DE10019430A1

DE10019430A1 - Verfahren zur Mantelfehlerortbestimmung in Kabelsystemen mit Sensorader

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Publication number: DE10019430A1
Application number: DE10019430A
Authority: DE
Inventors: Helmut Vemmer
Original assignee: PETER LANCIER MASCHB HAFENHUET
Current assignee: PETER LANCIER MASCHB HAFENHUET
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2001-10-25
Also published as: ITMI20010829A0; ITMI20010829A1

Abstract

Bei einem Mantelfehlerortungsverfahren für Kabel, bei dem in eine Sensorader eines Kabels ein Messstrom eingespeist wird und bei einem Kabelmantelfehler auftretende Messsignaländerungen ausgewertet werden, wird eine die Sensorader einschließende Sensorschleife gebildet, in die ein konstanter Messstrom erdfrei eingespeist wird. Die dabei am Anfang und Ende der Sensorschleife gegenüber einem Bezugspotential auftretenden Spannungen werden gemessen und durch Bildung des Verhältnisses dieser Spannungen wird der Fehlerort bestimmt.

Description

Kabel, insbesondere Erdkabel und Seekabel, haben einen wasserdichten Kunst stoffmantel. Befindet sich unter dem Kunststoffmantel eine metallische Beweh rung zur mechanischen Stabilisierung und/oder zur elektrischen Abschirmung, so ist diese metallische Bewehrung geerdet. Das Kabelinnere mit den elektrischen Leitern kann durch weitere Kunststoffmäntel oder Wassersperren aus Aluminium ummantelt sein, was hier nicht näher betrachtet wird.

Treten im äußeren Kunststoffmantel Beschädigungen auf, so wird zunächst die metallische Abschirmungsbewehrung von eindringendem Wasser befeuchtet.

Diesbezüglich ist es naheliegend, gemäß dem Stand der Technik, einen Sensor draht in den Bereich der metallischen Bewehrung mitzuführen, um Wassereintritt sofort zu melden. Der Sensordraht ist im trockenen Zustand vollkommen isoliert vom geerdeten Kabelmantel. Durch Gewebeisolation oder sonstige perforierte Isolation des Sensordrahtes ist bei Befeuchtung mit eindringendem Wasser ein niedriger Übergangswiderstand zum geerdeten Kabelmantel gegeben. Sollte kein geerdeter Kabelmantel gegeben sein, stellt sich ein entsprechend höherer Über gangswiderstand zum Erdreich ein.

Fehlerortungsverfahren nutzen den Effekt des einnässenden Sensordrahtes nicht nur zur Erkennung des defekten Kabelmantels, sondern berechnen aus den Sensordrahtdaten ebenfalls den Fehlerort (siehe DE 195 27 972.7 und DE 195 44 391.8). Bei bekannten Messverfahren gemäß Fig. 1 werden die Ströme I₁, I₂ und I₃ erfasst, um über deren Aufteilung den Fehlerort zu ermitteln. Zum ein facheren Verständnis wird eine zweiphasige Version nach Fig. 2 betrachtet. Die Ströme verhalten sich umgekehrt proportional zu den Widerständen der Sensor leitungslängen. Da die Leitungssensoren am Kabelende verbunden sind, ergibt sich die relevante Sensorlänge jeweils vom Kabelanfang bis zum Fehlerort nach der Beziehung:

Soll das Stromverhältnis I₁ : I₂ die korrekte Kabellänge R_{Länge 2} : R_{Länge 1} wiederge ben, so darf das Stromaufteilungsverhältnis ausschließlich nur von den Sensor längen vom Kabelanfang bis zum Fehlerort beeinflusst sein. Zusätzliche Mess widerstände, z. B. R₁ und R₂ zum Erfassen der Ströme I₁ und I₂ sind den Sensor widerständen in Serie geschaltet und verfälschen damit die Stromaufteilung.

Beispielhaft sei dargestellt:
Bei üblichen Sensorwiderständen von ca. 50 Ω/km, einer Kabellänge von 1 km und einem Fehler auf halber Kabellänge ergibt sich eine Widerstandsaufteilung der Kabelschleife R₁ : R₂ von 25 : 75 Ω = 1 : 3, dementsprechend eine Stromauf teilung I₁ : I₂ von 3 : 1.

Werden zur Erfassung der Ströme Messwiderstände R₁ und R₂ von jeweils 25 Ω eingefügt, so ergibt sich eine Widerstandsaufteilung von 50 : 100 Ω, dement sprechend eine Stromaufteilung von I₁ : I₂ von 2 : 1, was nicht mehr die Sensor längen bis zum Fehlerort widerspiegelt. Um zu richtigen Ergebnissen zu kom men, müssen Messwiderstände und ggf. Zuleitungswiderstände bis zum Kabel anfang herausgerechnet werden. Eine erforderliche Korrekturrechnung ist insbe sondere bei einem Drehstromsystem aufwendig, da alle in der Messanordnung vorkommenden Widerstände:
Messwiderstände R_m
Zuleitungswiderstände R_Z
Sensorwiderstände R_S
Abschlussmesswiderstände R_A
gemeinsamer Abschluss Widerstand R_B
Erdfehlerwiderstand R_E
mit ihrer momentanen Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen sind. Die Ströme, die über einen Erdfehlerwiderstand R_E (im Beispiel Fig. 2 I₁ und I₂) über das Erdpotential zur treibenden Quelle U_B zurückfließen, können am undefinier ten Erdfehlerwiderstand und durch Wärmeeinwirkung zu Schwankungen des Fehlerwiderstandes führen, dies um so mehr, je dichter der Mantelfehler zum Kabelanfang rückt, wodurch die Messströme größer werden und der Effekt sich verstärkt. In der Korrekturberechnung erscheinen alle Spannungen, Ströme und Widerstände als absolut zu berücksichtigende Größen, wodurch sich eine Reihe von Fehlermöglichkeiten in einer umfangreichen Fehlerortungsgleichung erge ben, zumal alle Widerstände nicht absolut stabil, sondern von der Temperatur abhängig sind, was insbesondere für die Kabelwiderstände aufgrund der Tempe ratur eines Energiekabels oder der Messwiderstände aufgrund der unterschied lichen Mess-Ströme oder der einwirkenden Wechselströme aus dem Kabel ge geben ist.

Beispiel für die Berechnungsgleichung eines Drehstrom-Dreifach-Kabelsystems gemäß Fig. 1:

- ohne Berücksichtigung von Zuleitungswiderständen des Mess-Systems
- ohne Berücksichtigung unterschiedlicher Kabellängen 1 bis 3

Ortungsgleichung

Quelle: Fortschritt-Berichte VDI-Verlag
Reihe 21: Elektrotechnik Nr. 212

mit:
I₁ = Strom in Zweig 1
I₂ = Strom in Zweig 2
I₃ = Strom in Zweig 3
R_m = Meßwiderstand
R'_S = Sensorwiderstandsbelag
R_A = Abschlußwiderstand
R_B = Betriebswiderstand
L₁ = Entfernung der Fehlerstelle vom Meßpunkt 1
L_ges = Gesamtlänge des Kabels

Werden für den praktisch realistischen Fall die Leitungslängen zum Kabelanfang in die Rechnung einbezogen und ferner berücksichtigt, dass die Phasenlängen beim Dreifach-Kabelsystem aufgrund großer Verlegungsradien unterschiedlich lang sind, ergibt sich eine Berechnungsgleichung des mehrfach dargestellten Umfangs. Bei Energiekabeln ergibt sich bei diesem bekannten Messverfahren zusätzlich ein Wärmeproblem für die Messwiderstände R_m.

Wird z. B. eine induzierte Wechselspannung von 100 V effektiv im Sensordraht entsprechend 100 V × 1,73 = 173 V zwischen den Sensordrahtphasen des Dreh stromsystems zugelassen und ein Mess- und Abschlusswiderstand von je 10 Ω eingesetzt, bei einem Widerstand des Sensordrahtes von 40 Ω, so ergibt sich überschlagsweise nach der Beziehung:

in den drei Messwiderständen R_m.

Nach der Leistungsberechnung N = I² × R ergibt dies für Präzisionsmesswider stände die ungewöhnliche Leistung von etwa 20 W je Messwiderstand. Da Messwiderstände sich nicht stark erwärmen sollen, müsste jeder Widerstand für etwa 100 W ausgelegt sein.

Jeder Techniker kann sich leicht vorstellen, dass ein Messwiderstand mit 0,01% Genauigkeit in der Größenordnung 0,2 bis 0,5 W geläufig ist, nicht jedoch mit 100 W. Aus vorstehenden Fakten ist leicht zu ersehen, dass ein Messverfahren ins besondere für Energiekabel nach dem bekannten Messverfahren theoretisch möglich, praktisch jedoch nicht sinnvoll realisierbar ist.

Ein Messverfahren, nach Fig. 3 nachfolgend beschrieben, vermeidet alle Fehler der vorstehenden Berechnungsgleichung, da sämtliche Widerstandsgrößen incl. der Messwiderstände eliminiert sind und somit auch die Sensordrahttemperatur nicht in die Fehlerortung eingeht. Als Vorgabe wird bei diesem Messverfahren nur die Kabellänge benötigt und die Spannungen U₁, U₂, U₃ jeweils gemessen.

Zum einfacheren Verständnis wird eine zweipolige Version nach Fig. 4 betrach tet. Während beim Messverfahren nach Fig. 1 und 2 die Spannungsquelle U_B Ströme über den Fehlerwiderstand R_E gegen Erde treibt, wird beim Messverfah ren nach Fig. 3 und 4 ein erdfreier Strom über die Sensorschleife geschickt. Ent sprechend dem Sensorwiderstand stellt sich eine erdfreie Schleifenspannung ein, sofern kein Erdfehler vorliegt. Stellt sich ein Erdfehler R_E ein, so ist die Schleifen spannung erdbezogen. Die erdbezogenen Spannungen können gemäß Fig. 4 als Spannung U₁ und U₂ der linken und rechten Schleifenteilspannung gemessen werden. Die Addition beider Spannungen entspricht der gesamten Schleifen spannung. Da über den Erdfehler R_E im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 1 und 2 kein Strom fließt, fällt über diesen Widerstand auch keine Spannung ab. Somit sind bei diesem Verfahren die gemessenen Spannungen U₁ und U₂ unab hängig vom undefinierten Erdfehler. Die gemessenen Teilspannungen U₁ und U₂ fallen an den Widerständen der Sensorleitungen L1 und L2 jeweils vom Kabel anfang bis zum Fehlerort ab. Die Spannungen U₁ : U₂ stehen also im gleichen Verhältnis wie die Sensorlängen Länge 1 : Länge 2. Ist die Sensorlänge (= Ka bellänge) bekannt, so ergibt sich der Fehlerort vom Kabelanfang aus gemessen nach der einfachen Verhältnisrechnung

Da es sich um eine reine Verhältnisrechnung zwischen Sensorlängen und den darüber abfallenden Spannungen handelt, die konstant stromgespeist sind, wer den weder Messwiderstände benötigt, noch spielt die Größe des Erdfehlers R_E eine Rolle, da über R_E kein Messstrom abfließt.

Die Vorzüge, mit weniger fehlerhaften Mess- und Rechengrößen genauere Er gebnisse zu erzielen, liegen auf der Hand. Das nachfolgend beschriebene Ver fahren kombiniert deshalb erfinderische Schaltungsfunktionen mit dem prinzi piellen Messaufbau nach Fig. 3 und 4. Die Messung nach Fig. 3 und 4 ist jedoch nur möglich, wenn es sich um freigeschaltete, spannungsfreie Leitungsadern, die am Ende verbunden werden, handelt.

Die Aufgabenstellung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens besteht nun darin, eine Mantelfehlerortung an Hochspannungskabeln ohne Abschaltung wäh rend des Betriebes, wobei die Sensorader unter Spannung steht und aufgrund des geringen Innenwiderstandes einen hohen Strom treiben kann, auszuführen.

Der im Kabelmantel eingebettete Sensordraht wirkt insbesondere bei Koaxialka beln nach Fig. 6 und 7 wie die Sekundärwicklung eines Transformators, wobei als Primärwicklung der laststromführende Innenleiter des Koaxialkabels wirkt. Bei der Messschaltungs-Auslegung muss deshalb sichergestellt sein, dass kein Wechsel-Kurzschlussstrom vom Kabel ins Messsystem fließt, da das mit Gleich strom arbeitende Messverfahren dann nicht mehr richtig messen und zudem bei größeren Strömen zerstört würde.

Eine prinzipielle Schaltungsanordnung und deren Funktion sei an Fig. 6, einem Zweifach-Kabelsystem für Bahnstromanlagen, erläutert. Jede getrennt verlegte Koaxialphase führt im Mantelbereich eine Sensorader mit, die am Kabelende verbunden ist. Über die Sensoradern L_S1 und L_S2 wird von einer erdfreien Batterie spannung U_B über eine Stromsenke ein Konstant-Gleichstrom in die Sensor schleife gespeist. Dies hat folgenden Sinn:

1. Der Innenwiderstand der Stromquelle U_B passt sich automatisch an die Ka bellänge und den Sensorwiderstand an. Bei kurzer Leitung steht eine kleine Spannung und bei längerer Leitung automatisch entsprechend eine größere Spannung am Einspeisepunkt der Kabelanfänge zur Verfügung.
2. Auch bei Sensorkurzschluss direkt am Kabelanfang oder beide Sensoradern gegen Erde kurzgeschlossen, ist keine Überlastung der Spannungsquelle U_B und keine Überlastung eines Messwiderstandes möglich, da jederzeit nur der eingestellte Konstantstrom fließt.
3. Nach der Beziehung U = I × R kann der maximale Messbereich U durch Wahl der Konstantstromgröße auf den maximalen Sensorwiderstand entsprechend der vorgegebenen Leitungslänge abgestimmt werden.
4. Durch Einstellung des Konstantstromes auf eine durch 10 teilbare Größe, z. B. 10 mA, entspricht der Zahlenwert der angezeigten Spannungen U₁ + U₂ am Sensoranfang ohne Umrechnung direkt der Zahlenfolge des jeweiligen Sensorwiderstandes vom Kabelanfang bis zur Mantelfehlerstelle.
5. Bei frei zugänglicher Einstellung des Konstantstromes kann die Schleifen spannung U zahlenmäßig direkt auf die wirkliche Länge der Kabelschleife in Meter justiert werden. Für diesen Fall zeigen die Teilspannungen U₁ und U₂ zahlenmäßig direkt die Kabellängen in Meter vom jeweiligen Kabelanfang bis zum Kabelmantelfehler an.

Da der Konstantstrom aus einer erdfreien Spannungsquelle und Stromsenke die Kabelschleife speist und deshalb kein Strom über einen evtl. Erdfehler abfließt, ist der zufließende Strom I₁ gleich dem rückfließenden Strom I₂. Die eingefügten Widerstände R_I1 und R_I2 bilden mit dem Kondensator C_I für die induzierte Wech selspannung auf der Sensorleitung in Richtung Konstantstromspeisung einen Spannungsteiler, so dass die verbleibende Wechselspannung an C_I so klein ist, dass die parallel zum Kondensator eingespeiste Konstantstromquelle weder ge fährdet ist, noch die Genauigkeit der Gleichspannungsmessung beeinflusst wird. Die Widerstände R_I1 und R_I2 bilden in umgekehrter Richtung zum Kabel hin für die speisende Quelle U_B ebenfalls einen Spannungsteiler mit der niederohmigen Sensorschleife. Wegen der gewählten Konstantstromspeisung hat dieser Span nungsabfall jedoch keinerlei Einfluss auf die Größe der Schleifenspannung U oder die zu messenden Schleifenteilspannungen U₁ und U₂. Der Schaltung liegt die Idee zu Grunde, dass die Widerstände R_I1 und R_I2 so gewählt werden, dass der ef fektive Wechselstrom nicht größer wird als der speisende Konstantstrom ist.

Bei dieser Schaltungsanordnung pulsiert der Wechselstrom positiv und negativ um die Gleichstromgröße, so dass als mittlere Verlustleistung nur die nicht zu umgehende Messgleichspannungsgröße auftritt, d. h. eine zusätzlich auftretende Wechselstrom- Verlustleistung ist bei der vorgegebenen Schaltung mit richtiger Auslegung nicht zu be rücksichtigen, während bei einer Schaltung nach Fig. 1 (Mantelfehlerortung bei Hoch spannungskabeln gemäß Stand der Technik) unter gleichen Kabel- und Sensorvoraus setzungen vergleichsweise mit ca. 20 W Wechselstromverlustleistung in hochgenauen Messwiderständen zu rechnen ist. Da bei etwa gleich großen Wechsel- wie Gleichströ men auch die Spannungsabfälle an R_I1 und R_I2 etwa gleich groß sind, gilt für das an gegebene Schaltungsverfahren, dass die treibende Gleichspannung U_B des Stromge nerators größerr sein muss, als der Scheitelwert der zugelassenen Sensorwechsel spannung plus der gewünschten maximalen Schleifenmessspannung, z. B. 10 V. Bei einer realistischen Sensorspannung von zugelassenen bis max. 100 V ~ ergibt dies:
Generatorspannung U₈ = 100.√2 + max. Schleifenmessspannung
U₈ = 100.√2 + 10 V
treibende Schleifenspannung U₈ = 150 V

Die zu messende Schleifenspannung U wird mit zwei Teilschleifenspannungen U₁ und U₂ vom Sensordraht L_S1 und L_S2 am Kabelanfang abgegriffen. Das Messsignal U₁ und U₂ geht jeweils über einen Tiefpassfilter R_S1, C_S1 und R_S2, C_S2 über die Leitungen S₁ und S₂ und wird dem Messsystem z. B. mit einem Messbereich von jeweils ± 10 V zuge führt.

Die Messsignalabnahme an S₁ und S₂ erfolgt im Messsystem über extrem hoch ohmige Messverstärker, so dass nur das reine Spannungssignal ohne Stromfluss zur weiteren Auswertung genutzt wird. Da kein Gleichstrom fließt, fällt an den Filterwiderständen R_S1 und R_S2 auch keine Gleichspannung ab, die die Messwerte verfälschen könnte. Aus diesem Grund können die Widerstände R_S1 und R_S2 vor zugsweise direkt so groß gewählt werden, dass keine nennenswerten Wechsel strom-Leistungen der Widerstände anfallen. Beispielhaft ergibt sich bei maximal 100 V Sensorwechselspannung und einem Normwiderstandswert von 150 k, der auf ein C von beispielsweise 1 µF arbeitet, das als Wechselspannungsteiler wirkt, eine Wärmeleistung von jeweils etwa 0,07 W an den Widerständen R_S1 und R_S2. Da die Tiefpässe R_S1, C_S1 und R_S2, C_S2 jeweils einen Wechselspannungsteiler darstellen, werden die hohen Wechselspannungen von L_S1 und L_S2 auf den Gleichspannungsmessleitungen S₁ und S₂ auf einen für das nachfolgende Mess system ungefährlichen Wert reduziert. Auf Grund der Konstantstromspeisung der Sensordrähte L_S1 und L_S2 die an den Kabelenden zusammengeschaltet sind, ergibt sich am Kabelanfang zwischen L_S1 und L_S2 eine konstante Schleifenspan nung, die nur noch von der Kabeltemperatur über den Sensorwiderstand beein flusst wird. Die abgegriffenen Spannungen U₁ und U₂ fallen über den Sensor widerständen ab. Der Temperaturgang der Sensorschleife hat dennoch keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Mantelfehlerortung, da die Genauigkeit bei die sem Verfahren nicht von den absoluten Spannungen U₁ und U₂, sondern lediglich vom Verhältnis der Spannungen U₁ : U₂ abhängt, was die Gesamtkabellänge dem Spannungsverhältnis entsprechend aufteilt. Liegt kein Mantelfehler vor, so wird die Gesamtschleifenspannung U über die abgegriffenen Messspannungen U₁ und U₂ jeweils mit ½ U gegen Erde gemessen werden, da das Messsystem über die Erdleitungen einen Spannungsteiler bildet. Sind die Kabel 1 und 2 gleich lang, so ergibt sich ein fiktiver Erdfehler am Kabelende, obwohl kein Erdfehler vorliegt. Dieser Sonderfall des Messverfahrens wird vom beschriebenen Messsystem dazu genutzt, eine permanente Überwachung der Sensordrähte sowie des Messsystems durchzuführen, indem die Entfernung des Kabelendes nach der Berechnungsgleichung

kontrolliert wird.

Liegt kein Messfehler in Kabel 1 oder 2 vor, so ergibt die mit U₁ und U₂ berech nete Entfernung bis zum Kabelende jeweils die genaue Kabellänge, was eine permanente Kontrolle des gesamten Messablaufes über alle Systemkomponen ten ermöglicht. Dass das Messverfahren ohne Erdfehler bei gleichen Kabellän gen am Kabelende einen Erdfehler sieht, liegt daran, dass das Messverfahren in der Lage ist, den Fehlerort unabhängig von der Größe des Erdwiderstandes R_E auszumessen, und somit immer einen Fehlerort findet, der auch im Extremfall für einen Fehlerwiderstand R_E = ∞ bei gleicher Spannung von U₁ und U₂ den Feh lerort in der Schleifenmitte sieht. Im vorliegenden Fall wurde zunächst davon ausgegangen, dass die Kabellängen bzw. die einzelnen Phasen gleich lang sind. Diese Annahme trifft bei Einfach-Kabelsystemen nach Fig. 5, wobei sich alle Phasen oder Adern innerhalb eines Kabels befinden, immer zu (z. B. Energie kabel bei Endverbrauchern oder Daten- und Telefonkabel). Einfachkabel lassen sich mit dem angegebenen Messverfahren, auch wenn es sich nicht um Hoch spannungskabel handelt, ebenso gut auf Mantel- oder Erdfehler überwachen. Bei diesen Kabeln entfällt lediglich die Problematik der eingekoppelten hohen Wech selstromenergie und diesbezügliche besondere Beschaltungsmaßnahmen.

Zweifach- oder Dreifach-Kabelsysteme gemäß Fig. 6 und 7, bei denen jede Phase als separates Koaxialkabel verlegt ist, haben in der Regel ungleiche Ka bellängen für die einzelnen Phasen. Ungleiche Kabellängen ergeben sich z. B. bei paralleler Kabelverlegung, wenn diese aus Temperaturgründen mit Abstand ver legt werden. Durch parallele Verlegung mit Abstand ergeben sich z. B. unter schiedliche Kurvenradien, die schnell zu einem Längenunterschied von z. B. 30 bis 50 m führen. Um auch Kabelsysteme mit ungleichen Kabellängen der einzel nen Phasen, wo sich die verbundenen Sensordrahtenden nicht mehr in der symmetrischen Schleifenmitte befinden, im fehlerfreien Zustand durch perma nente Überwachung des Kabelendes kontrollieren zu können, kann beim be schriebenen Verfahren beim Zweifach-Kabelsystem ein künstlicher Abschluss widerstand R_A am Schleifenende gemäß Fig. 6 gesetzt werden. Der Abschluss widerstand R_A erniedrigt den gegen ∞ laufenden Erdfehler R_E auf einen definier ten Wert (z. B. 3 MΩ). Durch diese Beschaltung sieht das Messsystem einen vor gegebenen Erdfehler am Kabelende und wird diesen mit der gegebenen Fehler ortgleichung (gemäß Seite 5) ausmessen. Liegt kein wirklicher Mantelfehler vor, so ergibt das Messergebnis über die Sensorphase L_S1 mit U₁ gerechnet die Ka bellänge 1 und über diese Sensorphase L_S2 mit U₂ gerechnet die Kabellänge 2 an. Beide Messergebnisse zeigen somit kontrollierend auf die verbundenen Kabelenden mit der jeweils wirklichen Kabellänge, wobei Kabel 1 und Kabel 2 nicht nur geringfügig unterschiedlich, sondern beliebige Längen haben können. Der Abschlusswiderstand R_A sollte so hochohmig ausgeführt werden, dass eine Mantelfehlerortung noch mit der gewünschten Genauigkeit gegeben ist.

Besteht der Wunsch, einen Mantelfehler einer 10 km langen Sensorschleife auf 1 m zu orten, so erfordert dies eine Ortungsgenauigkeit von 0,1‰. Bei einem bei spielhaften Abschlusswiderstand von R_A = 3 MΩ fordert das Messsystem einen Mantelfehler R_E von < 300 Ω, um die Messgenauigkeit von 0,1‰ = 1 m zu er füllen. Mantelfehler < 300 Ω entsprechen der Realität, da der Sensordraht im geerdeten Kabelmantel so eingebettet ist, dass bei Befeuchtung der wasser durchlässigen Sensorisolation sich schnell Widerstandswerte < 100 Ω einstellen.

Beim Dreifach-Kabelsystem nach Fig. 7 für Hochspannungs-Drehstromsysteme erfordert das beschriebene Messverfahren auch bei unterschiedlichen Kabel längen keinen Abschlusswiderstand R_A zur Erkennung des Kabelendes ohne vorliegenden Mantelfehler. Das Messsystem schaltet die Phasen beim Dreifach- Kabelanschluss gemäß Fig. 8, wobei eine Sensorleitung am Kabelanfang freige schaltet ist, jedoch am Kabelende mit den beiden anderen Sensorleitungen ver bunden ist. Da jeder Sensordraht im Kabel nur einen endlichen Isolations widerstand R_E hat, bildet der dritte Sensordraht am Kabelende einen automati schen Abschlusswiderstand R_A gegen Erde. Das Messverfahren ermöglicht somit auch beim Dreiphasenbetrieb ohne Mantelfehler und Abschlusswiderstand einen ständigen Kontrollvergleich der gemessenen Kabellängen mit den wirklichen Kabellängen.

Isolationsmessung

Da ein Mantelfehler nur von Interesse ist, wenn der Isolationswiderstand des Sensordrahtes gegenüber dem geerdeten Mantel einen wirklich messbaren Iso lationsrückgang (z. B. durch Feuchteeinwirkung) aufweist, wird beim vorliegenden Messverfahren zusätzlich eine Isolationsmessung des Sensordrahtes gegen Erde ausgeführt. Das frei programmierbare Messsystem erlaubt dem Anwender zu definieren, bei welcher Unterschreitung des Isolationswiderstandes eine Alarmmeldung ausgegeben wird, um dann mit der nachfolgenden Fehlerortung den Fehlerort des Mantelfehlers auszumessen. Zur Isolationsmessung wird der Konstantstromgenerator 2 gemäß Fig. 9 einseitig von der Sensorschleife abge trennt und mit einem Umschalter 4 gegen Erde geschaltet. Der Konstantstromge nerator, dessen Strom automatisch umschaltbar ist, treibt in dieser Schaltposition gegenüber der Schleifenmessung je nach gewünschtem Messbereich einen ca. 1000fach geringeren Konstantstrom über einen Sensordraht in die offene Sen sorschleife über einen gegebenen Erdwiderstand R_E gegen Erde. Der Erdwider stand ergibt sich zu:

Die Trennung von Gleich- und Wechselspannung bewirken auch in diesem Be triebsfall die gleichen Schaltkomponenten wie beim Schleifenstrombetrieb. Wird der ISO-Messkonstantstrom vorzugsweise mit einer durch 10 teilbaren Größe gewählt (z. B. 10 µA), so gibt der Zahlenwert der gemessenen Spannungen U₁ oder U₂ ohne Umrechnung direkt den Widerstandszahlenwert an.

Ob der Isolationswiderstand R_E mit der gemessenen Spannung U₁ oder U₂ er rechnet wird, ist beliebig, da die beiden Spannungen bei diesen Messungen immer gleich groß sind. Obwohl der Stromgenerator nur über B_I2 nach Sensor L_S2 eingespeist wird und B_I1 mit Umschalter 4 freigeschaltet ist, besteht eine Ver bindung der Sensordrähte am Kabelende gemäß Fig. 5 und 6, so dass auf beiden Sensorleitungen L_S, und L_S2 gleiches Potential herrscht, infolgedessen auch U₁ und U₂ gleich groß gemessen werden.

Schleifenwiderstandsmessung

Die Schleifenmessung dient der Sensordrahtüberwachung, so dass permanent überprüft wird, ob die Sensorschleife mit ihren bekannten Leitungswiderständen in der möglichen Toleranz durchgängig ist. Diese Messung bedingt beim vor liegenden Messverfahren keine separate Messung, sondern wird aus den für die Fehlerortung gemessenen Größen U₁ und U₂ abgeleitet.

Der Schleifenwiderstand ergibt sich zu:

Mantelfehlerortung im 1fach-, 2fach- oder 3fach-Kabelsystem

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen die unterschiedlich vorkommenden Kabelsysteme.

Mantelfehlerortung im 1fach-Kabelsystem

Fig. 5 zeigt ein Mehrphasenkabel, dass z. B. als Drehstromkabel bis zum Mittel spannungsbereich oder als Daten- und Telefonkabel mit vielen Adernpaaren ausgeführt ist. Bei diesem Einfach-Kabelsystem wird im geschirmten Mantelbe reich (der geerdet ist) ein feuchtesensibler Sensordraht und ein isolierter Rück leiter eingebettet, so dass sich eine Messschleife mit einem Kabel realisieren lässt. Vielpaarige Kabel, die keinen besonderen Sensordraht im Mantelbereich mitführen, lassen sich mit dem Messgerät für das beschriebene Messverfahren dennoch überwachen, wenn eine blanke oder perforierte Ader im Kabelinneren mitgeführt ist. Dringt bei einem defekten Kabelaußenmantel Wasser in dieses Kabel, so genügt beim vorliegenden Messverfahren bereits ein hochohmiger Erdschluss, z. B. einige MΩ, um eine genaue Fehlerortung auszuführen. Die ge naue Fehlerortung von Erdfehlern, auch im kΩ- und MΩ-Bereich, ist ein wichtiger Vorteil des beschriebenen Verfahrens, da bei Verfahren gemäß DE 195 27 972.7 und DE 195 44 391.8 zur genauen Berechnung Erdfehler ≦ 100 Ω vorausgesetzt werden.

Mantelfehlerortung im 2-fach-Kabelsystem

Das 2fach-Kabelsystem gemäß Fig. 6 unterscheidet sich vom 1fach-Kabelsystem dadurch, dass jede Phase über ein getrenntes Kabel mit einem Sensor im Kabelmantelbereich verlegt ist. 2fach-Kabelsysteme kommen z. B. bei Bahn stromanlagen dort vor, wo keine Freileitungen gespannt sind, sondern vorzugs weise im innerstädtischen Bereich jede Phase als eigenes Erdkabel verlegt ist. Das Messverfahren gemäß Fig. 6 wurde vorstehend bereits ausführlich be schrieben und unterscheidet sich beim Anschluss an das Messsystem nicht vom 1fach-Kabelsystem nach Fig. 5.

Mantelfehlerortung im 3fach-Kabelsystem

Fig. 7 zeigt die Schaltung eines Dreifach-Kabelsystems. Der Kabelmultiplexer des Mantelfehler-Messsystems ist gemäß Fig. 8 so geschaltet, dass sowohl 2polige 1fach- oder 2fach-Kabelsysteme als auch 3polige 3fach-Kabelsysteme zum Messen aufgeschaltet werden können. Jedes 3polige Kabelsystem benötigt 2 zweipolige Anschlüsse. Beim Dreiphasen-3fach-Kabelsystem wird vom Multi plexer im ersten Schritt Sensor L_S1 und L_S2 auf das Messsystem aufgeschaltet und Sensor L_S3 am Kabelanfang freigeschaltet, so dass Sensor L_S3 über die verknüpf ten Sensorenden am Kabelende als Abschlusswiderstand R_A geschaltet ist. Das Messsystem ermittelt zunächst im 1. Schritt für Sensor L_S1 und L_S2 die folgenden Parameter:

A) Isolationswiderstand des Kabelsystems
B) den Schleifenwiderstand der Kabelsensoren L_S1 und L_S2
C) Überprüfung der Kabellängen 1 und 2 (wenn kein Mantelfehler vorliegt) oder ggf. alternativ
D) Angabe der Fehlerortentfernung vom Kabelanfang bis zum Fehlerort für Kabel 1 und 2 (sofern ein Mantelfehler vorliegt)

Im 2. Schritt schaltet der Multiplexer Sensor L_S3 und L_S2 auf das Messsystem und schaltet Sensor L_S1 am Kabelanfang "frei", so dass der Sensor L_S1 über die ver knüpften Sensorenden am Kabelende als Abschlusswiderstand R_A geschaltet ist. Das Messsystem ermittelt jetzt im zweiten Schritt für Sensor L_S3 und L_S2 die Pa rameter:

A) Isolationswiderstand des Kabelsystems
B) den Schleifenwiderstand der Kabelsensoren L_S3 und L_S2
C) Überprüfung der Kabellänge 3 und 2 (wenn kein Mantelfehler vorliegt) oder ggf. alternativ
D) Angabe der Fehlerortentfernung vom Kabelanfang bis zum Fehlerort für Kabel 3 und 2 (sofern ein Mantelfehler vorliegt)

Ein Vorteil des Messsystems nach beschriebenen Verfahren ist darin zu sehen, dass sowohl 1fach-, 2fach- als auch 3fach-Kabelsysteme mit dem gleichen Ver fahren und Messegerät überwacht werden können.

Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich des weiteren daraus, dass das Messsystem selbst im 3fach-Kabelsystem beliebige Kabellängen zulässt. Dies ist vergleichs weise beim 3phasigen Messverfahren nach Fig. 1 nicht möglich, da in der Feh lerortgleichung nur eine Kabellänge ausgewiesen ist. Unterscheiden sich die drei Kabellängen, was in der Praxis aufgrund unterschiedlicher Kabelkurven immer gegeben ist, so kann eine Kabelortung nicht genauer werden, als die Kabellän gen differieren. Besteht z. B. ein Längenunterschied von 30 m, so ist beim Verfah ren nach Fig. 1 von vornherein ein Ortungsfehler dieser Größenordnung gege ben. Messtechnisch gesehen wird das Drehstrom-3fach-Kabelsystem, da nach einander jeweils 2 Phasen gemessen werden, in zwei 2fach-Kabelsysteme auf geteilt, wobei die jeweils nicht angeschaltete Phase als Abschlusswiderstand des jeweiligen 2fach-Kabelsystems dient.

Das 3fach-Kabelsystem wirkt wie ein Drehstromtransformator, wobei die strom durchflossenen Phasen die Primärwicklungen und die Sensoradern L_S1, L_S2 und L_S3 die Sekundärwicklungen bilden, die am Kabelende in Sternschaltung ver knüpft sind. Am Kabelanfang treiben die drei Sensorphasen aufgrund der indu zierten Wechselspannung Strom in jeweils zwei angeschlossene Widerstände. Wie beim 2fach-Kabelsystem, bilden die Widerstände R_I1 und R_I2 mit C_I2 bzw. R_I3 und R_I2 mit C_I3 in Richtung Gleichstromgenerator einen Wechselspannungsteiler, wobei in umgekehrter Richtung für die Gleichstromspeisung der Sensorschleife die Spannungsabfälle an den Widerständen R_I1, R_I2 und R_I3 aufgrund der Kon stantstromspeisung ohne Bedeutung für die abzugreifenden Messspannungen U₁, U₂ und U₃ sind. Für die optimale Auslegung der Widerstände R_I1, R_I2 und R_I3, auf eine möglichst kleine Verlustleistung bezogen, gelten die gleichen Bedingun gen wie bereits beim 2fach-Kabelsystem beschrieben. Die Wechselstromfilter R_S1, C_S1 und R_S2, C_S2 zum Abgreifen der Messspannungen U₁ und U₂ bzw. R_S3, C_S3 und R_S2, C_S2 zum Abgreifen der Messspannungen U₃ und U₂ sind, wie beim 2fach- Kabelsystem beschrieben, hochohmig ausgelegt, so dass nur zu vernachlässi gende Wechselstromleistungen auftreten. Da es sich um ein Drehstromsystem handelt, wird außer den genannten Wechselspannungsteilern für die beiden ver knüpften Zweifach-Kabelsysteme noch ein dritter Teiler, bestehend aus R_I1 und R_I3 mit C_I2, benötigt, um auch die Wechselspannung zwischen den Phasen L_S1 und L_S3 und somit zwischen den Stromeinspeisepunkten I₁ und I₃ auf einen un gefährlichen Wert zu teilen. Die Sensorphasen L_S1, L_S2 und L_S3 sind über die Widerstände R_I1, R_I2 und R_I3 elektrisch gesehen in Sternschaltung verknüpft (wie das Kabelende), da die Kondensatoren C_I1, C_I2 und C_I3 für die Wechselspannung einen Kurzschluss darstellen und die Widerstände R_I1, R_I2 und R_I3 somit für die Wechselspannung zu einem Punkt verknüpft sind. Da bei Drehstromsystemen sich die Spannung im Sternpunkt auf Grund der Phasenlage zu Null addiert, sieht der speisende Gleichspannungs-Konstantstromgenerator parallel zu den Kon densatoren C_I1 bis C_I3 nur eine vernachlässigbare Rest-Wechselspannung.

Transienten-Schutzbeschaltung

Alle Schaltungsvarianten weisen gemäß Fig. 5, 6 und 7 Transienten-Schutzbe schaltungen auf, die zum Schutz des nachgeschalteten Messsystems angeord net sind. Die zuvor beschriebenen Wechselspannungsteiler sind für die auftre tenden Nennwechselspannungen des Hochspannungs-Kabelsystems ausgelegt. Treten Überspannungsstörungen durch Blitzschlag oder Kurzschluss-Ströme im Kabelsystem auf, so werden die auftretenden Spannungsspitzen über Transien ten-Ableiter zwischen den Phasen oder gegen Erde kurzgeschlossen. Transien ten-Ableiter zünden bei einer vorgegebenen Spannung und werden niederohmig. In Verbindung mit den Vorwiderständen R_I1 bis R_I3 und R_S1 bis R_S3 ergeben sich so extreme Spannungsteiler zum Schutz der nachgeschalteten Elektronik.

Zum Schutz der Sensoradern und der Kabelsysteme selbst sind weitere Schutz massnahmen erforderlich, die die hohen Leistungen, die im Sensordraht auftre ten können, unschädlich schalten. Diese Kabelschutzmassnahmen sind nicht beschrieben, müssen jedoch so ausgeführt sein, dass das Messsystem dadurch nicht beeinträchtigt wird, d. h. die Sensoradern L_S1, L_S2 und L_S3 müssen im Normal betrieb hochohmig gegen Erde sein und bei Störungen, also Überschreiten einer zulässigen Spannung auf den Sensoradern, niederohmig gegen Erde geschaltet werden, so dass der Sensordraht auf gleichem Potential mit dem Kabelmantel liegt.

Berücksichtigung der Messsignal-Zuleitungswiderstände

Das steuernde und auswertende Mantelfehler-Messgerät kann in der Praxis nicht direkt, sondern nur über Zuleitungskabel an den Anfang des zu messenden Kabelsystems angeschlossen werden. Da Zuleitungen zwischen einem Mess system und dem Kabelanfang ähnliche Querschnitte wie die Kabelsensoren auf weisen, würde dies praktisch einer Sensordrahtverlängerung gleichkommen und einen entsprechenden Messfehler in dieser Größenordnung bewirken. Beim Messverfahren nach dem Prinzip Fig. 3 und 4 in der Schaltungsauslegung nach Fig. 5, 6 und 7 wird die Messstromspeisung I₁, I₂ und I₃ so ausgeführt, dass auf den Zuleitungswiderständen zum Kabelanfang zwar Spannungen abfallen, dies jedoch belanglos ist, da aufgrund der Konstantstromspeisung die Ströme sich nicht ändern und somit auch die Messspannungen U₁, U₂ und U₃ davon nicht be einflusst werden.

Solange eine Konstantstromspeisung gewährleistet ist, können die Messstrom zuleitungen somit eine beliebige Länge aufweisen. Dies ist ein wesentlicher Vor teil des Messverfahrens, da der Anwender ansonsten die Widerstände erfassen und ins System einprogrammieren müsste, um damit eine Korrekturrechnung auszuführen, die wiederum nicht genau sein könnte, da die Temperaturabhän gigkeit der gesamten Zuleitung nicht präzise erfassbar ist. Die Messspannungs übertragung U₁, U₂ und U₃ wird bei den angegebenen Verfahren nach Fig. 5, 6 und 7 über separate stromlose Fühlleitungen S₁, S₂ und S₃ ausgeführt, die direkt an den Sensordrähten L_S1, L_S2 und L_S3 am Kabelanfang angeschlossen sind. Stromlose Leitungen, bezogen auf die Messgleichspannung, weisen trotz einge fügter Widerstände und Tiefpassfilter keine Gleichspannungsabfälle, sondern nur Wechselspannungsabfälle aufgrund der Tiefpassfilter auf. Hochohmige Messver stärker des Messsystems garantieren eine stromfreie Messspannungsübertra gung. Durch diese Maßnahme sind auch die Messleitungslängen S₁, S₂ und S₃ ohne Berücksichtigung in der Berechnungsgleichung beliebig ausführbar.

Kabel-Kanalmultiplexer

Der Kabel-Kanalmultiplexer ist Bestandteil des Messsystems und schaltet jeweils programmgesteuert ein Kabelsystem auf das Messgerät auf. Der Kabelkanal- Multiplexer ist gemäß Fig. 8 in Gruppen mit jeweils 4 Phasen ausgeführt. Die 4 Messstromphasen I₁, I₂, I₃ und I₄ können entweder mit I₁, I₂ und I₃, I₄ auf zwei un abhängige 2fach-Kabelsysteme oder mit I₁, I₂, I₃ auf ein 3fach-Kabelsystem ge schaltet werden, wobei die Phase I₄ mit der Phase I₂ gebrückt wird, so dass eine Verknüpfung von zwei 2fach-Messsystemen zu einem 3fach-Drehstromsystem erfolgt, bei dem nacheinander zunächst im ersten Schritt die Phasen I₁ und I₂ mit Kanalrelais 1 und im zweiten Schritt die Phasen I₃ und I₂ mit Kanalrelais 2 aufge schaltet werden. Der vierpoligen Messstrom-Zuleitungsausführung I₁ bis I₄ einer Gruppe sind ebenfalls vier Messspannungsphasen S₁ bis S₄ zugeordnet, deren Schaltung ebenso auf zwei 2fach- oder ein 3fach-Kabelsystem erfolgt. Beim Drehstrom-3fach-Kabelsystem werden zur Verknüpfung ebenfalls entsprechend die Phasen S₂ und S₄ gebrückt, so dass im ersten Schritt S₁ und S₂ mit Kanalre lais 1 und im zweiten Schritt S₃ und S₂ mit Kanalrelais 2 aufgeschaltet werden. Weitere Relaisgruppen mit jeweils zwei Kanalrelais können auf den vierpoligen Bus des Messsystems geschaltet werden. Wird der Multiplexer gemäß Fig. 8 z. B. für 10 Messkanäle ausgelegt, so können 10 zweipolige Kabelsysteme oder alternativ 5 dreipolige Kabelsysteme bzw. eine Mischung aus zwei- und dreipoli gen Systemen aufgeschaltet werden. Der Messbus führt 2 Leitungen B_I1/3 und B_I2/4 zur Speisung des Messkonstantstromes und 2 Messspannungs-Fühlleitungen B_S1/3 und B_S2/4 zur Übertragung der Messspannungen zum Messverstärker.

Die prinzipielle Zusammenschaltung des Kanalmultiplexers mit den weiteren Komponenten des Messsystems zeigt Fig. 9.

Thermosignal-Kompensation

Das Mantelfehlerortungssystem soll es ermöglichen, Undichtigkeiten im Kabel mantel auch bei Leitungslängen mit einigen Kilometern möglichst genau im Meterbereich auszumessen. Dies erfordert Auflösungen der Messsignale im µV- Bereich. Hier stellt sich das Problem, dass Zuleitungen und Sensorleitungen an Klemmen und sonstigen Verbindungsstellen Thermospannungen aufweisen, die bereits im mV-Bereich liegen, oder dass am Kabelmantel-Erdfehlerwiderstand R_E durch Wassereinwirkung galvanische Spannungselemente entstehen. Ohne be sondere Maßnahme führen Thermospannungen bei jedem Messsystem zu einem Messfehler und galvanische Spannungselemente am Erdübergangs-Widerstand R_E je nach Größe ggf. zur völligen Fehlmessung. Betrachtet man beispielhaft in Fig. 6 die Messspannung U₁, so fällt diese über der Länge 1 aufgrund der Kon stantstromrichtung als positive Spannung an, wobei die angenommene Element spannung an der Fehlerstelle sich gegenüber Erde dazuaddiert. Die Spannung U₁ wird somit durch die Elementspannung größer. Betrachtet man jetzt die Mess spannung U₂, so fällt diese über der Länge 2 aufgrund der entgegengesetzten Konstantstromrichtung (von U₂ aus gesehen) als negative Spannung an, so dass die positive Element spannung subtrahiert werden muss. Die Spannung U₂ wird somit durch die Ele mentspannung kleiner. Da die Messspannung U₁ größer und die Messspannung U₂ kleiner gemessen wird, entspricht das Spannungsverhältnis U₁ : U₂ nicht mehr dem Längenverhältnis Länge 1 : Länge 2. Aufgrund der unbekannten Element spannungen am Erdfehler kommt es somit ohne besondere Schaltungsmaß nahme zu einem Messfehler. Dieser Messfehler wird beim beschriebenen Mess verfahren gemäß Fig. 9 aufgrund der eingefügten Messspannungs-Umpolung 3 dadurch behoben, dass jede Messung sowohl mit einer positiven Quellspannung als auch mit einer negativen Quellspannung ausgeführt wird. Dies führt zu einer Umpolung der Konstantstromrichtung in der Sensorschleife und damit zu einer Polaritätsänderung von U₁ und U₂ gegenüber dem Erdpotential. Da die Polarität der Elementspannungen am Erdübergangswiderstand R_E durch die metallischen Elemente gegeben ist und sich somit nicht umkehrt, wird diesmal bei umgekehr ter Polarität von U₁ und U₂, U₁ kleiner und U₂ größer. Dies führt ebenfalls zu einer fehlerhaften Messung, wobei jedoch der Erdfehler gegenüber der ersten Messung und dem wirklichen Fehlerort in entgegensetzter Richtung fehlerhaft ist. Eine Mittelung des positiv und negativ falschen Messergebnisses führt zur Kom pensation der Elementspannung und somit zum korrekten Fehlerort. Durch Zweifach-Messung mit umgepolter Schleifenstromrichtung des Konstantstromge nerators werden somit auf gleiche Art auch Thermospannungsfehler beseitigt. Eine sofortige Mittelung der Messspannungen nach der

Ergebnisse eingesetzt in die Fehlerort-Verhältnisrechnung

ergibt direkt eine richtige Fehlerortangabe.

ist ein Drehstrom 3-fach-Kabelsystem zu messen, so wird im 2. Messschritt durch den Multiplexer Fig. 8 Sensorphase L3 und L2 aufgeschaltet.

In den vorstehenden Fehlerortungsgleichungen wird der Messwert U_{1 Mittel} durch U_{3 Mittel} ersetzt.

Aus prinzipiellen Gründen einer selbstständigen Messung der Sensorschleife L_S3 → L_S2, werden auch die Messwerte der Referenzphase L_S2 nochmals erfasst und eine eventuelle Fehlerortangabe sowohl vom Kabelanfang L_S3 als auch vom Kabelanfang L_S2 berechnet.

Ermittlung der genauen Phasenlängen im 3fach-Kabelsystem

Beim Drehstrom-3fach-Kabelsystem sind die Phasenlängen nicht zwangsläufig gleich lang, sondern in der Regel aufgrund unterschiedlicher Verlegeradien verschie den lang.

Für eine evtl. Fehlerortberechnung müssen die Phasenlängen der 3 Kabel im Mess system gespeichert sein, da die Kabellängen in die jeweilige Fehlerortgleichung ein gesetzt werden. Je präziser die Kabellängen vorliegen, um so genauer wird die Feh lerortung. Beim vorliegenden Messverfahren ist es möglich, mit nur einer Referenz phasenlänge, dessen Länge mechanisch genau ausgemessen werden muss, die Länge der beiden anderen Phasen elektrisch mit dem Messsystem zu ermitteln. Als Referenzphase wird vorzugsweise die mittlere Phasenlänge 2 genommen, da diese im Radienverlauf eine mittlere Länge zwischen dem kürzeren Innenradius und dem längeren Aussenradius der 3 parallel verlaufenden Phasen darstellt. Die Ermittlung der gesuchten Phasenlänge erfolgt nach der Beziehung

Die elektrische Ermittlung der beiden fehlenden Phasenlängen hat folgende Vorteile:

a) Weniger Aufwand als die manuelle mechanische Längenmessung.
b) Es gehen nicht 3 unbekannte Längenfehler, sondern nur 1 mechanischer Län genfehler der Referenz-Sensorphase ein, dessen prozentualer Fehler für alle Phasen gleich ist und somit eine höhere absolute Messgenauigkeit erreicht wird.
c) Die Kontrolllängenmessung der 3 Phasen durch das Messsystem ist erheblich besser reproduzierbar, da die kontrollierten Längen sonst von den mechanisch ermittelten einprogrammierten Längen immer um die unbekannten Messfehler abweichen würden.

Um die Längenmessung der unbekannten Kabellängen unabhängig von gegebenen Isolationswiderständen der Sensordrähte ausführen zu können, ist es erforderlich, den jeweiligen gemäß Fig. 8 freigeschalteten Anfang der 3. Sensorplatte direkt nie derohmig zu erden, da es ansonsten bei geringen Isolationswiderständen, die gleich mäßig über die Sensorlängen verteilt sind, zu Abweichungen der korrekten Kabellän ge kommt, da die Sensordrahtwiderstände durch die parallel geschalteten Isolations widerstände verfälscht werden. Es gilt hier die bereits genannte Voraussetzung, dass der Erdwiderstand am Kabelende um den Prozentsatz der gewünschten Messge nauigkeit kleiner sein muss, als der Isolationswiderstand der Sensordrähte.

Vorteilhaft ist bei der Erfindung u. ä., dass der Messstrom in einer Sensorphase nicht vom Fehlerwiderstand R_E beeinflussbar ist, weil wegen der potentialfreien Stromein speisung grundsätzlich kein Messstrom über einen auftretenden Fehlerwiderstand gegen Erde fließen kann und thermische Einflüsse keinen instabilen Zustand eines undefinierten Erdschluss-Übergangswiderstandes während einer Messung bewirken können. Ferner werden alle der Sensorschleife vorgeschalteten Widerstände und Leitungslängen inkl. der Sensorwiderstände selbst aus der Ortungsgleichung elimi niert, so daß Änderungen oder Schwankungen von deren Werten nicht zu Ver fälschungen führen oder kompensiert werden müssen, sondern die Spannung über der Sensorschleife konstant bleibt und damit sich nur das Verhältnis der am Anfang und Ende der Schleife gemessenen Teilspannungen - unabhängig von allen Zulei tungswidertänden - mit dem Fehlerort ändert.

Claims

1. Mantelfehlerortungsverfahren für Kabel, bei dem in eine Sensorader eines Kabels oder Kabelsystems ein Messstrom eingespeist wird und bei einem Kabelmantel fehler auftretende Messsignaländerungen ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet,

- dass eine die Sensorader einschließende Sensorschleife gebildet wird,
- dass in die Sensorschleife ein konstanter Messstrom erdfrei eingespeist wird,
- dass die dabei am Anfang und Ende der Sensorschleife gegenüber einem Bezugs potential (Erde) auftretenden Spannungen gemessen werden,
- und dass durch Bildung des Verhältnisses dieser Spannungen der Fehlerort be stimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess stromeinspeisung während einer Fehlerortung zur Messfehlerkompensation für Thermo spannungen an Klemmstellen der Zuleitung oder Sensorleitung sowie zur Kompensation einer Elementspannung am Erdübergangswiderstand (R_E) umgepolt wird und die Beträge der dabei auftretenden positiven und negativen Meßspannungen gemittelt werden.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass bei einem Einfach- und Zweifach-Kabelsystem zusätzliche Widerstände (R_I1 und R_I2) in den Messstromleitungen (I₁ und I₂) in Verbindung mit einem Kondensator (C_I) einen Wechselspannungsteiler bilden, wobei der Messgleichstrom parallel zum Konden sator (C_I), an dem fast keine Wechselspannung steht, da diese an den Widerständen (R_I1 und R_I2) abfällt, in die Sensordrahtschleife eingespeist wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass beim Drehstrom-Dreifach-Kabelsystem zusätzliche Widerstände (R_I1, R_I2, R_I3) in den Messstromleitungen (I₁, I₂ und I₃) in Verbindung mit Kondensatoren (C_I1, C_I2, C_I3') für den Wechselstrom eine elektrische Sternschaltung bilden, wobei die Kondensatoren (C_I1 bis C_I3) mit so niedriger Impedanz ausgelegt sind, dass diese für die Sensorwechsel spannung als Kurzschlussbrücke hinter den Widerständen (R_I1 bis R_I3) zu sehen sind, und wobei sich im Stempunkt die Drehstromphasenspannungen aufgrund der Phasenlage zu Null addieren, so dass parallel zu den Kondensatoren, an denen nur noch eine unschädli che Restwechselspannung steht, der Messgleichstrom in die gewählte Sensordrahtschleife eingespeist werden kann.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Messspannungen (U) vom Sensordraht am Kabelanfang über gleichstrom freie Fühlleitungen (S₁ und S₂ bzw. S₃ und S₂) über Filterwiderstände (R_S), die in Verbin dung mit den Kondensatoren (C_S) einen Wechselspannungsteiler bilden, dem Messsystem zugeführt werden und dass aufgrund der hohen Impedanz eines Messverstärkers die Fühlleitungen (S₁ bis S₃) eine beliebige Leitungslänge haben können.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass bei einem Drehstrom-Dreifach-Kabelsystem simultan jeweils zwei Sensorphasen gemessen werden, während die dritte Sensorphase am Kabelanfang freigeschaltet und am Kabelende mit den anderen Phasen verbunden einen Abschlusswiderstand (R_A) bildet, so dass auch bei fehlerfreien Kabelmänteln des Systems alle Phasen ohne künstlichen Ab schlusswiderstand auf ihre Kabellänge hin kontrollierbar sind.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Kabellängen ungleich lang sind, insbesondere auch bei Dreiphasen-Dreifach- Kabelsystemen die Kabellängen ohne Einschränkung der Messgenauigkeit beliebig lang sind.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine infolge der Konstantstromspeisung absolute Kurzschlussfestigkeit des Messsystems und durch eine konstante Verlustleistung aller Widerstände im Messkreis unabhängig von einem evtl. Sensorkurzschluss oder Erdschluss an beliebiger Stelle.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass jeweils zwei gemessene Spannungen erfasst werden, deren Verhältnis direkt dem Verhältnis der Kabellängen bis zum Fehlerort entspricht.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine solche Parameterauslegung, dass mit dem erfassten Messspannungspaar (U₁, U₂ und U₃, U₂) aufgrund der Konstantstromspeisung ohne Zusatzmessung unmittelbar der Schlei fenwiderstand zur Funktionskontrolle des Sensordrahtes vorliegt.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass beim Einfach-Kabelsystem, sowohl bei Mehrphasen- als auch beim Koaxialkabel im geschirmten Mantelbereich, sowohl ein feuchtigkeitssensibler Sensordraht als auch ein isolierter Rückleiter eingebettet ist, die am Kabelende zusammengeschaltet eine Mess schleife ergeben.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass bei vielpoligen Kabeln (z. B. Telefonkabel) ohne Sensordraht im Kabelmantel mit einem Adernpaar im Inneren, wovon vorzugsweise eine Ader als Sensordraht perforiert ist, überwacht werden können.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Multiplexer (Fig. 8) zur gemischten Aufschaltung und Messung von sowohl Einfach-, Zweifach- als auch Dreifach-Kabelsystemen unter Anwendung einer Fehlerortgleichung.

14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass bei einem Drehstrom-Dreifach-Kabelsystem mit nur einer bekannten Referenz- Phasenlänge die genauen Kabellängen der beiden anderen Phasen mit dem Messsystem selbst ermittelt werden, indem mit der bekannten Referenzphase jeweils mit einer weiteren unbekannten Phasenlänge eine Schleifenmessung ausgeführt wird, während über die dritte Phase ein Erdschluss auf das Kabelende geschaltet wird.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

- eine potentialfreie und ggf. stromrichtungsumschaltbare Konstantstromquelle (I_const) zur erdfreien Einspeisung eines konstanten Messstroms in eine unter Einschluss einer im Kabel enthaltenen Sensorader gebildeten Sensorschleife,
- an den Anfang und das Ende der Sensorschleife angeschlossene Spannungsmes ser zur Messung der dort aufgrund des Messstroms auftretenden Messspannungen (U₁, U₂ bzw. U₃, U₂),
- und durch einen Quotientenbildner, dem diese Messspannungen zugeführt werden zur Lieferung eines Ausgangswertes als Mass für die Entfernung der Fehlerstelle von der Messstromeinspeisungsstelle.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Filterschaltungen (R_I, C_I bzw. R_S, C_S), zur Unterdrückung von Wechselspannungen bei der Messstromeinspei sung bzw. bei der Messspannungsabnahme.