt.

Das torusförmige Volumen 20 zwischen den leitenden Schichten 6 und 11 ist durch ein homogenes Material mit einer hohen Dielektrizitätszahl ε_r1 aufgefüllt. Vorzugsweise wird hier ein Epoxydharz mit einem dielektrisch wirksamen Füllmaterial wie TiO₂ eingesetzt, damit ist eine Dielektrizitätszahl von etwa 30 erreichbar. Das von der zweiten Schicht 11 einge schlossene Volumen 21 ist durch ein Material mit einer hohen Permeabilitätszahl µ_r2 aufgefüllt. Vorzugsweise wird hier ein Epoxydharz mit einem ferromagnetisch wirksamen Füllmaterial eingesetzt. Die leitenden Schichten 6, 11 werden ebenfalls aus Epoxydharz aufgebaut, welchem ein leitfähiges Füllmate rial, vorzugsweise leitfähig beschichtetes Al₂O₃ oder Graphit oder metallisches Pulver beigegeben wird. Die leitenden Schichten 6, 11 wirken als Elektroden der Meßeinrichtung 1.

Die Meßeinrichtung 1 ist als torusförmiger, monolithischer Sensorblock mit einem mittleren Radius r ausgebildet. Die Schutzhülle 5, die erste und die zweite leitende Schicht 6, 11 und die Füllungen der Volumina 20 und 21 enthalten als Ba sismaterial Epoxydharz, dem jeweils entsprechende Füllstoffe zugesetzt sind, so daß sich durch den ganzen Sensorblock eine Epoxydharzmatrix erstreckt, welche diesen Block zusammenhält. Die verschiedenen Schichten und Füllungen werden nacheinander so hergestellt, daß sich diese Epoxydharzmatrix ausbilden kann.

Der Sensorblock in Form eines den Leiter 3 konzentrisch um gebenden Ringes kann auch in Form eines oder mehrerer Ring segmente realisiert werden. Jedes dieser Segmente muß dann mit den entsprechenden Anschlußleitungen 9, 14, 15 versehen werden. Die Anschlußleitungen 9, 14, 15 werden dann in eine nicht dargestellte Auswertungseinheit geführt, wo die Wei terverarbeitung der Meßsignale erfolgt.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungs gemäßen Meßeinrichtung 1 dargestellt. Hier ist die Meß einrichtung 1 platzsparend direkt in einen tellerförmig aus gebildeten, den Leiter 3 tragenden Stützer 22 aus Epoxydharz eingegossen. Die Fig. 2 ist stark vereinfacht und ohne die Stützerarmaturen ausgeführt. Der sonstige Aufbau der Meß einrichtung ist gleich wie in Fig. 1 dargestellt.

Die dielektrisch günstige Halbkreisform der leitenden Schichten 6 und 11 kann auch, je nach Anwendungsgebiet für welches die Meßeinrichtung vorgesehen ist, durch andere For men ersetzt werden, jedoch ist bei jeder Ausführung darauf zu achten, daß eine geometrische Form gewählt wird, die streng symmetrisch zur Symmetrieebene ist. Bei Nichtbeachtung dieser Symmetriebedingung wird die Meßeinrichtung vergleichsweise ungenau, zudem ist eine Kompensation von eingestreuten, fal schen Signalen nicht mehr möglich.

Zwischen dem wechselspannungsbeaufschlagten Leiter 3 und der leitenden Schicht 6 liegt, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Kapazität C₁, die anlagebedingt ist und die als Oberspan nungskapazität eines kapazitiven Spannungsteilers angesehen werden kann. Als Unterspannungskapazität C₂ dieses Spannungs teilers wird die Kapazität zwischen der leitenden Schicht 6 und der leitenden Schicht 11 angesehen. Die Unterspannungs kapazität C₂ ist wegen der leitenden Verbindung der leitenden Schicht 11 mit der geerdeten Kapselung 2 als die Kapazität der leitenden Schicht 6 gegen Erde anzusehen. Wegen des sym metrisch zur durch die Linie 7 angedeuteten Symmetrieebene erfolgten Aufbaus des Sensorblocks, kann die Unterspannungs kapazität C₂ in zwei gleich große Kapazitäten C2/2 aufge teilt werden. Der in Fig. 3 dargestellte kapazitive Span nungsteiler dient zur Messung der am Leiter 3 anliegenden Spannung. In dem Volumen 20 treten jedoch auch Magnetfelder auf, welche einen Fehlerstrom induzieren. Jeder Kapazität C2/2 ist deshalb eine Spannungsquelle 23 vorgeschaltet, wel che jeweils den links bzw. rechts der Symmetrieebene erzeugten Fehlerstrom induziert. Die beiden Fehlerströme fließen, wie die Pfeile 24 andeuten, in die gleiche Richtung. Dieser Strom verursacht sowohl in der linken Kapazität C2/2 als auch in der rechten Kapazität C2/2 einen Spannungsabfall. Diese bei den Spannungsabfälle sind genau gleich groß, weisen jedoch eine einander entgegengesetzte Polarität auf. Über der Unterspannungskapazität C₂, also zwischen der Klemme 10 und einer Endklemme 25, wird demnach eine Spannung u_m abgegrif fen, die direkt proportional zu der am Leiter 3 anliegenden Spannung ist. Die störenden parasitären Einflüsse durch elek tromagnetische Felder werden hier vorteilhaft kompensiert, so daß die abgegriffene Spannung u_m frei von störenden Ein flüssen bleibt.

Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild, welches erläutern soll, wie die Strommessung in diesem Sensorblock erfolgt. Zwei Spannungsquellen 26 symbolisieren die durch die magnetischen Felder im Volumen 21 induzierten Spannungen, deren Richtung durch Pfeile 27 angedeutet wird. Auch hier wird durch die Induktion in jeder Hälfte des Sensorblocks der gleiche Strom erzeugt. Durch die Anschlußleitungen 14 und 15 wird der Strom des Meßkreises aus dem Sensorblock herausgeführt. Diese Anschlußleitungen 14 und 15 weisen jeweils eine Eigeninduktivität 28, 29 auf, wie in Fig. 4 dargestellt. Die beiden Klemmen 16 und 17 am jeweiligen Ende der Anschluß leitungen 14 und 15 werden über eine Meßvorrichtung 30 verbunden, womit der Stromkreis geschlossen ist. In der Meßvorrichtung 30 werden die Stromwerte in Meßsignale umgesetzt und zur Weiterverarbeitung aufbereitet. In diesem für die Messung von Strömen, die proportional zu im Leiter 3 fließenden Strömen sind, benutzten Bereich des Sensorblockes werden auch Verschiebungsströme durch die stets vorhandenen elektrischen Felder eingekoppelt. Zwei Stromquellen 31, je weils eine in jeder Hälfte des Sensorblocks, erzeugen jeweils einen Verschiebungsstrom i_v. Die beiden Verschiebungsströme i_v überlagern sich in dem leitenden Metallrohr 19. Wegen des symmetrischen Aufbaus des Sensorblocks sind beide Verschie bungsströme i_v gleich groß. Der Einfluß von elektrischen Störfeldern auf den magnetischen Meßkreis wird auf diese Art vorteilhaft kompensiert, und der in der Meßvorrichtung 30 gemessene Strom ist somit frei von durch elektrische Felder hervorgerufenen Verfälschungen.

Die zwischen der Klemme 10 und der Erdklemme 25 abgegriffene Spannung um läßt sich nach folgender Formel berechnen:

Dabei ist: u die am Leiter 3 anliegende Spannung, F₁ ein Formfaktor, der die exakte Geometrie des Sensorblocks berück sichtigt, b ist ein Maß für die Breite des Sensorblocks, d. h. für dessen axiale Erstreckung, h ein Maß für die Dicke des Sensorblocks in radialer Richtung, l₁ ein Maß für den Abstand der Schichten 6 und 11, ε_r1 die Dielektrizitätszahl des Materials im Volumen 20, und r der mittlere Radius des ringförmigen Sensorblocks.

Der zwischen den Klemmen 16 und 17 fließende Strom i_m läßt sich nach folgender Formel berechnen:

dabei ist: i der im Leiter 3 fließende Strom, F₂ ein Form faktor, der die exakte Geometrie des Sensorblocks berücksich tigt, l₂ ein Maß für die Länge des Sensorblocksegmentes, bei einem geschlossenen Ring wäre dies der mittlere Umfang dieses Rings, und r der mittlere Radius des ringförmigen Sensor blocks.

Claims

1. Meßeinrichtung (1) für eine metallgekapselte Anlage mit mindestens einem innenliegenden Leiter (3), mit minde stens einem ersten Sensor für die Messung eines vom Lei ter (3) ausgehenden elektrischen Feldes und mit minde stens einem zweiten Sensor für die Messung eines vom Leiter (3) ausgehenden magnetischen Feldes, dadurch ge kennzeichnet,

- daß der mindestens eine erste Sensor zwischen dem mindestens einen zweiten Sensor und dem Leiter (3) angeordnet ist,
- daß der mindestens eine erste Sensor den mindestens einen zweiten Sensor zumindest teilweise umgibt, und
- daß die beiden Sensoren zu einem monolithischen Sensorblock verbunden sind.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die dem Leiter (3) zugewandte Fläche des ersten Sensors mit einer als Elektrode wirkenden leitenden ersten Schicht (6) versehen ist,
- daß die dem ersten Sensor zugewandte Fläche des zweiten Sensors mit einer als Elektrode wirkenden zweiten Schicht (11) versehen ist, und
- daß die erste leitende Schicht (6) mit mindestens einer (9) und die zweite leitende Schicht (11) mit mindestens zwei elektrischen Anschlußleitungen (14, 15) verbunden ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß zwischen der ersten (6) und zweiten leitenden Schicht (11) ein homogenes erstes Material mit einer hohen Dielektrizitätszahl ε_r1 vorgesehen ist,
- daß innerhalb der zweiten leitenden Schicht (11) ein homogenes zweites Material mit einer hohen Permeabili tätszahl µ_r2 vorgesehen ist.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß als erstes Material Epoxydharz mit einem dielek trisch wirksamen Füllmaterial, vorzugsweise TiO₂, vor gesehen ist,
- daß als zweites Material Epoxydharz mit einem ferro magnetisch wirksamen Füllmaterial vorgesehen ist, und
- daß die leitende erste und zweite Schicht (6, 11) Epoxydharz mit einem leitfähigen Füllmaterial, vor zugsweise leitfähig beschichtetes Al₂O₃ oder Graphit oder metallisches Pulver, aufweist.

5. Meßeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Sensorblock in Form eines den Leiter (3) kon zentrisch umgebenden Ringes ausgebildet ist oder in Form mindestens eines entsprechenden Ringsegments.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Sensorblock eine Symmetrieebene aufweist, zu welcher eine Achse des Leiters (3) orthogonal angeord net ist.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die dem Leiter (3) zugewandte erste Schicht (6) halbkreisförmig ausgebildet ist,
- daß die zweite Schicht (11) parallel zur ersten Schicht (6) verläuft,
- daß die erste leitende Schicht (6) in der Symmetrie ebene mit einer Anschlußleitung (9) verbunden ist, die durch den Sensorblock nach außen zu einer Klemme (10) geführt ist, und
- daß die beiden Ränder (12, 13) der zweiten leitenden Schicht (11) mit jeweils einer Anschlußleitung (14, 15) verbunden sind, die zu jeweils einer Klemme (16, 17) geführt ist.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Sensorblock fest mit einem tellerförmig aus gebildeten, den Leiter (3) tragenden Stützer verbunden ist.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Sensorblock in einen den Leiter (3) tragenden Stützer (20) aus Epoxydharz eingegossen ist.

10. Meßeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß aus dem gemessenen elektrischen Feld eine der Spannung des Leiters (3) proportionale Spannung abge leitet wird,
- daß aus dem gemessenen magnetischen Feld ein dem Strom im Leiter (3) proportionaler Strom abgegriffen wird, und
- daß sowohl die proportionale Spannung als auch der proportionale Strom frei von Störungen erfaßt werden.