CH679807A5 - - Google Patents
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Description
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CH 679 807 A5 CH 679 807 A5
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Beschreibung description
Die Erfindung betrifft einen Teilentladungs-Sen-sor gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 8 und bezieht sich auf das Gebiet der Teilentladungsmessung an elektrotechnischen Betriebsmitteln wie Tranformatoren, Generatoren, Motoren, Schaltanlagen einschliesslich feststoffisolierte und SF6-Schaltanlagen, Kabelnetze u.a. The invention relates to a partial discharge sensor according to the preamble of claims 1 and 8 and relates to the field of partial discharge measurement on electrical equipment such as transformers, generators, motors, switchgear including solid-insulated and SF6 switchgear, cable networks and others.
Neben der zyklischen oder permanenten Zu-standsdiagnose ergeben sich damit prinzipiell auch Möglichkeiten der Anomalie-Früherkennung und damit der Auslösung von Abschaltungen gefährdeter Objekte, bei Verhinderung eines zerstörenden Durchschlages. In addition to the cyclical or permanent status diagnosis, there are in principle also possibilities for early anomaly detection and thus the triggering of shutdowns of endangered objects, while preventing a destructive breakdown.
Neben der klassischen und standardisierten Teil-entladungsmesstechnik («Partial discharge measu-rement. lEC-Publication 270/1981») wird für die Vor-Ort-Diagnose eine kleine Sonde und ein günstigeres Nutz-Störsignalverhältnis angestrebt. Dazu ist es bekannt, die Störsignale in Brückenschaltungen zu kompensieren (Zaengl, W.; Klauss, A.: On-site surveillance of potential transformers by means of DP measurement. CIGRE-Symposium, Wien 1987, Section 700-01) oder die zeitlich begrenzten Störkomponenten mit elektronischen Diskriminatorschal-tungen auszublenden (Lemke, E.: Diagnose an elektrotechnischen Betriebsmitteln auf der Grundlage sehr breitbandiger Teilentladungsmessungen. ELEKTRIE, Berlin 38/1984/10, S. 387-398). In addition to the classic and standardized partial discharge measurement technology (“Partial discharge measurement. IEC publication 270/1981”), a small probe and a more favorable useful interference signal ratio are aimed for on-site diagnosis. For this purpose, it is known to compensate for the interference signals in bridge circuits (Zaengl, W .; Klauss, A .: On-site surveillance of potential transformers by means of DP measurement. CIGRE Symposium, Vienna 1987, Section 700-01) or the temporal to hide limited interference components with electronic discriminator circuits (Lemke, E .: diagnosis of electrical equipment based on very broadband partial discharge measurements. ELEKTRIE, Berlin 38/1984/10, pp. 387-398).
Ein mit 50 Hz Prüfwechselspannung basierendes Verfahren zur Erfassung von inneren TE-Impulsen wird in der DE-OS 2 721 353 vorgestellt. Störungen, z.B. äussere Entladungen, welche im Bereich des Maximums der Prüfspannung auftreten, werden durch spezielle elektronische Kurzschliesser unterdrückt und damit nicht zur Auswertung herangezogen. A method based on 50 Hz test alternating voltage for detecting internal TE pulses is presented in DE-OS 2 721 353. Disturbances, e.g. External discharges that occur in the area of the maximum of the test voltage are suppressed by special electronic short-circuiters and are therefore not used for evaluation.
WP 253 333 offenbart eine Anordnung zur Unterdrückung der den Teilentladungssignalen überlagerten HF-Störspannungen, die im wesentlichen aus einer Gegentakttransistorschaltung mit Dioden und einem steuerbaren Widerstand zwischen den beiden Basen zur Erzeugung eines Ruhestromes besteht. An die Steuerelektrode des steuerbaren Widerstandes ist über einen Trennkondensator und eine Gleichrichterschaltung mit optimalem Zeitverhalten und Grundpegeleinsteliung der Ausgang eines das Nutz-Störsignalgemisch verstärkenden Steuerverstärkers und über eine Entkopplungsdiode der Steuerimpuls so gelegt, dass bei aktivem Steuersignal nur die elektrischen Teilentladungsimpulse über die Gegentakttransistoren übertragen werden. WP 253 333 discloses an arrangement for suppressing the RF interference voltages superimposed on the partial discharge signals, which essentially consists of a push-pull transistor circuit with diodes and a controllable resistor between the two bases for generating a quiescent current. The output of a control amplifier amplifying the useful interference signal mixture is connected to the control electrode of the controllable resistor via a isolating capacitor and a rectifier circuit with optimal timing and basic level adjustment, and the control pulse is connected via a decoupling diode so that only the partial electrical discharge pulses are transmitted via the push-pull transistors when the control signal is active.
DE-OS 3 630 026 offenbart einen Ultraschallsensor zur Indikation von TE aus einer teilweise flach ausgebildeten, in mehreren Krümmungen fixierten und am Prüfling befestigten Lichtleiterschleife, die an einem Ende mit einer monochromen Lichtquelle und am anderen Ende mit einem Lichtsensor gekoppelt ist. Die durch TE hervorgerufenen Ultraschallwellen bewirken elastische Veränderungen der Krümmungsradien des Lichtleiters, damit Auskopplung und Verlust bzw. Modulation des Lichtes, was zur Indikation und Auswertung benutzt wird. DE-OS 3 630 026 discloses an ultrasonic sensor for the indication of TE from a partially flat, light guide loop which is fixed in several curvatures and attached to the test specimen and which is coupled at one end to a monochrome light source and at the other end to a light sensor. The ultrasonic waves caused by TE cause elastic changes in the radii of curvature of the light guide, thus coupling and loss or modulation of the light, which is used for indication and evaluation.
Durch DE-PS 3 408 256 wird eine Messsonde zur Erfassung des beim Zünden von TE entstehenden elektromagnetischen Strahlungsfeldes mit Frequenzanteilen weit über 100 MHz mittels einer Breitbandantenne bekanntgemacht, die aus einem über ein Kompensationsnetzwerk miteinander verbundenen Dreielektrodensystem besteht. An der dem Prüfling zugewandten Seite ist zwischen einer Messelektrode und einer, mit einer Öffnung versehenen, umfassenden gehäuseartig ausgestalteten Bezugselektrode eine rahmenförmige Kompensationselektrode angeordnet, und innerhalb der Bezugselektrode sind Differenzverstärker integriert, deren Anstiegszeit im Vergleich zur Dauer der TE-Impulse sehr klein ist und im Nanosekundenbereich liegt. Durch die Anordnung der Elektroden ergibt sich ein guter Richteffekt und durch ihre Zusammenschaltung eine erhöhte Störsignalreduzierung von Fernfeldern. DE-PS 3 408 256 discloses a measuring probe for detecting the electromagnetic radiation field which arises when TE is ignited, with frequency components far above 100 MHz, using a broadband antenna which consists of a three-electrode system connected to one another via a compensation network. On the side facing the test specimen, a frame-shaped compensation electrode is arranged between a measuring electrode and a comprehensive reference electrode designed with an opening and housing, and differential amplifiers are integrated within the reference electrode, the rise time of which is very small compared to the duration of the TE pulses and im Nanosecond range. The arrangement of the electrodes results in a good straightening effect and their interconnection results in increased interference signal reduction from far fields.
Die eingangs geschilderte Zustandsüberwa-chung erfordert die ständige Betriebsbereitschaft der TE-Sonde. Da die problembehaftete Störsignalunterdrückung nur bei potentialfreiem Betrieb (ohne Netzanschluss) voll wirksam werden kann, ist bei permanenter Zustandsüberwachung eine zyklische Auswechselung der internen Batterien bzw. ihre Nachladung unumgänglich, so dass neben der aufwendigen Wartung zeitweise Betriebsunterbrechungen nicht auszuschliessen sind. Demzufolge müs-ste für jeden Messpunkt eine zweite Sonde zur Verfügung stehen, um die Redundanz zu gewährleisten, falls ein kritischer Fehler im Augenblick der Wartung auftritt. The condition monitoring described at the outset requires the TE probe to be constantly ready for operation. Since the problematic suppression of interference signals can only be fully effective in potential-free operation (without a mains connection), a cyclical replacement of the internal batteries or their recharging is essential for permanent condition monitoring, so that interruptions in operation can not be ruled out in addition to time-consuming maintenance. As a result, a second probe should be available for each measuring point to ensure redundancy if a critical error occurs during maintenance.
Auch ist der Schaltungsaufwand für die bisher bekannte TE-Sonde (DD-WP 214 461) nicht unerheblich, wobei jedoch ihre Einsatzmöglichkeiten über das o.g. Anwendungsgebiet des Havarie-Schutzes weit hinausgehen. The circuit complexity for the previously known TE probe (DD-WP 214 461) is also not insignificant, although its possible uses are based on the above. Area of application of the accident protection goes far.
Schliesslich müsste zwecks permanenter Zustandsüberwachung die TE-Sonde am zu schützenden Objekt fest installiert sein. Probleme ergeben sich hinsichtlich der Gewährleistung der Zugänglichkeit zwecks Batteriewechsel. Ausserdem lassen Grösse und Gewicht der bekannten TE-Sonde eine einfache Anbringung am Objekt nicht zu. Bei Freiluftobjekten kommt ausserdem das Problem des Klimaschutzes hinzu. Schliesslich wäre es im Hinblick auf eine selektive Fehlererkennung wünschenswert, Messungen an mehreren gefährdeten Stellen innerhalb elektrotechnischer Betriebsmittel (z.B. im Transformator, d.h. unter Öl) vorzunehmen. Dazu ist die bisher bekannte TE-Sonde nicht geeignet, da sie nicht hermetisch abgedichtet werden kann. Finally, for permanent condition monitoring, the TE probe would have to be permanently installed on the object to be protected. Problems arise with ensuring accessibility for changing the battery. In addition, the size and weight of the known TE probe do not allow easy attachment to the object. In the case of open-air objects, there is also the problem of climate protection. Finally, with a view to selective fault detection, it would be desirable to take measurements at several vulnerable points within electrical equipment (e.g. in the transformer, i.e. under oil). The previously known TE probe is not suitable for this, since it cannot be hermetically sealed.
Die nach dem Stand der Technik üblichen Breitbandverstärker zur Verstärkung der hochfrequenten TE-Signale ( > 100 MHz) benötigen auf Grund der erforderlichen raschen Umladung parasitärer Streukapazitäten bewusst klein gehaltene Arbeitswiderstände ( < 100 Ohm), bei Schaltzeiten im Nanosekundenbereich) und damit grosse Betriebsströme (ca. 10 mA je Transistor), was einem Batteriebetrieb über eine ausreichende Betriebsdauer hinderlich ist. The broadband amplifiers customary in the prior art for amplifying the high-frequency TE signals (> 100 MHz) deliberately need to keep working resistances (<100 ohms), with switching times in the nanosecond range, small and therefore large operating currents (approx 10 mA per transistor), which is an obstacle to battery operation over a sufficient operating time.
Bei klassischen Gleichrichterschaltungen (einschliesslich bei Avalanchedioden) beträgt die An5 For classic rectifier circuits (including avalanche diodes), the An5 is
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sprechschwelle etwa 2 bis 10% der Endaussteuerung, so dass nur Dynamikwerte von 1:50 bis 1:10 erreichbar sind. Die Notwendigkeit einer festen Arbeitspunkteinstellung beim klassischen Gleichrichter mittels eines Spannungsteilers erhöht ebenfalls den Strombedarf. Talk threshold about 2 to 10% of the final level, so that only dynamic values from 1:50 to 1:10 can be achieved. The need for a fixed operating point setting in the classic rectifier by means of a voltage divider also increases the current requirement.
Es ist Ziel der Erfindung, einen TE-Sensor für die TE-Diagnose einschliesslich TE-Anomalie-Früh-erkennung sowie den Havarieschutz hochwertiger elektrotechnischer Hochspannungs-Ausrüstungen zu realisieren. Dabei werden angestrebt: The aim of the invention is to implement a PD sensor for PD diagnosis including early diagnosis of TE anomalies as well as the accident protection of high-quality electrotechnical high-voltage equipment. The aim is:
- einfachster Schaltungsaufbau, - simplest circuit construction,
- geringe Zahl von Bauelementen, - small number of components,
- Realisierbarkeit als integrierte Schaltung, Feasibility as an integrated circuit,
- geringer Stromverbrauch, - low energy consumption,
- geringes Gewicht, - light weight,
- geringe Abmessungen, - small dimensions,
- Möglichkeit der hermetischen Kapselung, - possibility of hermetic encapsulation,
- hohe Störfestigkeit, - high immunity to interference,
- hohe Dynamik der Aussteuerung ohne Messbe-reichsumschaltung, - high dynamic of the modulation without changing the measuring range,
- einfache Adaptionsmöglichkeiten am Prüfobjekt (ggf. Implementierung) - Simple adaptation options on the test object (implementation if necessary)
- Reaktionsfähigkeit nur auf Kurzzeitimpulse im Na-nosekunden-Zeitbereich, - responsiveness only to short-term impulses in the nanosecond time range,
- TE-Signalerkennung auf Metallflächen bei einem Abstand der Messpunkte von nur 10 cm. - TE signal detection on metal surfaces with a distance of the measuring points of only 10 cm.
Oben genannte Zielstellungen sind zum Teil unmittelbar miteinander verknüpft und ergänzen einander. The objectives mentioned above are in part directly linked and complement each other.
Ausgehend von vorstehender Zielstellung besteht die Aufgabe, TE-Signale mittels eines Aufnehmers vom Prüfobjekt aufzunehmen bei gleichzeitiger Reduzierung des Störsignalpegels und in einer Verarbeitungseinheit so zu formen, dass die Ausgangssignale bei erhöhtem Pegel und damit verminderter Gefahr der weiteren Störbeeinflussung einer nachfolgenden Signalverarbeitung in der Zentrale (z.B. Schaltwarte) zugeführt werden können. Based on the above objective, the task is to record TE signals from the test object by means of a transducer while reducing the interference signal level and to shape them in a processing unit so that the output signals at an increased level and thus reduced risk of further interference with subsequent signal processing in the control center ( control room).
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. According to the invention, this object is achieved by the features listed in the characterizing part of patent claim 1.
Eine alternative Lösung ist im Patentanspruch 8 angegeben. An alternative solution is given in claim 8.
Besitzt das Prüfobjekt ein metallisches Gefäss, so ist es vorteilhaft, Teilentladungssignale an exponierten Stellen der Wandung abzugreifen, wobei erfindungsgemäss vorgesehen ist, dass der Adapter aus zwei Kontaktspitzen mit einem die aktive Messzone eines metallischen Prüflingsgefässes bestimmenden Abstand besteht. If the test object has a metallic vessel, it is advantageous to tap partial discharge signals at exposed locations on the wall, it being provided according to the invention that the adapter consists of two contact tips with a distance which determines the active measuring zone of a metallic test vessel.
Eine weitere Möglichkeit der TE-Signalerfassung besteht darin, dass der Adapter in einer einpoligen Kontaktierung zum Prüfobjekt besteht und das leitende Gehäuse des Sensors eine Antenne bildet. Another possibility of TE signal detection is that the adapter consists of a single-pole contact to the test object and the conductive housing of the sensor forms an antenna.
Eine zweckmässige Ausführungsform sieht erfin-gungsgemäss vor, dass die einpolige Kontaktierung bei ferromagnetischen Prüflingsgefässen mittels Haftmagnet erfolgt. According to the invention, an expedient embodiment provides that the single-pole contacting in ferromagnetic test specimen vessels takes place by means of a holding magnet.
Es ist jedoch in einigen Anwendungsfällen zweckmässig, dass das elektrisch leitende Gehäuse des Sensors elektrisch und mechanisch mit dem Gehäuse des Prüfobjektes verbunden ist und als Gegenpol eine vorzugsweise scheibenförmig ausgeführte Antenne angeordnet ist. In some applications, however, it is expedient for the electrically conductive housing of the sensor to be electrically and mechanically connected to the housing of the test object and for an antenna, preferably a disk-shaped one, to be arranged as the opposite pole.
Insbesondere für die letztgenannte Anordnung ist zur Vergrösserung des Nutz-Störsignalverhältnisses erfändungsgemäss vorgesehen, dass von der Signalleitung zum Sensorgehäuse ein kurzgeschlossener Wellenleiter mit einer Wellenlaufzeit von weniger als 100 ns geschaltet ist. According to the invention, in particular for the latter arrangement, in order to increase the useful interference signal ratio, a short-circuited waveguide with a wave propagation time of less than 100 ns is connected from the signal line to the sensor housing.
Dabei ist es möglich, dass der Wellenleiter aus einem Koaxialkabel besteht, dessen innenleiter ein-gangsseitig mit der Signalleitung und ausgangsseitig mit dem metallischen Gehäuse des Sensors verbunden ist oder dass eine Parallel-Streifenleitung entsprechend geschaltet ist. Auch mittels eines Impulsübertragers lassen sich Störimpulse von über 100 ns Dauer von den kurzen TE-Signalen trennen und somit den Störabstand verbessern. It is possible that the waveguide consists of a coaxial cable, the inner conductor of which is connected on the input side to the signal line and on the output side to the metallic housing of the sensor, or that a parallel strip line is connected accordingly. A pulse transformer can also be used to separate interference pulses of more than 100 ns from the short TE signals, thus improving the signal-to-noise ratio.
Eine Variante eines Impulsübertragers sieht vor, dass der Adapter zwei Eingänge aufweist, die mit Anfang und Ende des Innen- oder Aussenleiters einer, vorzugsweise auf einem Manifer-Schalenkern gewickelten Koaxialleitung verbunden sind, dessen Aussen- bzw. Innenleiter an einem Ende über die Signalleitung an die zwei Ladungsspeicherkondensatoren und am anderen Ende mit der Masse der Schaltungsanordnung verbunden sind. A variant of a pulse transmitter provides that the adapter has two inputs, which are connected to the beginning and end of the inner or outer conductor of a coaxial line, preferably wound on a Manifer shell core, the outer or inner conductor of which is connected to the signal line at one end the two charge storage capacitors are connected at the other end to the ground of the circuit arrangement.
Anstelle einer Batteriestromversorgung oder zur Pufferung derselben ist es auch möglich, über die Ausgangssignalleitung von der Schaltwarte einen Speisestrom einzuspeisen, wobei erfindungsgemäss ein Kontakt der Ausgangsbuchse über einen Widerstand mit der positiven und der andere Kontakt über einen Widerstand mit der negativen Betriebsspannungsleitung verbunden ist und am Ende der Ausgangssignalleitung in der Schaltwarte verdrosselt eine Stromversorgung angeschlossen ist. Instead of a battery power supply or for buffering the same, it is also possible to feed a supply current via the output signal line from the control room, whereby according to the invention one contact of the output socket is connected via a resistor to the positive and the other contact via a resistor to the negative operating voltage line and at the end the output signal line in the control room is choked and a power supply is connected.
Zur Vermeidung von Schwingneigungen sowie unsymmetrischen Aussteuerungen ist vorgesehen, dass ein induktivitätsarmer Glättungskondensator über die Verbindungspunkte der Transistorenemitter mit den Betriebsspannungspotentialen geschaltet ist. To avoid oscillation tendencies and asymmetrical modulations, it is provided that a low-inductance smoothing capacitor is connected to the operating voltage potentials via the connection points of the transistor emitters.
Zur Erhöhung der Nachweisgrenze für den TE-Sensor ist es erfindungsgemäss möglich, dass zwischen der Signalleitung und den Basen der zwei komplementären Bipolartransistoren eine gleicher-massen aufgebaute zweite Komplementärtransistoranordnung mit Ladespeicherkondensatoren als Vorstufe eingefügt ist. In order to increase the detection limit for the TE sensor, it is possible according to the invention that a second complementary transistor arrangement with the same structure and with charge storage capacitors as a preliminary stage is inserted between the signal line and the bases of the two complementary bipolar transistors.
Eine mögliche und in einigen Anwendungsfällen vorteilhafte Konfiguration der Erfindung sieht vor, dass der Aufnehmer aus einer aktiven Breitbandantenne, vorzugsweise aus dem an sich bekannten Dreielektrodensystem mit schnellen Differenzverstärkern besteht. A possible configuration of the invention, which is advantageous in some applications, provides that the transducer consists of an active broadband antenna, preferably of the three-electrode system with fast differential amplifiers known per se.
Die Auswertung in der Zentrale erfolgt zweckmässig mit Digitalsignalen, dazu ist es zweckmässig, dass an Stelle der Emitterfolger als Spannungsfol-ger geschaltete OP-Verstärker angeordnet sind, deren Ausgänge auf eine unipolare Impulsfolge erzeugende Anordnung geschaltet sind. The evaluation in the control center is expediently carried out using digital signals, for this purpose it is expedient that, instead of the emitter followers, switched OP amplifiers are arranged as voltage followers, the outputs of which are connected to an arrangement generating a unipolar pulse sequence.
Die Übertragung der TE-Signaie eines auf Hochspannungspotential liegenden TE-Sensors zur Zentrale erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Ausgangsbuchse mit dem Modulationseingang eines nachgeschalteten Lichtsenders oder Laseranordnung verbunden ist, der über Lichtleitkabel oder The TE signals of a TE sensor at high voltage potential are preferably transmitted to the control center in that the output socket is connected to the modulation input of a downstream light transmitter or laser arrangement, which is connected via fiber optic cables or
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über einen fokussierten Strahl mit einem der Signalverarbeitungsstufe vorgeschalteten Lichtempfänger mit Demodulator gekoppelt ist. is coupled via a focused beam to a light receiver upstream of the signal processing stage with a demodulator.
Eine einfache analoge Signalbewertung und Beurteilung kritischer Isolationsfehler sieht vor, dass in der Signalverarbeitungsstufe ein Messwert gebildet ist, der dem Mittelwert des Quadrates der TE-Impulsladungen entspricht. A simple analog signal evaluation and evaluation of critical insulation faults provides that a measurement value is formed in the signal processing stage which corresponds to the mean value of the square of the TE pulse charges.
Zweckmässige kapazitive Ankopplung der Signalverarbeitungsstufe bedingt eine Nuilpegelklamme-rung, in dem ein OP-Verstärker mit seinem nichtin-vertierenden Eingang an Bezugspotential und mit seinem invertierenden Eingang über eine Hochpasskapazität an dem Ausgang der Verarbeitungseinheit, über einen Hochpassquerwiderstand an Bezugspotential, über eine Diode parallel mit einem Widerstand an den Ausgang des OP-Verstärkers und auf den Eingang eines Integrators geschaltet sind. Appropriate capacitive coupling of the signal processing stage requires a zero level clamp in which an OP amplifier with its non-inverting input at reference potential and with its inverting input via a high-pass capacitance at the output of the processing unit, via a high-pass resistance at reference potential, via a diode in parallel a resistor to the output of the OP amplifier and to the input of an integrator.
Durch die Integration wird ein Signalpegel gebildet, der dem mittleren Quadratwert der TE-lm-pulsladung entspricht. Dabei sieht eine ökonomische Variante vor, dass der Integrator aus einer Widerstands-Kondensator-Widerstands-Reihen-schaitung besteht, wobei das Ausgangssignal über dem Kondensator abgegriffen ist, beziehungsweise, dass ein als aktiver Integrator geschalteter OP-Verstärker statt oder mit der Widerstands-Kondensator-Widerstands-Reihenschaltung angeordnet sind. The integration forms a signal level that corresponds to the mean square value of the TE-lm pulse charge. An economic variant provides that the integrator consists of a resistor-capacitor-resistor series circuit, the output signal being tapped via the capacitor, or that an OP amplifier switched as an active integrator instead of or with the resistor capacitor -Resistor series connection are arranged.
Die Kombination der Widerstands-Kondensator-Widerstands-Reihenschaltung verhindert ausserdem aufgrund ihres von der Ausgangsbuchse her betrachteten Tiefpassverhaltens eine Beeinflussung des TE-Sensors durch externe hochfrequente Störsignale, die infolge der Antennenwirkung durch die Signaileitung aus der Umgebung aufgefangen werden können. The combination of the resistor-capacitor-resistor series connection also prevents the TE sensor from being influenced by external high-frequency interference signals, which can be picked up by the signal line from the environment due to the antenna effect, due to the low-pass behavior seen from the output socket.
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung an Hand von sieben Figuren näher erläutert. In the following exemplary embodiment, the invention is explained in more detail with reference to seven figures.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 Das Grundprinzip der TE-Sensor-Technik Fig. 2 Die Adaptierung mittels Haftmagnet und Verwendung des Sondengehäuses als Antenne Fig. 1 The basic principle of the TE sensor technology Fig. 2 The adaptation by means of a holding magnet and use of the probe housing as an antenna
Fig. 3 Die Adaptierung bei mechanischer Befestigung und gleichzeitiger elektrischer Kontaktierung des Sondengehäuses am Metallgehäuse des Prüfobjektes und Anschluss eines scheibenförmigen Strahlers an der Signalleitung Fig. 3 The adaptation with mechanical attachment and simultaneous electrical contacting of the probe housing on the metal housing of the test object and connection of a disk-shaped radiator on the signal line
Fig. 4 Ein Gesamtstromlaufplan des TE-Sensors Fig. 5 Ein Schaltungsbeispiel zur analogen Impulsaufbereitung Fig. 4 An overall circuit diagram of the TE sensor. Fig. 5 A circuit example for analog pulse processing
Fig. 6 Zwei Varianten eines Impulsübertragers Fig. 7 Ein Schaltungsbeispiel zur Mittelwertbildung des Quadrates der TE-Impulsladungen Fig. 6 Two variants of a pulse transmitter. Fig. 7 A circuit example for averaging the square of the TE pulse charges
Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der Teilentladungs-Sensor-Technik. Die von den verschiedenen Messobjekten MO abgestrahlten Teilentladungen TE können auf unterschiedlichste Weise an den verschiedensten Stellen u.a. auch an deren metallisch leitenden Gefässen MG mittels Adapter AD abgenommen, in der Verarbeitungseinheit VE verstärkt und geformt und nach Übertragung zur Zentrale SV ausgewertet werden. 1 shows the basic principle of partial discharge sensor technology. The partial discharges TE emitted by the different measurement objects MO can be in various ways at the most can also be removed from their metallically conductive vessels MG using an adapter AD, reinforced and shaped in the processing unit VE and evaluated after transmission to the central unit SV.
Im einfachsten Fall wird der Adapter AD vom metallischen Gefäss MG des Prüfobjektes PO zum Teil selbst realisiert, wobei als aktive Messzone das Gebiet zwischen den metallisch kontaktierten Abgriffpunkten MPi; MP2 dient. Der Abstand MP1-MP2 bestimmt die Ansprechschwelle. Er kann bis auf weniger als 10 cm reduziert werden. In the simplest case, the adapter AD is partly realized by the metallic vessel MG of the test object PO, the area between the metal-contacted pick-up points MPi; MP2 serves. The distance MP1-MP2 determines the response threshold. It can be reduced to less than 10 cm.
Eine weitere Möglichkeit der TE-Signalerfassung besteht in der einpoligen Kontaktierung zum Prüfobjekt, wobei dann der Gegenpol durch das Gehäuse des Sensors selbst realisiert wird, das für die raschen elektromagnetischen Ausgleichsvorgänge bei TE-Signalen als Strahler (Antenne) wirkt. Zur einpoligen Kontaktierung ist bei Eisengefässen MG auch die Verwendung von Haftmagneten HM zweckmässig (Fig. 2). Another possibility of TE signal detection is single-pole contacting with the test object, in which case the opposite pole is realized by the housing of the sensor itself, which acts as a radiator (antenna) for the rapid electromagnetic compensation processes for TE signals. For single-pole contacting, the use of holding magnets HM is also expedient for iron vessels MG (FIG. 2).
Andererseits ist es auch möglich, eine inverse Anordnung zu verwenden, d.h. das metallische Gehäuse SG des Sensors ist elektrisch und mechanisch mit dem Prüfobjektgehäuse MG verbunden, und der Gegenpol ist durch einen zusätzlichen Strahler SR (Antenne), der z.B. scheibenförmig ausgeführt ist, realisiert (Fig. 3). On the other hand, it is also possible to use an inverse arrangement, i.e. the metallic housing SG of the sensor is electrically and mechanically connected to the test object housing MG, and the opposite pole is connected by an additional radiator SR (antenna), e.g. is disc-shaped, realized (Fig. 3).
Vorzugsweise für die letztgenannte Anordnung wird in Verbindung mit dem Adapter zur Nachbildung eines fiktiven Kurzschlusses für Signale mit einer Dauer von mehr als einigen 10 ns, ein Koaxialkabel KL verwendet. Dessen Innenieiter ist ein-gangsseitig mit der Signalleitung SL und ausgangs-seitig mit dem metallischen Gehäuse SG des Sensors verbunden (Fig. 4). Der Aussenleiter des Kabels KL ist beidseitig mit dem Sensorgehäuse SG verbunden. Die optimale Länge des Kabels KL liegt zwischen 10 und 50 cm. Im Hinblick auf den universellen Einsatz ist es zweckmässig, dieses HF-Kabel KL als Bestandteil des Adapters in die Schaltung vollständig zu integrieren (Fig. 4). Prinzipiell sind anstelle des Koaxialkabels KL auch modifizierte Wellenleiter einsetzbar, wie z.B. Impulsübertrager oder Parallel-Streifenleiter. A coaxial cable KL is preferably used for the latter arrangement in connection with the adapter for emulating a fictitious short circuit for signals with a duration of more than a few 10 ns. Its inner conductor is connected on the input side to the signal line SL and on the output side to the metallic housing SG of the sensor (FIG. 4). The outer conductor of the KL cable is connected on both sides to the sensor housing SG. The optimal length of the KL cable is between 10 and 50 cm. With regard to universal use, it is expedient to fully integrate this HF cable KL as part of the adapter in the circuit (FIG. 4). In principle, modified waveguides can be used instead of the coaxial cable KL, e.g. Pulse transformer or parallel stripline.
Fig. 6 zeigt schematisch die Möglichkeit, eine Koaxialleitung KL auf einen Manifer-Schalenkern oder durch einen -Ringkern MK zu wickeln und als Impulsübertrager zu verschalten. Fig. 6 shows schematically the possibility of winding a coaxial line KL on a Manifer shell core or through a ring core MK and interconnecting it as a pulse transformer.
Bei der Variante A sind die zwei Eingänge MP1 ; MP2 mit dem Anfang und Ende des Innenleiters IL1 der Koaxialleitung KL verbunden, während Anfang oder Ende des Aussenleiters AL1 über die Signaileitung SL mit den Ladungsspeicherkondensatoren Csi; Cs2) und Ende bzw. Anfang des Aussenleiters AL1 mit der Masse der Schaltungsanordnung verbunden ist. In variant A, the two inputs are MP1; MP2 connected to the beginning and end of the inner conductor IL1 of the coaxial line KL, while the beginning or end of the outer conductor AL1 via the signal line SL to the charge storage capacitors Csi; Cs2) and the end or beginning of the outer conductor AL1 is connected to the ground of the circuit arrangement.
Bei der Variante B sind dagegen die zwei Eingänge MP1; MP2 mit dem Aussenleiter AL2 des Anfangs und Endes der Koaxialleitung KL verbunden, während der Innenleiter IL2 an der Signalleitung SL und an Masse liegen. In variant B, however, the two inputs are MP1; MP2 is connected to the outer conductor AL2 of the beginning and end of the coaxial line KL, while the inner conductor IL2 is connected to the signal line SL and to ground.
Dieser Impulsübertrager mit einem Manifer-Schalenkern MK und wenigen Windungen der Koaxialleitung KL stellt eine platzsparende Anordnung dar, die abstimmbar eine scharfe Abtrennung störender Impulse bewirkt. This pulse transformer with a Manifer shell core MK and a few turns of the coaxial line KL represents a space-saving arrangement which can be tuned to sharply separate disruptive pulses.
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Zur Signalverstärkung im Nanosekunden-Zeitbe-reich werden in der klassischen Schaltungstechnik Konzepte verwendet, deren Stromverbrauch aufgrund der erforderlichen raschen Umladung parasitärer Streukapazitäten im Bereich einiger 10 mA liegt (Betriebsspannung ca. 10 V). Ausserdem sind zur Gleichrichtung von Nanosekungen-Impulsen geringer Amplitude (Ansprechschwelle z.B. 10 mV) bei gleichzeitig grosser Dynamik (Aussteuerung z.B. bis 5 V) in der klassischen Schaltunggtechnik erhebliche Aufwendungen erforderlich, wodurch auch der Stromverbrauch erheblich ansteigt. For signal amplification in the nanosecond time range, concepts are used in classic circuit technology whose current consumption is in the range of a few 10 mA due to the required rapid recharging of parasitic stray capacitances (operating voltage approx. 10 V). In addition, the rectification of nanosecond pulses of low amplitude (response threshold e.g. 10 mV) with high dynamics (modulation e.g. up to 5 V) in the classical circuit technology requires considerable effort, which also increases the power consumption significantly.
Ein im Bereich der Nanosekunden-Impulstechnik unerwarteter Effekt bezüglich geringstem Stromverbrauch (< 1 mA) und hoher Dynamik wird durch die erfindungsgemässe Anordnung erzielt, in dem eine Gegenschaltung eines Bipolar-Transistors T2 vom n-p-n-Typ mit einem p-n-p-Transistor Ti in der Weise erfolgt, dass die Kollektoren beider Transistoren direkt und die Basis eines jeden Transistors Ti; T2 über einen Hochohm-Widerstand Rb im MOhm-Bereich verbunden sind (Fig. 4). Der Emitter des p-n-p-Transistors Ti ist mit dem positiven Betriebsspannungspol (+) und der Emitter des n-p-n-Transistors T2 mit dem negativen Betriebsspannungspol (-) verbunden. Die Eingangs-Signallei-tung SL ist über die Ladungsspeicherkondensatoren Csi und Cs2, deren Kapazität im Bereich einiger 10 pF liegt, je mit der Basis der Transistoren Ti; T2 verbunden. Der Verbindungspunkt der Kollektoren beider Transistoren Ti, T2 ist einerseits über einen Koppelkondensator Cki im Bereich von weniger als 10 nF mit einen Klemmwiderstand R«1 in der Grös-senordnung von 50 kOhm verbunden, der mit seinem anderen Anschluss an der negativen Betriebsspannung (-) anliegt. Der Verbindungspunkt von Koppelkondensator Cki und Widerstand Rki ist an den Emitter eines p-n-p-Transistors T3 angeschlossen, dessen Basis über einen Ladekondensator Cli der Kapazität in der Grössenordnung von 100 pF mit der positiven Betriebsspannung (+) verbunden ist. Am Verbindungspunkt von Ladekondensator Cli und der Basis von T3 ist die Basis eines p-n-p-Tran-sistors T4 in Kollektorschaltung mit dem Arbeitswiderstand Rai angeschlossen. An unexpected effect in the field of nanosecond pulse technology with regard to the lowest current consumption (<1 mA) and high dynamics is achieved by the arrangement according to the invention in which a bipolar transistor T2 of the npn type with a pnp transistor Ti is switched in the same way that the collectors of both transistors directly and the base of each transistor Ti; T2 are connected via a high-resistance resistor Rb in the MOhm range (FIG. 4). The emitter of the p-n-p transistor Ti is connected to the positive operating voltage pole (+) and the emitter of the n-p-n transistor T2 to the negative operating voltage pole (-). The input signal line SL is via the charge storage capacitors Csi and Cs2, whose capacitance is in the range of a few 10 pF, each with the base of the transistors Ti; T2 connected. The connection point of the collectors of both transistors Ti, T2 is connected on the one hand via a coupling capacitor Cki in the range of less than 10 nF with a clamping resistor R «1 of the order of 50 kOhm, which with its other connection is connected to the negative operating voltage (-) is present. The connection point of coupling capacitor Cki and resistor Rki is connected to the emitter of a p-n-p transistor T3, the base of which is connected to the positive operating voltage (+) via a charging capacitor Cli of capacitance on the order of 100 pF. At the connection point of the charging capacitor Cli and the base of T3, the base of a p-n-p transistor T4 is connected in a collector circuit with the load resistor Rai.
In analoger Weise wird ein zweiter Messzweig realisiert, bestehend aus den dazu korrespondierenden Bauelementen C«2> Rk2> 0l2, Ra2 und den n-p-n-Transistoren T5 und T6. Die Werte der Widerstände Rai und Ra2 liegen in der Grössenordnung von 10 kOhm. Die Übergangsfrequenz sämtlicher Transistoren liegt oberhalb 500 MHz. In an analogous manner, a second measuring branch is realized, consisting of the corresponding components C «2> Rk2> 0l2, Ra2 and the n-p-n transistors T5 and T6. The values of the resistors Rai and Ra2 are in the order of 10 kOhm. The transition frequency of all transistors is above 500 MHz.
Am Verbindungspunkt von Transistor T4 und Widerstand Rai sowie von Transistor T6 und Widerstand Ra2 ist jeweils ein Reihenkondensator Cm und Cr2 angeschlossen, dessen Gegenanschlüsse miteinander verbunden sind. Am Verbindungspunkt der Bauelemente Cri, Rr2 ist die koaxiale Ausgangsbuchse K3 angeschlossen, über die einerseits die Signalfortleitung zur nachfolgenden Signalverarbeitungsstufe SV erfolgt und gegebenenfalls eine Zuführung der Betriebsspannung von etwa 8 bis 10 V gewährleistet wird, indem sie dann mit einem Kontakt über einen Widerstand Rr, der Grösse von etwa 1 kOhm, an die positive (+), und mit dem anderen Kontakt über den Trennwiderstand Rt an die negative (-) Betriebsspannungsleitung angeschlossen ist. At the connection point of transistor T4 and resistor Rai as well as of transistor T6 and resistor Ra2, a series capacitor Cm and Cr2 is connected, the counter connections of which are connected to one another. At the connection point of the components Cri, Rr2, the coaxial output socket K3 is connected, on the one hand via which the signal is forwarded to the subsequent signal processing stage SV and, if necessary, a supply of the operating voltage of approximately 8 to 10 V is ensured by then connecting it with a contact via a resistor Rr, the size of about 1 kOhm, to the positive (+), and with the other contact via the isolating resistor Rt to the negative (-) operating voltage line.
Am Ende der an der Ausgangssignalbuchse K3 angeschlossenen Ausgangssignalleitung in der Schaltwarte ist die Signalverarbeitungsstufe SV über einen Kondensator und die Stromversorgung über eine Drossel angeschlossen. Der Aussenleiter der Ausgangssignalleitung ist dort auf Bezugspotential (Masse) geklemmt. At the end of the output signal line connected to the output signal socket K3 in the control room, the signal processing stage SV is connected via a capacitor and the power supply via a choke. The outer conductor of the output signal line is clamped to the reference potential (ground).
Der Glättungskondensator Cg ist als keramischer Scheibenkondensator ausgeführt und hat eine Kapazität von etwa 100 nF. Er wird zur Vermeidung von Schwingneigungen sowie unsymmetrischen Aussteuerungen bei Kurzzeitimpulsen unmittelbar an den Verbindungspunkt des Emitters von Transistor Ti mit der negativen Betriebsspannung (-) und an den Verbindungspunkt des Emitters von Transistor T2 mit der positiven Betriebsspannung (+) angeschlossen, wobei die Zuleitungslänge beidseitig des Kondensators Cg auf weniger als 2 cm zu begrenzen ist. The smoothing capacitor Cg is designed as a ceramic disk capacitor and has a capacitance of approximately 100 nF. It is connected to avoid oscillation tendencies and asymmetrical modulation in the event of short-term pulses directly to the connection point of the emitter of transistor Ti with the negative operating voltage (-) and to the connection point of the emitter of transistor T2 with the positive operating voltage (+), with the supply line length on both sides of the Capacitor Cg is to be limited to less than 2 cm.
Die prinzipielle Wirkungsweise der Schaltung gemäss Fig. 4 ist folgende: The principle of operation of the circuit according to FIG. 4 is as follows:
Durch den Signal-Adapter AD in Verbindung mit dem Koaxialkabel KL wird die maximale Dauer der am Prüfiingsgefäss MG detektierbaren TE-Signale in der Weise begrenzt, dass die höchste Messempfindlichkeit bei Impulsanstiegszeiten im Nanosekun-den-Zeitbereich erreicht wird. Diesen Zweck erfüllt insbesondere die Kurzschlussleitung KL, falls nicht durch die Kontaktierung zum metallischen Gefäss MG des Prüfobjektes ein fiktiver Kurzschluss für langzeitige Signale bereits existiert. Im Ergebnis kann dadurch der Nutz-Störsignal-Abstand erheblich verbessert werden, da übliche Störsignale u.a. durch Anstiegszeiten im Bereich von einigen 100 bis 1000 ns gekennzeichnet sind und damit wesentlich länger sind, als der o.g. Wert von wenigen ns für eine maximale Messempfindlichkeit. The signal adapter AD in conjunction with the coaxial cable KL limits the maximum duration of the TE signals detectable on the test vessel MG in such a way that the highest measuring sensitivity is achieved with pulse rise times in the nanosecond time range. The short-circuit line KL in particular fulfills this purpose, unless a fictitious short-circuit for long-term signals already exists due to the contact to the metallic vessel MG of the test object. As a result, the useful-to-interference signal distance can be considerably improved, since usual interference signals include are characterized by rise times in the range of a few 100 to 1000 ns and are therefore significantly longer than the above. Value of a few ns for maximum measurement sensitivity.
Durch die Gegenschaltung der Transistoren Ti und T2 bei gleichzeitiger Verbindung der Basen dieser Transistoren über einen Hochohm-Widerstand (> 1 MOhm) befindet sich diese Transistoranordnung gewissermassen im «Schlummer»-Zustand, d.h., der Stromverbrauch liegt weit unter 1 mA. Bei Auftreten eines Kurzzeitimpulses von wenigen ns Dauer, dessen Spannungsamplitude etwa 1 mV übersteigt, wird bei positiver Polarität des Impulses ein Ladungsanteil vom Speicherkondensator Csi übernommen und in die Basis des Transistors Ti injiziert. Nach transienter Ladungsspeicherung im Transistor Ti wird, nachdem der Eingangsimpuls nahezu abgeklungen ist, ein Kollektor-Stromstoss im Transistor Ti ausgelöst. Der Transistor T2 bleibt bei der betrachteten positiven Polarität im «Schlummer»-Zustand, d.h., es wird kein zusätzlicher Stromfiuss durch Transistor T2 angeregt. Demzufolge erscheint am Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren Ti und T2 eine Spannungsänderung, die massgebend aus der Entladung des Speicherkondensators Cli resultiert, gegeben durch den By counter-switching the transistors Ti and T2 while simultaneously connecting the bases of these transistors via a high-ohm resistor (> 1 MOhm), this transistor arrangement is to a certain extent in the "slumber" state, i.e. the current consumption is far below 1 mA. If a short-term pulse of a duration of a few ns occurs, the voltage amplitude of which exceeds approximately 1 mV, a charge portion is taken over by the storage capacitor Csi when the pulse is positive and injected into the base of the transistor Ti. After transient charge storage in transistor Ti, a collector current surge is triggered in transistor Ti after the input pulse has almost subsided. The transistor T2 remains in the “slumber” state at the positive polarity under consideration, i.e. no additional current flow is excited by transistor T2. Accordingly, a voltage change appears at the connection point of the collectors of the transistors Ti and T2, which essentially results from the discharge of the storage capacitor Cli, given by the
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Strompfad vom Kollektor des Transistors Ti über Koppelkondensator Cki und einem begrenzten Lawi-nendurchbruch der Emitter-Basis-Strecke des Transistors T3 zum Ladekondensator Cli- Dagegen verbleibt der in Sperrichtung vorgespannte Transistor Ts bei der betrachteten Polarität noch im Sperrzustand. Entsprechend der Stromverstärkung und damit auch der Ladungsverstärkung von Transistor Ti wird am Ladekondensator Cli eine Signalamplitude erreicht, die das Eingangssignal übersteigt, wobei vor allem auch die Dauer des Signals am Ladekondensator Cli infolge der Beendigung des Lawi-nendurchbruchs und wieder einsetzenden Sperrphase von Transistor T3 stark gedehnt wird. Dabei entsteht eine rasch ansteigende und nahezu linear abfallende Signalflanke, d.h., es wird ein Dreieck-Impuls gewonnen, der in seiner Fläche den Quadratwert der Impulsladung beinhaltet. Diese Kenngrösse eignet sich vorteilhaft zur Alarmierung einer kritischen TE-intensität im Sinne der Anoma-lie-Früherkennung. Current path from the collector of the transistor Ti via the coupling capacitor Cki and a limited avalanche breakdown of the emitter-base path of the transistor T3 to the charging capacitor Cli. In contrast, the reverse-biased transistor Ts remains in the blocked state at the polarity under consideration. Corresponding to the current amplification and thus also the charge amplification of transistor Ti, a signal amplitude is reached at the charging capacitor Cli which exceeds the input signal, the duration of the signal at the charging capacitor Cli also being strong as a result of the termination of the avalanche breakdown and the re-starting blocking phase of transistor T3 is stretched. This creates a rapidly rising and almost linearly falling signal edge, i.e. a triangular pulse is obtained, which contains the square value of the pulse charge in its area. This parameter is advantageously suitable for alerting a critical TE intensity in the sense of anomaly lie early detection.
Analoge Verhältnisse liegen bei entgegengesetzter Polarität des Eingangssignals vor. In diesem Falle wird der Transistor Tz aktiv und Transistor Ts erleidet den begrenzten Lawinendurchbruch, während Transistor T3 im Sperrzustand verbleibt. Analog conditions exist with opposite polarity of the input signal. In this case, transistor Tz becomes active and transistor Ts suffers the limited avalanche breakdown, while transistor T3 remains in the blocking state.
Bei Verwendung von Transistoren mit einer Übergangsfrequenz von über 500 MHz ist dieser dem Eingangssignal proportionale Speichereffekt bis in den Sub-Nanosekunden-Zeitbereich nachweisbar. When using transistors with a crossover frequency of more than 500 MHz, this memory effect proportional to the input signal can be demonstrated down to the sub-nanosecond time range.
Es sei bemerkt, dass diese erfindungsgemässe Schaltungsanordnung sich wesentlich vom «klassischen Breitbandverstärker» unterscheidet, bei dem die Arbeitswiderstände im Gegensatz zur vorliegenden Schaltung bewusst klein gehalten werden (Grössenordnung <100 Ohm bei Schaltzeiten im Na-nosekundenbereich) und ausserdem der Betriebsstrom jedes Transistors im Bereich von ca. 10 mA liegt. It should be noted that this circuit arrangement according to the invention differs significantly from the “classic broadband amplifier”, in which, in contrast to the circuit in question, the working resistances are deliberately kept small (order of magnitude <100 ohms for switching times in the nanosecond range) and also the operating current of each transistor in the range of approx. 10 mA.
Die erfindungsgemässe Spitzenwert-Speiche-rung mit Transistoren T3 und Ts unterscheidet sich ebenfalls von konventionellen Schaltungsanordnungen. So erfolgt ein Gleichrichtereffekt bereits bei einem Spannungshub von nur 10 mV, der bei den verwendeten Transistoren mit einer Übergangsfrequenz von über 500 MHz auch bei Schaltzeiten von wenigen ns erhalten bleibt, d.h., die Sperrverzöge-rungszeit ist ausserordentlich gering. Bei klassischen Gleichrichterschaltungen hingegen (einschl. bei Avalanche-Dioden) steigt die Ansprechschwelle auf das 10- bis 50fache an, so dass statt einer Dynamik der Aussteuerung von 1:500 nur Werte von 1:50 bis 1:10 bei der vorgegebenen Betriebsspannung von Ub s 10 V erreichbar sind. The peak value storage according to the invention with transistors T3 and Ts also differs from conventional circuit arrangements. A rectifier effect already takes place with a voltage swing of only 10 mV, which is retained with the transistors used with a crossover frequency of over 500 MHz even with switching times of a few ns, i.e. the blocking delay time is extremely short. In the case of classic rectifier circuits, however (including avalanche diodes), the response threshold increases 10 to 50 times, so that instead of a dynamic range of 1: 500, only values from 1:50 to 1:10 at the specified operating voltage of Ub s 10 V can be reached.
Der physikalische Effekt basiert auf dem Lawinendurchbruch der in Sperrichtung vorgespannten Emitter-Basis-Strecke der Transistoren T3; Ts. Von besonderem Vorteil ist, dass keine feste Vorspannung mittels eines Spannungsteilers eingestellt werden muss. Im Gegensatz dazu ist bei klassischen Gleichrichterschaltungen eine Arbeitspunkteinstellung einerseits nur durch Spannungsteiler möglich, wodurch sich der Strombedarf der Schaltung erhöht. Ausserdem ist diese Massnahme nur wirksam, wenn ein Diodenstrom angeregt wird, so dass sich die Sperrcharakteristik verschlechtert. The physical effect is based on the avalanche breakdown of the emitter-base path of the transistors T3, which is biased in the reverse direction; Ts. It is particularly advantageous that no fixed preload has to be set by means of a voltage divider. In contrast, in the case of classic rectifier circuits, an operating point setting is only possible on the one hand by means of voltage dividers, which increases the current requirement of the circuit. In addition, this measure is only effective when a diode current is excited, so that the blocking characteristic deteriorates.
Aufgrund der Einfachheit der Schaltungsanordnung, insbesondere durch die geringe Zahl der Bauelemente, kann der Sensor auch in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt werden. Damit ist zusätzlich eine hermetische Kapselung gegeben, so dass der Sensor nicht nur ausserhalb, sondern auch im Inneren von elektrischen Betriebsmitteln (z.B. unter Öl) installiert werden kann. Dadurch ergibt sich eine weitere Verbesserung des Störabstandes, da einerseits die TE-Signale nicht mehr die metallische Kapselung bei entsprechender Dämpfung durchdringen müssen und andererseits diese Kapselung als Faraday'scher Käfig die Störsignale im Inneren erheblich dämpft. Durch Anbringen mehrerer Sensoren in hochwertigen Betriebsmitteln (z.B. Transformatoren) kann eine Mehrstellenmessung auch für eine Fehlerlokalisierung von Vorteil sein. Due to the simplicity of the circuit arrangement, in particular due to the small number of components, the sensor can also be implemented using integrated circuit technology. This also provides hermetic encapsulation so that the sensor can be installed not only outside but also inside electrical equipment (e.g. under oil). This results in a further improvement in the signal-to-noise ratio, since on the one hand the PD signals no longer have to penetrate the metallic encapsulation with appropriate damping and on the other hand this encapsulation as a Faraday cage considerably dampens the interference signals inside. By installing several sensors in high-quality equipment (e.g. transformers), a multi-point measurement can also be advantageous for fault location.
Die Kleinheit des Sensors ist ausserdem vorteilhaft für die punktgenaue Lokalisierung TE-geschä-digter Stabwicklungen grosser Motoren und Generatoren, wie durch experimentelle Untersuchungen nachgewiesen werden konnte. The small size of the sensor is also advantageous for the precise localization of TE-damaged bar windings of large motors and generators, as has been demonstrated by experimental studies.
Es sei noch bemerkt, dass der Sensor natürlich auch mit interner Batterie betrieben werden kann, wobei eine Betriebsdauer von mindestens einem Monat durchaus erreicht werden kann. Diese Zeitdauer erscheint ausreichend, um ein geschädigtes Betriebsmittel noch für eine gewisse Zeit in Betrieb zu belassen, bis zur Beschaffung einer Austausch-Einheit. Durch permanente Zustandsüberwachung ist dann der totale Ausfall mit allen Folgeschäden vermeidbar. It should also be noted that the sensor can of course also be operated with an internal battery, whereby an operating time of at least one month can certainly be achieved. This period of time appears to be sufficient to keep damaged equipment in operation for a certain period of time until an exchange unit is procured. With permanent condition monitoring, total failure with all consequential damage can be avoided.
Wird eine Erhöhung der Nachweisgrenze für die TE-Detektion angestrebt, empfiehlt sich eine Schaltungserweiterung durch eine Vorstufe, die analog der Eingangsschaltung gem. Fig. 4 mit den Bauelementen Csi, Cs2, Rb, Ti und Tz realisiert ist. If the detection limit for TE detection is to be increased, it is advisable to expand the circuit with a pre-stage, which is analogous to the input circuit in accordance with. Fig. 4 is realized with the components Csi, Cs2, Rb, Ti and Tz.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung kann auch mit einer aktiven Breitbandantenne als Aufnehmer kombiniert werden. Als aktive Breitbandantenne bietet sich vorzugsweise das bekannte Dreielektrodensystem mit Differenzverstärkeranordnung an. The circuit arrangement according to the invention can also be combined with an active broadband antenna as a pickup. The well-known three-electrode system with differential amplifier arrangement is preferably used as the active broadband antenna.
Zur weiteren Signalverarbeitung in der Zentrale bietet sich die Digitaltechnik an. Dazu empfiehlt sich zunächst eine analoge impulsaufbereitung bei Verwendung von Schaltungskomponenten des TE-Sen-sors an. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5. Diese Schaltungsanordnung, bei der an Stelle der Emit-terfolger T4; Tô als Spannungsfolger geschaltete Operationsverstärker verwendet sind, erzeugt aus bipolaren Nadelimpulsen unipolare Dreiecksimpulse, die mittels eines Schwellwert-Triggers in einfacher Weise eine Amplituden-Zeit-Umsetzung und damit eine Digitalisierung erlauben. Digital technology lends itself to further signal processing at the headquarters. For this purpose, it is recommended to start with an analog pulse processing when using circuit components of the TE sensor. An exemplary embodiment is shown in FIG. 5. This circuit arrangement, in which the emitter T4; Operational amplifiers connected as voltage followers are used to generate unipolar triangular pulses from bipolar needle pulses, which, using a threshold value trigger, allow amplitude-time conversion and thus digitalization in a simple manner.
Liegt der gesamte Teilentladungs-Sensor batteriegespeist auf Hochspannungspotential, ist die Übertragung der verstärkten und geformten TE-Signale zu den Auswerteeinrichtungen vorzugsweise mittels fokussierten Lichts oder Laserstrahls bzw. If the entire partial discharge sensor is battery-fed at high voltage potential, the transmission of the amplified and shaped TE signals to the evaluation devices is preferably by means of focused light or laser beam or
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über hochspannungsfestes Lichtleitkabel vorzunehmen. Dabei ist der Teilentladungssensor gemäss Fig. 5 mit seinem Signalausgang K1 an einen Modulationseingang eines nichtdargesteilten Lichtsenders, der ebenfalls auf Hochspannungspotential liegt, geschaltet. Teilentladungs-Sensor und Lichtsender können dann vorzugsweise auch im Inneren gekapselter, öl- oder schutzgasgefüllter elektrischer Betriebsmittel auf Hochspannungspotential, unmittelbar am möglichen Entstehungsort von Teilentladungen angeordnet werden. to be carried out using high-voltage-resistant fiber optic cables. The partial discharge sensor according to FIG. 5 is connected with its signal output K1 to a modulation input of a light transmitter, not shown, which is also at high voltage potential. Partial discharge sensor and light transmitter can then preferably also be arranged in the interior of encapsulated, oil or inert gas-filled electrical equipment at high voltage potential, directly at the possible point of origin of partial discharges.
Fig. 7 zeigt eine einfache analoge Schaltungsanordnung zur Gewinnung des Quadratmittelwertes aus den unipolaren Dreieckimpulsen, wie sie von der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 5 an die Ausgangsbuchse K1 geliefert werden. Die Auswertung dieses Quadratmittelwertes ist eine gute und billige Alternative zur digitalen Auswertung und gestattet in Abweichung von den geltenden Normen (IEC 270) die bessere Beurteilung eines kritischen Isolationsfehlers, da grosse TE-Impulse durch den Quadratwert besonders hervorgehoben werden und ausserdem durch eine Mittelwertbildung eine dichte Folge von TE-Impuisen ebenfalls zu einem hohen Ausgangssignal führen. FIG. 7 shows a simple analog circuit arrangement for obtaining the mean square value from the unipolar triangular pulses, as are supplied by the circuit arrangement according to FIG. 5 to the output socket K1. The evaluation of this mean square value is a good and cheap alternative to the digital evaluation and, in deviation from the applicable standards (IEC 270), allows a better assessment of a critical insulation fault, since large TE pulses are particularly emphasized by the square value and also a dense one by averaging Sequence of TE impulses also lead to a high output signal.
Die Schaltungsanordnung besteht vorzugsweise aus zwei OP-Verstärkerstufen, die über einen Hochpass Ci; Ri an die Ausgangsbuchse K1 der Fig. 5 angeschlossen sind. Die Entkopplung über den Hochpasskondensator Ci verhindert, dass tieferfrequentes Rauschen oder Arbeitspunktverlagerungen der vorgeschalteten Stufe zur Verlagerung des Ausgangssignalpegeis und damit zur Messwertverfälschung führen. Die Zeitkonstante des Hochpasses Ci * Ri beträgt ca. 1 ms. The circuit arrangement preferably consists of two OP amplifier stages, which have a high pass Ci; Ri are connected to the output socket K1 of FIG. 5. The decoupling via the high-pass capacitor Ci prevents lower-frequency noise or shifting of the operating point of the upstream stage from shifting the output signal level and thus falsifying the measured values. The time constant of the high pass Ci * Ri is approx. 1 ms.
Die erste Stufe bewirkt mit der Diode D1 und dem Ausgangswiderstand R2 im Rückkopplungszweig des OP-Verstärkers eine Klammerung des Nullpegels, der sich sonst in Abhängigkeit von der Impulsfolge verschieben würde. Die zweite OP-Stufe stellt einen aktiven Integrator dar, dessen im Rückkopplungszweig liegender Integrationskondensator Ci mit dem Reihenwiderstand R3 eine Zeitkonstante Ci * R3 ca. 10 ms und mit seinem einstellbaren Parallelwiderstand R4 eine Zeitkonstante Cj * R4 ca. 50 ms bildet. With the diode D1 and the output resistor R2 in the feedback branch of the OP amplifier, the first stage effects a compounding of the zero level, which would otherwise shift depending on the pulse train. The second OP stage represents an active integrator whose integration capacitor Ci in the feedback branch forms a time constant Ci * R3 approx. 10 ms with the series resistor R3 and a time constant Cj * R4 approx. 50 ms with its adjustable parallel resistor R4.
Der so gebildete Signalpegel entspricht dem mittleren Quadratwert der TE-Impulsladungen. The signal level thus formed corresponds to the mean square value of the TE pulse charges.
Die ausgangsseitige Widerstands-Kondensator-Widerstands-Reihenschaltung, bei der die Ausgangsbuchse K2 über den Kondensator angeschlossen ist, stellt ein weiteres passives Integrationsglied dar, das bei geeigneter Dimensionierung auch die Funktion des aktiven Integrators übernehmen kann, so dass die zweite OP-Stufe in einer ökonomischen Variante entfallen kann. The resistor-capacitor-resistor series circuit on the output side, in which the output socket K2 is connected via the capacitor, represents a further passive integration element which, with suitable dimensions, can also take over the function of the active integrator, so that the second OP stage in one economic variant can be omitted.
Ausserdem verhindert dieses passive Integrationsglied aufgrund des Tiefpassverhaltens eine Beeinflussung des TE-Sensors durch externe hochfrequente Störsignale, die infolge der Antennenwirkung über die Ausgangssignalleitung aus der Umgebung in die Ausgangsbuchse K2 eingekoppelt werden könnten. In addition, due to the low-pass behavior, this passive integration element prevents the TE sensor from being influenced by external high-frequency interference signals which, due to the antenna effect, could be coupled into the output socket K2 from the environment via the output signal line.
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