DE10060450C2 - Vorrichtung zur Messung von Potentialverteilungen im Erdreich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Potentialverteilungen im Erdreich, insbesondere eine Vorrichtung zur Überwachung einer an Erdreich angelegten Abdichtung auf Dichtheit, mit mindestens einem mehr­ adrigen Kabel, an dessen Adern jeweils mindestens ein am Erdreich angelegter, der Messung von Potentialvertei­ lungen dienender Sensor angeschlossen ist.

Membranartige Abdichtungen aus polymeren Werkstoffen erfüllen im Erd- und Tiefbau eine wichtige Funktion im Hinblick auf den Schutz der Umwelt vor unzulässigen Schadstoffeinträgen, z. B. aus Deponien, oder den Erhalt der Standfestigkeit von Bauwerken, z. B. von Staudämmen. Zur Sicherstellung der Dichtungsfunktionen werden derartige Abdichtungen zunehmend lebensdauerbegleitend durch meßtechnische Verfahren auf Dichtheit überwacht, so daß bei Bedarf Reparaturen zielgerichtet und zeitnah durchgeführt werden können.

Ein bekanntes Verfahren, das in der Praxis zunehmend angewendet wird, ist die Überwachung der Abdichtungen durch Messung der örtlichen Potentialverteilungen oberhalb oder unterhalb der Abdichtung. Die Überwachung ist dabei untrennbarer Teil des Sicherheitskonzeptes des Bauwerkes. Da ein solches Überwachungssystem ohne einen Rückbau des überwachten Bauwerks praktisch nicht reparierbar ist, sind an die Lebensdauer, Verfügbarkeit und Betriebssicherheit solcher Überwachungssysteme hohe Anforderungen zu stellen. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei der Schutz des Überwachungssystems vor den Einwirkungen unzulässig hoher Spannungen und Ströme, z. B. als Folge von Blitzeinschlägen in das Bauwerk. Hierbei ist zu beachten, daß beispielsweise in Deutschland mit ca. 2-3 Blitzeinschlägen pro Quadratkilometer und Jahr zu rechnen ist, so daß statistisch gesehen für eine ca. 100.000 m² große Deponie im Laufe der geplanten Lebens­ dauer von 30 Jahren 6-9 Blitzeinschläge zu erwarten sind.

Hierbei besteht das Problem, daß für die Messung der Potentialverteilungen erdfühlige Sensoren eingesetzt werden, die oft über mehrere hundert Meter lange Zuleitungen zu Meßpunkten geführt werden. Für eine Deponie mit einer Fläche von z. B. 100.000 m² werden bei einer Sensordichte von 1/25 m² dabei bis zu 4.000 Sensoren benötigt.

Kommt es zu einem Blitzeinschlag, z. B. in eine mit dem beschriebenen Verfahren überwachte Deponie, so entsteht im Bereich der Einschlagstelle eine sehr deutliche Potentialanhebung, die über die im Bereich der Einschlag­ stelle liegenden erdfühligen Sensoren auf die Zuleitungen eingekoppelt werden. Als Folge davon können sich auf den Sensorzuleitungen so hohe Längsspannungen ausbilden, daß die Durchschlagfestigkeit der Zuleitungsisolierungen überschritten und die Zuleitungsmäntel zerstört werden. Weiterhin kann induktiv oder kapazitiv durch Blitze ebenfalls eine so hohe Spannung in die Zuleitungen eingetragen werden, daß die Zuleitung zerstört wird.

In der Zeitschrift etz, Heft 7-8/1998, Seiten 76-83, ist ein Funktionsprinzip für Blitzstrom-Ableiter beschrieben, welches auf der Kühlung eines Funkenstrecken-Lichtbogens durch radiale und axiale Beblasung basiert. Das dazu benötigte Kühlgas wird aufgrund der Lichtbogeneinwirkung von einem die Funkenstrecke umgebenden Kunststoff abgegeben. Das freigesetzte Kühlgas strömt dabei radial von allen Seiten gegen den Lichtbogen und verengt so den Querschnitt der Bogensäule. Der reduzierte Querschnitt der Bogensäule führt zum Ansteigen des Lichtbogen- Widerstands und damit zur Erhöhung der Bogenspannung.

Die DE 195 03 237 C2 beschreibt eine mehrpolige Anordnung von Überspannungsschutzelementen in elektrischen Mehr­ leitersystemen in der Niederspannungsversorgung. Die Überspannungsschutzelemente sind dabei in Leitungszweigen zwischen jedem aktiven Phasenleiter und der Erde, sowie dem Neutralleiter und der Erde vorgesehen, wobei im Ableitfall der ein Überspannungsschutzelement aufweisende Leitungszweig des Neutralleiters einen geringeren Widerstand als jeweils ein ein Überspannungsschutzelement aufweisender Leitungszweig der Phasenleitungen besitzt.

Die DE 296 13 325 U1 beschreibt einen Überspannungs­ ableiter für Hoch- oder Mittelspannung, an dessen Gehäuse ein zerstörbarer Bereich mit einem Leiter vorgesehen ist, der bei einer Zerstörung unterbrechbar ist. Der Über­ spannungsableiter weist somit Signalmittel auf, die im Fehlerfall eine Signalisierung des Fehlerzustandes erlauben. Eine Vorortbesichtigung des Überspannungs­ ableiters ist somit nicht mehr zwingend notwendig.

Die DE 39 37 445 A1 beschreibt eine elektrische Schutz­ vorrichtung mit mehreren elektrischen Leitern, die über spannungsabhängige Schaltmittel beim Auftreten von Über­ spannungen mit Masse verbindbar sind. Die Leiter sind jeweils über einen ersten Stromgleichrichter mit einer ersten elektrischen Ebene und über einen zweiten Strom­ gleichrichter mit einer zweiten elektrischen Ebene verbunden. Die der ersten elektrischen Ebene zugeordneten Stromgleichrichter sind alle in gleicher Richtung geschaltet, während die der zweiten Ebene zugeordneten Stromgleichrichter ebenfalls alle in gleicher Richtung, jedoch entgegen derjenigen der ersten Stromgleichrichter geschaltet sind. Ferner sind zwischen Masse und der ersten und zweiten elektrischen Ebene jeweils spannungs­ abhängige Schaltmittel geschaltet, die beim Auftreten von Überspannungen positiver bzw. negativer Polarität ansprechen. Die Schutzvorrichtung dient dazu, Beschädi­ gungen an elektrischen Einrichtungen zu verhindern, welche beispielsweise durch Blitzschlag entstehen können.

Die DE-PS 495 440 offenbart eine Überspannungsschutz­ einrichtung zum Schutz von Leitungen gegen Überspan­ nungen. Dabei sind an der zu überwachenden Leitung an einer oder mehreren Stellen andere Leiter angeschlossen, deren elektrische Eigenschaften (ohmscher Widerstand, Induktivität, Kapazität) so gewählt sind, und die räumlich dem Hauptleiter gegenüber so angeordnet sind, daß beim Auftreten von Überspannungen sich solche Spannungsunterschiede zwischen benachbarten Teilen der Leitungen ausbilden, daß das Auftreten von Korona­ verlusten begünstigt wird.

Die DE 94 22 171 U1 offenbart eine Überspannungsschutz- Steckverbindung, die eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einem hohlen, zylindrischen Körper mit gegenüber­ liegenden Enden, einen Koaxialkabel-Steckverbinderanschluß und einen Kabelbefestigungsanschluß umfaßt. Der Koaxialkabel-Steckverbinderanschluß erstreckt sich dabei von einem der gegenüberliegenden Enden des hohlen, zylindrischen Körpers und ist so konstruiert und angeordnet, daß er abnehmbar mit einer paarigen Koaxialkabel-Steckverbindung am Ende eines ersten Koaxialkabels verbunden werden kann. Der Kabelbefestigungsanschluss erstreckt sich von dem anderen Ende der gegenüberliegenden Enden des hohlen, zylindrischen Körpers und ist derart konstruiert und angeordnet, daß er direkt an einem vorbereiteten Ende eines zweiten Koaxialkabels ohne einen weiteren Ko­ axialkabel-Steckverbinderanschluß befestigt werden kann.

Die DE 197 25 611 A1 offenbart schließlich ein Über­ wachungsgerät für ein Kabel mit einem Kabelanfang und einem Kabelende, wobei das Kabel einen eine Betriebs­ spannung führenden elektrischen Leiter, eine den Leiter umgebende innere Isolationsschicht mit einem Innen­ widerstand, eine die innere Isolationsschicht umgebende Schirmung sowie eine die Schirmung umgebende äußere Isolationsschicht mit einem Außenwiderstand aufweist. Ferner weist dieses Überwachungsgerät einen Leiter­ anschluß für den Leiter, einen Schirmanschluß für die Schirmung und einen Erdanschluß für ein Erdpotential auf, wobei zwischen dem Leiteranschluß und dem Schirmanschluß ein Vorwiderstand angeordnet ist, zwischen dem Schirm­ anschluß und dem Erdanschluß eine Spannungsquelle angeordnet ist, durch die mindestens eine obere und eine untere Spannung abgehbar ist, und zwischen dem Schirm­ anschluß und der Spannungsquelle ein Strommesser angeordnet ist, durch den ein in der Schirmung fließender Schirmstrom meßbar ist. Die Spannungsquelle und der Strommesser sind dabei mit einer Kontrollschaltung verbunden, durch die aus der Betriebsspannung, der unteren Spannung, der oben Spannung, einem bei Abgabe der unteren Spannung fließenden unteren Schirmstrom und einem bei Abgabe der oberen Spannung fließenden oberen Schirm­ strom der Innenwiderstand und der Außenwiderstand ermittelbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die konstruktiv gegen die Einwirkung unzulässiger Spannungen geschützt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sensoren jeweils über ein bidirektional wirksames Überspannungsschutzelement mit einer dem Potentialaus­ gleich längs des mehradrigen Kabels dienenden Leitung verbunden sind, wobei die Überspannungsschutzelemente bei Überschreitung einer Ansprechspannung elektrisch leitend sind, so daß bei Einwirkung einer unzulässig hohen Spannung auf einen der Sensoren die Spannung über die Überspannungsschutzelemente und die dem Potentialaus­ gleich dienende Leitung auf einen oder mehrere benach­ barte Sensoren abgeleitet wird, während die Überspan­ nungsschutzelemente im normalen Meßbetrieb ohne Ein­ wirkung einer unzulässig hohen Spannung elektrisch isolierend wirken.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, daß die maximal wirkende Spannung zwischen Kabel und umgebendem Erdreich unabhängig vom Abstand zu einem geerdeten Anschlußpunkt und dem daraus resultierenden Stoßerdungswiderstand auf die Ansprechspannung der Überspannungsschutzelemente begrenzt wird.

Die Überspannungsschutzelemente können dabei vorzugsweise aus Gasüberspannungsableitern bestehen.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die dem Potential­ ausgleich längs des Kabels dienende Leitung aus einer elektrisch leitenden Kabelabschirmung besteht. Diese Ausgestaltung erweist sich als besonders kostengünstig, da die bei mehradrigen Erdkabeln übliche und dann bereits vorhandene Kabelabschirmung für die Ableitung einer unzulässig hohen Spannung mitgenutzt wird. Alternativ oder ergänzend kann die Ableitung der Spannung auch über eine zusätzliche Ader des mehradrigen Kabels erfolgen.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Abschnitt eines mehradrigen, geschirmten Erdkabels, dessen Mantel und Kabelabschirmung teilweise entfernt sind,

Fig. 2 den Kabelabschnitt gemäß Fig. 1, wobei eine Ader des Kabels aus dem Adernbündel herausgeführt und mit einem erdfühligen Sensor in Form einer Meßelektrode elektrisch verbunden ist, und wobei die entfernte Kabelabschirmung durch ein Käfigblech ersetzt ist, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Käfigblech gemäß Fig. 2 im abgewickelten Zustand.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens ein mehradriges Kabel auf, zum Beispiel ein mehradriges, geschirmtes Erdkabel nach VDE 0816. Ein Abschnitt eines solchen Kabels ist in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt. Das Kabel 1 ist jeweils in vorbestimmten Abständen, z. B. in Abständen von 5 m, mit Sensoren 2 in Form von Meßelektroden ausgestattet. Das Kabel 1 wird hierzu an der Anschlußstelle auf einer Länge von z. B. 80 mm abgemantelt und seine Abschirmung 3 auf einer Länge von z. B. 60 mm entfernt. Danach wird mindestens eine Ader 4 des Kabels 1 aus dem Adernbündel 5 herausgeführt und mit dem erdfühligen Sensor 2 elektrisch verbunden. Mit 6 ist der Kontakt zwischen der herausgeführten Ader 4 und dem Sensor 2 bezeichnet. Die entfernte Kabelabschirmung wird durch ein vorzugsweise aus Kupfer bestehendes Käfigblech 7 ersetzt, das auf die beiden freien Enden 8, 9 der Kabelabschirmung 3 elektrisch verbindend aufge­ krimpt wird, so daß die durchgehende Schirmung des Kabels 1 praktisch erhalten bleibt.

Wie in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, besteht das Käfigblech 7 aus zwei im wesentlichen parallel und beabstandet zueinander verlaufenden Blechstreifen 10, 11, die an ihren Enden durch dazu im wesentlichen senkrecht verlaufende Schenkelabschnitte 12, 13 miteinander einstückig verbunden sind. Die Schenkelabschnitte 12, 13 des Käfigblechs sind elektrisch leitend um die freigelegten Enden 8, 9 der Kabelabschirmung 3 gewickelt. Durch die durch die beiden Blechstreifen 10, 11 begrenzte Ausnehmung 14 hindurch ist die Ader 4 des Kabels 1 nach außen herausgeführt. Die Blechstreifen 10, 11 sind dabei so um das Adernbündel 5 des Kabels 1 herum angeordnet, daß das dort durch einen Stromfluß auf die Kabelab­ schirmung 3 induzierte Feld praktisch zu Null wird. An der Außenseite ist das Käfigblech 7 mit einer elektrisch nicht leitenden Kunststoffbeschichtung 15 versehen, die vorzugsweise aus einem oder mehreren Schrumpfschläuchen besteht und in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber nur zum Teil dargestellt ist. Die Kunststoffbeschichtung 15 umhüllt das Käfigblech 7 bzw. den Sensoranschluß derart, daß das Käfigblech 7 gegen das Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet und nach außen hin elektrisch isoliert ist.

Zur Realisierung des Blitzschutzes ist zwischen dem Sensoranschluß und dem Käfigblech 7 ein Schutzelement 16, z. B. ein Gasüberspannungsableiter angeordnet, durch das bei Einwirkung unzulässig hoher Spannungen auf den im Einbauzustand erdfühligen Sensor 2 die Spannung auf der Abschirmung 3 des Kabels 1 abgeleitet wird.

Wird das Kabel 1 nur am Anschlußpunkt geerdet, was dem bisherigen Stand der Technik entspricht, so besteht das Problem, daß die Ableitung der über den betroffenen Sensor auf die Kabelabschirmung 3 einwirkenden Überspannung nur dann sichergestellt ist, wenn der Abstand zwischen Erdungspunkt und dem der Überspannung ausgesetzten Sensor 2 gering ist. Bereits nach wenigen Metern ist der Stoßstromwiderstand der Abschirmung so hoch, daß eine ausreichende Ableitung der Überspannung nicht mehr gewährleistet ist. Das Kabel ist somit akut durch blitzbedingte Überspannungen gefährdet.

Um eine Ableitung einwirkender Überspannungen auch bei größeren Entfernungen zwischen den Sensoren 2 und dem geerdeten Anschlußpunkt sicherzustellen, ist vorgesehen, daß die in die Sensoranschlüsse integrierten Überspannungsschutzelemente 16 sich in beiden Richtungen elektrisch ableitend verhalten. Auf diese Weise wird zunächst die auf einen Sensor 2 einwirkende Überspannung auf die Kabelabschirmung 3 abgeleitet. Diese wiederum leitet die einwirkende Spannung auf die nächstgelegenen Sensoren ab, bei denen die Ansprechspannung des Über­ spannungsschutzelements 16 überschritten wird, indem die Überspannungsschutzelemente 16 in Gegenrichtung öffnen. Unabhängig vom Abstand zum Anschlußpunkt wird so sichergestellt, daß die entlang des Kabels 1 einwirkende Spannung stets auf die Ansprechspannung der verwendeten Schutzelemente 16 begrenzt wird. Ist diese Spannung klein im Verhältnis zur Spannungsfestigkeit des verwendeten Kabels 1, so ist das Kabel 1 über die gesamte Länge wirkungsvoll gegenüber Überspannungen aus Potentialanhebungen geschützt. Der Schutz gegenüber Überspannungen aus induktiven oder kapazitiven Einkopplungen funktioniert gleichermaßen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Messung von Potentialverteilungen im Erdreich, mit mindestens einem mehradrigen Kabel (1), an dessen Adern jeweils mindestens ein am Erdreich angelegter, der Messung von Potentialverteilungen dienender Sensor (2) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (2) jeweils über ein bidirektional wirksames Überspannungsschutzelement (16) mit einer dem Potentialausgleich längs des mehradrigen Kabels (1) dienenden Leitung verbunden sind, wobei die Überspannungsschutzelemente (16) bei Überschreitung einer Ansprechspannung elektrisch leitend sind, so daß bei Einwirkung einer unzulässig hohen Spannung auf einen der Sensoren (2) die Spannung über die Überspannungsschutzelemente (16) und die dem Potentialausgleich dienenden Leitung auf einen oder mehrere benachbarte Sensoren (2) abgeleitet wird, während die Überspannungsschutzelemente (16) im normalen Meßbetrieb ohne Einwirkung einer unzulässig hohen Spannung elektrisch isolierend wirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überspannungsschutzelemente (16) aus Gasüberspan­ nungsableitern bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Potentialausgleich längs des Kabels (1) dienende Leitung aus einer elektrisch leitenden Kabelab­ schirmung und/oder einer zusätzlichen elektrisch leitenden Ader besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Potentialausgleich dienende Leitung aus einer elektrisch leitenden Kabelabschirmung (3) besteht, die im Bereich des jeweiligen Sensoranschlusses unterbrochen und durch ein elektrisch leitfähiges Käfigblech (7) ersetzt ist, das mit den einander zugewandten Enden (8, 9) der Kabelabschirmung (3) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Überspannungsschutzelement (16) über das Käfigblech (7) mit der Kabelabschirmung (3) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterbrechungsstelle der Kabelabschirmung (3) mindestens zwei Blechstreifen (10, 11) so um die Adern (5) des Kabels (1) herum angeordnet sind, daß das dort durch einen Stromfluß auf die Kabelab­ schirmung (3) induzierte Feld praktisch zu Null wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Käfigblech (7) aus mindestens zwei im wesentlichen parallel und beabstandet zueinander verlaufenden Blechstreifen (10, 11) und diese miteinander verbindenden und hierzu im wesentlichen senkrecht verlaufenden Schenkelabschnitten (12, 13) besteht, wobei die Schenkelabschnitte (12, 13) um freigelegte Enden (8, 9) der mit einem Kunststoffmantel umman­ telten Kabelabschirmung (3) gewickelt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Käfigblech (7) aus Kupfer besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Käfigblech (7) mit einer elektrisch nicht leitenden Kunststoffbeschichtung (15) ummantelt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffbeschichtung (15) aus einem Schrumpf­ schlauch besteht.