CN107996010A - 高压电缆配件的场控制元件和光学地测量局部放电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高压电缆配件的场控制元件。本发明还涉及一种高压电缆配件(200，300，400)以及一种用于监控在这种高压电缆配件的绝缘部分内发生的局部放电的方法。根据本发明，所述场控制元件(212；304；406，408)包括至少部分地设置有荧光染料的电绝缘材料，所述荧光染料被配置为将由放电产生的第一辐射转换成波长比第一辐射的波长更长的第二辐射。高压电缆配件(200，300，400)具有电绝缘部分，该电绝缘部分包括根据本发明的至少一个场控制元件(212；304；406，408)和/或包括荧光染料的另外的绝缘元件。

Description

高压电缆配件的场控制元件和光学地测量局部放电的方法
技术领域
本发明涉及用于高压电缆配件的场控制元件。本发明还涉及高压电缆配件以及监测在这种高压电缆配件的绝缘部分内发生的局部放电的方法。
背景技术
高压电缆配件用于将高压电力电缆连接到电力设备，如架空线路、变压器、搜索避雷器、开关设备等。它们提供的功能是在不同环境条件下隔离或控制电力电缆的电场。预期高压电缆配件的使用寿命将超过40年，而不会发生任何故障。为了达到这个要求，绝缘系统及其性能必须被定期检查。而且，由于设立端子或安装电缆接头总是需要手动安装，因此在安装过程中也必须考虑到故障。这种错误可导致通过端子内部的后发的电弧的电击穿。因此，需要一种诊断方法来提供关于电缆配件当前状态的信息，包括其剩余寿命。
在下文中使用的术语“高压”旨在涉及高于大约1kV的电压。特别地，术语“高压”意图包括功率传输的通常标称电压范围，即中压(约3kV至约50kV)，高压(约50kV至约110kV)，以及超高压(目前高达500千伏)。当然，未来还可能考虑更高的电压。这些电压可以是直流(DC)或交流(AC)电压。在下文中，术语“高压电缆”意在表示适用于在高于约1kV的电压下承载大于约1A的电流的电缆。因此，术语“高压配件”旨在表示适合于互连高压设施和/或高压电缆的装置。特别地，高压配件可以是端部端子或电缆接头。
为了提供关于电缆配件的状态和剩余寿命的实时信息，当今最常用的诊断方法是电局部放电(PD)测量。不完全桥接彼此靠近的两个电极或导体的放电称为局部放电。因此，在下文中使用的术语“局部放电”旨在描述绝缘体物的短期、低能量和局部限制的放电，其不会导致完全的电击穿，但是不可逆地损坏绝缘物。术语“局部放电”特别意图包括发生在非气态绝缘材料内的所谓“内部局部放电”。始发于诸如空腔或夹杂物的缺陷以及与其他材料(特别是承载高压的导体)的界面，局部放电导致形成随时间增长的“树”，并最终导致电击穿。这样的PD树通常具有大于1μm的长度。
这种局部放电的量值通常很小，转移的电荷量在10到几百微微库仑(pC)的范围内。为了局部放电测试，将适当高的AC或DC电压施加到围绕被测绝缘材料的导体上。替代地，取决于缺陷和激励的系统特性，放电可以在正常承载条件下检测。
今天，用于获得高压电缆配件的状态的最常用的诊断方法是根据IEC60270标准的电气局部放电测量(“高压测试技术-局部放电测量”，IEC 60270：2000)。该设置基本上由高压源(可以基于诸如标准50Hz或谐振系统的不同技术)、用于信号提取的耦合电容和用于使PD信号适应用于直接测量的四极组成。每个局部放电事件都会在树形化过程中引起短路电流信号，该短路电流信号可以通过连接的测量装置被检测。
PD诊断因此基于具有非常小幅度的电信号的测量。这种技术的缺点是，由于幅度小，它对由诸如来自变压器、架空线等的外部电场引起的电噪声非常敏感。因此，在嘈杂的环境中(例如，现场测试期间)的电气局部放电测量并不总是允许对局部放电测量结果的适当的解释，从而不能理解高压设备的状况。
局部放电也产生光，因此可以通过测量由此产生的光来检测局部放电。这样的光学PD测量有利地不受来自周围的高压设备的电噪声的影响。例如，通过使用集成到高压配件中的光纤传感器，可以演示基于光学PD测量的实时损伤监控。这种使用荧光光纤的光纤传感器装置例如在W.R.Habel等人的文章中描述：“用于高压设施的塑料装置早期损伤检测的光纤传感器(Fibre-optic sensors for early damage detection in plasticinstallations of high-voltage facilities)”，2011年8月22-26日，德国汉诺威举办的第十七届高压工程国际研讨会。该系统与应力锥一起使用的详细描述也在汉诺威，2014年7月25日，Chaiyaporn Lothongkam， für Elektrotechnik und Informatik derGottfried Wilhelm Leibniz 的PhD论文“适用于局部放电的光学监控的透明绝缘材料的介电强度行为和机械性能(Dielectric strength behavior and mechanicalproperties of transparent insulation materials suitable to optical monitoringof partial discharges)”中给出。
然而，这种传统的系统在远离荧光光纤的位置发生局部放电的情况下，信号强度不能令人满意。此外，只能使用特定的荧光光纤传感器，其必须尽可能靠近需要检测局部放电的位置安装。为了获得足够高的信号产量，该已知系统需要荧光光纤的大表面与应力锥接触。因此，将长纤维嵌入应力锥的外部区域，以围绕应力锥的纵向轴线螺旋缠绕布置。然而，为了安装应力锥，通常必须扩展纤维，有时以初始直径的400％扩展纤维。光纤存在的问题是，其长度不能扩展到可比较的程度，从而在安装过程中可能会被损坏或破坏。
发明内容
本发明的目的是克服现有解决方案的缺点，并提供对电绝缘体中的局部放电的灵敏、准确和抗干扰的实时监测。
这个目的由独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
因此，本发明提供了一种用于高压电缆配件的场控制元件，高压电缆配件例如端部端子或电缆接头。此外，本发明提出了对应的高压电缆配件以及用于监测高压电缆配件的绝缘部分内发生的局部放电的方法。
本发明基于这样的构思：通过直接在放电位置处执行由PD产生的初级辐射的波长转换，可以更容易地检测局部放电。具体地，本发明提出为电缆配件的电绝缘部分本身提供荧光染料。另外地或替代地，也可以为导电塑料部件提供荧光染料。
根据本发明，荧光染料具有在由放电发射的波长的区域中的吸收光谱和在可由诸如光电二极管、光电导体、电荷耦合器件(CCD)等的传感器元件检测的波长范围内的再发射光谱。大多数荧光染料根据所谓斯托克斯位移的一般物理原理表现出这种行为。因此，本发明意义上的术语“荧光染料”旨在包括所有能够吸收在感兴趣的介质中的局部放电的波长范围内的辐射并且能够再发射可以被光电探测器检测到的更长波长范围内的辐射的物质。
将荧光染料直接引入到高压电缆配件的绝缘部分中具有至少以下优点：辐射的波长由常规光电检测器难以测量的低波长转换成其中常规光电检测器表现出令人满意的灵敏度的波长范围。由局部放电产生的辐射指向检测元件可以容易地布置的位置，例如指向场控制元件的外部。检测元件不一定必须设置在绝缘材料内。由于检测原理基于光学监控，因此不受电噪声影响。
根据优选的实施例，场控制元件(也称为应力锥或应力消除件)至少部分地设置有荧光染料。这是有利的，因为首先应力消除锥是由基本上绝缘的材料制成的部件，在其制造过程中通过添加荧光染料可以容易地对其进行改性。常规高压配件的标准生产过程不必从根本上改变，并且使用根据本发明的系统可以容易地改装现有的高压配件。此外，在电缆的操作期间，局部放电经常发生在场控制元件的应力分级元件的位置处，因此可以被直接监测。通常情况下，大部分局部放电都是由于在该区域中应力锥安装不当或导致空气滞留的不良电缆处理而造成的。根据本发明的装置还允许检测其它区域中的放电，例如，由于湿气进入而在油中的放电。
荧光染料可以包括不损害绝缘材料的绝缘或机械性能的任何合适的荧光团。有利地，荧光染料具有350nm至500nm范围内的吸收荧光性和500nm至800nm范围内的发射荧光性。
如本领域所知，荧光团(或荧光物质)是在光激发时可以再发射光的荧光化合物。荧光团通常包含几个结合的芳族基团，或具有几个π键的平面或环状分子。荧光团可以共价键合到大分子，例如聚硅氧烷。然而，荧光团也可以单独使用，例如分散在液体绝缘体中，诸如硅油中。
荧光团吸收特定波长的光能并再发射处于较长波长的光。吸收波长、能量转移效率和发射之前的时间取决于荧光团结构及其化学环境，因为处于激发态的分子与周围分子相互作用。最大吸收波长(近似对应于激发波长)和发射波长(例如，吸收/发射＝485nm/517nm)是用于指代给定荧光团的典型术语，但是整个光谱可以是重要的考虑因素。激发波长光谱可以是非常窄的或更宽的谱带，或者它可以全部超过截止水平。发射光谱通常比激发光谱更尖锐，且其具有更长的波长和对应地更低的能量。激发能量在从紫外到可见光谱的范围内，并且发射能量可以从可见光继续到近红外区域中。荧光团的主要特征是：
·最大激发和发射波长(以nm表示)：对应于激发和发射光谱中的峰值(通常每个对应一个峰值)。
·消光系数(或摩尔吸收，单位为Mol-1cm-1)：将所吸收的处于给定波长的光的量与溶液中荧光团的浓度联系起来。
·量子产量：从入射光转移到发射荧光的能量的效率(对应于每个吸收光子所发射的光子的数量)。
·寿命(以皮秒为单位)：荧光基团恢复到基态之前的激发态的持续时间。它是指激发荧光团的数量衰减到原始量的1/e(≈0.368)所花费的时间。
·斯托克斯位移：最大激发波长和最大发射波长之间的差异。
为了能够产生足够强的光学信号，优选地在场控制元件的外部，其至少部分地由半透明或透明材料制成。有利地，这可以是半透明或透明的聚硅氧烷。
根据本发明的场控制元件可以包含均匀分布在至少一个半透明或透明区域内的荧光染料。替代地，也可以只有有限的区域或层设置有荧光染料。
根据本发明，场控制元件被形成为与适于检测第二辐射的光学检测器件机械地和光学地联接。特别地，场控制元件可以具有用于引入光纤的一个或多个开口。替代地，也可以在场控制元件的外表面处布置用于拾取再发射的辐射的至少一个光纤。此外，对于本领域技术人员显而易见的是，例如包括光电二极管的光学换能器元件也可以布置在场控制元件的直接附近。此外，还可以使用包括光学换能器、信号处理器件、能量收集电源和无线通信单元的独立的光学检测器件来检测再发射的辐射。这种独立光学检测器件或者连续发送关于发生局部放电事件的信息或者存储测量数据并且仅在从外部请求时才输出它们。
然而，提供至少一个光纤和单独的光学换能器的优点在于，光学换能器可以布置在高压电缆配件外部的受保护的环境内，并且因此不受电噪声的影响。
通常，提供用于信号传输的光纤必须满足光纤的无空隙集成的要求，以避免检测装置本身是局部放电的来源。
为了将至少一个光纤光学地联接到场控制元件，可以在光纤和场控制元件之间的接口处提供具有优化的反射行为的附加层。而且，光纤可以是所具有的折射率接近光纤嵌入其中的材料的折射率的塑料光纤。为了提高灵敏度，光纤还可以包括用于将入射光聚焦到光纤中的透镜系统。
引入到场控制元件的材料中的特定荧光染料也取决于所选择的光学检测器件(例如连接有光纤的光电二极管)的灵敏度。
本发明还涉及一种高压电缆配件，其包括根据本发明的场控制元件和/或另外的包括荧光染料的绝缘元件，例如液体绝缘填充物或硅橡胶主体。如上所述，根据本发明的术语“高压电缆配件”表示用于将高压设施与高压电缆连接或将高压电缆彼此互连的装置。特别地，高压电缆配件可以是电缆接头或端部端子。它包括绝缘部分，该绝缘部分在安装状态下至少部分地包围电缆绝缘物。如现有技术已知的那样，绝缘部分通常包括用于控制电场的场控制元件，使得可以避免由于电荷累积而引起的电场增强。为此，场控制元件包括具有场分级材料的区域，场分级材料包括例如聚合物基质和导电有机填料。由于其几何形状，用于高压电缆配件的场控制元件通常也被称为“应力锥”。
如Chaiyaporn Lothongkam，für Elektrotechnik und Informatik derGottfried Wilhelm LeibnizHannover，2014年7月25日的PhD论文“适用于局部放电的光学监控的透明绝缘材料的介电强度行为和机械性能(Dielectric strengthbehavior and mechanical properties of transparent insulation materialssuitable to optical monitoring of partial discharges)”详细描述的，这种场控制元件至少部分由聚硅氧烷材料制造。其他材料也用于制造场控制元件。
本发明的发明人实现了令人惊讶的发现，即当将荧光染料引入聚合物材料中时，材料仍然满足所有要求并执行其所要求的任务。出乎意料的是，可以看出，其中含有荧光染料的应力锥可以适合于具有与没有荧光染料的应力锥相同的令人满意的场分级特性和电以及机械稳定性。特别地，绝缘材料的以下典型特征必须不受损害：
·绝缘材料的机械性能，
·电气性能(AC，DC和脉冲)
·应用范围和安装行为。
取决于具体的安装方法，例如硅橡胶在预膨胀接头的情况下必须承受高达400％的膨胀率。根据本发明的硅橡胶在这方面表现出类似的性能，特别是在整个寿命期间不破裂。而且，改性的场控制元件必须能够承受高压电缆配件中产生的典型的机械力。电缆导体的温度在特殊情况下可以达到95℃甚至130℃，因此由于所涉及的材料的不同热膨胀而产生机械力。不可以发生破裂、空隙或分层，因为这会导致电缆配件立即失效。尽管如此，硅橡胶在高压电缆配件和电力电缆之间的界面上的机械力，即压缩力必须处于保持其在所有不同的电应力情况和条件下电力地工作的范围内。
本发明进一步提供了一种用于检测和/或监控在高压电缆配件的绝缘部分内发生的局部放电的方法，其中所述方法包括光学地感测由放电产生的第一辐射，并且还包括通过包含在所述绝缘部分的至少一部分中的荧光染料将所述第一辐射转换成第二辐射，该第二辐射具有的波长比第一辐射的波长更长。
根据本发明，包含在高压电缆配件的另一绝缘部分或场控制元件中的荧光染料将由局部放电产生的第一辐射的波长转换为具有较长波长的第二辐射，该第二辐射适于例如被包括例如光电二极管的光学检测器件检测。该转换步骤通过第一辐射的吸收和具有较低能量的辐射的再发射来实现。根据本发明的用于高电压设施的塑料绝缘物中的早期损坏检测的这种监控系统至少具有以下优点：
·测量信号没有电气干扰。
·没有电晕的影响。
·诸如光纤的附加部件不一定必须集成在最关键的位置处。
·完整的安装/应力分级材料可以提供荧光行为，因此可以在场控元件的所有区域中检测到光信号。
·安装和改装都很简单。
·监控系统免维护。
·场控制元件具有与标准部件相同的属性。
·装置没有机械衰减。
·场控制元件可以在标准生产过程中制造。
·本发明可以用于所有电压等级，AC和DC。
除了用荧光染料提供对绝缘材料的均匀地或一致地分布填充之外，当然也可以仅提供具有荧光性质的局部区域或层。而且，监控局部放电的方法当然也可以用于电缆配件以外的其他装置。
附图说明
附图被并入说明书中并构成说明书的一部分以说明本发明的几个实施例。这些附图与描述一起用于解释本发明的原理。这些附图仅仅是为了说明如何实现和使用本发明的优选的和替代性的示例，而不能被理解为将本发明仅限于所示出和描述的实施例。此外，实施例的几个方面可以单独地或以不同的组合形成根据本发明的解决方案。因此，下面描述的实施例可以被单独考虑或以其任意组合考虑。从附图中所示的本发明的各种实施例的以下更具体的描述中，其他特征和优点将变得显而易见，在附图中中相似的参考标号指代相同的元件，并且在附图中：
图1是由在不同介质中的放电产生的辐射的波长范围的示意性比较；
图2是本发明所使用的斯托克斯位移的示意图；
图3是根据本发明的高压室外端子的示意图；
图4是高压室外端子的另一个实施例的示意图；
图5是根据本发明的插入式端子的示意图；
图6是插入式端子的另一个实施例的示意图；
图7是根据本发明的电缆接头的示意图；
图8是电缆接头的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
现在参考附图进一步解释本发明，首先参考图1。图1示出了由不同电绝缘介质中的放电产生的辐射的波长范围的示意性比较。
光学局部放电检测基于对在放电期间由于物理击穿过程而产生的光的检测。产生的光的波长取决于发生放电的绝缘材料。基本上，绝缘材料可以分为高压工程中使用的三大类：空气、油和SF6。用于在空气中放电的波长范围101部分地在紫外区域，并且通常在475nm以下。油中的放电(由条102表示)引起从约380nm至约750nm的波长区域中的辐射发射。此外，六氟化硫(SF6)是经常与开关设备一起使用的绝缘体。如图1所示，在SF6中发生的放电产生从低于380nm直到约800nm的波长范围103内的辐射。
在固体材料中，大部分排电与空气放电有关，因为空隙包含空气或者故障通常由空气滞留引起。基于此，可以假定塑料绝缘物(例如用于高压电缆配件的场控制元件)中的局部放电的特征波长对应于空气中放电的波长范围101。
然而，由于对于非常短的波长缺少经济实惠的设备，对由空气内的放电产生的辐射进行直接实时监控是不可行的。结果，本发明基于这样的构思：空气中的放电的波长必须被转换到可以以适当的方式进行这种检测的范围中。图2示出了用于高压电缆配件中的光学局部放电测量的不同步骤的波长。
从主要由空气中放电引起的光的波长范围101开始，光首先被荧光染料吸收。所选择的荧光分子的吸附发生在尽可能接近发射波长范围101的波长范围104中。取决于所选择的荧光染料，来自激发的分子的辐射的再发射具有较低的波长105。如上所述，这种效应是大多数荧光材料所表现的众所周知的斯托克斯位移。
当将再发射的波长范围105与光电二极管通常敏感的波长范围106进行比较时，变得清楚的是光电二极管能够检测范围105中的几乎所有再发射的辐射，但是将不能够检测范围101中的任何初级发射的辐射。
根据本发明，通过直接在绝缘体的材料内提供荧光染料，该波长转换步骤发生在绝缘体的基体材料内，特别是在场控制元件内。根据本发明，可以使用对绝缘材料的安装性能没有影响并具有合适的吸收范围104和再发射范围105的任何荧光颗粒。
特别地，当为场控制元件提供荧光染料时，局部放电的发射可以被转换成与直接地在局部放电的形成部位相比具有更高波长的辐射。这种较低的能量辐射可以穿过绝缘体材料，以由光学检测器件检测。有利地，具有较低能量的再发射的辐射在穿过绝缘体材料传播时比高能量初级辐射受到较少的阻尼。与通过荧光光纤检测初级辐射的常规系统相比，这增强了监控系统的灵敏度。
在途中，再发射的辐射可以被其他荧光染料分子吸收，因为吸收和再发射光谱104、105重叠。因此，辐射在其到检测器的路径上被放大，因此与使用荧光染料包层光纤的已知系统相比，可以提高光产量。由于荧光再发射在吸收事件之后很短时间内发生，所以没有实质的时间延迟由这个额外的步骤引起(对于通常使用的荧光化合物，具有从UV到近红外的能量的光子发射的典型激发态衰减时间在0.5至20纳秒的范围内)。
图3示出了作为本发明的第一有利实施例的通常用于架空线路的高压室外端子200。端子200用于为电缆202提供电缆接线片204，以将电缆与高压设施连接。通常，该室外端子200安装在基板206处。优选由瓷制造的壳体208包围内部部件并保护它们免受周围环境的影响。如现有技术所公知的那样，在壳体208内存在绝缘区域218，绝缘区域218填充有电绝缘填充物。绝缘填充物可以包括诸如空气或SF6的气体或者诸如油的液体。绝缘区域218基本上是圆柱形的并且是旋转对称的。
插入到电缆端部端子200中的高压电缆202通常被剥掉其外层，例如电缆护套、缓冲层和金属屏蔽。通常半导电的外部电缆屏蔽220被引导到场控制元件212的区域中。在具有绝缘填充物的绝缘区域218内，仅存在由电缆绝缘物包围的电缆导体210。
场控制元件212(也称为应力锥)设置为控制绝缘物和电缆的导电部分之间的过渡处的电场。场控制元件212被布置在绝缘区域218内的电场应力对于绝缘区域218内的绝缘填充物来说太高的位置处。场控制元件212由绝缘场控制本体214形成，并且包括用于控制电场的至少一个导电或半导电偏转器216，如本领域技术人员已知的。典型地，场控制元件212由具有集成偏转器216的透明或半透明弹性体场控制本体214形成，用于影响诸如电缆配件的高压装置内的电场分布。场控制元件通常布置在高压配件的这样的区域中，在该区域中，在操作期间，电场应力对于剩余绝缘物来说太高。场控制元件212被形成为具有集成偏转器216的锥，集成偏转器216被形成为通过几何/电容效应偏转电场线，使得场控制元件212外部的场强度降低到不重要的值。
如图3所示，场控制元件212形成为具有用于接收电缆210的内部中空圆柱形开口的锥。该内部空心圆柱形开口的尺寸通常被设定为在电缆210的电缆绝缘物和场控制元件212之间形成压配合。根据本发明，场控制元件212的至少一部分设置有荧光染料。有利地，荧光染料被设置在通常由聚硅氧烷弹性体形成的绝缘场控制本体214中。根据本发明，荧光颗粒可以均匀地分布在聚硅氧烷材料内。令人惊讶的是，可以表明，荧光硅橡胶的使用以及用于信号传输的光纤的集成对应力锥的电性能没有任何不利影响。
替代地地或另外地，仅有限的区域或层可以包含荧光染料。当然，染料也可以嵌入导电或半导体塑料部件中，只要这些部件对吸收的和再发射的辐射是足够透明的。而且，绝缘区域218的绝缘填充物也可以包含荧光染料。在这种情况下，填充物包括电绝缘油，例如其中分散有荧光颗粒的硅油。除了为场控制元件提供荧光染料之外或替代地，可以实现为绝缘填充物提供荧光染料。当然，可以分别在固体和液体基质中使用相同或不同的荧光团。
局部放电的发生的检测可以通过借助于至少一个光电检测器(诸如光电二极管，CCD等)来光学地检测再发射的辐射来实现。光学检测器件可以位于场控制元件212的附近，但也可以布置成与其隔开，例如在绝缘区域218内。
如上所述，由于应力锥的不适当的安装或引起空气滞留的有缺陷的电缆处理，大部分局部放电是在应力锥的区域中并且特别是靠近偏转器216引起的。但是也可以检测其他区域的放电，例如由于湿气进入绝缘区域218中而在油中的放电。
现在参考图4，示出了具有用于检测再发射的辐射的集成光学检测器件的高压室外端子200的有利实施例。根据该实施例，在场控制元件212中提供荧光染料。特别地，荧光颗粒可以被包含在场控制本体214中，其可以是电绝缘聚硅氧烷。导电偏转器216通常是不透明的，因此不设置有荧光染料。然而，在偏转器216的材料对于吸收的和再发射的辐射足够透明的情况下，偏转器216也可以包括荧光颗粒。
根据图4所示的实施例，光学检测器件包括光纤222，光纤222将再发射的辐射传输到正在从光学信号产生电输出信号的光学换能器224。这样的光学换能器例如可以包括用于将感测到的辐射转换为电信号的光电二极管。此外，由换能器224产生的信号可以进一步由中央监控单元(图中未示出)处理，该中央监控单元也可以被配置为监控从多个这种换能器224发送的输出信号。
光纤222的联接端部位于偏转器216附近，因为这里大部分的局部放电是预期的。然而，本领域技术人员清楚的是，光纤的联接端部的位置可以任意改变。而且，多个光纤也可以布置在不同的位置。为了增加由光纤拾取的辐射量，可以在光纤222处提供透镜系统(图中未示出)。
根据图4所示的实施例的光纤222可以是插入到绝缘场控制本体214中的聚合物光纤(POF)。为了确保应力锥和聚合物光纤222之间的类似的光学反射，可以在两个表面之间的界面处设置具有光学地优化的反射行为的单独的层。然而，本领域技术人员清楚的是，也可以使用其他光学检测器件，例如直接布置在应力锥处的光电检测器。而且，光纤222也可以布置在应力锥212的表面处或绝缘区域218的填充物内。此外，还可以使用包括光学换能器、信号处理器件、能量收集电源和无线通信单元的独立的光学检测器件(图中未示出)来检测再发射的辐射。这种独立光学检测器件连续发送关于发生局部放电事件的信息或者存储测量数据并且仅在来自外部的请求时才输出它们。
当然，也可以在高压配件处设置多于一个的光纤222或多个独立的光学检测器，以覆盖可能发生局部放电的所有可能的区域。
根据另一个有利的实施例，本发明的原理也可以与开关设备和变压器端子一起使用。与图3和4相同的那些特征为了简洁将不会被详细地重复。图5示出了设计成安装在气体绝缘开关设备的电缆入口壳体中的开关设备端子300。这样的开关设备端子300通常在SF6中运行，但也在变压器油等绝缘液体中运行。从图5中可以看出，端子300包括例如由树脂形成的绝缘壳体302。电缆202插入壳体中，其端部被剥去其外层，例如电缆护套、缓冲层和金属屏蔽。通常半导电的外部电缆屏蔽220被引导到场控制元件304的区域中。在壳体302内部可以设置有附图中未示出的另外的油填充物。在外周端部处，连接器301被附接到电缆202的导电芯303。
场控制元件304包括绝缘场控制本体306和偏转器308。根据本发明，场控制本体306由设置有荧光染料的半透明或透明聚硅氧烷形成。
如针对图3和图4所示的实施例所提及的，图5所示的场控制元件304被布置在端子300的这样的区域中，预期由电场引起的最高应力在该区域中。通过为场控制元件304提供荧光染料，可以在端子300内监控局部放电，优选地通过在场控制元件304内或附近提供光学检测器。替代地或另外地，荧光染料也可以设置在壳体302内的其它绝缘部分中。
图6示出类似于图4的布置的具有光纤222和光学换能器224的开关设备端子300的示例性实施例。如该图所示，光纤222在靠近偏转器308的位置处被嵌入场控制元件304的本体306内部。
在发生局部放电的情况下，发射光并且该初级辐射被聚硅氧烷材料中的荧光染料转化成具有较低能量和较长波长的二次再发射辐射。由荧光染料再发射的辐射部分地进入光纤222并且被传输到光学换能器224。换能器224将光信号转换成电信号，该电信号可以由附加的外部电子装置进一步处理。
当然，如上所述，光纤222当然可以位于任何其他合适的位置，也可以设置在应力锥304的外侧。特别地，它可以围绕应力锥螺旋地缠绕，正如在上面提到于2014年7月25日的Chaiyaporn Lothongkam，für Elektrotechnik und Informatik der GottfriedWilhelm Leibniz Hannover的PhD论文“适用于局部放电的光学监控的透明绝缘材料的介电强度行为和机械性能”(参见本文件的第24页)中对于荧光光纤所描述的。
图7示出了本发明的另一有利实施例。如该图所示，本发明的原理也可以应用于监控高压电缆接头400中局部放电的发生。这种电缆接头400适于将两根电缆401、402彼此连接。机械连接器404互连两根电缆401、402的芯。在每根电缆处，提供具有偏转器410、412的场控制元件406、408。硅橡胶主体414覆盖连接区域并且还可以包括附加的偏转层。
根据本发明，场控制元件406、408以及主体414可以设置有荧光染料。以与上面参考端部端子所解释的类似的方式，在电缆接头414内发生的局部放电被荧光染料吸收。再发射的二次辐射从由PD引起的初级辐射产生，并可以由任何合适的光学检测器件检测。
图8示出了将光纤222插入到主体414中以将再发射的辐射传输到光学换能器224的示例。光纤222的末端被布置在偏转器412的附近，因为这是关于发生局部放电的最关键的位置。然而，更加靠近机械连接器404发生的局部放电也将被光纤222检测到，因为荧光辐射将穿过主体414传播直到它被光纤拾取。
当然，图8的光学换能器224也可以连接到上级电子单元以进一步处理电信号。
总之，可以看出，在高压电缆配件中基于荧光硅橡胶的光学局部放电检测的集成是可能的。在不同的测试期间，证实改性硅橡胶没有由荧光行为造成的负面影响，且可用于光学局部放电检测。同步电气和光学测量表现出相似的性能。还证明，145kV端子的改性的应力锥可以满足根据IEC 60840的所有必要的电气测试。由于对于较高电压水平的应力锥的设计几乎相同，因此可以得出结论：该技术也可用于较高电压和其他电缆配件。因此，本发明提供了具有与电局部放电测量课比较的灵敏度的现场PD测量，但没有噪声问题。在荧光标记的(一个或多个)绝缘体内发生的局部放电可以被检测，但在光耦合环境中发生的放电也可以被检测。
附图标记

Claims (15)

1.一种用于高压电缆配件的场控制元件，其中，所述场控制元件(212；304；406，408)包括至少部分地设置有荧光染料的电绝缘材料，所述荧光染料被配置为将由放电产生的第一辐射转换成第二辐射，所述第二辐射具有的波长比所述第一辐射的波长更长。
2.根据权利要求1所述的场控制元件，其中，所述电绝缘材料包括至少一个半透明或透明聚硅氧烷区域。
3.根据权利要求1或2所述的场控制元件，其中，所述荧光染料均匀分布在所述场控制元件(212；304；406，408)的至少一个半透明或透明区域内。
4.根据前述权利要求中的一项所述的场控制元件，所述场控制元件(212；304；406，408)被形成为与用于检测所述第二辐射的光学检测器件(222,224)机械地和光学地联接。
5.根据权利要求4所述的场控制元件，其中，所述场控制元件包括用于至少部分地接收所述光学检测器件(222，224)的至少一个开口。
6.根据前述权利要求中的一项所述的场控制元件，其中，在与所述光学检测器件(222，224)的接口处设置具有光学优化的折射行为的层。
7.根据前述权利要求中的一项所述的场控制元件，其中，所述荧光染料包括不损害绝缘材料的绝缘或机械性能的荧光团。
8.一种高压电缆配件，其用于包围至少一个电缆(202；401，402)的一部分，所述高压电缆配件(200，300，400)具有电绝缘部分，所述电绝缘部分包括至少一个根据前述权利要求中的一项所述的场控制元件(212；304；406，408)和/或包括荧光染料的另外的绝缘元件(218,414)。
9.根据权利要求8所述的高压电缆配件，被形成为端部端子或电缆接头。
10.一种监控系统，用于检测高压电缆配件中的放电，所述系统包括：
根据权利要求8至9中的一项所述的至少一个高压电缆配件(200，300，400)，
光学检测器件(222，224)，用于检测具有的波长比由放电产生的第一辐射的波长更长的辐射。
11.根据权利要求10所述的监测系统，其中，所述光学检测器件(222，224)具有至少部分地嵌入所述场控制元件(212；304；406，408)内或布置在所述场控制元件(212；304；406，408)的外表面处的感测区域。
12.根据权利要求10或11所述的监测系统，其中，所述光学检测器件包括用于从检测到的辐射产生电信号的光学换能器(224)和用于传输所述辐射的光纤(222)。
13.根据权利要求12所述的监测系统，其中，所述光学换能器(224)包括光电二极管。
14.一种用于检测和/或监控在高压电缆配件(200，300，400)的绝缘部分内发生的局部放电的方法，其中，所述方法包括光学地感测由放电产生的第一辐射，并且还包括通过包含在所述绝缘部分的至少一部分中的荧光染料将所述第一辐射转换成第二辐射，所述第二辐射具有的波长比所述第一辐射的波长更长。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一辐射具有低于400nm的波长，并且其中，所述荧光染料具有350nm至500nm的吸收荧光性和在500nm至800nm内的发射荧光性。
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