AT391043B

AT391043B - Einrichtung zur feststellung von teilentladungen in hochspannungsanlagen

Info

Publication number: AT391043B
Application number: AT0152086A
Authority: AT
Original assignee: Sprecher Energie Oesterreich
Priority date: 1985-09-20
Filing date: 1986-06-05
Publication date: 1990-08-10
Also published as: CH668132A5; ATA152086A; DE3630026C2; DE3630026A1

Description

Nr. 391 043

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Feststellung von Teilentladungen in Hochspannungsanlagen mit einem mit der Hochspannungsanlage akustisch gekoppelten Ultraschallsensor mit einem im Betrieb lichtführenden Lichtleiter und mit einer daran angeschlossenen beim Auftreten von durch Teilentladungen in der Hochspannungsanlage erzeugten Ultraschallwellen Signale abgebenden Anzeigeanordnung.

Bekannte Vorrichtungen zur akustischen Teilentladungsmessung mit tragbarem Ultraschalldetektor und als Sonde dienendem Mikrophon haben den Nachteil, daß ein nur relativ gedämpftes Signal empfangen werden kann.

In der DE-AS 2 315 323 wird eine Einrichtung zur Erfassung dielektrischer Durchschläge in metallgekapselten Hochspannungsschaltanlagen mittels eines elektroakustischen Wandlers beschrieben. Solche, als Körperschallmikrophon ausgebildete Wandler sind im Bereich jeder Schottstelle der Hochspannungsschaltanlage angeordnet und sollen den bei einem dielektrischen Durchschlag entstehenden Knall erfassen und einer Auswerteeinrichtung zuführen. Zur Feststellung von Teilentladungen bzw. Erfassung von Ultraschallwellen aus Teilentladungen wäre eine solche Einrichtung nicht geeignet

Aus der US-PS 4 408 495 ist ein fiberoptisches System zur Messung der mechanischen Bewegung oder Schwingung eines Körpers bekannt, bei dem ein Sensor aus einem zu einer Spule geformten oder mäanderförmig gewundenen Lichtwellenleiterkabel verwendet wird. Das Lichtwellenleiterkabel ist dabei entweder über einen Gummidübel gewunden oder in einem Block aus elastischem Material eingebettet und wird bei einer Bewegung oder Schwingung des Körpers durch eine Zusatzmasse mechanisch verformt. Werden die Biegeradien des Lichtwellenleiterkabels verändert, reduziert sich die vom Lichtwellenleiter übertragene Lichtintensität. Diese Reduktion der Lichtintensität wird als Maß für die wirksam gewordenen mechanischen Kräfte herangezogen. Zur Feststellung von Teilentladungen bzw. Ultraschallwellen ist ein solcher Sensor viel zu unempfindlich, wie diebenötigte Zusatzmasse zeigt.

Durch die in der Folge aufgezeigte erfindungsgemäße Ausführung wird bezweckt, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hohe Betriebssicherheit nebst wirtschaftlichen Vorteilen aufweist, gegen Störungen von elektrischen und magnetischen Feldern unempfindlich ist und mit einem einfach und wirtschaftlich vorteilhaft ausgebildeten Ultraschallsensor ausreichender Empfindlichkeit ausgerüstet ist.

Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der Lichtleiter mindestens im Bereich des Ultraschallsensors zumindest teilweise flach ausgebildet ist und mit mindestens einer um eine zur Längsrichtung des Lichtleiters quer stehende und zu den Breitflächen des flachen Lichtleiters parallele Achse gebogenen, am flachen Teil des Lichtleiters angeordneten, beim Auftreffen von Ultraschallwellen auf den Ultraschallsensor sich ändernden und dabei das Auskoppeln des im Lichtleiter geführten Lichtes mindestens teilweise zulassenden Krümmung versehen ist.

Durch die Anwendung des Lichtleiters als Verbindung zwischen dem mit der Hochspannungsanlage gekoppelten Ultraschallsensor und der Anzeigeanordnung findet einerseits eine betriebssichere Potentialtrennung statt, anderseits sind große elektrisch leitende Schleifen vermieden, in denen magnetische Wechselfelder Störspannungen induzieren könnten. Die aus relativ einfachen und wirtschaftlich vorteilhaften Elementen zusammengestellte Einrichtung ist durch die Anwendung eines Lichtleiters außerdem störungsunempfindlich. Der Ultraschallsensor weist einen flachen und gebogenen Lichtleiter auf. Der flache Lichtleiter ist vorteilhaft, weil die Winkelverhältnisse für Totalreflexion und für Auskoppelung des Lichtes auch im kritischen Biegungsbereich an der Grenze zwischen Totalreflexion und Auskoppelung auf der ganzen Breite des Lichtleiters praktisch gleich sind. Durch diese Maßnahme kann eine hohe Empfindlichkeit des sonst sehr einfach aufgebauten Ultraschallsensors erreicht werden.

Der Radius der Krümmung des Lichtleiters ist vorteilhafterweise auf einen Empfindlichkeitsbereich des Ultraschallsensors zwischen 20 und 100 kHz eingestellt. Messungen haben ergeben, daß die bei Teilentladungen in einer Hochspannungsanlage auftretenden Schallwellen mehrheitlich in diesem Frequenzbereich liegen.

Der flache Lichtleiter weist bevorzugt eine für die Führung von höchstens 10 Moden geeignete Dicke auf. Bei Monomode-Lichtführung erreicht man im flachen Lichtleiter in Abhängigkeit vom im kritischen Bereich liegenden Krümmungsradius entweder eine Totalreflexion oder eine Auskoppelung des ganzen Lichtes und somit eine sehr große Empfindlichkeit des Ultraschallsensors. Bei der Führung von 10 Moden im flachen Lichtleiter ist die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors noch ausreichend.

Es kann ein runder Lichtleiter vorgesehen sein, der im Bereich des Ultraschallsensors flach gedrückt ist. Ein verhältnismäßig kräftiger runder Lichtleiter zwischen dem Ultraschallsensor und der Anzeigeanordnung ist mechanisch widerstandsfähig und erleichtert die Handhabung der Einrichtung. Durch die Einstückigkeit des Lichtleiters entfallen allfällige optische Kopplungselemente am Ultraschallsensor.

Die Krümmung des flachen Lichtleiters kann im Bereich des Ultraschallsensors 180° umfassen. Der flache Lichtleiter kann auch mäanderförmig gebogen sein und einen Lichtleiterstreifen bilden. Im Ultraschallsensor können mehrere zueinander unter einem Winkel zwischen 90° und 180° versetzte mäanderförmige Lichtleiterstreifen angeordnet sein, die optisch in Reihe geschaltet sein können.

Der flache und gebogene Lichtleiter kann im Bereich des Ultraschallsensors auf einer elastischen folienförmigen Unterlage hochkant gestellt angebracht sein. Solche Unterlagen können an Hochspannungsanlagen, insbesondere an der äußeren Metallkapselung gekapselter Hochspannungsanlagen einfach durch Ankleben angebracht werden.

Der flache und gebogene Lichtleiter kann zwischen kämmenden Zähnen zweier gegenüberliegenden -2-

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Backenstücke liegen, wovon das erste Backenstück mit der Hochspannungsanlage akustisch gekoppelt ist und das zweite Backenstück als schwimmende träge Masse ausgebildet ist. Das zweite Backenstück kann mit dem ersten Backenstück federnd verbunden sein.

Der flache und gebogene Lichtleiter kann in einer den Brechungsindex an der Oberfläche des Lichtleiters bestimmenden Flüssigkeit untergebracht sein. Diese Maßnahme erlaubt die Einstellung des Empfindlichkeitsbereiches des Ultraschallsensors, ohne daß der Radius der Krümmung am flachen Lichtleiter verändert werden muß.

Im folgenden werden an Hand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen schematisch dargestellten Teil einer Hochspannungsanlage mit einer ebenfalls schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Einrichtung zur Feststellung von Teilentladungen, Fig. 2 den flachgedrückten Teil eines runden Lichtleiters, Fig. 3 einen Ultraschallsensor mit zwei mäanderförmigen Lichtleiterstreifen auf einer folienförmigen Unterlage und Fig. 4 einen Ultraschallsensor mit zwischen den kämmenden Zähnen zweier Backenstücke liegendem flachem Lichtleiter.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Feststellung von Teilentladungen in einer Hochspannungsanlage schematisch dargestellt. Die Hochspannungsanlage ist durch das für Spannungsführung bestimmte Hochspannungsleiterstück (1) und das dieses Leiterstück umgebende geerdete Kapselungsstück (2) schematisch dargestellt. Die Hochspannungsanlage kann auch ohne Kapselung ausgeführt sein. Die in einer solchen Hochspannungsanlage auftretenden Teilentladungen können aus einer sicheren Entfernung gemessen werden. Die zur Feststellung von Teilentladungen dienende Einrichtung besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem am Kapselungsstück (2) der Hochspannungsanlage angebrachten Ultraschallsensor (3) und aus einer daran angeschlossenen Anzeigeanordnung (4). Durch den Ultraschallsensor (3) ist ein Lichtleiter (5) geführt, der an der Anzeigeanordnung (4) angeschlossen ist.

Die Anzeigeanordnung (4) enthält am einen Ende des Lichtleiters (5) eine nicht näher dargestellte Lichtquelle (6) und einen am anderen Ende des Lichtleiters (5) angeschlossenen Lichtsensor (7). Die Lichtquelle (6) gibt ein monochromes Licht ab. Der Lichtsensor (7) ist eine Photodiode oder ein Photowiderstand. Die Signalaufbereitung erfolgt in irgendeiner allgemein bekannten in der Anzeigeanordnung (4) eingebauten elektronischen Schaltanordnung. Die Speisung und Handhabung der Anzeigeanordnung (4) ist völlig gefahrlos, weil durch den aus elektrischem Isoliermaterial, beispielsweise Glas oder durchsichtigem Kunststoff, bestehenden Lichtleiter (5) zwischen der Hochspannungsanlage und der Anzeigeanordnung (4) eine Potentialtrennung vorhanden ist. Magnetische Wechselfelder beeinflussen die Anzeigeanordnung (4) nicht, weil die große an der Anzeigeanordnung (4) angeschlossene geschlossene Schleife aus dem elektrisch isolierenden Lichtleiter (5) besteht und die Anzeigeanordnung (4) selbst gut abschirmbar ist.

Der Ultraschallsensor (3) enthält den durch ihn geführten Lichtleiter (5), der in diesem Bereich flach ausgebildet und mit mehreren Krümmungen (8) von 180° versehen ist. Die Krümmung (8) des flachen Lichtleiters (8) erfolgt um eine zur Längsrichtung des Lichtleiters (5) quer stehende und zu den Breitflächen des flachen Lichtleiters (5) parallele Achse. Der flache Lichtleiter (5) ist im Ultraschallsensor (3) mäanderförmig gebogen und bildet einen Lichtleiterstreifen (10), der auf einer Folie (9) hochkantgestellt befestigt ist. Die Folie (9) selber ist auf die Oberfläche des Kapselungsstückes (2) aufgeklebt. Bei Teilentladungen auf dem Hochspannungsleiterstück (1) werden Ultraschallwellen erzeugt, die durch die akustische Kopplung über die Isolierstrecke, das Gehäuse (2) und die Folie (9) zum Lichtleiterstreifen (10) gelangen. Der Radius der Krümmungen (8) des Lichtleiters (5) ist so gewählt, daß bei einer durch Ultraschallwellen verursachten kleinsten Verkleinerung das im Lichtleiter (5) geführte Licht ausgekoppelt wird. Dieses Auskoppeln des Lichtes bewirkt, daß mindestens ein Teil des aus der Anzeigeanordnung (4) kommenden Lichtes die Anzeigeanordnung (4) nicht wieder erreicht. Wenn das ausgesandte Licht in die Anzeigeanordnung (4) nicht vollständig zurückgeführt wird, tritt die Signalaufbereitungsanordnung in Funktion und gibt Signale ab, welche das Vorhandensein von Teilentladungen in der Hochspannungsanlage melden. Es versteht sich, daß die größte Empfindlichkeit bei Monomode-Lichtführung erreichbar ist, weil in diesem Fall bei einer Radiusverkleinerung einer Krümmung (8) gar kein Licht mehr in die Anzeigeanordnung (4) zurückgeführt wird. Bei einer Lichtführung von 10 Moden im Lichtleiterstreifen (10) ist die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors (3) noch ausreichend.

In der Fig. 2 ist der im Ultraschallsensor (3) geführte Teil des Lichtleiters (5) dargestellt. Der runde Lichtleiter (11) ist im Bereich des Ultraschallsensors (3) flach gedrückt. Der flache Lichtleiterteil (12) weist bevorzugt eine Dicke von 2 bis 3 Mikrometer und eine Breite von 0,1 bis 10 Millimeter auf.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Ultraschallsensor (3) mit zwei mäanderförmigen Lichtleiterstreifen (13,14), die auf einer elastischen folienförmigen Unterlage (15) befestigt sind. Diese Unterlage (15) kann beispielsweise auf das Kapselungsstück (2) der in Fig. 1 dargestellten Hochspannungsanlage aufgeklebt werden. Die Lichtleiterstreifen (13,14) sind zueinander unter einem Winkel von 90° angeordnet, damit Ultraschallwellen praktisch aus jeder Richtung in der Ebene der Unterlage (15) festgestellt werden können. Bei drei Lichtleiterstreifen würde der Winkel zwischen den einzelnen Lichtleiterstreifen 120° betragen. Dreidimensionale Anordnungen sind bei entsprechend ausgebildeter akustischer Kopplung auch möglich. Die beiden Lichtleiterstreifen (13, 14) sind nach Fig. 3 optisch in Reihe geschaltet. Optisch parallelgeschaltete Lichtleiterstreifen wären auch in der Anzeigeanordnung (4) mit Mehraufwand verbunden, würden aber bei Ausfall -3-

Claims

Nr. 391 043 eines Lichdeitersüeifens die Betriebsfahigkeit der Einrichtung sichern. Durch Messungen hat man festgestellt, daß die bei Teilentladungen in einer Hochspannungsanlage auftretenden Schallwellen mehrheitlich in einem Frequenzbereich zwischen 20 und 100 kHz liegen. Aus diesem Grunde werden die Radien der Krümmungen (8) des Lichtleiters (5) in den Ultraschallsensoren (3) auf diesen Frequenzbereich eingestellt Der in Fig. 4 dargestellte Ultraschallsensor enthält zwei mit kämmenden Zähnen (16,17) versehene Backenstücke (18,19). Das erste Backenstück (18) ist am Kapselungsstück (2) der Hochspannungsanlage befestigt und mit diesem akustisch gekoppelt. Das zweite Backenstück (19) weist eine relativ große Masse auf und ist am mit dem ersten Backenstück (18) verbundenen Behälter (20) über ein Gummipolster (21) federnd befestigt. Der Lichtleiter (5) liegt mit seinem flachen Teil zwischen den kämmenden Zähnen (16,17) der beiden gegenüberliegenden Backenstücke (18, 19). Beim Auftreten von Teilentladungen in der Hochspannunganalage werden die Ultraschallwellen dem ersten Backenstück (18) zugeführt Dieses Backenstück (18) wird durch die Ultraschallwellen zu Schwingungen erregt. Der zwischen den kämmenden Zähnen (16,17) liegende, flache Lichtleiter (5) wird durch diese Schwingungen auf Biegung beansprucht, weil das zweite Backenstück (19) mit den Zähnen (17) durch seine relativ große Masse praktisch die Ruhelage behält. Bei der Biegung des flachen Lichtleiters zwischen den Zähnen (16,17) findet eine Radiusverkleinerung und eine damit verbundene Lichtauskopplung aus dem Lichtleiter (5) statt, was durch die Anzeigeanordnung (4) festgestellt werden kann. Der empfindlichkeitsbedingte erforderliche Radius der Krümmungen (8) hängt vom Brechungsindex des Lichtleitermaterials und der Umgebung ab. Um eine einfache Korrektur der Empfindlichkeit des Ultraschallsensors zu ermöglichen, ist der flache und gebogene Lichtleiter (5) in einer den Brechungsindex an der Oberfläche des Lichtleiters (5) bestimmenden Flüssigkeit (22) untergebracht. Die Flüssigkeit (22) befindet sich in der Anordnung gemäß Fig. 4 im Behälter (20) und kann aus einem Öl oder aus einer etwa den Brechungsindex von Öl auf weisenden Flüssigkeit besteht. PATENTANSPRÜCHE 1. Einrichtung zur Feststellung von Teilentladungen in Hochspannungsanlagen mit einem mit der Hochspannungsanlage akustisch gekoppelten Ultraschallsensor mit einem im Betrieb lichtführenden Lichtleiter und mit einer daran angeschlossenen beim Auftreten von durch Teilentladungen in der Hochspannungsanlage erzeugten Ultraschallwellen Signale abgebenden Anzeigeanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (5,11,12) mindestens im Bereich des Ultraschallsensors (3) zumindest teilweise flach ausgebildet ist und mit mindestens einer um eine zur Längsrichtung des Lichtleiters (5) quer stehende und zu den Breitflächen des flachen Lichtleiters (5, 12) parallele Achse gebogenen, am flachen Teil des Lichtleiters (5.12) angeordneten, beim Auftreffen von Ultraschallwellen auf den Ultraschallsensor (3) sich ändernden und dabei das Auskoppeln des im Lichtleiter (5) geführten Lichtes mindestens teilweise zulassenden Krümmung (8) versehen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Krümmung (8) des Lichtleiters (5) auf einen Empfindlichkeitsbereich des Ultraschallsensors (3) zwischen 20 und 100 kHz eingestellt ist.
3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Lichtleiter (5.12) eine für die Führung von höchstens 10 Moden geeignete Dicke aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein runder Lichtleiter (11) vorgesehen ist, der im Bereich des Ultraschallsensors (3) flach gedrückt ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung (8) des flachen Lichtleiters (5) im Bereich des Ultraschallsensors (3) 180° umfaßt. -4- Nr. 391 043
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Lichtleiter (5) mäanderförmig gebogen ist und einen Lichtleiterstreifen (10,13,14) bildet.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Ultraschallsensor (3) mehrere zueinander unter einem Winkel zwischen 90® und 180° versetzte mäanderförmige Lichtleiterstreifen (13,14) angeordnet sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mäanderförmigen Lichtleiterstreifen (13,14) optisch in Reihe geschaltet sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der flache und gebogene Lichtleiter (5) im Bereich des Ultraschallsensors (3) auf einer elastischen folienförmigen Unterlage (9,15) hochkant gestellt angebracht ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der flache und gebogene Lichtleiter (5) zwischen kämmenden Zähnen (16,17) zweier gegenüberliegender Backenstücke (18,19) liegt, wovon das erste Backenstück (18) mit der Hochspannungsanlage akustisch gekoppelt ist und das zweite Backenstück (19) als schwimmende träge Masse ausgebildet ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Backenstück (19) mit dem ersten Backenstück (18) federnd verbunden ist
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der flache und gebogene Lichtleiter (5) in einer den Brechungsindex an der Oberfläche des Lichtleiters (5) bestimmenden Flüssigkeit (22) untergebracht ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-