DE102008013341A1

DE102008013341A1 - Device for detecting measured variables and high-voltage system

Info

Publication number: DE102008013341A1
Application number: DE200810013341
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. Koch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-10
Also published as: WO2009109507A3; WO2009109507A2

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen eines Leiters einer Hochspannungsanlage mit mindestens einem Sensor und eine Hochspannungsanlage mit einem Leiter und einem von dem Leiter zumindest teilweise beabstandeten und den Leiter umschließenden Gehäuse. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen eines Leiters einer Hochspannungsanlage mit mindestens einem Sensor zu schaffen, welcher bei der Messung der jeweiligen Messgröße nicht die oben genannten Nachteile aufweist. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den untergordneten Ansprüchen ausgeführt. Dadurch, dass der Sensor ein Nano- oder Mikrosensor ist und der mindestens eine Sensor auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, kann der Sensor besonders klein ausgebildet werden, was zum einen Verbesserungen bei der Anbringung des Sensors in Leiternähe mit sich bringt und zum anderen weit weniger Kosten verursacht, da die Sensoren nicht länger groß und mit hohen Materialkosten verbunden ausgebildet werden müssen.The invention relates to a device for detecting measured variables of a conductor of a high-voltage system having at least one sensor and a high-voltage system having a conductor and a housing at least partially spaced from the conductor and enclosing the conductor. The object of the present invention is to provide a device for detecting measured variables of a conductor of a high-voltage system having at least one sensor which does not have the abovementioned disadvantages when measuring the respective measured variable. The object is achieved by a device for detecting measured variables with the features of claim 1. Advantageous developments are set forth in the subordinate claims. The fact that the sensor is a nano- or micro-sensor and the at least one sensor is arranged on a semiconductor substrate, the sensor can be made particularly small, which on the one hand brings improvements in mounting the sensor near the ladder and on the other hand far less cost caused because the sensors no longer have to be made large and associated with high material costs.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen eines Leiters einer Hochspannungsanlage mit mindestens einem Sensor und eine Hochspannungsanlage mit einem Leiter und einem von dem Leiter zumindest teilweise beabstandeten und den Leiter umschließenden Gehäuse.object The invention relates to a device for detecting measured variables a conductor of a high voltage system with at least one sensor and a high voltage system with a conductor and one of the Head at least partially spaced and the conductor enclosing Casing.

Die Überwachung von Hochspannungsanlagen ist von großer Bedeutung für die Lebensdauer und die Wirtschaftlichkeit einer derartigen Anlage. Bei der Überwachung wird insbesondere darauf geachtet, dass sich der Zustand des Leiters einer Hochspannungsanlage bzw. der Zustand eines Schalters innerhalb einer Hochspannungsanlage im Rahmen von vorab festgelegten Intervallen bewegt. Der Zustand des Leiters wird dabei über Messgrößen wie Spannung, Strom, Temperatur, Druck, Teilentladungen sowie im Falle von Schaltanlagen auch der Position des Schalters bestimmt.The supervision of high voltage equipment is of great importance for the life and economy of such a system. at In particular, care is taken to ensure that the state of the conductor of a high voltage system or the Condition of a switch within a high voltage system under moves at pre-determined intervals. The state of the conductor is about measured quantities such as voltage, current, Temperature, pressure, partial discharges as well as in the case of switchgear also determines the position of the switch.

Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren bekannt, mit welchen sich die verschiedenen vorab genannten Messgrößen messen lassen. So wird beispielsweise bei Freiluftschaltanlagen oder in gasisolierten Schaltanlagen eine Spannungsmessung mit induktiven oder kapazitiven Spannungswandlern oder durch Windungen von optischen Leitungen unter Nutzung des Faradayeffekts durchgeführt. Dabei werden bei den induktiven oder kapazitiven Spannungswandlern die Leiter direkt kontaktiert.in the The prior art discloses a large number of sensors with which the various aforementioned quantities can be measured. This is the case with outdoor switchgear, for example or in gas-insulated switchgear a voltage measurement with inductive or capacitive voltage transformers or by turns of optical Lines performed using the Faraday effect. In the case of inductive or capacitive voltage transformers contacted the ladder directly.

Bei direkter Kontaktierung werden die induktiven Spannungswandler mit einer Primärwicklung und einer Spule für die Sekundärwicklung, bei einem kapazitiven Teiler zwei Kondensatoren genutzt, wobei ein Kondensator mit einer Hochspannung verbunden ist und der zweite einen Niederspannungsteil für die zu messende Spannung bildet.at Direct contact with the inductive voltage transformers a primary winding and a coil for the secondary winding, used in a capacitive divider two capacitors, with a Capacitor connected to a high voltage and the second a low voltage part for the voltage to be measured forms.

Bei den Windungen von optischen Leitungen müssen diese Leitungen um das oftmals vorhandene Gehäuse des Leiters herumgeführt werden. Dabei muss das Gehäuse elektromagnetisch durchgängig sein.at The turns of optical lines need these lines around the often existing housing of the conductor led around become. The housing must be electromagnetically continuous.

Die bisherigen Spannungswandler haben vor allem den Nachteil, dass sie sehr groß und damit teuer sind. Ein wesentlicher Anteil einer gasisolierten Schaltanlage ist für Spannungswandlermodule erforderlich. Dies betrifft zum einen die grundsätzlichen Kosten der Spannungswandler, jedoch auch die aufgrund der baulichen Größe der Spannungswandler erforderliche Baugröße und damit verbundenen zusätzlichen Kosten der gesamten Schaltanlage. Kapazitive und optische Spannungswandler erfordern zusätzlich aufwendige Elektronik zur Messsignalaufbereitung und Korrektur.The Previous voltage converters have the disadvantage that they very big and therefore expensive. A substantial proportion A gas-insulated switchgear is for voltage transformer modules required. On the one hand, this concerns the basic costs the voltage transformer, but also due to the structural size the voltage transformer required size and associated additional costs of the entire switchgear. Capacitive and optical voltage transformers require additional sophisticated electronics for measuring signal conditioning and correction.

Bei der Strommessung wird heute der Leiterstrom durch Ringkernstromwandler oder durch eisenfreie Rogowski-Spulen gemessen. Auch ist eine Strommessung durch Spulen bzw. Windungen mit optischen Leitern unter Nutzung eines Polarisations- bzw. Faradayeffekts möglich. Bei allen Systemen ist eine um den Leiter geführte Spule erforderlich, die auf Isolierabstand liegt und dadurch große Ausmaße hat. Bei der Verwendung von Ringkernwandlern wird ein ausreichend großes Ausgangssignal erzeugt, so dass keine elektronische Verstärkung erforderlich ist. Jedoch ist durch die Hysterese der Spulenkerne der Messbereich eingeschränkt, und in der Regel sind mehrere Spulen erforderlich. Zudem erfordern eisenfreie Rogowski-Spulen und optische Wandler eine aufwendige Elektro nik zur Signalverstärkung und Korrektur. Weiterhin sind den Lösungen zur Strommessung im Stand der Technik die Probleme der Spannungsmessung gemein, d. h. die Lösungen sind teuer und erfordern viel Platz und insbesondere eine erhöhte Anforderung an die Mess- und Schutzkerne.at The current measurement is today the conductor current through toroidal core current transformer or measured by iron-free Rogowski coils. Also is a current measurement by coils or windings with optical conductors under use of a polarization or Faraday effect possible. At all Systems require a coil guided around the conductor, which is at insulation distance and thus has large dimensions. When using toroidal transducers is a sufficiently large Output signal generated, so no electronic amplification is required. However, due to the hysteresis of the coil cores the measuring range is limited, and usually several Coils required. In addition, iron-free Rogowski coils require and optical converters a complex electro-technology for signal amplification and correction. Furthermore, the solutions for current measurement in the prior art, the problems of voltage measurement in common, d. H. The solutions are expensive and require a lot of space and space in particular an increased demand on the measuring and Protection cores.

Für gewöhnlich wird im Stand der Technik die Temperatur in Hochspannungsanlagen nicht gemessen. Die Auslegung von Hochspannungsanlagen bzw. Hochspannungsschaltanlagen ist derart gestaltet, dass der thermisch kritische Bereich für den Bemessungsstrom ausgelegt ist. Diese Auslegung wird in Typprüfungen als Erwärmungsprüfung messtechnisch nachgewiesen, so dass die erlaubten maximalen Temperaturen nicht erreicht werden. Dies ist jedoch lediglich ein statischer Nachweis. In der Praxis werden Hochspannungsanlagen von daher nicht oberhalb des in der Erwärmungsprüfung nachgewiesenen Bemessungsstroms betrieben, obwohl eine dynamische zeitlich begrenzte Überbelastung aufgrund der thermischen Zeitkonstante möglich wäre, ohne Grenztemperaturen zu überschreiten. Von daher werden Hochspannungsanlagen nicht bis zur dynamischen, thermischen Grenzbelastung genutzt. Dies führt dazu, dass bei einem Ausfall von Teilen des Hochspannungsnetzes keine höhere Belastung auf die verbliebenen Teile umgeschichtet werden kann.For Usually, in the prior art, the temperature in High voltage equipment not measured. The design of high-voltage systems or High-voltage switchgear is designed such that the thermal critical range is designed for the rated current. This design is used in type tests as a heating test metrologically proven so that the maximum allowable temperatures can not be reached. However, this is just a static one Proof. In practice, high voltage systems are therefore not above of the rated current detected in the heating test operated, although a dynamic temporary overload due to the thermal time constant would be possible without Exceed limit temperatures. That's why high-voltage systems are used not used up to the dynamic, thermal limit load. This causes a failure of parts of the high voltage network no higher load on the remaining parts redeployed can be.

Im Stand der Technik werden Drücke in Hochspannungsanlagen durch mechanische Manometer gemessen. Durch die Temperaturkompensation zwischen einem Isoliergas in einer Hochspannungsschaltanlage und der Umgebungstemperatur wird die Dichte angezeigt. Die Dichte ist die maßgebende Größe für die elektrische Funktionalität der Hochspannungsschaltanlage. Bei Druckverlust werden mechanische Kontakte betätigt, die ein Signal zur Warnung des bevorstehenden Gasverlusts und der Verriegelung der Leistungsschalterschaltung abgeben. Bei einer derartigen Messung des Drucks gibt der temperaturkompensierte Dichtewächter nur drei Zustände statisch wieder: Fülldruck, bevorstehenden Gasverlust und Verriegelung. Ein dynamischer Betrieb der Hochspannungsanlage ist hiermit nicht möglich.In the prior art, pressures in high voltage systems are measured by mechanical pressure gauges. Temperature compensation between an insulating gas in a high-voltage switchgear and the ambient temperature indicates the density. The density is the decisive factor for the electrical functionality of the high-voltage switchgear. In the event of pressure loss, mechanical contacts are actuated, which emit a signal for warning of the imminent gas loss and the interlocking of the circuit breaker circuit. In such a measurement of the pressure, the temperature-compensated density monitor only statically reproduces three states: filling pressure, imminent gas loss and locking. A dynamic Be operation of the high voltage system is not possible hereby.

Im Stand der Technik werden die Positionen von Schaltkontakten über Endkontakte erfasst und als Schalterstellungserkennung in die Leittechnik eingespeist. Die korrekte Erkennung der Schalterstellung von Leistungsschalter, Trenn- und Erdungsschalter ist wesentlich für das sichere Betreiben von Schaltanlagen und unabdingbarer Bestandteil der Personensicherheit. Gemessen und wiedergegeben werden die gesicherten Endpositionen der Schaltgeräte, d. h. Schalter geöffnet und Schalter geschlossen. Die sichere Schalterstellungserkennung erfordert einen erheblichen mechanischen Aufwand. Trotz sichergestellten Zustands einer kinematischen Kette, wie sie oft zur mechanischen Absicherung angewandt wird, wird die Schalterstellung nur indirekt über mechanische Kontakte und dazugehörige Gestänge ermittelt. Die optische Erfassung über Videosysteme ist eine manuelle Erfassung und nicht direkt in die leittechnische Verriegelung der Schalthandlungen eingebunden.in the State of the art, the positions of switching contacts over End contacts detected and as a switch position detection in the control system fed. Correct detection of switch position of circuit breaker, Isolation and earthing switch is essential for the safe Operating switchgear and indispensable part of personal safety. The secured end positions are measured and reproduced the switching devices, d. H. Switch open and Switch closed. The safe switch position detection requires a considerable mechanical effort. Despite seized state a kinematic chain, as often used for mechanical protection is applied, the switch position is only indirectly via mechanical Contacts and associated linkage determined. The optical detection via video systems is a manual one Detection and not directly into the process control interlocking Switching operations involved.

Im Falle von Teilentladungsmessungen an Hochspannungsanlagen wird entweder ein kapazitiver Teiler genutzt oder eine Hochfrequenzantenne von Empfang von Signalen im oberen Megahertz- oder Gigahertzbereich angewendet. Die erforderlichen kapazitiven Spannungsteiler bzw. Hochfrequenzantennen sind relativ groß und teuer. Zudem werden die Teilentladungsmessungen heute in der Regel lediglich im oberen Hochspannungsbereich von 300 kV bis 500 kV und nur während der Inbetriebsetzung gemessen. Eine spätere Messung der Teilentladungen erfordert eine erneute Bereitstellung der Messgeräte, was mit großem Aufwand verbunden ist.in the The case of partial discharge measurements on high-voltage systems is either a capacitive divider or a high frequency antenna used by Receiving signals in the upper megahertz or gigahertz range applied. The required capacitive voltage divider or Radio frequency antennas are relatively large and expensive. In addition, will be the Teilentladungsmessungen today usually only in the upper High voltage range from 300 kV to 500 kV and only during Commissioning measured. A later measurement of the partial discharges requires a re-deployment of the gauges, what associated with great effort.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen eines Leiters einer Hochspannungsanlage mit mindestens einem Sensor zu schaffen, welcher bei der Messung der jeweiligen Messgröße nicht die oben genannten Nachteile aufweist. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den untergeordneten Ansprüchen ausgeführt.The Object of the present invention is to provide a device for Acquisition of measured quantities of a conductor of a high-voltage system with at least one sensor to create, which in the measurement the respective measured variable not the above Disadvantages. The task is solved by a Device for detecting measured variables with the Features of claim 1. Advantageous developments are in according to the subordinate claims.

Dadurch, dass der Sensor ein Nano- oder Mikrosensor ist und der mindestens eine Sensor auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, kann der Sensor besonders klein ausgebildet werden, was zum einen Verbesserungen bei der Anbringung des Sensors in Leiternähe mit sich bringt und zum anderen weit weniger Kosten verursacht, da die Sensoren nicht länger groß und mit hohen Materialkosten verbunden ausgebildet werden müssen. Weiterhin wird es möglich, neue Messprinzipien anzuwenden, wie sie zwar bereits bei Nano- und Mikrosensoren allgemein bekannt sind, jedoch noch nicht in Verbindung mit Hochspannungsanlagen verwendet wurden.Thereby, that the sensor is a nano or micro sensor and at least a sensor is arranged on a semiconductor substrate, the sensor be made particularly small, resulting in an improvement brings with the attachment of the sensor near the ladder and on the other hand far less cost, since the sensors are not longer and associated with high material costs must be trained. Furthermore, it becomes possible apply new measuring principles, as they already have in nano and Microsensors are well known, but not yet associated with High voltage systems were used.

Aufgrund der einfachen Herstellungsverfahren derartiger Nano- oder Mikrosensoren werden auch einfachere Änderungen der Messprotokolle bei laufendem Betrieb der Hochspannungsanlage möglich. Weiterhin lässt sich bei einer gasisolierten Schaltanlage oder einer gasisolierten Hochspannungsübertragungsleitung ein besserer gasdichter Abschluss der Anlage bzw. des Leiters herstellen, da die Sensoren nicht länger mit dem Leiter in Berührung sein müssen, sondern lediglich im Umfeld des Leiters befindlich sein müssen, um die zu messenden Messgrößen zu erfassen.by virtue of the simple manufacturing process of such nano- or microsensors also simpler changes of the measurement protocols are ongoing Operation of the high voltage system possible. Continue lets in a gas-insulated switchgear or a gas-insulated switchgear High voltage transmission line a better gastight seal the plant or the conductor, since the sensors no longer need to be in touch with the conductor, but only have to be in the environment of the leader, to record the measurands to be measured.

Weiterhin wird durch die zumindest teilweise Erdung des Halbleitersubstrats bewirkt, dass aufwendige Mechanismen zum Schutz der Sensoren vor der Hochspannung bzw. den Starkströmen nicht länger nötig sind. Dies vereinfacht die Sensorik auf vielfältige Art und Weise. Des Weiteren sind die Verluste bei der Messung von Messgrößen, insbesondere bei einer Spannungs- oder Strommessung, nicht länger beachtlich, da der Sensor sich zwar im Umfeld des Leiters befindet, diesen jedoch nicht berührt.Farther is due to the at least partial grounding of the semiconductor substrate causes elaborate mechanisms to protect the sensors the high voltage or the high currents no longer are necessary. This simplifies the sensors to a variety Way. Furthermore, the losses in the measurement of Measured quantities, in particular at a voltage or current measurement, no longer significant, since the sensor Although it is in the environment of the leader, but this does not affect.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist das Halbleitersubstrat mit einem geerdeten Gehäuse einer Hochspannungsanlage verbunden. Auf diese Weise kann das den Leiter umgebende Gehäuse gasdicht abgeschlossen werden und der Sensor im Inneren des Gehäuses zwischen dem Leiter und dem Gehäuse angeordnet werden. Dabei können die durch den Sensor erfassten Messwerte der Messgröße über das geerdete Halbleitersubstrat nach außen geleitet werden und dort an einer Datenverarbeitungsanlage bearbeitet werden.In An embodiment of the device is the semiconductor substrate connected to a grounded housing of a high voltage system. In this way, the housing surrounding the conductor gas-tight be completed and the sensor inside the case be arranged between the conductor and the housing. The measured values recorded by the sensor can be determined by the Measured variable across the grounded semiconductor substrate be routed to the outside and there at a data processing system to be edited.

Obwohl das Halbleitersubstrat geerdet ist, kann der Sensor derart in den Raum zwischen dem Gehäuse und dem Leiter eingreifen, dass die zu messenden Größen zumindest durch den Sensor erfasst werden können.Even though the semiconductor substrate is grounded, the sensor can in the Space between the housing and the conductor engage that the quantities to be measured at least by the sensor can be detected.

Eine weitere Variante der Vorrichtung sieht vor, dass der mindestens eine Sensor mit einer Schaltungslogik verbunden ist, wobei die Schaltungslogik auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich eine höhere Integration von Schaltelementen auf der Vorrichtung anordnen. So kann eine mithilfe des mindestens einen Sensors gewonnene Messwertreihe einer Messgröße durch logische Schaltelemente, welche beispielsweise durch TTL-Bausteile aufgebracht sind, noch auf dem Halbleitersubstrat weiterverarbeitet werden. Von daher lässt sich eine verbesserte Datenintegration erreichen.A Another variant of the device provides that the at least a sensor is connected to a circuit logic, the circuit logic is arranged on the semiconductor substrate. That way there is a higher integration of switching elements on the Arrange device. So one can use the at least one Sensors obtained measured value series of a measured variable by logical switching elements, which for example by TTL components are applied, still processed on the semiconductor substrate become. Therefore, an improved data integration can be achieved to reach.

In einer weiteren Variante ist dem mindestens einen Sensor eine Vorrichtung zur Signalaufbereitung zugeordnet, wobei die Vorrichtung auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Die durch den mindestens einen Sensor aufgenommene Messgröße wird direkt auf dem Halbleitersubstrat aufbereitet. Dies hat eine höhere Datenintegration zur Folge und trägt dazu bei, dass die Daten nicht länger außerhalb des Leiters der Hochspannungsanlage ausgewertet werden müssen. Dabei ist es sinnvoll, die Vorrichtung zur Signalaufbereitung dahingehend zu gestalten, dass diese analoge wie digitale Werte verarbeiten kann.In In a further variant, the at least one sensor is a device assigned to the signal processing, wherein the device on the semiconductor substrate is arranged. The recorded by the at least one sensor Measured variable is directly on the semiconductor substrate edited. This has a higher data integration for Consequence and helps to ensure that the data no longer be evaluated outside the head of the high voltage system have to. It makes sense, the device for signal processing to make sure that these analog as well as digital values can handle.

In einer weiteren Variante ist dem mindestens einen Sensor ein Digitalisierer zugeordnet, wobei der Digitalisierer auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Die durch den Sensor gewonnene Messgröße liegt zunächst in analoger Form vor. Mithilfe eines Digitalisierers oder eines Analog/Digitalwandlers wird der analoge Messwert in ein digitales ”Wort” mit einer vorab festgelegten Bitlänge umgewandelt und kann so mit gängigen Datenverarbeitungsmethoden analysiert werden.In In another variant, the at least one sensor is a digitizer associated with the digitizer on the semiconductor substrate is arranged. The measured value obtained by the sensor initially exists in analogous form. Using a digitizer or an analog / digital converter, the analog measured value is entered digital "word" with a predetermined Bit length converted and can so with usual Data processing methods are analyzed.

In einer weiteren Variante ist dem mindestens einen Sensor ein Identifizierer zugeordnet, wobei der Identifizierer auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Mithilfe des Identifizierers wird dem mindestens einen Sensor eine eindeutige Kennung zugeordnet, welche bei einer späteren Datenverarbeitung von großem Nutzen ist, insbesondere bei einer Vielzahl von vorhandenen Sensoren. Dies erleichtert den Zugriff und die Zuordnung der Messwerte durch eine zentrale Datenaufbereitung. Der Identifizierer ist vorteilhafterweise als Teil einer Schaltungslogik aufgebracht.In In another variant, the at least one sensor is an identifier associated with the identifier on the semiconductor substrate is arranged. With the help of the identifier at least a sensor associated with a unique identifier, which at a later data processing is of great benefit, especially with a variety of existing sensors. This facilitates the Access and the assignment of measured values through central data processing. The identifier is advantageously part of a circuit logic applied.

In einer weiteren Variante ist der mindestens eine Sensor mit einer digitalen Schnittstelle verbunden, wobei die digitale Schnittstelle auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Über die digitale Schnittstelle können anhand von festgelegten Protokollen die Messwerte entweder in digitaler Rohform oder in bereits aufbereiteter digitaler Form an eine zentrale Datenverarbeitung weitergegeben werden. Dies erhöht die Datenintegration und ist mit gängigen Methoden und Schaltelementen einfach durchzuführen. Als Protokollstrukturen für die digitale Schnittstelle sind beispielsweise Protokolle nach der Norm IEC 61850 geeignet.In a further variant, the at least one sensor is connected to a digital interface, wherein the digital interface is arranged on the semiconductor substrate. The measured values can be passed on to the central data processing in digital raw form or in already processed digital form via the digital interface on the basis of specified protocols. This increases the data integration and is easy to perform with common methods and switching elements. Examples of protocol structures for the digital interface are protocols according to the standard IEC 61850 suitable.

In einer weiteren Variante ist der mindestens eine Sensor über Drahtbonden ansprechbar und wird mit einer Betriebsspannung versorgt. Dabei ist das Halbleitersubstrat mit Drahtbunden verbunden und kann über Strukturierungen des Halbleitersubstrats den mindestens einen Sensor ansprechen und mit einer Betriebsspannung versorgen.In In another variant, the at least one sensor is over Wire bonding can be addressed and is supplied with an operating voltage. In this case, the semiconductor substrate is connected to wire ties and can over Structuring the semiconductor substrate the at least one sensor respond and supply with an operating voltage.

Alternativ hierzu bzw. damit kombinierbar ist der mindestens eine Sensor über ein Funksignal ansprechbar und wird über das Funksignal mit einer Betriebsspannung versorgt. Alternativ kann das Funksignal lediglich den Sensor ansprechen oder ihn lediglich mit einer Betriebsspannung versorgen. Hierbei ist ”ansprechbar” dahingehend zu verstehen, dass ein Datenaustausch stattfindet.alternative For this purpose or can be combined with the at least one sensor via a radio signal can be addressed and is transmitted via the radio signal supplied with an operating voltage. Alternatively, the radio signal only respond to the sensor or only with an operating voltage supply. Here is "responsive" to that effect to understand that a data exchange takes place.

In einer Variante der Vorrichtung ist der mindestens eine Sensor zum Bestimmen einer Messgröße in einer Hochspannungsanlage bestimmt, wobei die Messgröße ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld, eine Temperatur, ein Druck, eine Position, eine Teilentladung oder eine Kombination dieser Messgrößen ist. Bei den vorab aufgezählten Messgrößen handelt es sich um die gängigen in einer Hochspannungsanlage zu messen den Kenngrößen. Mithilfe des Nano- und Mikrosensors kann eine der Messgrößen mithilfe einer Variante einer Vielzahl von Messprinzipien ermittelt werden. Einige Beispiele sind in den Ausführungsbeispielen gegeben.In a variant of the device is the at least one sensor for Determining a measurand in a high voltage system determined, wherein the measured variable is an electrical Field, a magnetic field, a temperature, a pressure, a position, a partial discharge or a combination of these measurands is. For the previously listed quantities These are the common ones in a high voltage system to measure the characteristics. Using the nano and Microsensors can use one of the measurands a variant of a variety of measurement principles are determined. Some examples are given in the embodiments.

In einer weiteren Variante weist das Halbleitersubstrat mindestens zwei, vorzugsweise drei bis fünfundzwanzig Sensoren auf. Aufgrund der geringen Größe der Sensoren und des Halbleitersubstrats kann eine Vielzahl von Sensoren auf dem Halbleitersubstrat angeordnet werden. Dabei können Sensoren beispielsweise unterschiedliche Messbereiche einer einzelnen Messgröße ermitteln und/oder verschiedene Messgrößen bestimmen. Auch kann die Schaltintegration der Vorrichtung erhöht werden.In In a further variant, the semiconductor substrate is at least two, preferably three to twenty-five sensors. Due to the small size of the sensors and the Semiconductor substrate may have a plurality of sensors on the semiconductor substrate to be ordered. In this case, for example, sensors different measuring ranges of a single measured variable determine and / or determine different measures. Also, the switching integration of the device can be increased become.

Die im Vorhergehenden erläuterten Vorrichtungen sind miteinander kombinierbar. Bei einer erfindungsgemäßen Hochspannungsanlage kommt eine derartige Vorrichtung zum Einsatz, wobei die Hochspannungsanlage einen Leiter, einen vom Leiter zumindest teilweise beabstandeten und den Leiter koaxial umschließenden Gehäuse zum Einsatz aufweist. Um Feldverzerrungen bzw. starke Gradienten zu vermeiden, werden die Sensoren im Bereich des Leiters bzw. eines Schalters angeordnet, welcher zumindest abschnittsweise im Wesentlichen gerade ist. Dies verbessert die Aussagekraft der gemessenen Messgrößen. Damit ist es eine Variante der Hochspannungsanlage, wenn das Gehäuse eine dem Leiter zugewandte Innenseite aufweist und der mindestens eine Sensor zwischen der Innenseite des Gehäuses und dem Leiter angeordnet ist. Dabei ist das Gehäuse geerdet, wobei das geerdete Gehäuse mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist, so dass dieses wiederum geerdet ist, der Sensor jedoch in den Zwischenbereich ragt und Messgrößen zum Bestimmen von Kenngrößen des Leiters ermitteln kann.The previously discussed devices are inter-related combined. In a high voltage system according to the invention such a device is used, the high-voltage system a conductor, at least partially spaced from the conductor and the conductor coaxially enclosing housing has to use. To field distortions or strong gradients To avoid the sensors in the area of the conductor or a Switch arranged, which at least partially substantially is straight. This improves the significance of the measured quantities measured. This makes it a variant of the high-voltage system when the housing an inner side facing the conductor and the at least a sensor between the inside of the case and the Ladder is arranged. In this case, the housing is grounded, wherein the grounded housing is connected to the semiconductor substrate is, so that this in turn is grounded, the sensor, however, in the Intermediate area protrudes and measurements to determine of characteristics of the conductor can determine.

In einer Variante der Hochspannungsanlage ist diese eine gasisolierte Hochspannungsschaltanlage oder eine gasisolierte Hochspannungsleitung. Insbesondere hier können aufgrund des notwendigen gasdichten Abschlusses kleine, auf Erdpotential liegende Halbleitersubstrate mit darauf angeordneten Sensoren einen großen Vorteil mit sich bringen.In a variant of the high-voltage system, this is a gas-insulated high-voltage switchgear or a gas-insulated high-voltage line. in the special here can bring due to the necessary gas-tight termination small, lying on ground semiconductor substrates with sensors arranged thereon a great advantage.

Im Folgenden sollen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Hochspannungsanlage anhand einiger Ausführungsbeispiele genauer erläutert werden. Es zeigenin the Below are various embodiments of the invention Device or the high-voltage system according to the invention some embodiments explained in more detail become. Show it

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Hochspannungsanlage; 1 a schematic representation of an embodiment of the high voltage system;

2a eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erfassen der Messgrößen eines Leiters einer Hochspannungsanlage; 2a a schematic representation of an apparatus for detecting the measured variables of a conductor of a high-voltage system;

2b eine schematische Darstellung eines aufbereiteten Messwerts einer Ausführungsform der Vorrichtung; 2 B a schematic representation of a processed measured value of an embodiment of the device;

3a–f verschiedene schematische Darstellungen von Ausführungsformen der Vorrichtung zum Erfassen unterschiedlicher Messgrößen; 3a F shows various schematic representations of embodiments of the device for detecting different measured quantities;

4 eine Variante der Vorrichtung mit einer Vielzahl von Sensoren. 4 a variant of the device with a plurality of sensors.

1 zeigt eine Hochspannungsanlage 1 mit einem Leiter 10, welcher in dem dargestellten Abschnitt aus der Bildebene hinaus im Wesentlichen gerade verläuft, und ein Gehäuse 11, welches den Leiter 10 an diesem Abschnitt koaxial hinsichtlich der Längsachse umgibt. Der zwischen dem Leiter 10 und dem Gehäuse 11 vorhandene Raum ist mit einem Isoliergas befüllt. Zudem ist das Gehäuse 11 auf Erdpotential, wohingegen der Leiter 10 auf Hochspannung liegt. 1 shows a high voltage system 1 with a ladder 10 which is substantially straight in the illustrated portion out of the image plane, and a housing 11 which is the leader 10 Coaxially surrounds at this section with respect to the longitudinal axis. The one between the conductor 10 and the housing 11 existing space is filled with an insulating gas. In addition, the housing 11 at ground potential, whereas the conductor 10 is at high voltage.

An dem Gehäuse 11 ist eine Vorrichtung 20 befestigt, welche zum Erfassen von Messgrößen des Leiters 10 der Hochspannungsanlage 1 mit einem Sensor ausgestattet ist. Die Vorrichtung 20 ist mit einer zentralen Datenaufbereitung 30 verbunden, welche mit einem Schutz- und Leitsystem 40 kommuniziert.On the case 11 is a device 20 attached, which for detecting measured variables of the conductor 10 the high voltage system 1 equipped with a sensor. The device 20 is with a central data preparation 30 connected, which with a protection and control system 40 communicated.

In der 2a ist die Vorrichtung 20 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 20 umfasst einen auf einem Halbleitersubstrat 21 angeordneten Mikrosensor 22. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Signalaufbereitung 23 gezeigt, welche einen Operationsverstärker 24 und einen Digitalisierer 25 umfasst. Dabei sind der Operationsverstärker 24 und der Digitalisierer 25 in Form von TTL-Bausteinen als Teil einer Schaltungslogik auf das Halbleitersubstrat aufgebracht bzw. auf dieses strukturiert.In the 2a is the device 20 shown schematically. The device 20 includes one on a semiconductor substrate 21 arranged microsensor 22 , Furthermore, a device for signal processing 23 shown which is an operational amplifier 24 and a digitizer 25 includes. Here are the operational amplifier 24 and the digitizer 25 in the form of TTL components as part of a circuit logic applied to the semiconductor substrate or structured on this.

Die Signalaufbereitung kann des Weiteren eine Filterung von durch den Mikrosensor 22 aufgenommenen Messwerten der zu erfassenden Messgröße beinhalten. Dem Mikrosensor 22 ist ein Identifizierer 26 zugeordnet. Der Identifizierer 26 steht dabei mit der Signalaufbereitung 23 in Verbindung, wie später noch genauer erläutert wird. Der Mikrosensor 22 ist mit der Signalaufbereitung 23 verbunden, welche den zunächst analog vorliegenden Messwert des Mikrosensors 22 in ein digitales Signal umwandelt und an eine digitale Schnittstelle 27 weitervermittelt. Diese digitale Schnittstelle 27 ist ebenfalls auf dem Halbleitersubstrat angeordnet. Die digitale Schnittstelle kann nun über eine Drahtverbindung oder eine Funkverbindung die aufbereiteten Messwerte an eine zentrale Datenaufbereitung übermitteln.The signal conditioning may further include filtering by the microsensor 22 recorded measured values of the measured variable to be detected. The microsensor 22 is an identifier 26 assigned. The identifier 26 stands with the signal conditioning 23 in connection, as will be explained later in more detail. The microsensor 22 is with signal conditioning 23 connected, which the initially analog present measurement of the microsensor 22 converted into a digital signal and sent to a digital interface 27 transferred. This digital interface 27 is also disposed on the semiconductor substrate. The digital interface can now transmit the prepared measured values to a central data processing via a wire connection or a radio link.

Anhand der 2b soll die Wirkungsweise der Signalaufbereitung 23 genauer erläutert werden. Der an die digitale Schnittstelle übermittelte Datensatz 28 liegt in Form eines n-Bitwertes vor. Dabei weist der erste Abschnitt 29 des Datensatzes 28 einen Wert auf, welcher durch den Identifizierer definiert ist und welcher den Datensatz 28 als dem Mikrosensor 22 zugehörig kennzeichnet. Im zweiten Abschnitt 29' des Datensatzes 28 ist der eigentliche Messwert des Mikrosensors 22 in digitaler Form vorgehalten. Im dritten Abschnitt 29'' kann zusätzlich eine Zeitmarkierung eingetragen werden. Der vierte Abschnitt 29''' kann zusätzlich eine Zustandsvariable des Mikrosensors bzw. der Signalaufbereitung übermitteln, um der zentralen Datenaufbereitung eine korrekte Funktionsweise der Vorrichtung 20 mitzuteilen.Based on 2 B should the mode of operation of signal conditioning 23 be explained in more detail. The data set transmitted to the digital interface 28 is in the form of an n-bit value. This is the first section 29 of the record 28 a value defined by the identifier and which the record 28 as the microsensor 22 associated with. In the second section 29 ' of the record 28 is the actual reading of the microsensor 22 held in digital form. In the third section 29 '' In addition, a time stamp can be entered. The fourth section 29 ''' In addition, a state variable of the microsensor or the signal processing can be transmitted in order to ensure correct functioning of the device for the central data processing 20 tell.

Anhand der 3a soll erläutert werden, wie eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Messgröße des elektrischen Feldes geeignet ist. Der Leiter 10 ist stromdurchflossen und mit einer Hochspannung geladen. Das Gehäuse 11 ist geerdet und umschließt den Leiter 10 mit einer Längsachse koaxial. Die Vorrichtung 200 zum Erfassen einer Messgröße ist dabei so an dem Gehäuse befestigt, dass das Halbleitersubstrat 201 mit dem geerdeten Gehäuse 11 verbunden und somit ebenfalls geerdet ist. In den Raum zwischen dem Leiter 10 und dem Gehäuse 11 hineinragend ist ein Sensorfeld 202 angeordnet, welches zum Erfassen eines elektrischen Feldes ausgebildet ist. Dabei ist das Sensorfeld 202 von der Schaltungslogik 203 abgegrenzt angeordnet und exponiert zum E-Feld auf dem Halbleitersubstrat positioniert.Based on 3a should be explained how a variant of the device according to the invention for measuring the measured variable of the electric field is suitable. The leader 10 is current-carrying and charged with a high voltage. The housing 11 is grounded and encloses the conductor 10 coaxial with a longitudinal axis. The device 200. for detecting a measured variable is attached to the housing so that the semiconductor substrate 201 with the grounded housing 11 connected and thus also grounded. In the space between the ladder 10 and the housing 11 protruding is a sensor field 202 arranged, which is designed to detect an electric field. Here is the sensor field 202 from the circuit logic 203 delimited and exposed to the E-field positioned on the semiconductor substrate.

Die Vorrichtung 20 zur Messung eines elektrischen Feldes wird durch die Erdpotentialverbindung vor Überspannung geschützt. Kompliziertere Schutzmechanismen sind nicht vonnöten. Beim Anbringen, beispielsweise von Bonddrähten, muss lediglich darauf geachtet werden, dass die Feldmessung nicht gestört wird, d. h. eine Anordnung von hinten dem Sensor abseitig wird bevorzugt. Unter Sensorfeld wird bei vorliegender Anmeldung eine Anordnung von mindestens einem Mikro- oder Nanosensor verstanden.The device 20 to measure an electric field is protected by the ground potential connection from overvoltage. More complicated protection mechanisms are not needed. When attaching, for example, bonding wires, only care must be taken that the field measurement is not disturbed, ie an arrangement from the rear side of the sensor is preferred. Under Sen Sorfeld is understood in the present application, an arrangement of at least one micro- or nanosensor.

Das elektrische Feld wird durch die Äquipotentialflächen 101, 102, 103 dargestellt. Dabei ist das elektrische Feld am Leiter 10 am höchsten und fällt entlang der Äquipotentialflächen 101, 102, 103 abnehmend ab. Es ist deutlich erkennbar, dass das Sensorfeld 202 zumindest von der Äquipotentialfläche 103 durchdrungen und von dieser umschlossen wird. Das Sensorfeld 202 misst die Stärke des elektrischen Feldes über einen Tunnel- oder Halleffekt, mit welchem ein direkter und zuverlässiger Rückschluss auf die angelegte Hochspannung im Leiter 10 getroffen werden kann. Bei dem Tunneleffekt wird die Leitfähigkeit des Halbleitersubstrats in Abhängigkeit des E-Feldes genutzt. Gradienten des elektrischen Feldes können somit detektiert werden und daraus eine an dem Leiter 10 anliegende Hochspannung ermittelt werden. Das Sensorfeld 202 weist eine Vielzahl von Sensoren auf, welche unterschiedlich sensible Bereiche zur Auslegung des Tunneleffekts umfassen. Dadurch können die unterschiedlichen Sensoren des Sensorfelds 202 jeweils einen eigenen großen Spannungsbereich abdecken, z. B. 1 kV, 10 kV, 100 kV und 1000 kV.The electric field is through the equipotential surfaces 101 . 102 . 103 shown. The electric field is at the conductor 10 highest and falls along the equipotential surfaces 101 . 102 . 103 decreasing. It can be clearly seen that the sensor field 202 at least from the equipotential surface 103 penetrated and enclosed by this. The sensor field 202 Measures the strength of the electric field through a tunnel or Hall effect, with which a direct and reliable inference to the applied high voltage in the conductor 10 can be taken. In the case of the tunnel effect, the conductivity of the semiconductor substrate is used as a function of the E field. Gradients of the electric field can thus be detected and from this one on the conductor 10 applied high voltage can be determined. The sensor field 202 has a plurality of sensors, which include different sensitive areas for the design of the tunnel effect. This allows the different sensors of the sensor field 202 each cover its own large voltage range, z. 1 kV, 10 kV, 100 kV and 1000 kV.

Die Kosten für eine Vorrichtung 200 sind aufgrund der mikrotechnischen Integration sehr gering. Des Weiteren weist die Vorrichtung 200 kein zusätzliches Gehäuse auf und kann aufgrund der Radialsymmetrie des elektrischen Feldes an jedem beliebigen Punkt einer radialsymmetrischen Gehäusewand angebracht werden. Das detektierte Messsignal wird direkt auf dem Halbleitersubstrat 201 mittels der Schaltlogik 203 in ein digitales Protokoll gewandelt und über eine nicht dargestellte digitale Schnittstelle an die Schutz- und Leittechnik übergeben.The cost of a device 200. are very low due to the micro-technical integration. Furthermore, the device 200. no additional housing and can be attached due to the radial symmetry of the electric field at any point of a radially symmetrical housing wall. The detected measurement signal is directly on the semiconductor substrate 201 by means of the switching logic 203 converted into a digital protocol and passed over a digital interface, not shown, to the protection and control technology.

In der 3b ist eine Vorrichtung 210 gezeigt, welche auf einem Halbleitersubstrat 211 angeordnet ist und über ein Sensorfeld 212 verfügt, welches zur Verwendung der Messung eines magnetischen Feldes und somit des den Leiter 10 durchfließenden Stroms geeignet ist. Das Halbleitersubstrat 211 ist wiederum am Gehäuse 11 auf Erdpotential liegend angebracht und wird vor Überspannung geschützt. Das Sensorfeld 212 ist derart angebracht, dass es so weit in das Gehäuse hineinragt, dass es von dem Magnetfeld umschlossen wird, wobei das Magnetfeld in der 3b durch die Magnetfeldlinien 111, 112 und 113 symbolisiert wird. Aufgrund der Rotationssymmetrie des magnetischen Feldes kann bei der gezeigten Darstellung die Vorrichtung 210 an jeder Stelle eines radialsymmetrischen Gehäuses 11 angeordnet werden. Als Messprinzip kann beispielsweise der Halleffekt benutzt werden, wie er im Stand der Technik ausreichend bekannt ist.In the 3b is a device 210 shown on a semiconductor substrate 211 is arranged and via a sensor field 212 which is to use the measurement of a magnetic field and thus the conductor 10 flowing stream is suitable. The semiconductor substrate 211 is again on the case 11 mounted at ground potential and is protected against overvoltage. The sensor field 212 is mounted so that it protrudes so far into the housing that it is enclosed by the magnetic field, wherein the magnetic field in the 3b through the magnetic field lines 111 . 112 and 113 is symbolized. Due to the rotational symmetry of the magnetic field, in the illustration shown, the device 210 at every point of a radially symmetrical housing 11 to be ordered. As a measuring principle, for example, the Hall effect can be used, as is well known in the art.

Das Sensorfeld 212 kann eine Vielzahl von Sensoren aufweisen, so dass ein großer Messbereich erfasst werden kann. Der Messbereich kann dabei zwischen 100 A bis 3000 A liegen. Die durch das Sensorfeld 212 erfassten Messwerte werden über eine nicht eingezeichnete auf dem Halbleitersubstrat angeordnete integrierte digitale Schnittstelle an das Schutz- und Leitsystem übermittelt.The sensor field 212 can have a plurality of sensors, so that a large measuring range can be detected. The measuring range can be between 100 A to 3000 A. The through the sensor field 212 recorded measured values are transmitted to the protection and control system via a non-illustrated integrated digital interface arranged on the semiconductor substrate.

In der 3c ist eine Vorrichtung 220 mit einem Mikrosensor 222 zum Erfassen von Temperaturen dargestellt. Dabei ist eine wärmesensitive Struktur Mikrosensor 222 auf das Halbleitersubstrat 211 aufgebracht, welche die Temperatur im Bereich der Temperaturzone 123 misst und aufgrund eines vorab ausge messenen Temperaturgradienten, hier durch die Temperaturzonen 121, 122, 123 mit vom Leiter zum Gehäuse hin abnehmender Temperatur symbolisiert, zwischen dem Leiter 10 und dem Gehäuse 11 eine Temperatur des Leiter 10 extrapoliert. Dabei kann die Extrapolation beispielsweise darauf beruhen, dass sich durch die stabile innere Gaskonvektion und Wärmestrahlung ein, je nach Bautyp des Leiters 10 und des Gehäuses 11, konstanter Temperaturunterschied von ca. 10° zwischen dem wärmeerzeugenden Leiter 10 und dem Gehäuse 11 einstellt. Aufgrund der Position des Sensors 222 kann nun anhand der Kenntnis der Temperatur an diesem Ort die Temperatur des Leiters 10 extrapoliert werden. Aufgrund der Vorrichtung 220 kann dem Betreiber einer Hochspannungsanlage eine dynamische, d. h. zeitabhängige Kenntnis der Temperatur zur Verfügung gestellt werden. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Temperaturzonen 121, 122, 123 im realen Leiter nicht rotationssymmetrisch sind, sondern aufgrund der aufsteigenden Wärme eine andere, mehr ins ovale reichende Form besitzt. Die Form der eingezeichneten Temperaturzonen soll somit lediglich illustrieren, dass zwischen Leiter und Gehäuse ein messbarer Temperaturgradient vorhanden ist.In the 3c is a device 220 with a microsensor 222 shown for detecting temperatures. In this case, a heat-sensitive structure is a microsensor 222 on the semiconductor substrate 211 applied, which is the temperature in the range of the temperature zone 123 measures and due to a pre-measured temperature gradient, here by the temperature zones 121 . 122 . 123 with decreasing temperature from the conductor towards the housing, between the conductor 10 and the housing 11 a temperature of the conductor 10 extrapolated. The extrapolation can be based, for example, on the fact that, due to the stable internal gas convection and heat radiation, depending on the type of construction of the conductor 10 and the housing 11 , constant temperature difference of approx. 10 ° between the heat-generating conductor 10 and the housing 11 established. Due to the position of the sensor 222 Now, based on the knowledge of the temperature at this location, the temperature of the conductor can be determined 10 be extrapolated. Due to the device 220 For example, the operator of a high-voltage installation can be provided with dynamic, ie time-dependent knowledge of the temperature. It should be noted that the temperature zones 121 . 122 . 123 in the real conductor are not rotationally symmetric, but due to the rising heat has another, more oval-reaching shape. The shape of the marked temperature zones should thus merely illustrate that a measurable temperature gradient exists between the conductor and the housing.

Die wärmesensitive Struktur auf dem Halbleitersubstrat 221 ist derart angeordnet, dass ein Teil der Sensorfläche direkt mit dem Gehäuse kontaktiert ist und somit die Referenztemperatur der Umgebung wahrnimmt. Der andere Teil der Sensoroberfläche steht mit dem Isoliergas in Kontakt und misst die Temperatur dieses Isoliergases. Anhand der beiden Messwerte kann nun die Temperatur des Leiters 10 extrapoliert werden. Der Sensormessbereich ist dabei frei von thermischen Einflüssen, so eine Ankontaktierung im Falle von einer Verbindung mit Bonddrähten von hinten vorteilhaft ist. Unabhängig von der in der 3c dargestellten Anordnungsweise der Vorrichtung 220 muss der Temperatursensor allgemein lediglich derart angebracht werden, dass er direkten Kontakt zum zwischen dem Leiter 10 und dem Gehäuse 11 vorhandenen Isoliergas hat. Der detektierte Messwert wird in der Schaltungslogik 223 aufbereitet und über eine nicht eingezeichnete digitale Schnittstelle an das Schutz- und Leitsystem abgegeben.The heat-sensitive structure on the semiconductor substrate 221 is arranged such that a part of the sensor surface is contacted directly with the housing and thus perceives the reference temperature of the environment. The other part of the sensor surface is in contact with the insulating gas and measures the temperature of this insulating gas. Based on the two measured values, the temperature of the conductor can now be determined 10 be extrapolated. The sensor measuring range is free from thermal influences, so a Ankontaktierung in the case of a connection with bonding wires from the rear is advantageous. Regardless of in the 3c illustrated arrangement of the device 220 In general, the temperature sensor need only be mounted such that it is in direct contact with the conductor 10 and the housing 11 has existing insulating gas. The detected measured value is in the circuit logic 223 prepared and on a not drawn digital Interface delivered to the protection and control system.

Der Mikrosensor 222 ist derart ausgelegt, dass ein großer Temperaturbereich zwischen 10 und 100°C erfassbar ist. Aufgrund der Erdpotentialanbindung ist der Sensor 222 des Weiteren vor Überspannungen geschützt.The microsensor 222 is designed so that a wide temperature range between 10 and 100 ° C can be detected. Due to the ground potential connection is the sensor 222 furthermore protected against overvoltages.

In der 3d ist eine Vorrichtung 230 dargestellt, welche zur Druckmessung in Hochspannungsanlagen ausgebildet ist. Dabei ist das Halbleitersubstrat 231 mit der Gehäusewand 11' verbunden und geerdet. Der Nanosensor 232 und die Schaltlogik 233 sind dadurch vor Überspannungen geschützt. Teil des Nanosensors 232 ist eine integrierte Drehmomentstruktur auf dem Halbleitersubstrat 231. Dazu wird auf dem Halbleitersubstrat 231 mittels Nanotechnologie ein Drucksensor implementiert, der über ein Referenzvolumen den Druck im Gasraum zwischen dem Leiter 10 und der Gehäusewand 11 bestimmt und den Messwert in aufbereiteter Form, wobei die Aufbereitung innerhalb der Schaltungslogik 233 stattfindet, über eine integrierte digitale Schnittstelle an das Schutz- und Leitsystem abgibt. Aufgrund der geringen Größe der Vorrichtung 220 kann diese an jeder beliebigen Stelle innerhalb der Hochspannungsanlage angebracht werden, wobei die lokalen Stellen, die auch für die Temperaturmessung gewählt wurden, vorrangig sind.In the 3d is a device 230 shown, which is designed for pressure measurement in high voltage systems. In this case, the semiconductor substrate 231 with the housing wall 11 ' connected and grounded. The nanosensor 232 and the switching logic 233 are thus protected against overvoltages. Part of the nanosensor 232 is an integrated torque structure on the semiconductor substrate 231 , This is done on the semiconductor substrate 231 implemented by means of nanotechnology, a pressure sensor, the pressure in the gas space between the conductor via a reference volume 10 and the housing wall 11 determined and the measured value in processed form, wherein the processing within the circuit logic 233 takes place via an integrated digital interface to the protection and control system. Due to the small size of the device 220 This can be installed anywhere in the high-voltage system, with the local places, which were also chosen for the temperature measurement, take precedence.

Das Referenzvolumen des Drucksensors ist derart gewählt, dass es bei Umgebungsdruck entspannt ist. Der Messbereich des Nanosensors 232 ist so gewählt, dass der gesamte Betriebsbereich abgedeckt wird, beispielsweise von 1 bis 10 bar abso lut. Weiterhin ist deutlich erkennbar, dass die Schaltungslogik 233 vom Nanosensor 232 abgegrenzt ist.The reference volume of the pressure sensor is chosen so that it is relaxed at ambient pressure. The measuring range of the nanosensor 232 is chosen so that the entire operating range is covered, for example, from 1 to 10 bar abso lut. Furthermore, it is clear that the circuit logic 233 from the nanosensor 232 is delimited.

Anhand der 3e soll erläutert werden, wie die Positionsmessung beispielsweise eines Schalters in einer Hochspannungsanlage mittels einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen eines Leiters bestimmt werden kann. Der Leiter 10 kann mittels eines Schalters leitfähig mit einem weiteren Leiter 10' verbunden oder von diesem getrennt werden. Dabei ist der Leiter 10 mit dem Leiter 10' über den geschlossenen Schalter 12 verbunden. Bei einer Öffnung des Schalters sind die Leiter 10 und 10' durch den geöffneten Schalter 12' nicht verbunden, wie in der oberen Hälfte der 3e illustriert ist. Die aktuelle Position der Schalterstellung kann über die Vorrichtungen 240, 241, 242 ermittelt werden. Dabei befindet sich auf den Vorrichtungen 240, 241, 242 jeweils ein Sensor oder Sensorfeld, bei welchem die Integration einer offenen Kapazität auf dem Halbleitersubstrat erfolgt. Aufgrund der unterschiedlichen gemessenen Kapazitäten an den Vorrichtungen 240, 241, 242 lasst sich auf einfache Weise die genaue Position des Schalters bestimmen. Dabei wird die Schalterstellung direkt über die unterschiedlichen Kapazitäten der Vorrichtungen 240, 241, 242 bestimmt.Based on 3e It should be explained how the position measurement of, for example, a switch in a high voltage installation can be determined by means of an embodiment of the device for detecting measured variables of a conductor. The leader 10 can by means of a switch conductive with another conductor 10 ' connected or disconnected. Here is the leader 10 with the conductor 10 ' over the closed switch 12 connected. When opening the switch, the conductors 10 and 10 ' through the open switch 12 ' not connected, as in the upper half of the 3e is illustrated. The current position of the switch position can via the devices 240 . 241 . 242 be determined. It is located on the devices 240 . 241 . 242 in each case a sensor or sensor field, in which the integration of an open capacitance takes place on the semiconductor substrate. Due to the different measured capacities of the devices 240 . 241 . 242 can be easily determined the exact position of the switch. The switch position is directly on the different capacities of the devices 240 . 241 . 242 certainly.

Anhand der drei gezeigten Vorrichtungen 240, 241, 242 können auch Zwischenstände einer Schalterposition ermittelt werden und nicht nur die Stellung des geschlossenen Schalters 12 oder des geöffneten Schalters 12'. Entgegen der hier gezeigten Anordnung der Vorrichtungen 240, 241, 242 mit jeweils einem kapazitiven Sensor können auch mehrere kapazitive Sensoren in einem Sensorfeld auf einer Vorrichtung untergebracht werden. Bei der Ermittlung der Position ist lediglich vonnöten, dass eine Vorrichtung, in diesem Fall die Vorrichtung 240, am Ende des Leiters 10 und eine Vorrichtung, in diesem Fall die Vorrichtung 242, am Ende des Leiters 10' positioniert ist, um die geöffnete und die geschlossene Schalterstellung zu ermitteln. Des Weiteren sind die Vorrichtungen 240, 241, 242 mit dem Gehäuse 11 verbunden, welches auf Erdpotential liegt und sind mit dem Leiter 10, 10' nicht in Berührung.With reference to the three devices shown 240 . 241 . 242 Intermediate positions of a switch position can also be determined and not only the position of the closed switch 12 or the opened switch 12 ' , Contrary to the arrangement of the devices shown here 240 . 241 . 242 With one capacitive sensor, it is also possible to accommodate a plurality of capacitive sensors in a sensor field on a device. When determining the position, it is merely necessary for a device, in this case the device 240 , at the end of the ladder 10 and a device, in this case the device 242 , at the end of the ladder 10 ' is positioned to determine the open and closed switch positions. Furthermore, the devices 240 . 241 . 242 with the housing 11 connected, which is at ground potential and are with the conductor 10 . 10 ' not in touch.

Anhand der 3f soll eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden, welche für eine Teilentladungsmessung in Hochspannungsanlagen geeignet ist. Dazu werden Vorrichtungen 250, 251 am Gehäuse 11, vom Leiter 10 beabstandet, angebracht. Die Vorrichtungen weisen dabei einen auf einem Halbleitersubstrat angeordneten Sensor auf. Der Sensor wird in Form einer Hochfrequenzantenne realisiert. Diese Antenne wird derart in den Innenraum der Hochspannungsanlage gebracht, dass die sich im Inneren der Hochspannungsanlage ausbreitenden Teilentladungssignale aufgrund einer Störung ST die Antennen der Vorrichtungen 250 und 251 erreichen können: Aufgrund der Störung ST breitet sich entlang des Leiters 10 eine hochfrequente elektromagnetische Welle aus, wobei die Frequenz zwischen einigen 100 MHz und einigen GHz liegen kann. Diese Welle wird von den auf den Vorrichtungen 250 und 251 befindlichen Sensoren empfangen. Das detektierte Messsignal wird direkt in ein digitales Protokoll gewandelt und an die Schutz- und Leittechnik abgegeben. Der Messbereich eines auf der Vorrichtung 250 bzw. 252 angeordneten Sensors liegt im Nachweisbereich von 1 pC bis 10 pC. Die Vorrichtungen 250, 251 sind dabei wiederum über das Gehäuse 11 geerdet.Based on 3f an embodiment of the device according to the invention will be described, which is suitable for a partial discharge measurement in high voltage systems. These are devices 250 . 251 on the housing 11 , from the leader 10 spaced, attached. In this case, the devices have a sensor arranged on a semiconductor substrate. The sensor is realized in the form of a high-frequency antenna. This antenna is brought into the interior of the high-voltage system such that the partial discharge signals propagating inside the high-voltage system due to a disturbance ST, the antennas of the devices 250 and 251 can reach: Due to the disturbance ST spreads along the conductor 10 a high-frequency electromagnetic wave, the frequency can be between a few 100 MHz and a few GHz. This wave is from those on the devices 250 and 251 received sensors. The detected measurement signal is converted directly into a digital protocol and released to the protection and control technology. The measuring range of one on the device 250 respectively. 252 arranged sensor is in the detection range of 1 pC to 10 pC. The devices 250 . 251 are in turn about the case 11 grounded.

In der 4 ist eine weitere Variante der Vorrichtung gezeigt. Die Vorrichtung 20' weist dabei mehrere Sensorfelder 202, 212, 222 und 232 auf, welche im Wesentlichen mit vorab beschriebenen Verfahren verschiedenste Messgrößen ermitteln. Jedem Sensorfeld ist eine Vorrichtung zur Signalverarbeitung 23 zugeordnet. Ebenso weist jedes Sensorfeld bzw. jeder einzelne Sensor des Sensorfeldes einen Identifizierer auf, wobei mit dem Messwert des Sensorfeldes bzw. der Messwerte der einzelnen Sensoren des Messfeldes und dem Identifizierer und einem in der Signalverarbeitung angeordneten Digitalisierer ein n-Bit-Datensatz erzeugt wird, welcher eindeutig einem einzelnen Sensorfeld zuordenbar ist und an die digitale Schnittstelle 27 weitergegeben werden kann. Die einem einzelnen Sensorfeld bzw. Sensor eines Sensorfeldes zugeordnete Vorrichtung zur Signalverarbeitung kann von daher in verschiedenster Ausführung dem Sensorfeld bzw. dem einzelnen Sensor angepasst auf dem Halbleitersubstrat 21 angeordnet sein. Dies geschieht in Form von Schaltungslogiken, welche als TTL-Bausteine aufgebracht sein können. Bei der dargestellten Vorrichtung 20' ist eine Kombination von Spannung, Strom, Temperatur und Druck auf einem Halbleitersubstrat angeordnet.In the 4 a further variant of the device is shown. The device 20 ' has several sensor fields 202 . 212 . 222 and 232 which essentially determine the most different measured variables using methods described above. Each sensor field is a device for signal processing 23 assigned. Likewise, each sensor field or each individual sensor of the sensor field has an identifier, with the measured value of the sensor field or the measured values of the individual sensors soren of the measuring field and the identifier and an arranged in the signal processing digitizer an n-bit data set is generated, which is uniquely attributable to a single sensor field and to the digital interface 27 can be passed on. The device for signal processing assigned to a single sensor field or sensor of a sensor field can therefore be adapted to the sensor field or the individual sensor on the semiconductor substrate in a wide variety of designs 21 be arranged. This is done in the form of circuit logic, which can be applied as TTL modules. In the illustrated device 20 ' For example, a combination of voltage, current, temperature and pressure is disposed on a semiconductor substrate.

Die in der 4 nicht gezeigten Sensoren hinsichtlich einer Teilentladung und einer Position könnten zusätzlich aufgebracht werden, müssten jedoch, gemäß den Ausführungen zu 3e und 3f, mehrfach vorhanden sein.The in the 4 not shown sensors with respect to a partial discharge and a position could be applied in addition, but would, according to the comments to 3e and 3f , be present several times.

Die Vorrichtung 20' ist aufgrund der Nano- und Mikrostrukturen klein genug, um im Inneren einer Hochspannungsschaltanlage positioniert zu werden. Die aufgebrachte Sensorlogik lässt die Möglichkeit zu, einen Funktionssensor zu einem Zeitpunkt als Temperatursensor anzusprechen und entsprechende Daten auszulesen, zu einem anderen Zeitpunkt kann er Spannungssensor angesprochen werden. Möglich ist auch, zu einem Zeitpunkt mehrere Messdaten auszulesen, z. B. Spannung, Strom und Druck. Auf diese Weise wird im Betrieb der Hochspannungsschaltanlage die Möglichkeit eröffnet, die bedarfsgerechten Informationen zum Betrieb der Anlage anzufordern, wodurch die Datenmenge eingeschränkt wird. Bei der in 4 gezeigten Vorrichtung 20' kann zudem der einzelne Sensor eines Sensorfeldes über ein Funksignal angesprochen und mit Betriebsspannung versorgt werden, wobei dies über eine Oberflächenwellentechnik möglich ist.The device 20 ' is small enough to be positioned inside a high voltage switchgear due to the nano and microstructures. The applied sensor logic allows the possibility to address a function sensor at one time as a temperature sensor and read out corresponding data, at another time he can be addressed voltage sensor. It is also possible to read several measurement data at a time, eg. B. voltage, current and pressure. In this way, during operation of the high-voltage switchgear, the possibility is opened to request the information required for the operation of the system, whereby the amount of data is limited. At the in 4 shown device 20 ' In addition, the individual sensor of a sensor field can be addressed via a radio signal and supplied with operating voltage, this being possible via a surface wave technology.

Mittels der integrierten digitalen Schnittstelle sind die in einer einheitlichen Protokollstruktur aufbereiteten Messwerte der verschiedenen Sensorfelder einheitlich gestaltet, wenn die Messwerte an eine zentrale Datenaufbereitung weitergeleitet werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit alle Messwerte innerhalb eines Schaltfeldes zentral zu erfassen und in einen Prozessbus einzuspielen. Der Vorteil der einheitlichen Ankopplung von Messwerten aus einem Schaltfeld ist ein Höchstmaß an einsetzbaren Standardbausteinen bei der Konstruktion der Schaltfelder, d. h. der erfindungsgemäßen Vorrichtungen.through the integrated digital interface are the ones in a uniform Protocol structure processed measured values of different sensor fields uniformly designed when the readings to a central data preparation to get redirected. This results in the possibility to record all measured values centrally within a cubicle and to load into a process bus. The advantage of the uniform Coupling measured values from a switch panel is the highest possible usable standard components in the design of the cubicles, d. H. the devices of the invention.

11: HochspannungsanlageHigh-voltage system
10, 10'10 10 ': Leiterladder
1111: Gehäusecasing
11'11 ': Gehäusewandhousing wall
1212: geschlossener Schalterclosed switch
12'12 ': geöffneter Schalteropen switch
20, 20'20 20 ': Vorrichtungcontraption
2121: HalbleitersubstratSemiconductor substrate
2222: Mikrosensormicrosensor
2323: Vorrichtung zur Signalaufbereitungcontraption for signal conditioning
2424: Operationsverstärkeroperational amplifiers
2525: Digitalisiererdigitizer
2626: Identifiziereridentifier
2727: digitale Schnittstelledigital interface
2828: Datensatzrecord
29, 29', 29'', 29'''29 29 ', 29' ', 29' '': Erster, Zweiter, Dritter, Vierter Abschnittfirst, Second, Third, Fourth Section
3030: Zentrale Datenaufbereitungheadquarters data preparation
4040: Schutz- und LeitsystemProtection- and control system
101, 102, 103101 102, 103: Äquipotentialflächenequipotential
111, 112, 113111, 112, 113: magnetische Feldlinienmagnetic field lines
121, 122, 123121 122, 123: Temperaturzonentemperature zones
200200: Vorrichtungcontraption
201201: HalbleitersubstratSemiconductor substrate
202202: Sensorfeldsensor field
203203: Schaltungslogikcircuit logic
210210: Vorrichtungcontraption
211211: HalbleitersubstratSemiconductor substrate
212212: Sensorfeldsensor field
213213: Schaltungslogikcircuit logic
220220: Vorrichtungcontraption
221221: HalbleitersubstratSemiconductor substrate
222222: Mikrosensormicrosensor
223223: Schaltungslogikcircuit logic
230230: Vorrichtungcontraption
231231: HalbleitersubstratSemiconductor substrate
232232: Nanosensornanosensor
233233: Schaltungslogikcircuit logic
240, 241, 242240 241, 242: Vorrichtungcontraption
250, 251250 251: Vorrichtungcontraption
STST: Störungdisorder

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- IEC 61850 [0022]

Claims

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) for detecting measured variables of a conductor ( 10 ) of a high-voltage plant ( 1 ) with at least one sensor, characterized in that the at least one sensor is a nano- or microsensor ( 22 . 222 . 232 ) and the at least one sensor on a semiconductor substrate ( 21 ), wherein the semiconductor substrate ( 21 ) is grounded.

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to claim 1, characterized in that the semiconductor substrate ( 21 ) with a grounded housing ( 11 ) of a high-voltage plant ( 1 ) connected is.

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the at least one sensor with a circuit logic ( 203 . 213 . 223 . 233 ), the circuit logic ( 203 . 213 . 223 . 233 ) is disposed on the semiconductor substrate.

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor has a device ( 23 ) is assigned to signal processing, wherein the device ( 23 ) on the semiconductor substrate ( 21 ) is arranged.

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor is a digitizer ( 25 ), the digitizer ( 25 ) on the semiconductor substrate ( 21 ) is arranged.

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor is an identifier ( 26 ), the identifier ( 26 ) on the semiconductor substrate ( 21 ) is arranged.

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor with a digital interface ( 27 ), the digital interface ( 27 ) on the semiconductor substrate ( 21 ) is arranged.

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor substrate ( 21 ) is addressable via wire bonding and / or can be supplied with an operating voltage.

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor can be addressed via a radio signal and / or supplied with an operating voltage.

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor determines a measured variable in a high-voltage system and the measured variable is an electric field or a magnetic field or a temperature or a pressure or a position or a partial discharge or a combination of these measured variables ,

Contraption ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two, preferably three to twenty-five, sensors on the semiconductor substrate ( 21 ) are arranged.

High voltage system ( 1 ) with a ladder ( 10 ), one from the leader ( 10 ) at least partially spaced and the conductor coaxially enclosing housing ( 11 ), and a device ( 20 ; 20 '; 200. ; 210 ; 220 ; 230 ; 240 . 241 . 242 ; 250 . 251 ) according to any one of the preceding claims.

High voltage system ( 1 ) according to claim 10, wherein the housing ( 11 ) one the leader ( 10 ) facing inside, characterized in that the at least one sensor between the inside of the housing ( 11 ) and the leader ( 10 ) is arranged.

High voltage system ( 1 ) according to claim 10 or 11, characterized in that it is a gas-insulated high-voltage switchgear or a gas-insulated high voltage line.