DE102013104155A1

DE102013104155A1 - Faseroptischer Sensor, Hochspannungseinrichtung und Verfahren zum Prüfen einer Isolierung einer Hochspannungseinrichtung

Info

Publication number: DE102013104155A1
Application number: DE201310104155
Authority: DE
Inventors: Phillip Rohwetter; Daniel Pepper
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: DE102013104155B4

Abstract

Es wird ein faseroptischer Sensor (50) umfassend einen Elastomerkern (51) und eine Lichtleitfaser (52), die mindestens eine Wicklung um den Elastomerkern (50) derart bildet, dass der Elastomerkern (50) unter mechanischer Spannung steht, angegeben. Außerdem werden ein Verfahren zum Prüfen einer polymeren Isolierung (2, 3) einer Hochspannungseinrichtung (100) und eine Hochspannungseinrichtung (100) angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor, ein Verfahren zum Prüfen einer polymeren Isolierung einer Hochspannungseinrichtung sowie eine zugehörige Hochspannungseinrichtung.
In elektrischen Anlagen zur Energieversorgung kommt es auf Grund von schädigenden Einflüssen auf die Hochspannungsgarnitur und Alterungserscheinungen der Isolierungen immer wieder zu Ausfällen. Derartige Ausfälle können aber auch durch Montagefehler bedingt sein, da beispielsweise kleinste, während der Montage unbeabsichtigt in die Hochspannungsgarnitur eingebrachte Partikel im Betrieb zu extremen lokalen Feldüberhöhungen führen können. Hauptsächlich werden diese Ausfälle durch Teilentladungen verursacht. Während der Teilentladungen entstehen im Isolierstoff sogenannte Teilentladungsbäumchen, die im Laufe der Zeit wachsen und schließlich zu einem elektrischen Durchschlag führen, falls die betroffenen Anlagen nicht rechtzeitig abgeschaltet werden. Teilentladungen in Isolierungen von Kabelgarnituren, wie Endverschlüsse und Kabelmuffen für Starkstromkabel bzw. Hochspannungskabel, können in fortgeschrittenem Stadium daher zur Totalzerstörung (Explosion) der Kabelgarnituren und zu Netzausfällen führen. Auf Grund der mit dem Durchschlag verbundenen hohen Energiefreisetzung können dabei weitere Teile der Anlagen beschädigt werden. Die durch diese zwar eher seltenen Ereignisse verursachten Schäden können daher beträchtlich sein.
Im Bereich der Hochspannungs-Wechselstromtechnik ist die Detektion von Teilentladungen zwar eine etablierte Methode für das Auffinden von Schwachstellen bzw. ausfallgefährdeten Komponenten, z.B. über die Messung elektrischer Stromimpulse oder elektromagnetischer Signale oder akustischer Signale. Die Wechselstrommesstechnik benötigt aber auf Grund der Größe der zu prüfenden Hochspanungskomponenten und den daraus resultierenden vergleichsweise hohen Kapazitäten, relativ hohe Leistungen und ist entsprechend aufwendig. Außerdem können mit derartigen Messungen die einer Teilentladung typischerweise vorausgehenden Schädigungen der Isolierungen häufig nicht zuverlässig detektiert werden. Dies wäre aber für eine Prognose der Belastung bzw. des Ermüdungszustandes der Isolierung häufig wünschenswert. Für die gegenwärtig immer stärker ins Interesse rückende Gleichspannungstechnik, z.B. die HGÜ-Technik (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Technik) gibt es zudem noch kein vergleichbar etabliertes Verfahren der Detektion von Montagefehlern bzw. von Schädigungsprozessen der Isolierung. Daher besteht ein Bedarf für Prüfverfahren von Isolierungen in Hochspannungsgarnituren.
Gemäß der gängigen Vorstellung verändert sich ein polymeres Isoliermaterial im Hochspannungswechselfeld in mehreren Stufen. Dabei wird typischerweise von einem dreistufigen phänomenologischen Alterungsmodell polymerer Isolierungen ausgegangen, das den Teilentladungsprozess als dritte Stufe einschließt. In der ersten Stufe erfolgt eine Bereitstellung von Ladungsträgern, die je nach Material und Feldverteilung durch eine charakteristische kritische Feldstärke gekennzeichnet ist. Dieser Prozess kann im Isolierstoffvolumen überall dort ablaufen, wo infolge z.B. herstellungsbedingter Inhomogenitäten die kritische Feldstärke überschritten wird. Er kann aber auch an der Grenzfläche zum stromführenden Leiter stattfinden. Die zweite Modellstufe ist dadurch charakterisiert, dass mit dem Beginn der Ladungsträgerinjektion ein Energietransfer vom elektrischen Feld über die injizierten Ladungsträger auf die Polymermatrix stattfindet. Materialabhängige und herstellungsbedingte Inhomogenitäten spielen hierbei eine zentrale Rolle, da sie als Startpunkte der nun einsetzenden irreversiblen Schädigungsmechanismen dienen. Durch die Ladungsträgerinjektion in den jeweiligen Halbschwingungen des Hochspannungswechselfelds kommt es zu einem Raumladungsaufbau in Haftstellen. Dabei kann es zu Elektrolumineszenzerscheinungen kommen. Das Auftreten von Elektrolumineszenz in dieser Phase kann durch sogenannte "hot-electron"-Prozessen, durch Anregung von Molekülen, und durch Ladungsträgerrekombinationen verursacht werden. Welche dieser Prozesse ggf. dominieren, ist vom Material abhängig. Der Energietransfer über die injizierten Ladungsträger führt zu irreversiblen chemischen, mechanischen und thermischen Veränderungen des Polymergefüges. Dabei wird der lokale Feldstärkeverlauf durch Raumladungsrückwirkungen typischerweise stark beeinflusst. Anschließend kann es zur Ausbildung von Mikrohohlräumen kommen, die mit der Emission akustischer Signale verbunden sein können und in denen nach Überschreiten einer kritischen Größe Teilentladungen zünden, womit die dritte Stufe erreicht ist. Je nach Stärke sind die Teilentladungen mit kurzen Schallemissionen im Bereich von etwa 10 kHz bis etwa einigen Hundert kHz verbunden. Durch elektrochemische Veränderungen (Reaktionsschwund) und/oder während der Teilentladungen können sich außerdem mechanische Spannungen entwickeln und in deren Folge Risse und Spalten im Isoliermaterial bilden.
Im weiteren Verlauf können dann immer stärkere Teilentladungen auftreten, die zu wachsenden Teilentladungsbäumchen und schließlich zum unerwünschten elektrischen Durchbruch führen können.
Die Prozesse, die in Dielektrika unter Gleichspannungsbelastung zu Teilentladungen führen, könnten ähnlich ablaufen. Der Mechanismus der Schallemission vor dem Einsetzen von Teilentladungen unter Gleichspannungsbelastung basiert vermutlich auf der mechanischen Kopplung einer sich bildenden und sich wiederholt abrupt relaxierenden inhomogenen Raumladungsverteilung mit der Matrix des Isolierstoffs. Diese Prozesse werden nach derzeitigem Kenntnisstand durch fortwährende Ladungsträgerinjektion angetrieben, sind aber weit weniger gut verstanden als für den Fall der Wechselspannungsbelastung und bilden den Gegenstand der aktuellen Forschung. Treten dann analog zum Wechselspannungsfall nach fortgesetzter Frühschädigung Teilentladungen auf, resultieren damit verbundene akustische Emissionen durch die wesentlich besser verstandenen thermomechanischen Prozesse, die auch bei Wechselspannungs-Teilentladungen zu Schallemissionen führen. Typischerweise ist aber das Zeitfenster zwischen dem Auftreten von Teilentladungen und einem Durchschlag im Gleichspannungsfall viel kürzer als im Wechselspannungsfall. Daher ist eine Detektion von Teilentladungen bzw. von Teilentladungen vorausgehenden Schädigungen für mit Gleichspannung betriebene Hochspannungseinrichtung von besonderer Bedeutung.
Im Hinblick auf das oben Gesagte, schlägt die vorliegende Erfindung einen faseroptischen Sensor gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 5 und eine Hochspannungseinrichtung gemäß Anspruch 10 vor.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein faseroptischer Sensor einen Elastomerkern und eine Lichtleitfaser, die mindestens eine Wicklung um den Elastomerkern derart bildet, dass der Elastomerkern unter mechanischer Spannung steht. Dabei handelt es sich um eine Druckspannung von typischerweise mehr als 100 kPa, noch typischer von etwa 1 MPa. Durch die mechanische Spannung zwischen dem Elastomerkern und der mindestens eine Wicklung kann eine besonders hohe Empfindlichkeit des faseroptischen Sensors für akustische Signale, insbesondere für Ultraschallsignale, erreicht werden. Der faseroptische Sensor kann dadurch zumindest so empfindlich wie piezobasierte Ultraschallsensoren sein, im Gegensatz zu diesen aber auch für Messungen im elektrischen Hochspannungsfeld eingesetzt werden. Dies ermöglicht es, den Elastomerkern mit der mindestens eine Wicklung nahe einer Isolierung einer Hochspannungseinrichtung, typischerweise innerhalb eines Gehäuses der Hochspannungseinrichtung, z.B. direkt akustisch mit Isolierung gekoppelt, unterzubringen. Dadurch können Teilentladungen bzw. Teilentladungen vorrausgehende montagebedingte Fehler und/oder betriebsbedingte Schädigungen der Isolierung hochempfindlich und zuverlässige detektiert werden. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Elastomerkern in direktem mechanischen Kontakt mit einem akustisch zumindest ähnlichem Teil der Isolierung steht, z.B. mit einem elastomeren Feldsteuerteil der Hochspannungseinrichtung. Dadurch lassen sich Schallreflektionen an der Grenzfläche zwischen dem Elastomerkern und der Isolierung zumindest weitgehend vermeiden und so auf Grund der guten akustischen Ankopplung die Messempfindlichkeit des Sensors weiter erhöhen.
Der Begriff "Hochspannung", wie er vorliegend verwendet wird, soll Spannungen oberhalb von etwa 1 kV umfassen, insbesondere soll der Begriff Hochspannung die in der Energieübertragung üblichen Nennspannungsbereiche der Mittelspannung von etwa 3 kV bis etwa 50 kV, der Hochspannung von etwa 50 kV bis etwa 110 kV als auch Höchstspannungen bis derzeit etwa 500 kV umfassen. Für den Fall, dass die Kabelbetriebsspannungen weiter erhöht werden, sollen auch diese Spannungsbereiche mit umfasst werden. Dabei kann es sich sowohl um Gleichspannungen als auch um Wechselspannungen handeln. Der Begriff "Hochspannungskabel", wie er vorliegend verwendet wird, soll ein Kabel beschreiben, das dazu geeignet ist, Starkstrom, d.h. elektrischen Strom von mehr als etwa einem Ampere bei Spannungen oberhalb von etwa 1 kV, zu führen. Im Folgenden werden die Begriffe Hochspannungskabel und Starkstromkabel synonym verwendet. Dementsprechend soll der Begriff der "Hochspannungsgarnitur" oder "Hochspannungskabelgarnitur" eine Vorrichtung beschreiben, die geeignet ist, Hochspannungsanlagen und/oder Hochspannungskabel miteinander zu verbinden.
Der Begriff „Teilentladung“, wie er vorliegend verwendet wird, soll kurzzeitige, relativ energiearme und lokal begrenzte Entladungen in der Isolierung, die nicht sofort zu einem elektrischen Durchschlag führen, aber das Material der Isolierung irreversibel schädigen, beschreiben. Der Begriff „Teilentladung“ soll insbesondere den Begriff der „inneren Teilentladung“, d.h. einer äußerlich nicht unbedingt sichtbaren Entladungserscheinungen in nicht gasförmigen Isoliermaterialien, insbesondere in festen Isoliermaterialien wie Polymeren, umfassen. Ausgehend von Fehlstellen, wie Hohlräumen und Fremdeinschlüssen oder Grenzflächen zu anderen Materialien, insbesondere zu hochspannungsführenden Leitern, können Teilentladungen zu im Laufe der Zeit wachsenden Teilentladungsbäumchen im Isoliermaterial führen, was schließlich zu einem Durchschlag führen kann. Teilentladungsbäumchen haben typischerweise eine Größe von mehr als etwa 1 µm (Mikrometer).
Als Maß für die Stärke einer Teilentladung kann die direkt an den Prüfanschlüssen einer elektrischen Messanordnung messbare scheinbare Ladung verwendet werden. Mit etablierten elektrischen und elektromagnetischen Messmethoden können gegenwärtig unter in der Praxis üblichen Testbedingungen Teilentladungen mit einer scheinbaren Ladung von mehr als etwa 1 pC (pico Coulomb) nachgewiesen werden. Die Industrienorm IEC 60840 Ed. 4, 2011 fordert für die Prüfung von Hochspannungskabelanlagen eine Messgenauigkeit von etwa 5 pC. Im Hochspannungsbetrieb der Hochspannungseinrichtung wird die Messempfindlichkeit dieser Methoden durch elektromagnetische Grundstörpegel jedoch auf einen Bereich von etwa 20 pC bis etwa 50 pC begrenzt. Der Begriff „Teilentladung“, wie er vorliegend verwendet wird, soll insbesondere Entladungen in der Isolierung mit scheinbaren Ladungen, d.h. elektrisch messbaren scheinbaren Ladungen, von mehr als ca. 1 pC umfassen.
Der Begriff „Elastomerkern“, wie er vorliegend verwendet wird, soll einen Körper, typischerweise einen zylinderförmigen Körper, um dessen Mantelfläche die Lichtleitfaser eine oder mehrere Wicklungen bildet, aus einem bei Zug- und Druckbelastung elastisch (reversibel) verformbaren dielektrischen Material geringer Volumenkompressibilität und hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit umfassen. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit beträgt typischerweise mehr als etwa 1 kV/mm, noch typischer mehr als etwa 10 kV/mm. Typischerweise ist der Elastomerkern unter den Messbedingungen im Wesentlichen inkompressibel. Dies bedeutet, dass der Elastomerkern typischerweise aus einem isotropem linear-elastischem Material mit einer Poissonzahl (Querkontraktionszahl) besteht, die größer als etwa 0,49 ist, z.B. aus einem entsprechenden Polymer bzw. Elastomer, z.B. einem Silikonelastomer. Dadurch können die in den Elastomerkern eintretenden Schallwellen sehr effektiv in Längenänderungen der einen oder mehreren Wicklungen der Lichtleitfaser umgesetzt werden. Diese Längenänderungen können mittels einer Auswerteeinheit, typischerweise interferometrisch hochempfindlich ausgewertet werden. Dazu ist die Lichtleitfaser mit einer an sich bekannten entsprechenden Auswerteeinheit, typischerweise einer interferometrischen Auswerteeinheit gekoppelt.
Das System aus Elastomerkern, Lichtleitfaser und Auswerteeinheit ist typischerweise eingerichtet, Schallsignale in einem Frequenzbereich von etwa 10 kHz bis etwa 500 kHz, typischer von etwa 20 kHz bis etwa 300 kHz zu detektieren, die für mit Teilentladungen verbundenen akustische Signale bzw. für Teilentladungen vorausgehende akustische Signale in polymeren Isolierungen typisch sind. Das System aus Elastomerkern, Lichtleitfaser und Auswerteeinheit kann aber auch eingerichtet sein, Schallsignale in einem Frequenzbereich von etwa 20 kHz bis nur etwa 100 kHz zu detektieren, in dem der überwiegenden Teil der Schallenergie von der Isolierung emittiert werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung umgibt die Lichtleitfaser zumindest einen Teil einer Oberfläche des Elastomerkerns spulenförmig. Beispielsweise kann die Lichtleitfaser die Mantelfläche oder zumindest einen Teil der Mantelfläche eines zylinderförmigen Elastomerkerns umgeben. Dabei können die Wicklungen der Lichtleitfaser miteinander und/oder dem Elastomerkern verklebt sein, z.B. mittels eines Epoxidklebers oder eines Acrylatklebers. Da das Coating der Lichtleitfaser typischerweise besser kompressibel als der Elastomerkern ist, hängt die Messempfindlichkeit des faseroptischen Sensors nicht linear mit der Gesamtlänge der Wicklungen zusammen. Hinsichtlich der Messempfindlichkeit des faseroptischen Sensors für Ultraschallsignale im Bereich von etwa 20 kHz bis etwa 300 kHz haben sich mehrlagige spulenförmige Wicklungen mit einem Durchmesser von etwa 12 mm und einer Höhe von etwa 5 mm sowie mit einer Gesamtlänge von etwa 20 bis 30 m als besonders günstig erwiesen. Je nach Schallmedium, Schallquelle und Frequenzbereich kann der Durchmesser und die Anzahl der Wicklungen der Lichtleitfaser jedoch auch von den angegebenen typischen Werten abweichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Prüfen einer polymeren Isolierung einer Hochspannungseinrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Erzeugens eines inhomogenen statischen elektrischen Feldes von typischerweise mehr als 10 kV/m, noch typischer mehr als 100 kV/m in der polymeren Isolierung auf. Dies kann z.B. durch Anlegen einer entsprechenden statischen Prüfspannung von z.B. einigen kV oder sogar einigen 10 kV an die Hochspannungseinrichtung erfolgen. Die Prüfspannung wird dabei typischerweise so gewählt, dass bei korrekter Montage der Hochspannungseinrichtung keine Teilentladungen erwartet werden. Dadurch kann die Hochspannungseinrichtung schonend auf Montagefehler überprüft werden. Das Verfahren umfasst weiter die Schritte des Ermittelns von Messwerten für akustische Signale, die von der polymeren Isolierung ausgehen, und des Abschätzens einer elektrischen Teilentladungsfestigkeit der Isolierung unter Verwendung der Messwerte. Im Vergleich zur Wechselfeldmessung benötigt das elektrostatische Prüfverfahren eine geringere Leistung der Messapparatur. Die zugehörige Messapparatur kann daher auch vergleichsweise einfach sein, da anstelle einer resonant arbeitenden Hochspannungswechselquelle lediglich eine schaltbare statische Hochspannungsquelle benötigt wird, die typischerweise nicht gepulst betrieben wird.
Gemäß einer Weiterbildung werden die Messwerte mit einem faseroptischen Sensor ermittelt, der einen Elastomerkern und eine Lichtleitfaser aufweist, die mindestens eine Wicklung um den Elastomerkern bildet, derart, dass der Elastomerkern unter mechanischer Spannung steht und dessen Elastomerkern akustisch mit der Isolierung gekoppelt ist. Dies ermöglicht eine besonders empfindliche Messung, da der sensitive Teil des Sensors nahe der erwarteten Schallquelle positioniert sein kann, typischerweise innerhalb eines die Isolierung umgebenden Gehäuses der Hochspannungseinrichtung. Die bedeutet, dass der sensitive Teil des Sensors während der Messung einer Hochspannung bzw. einem hohen elektrischen Feld von mindestens 1000 V/m, typischerweise mehr 10 kV/m oder sogar mehr als 100 kV/m ausgesetzt ist, in dem piezobasierte Sensoren nicht verwendet werden können. Die zugehörige Messapparatur umfasst weiterhin typischerweise eine mit der Lichtleitfaser gekoppelte interferometrische Steuer- und Auswerteeinheit und eine von der Steuer- und Auswerteeinheit gesteuerte schaltbare statische Hochspannungsquelle. Dies ermöglicht auch Teilentladungen vorrausgehende Veränderungen der Isolierung und/oder Entladungserscheinung zu detektieren, die mit der von der Industrienorm IEC 60840 geforderten Messgenauigkeit für Entladungserscheinung bisher nicht erfasst werden können.
Zur Erhöhung der Prognosesicherheit und/oder Messgeschwindigkeit können auch mehrere, akustisch mit der Isolierung gekoppelte faseroptischen Sensor verwendet werden.
Typischerweise liegen die Ausdehnungen des Elastomerkerns in einem Bereich von etwa einem Zehntel bis etwa dem zehnfachen, noch typischer in einem Bereich von etwa einem Fünftel bis etwa dem fünffachen einer im Elastomerkern erwarteten Wellenlänge des Schallsignals und/oder die Materialien des Elastomerkerns und der Isolierung sind akustisch aufeinander abgestimmt, um eine besonders hohe Messempfindlichkeit zu erreichen. Der Elastomerkern und die Isolierung können sogar aus dem gleichen Material, z.B. einem Silikonelastomer bestehen, wodurch auch elektrische Feldverzerrungen durch den faseroptischen Sensor zumindest weitgehend vermieden werden.
Gemäß noch einer Weiterbildung umfasst das Abschätzen der elektrischen Teilentladungsfestigkeit das Vergleichen der Messwerte mit einem oder mehreren Schwellenwerten, das Vergleichen der Messwerte mit Referenzmesswerten, und/oder das Abschätzen einer Teilentladungswahrscheinlichkeit für eine gegebene Betriebszeit. Daraus lassen sich zuverlässige Aussagen über die Verwendbarkeit der geprüften Hochspannungseinrichtung unter Betriebsbedingungen ableiten, was zur Erhöhung der Betriebssicherheit beitragen kann.
Außerdem kann das Abschätzen der elektrischen Teilentladungsfestigkeit das Lokalisieren einer Schallquelle umfassen, wozu typischerweise mehrere faseroptischen Sensoren verwendet werden. Dies kann einerseits die Prognosesicherheit erhöhen, andererseits dazu genutzt werden Montagefehler zu korrigieren.
Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Hochspannungseinrichtung zur Aufnahme eines Hochspannungskabels mit einem zum Leiten elektrischen Stroms eingerichteten Leiter und einer den Leiter umgebenden Kabelisolierung Folgendes: eine Isolierung, die eingerichtet ist, die Kabelisolierung zumindest teilweise zu umgeben, einen mit der Isolierung mechanisch gekoppelten Elastomerkern, und eine Lichtleitfaser, die mindestens eine Wicklung um den Elastomerkern derart bildet, dass der Elastomerkern unter mechanischer Spannung steht. Dabei kann die Hochspannungseinrichtung eine Kabelmuffe, ein Kabelendverschluss, ein Generator, ein Spannungswandler (Trafo) oder eine Schaltanlage bilden. Der Elastomerkern und die mindestens eine Lichtleitfaser bilden einen Teil faseroptischen Sensors, mit dessen Hilfe eine empfindliche und zuverlässige Prüfung der Isolierung auf Teilentladungsfestigkeit bzw. Alterung erfolgen kann. Dies kann durch Anlegen einer statischen Prüfspannung vor Inbetriebnahme oder während einer Wartung erfolgen. Insbesondere für Gleichspannungsanlagen kann aber auch ein Monitoring während des Hochspannungsbetriebs erfolgen. Dafür können ebenfalls mehrere faseroptische Sensoren verwendet werden.
Typischerweise sind die Materialien und die Geometrie des Elastomerkerns und der Isolierung akustisch aufeinander abgestimmt, um eine besonders hohe Messempfindlichkeit zu erreichen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:
1A einen schematischen Querschnitt eines faseroptischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1B und 1C schematische Querschnitte eines mit einer Isolierung gekoppelten faseroptischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 einen schematischen Querschnitt einer Hochspannungsgarnitur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung eines Messaufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
4A und 4B exemplarische Messergebnisse, die mit dem in 3 gezeigten Messaufbau erhalten wurden.
1A zeigt einen schematischen Querschnitt eines faseroptischen Sensors 50 zur Detektion akustischer Signale mit einem typischerweise zylinderförmigen Elastomerkern 51 aus einem Silikonelastomer (Silikonelastomerkern) und einer Lichtleitfaser 52, die mehrere Windungen, typischerweise eine Vielzahl von Windungen, um die Mantelfläche des Silikonelastomerkerns 51 bildet, so dass der Silikonelastomerkern 51 unter mechanischer Druckspannung steht. Die Windungen der Lichtleitfaser 52 und der Elastomerkerns 51 bilden einen mechanisch stabilen Verbund. Dazu können die Windungen der Lichtleitfasern 52 miteinander und/oder mit dem Elastomerkern 51 verklebt sein. Der faseroptischen Sensors 50 kann in Kabelgarnituren integriert werden. So können die akustischen Emissionen nahe an der Quelle detektiert werden.
Zur Herstellung des faseroptischen Sensors 50 kann bspw. zunächst aus der Lichtleitfaser 52 eine im Wesentlichen zylinderförmige, stabile Spule mit einem etwas kleineren Innendurchmesser als der Elastomerkern 51 gebildet werden, deren Windungen miteinander verklebt sind, z.B. mit einem UV-härtenden Epoxydharzkleber oder Acrylatkleber. Danach kann der Elastomerkern 51 entlang seiner Zylinderachse gestreckt, der gestreckte Elastomerkern 51 in die Spule geführt und schließlich der Elastomerkern 51 wieder entspannt werden. Dadurch kann ein stabiler Verbund zwischen den Windungen der Lichtleitfaser 52 und dem unter Druckspannung stehenden Elastomerkern 51 gebildet werden.
Da der Silikonelastomerkern 51 unter den Betriebsbedingungen praktisch inkompressibel ist, können in den Elastomerkern 51 eintretende Schallsignale in Längenänderungen der Lichtleitfaser 52 im Windungsbereich umgesetzt werden, was in den 1B und 1C verdeutlicht wird, wobei in diesen Figuren der Windungsbereich nur schematisch, die Schallsignale als gestrichelte Linien und deren Ausbreitungsrichtung durch einen entsprechenden Pfeil dargestellt sind. Wenn der Elastomerkern 51 akustisch mit einer Isolierung 2, z.B. einem Polymerkörper, gekoppelt ist, z.B. in direktem mechanischem Kontakt mit der Isolierung 2 steht, wie in den 1B und 1C gezeigt wird, so kann ein longitudinales Druckwellenpaket in der Isolierung 2 (1B) in ein sogenanntes axial-radiales Wellenpaket (1C) umgesetzt werden, wodurch sich die Gesamtlänge der Lichtleitfaser 52 vergrößert. Dies führt zu einer entsprechenden Laufzeitverlängerung für optische Signale in der Lichtleitfaser 52, die mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit bestimmt und so ein Schallereignis in der Isolierung 2 empfindlich detektiert werden kann. Die Auswerteeinheit ist typischerweise eine interferometrische Auswerteeinheit, die mit den ebenfalls nicht dargestellten Enden der Lichtleitfaser 52 verbunden ist.
Um eine besonders hohe Messempfindlichkeit zu erreichen, werden die Ausdehnungen des Elastomerkerns 51 typischerweise auf die Frequenz bzw. die Welllänge der erwarteten akustischen Signale angepasst. Dies bedeutet, dass die Größenordnung der Ausdehnungen des Elastomerkerns 51, insbesondere des Durchmesser des Elastomerkerns 51, typischerweise im Bereich einer Wellenlänge λ des erwarteten akustischen Signals im Elastomerkern 51 liegen. Beispielsweise kann ein Silikonelastomerkern zum Nachweis von akustischen Signalen um etwa 100 kHz einen Durchmesser von etwa 1 cm (entspricht der Wellenlänge λ in Silikon bei 100 kHz), z.B. in einem Bereich von etwa 0,4 cm bis etwa 2,5 cm, typischer in einem Bereich von etwa 0,5 cm bis etwa 1,5 cm, und eine Höhe in einem Bereich von etwa 0,25 cm bis etwa 2,5 cm, z.B. von etwa 0,5 cm aufweisen.
Typischerweise wird eine biegesame und sehr dünne Lichtleitfaser 52, z.B. eine Lichtleitfaser mit einem Außendurchmesser (Cladding-Durchmesser) von 62,5 µm oder weniger, z.B. von 50 µm verwendet. Mit diesen Lichtleitfasern 52 lassen faseroptische Sensoren mit Faserspulen mit einer Gesamtlänge im Windungsbereich von mehreren Meter oder sogar einigen 10 m erzeugen und so eine extrem hohe Messempfindlichkeit für Ultraschallsignale erreichen.
Um eine besonders gute akustische Anpassung des Sensors 50 an die Isolierung 2 zu erreichen, kann zudem vorgesehen sein, dass das Material des Elastomerkerns 51 hinsichtlich seiner akustischen Eigenschaften wie Schallgeschwindigkeit an die Isolierung 2 angepasst ist, z.B. aus dem gleichen Material besteht.
2 zeigt eine Hochspannungsgarnitur 100 zur Aufnahme eines Hochspannungskabels 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer schematischen zentralen Querschnittsansicht entlang der Zylinderachse des Hochspannungskabels 1. Das rotationssymmetrische Hochspannungskabel 1 enthält im Innern einen Leiter 11 zum Leiten von Starkstrom, bspw. einen Aluminium- oder Kupferleiter, der von einer Kabelisolierung 12, typischerweise einer VPE-Isolierung (vernetztes Polyethylen), und einer äußeren Kabelschirmung 13, z.B. einer äußeren Leitschicht oder einem halbleitenden äußeren Kabelschirm, umgeben ist. Weiterhin kann das Hochspannungskabel 1 zusätzlich Polsterschichten und einen Kupferschirm und einen äußeren Mantel zum Schutz gegenüber Umwelteinflüssen aufweisen. Dabei kann es sich um einen Polyethylen-Mantel oder einen Mantel aus einem anderen halogenfreien Material handeln. Diese Komponenten sind in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Außerdem kann das Hochspannungskabel 1 eine innere Leitschicht zwischen dem Leiter 11 und der VPE-Isolierung aufweisen. Diese innere Leitschicht ist ebenfalls nicht dargestellt.
Die in 2 exemplarisch dargestellte Hochspannungsgarnitur 100 stellt einen Kabelendverschluss 100 für ein Wechsel- oder Gleichspannungsnetz dar, wie er z.B. bei Freileitungen verwendet wird. Der Kabelendverschluss 100 hat ein Gehäuse 110, z.B. ein Keramikgehäuse, das die inneren Teile der Hochspannungsgarnitur 1 gegenüber der Umgebung abschließt. Im Innern des Gehäuses 110 ist ein Isoliergebiet 3 angeordnet. Das Isoliergebiet 3 kann z.B. durch einen mit Öl oder Gas gefüllten Isolierraum oder einen Polymerkörper gebildet werden. Das Isoliergebiet 3 bildet typischerweise ein im Wesentlichen zylindersymmetrisches Gebiet.
An dem in den Kabelendverschluss 100 eingeführten Hochspannungskabel 1 sind die äußeren Schichten (Kabelmantel, Polsterschichten und metallischer Schirm) entfernt, die typischerweise halbleitende äußere Kabelschirmung 13 bis in den Bereich des Feldsteuerteils 2 weitergeführt und danach durch den Endverschluss hindurch bis zur Kopfarmatur nur noch die Kabelisolierung 12 mit dem Leiter 11 axial weitergeführt. Nur der Leiter 11 wird vollständig durch den Kabelendverschluss 100 geführt, um im rechten Bereich von 2 nach Verlassen des Kabelendverschlusses 100 an die Freileitung angeschlossen zu werden. Im Innern des Kabelendverschlusses 100 ist der Leiter 11 nur im Bereich der entfernten Kabelisolierung vom Isoliergebiet 3 direkt umgeben. Zur Aufnahme des Hochspannungskabels 1 ist in das Isoliergebiet 3 ein rotationssymmetrisches elektrisch isolierendes Feldsteuerteil 2 eingesetzt, das denjenigen Raum innerhalb des Isoliergebietes 3 einnimmt, in dem die elektrische Feldstärke zu groß für die Isoliermaterialien im Isoliergebiet 3 wäre. Das Feldsteuerteil 2 verfügt über einen inneren Hohlzylinder, in den das Hochspannungskabel 1 eingeschoben werden kann. Beispielsweise kann das Feldsteuerteil 2 als Feldsteuerkonus ausgeführt sein. Typischerweise ist das Feldsteuerteil 2 ein elastomeres Feldsteuerteil, das aus einem Elastomerkörper besteht, z.B. aus einem Silikonelastomerkörper. Der innere Hohlzylinder ist typischerweise so dimensioniert, dass zwischen der Kabelisolierung 12 des eingeschobenen Kabels 1 und dem Feldsteuerteil 2 eine Presspassung vorliegt und das Feldsteuerteil 2 somit einen Stresskonus bildet. Das Isoliergebiet 3 und das Feldsteuerteil 2 bilden zusammen die Isolierung 2, 3 des Kabelendverschlusses 100.
Das Feldsteuerteil 2 und/oder das Hochspannungskabel 1 können zusätzlich, beispielsweise über Federn, am Gehäuse 110 oder in einem sich auf Erdpotential befindenden kabelnahen Bereich 5 des Isoliergebiets 2 fixiert werden, z.B. wenn das Isoliergebiets 3 durch einen Feststoffisolierkörper, z.B. einem Polymerkörper gebildet ist. Eine derartige Fixierung von Feldsteuerteil 2 und/oder Hochspannungskabel 1 wird typischerweise bei einem Aufbau des Kabelendverschlusses 100 in Komponentenbauweise verwendet. Alternativ dazu kann der Aufbau des Kabelendverschlusses 100 auch entsprechend der Wickeltechnik oder Aufschiebetechnik ausgeführt sein. Die Isolierung umfasst unabhängig von der verwendeten Bauweise ein Feldsteuerteil 2 zur Aufnahme des Kabels 1 mit teilweise entfernter Kabelisolierung 12 und zur geeigneten Führung der Feldlinien im Hochspannungsbetrieb.
Für den Abbau des elektrischen Feldes wird typischerweise ein elastomerer Feldsteuerteil 2 verwendet, in das ein geeignet geformter leitfähiger Deflektor 4 integriert ist. Der leitfähige Deflektor 4 ist in elektrischem Kontakt mit der Kabelschirmung 13. Typischerweise besteht der leitfähige Deflektor 4 ebenfalls aus einem Silikoneleastomer, der jedoch durch Dotierung über eine geeignete elektrische Leitfähigkeit verfügt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist im Innern der Hochspannungsgarnitur 100 ein faseroptischer Sensor 50 angeordnet, wie er mit Bezug zu den 1A bis 1C beschrieben wurde.
In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel steht der typischerweise ebenfalls aus einem Silikonelastomer bestehende Elastomerkern 51 des Sensors 50 in direktem mechanischen Kontakt mit dem elastomeren Feldsteuerteil 2. Dadurch können einerseits eine gute akustische Ankoppelung des Sensors 50 und andererseits eine nur unwesentliche Änderung des elektrischen Feldverlaufs der Hochspannungsgarnitur 100 durch den Sensor 50 sichergestellt werden.
Falls die effektive Dielektrizitätskonstante der faseroptischen Sensoren 50 von der Dielektrizitätskonstante des Elastomerkörpers 2 abweicht, kann es zu einer Veränderung der elektrischen Feldverteilung im Elastomerkörper 2 kommen. Dann kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Form und/oder Leitfähigkeit des Feldsteuerkonus 4 so modifiziert wird, dass die Veränderung des elektrischen Feldes durch den faseroptischen Sensor 50 kompensiert wird.
Mittels des faseroptischen Sensors 50 können Schwingungen im Feldsteuerteil 2 empfindlich nachgewiesen werden, und so die von einer Teilentladung oder einer der Teilentladung vorausgehenden Veränderung des Feldsteuerteils über damit verbundene Schallemissionen detektiert werden. Auf Grund der mechanischen Kopplung zwischen dem Feldsteuerteil 2, dem Isoliergebiet 3 und der Kabelisolierung 12 können vom faseroptischen Sensor 50 typischerweise auch Schallereignisse detektiert werden, die durch Teilentladungen oder der Teilentladung vorausgehenden Veränderungen im Isoliergebiet 3 und/oder der Kabelisolierung 12 verursacht werden.
Im Vergleich zu außerhalb der Hochspannungskabelgarnitur 100 angeordneten elektromagnetischen oder piezoelektrischen Sensoren oder Messaufbauten ermöglicht die Detektion von Schallereignissen mit dem im Hochfeldbereich angeordneten faseroptischen Sensor 50 eine einfachere und/oder empfindlichere und/oder frühere Detektion von hochspannungsfeldverursachten Veränderungsprozessen in der Isolierung 2, 3, 12. Dies gilt auch für Isolierungen von Kabelmuffen und anderen Hochspannungseinrichtung wie Schaltanlagen, z.B. einen Generator, oder einen Spannungswandler, z.B. einen Transformator, in dessen Innerem ein faseroptischer Sensor 50 mit der Isolierung mechanisch gekoppelt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Hochspannungseinrichtung 100 zur Aufnahme eines Hochspannungskabels 1 mit einem zum Leiten elektrischen Stroms eingerichteten Leiter 11 und einer den Leiter 11 umgebenden Kabelisolierung 12 Folgendes: eine Isolierung 2, 3, die eingerichtet ist, die Kabelisolierung 12 zumindest teilweise zu umgeben, und mindestens einen akustisch mit der Isolierung 2, 3 gekoppelten faseroptischen Sensor 50 mit einem Elastomerkern 51 und einer Lichtleitfaser 52, die mindestens eine Wicklung um den Elastomerkern bildet, so dass der Elastomerkern 51 unter mechanischer Spannung steht. Dabei können auch mehrere faseroptische Sensoren 50 vorgesehen sein, die z.B. auf und um ein Feldsteuerteil 2 angeordnet sein können. Damit kann z.B. die Schallquelle räumlich lokalisiert werden und/oder die im Folgenden beschriebenen Verfahren schneller und/oder mit höherer Zuverlässigkeit ausgeführt werden.
3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Messaufbaus 1000 mit dem die Empfindlichkeit des mit Bezug zu den 1A bis 1C beschriebenen faseroptischen Sensors 50 unter geschirmten Laborbedingungen im Vergleich zur elektrischen, an die Norm IEC 60270 angelehnten Messung von Teilentladungen, wie auch mit einem konventionellen, sich außerhalb des Hochspannungsfeldes und auf Massepotential befindlichen Piezodetektor 60 ermittelt wurde. Dabei wurden sämtliche Signale mittels dreier parallel arbeitender High-End-Mess- und Analysegeräte MPD 600 für Teilentladungen (Omicron electronics GmbH, Erlangen) analysiert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 3 auf die Darstellung weiterer Komponenten des drei MPD 600 Subsysteme umfassenden MPD-Systems, des mit dem faseroptischen Sensor gekoppelten interferometrischen Auswertesystems (basierend auf einem Sagnac-Interferometer), des Hochgleichspannungsgenerators und der Zuleitungen, z.B. vom Hochgleichspannungsgenerator zur Masseelektrode 90 und zur Hochspannungselektrode 80 verzichtet worden. Bei dem Probekörper 2 handelt sich um einen würfelförmigen Silikonelastomerkörper mit einer formschlüssigen Aussparung für die Hochspannungselektrode 80. Der Verbund von Probekörper 2 und Hochspannungselektrode 80 wurde durch Vergießen erzeugt. Auf einer Würfelfläche des Probekörpers 2 wurde im Hochfeldbereich ein faseroptischer Sensor 50 mit einem mit dem Probekörper 2 kontaktierten Silikonelastomerkern 51 und einer den Silikonelastomerkern 51 unter Druckspannung setzenden spulenförmigen Lichtleitfaserwicklung einer 50 µm Glasfaser mit einer Wicklungslänge von etwa 25 m und einem Außendurchmesser von etwa 12 mm angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Lichtleitfaser 52 nur schematisch im Wicklungsbereich dargestellt. Um bei vergleichsweise moderaten Hochspannungen starke elektrostatische Felder im Probekörper 2 zu erzeugen, weist die Hochspannungselektrode 80 eine etwa 30 mm lange und etwa 0,2 mm dicke nadelförmige Spitze mit einem Spitzenradius von etwa 2 µm auf, die auf die Masseelektrode zeigt, und von dieser etwa 10 mm entfernt ist.
In den 4A und 4B sind exemplarische Messergebnisse dargestellt, die mit dem in 3 gezeigten Messaufbau erhalten wurden. Dabei sind in Abhängigkeit von der Messzeit t die mit dem elektrischen Kanal des MPD-Systems bestimmten Signale als scheinbare Ladungen Q_a in pC (gemessen in Anlehnung an die Norm IEC 60270) und die mit dem Sensor 50 ermittelten akustischen Signale S_a im Intervall von 40 kHz bis 190 kHz in relativen Einheiten dargestellt, wobei ein jeweiliger Wert Q_a = 1pC bzw. von S_a = 1 den entsprechenden Rauschschwellenwert darstellt. Wie den Kurven in 4A zu entnehmen ist, werden vom System MPD 600 selbst unter elektrisch geschirmten Laborbedingungen bei statischen Spannungen U_a zwischen der Hochvoltelektrode und der Masseelektrode von bis zu etwa 12 kV nur Rauschsignale detektiert, während mittels des faseroptischen Sensors 50 bereits oberhalb von etwa 10 kV für die angelegte Prüfspannung U_a signifikante akustischen Signale S_a detektiert werden, die jedoch noch keine elektrisch messbaren Teilentladungen darstellen. Teilentladungen vorrausgehende Veränderungen können bei höheren Spannungen U_a von etwa 16 kV mittels des faseroptischen Sensors 50 auch vor bzw. zwischen als solchen detektierbaren Teilentladungen erfasst werden, während der elektrische Kanal des MPD-Systems nur die eigentlichen Teilentladungen registriert, wie in 4B gezeigt wird. Die zwischen den Teilentladungen detektierten akustischen Signale S_a werden vermutlich von sich aufbauenden Raumladungszonen verursacht, die während der Teilentladungen relaxieren. Darauf deutet auch die kurze Phase relativer Ruhe kurz nach den Teilentladungen hin. Die zeitabhängige Kraft, die bei Anlegen eines elektrostatischen Feldes zur Abstrahlung von akustischen Wellenpaketen führt, beruht auf spontanen Relaxationen innerhalb der inhomogenen Raumladungswolke im Isolator. Treibende Kraft für diese Relaxationen ist eine fortwährende, für konventionelle Teilentladungsmesstechnik nicht erfassbare Injektion von Ladungsträgern in den Isolator durch eine oder mehrere leitende Fehlstellen. Die Ladungsträgerinjektion kann als quasi-Gleichstrom aufgefasst werden. Sie erfolgt zwar gegebenenfalls in diskreten Paketen von Ladungsträgern, jedoch liegt die Paketgröße im Bereich von bspw. nur etwa 10 fC und damit weit unterhalb derer, die einen für konventionelle Messtechnik erfassbaren Ladungspuls darstellen würde (~1pC). Nach dem hier vorgeschlagenen Modell wird durch die fortwährende Injektion von Ladungsträgern in den Isolator die Raumladungsverteilung zunehmend instabiler. Das Wechselspiel von Coulomb-Abstoßung innerhalb der Raumladungswolke, elektrostatischer Selbstabschirmung und Kraftwirkung durch das inhomogene elektrische Feld der leitenden Fehlstelle(n) führt irgendwann dazu, dass die Raumladungsverteilung schlagartig ihre Form ändert und die Raumladung eine energetisch günstigere Form annimmt. Ein Kriterium für das Einsetzen der schlagartigen Redistribution von Ladungen innerhalb der Raumladungswolke ist das Erreichen der Grenzfeldstärke in einem Punkt innerhalb der Ladungswolke. Als Folge der schlagartigen Redistribution von Ladungen innerhalb der Flaumladungswolke ändert sich als direkte Folge die in deren Raumbereich auf das Molekülgerüst des Isolatormaterials wirkende Kräfteverteilung ebenso schlagartig. Als Folge wird ein akustisches Wellenpaket abgestrahlt.
Insgesamt können Teilentladungen vorrausgehende Veränderungen und Teilentladungen mittels des faseroptischen Sensors 50 selbst unter geschirmten Laborbedingungen wesentlich empfindlicher detektiert werden. Dies ist auch unter realen Feldbedingungen zu erwarten und ermöglicht somit eine einfache, hochempfindliche Prüfung von Hochspannungsisolierungen vor der Inbetriebnahme und/oder während einer Wartung und zu dem eine zuverlässige Überwachung von Veränderungsprozessen der Isolierung im Normalgleichspannungsbetrieb von einem sehr frühen Stadium vor dem Einsetzten der das Material der Isolierung nachhaltig schädigenden Teilentladungen an bis in den Bereich der Teilentladungen hinein. Derartige Verfahren werden im Folgenden detailliert erläutert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird in einem ersten Schritt eines Verfahrens zum Prüfen einer polymeren Isolierung einer Hochspannungseinrichtung ein inhomogenes statisches elektrisches Feld von typischerweise mehr als 10 kV/m, noch typischer mehr als 100 kV/m in der polymeren Isolierung erzeugt. Dies kann durch Anlegen einer entsprechenden statischen Prüfspannung von z.B. einigen kV oder sogar einigen 10 kV an die Anschlüsse der Hochspannungseinrichtung erfolgen. Danach werden Messwerten für akustische Signale, die von der polymeren Isolierung ausgehen ermittelt und auf Basis der Messwerte eine elektrischen Teilentladungsfestigkeit der Isolierung ermittelt, z.B. abgeschätzt. Dieses Verfahren kann unter Verwendung der mit Bezug zu den 1A bis 1C beschriebenen faseroptischen Sensoren äußerst empfindlich sein und benötigt im Vergleich zu ähnlichen Wechselfeldmessungen eine geringere Leistung der Messapparatur. Typischerweise können mit dem Verfahren auch Veränderungsprozesse mit einer äquivalenten Ladung von unterhalb 1 pC detektiert werden.
Die Prüfspannung wird dabei typischerweise so gewählt, dass bei korrekter Montage der Hochspannungseinrichtung keine Teilentladungen zu erwarten sind. Dadurch kann die Hochspannungseinrichtung schonend auf Montagefehler geprüft und diese gegebenenfalls korrigiert werden, insbesondere dann, wenn die Schallquelle durch Verwendung mehrerer faseroptischer Sensoren oder wiederholte Messungen eines Sensors an unterschiedlichen Prüfpositionen lokalisiert werden kann. Dadurch können Ausfälle in Hochspannungseinrichtungen, von denen bis zu etwa 80% auf Montagefehler zurückgeführt werden können, drastisch reduziert werden. Mehrere, akustisch mit der Isolierung gekoppelte faseroptischen Sensoren können auch zur Erhöhung der Prognosesicherheit und/oder Messgeschwindigkeit verwendet werden. Außerdem kann, z.B. für die Kalibrierung, zusätzlich zu dem faseroptischen Sensor ein konventioneller piezoelektrischer akustischer Sensor verwendet werden.
Die Prüfspannung kann aber auch durch die Betriebsspannung einer Gleichspannungs-Hochspannungseinrichtung bereitgestellt werden, dies ermöglicht sogar ein Monitoring der Isolierung während des Betriebes, wozu wieder mehrere Sensoren innerhalb eines Gehäuses eingesetzt werden können. Das Monitoring kann zudem von einer zentralen Auswerteeinheit gesteuert parallel an mehreren Isolierungen ausgeführt werden.
Das Abschätzen der elektrischen Teilentladungsfestigkeit kann durch Vergleichen der Messwerte mit einem oder mehreren Schwellenwerten, z.B. für einen Schalldruck oder eine äquivalenten Ladung, das Vergleichen der Messwerte mit Referenzmesswerten, z.B. eines korrekt montierten Referenzsystems oder mit früheren Messungen nach längerem Betrieb, und/oder das Abschätzen einer Teilentladungswahrscheinlichkeit für eine folgende Betriebszeit umfassen. Daraus lassen sich zuverlässige Aussagen über die Verwendbarkeit der geprüften Hochspannungseinrichtung unter Betriebsbedingungen ableiten, was zur Erhöhung der Betriebssicherheit beitragen kann.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Industrienorm IEC 60840 Ed. 4, 2011 [0011]
Industrienorm IEC 60840 [0016]
Norm IEC 60270 [0045]
Norm IEC 60270 [0046]

Claims

Faseroptischer Sensor (50), umfassend: – einen Elastomerkern (51); und – eine Lichtleitfaser (52), die mindestens eine Wicklung um den Elastomerkern (50) bildet, derart, dass der Elastomerkern (50) unter mechanischer Spannung steht.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Elastomerkern ein Silikonelastomer umfasst.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtleitfaser zumindest einen Teil einer Oberfläche des Elastomerkerns spulenförmig umgibt.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lichtleitfaser mit einer interferometrischen Auswerteeinheit gekoppelt ist.
Verfahren zum Prüfen einer polymeren Isolierung (2, 3) einer Hochspannungseinrichtung (100), umfassend: – Erzeugen eines inhomogenen statischen elektrischen Feldes in der polymeren Isolierung (2, 3); – Ermitteln von Messwerten für akustische Signale, die von der polymeren Isolierung (2, 3) ausgehen; und – Abschätzen einer elektrischen Teilentladungsfestigkeit der Isolierung (2, 3) unter Verwendung der Messwerte.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Messwerte mit einem Sensor ermittelt werden, der während der Messung einem elektrischen Feld von mindestens 1000 V/m ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Messwerte mit einem faseroptischen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Sensor zumindest teilweise innerhalb eines, die polymeren Isolierung (2, 3) umgebenden Gehäuses (110) der Hochspannungseinrichtung (100) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Abschätzen der elektrischen Teilentladungsfestigkeit mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: – Vergleichen der Messwerte mit einem Schwellenwert; – Vergleichen der Messwerte mit Referenzmesswerten; – Abschätzen einer Teilentladungswahrscheinlichkeit für eine gegebene Betriebszeit; und – Lokalisieren einer Schallquelle.
Hochspannungseinrichtung (100) zur Aufnahme eines Hochspannungskabels (1) mit einem zum Leiten elektrischen Stroms eingerichteten Leiter (11) und einer den Leiter (11) umgebenden Kabelisolierung (12), umfassend: – eine Isolierung (2, 3), die eingerichtet ist, die Kabelisolierung (12) zumindest teilweise zu umgeben; und – mindestens einen faseroptischen Sensor (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen Elastomerkern (51) mit der Isolierung (2, 3) gekoppelt ist.