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TECHNISCHES
GEBIET
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Bei
der Erfindung wird ausgegangen von einem Sensor zum Auskoppeln von
Teilentladungsimpulsen aus einer metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsanlage
mit einer im Inneren der Metallkapselung angeordneten, ringförmig ausgebildeten
Messelektrode, welche einen hochspannungsführenden Leiter der Anlage koaxial
umgibt und welche mit einer Verarbeitungseinheit verbunden ist.
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Die
Erfassung von Teilentladungen spielt bei der Qualitätssicherung
von hochspannungsführenden
elektrischen Anlagen, wie etwa einer metallgekapselten gasisolierten
Hochspannungsanlage oder einer hochspannungsbetriebenen elektrischen
Maschine, beispielsweise einem Transformator oder einem Generator,
eine wichtige Rolle. Teilentladungsmessungen werden sowohl bei der
fabrikationsmässigen
Qualitätskontrolle
als auch bei der Qualitätsprüfung während des
Vor-Ort-Aufbaus durchgeführt.
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Ein
Sensor der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus
DE 23 56 160 sowie
US 42 77 746 bekannt. Der
vorbekannte Sensor weist eine ringförmige Messelektrode auf, welche
in einen Stützisolator
einer metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsanlage eingebettet
oder am Aussenrand dieses Stützisolators
ausserhalb der Metallkapselung angebracht ist und welche der kapazitiven
Auskoppelung von im Inneren der Anlage gebildeten Teilentladungsimpulsen
dient. Das elektrische Feld der Anlage wirkt jedoch nur über das
Isoliermaterial des Stützisolators
auf die Messelektrode.
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Eine
weiterer Sensor zur Erfassung von Teilentladungsimpulsen in metallgekapselten
gasisolierten Hochspannungsanlagen ist beschrieben in M.Albiez,
K.J.Diederich, J.Meppelink und W.Zaengl:"Design and Calibration of an Universal
Sensor for the Measurement of Partial Discharges and Very Fast Transients
in GIS" in Sixth
International Symposium on High Voltage Engineering (1989), New
Orleans, 42.28. Der vorbeschriebene Sensor ist als kreisförmige Platte
mit einem Durchmesser von ca. 10 cm ausgebildet und ist im Inneren
der Metallkapselung einer gasisolierten metallgekapselten Hochspannungsanlage
angeordnet. Vom Sensor aus dieser hochspannungsführenden Anlage kapazitiv ausgekoppelte
Teilentladungsimpulse werden in einer dem Sensor nachgeschalteten
Verarbeitungseinheit breitbandig verstärkt und registriert. Dieser
Sensor erfasst relativ kleine Nutzsignale, deren Übertragung
oberhalb einer Grenzfrequenz von 200 MHz zudem nur noch in erheblich
abgeschwächter
Form möglich
ist.
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Auch
ein aus
EP 134 187 A2 bekannter
Sensor zur Erfassung von Teilentladungsimpulsen in einer metallgekapselten
gasisolierten Anlagen weist eine dem Auskoppeln der Impulse dienende
plattenförmig
ausgebildete Elektrode auf.
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In
DE 35 44 508 A1 ist
ferner ein Kombinationswandler zum gleichzeitigen Messen von Strom und
Spannung im Inneren einer metallgekapselten gasisolierten Hochspannungsanlage
beschrieben.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, liegt die
Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen,
welcher sich durch einen hohen Wirkungsgrad bei der Auskoppelung
der in der Anlage auftretenden Teilentladungsimpulse sowie eine
hohe Grenzfrequenz bei der Übertragung
der ausgekoppelten Teilentladungsimpulse auszeichnet und welcher
zugleich an unterschiedliche Messaufgaben angepasste Übertragungseigenschaften
aufweisen soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im Anspruch 1 dazu angegebenen Merkmale gelöst.
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Beim
Sensor nach der Erfindung ist die Messelektrode mit mehreren Befestigungselementen
auf einem sie mit Abstand umgebenden und auf Kapselungspotential
befindlichen Montagering elektrisch isoliert gehaltert, und sind
am Montagering zwei in dessen Umfangsrichtung gegeneinander versetzt
angeordnete und jeweils mit der Messelektrode einerseits und mit
Erdpotential oder Masse der Anlage andererseits verbundene Ausgänge des
Sensors vorgesehen. Der Sensor nach der Erfindung weist daher eine
grosse der Wirkung der zu erfassenden Teilentladungsimpulse ausgesetzte
Sensorfläche
und damit eine grosse Koppelkapazität im Bereich von pF auf. Zugleich
ist der Sensor unmittelbar und nicht über einen Stützisolator
der Wirkung der Teilentladungsimpulse ausgesetzt. Daher wird mit
diesem Sensor ein besonders grosses Nutzsignal erzielt.
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Da
der Sensor nach der Erfindung zwei Ausgänge aufweist, von denen der
eine mit der Verarbeitungseinheit und der andere kurzgeschlossen,
mit einem ohmschen Widerstand vom vorzugsweise 50 Ohm abgeschlossen
oder offen gehalten ist, können je
nach Beschaltung in äusserst
einfacher Weise unterschiedliche Übertragungseigenschaften erreicht werden.
Der Sensor nach der Erfindung kann daher ohne aufwendige Eichvorgänge durch
entsprechende Beschaltung zur Lösung
unterschiedlicher Messaufgaben verwendet werden.
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Zugleich
zeichnet sich der Sensor nach der Erfindung dadurch aus, dass er
Signale mit Frequenzen bis zu 1,5 GHz mit vergleichsweise geringer Dämpfung überträgt und einen
grossen Störabstand zu
den in Hochspannungsanlagen auftretenden niederfrequenten Störungen aufweist.
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Mit
dem erfindungsgemässen
Sensor ist es ferner möglich,
im Nahbereich liegende Teilentladungsquellen mit hoher Genauigkeit
zu erfassen. Weiter vom Sensor, beispielsweise einige bis 100 Meter,
entfernt liegende Teilentladungsquellen können mit Vorteil mit einen
erfindungsgemässen
Sensor erfasst werden, bei dem Frequenzsignale im Bereich von ca.
20 bis zu ca. 300 MHz ausgewertet werden.
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Besondere
Ausführungsarten
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend
anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:
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1 in
stark vereinfachter Darstellung eine metallgekapselte gasisolierte
Hochspannungsanlage mit einem ringförmig ausgebildeten Sensor zum
Auskoppeln von Teilentladungsimpulsen nach der Erfindung,
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2 eine
Aufsicht in axialer Richtung auf den vergrössert dargestellten Ringsensor
gemäss 1,
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3 eine
Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt
durch ein Befestigungselement des Ringsensors gemäss 2,
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4 eine
Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt
durch einen Ausgang des Ringsensors gemäss 2,
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5 den
Frequenzgang des Ringsensors gemäss 2,
bei dem dessen Ausgänge
bis auf den Signalausgang kurzgeschlossen sind,
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6 den
Frequenzgang des Ringsensors gemäss 2,
bei dem dessen Ausgänge
bis auf den Signalausgang mit einem ohmschen Widerstand von 50 Ω abgeschlossen
sind,
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7 den
Frequenzgang des Ringsensors gemäss 2,
bei dem dessen Ausgänge
bis auf den Signalausgang geöffnet
sind,
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8 den
zeitlichen Verlauf eines von einem Ringsensor gemäss 2 ausgegebenen
Signals, welches durch Auskoppelung und Übertragung eines Teilentladungsimpulses
in der auf Teilentladungen zu überwachenden
Anlage gemäss 1 gebildet
ist,
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9 den
zeitlichen Verlauf eines von einem Sensor nach dem Stand der Technik
ausgegebenen Signals, welches durch Auskoppelung und Übertragung
des gleichen Teilentladungsimpulses ebenfalls in der Anlage gemäss 1 gebildet
ist, und
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10 eine
Aufsicht auf einen axial geführten
Schnitt durch einen in der Anlage gemäss 1 eingebauten
Sensor zur Strom- und Spannungsmessung mit einer weiteren Ausführungsform
eines Ringsensors nach der Erfindung.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Die
in 1 dargestellte metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage
enthält
ein als Metallkapselung ausgebildetes, auf Erdpotential gelegtes
und mit einem Isoliergas, wie typischerweise SF6,
von bis zu einigen Bar Druck gefülltes
Gehäuse 1.
Im Inneren des Gehäuses 1 befinden
sich ein von Isolatoren 2 getragener und Hochspannung von
einigen bis zu einigen hundert kV führender Leiter 3 und ein
der Auskoppelung von Teilentladungsimpulsen aus dem Gehäuse 1 dienender
Ringsensor 4.
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Wie
aus den 2 bis 4 ersichtlich
ist, weist der Ringsensor 4 eine ringförmig ausgebildete Messelektrode 5 auf
sowie einen metallenen Montagering 6, welcher die Messelektrode 5 mit
Abstand konzentrisch umgibt und an welchem die Messelektrode 5 elektrisch
isoliert befestigt ist. Der Montagering 6 enthält in Umfangsrichtung
verteilte und in axialer Richtung ersteckte Bohrungen 7,
welche der Aufnahme von Schrauben bei der Montage des Ringsensors 4 im
Gehäuse 1 dienen.
Der montierte Ringsensor 4 befindet sich mit seinem Montagering 6 auf
Erdpotential bzw. auf dem Massepotential des üblicherweise geerdeten Gehäuses 1.
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Zur
Halterung der Messelektrode 5 in elektrisch isolierender
Weise sind mehrere, wie ersichtlich beispielsweise vier, Befestigungselemente 8 vorgesehen.
Mindestens eines dieser Befestigungselemente weist – wie aus 3 zu
entnehmen ist – ein spannungsbegrenzendes
Element 9, wie insbesondere einen Ableiter auf der Basis
eines Gases, auf. Das spannungsbegrenzendes Element 9 ist
mit seinem einen Stromanschluss auf der äusseren Mantelfläche der
Messelektrode 5 und mit seinem anderen Stromanschluss auf
einer nach innen gerichteten Stirnfläche eines metallischen Druckbolzens 10 in elektrisch
leitender Weise befestigt. Der Druckbolzen 10 ist in radialer
Richtung verschieblich in einer Blindbohrung 11 des Montageringes 6 geführt und
kann bei Montagearbeiten gegen die Kraft einer auf dem Boden der
Blindbohrung 11 abgestützten
Druckfeder 12 radial nach aussen verschoben werden. Der Druckbolzens 11 ist über lamellenförmige Kontaktelemente 13 auf
das elektrische Potential des Montageringes 6 geführt.
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Das
bei Betrieb des Ringsensors 4 auf die Messelektrode 5 wirkende
elektrische Feld wird durch Teile des Montageringes 6 homogenisiert,
welche als Schirmelektroden 14, 15 ausgebildet
sind.
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Der
Ringsensor 4 enthält
ferner mindestens zwei in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt
angeordnete Ausgänge 16, 17.
Diese Ausgänge
sind mit ihrem als Hülse 18 ausgebildeten
einen Stromanschluss jeweils mit der Messelektrode 5 elektrisch
leitend verbunden und befinden sich mit ihrem als Bohrung 19 des
Montageringes 6 ausgebildeten anderen Stromanschluss jeweils
auf Erdpotential oder dem Massepotential der Anlage.
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An
jedem der Ausgänge 16, 17 kann
mittels eines abgeschirmten Messkabels 20, dessen Schirmung
in der Bohrung 19 mit dem Montagering 6 und dessen
Signalleiter mit der Hülse 18 kontaktiert
wird, ein den Teilentladungsimpulsen entsprechendes Messignal abgegriffen
und einer einen Verstärker enthaltenden
Verarbeitungseinheit 21 zugeführt werden. Das Messkabel 20 weist
vorzugsweise einen Wellenwiderstand von 50 Ω auf. Die Auswertung der Ausgangssignale
des Ringsensors 4 in der Verarbeitungseinheit 21 kann
dann ohne weitere Anpassungsarbeiten ausgeführt werden. Vorzugsweise dient
jedoch nur einer der Ausgänge,
z. B. der Ausgang 17, dem Abgriff der ausgekoppelten Teilentladungsimpulse,
wohingegen ein zweiter Ausgang, z. B. der Ausgang 16, unterschiedlich
beschaltet wird. Hierdurch wird eine Anpassung des Frequenzganges des
Ringsensors 4 an unterschiedliche Messaufgaben erreicht.
Es hat sich herausgestellt, dass an unterschiedliche Messaufgaben
angepasste Frequenzgänge
mit besonders geringer Dämpfung
im Frequenzbereich oberhalb von 50 MHz dann erreicht werden, wenn
die Ausgänge 16 und 17 einander
diametral gegenüberliegen.
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Dies
kann aus den 5 bis 7 entnommen
werden, in denen jeweils die Dämpfung
at[db] eines vom Ringsensor 4 übertragenen Signals in Abhängigkeit
von der Frequenz f[MHz] dargestellt ist.
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Ist
der Ausgang 16 kurzgeschlossen, so ergibt sich der in 5 dargestellte
Frequenzgang. Hieraus ist ersichtlich, dass der Ringsensor 4 verwertbare
Signale auch im Frequenzbereich oberhalb 500 MHz überträgt. Weitere
Messungen haben ergeben, dass selbst Frequenzen bis 1,5 GHz noch
vergleichsweise gut übertragen
werden. Frequenzen zwischen 50 und 300 MHz werden mit nahezu gleichbleibend
geringer Dämpfung übertragen,
hingegen fällt
der Frequenzgang unterhalb eines Frequenzwertes von 50 MHz mit 40
db/Dekade sehr steil ab. In Hochspannungsanlagen bevorzugt auftretende
niederfrequente Störquellen
sind daher von einer Übertragung
weitgehend ausgeschlossen. Dies ist von grossem Vorteil. Zum einen
deswegen, da in dem für eine
Teilentladungsmessung interessanten und oberhalb 20 MHz liegenden
und mindestens bis 300 MHz erstreckten Frequenzbereich ein sehr
grosser Störabstand
zu den unerwünschten
niederfrequenten Störquellen
besteht. Zum anderen aber auch deswegen, da wegen der Unterdrückunmg der
niederen Frequenzen der Ringsenor 4 berührungssicher ist. Das spannungsbegrenzendes
Element 9 stellt bei einem Messvorgang sicher, dass gegebenenfalls
an der Messelektrode 5 auftretende niederfrequente Spannungsspitzen
abgebaut werden und die Elektronik der Verarbeitungseinheit 21 vor Überspannungen geschützt wird.
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Ein
anderer Frequenzgang wird erreicht, wenn auch am Ausgang 16 ein
Messsignal abgegriffen wird und dieser Ausgang mit einem ohmschen Widerstand
von vorzugsweise 50 Ω abgeschlossen ist.
Wie der 6 entnommen werden kann, werden bei
einer derartigen Beschaltung Signale im Frequenzbereich zwischen
50 und 500 MHz mit nahezu konstanter und relativ geringer Dämpfung übertragen.
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Wird
der Ausgang 16 hingegen offen gelassen, dann ergibt sich
der aus 7 ersichtliche Frequenzgang.
Dieser Frequenzgang zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass er
im Frequenzbereich zwischen 200 und 500 MHz Signale mit besonders
kleiner Dämpfung überträgt.
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Ein
vom Ringsensor 4 mit einem kurzgesschlossenen Ausgang 16 ausgegebenes
Signal ist in 8 dargestellt. Dieses Signal
wird mit einem von einem plattenförmigen Sensor nach dem Stand
der Technik ausgegebenen und aus 9 ersichtlichen Signal
verglichen. Beide Signale sind auf gleichartig gebildete Teilentladungsimpulsen
zurückzuführen. Es
ist klar zu ersehen, dass das vom Ringsensor 4 ausgegebene
Signal eine um Grössenordnungen
höhere
Amplitude a aufweist als das vom plattenförmigen Sensor nach dem Stand
der Technik ausgegebene Signal.
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Wie
aus 10 entnommen werden kann, lässt sich der erfindungsgemässe Ringsensor
mit besonderem Vorteil in einen bereits in einer metallgekapselten
gasisolierten Hochspannungsanlage vorgesehenen Sensor 22 zur
Strom- und/oder
Spannungsmessung integrieren. Zu diesem Zweck kann eine im Sensor 22 bereits
vorhandene und der kapazitiven Erfassung der Anlagenspannung dienende Messelektrode 23 als
Messelektrode des erfindungsgemässen
Ringsensors verwendet werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich,
den Ausgang des Sensors 22 nicht wie bei einer Spannungsmessung
im Niederfrequenzbereich mit einem ohmschen Widerstand 24 im
Megaohm- Bereich abzuschliessen, sondern das Ausgangssignal über das
Messkabel 20 unmittelbar in die Verarbeitungseinheit 21 zu
führen.
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Unabhängig davon
ist es auch möglich,
die Messelektrode 5 des Ringsensors 4 in eine
Schirmelektrode 25 des Sensors 22 zu legen. Die
Schirmelektrode 25 bildet dann den Montagering des erfindungsgemässen Ringsensors 4.
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In
weiteren Ausführungsformen
der Erfindung ist es möglich,
den erfindungsgemässen Ringsensor
statt in metallgekapselten gasisolierten Anlagen in anderen hochspannungsführenden
Anlagen, wie insbesondere in einer rotationssymmetrisch ausgebildeten
Kabelmuffe eines Hochspannungskabels, anzuordnen. Zu bevorzugen
ist hierbei die koaxiale Anordnung des Ringsensors auf der Mantelfläche oder
im Inneren eines in einem geerdeten Kabelmantel vorgesehenen, rotationssymmetrisch
gestalteten Giessharzkörpers.
Dieser Giessharzkörper dient
der Aufnahme von hochspannungsführenden Verbindungs-
und Steuerelementen eines längs
der Achse des Giessharzkörpers
erstreckten stromführenden
Leiters des Kabels. Der Abstand zwischen dem geerdeten Mantel und
dem Ringsensor kann hierbei typischerweise bei ca. 1 mm liegen.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Isolatoren
- 3
- Leiter
- 4
- Ringsensor
- 5
- Messelektrode
- 6
- Montagering
- 7
- Bohrungen
- 8
- Befestigungselemente
- 9
- spannungsbegrenzendes
Element
- 10
- Druckbolzen
- 11
- Blindbohrung
- 12
- Druckfeder
- 13
- Kontaktelemente
- 14,
15
- Schirmelektroden
- 16,
17
- Ausgänge
- 18
- Hülse
- 19
- Bohrung
- 20
- Messkabel
- 21
- Verarbeitungseinheit
- 22
- Sensor
- 23
- Messelektrode
- 24
- Widerstand
- 25
- Schirmelektrode