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Gegenstand
der Erfindung ist eine Hochspannungsanlage nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 oder 2 sowie ein Verfahren zum Erfassen einer Messgröße
einer Hochspannungsanlage.
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Die Überwachung
von Hochspannungsanlagen ist von großer Bedeutung für
die Lebensdauer und die Wirtschaftlichkeit einer derartigen Anlage. Dabei
wird insbesondere darauf geachtet, dass sich Messgrößen
wie Spannung, Strom, Temperatur, Druck, Eilentladungen und im Falle
von Schaltanlagen eine Position eines Schalters immer in den dafür vorgesehenen
Parameterintervallen befinden. Dadurch können die Wartungsarbeiten
und damit Unterbrechungen der Betriebsbereitschaft auf ein Minimum
reduziert werden.
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Dabei
kommt es insbesondere bei gasisolierten Hochspannungsanlagen häufig
vor, dass die Vorrichtung zum Erfassen einer Messgröße
der Hochspannungsanlage in den Gasraum der Hochspannungsanlage eingreift.
Dies kann beispielsweise bei Stromwandlern, Spannungswandlern, Druck-
und Temperatursensoren der Fall sein. Bei einem Ausfall derartiger
Vorrichtungen muss die Hochspannungsanlage für eine kurze
Zeit heruntergefahren werden, ein sich um den Leiter befindendes
Gehäuse zumindest teilweise entfernt werden, so dass die
Vorrichtung zum Erfassen der Messgröße ausgetauscht werden
kann. Nachteil bei einem derartigen Verfahren und einer derart gestalteten
Hochspannungsanlage ist der hohe erforderliche Aufwand, welcher
mit dem Abpumpen des Isoliergases, dem Wiederbefüllen des
Gasraums zwischen Gehäuse und Leiter und die Reinigung und
Trocknung des Isoliergases vor dem Wiederbefüllen bedeuten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochspannungsanlage zu schaffen,
welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.
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Die
Aufgabe wird gelöst mit einer Hochspannungsanlage nach
Anspruch 1 oder 2 sowie einem Verfahren zum Erfassen einer Messgröße
einer Hochspannungsanlage nach dem Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den untergeordneten Ansprüchen offenbart.
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Die
erfindungsgemäße Hochspannungsanlage bezieht sich
auf gasisolierte Hochspannungsschaltanlagen und gasisolierte Hochspannungsübertragungsleitungen.
Dabei ist ein Leiter mit einer Längsachse vorhanden und
zumindest abschnittsweise ein vom Leiter beabstandetes Gehäuse,
welches den Leiter umgibt. Zwischen dem Gehäuse und dem
Leiter befindet sich ein Gasraum, welcher mit Isoliergas befüllt
oder befüllbar ist. Des Weiteren weist die Hochspannungsanlage
eine Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen der
Hochspannungsanlage mit mindestens einem Sensor auf.
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Dadurch,
dass das Gehäuse eine Aussparung aufweist und die Aussparung
mit einer Abdeckvorrichtung abgedichtet ist, kann ein Sensor in
den Wirkungsbereich der zu messenden Messgröße
eingebracht und wieder ausgebracht werden ohne das eine Leerung
des Gasraums notwendig ist.
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In
einer ersten Variante ragt die die Abdeckvorrichtung in den Gasraum,
wobei ein kürzester Abstand zwischen der Abdeckvorrichtung
und dem Leiter kleiner ist als ein Abstand zwischen der Aussparung
und dem Leiter, derart, dass der mindes tens eine Sensor in einem
kleineren Abstand als der Abstand zwischen Aussparung und Leiter
am Leiter positionierbar ist. Der Sensor ist außerhalb
des Gasraums angeordnet, jedoch werden Messgrößen,
welche durch das Gehäuse abgeschirmt werden über die
in der Aussparung angeordnete Abdeckvorrichtung für den
Sensor zugänglich gemacht.
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Durch
eine Auswölbung der Abdeckvorrichtung in Richtung des Leiters
kann der Abstand zwischen dem Sensor und dem Leiter gegenüber
dem Abstand zwischen dem Gehäuse und dem Leiter reduziert
werden. Dies bedeutet insbesondere, dass die Messung von einem elektrischen
oder magnetischen Feld bzw. einer Teilentladung oder einer kapazitiven
Messung zur Positionsbestimmung durch den sich innerhalb der Auswölbung
angeordneten Sensor vorgenommen werden kann.
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In
einer zweiten Variante weist die Abdeckvorrichtung eine Schleuse
auf, wobei die Schleuse zwischen dem Gasraum und einer dem Leiter
zugewandten Außenseite angeordnet ist und der mindestens
eine Sensor in die Schleuse ein- und ausführbar ist und
direkt mit dem Gasraum verbindbar ist. Durch diese Variante wird
eine direkte Messung innerhalb des Gasraums möglich ohne
das signifikante Gasmengen entweichen können.
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Bei
der Variante mit der Schleuse weist die Abdeckvorrichtung zumindest
einen Kanal mit mindestens einem, vorzugsweise zwei Ventilen auf,
wobei der Sensor zum Erfassen der Messgröße durch das
erste Ventil in den Kanal geschoben wird, das Ventil geschlossen
wird und ein zweites Ventil geöffnet wird. Dabei befindet
sich das erste Ventil zwischen dem Kanal und der nicht isoliergasbefüllten Seite
des Gehäuses und das zweite Ventil befindet sich zwischen
dem Kanal und der isoliergasbefüllten Seite des Gehäuses.
Auf diese Weise kann der Sensor besonders einfach, beispielsweise
eine Temperatur oder eine Druckmessung durchführen, ohne
dass eine Leerung bzw. Neubefüllung des Gasraums mit Isoliergas
nötig wird.
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Der
wesentliche Vorteil der Hochspannungsanlagen mit einer oder mehrerer
der erfindungsgemäßen Abdeckvorrichtungen besteht
darin, dass die Sensoren zur Messung von Messgrößen
austauscht werden können, ohne dass der Gasraum geleert
werden muss. Dies erleichtert zum einen die Verkabelung und zum
anderen werden die Wartungskosten drastisch gesenkt.
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Besonders
vorzugsweise wird der mindestens eine Sensor durch einen Nano- oder
Mikrosensor gebildet und auf einem Halbleitersubstrat angeordnet.
Zum einen lassen sich der Sensor oder die Sensoren auf diese Weise
sehr klein ausbilden, d. h. kleiner als 10 cm^2 Grundfläche.
Dies bedeutet insbesondere, dass die Abdeckvorrichtungen und die dazugehörigen
Aussparungen im Gehäuse klein gehalten werden können.
Zum anderen werden auf diese Art und Weise integrierte Sensoren
zum Erfassen von mehreren Messgrößen möglich.
Dabei sind ein oder mehrere Nano- oder Mikrosensor auf einem Halbleitersubstrat
angeordnet und mit weiteren Schaltungslogiken verbunden und weist
vorzugsweise eine integrierte digitale Schnittstelle auf. Des Weiteren
ist das Halbleitersubstrat vorzugsweise mit dem Gehäuse
verbunden und über dieses geerdet; auf diese Weise wird
der Nano- oder Mikrosensor sowie die Schaltungslogik vor zu hohen
Spannungen geschützt. Der Sensor ist bei der Messung elektrischer
Größen, wie einem elektrischen oder magnetischen
Feld oder einer elektromagnetischen Welle, nicht in direktem Kontakt
mit dem Gehäuse und kann somit Gradienten in den Feldern
messen und über eine entsprechende auf dem Halbleitersubstrat
angeordnete Schaltungslogik in eine am Leiter vorherrschende Spannung
oder in einen Strom umrechnen.
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Derartige
Nano- und Mikrosensoren sind in der Patentanmeldung mit dem Titel „Vorrichtung
zum Erfassen von Messgrößen und Hochspannungsanlage” der
Siemens AG, internes Anmelderaktenzeichen 2007 P
26189 DE , eingereicht beim Deutschen Patent-
und Markenamt am selben Tag, genauer beschrieben.
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Weiterhin
ist es besonders vorteilhaft, wenn die Abdeckvorrichtung aus einem
nicht leitenden bzw. isolierenden Material besteht. Dies ist insbesondere
dann vorteilhaft, wenn es sich bei den Sensoren um Sensoren für
die Messung eines elektrischen Feldes, eines magnetischen Feldes,
einer Entladungsmessung oder einer kapazitiven Messung einer Schalterstellung
handelt. Aufgrund des nicht bzw. schlecht leitenden Materials wird
die zu messende Größe nur wenig gedämpft.
Bevorzugte Materialien sind hierbei druckfeste Kunststoffe, Keramiken
und faserverstärkte Kunststoffe.
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Vorteilhafterweise
ist die Abdeckvorrichtung am Gehäuse angeschraubt bzw.
mit diesem verschraubt. Auf diese Weise kann die gasdichte Verbindung
zwischen der Abdeckvorrichtung und dem Gehäuse vorgenommen
werden. Vorzugsweise können auch Dichtungsringe eingesetzt
werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Abdeckvorrichtung – aus
welchen Gründen auch immer – vom Gehäuse
entfernt und ausgetauscht werden kann.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erfassen einer
Messgröße einer Hochspannungsanlage, wird der
mindestens eine Sensor auf oder in die Abdeckvorrichtung eingebracht,
wobei der Sensor in einem in das Gehäuse ragenden Teil
der Abdeckvorrichtung angeordnet wird. Danach wird die Messgröße
erfasst und der Sensor später wieder ausgeführt. Dies
kann aus Wartungsgründen nötig werden. Zwischen
dem Einbringen und dem Ausbringen des Sensors können jedoch
auch Jahre vergehen, insofern der Sensor funktionstüchtig
ist.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den weiteren Ansprüchen
entnehmen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele
genauer erläutert werden. Es zeigen:
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1a und 1b eine
Hochspannungsanlage mit einer erfindungsgemäßen
Abdeckvorrichtung im Querschnitt;
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2a und 2b alternative
Ausführungsformen einer Abdeckvorrichtung.
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1a zeigt
eine Hochspannungsanlage 1 im Querschnitt. Gezeigt ist
ein Leiter 2, wobei der Leiter 2 eine Längsachse 20 aufweist.
Den Leiter 2 koaxial umgebend ist ein Gehäuse 3 mit
einer Aussparung 30 angeordnet. Das Gehäuse weist
eine Innenseite 31 und eine Außenseite 32 auf.
In der Aussparung 30 ist eine Abdeckvorrichtung 4 angeordnet.
Die Abdeckvorrichtung 4 weist eine Auswölbung 40 auf und
ist über Schrauben 34 mit dem Gehäuse 3 gasdicht
verbunden. Alternativ könnte die Verbindung zwischen der
Abdeckvorrichtung und dem Gehäuse auch mittels eines Klebers
hergestellt werden. Auch die Abdeckvorrichtung 4 weist
eine Innenseite 41 und eine Außenseite 42 auf.
Als Material für das Gehäuse bietet sich ein leicht
zu erdendes Material an. Als Material für die Abdeckvorrichtung
wird ein nichtleitender druckfester oder faserverstärkter
Kunststoff oder eine Keramik bevorzugt.
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Zwischen
der dem Leiter 2 zugewandten Innenseite 41 der
Auswölbung 40 und dem Leiter 2 ist ein
Abstand d vorhanden. Dieser Abstand ist kleiner als der Abstand
D zwischen der Innenseite der Aussparung und dem Leiter 2.
Auf diese Weise kann eine Vorrichtung zum Erfassen einer Messgröße
in die Auswölbung eingebracht werden, wie dies in 1b gezeigt
ist.
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In 1b ist
die Abdeckvorrichtung 4 mit einer sich darin befindlichen
Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen 5 eingezeichnet.
Die Vorrichtung 5 zum Erfassen von Messgrößen
weist einen Sensor 51 auf, welche als Mikrosensor ausgebildet
ist. Der Sensor 51 ist dabei auf einem Halbleitersubstrat 52 angeordnet,
wobei auf dem Halbleitersubstrat 52 noch zusätzliche
Schaltungslogik 53 zum Aufbereiten und Weiterverarbeiten
von durch den Sensor 51 aufgenommenen Messwerten vorhanden
ist.
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Die
Funktionsweise der Erfindung soll beispielhaft für den
Fall eines Sensors geschildert werden, welcher die Stärke
eines elektrischen Feldes und somit die Spannung oder die Stromstärke
messen kann. Der Leiter 2 wird von einem Strom durchflossen
und bildet daraufhin ein elektrisches und magnetisches Feld aus.
Das elektrische Feld bildet sich konzentrisch um den Leiter 2 herum
aus und ist exemplarisch durch die Äquipotentialflächen 55, 56 und 57 dargestellt.
Das Gehäuse 3 ist geerdet, so dass die Äquipotentialfläche 55 ein
geringeres elektrisches Feld als die Äquipotentialfläche 56 und
als die Äquipotentialfläche 57 aufweist.
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Der
Sensor 51 ist so die Auswölbung 40 der Abdeckvorrichtung 4 eingebracht,
dass dieser von dem durch den Leiter 2 erzeugten elektrischen
Feld umgeben wird. Das elektrische Feld kann nun mittels des Nano-
oder Mikrosensors, z. B. unter Ausnutzung eines Tunneleffekts, gemessen
werden. Diese Messwerte können wiederum in eine Spannung
umgewandelt werden, aus welcher sich das an dem Leiter 2 anliegende
Potential ermitteln lässt.
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Prinzipiell
ist die Abdeckvorrichtung 4 geeignet, um Messungen des
elektrischen Feldes, des magnetischen Feldes sowie einer Teilentladungsmessung
oder einer kapazitiven Messung zur Positionsbestimmung eines Schalters
durchzuführen. Dabei ist zur Messung des elektrischen oder
des magnetischen Feldes oder einer Teilentladung lediglich ein Sensor
vonnöten, bei einer Lichtbogenortungsmessung oder einer
kapazitiven Messung zur Bestimmung der Schalterstellung entlang
des Leiters 2 mindestens zwei Sensoren, welche voneinander
beabstandet sind, so dass entweder Zeitunterschiede oder Positionsunterschiede
messbar werden. Dabei ist es möglich, verschiedene Sensoren
auf einem gemeinsamen Substrat anzuordnen, um so unterschiedliche
Messgrößen über eine Vorrichtung zum Erfassen
von Messgrößen zu erfassen.
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In
der 2a ist eine weitere Variante der Erfindung dargestellt.
Zu sehen ist eine Leiter 2 mit einer Längsachse 20,
welcher von einem Gehäuse 3 mit einer Aussparung 30 umgeben
wird. Weiterhin ist eine Abdeckvorrichtung 4' vorhanden,
welche gasdicht mit dem Gehäuse 3 abschließt.
Zwischen dem Leiter 2 und dem Gehäuse 3 befindet
sich ein mit Isoliergas 6 befüllter Gasraum 60.
Die Abdeckvorrichtung 4' ist in der 2b genauer
dargestellt.
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Die
Abdeckvorrichtung 4' weist eine Schleuse 40' auf.
Die Schleuse 40' umfasst dabei den Kanal 41' sowie
die Ventile 43' und 44'. Das Ventil 43' verbindet
den Kanal 41' mit der nicht-isoliergasbefüllten Außenseite
des Gehäuses 3, das Ventil 44' verbindet den
Kanal 41' mit dem isoliergasbefüllten Gasraum 6 zwischen
der Innenseite und dem Leiter 2. Die Abdeckvorrichtung 4' weist
zudem ein Gewinde 45', mit welchem diese in das Gehäuse 3,
genauer in die Aussparung 30 eingeschraubt werden kann.
Dabei weist das Gehäuse 3 eine zum Gewinde 45' korrespondierende
Gewindebohrung auf.
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In
dem Kanal 41' ist eine Vorrichtung 5' zum Erfassen
von Messgrößen dargestellt, welche einen Sensor 51' umfasst,
der auf einem Halbleitersubstrat 52' angeordnet ist. Bei
dem Sensor 51' handelt es sich um einen Nanosensor mit
geringsten Ausmaßen, so dass die Ausmaße des Kanals
ebenfalls im Millimeter- oder Mikrometerbereich liegen können.
In der Wartung einfacher ist jedoch ein Kanal, welcher einen Durchmesser
bzw. eine Breite im Zentimeterbereich aufweist. Zum Einbringen des
Sensors 51' in den Kanal 41' wird zunächst
das Ventil 43' geöffnet und anschließend,
sobald sich die Vorrichtung 5' im Kanal 41' befindet,
wieder geschlossen. Dabei kann das Ventil 43' komplett
geschlossen sein bzw. zumindest gasdicht geschlossen sein, falls
die Vorrichtung 5' mit Kabeln an eine Elektronik im Außenraum
verbunden ist. Nachdem das Ventil 43' geschlossen ist kann
das Ventil 44' entweder aktiv oder passiv geöffnet
werden, so dass der Sensor 51' direkten Kontakt zum Gasraum 6 erhält.
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Beim
Herausnehmen bzw. Ausführen des Sensors 51' wird
das Ventil 44' wieder geschlossen, so dass kein Isoliergas
austreten kann. Der Sensor 51' und die Ankopplung im Gehäuse
bzw. sein Abstand zum Leiter sind derart aufeinander abgestimmt,
dass die zu messenden Werte erfasst werden können ohne
die für die Hochspannungsfestigkeit erforderlichen Abstände
im Gasraum zum Leiter und die maximal zulässigen Feldstärken
im Kanal zu überschreiten. Die Abdeckvorrichtung 4' ist
insbesondere für Sensoren geeignet, welche direkten Kontakt
zum Isoliergas benötigen. Dies ist beispielsweise der Fall
bei Temperatur- oder Druckmessungen.
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Aufgrund
der geringen Baugröße der hier gezeigten Sensoren
wird ein einfacher – direkter oder indirekter – Zugang
zum Gasraum möglich. Auf jeden Fall ist ein Möglichkeit
geschaf fen, die zu messende Messgröße nahezu verlustfrei
zu erfassen, ohne bei einem Austausch des Sensors den Gasraum leeren und
wieder befüllen zu müssen. Auf diese Weise kann
die zu erwartende Lebensdauer der Hochspannungsschaltanlage von
40 bis 50 Jahren leicht erreicht werden.
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- 1
- Hochspannungsanlage
- 2
- Leiter
- 20
- Längsachse
- 3
- Gehäuse
- 30
- Aussparung
- 31
- Innenseite
des Gehäuse
- 32
- Außenseite
des Gehäuse
- 34
- Schrauben
- 4,
4'
- Abdeckvorrichtung
- 40
- Auswölbung
- 41
- Innenseite
der Abdeckvorrichtung
- 42
- Außenseite
der Abdeckvorrichtung
- 40'
- Schleuse
- 41'
- Kanal
- 43',
44'
- Ventil
- 45'
- Gewinde
- 5,
5'
- Vorrichtung
zum Erfassen von Messgrößen
- 51,
51'
- Sensor
- 52,
52'
- Halbleitersubstrat
- 53
- Schaltungslogik
- 55,
56, 57
- Äquipotentialflächen
- 6
- Gasraum
- 60
- Isoliergas
- d
- Abstand
Außenseite Auswölbung-Leiter
- D
- Abstand
Innenseite Aussparung-Leiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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