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Die Offenbarung betrifft eine Kabelanordnung, insbesondere eine Stromkabelanordnung, ein Kabel, insbesondere ein Stromkabel, und ein Verfahren zum Übertragen von Messwerten in einer Kabelanordnung.
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Hintergrund
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Der Ausbau sowie die Erneuerung des Stromnetzes ist das Herzstück einer neuen Energieinfrastruktur zur zukünftigen Sicherstellung der Energieversorgung. An die Stromnetze werden dabei eine Reihe von Anforderung gestellt, um beispielsweise auf schwankende Stromerzeugung aus Wind und Solarenergie effektiv reagieren zu können. Neben optimaler Systemsteuerung durch intelligente Messsysteme und intelligentes Lastmanagement ist auch das sorgfältige Überwachen der Betriebsmittel von Hochspannungs- und Mittelspannungsnetzen für die Versorgungsunternehmen von essentieller Bedeutung.
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Systeme für das umfassende Monitoring von Betriebsmitteln aller Art sind bereits heute an vielen Punkten des Stromversorgungsnetzes im Einsatz. Trotzdem gibt es zahlreiche Anforderungen, die durch die konventionellen Ansätze bisher nicht erfüllt werden können. Besonders herauszustellen ist, dass bisher kein flächendeckendes Monitoring möglich ist.
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Eine besondere Herausforderung ist hierbei das Monitoring von Kabeltrassen. So muss ein geeignetes System in der Lage sein, im Onshore- oder Offshore-Bereich Distanzen von mehreren 100 km Länge messtechnisch zu erfassen.
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Das Dokument
DE 10 2010 061 607 A1 offenbart ein Verfahren zum Monitoring von Alterungsprozessen einer Isolierung in einer Hochspannungseinrichtung. Ein in der Isolierung erzeugtes Lichtsignal wird mittels eines faseroptischen Sensors erfasst. Mittels eines weiteren faseroptischen Sensors wird eine mechanische Größe der Isolierung ermittelt. Aus den Messwerten wird die Alterung bestimmt.
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Das Dokument
US 2004/0 071 382 A1 offenbart ein Sicherheitskabel. Das Kabel weist eine Glasfaser in einem ersten Mantel und ein Stromkabel in einem zweiten Mantel auf. Das Glasfaserkabel in dem ersten Mantel und das Stromkabel in dem zweiten Mantel sind von einem gemeinsamen Kabelmantel umgeben. Das Glasfaserkabel wird verwendet, um Daten zu übertragen. Mit dem Stromkabel wird elektrische Energie übertragen. Des Weiteren sind Sensoren vorgesehen, um einen Eingriff in das Kabel zu erfassen.
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Das Dokument
DE 10 2008 026 901 A1 offenbart ein Datenübertragungssystem mit Ortungs-, Identifikations- und Messfunktion für unterirdische Kabel oder Kabelverbindungen. Das System umfasst ein Sendegerät und ein Empfangsgerät, wobei das Empfangsgerät einen Empfängersender aufweist. Der Empfängersender sendet ein Signal zur Aktivierung eines bestimmten Sendegeräts aus, welches das Sendegerät zur Übermittlung von Daten aktiviert. Das Sendegerät ist an eine elektrische Kabelleitung angeschlossen und sendet an der elektrischen Kabelleitung gemessene physikalische Parameter an das Empfängergerät.
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Zusammenfassung
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Aufgabe ist es, verbesserte Technologien zum Überwachen von Kabeln bereitzustellen.
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Es sind eine Kabelanordnung nach Anspruch 1, ein Kabel nach Anspruch 8 sowie ein Verfahren nach Anspruch 9 offenbart. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Nach einem Aspekt ist eine Kabelanordnung, insbesondere eine Stromkabelanordnung, bereitgestellt. Die Anordnung umfasst ein erstes Kabel, ein zweites Kabel und ein Verbindungselement, welches ein Ende des ersten Kabels mit einem Ende des zweiten Kabels verbindet. Des Weiteren sind eine erste Messeinrichtung, die eingerichtet ist, einen dem ersten Kabel zugeordneten ersten Messwert zu bestimmen, eine zweite Messeinrichtung, die eingerichtet ist, einen dem zweiten Kabel zugeordneten zweiten Messwert zu bestimmen, und eine erste Übertragungseinrichtung, die mit der ersten Messeinrichtung gekoppelt ist und die eingerichtet ist, den ersten Messwert an die zweite Messeinrichtung zu übertragen, vorgesehen.
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Nach einem anderen Aspekt ist ein Kabel, insbesondere ein Stromkabel, bereitgestellt mit einer Messeinrichtung, die eingerichtet ist, einen dem Kabel zugeordneten Messwert zu bestimmen, und einer Übertragungseinrichtung, die mit der Messeinrichtung gekoppelt ist und die eingerichtet ist, den Messwert an eine Empfangseinrichtung zu übertragen.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Messwerten in einer Kabelanordnung, insbesondere in einer Stromkabelanordnung. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines ersten Kabels, Bereitstellen eines zweiten Kabels, Verbinden eines Endes des ersten Kabels mit einem Ende des zweiten Kabels mittels eines Verbindungselements, Bereitstellen einer ersten Messeinrichtung, die eingerichtet ist, einen dem ersten Kabel zugeordneten ersten Messwert zu bestimmen, Bereitstellen einer zweiten Messeinrichtung, die eingerichtet ist, einen dem zweiten Kabel zugeordneten zweiten Messwert zu bestimmen, Bereitstellen einer ersten Übertragungseinrichtung, die mit der ersten Messeinrichtung gekoppelt ist und die eingerichtet ist, den ersten Messwert an die zweite Messeinrichtung zu übertragen, Bestimmen des ersten Messwerts mittels der ersten Messeinrichtung und Übertragen des ersten Messwerts mittels der ersten Messeinrichtung an die zweite Messeinrichtung.
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Mit der Anordnung ist die Möglichkeit geschaffen, Messwerte, die das erste Kabel betreffen, an die zweite Messeinrichtung zu übertragen. Die zweite Messeinrichtung kann mit einer zweiten Empfangseinrichtung gebildet sein oder mit der zweiten Empfangseinrichtung gekoppelt sein, um den ersten Messwert zu empfangen.
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Der erste Messwert betrifft eine Eigenschaft des ersten Kabels. Der zweite Messwert bezieht sich auf eine Eigenschaft des zweiten Kabels. Bei dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert kann es sich um physikalische Größen handeln, wie Temperatur, Dehnung, Strom, mechanische Beanspruchung. Teilentladungen usw. Es kann vorgesehen sein, dass der erste Messwert die gleiche physikalische Größe betrifft wie der zweite Messwert. Der erste Messwert kann auch eine andere physikalische Größe betreffen als der zweite Messwert.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Messeinrichtung mit einer zweiten Übertragungseinrichtung gekoppelt ist, wobei die zweite Übertragungseinrichtung eingerichtet ist, den zweiten Messwert an die erste Messeinrichtung zu übertragen. Die erste Messeinrichtung kann mit einer ersten Empfangseinrichtung gebildet sein oder mit der ersten Empfangseinrichtung gekoppelt sein, um den zweiten Messwert zu empfangen. Hiermit ist eine Übertragung von Messwerten in beide Richtungen der Kabelanordnung möglich.
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In einer Ausführungsform können die erste Übertragungseinrichtung und/oder die zweite Übertragungseinrichtung als erste bzw. zweite Sende-Empfangseinrichtung ausgebildet sein. Die erste Sende-Empfangseinrichtung und/oder die zweite Sende-Empfangseinrichtung können eingerichtet sein, Messwerte zu versenden und zu empfangen.
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Die erste Übertragungseinrichtung und/oder die zweite Übertragungseinrichtung können eingerichtet sein, den ersten Messwert bzw. den zweiten Messwert drahtlos zu übertragen. Die erste Empfangseinrichtung und/oder die zweite Empfangseinrichtung können eingerichtet sein, den zweiten Messwert bzw. den ersten Messwert drahtlos zu empfangen. Auch die erste Sende-Empfangseinrichtung und/oder die zweite Sende-Empfangseinrichtung können für eine drahtlose Übertragung und einen drahtlosen Empfang der Messwerte eingerichtet sein.
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Die erste Übertragungseinrichtung und/oder die zweite Übertragungseinrichtung (bzw. die erste Sende-Empfangseinrichtung und/oder die zweite Sende-Empfangseinrichtung) können eingerichtet sein, zusätzlich zu den Messwerten weitere Daten kabelgebunden oder drahtlos zu übertragen und ggf. zu empfangen.
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Die erste Messeinrichtung und/oder die zweite Messeinrichtung können an dem Verbindungselement oder innerhalb des Verbindungselements angeordnet sein. Ergänzend oder alternativ können die erste Übertragungseinrichtung und/oder die zweite Übertragungseinrichtung, die erste Empfangseinrichtung und/oder die zweite Empfangseinrichtung sowie die erste Sende-Empfangseinrichtung und/oder die zweite Sende-Empfangseinrichtung an dem Verbindungselement oder innerhalb des Verbindungselements angeordnet sein. Das Verbindungselement kann als Kabelgarnitur, Kabelstecker oder als Kabelmuffe ausgeführt sein. Die erste Messeinrichtung kann innerhalb eines ersten Kabelsteckers oder einer ersten Kabelmuffe des ersten Kabels angeordnet sein und/oder die zweite Messeinrichtung kann innerhalb eines zweiten Kabelsteckers oder einer zweiten Kabelmuffe des zweiten Kabels angeordnet sein.
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Die erste Messeinrichtung kann innerhalb eines ersten Kabelmantels des ersten Kabels angeordnet sein und/oder die zweite Messeinrichtung kann innerhalb eines zweiten Kabelmantels des zweiten Kabels angeordnet sein. Ergänzend oder alternativ können die erste Übertragungseinrichtung und/oder die zweite Übertragungseinrichtung, die erste Empfangseinrichtung und/oder die zweite Empfangseinrichtung sowie die erste Sende-Empfangseinrichtung und/oder die zweite Sende-Empfangseinrichtung in dem ersten bzw. zweiten Kabelmantel angeordnet sein.
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Die erste Messeinrichtung ist in einem Bereich des Endes des ersten Kabels angeordnet, wobei eine dritte Messeinrichtung in einem Bereich eines anderen Endes des ersten Kabels angeordnet ist, wobei die dritte Messeinrichtung eingerichtet ist, einen dem ersten Kabel zugeordneten dritten Messwert zu bestimmen, wobei die dritte Messeinrichtung mit einer dritten Übertragungseinrichtung gekoppelt ist und wobei die dritte Übertragungseinrichtung eingerichtet ist, den dritten Messwert an die erste Messeinrichtung zu übertragen. Die dritte Übertragungseinrichtung kann eingerichtet sein, den dritten Messwert kabelgebunden, faseroptisch oder kabellos an die erste Messeinrichtung zu übertragen. Die erste Messeinrichtung kann eingerichtet sein, den ersten Messwert und den dritten Messwert an die zweite Messeinrichtung zu übertragen.
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Der Bereich des Endes des ersten Kabels kann derart verstanden werden, dass die erste Messeinrichtung beispielsweise in einem Bereich innerhalb von 3 m, innerhalb von 1 m oder innerhalb von 0,3 m gemessen von dem Ende des ersten Kabels angeordnet ist.
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Des Weiteren kann eine vierte Messeinrichtung vorgesehen sein, die in einem Bereich eines anderen Endes des zweiten Kabels angeordnet ist und die eingerichtet ist, einen dem zweiten Kabel zugeordneten Messwert zu bestimmen. Die vierte Messeinrichtung kann mit einer vierten Übertragungseinrichtung gekoppelt sein, welche eingerichtet ist, den vierten Messwert kabelgebunden oder drahtlos zu übertragen.
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Für die dritte und vierte Messeinrichtungen gelten die obigen Anmerkungen zu den Messwerten analog. Des Weiteren können die dritte Messeinrichtung und/oder die vierte Messeinrichtung analog zur obigen Offenbarung mit einer (dritten/vierten) Empfangseinrichtung, Übertragungseinrichtung und/oder Sende-Empfangseinrichtung gebildet oder gekoppelt sein.
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In einer Ausführungsform ist bei dem ersten Kabel die erste Messeinrichtung in dem Bereich an dem Ende des ersten Kabels angeordnet. Die erste Messeinrichtung ist mit der ersten Sende-Empfangseinrichtung gekoppelt, die ebenfalls in dem Bereich an dem Ende des ersten Kabels angeordnet ist. Die erste Sende-Empfangseinrichtung kann in die erste Messeinrichtung integriert sein. An dem anderen Ende des ersten Kabels ist die dritte Messeinrichtung angeordnet, die mit der dritten Sende-Empfangseinrichtung gekoppelt ist. Die dritte Sende-Empfangseinrichtung kann in die dritte Messeinrichtung integriert sein. Bei dem zweiten Kabel ist die zweite Messeinrichtung in dem Bereich an dem Ende des zweiten Kabels angeordnet. Die zweite Messeinrichtung ist mit der zweiten Sende-Empfangseinrichtung gekoppelt, die ebenfalls in dem Bereich an dem Ende des zweiten Kabels angeordnet ist. Die zweite Sende-Empfangseinrichtung kann in die zweite Messeinrichtung integriert sein. An dem anderen Ende des zweiten Kabels ist die vierte Messeinrichtung angeordnet, die mit der vierten Sende-Empfangseinrichtung gekoppelt ist. Die vierte Sende-Empfangseinrichtung kann in die vierte Messeinrichtung integriert sein. Es kann vorgesehen sein, dass der Messwert mittels der dritten Messeinrichtung und mittels der dritten Sende-Empfangseinrichtung an die erste Sende-Empfangseinrichtung übertragen wird, beispielsweise kabelgebunden in dem ersten Kabel mittels eines Signalleiters oder einer optischen Faser. Die erste Sende-Empfangseinrichtung kann den empfangenen dritten Messwert an den von der ersten Messeinrichtung erhaltenen ersten Messwert anhängen und die kombinierten Messwerte (erster Messwert und dritter Messwert) an die zweite Sende Empfangseinrichtung übertragen, beispielsweise drahtlos. Die zweite Sende-Empfangseinrichtung kann an die empfangenen Messwerte den von der zweiten Messeinrichtung erhaltenen zweiten Messwert anhängen und die Kombination der drei Messwerte an die vierte Sende-Empfangseinrichtung übertragen, beispielsweise kabelgebunden in dem zweiten Leiter mittels eines Signaleiters oder einer optischen Faser. Die Kabelanordnung kann weitere Kabel aufweisen, die in analoger Weise an beiden Kabelenden mit Messeinrichtungen und Sende-Empfangseinrichtungen gebildet sind. Hierdurch können Messwerte entlang der Kabelanordnung bestimmt und zu einer Auswerteeinrichtung an einem Ende der Kabelanordnung übertragen werden.
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Die erste Messeinrichtung und/oder die zweite Messeinrichtung können mit einem faseroptischen Sensor gekoppelt sein.
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Die in Verbindung mit der Anordnung, dem Kabel und dem Verfahren offenbarten Merkmale können jeweils auf die anderen Aspekte der Offenbarung übertragen werden.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Es zeigen:
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1 einen schematischen Aufbau eines faseroptischen Messsystems,
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2 einen schematischen Aufbau eines weiteren faseroptischen Messsystems,
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3 einen Querschnitt durch ein Stromkabel,
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4 eine schematische Darstellung einer Kabelanordnung,
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5 eine Kopplung zweier Kabel mittels einer Kabelmuffe und
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6 eine Kopplung eines Kabels an einen Endanschluss.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau eines faseroptischen Messsystems mit einem faseroptischen Sensor 5. Bei dem faseroptischen Sensor 5 handelt es sich um einen speziell präparierten Lichtwellenleiter (z. B. Glasfasern), mit dem man physikalische Größen, wie Temperatur, Dehnung, Strom, mechanische Beanspruchung, Teilentladungen usw. erfassen kann. Derartige Sensoren werden bereits erfolgreich zur Überwachung der mechanischen Beanspruchung von Gebäuden, Deichen, Brücken usw. eingesetzt und finden erste Anwendung bei der Überwachung von Betriebsmitteln in der Hoch- und Mittelspannungstechnik.
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Für die Überwachung langer Kabel wird der faseroptische Sensor 5 in den Bereichen Endverschluss, Kabelmuffe, allgemein in den Garnituren der Hochspannungskabel eingelassen. Schädigende Prozesse werden anschließend mit Hilfe einer Auswerteelektronik (Rechner) 2 punktgenau erfasst und gemeldet. Für die Messung wird mittels eines Lasers 3 ein Laserstrahl in den faseroptischen Sensor 5 geschickt und auftretende Reflektionen oder Veränderungen des Lasersignals über einen Empfänger 4 aufgenommen. Anschließend wird alles mittels des Rechners 2 zu einem aussagekräftigen Ergebnis verrechnet. Die neben dem faseroptischen Sensor 5 erforderlichen Komponenten werden im Folgenden als Messmodul 1 bezeichnet. Dabei kann sowohl die Faser selbst als Sensor dienen als auch ein an die Faser angeschlossener Sensor. Mit dem Messsystem nach 1 lassen sich Distanzen von 50 km und mehr überwachen.
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Eine Vergrößerung der Distanz lässt sich auch mit dem in 2 dargestellten Messsystem erreichen. An beiden Enden des faseroptischen Sensors 5 ist ein Messsystem angekoppelt. Das Messsystem auf der linken Seite des faseroptischen Sensors 5 entspricht dem Messmodul 1 aus 1. Das Messmodul 6 auf der rechten Seite des Sensors 5 ist analog hierzu aufgebaut. Ein Laser 8 gibt einen Laserstrahl in den Sensor 5 ab. Reflexionen oder Veränderungen des Lasersignals werden mittels eines Empfängers 9 detektiert. Ein Rechner 7 verarbeitet die erhaltenen Messwerte.
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Eine Steigerung der Distanzen auf über 100 km erscheint zunächst mit den vorgenannten Mitteln nicht realistisch. Andererseits verlangt die Energiewirtschaft nach Methoden zur Überwachung von weit größeren Distanzen als 100 km, um z. B. offshore Windparks dort zu errichten, wo starke Windverhältnisse herrschen.
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Selbst wenn es gelänge nach den oben beschriebenen Prinzipien die geforderten Distanzen zu überwachen bleibt ein offenes Problem: Die Hochspannungskabel werden in der Regel in Abschnitten gefertigt, die sowohl beim Transport als auch beim Verlegen handhabbar sind. Der limitierende Faktor ist hierbei das Gewicht des Kabels sowie beim Handling am Kabel auftretenden Kräfte. Deshalb ist es heute üblich, jeweils ca. 80 km lange Kabelabschnitte zu produzieren und zu verlegen. Die einzelnen Kabelabschnitte werden dann jeweils mittels Kabelmuffen miteinander verbunden. Diese Kabelmuffen werden entweder bereits im Werk montiert oder aber Vor-Ort angefertigt.
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Bei Verwendung eines faseroptischen Monitoring-Systems besteht nun das Problem, dass die ab Werk in die Kabel eingebrachten Fasern zweier Kabelabschnitte miteinander verbunden werden müssen. Dieses geschieht in der Regel in der Kabelmuffe. Da die Anforderungen an den faseroptischen Sensor sehr hoch sind, erscheint die Verwendung von Steckverbindern nicht praktikabel. Möglich wäre das Verschweißen der einzelnen Faserabschnitte vor Ort, was jedoch unter den erschwerten Bedingungen (z. B. auf hoher See) problematisch sein kann. Selbst wenn man den Prozess beherrschen sollte, wäre nicht das Problem gelöst, wie sich Distanzen von mehr als 100 km überwachen lassen.
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Das Prinzip eines auf faseroptischen Sensoren basierenden Messsystems ist in 2 dargestellt. Die Überwachung eines Kabels über eine maximale Distanz erfolgt zunächst nach gängigen Prinzipien, wobei zwei Messmodule an beiden Seiten des faseroptischen Sensors vorgesehen sein können, um wie beschrieben eine Verdopplung der überwachbaren Distanz zu erreichen – verglichen mit einem Messsystem nach 1, bei dem das Messmodul nur an einer Seite des faseroptischen Sensors vorgesehen ist. Der faseroptische Sensor wird hierbei ab Werk in eine Kabelmuffe oder Kabelgarnitur des Hochspannungskabels oder in den Zwickel eines Kabels eingelegt, wobei sich die Messmodule auch außerhalb des Kabels befinden können.
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Es kann aber auch ausreichend sein, dass nur ein Messmodul für die Überwachung eines Kabels ausreichend ist. Ursächlich hierfür ist die zu überwachende Kabellänge. Auch die Verbesserung der Empfindlichkeit der Messeinrichtung kann dazu führen, dass ein Messmodul ausreichend sein kann.
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3 zeigt einen Querschnitt eines Stromkabels 10 mit einem Schutzmantel 11 und Leitern 12. Zwischen den Leitern 12 ist ein Kanal 13 für Hilfsadern gebildet. Die Zwischenräume zwischen den Leitern 12 bilden Zwickel 14. Die Zwickel 14 bilden Hohlräume aus, in denen Hilfsadern, Kommunikationsadern oder Messleitungen angeordnet sein können. Das Messmodul 15 (ggf. mit einer Koppeleinrichtung und einer Kommunikationseinrichtung) ist in das Kabel 10 integriert, indem es im Zwickel 14 platziert ist. Bei dem Kabel 10 spielt es keine Rolle, ob es sich um ein Gleichspannungs- oder Wechselspannungskabel handelt.
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Eine beliebige Verlängerung der überwachbaren Distanz wird erreicht, indem Messtechnik und Übertragungstechnik kombiniert werden. Zunächst werden die Kabelabschnitte ab Werk mit einem faseroptischen Sensor ausgestattet. Die Messtechnik wird ebenfalls bereits ab Werk jeweils an den Enden der Kabel in eine Kabelmuffe, -garnitur, -zwickel eingebaut (ggf. mit vergossen). Auf diese Weise entsteht ein abgeschlossenes Kabel, das sich auf herkömmliche Art und Weise über Kabelgarnituren koppeln lässt, und zwar in exakt derselben Weise, wie man auch konventionelle Kabel verlegen würde (eine Anpassung des Prozesses an die neuen Kabel wäre nicht erforderlich).
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4 zeigt eine Kabelanordnung mit zwei Kabelabschnitten, einem ersten Kabel 20 und einem zweiten 21, die mittels einer Kabelmuffe 22 miteinander verbunden sind.
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In den beiden Kabelabschnitten sind Messmodule analog zu der Ausführungsform nach 2 angeordnet. Das erste Kabel 20 weist ein erstes Messmodul 30 und ein drittes Messmodul 35 auf, die an den beiden Enden eines ersten faseroptischen Sensors 34 angeordnet sind. Das erste Messmodul 30 weist einen ersten Prozessor 31, einen ersten Laser 32 und einen ersten Detektor 33 auf. Das dritte Messmodul 35 umfasst einen dritten Prozessor 36, einen dritten Laser 37 und einen dritten Detektor 37. Das zweite Kabel 21 umfasst ein zweites Messmodul 45 und ein viertes Messmodul 40. Das zweite Messmodul 45 weist einen zweiten Prozessor 46, einen zweiten Laser 47 und einen zweiten Detektor 48 auf. Das vierte Messmodul 40 umfasst einen vierten Prozessor 41, einen vierten Laser 42 und einen vierten Detektor 43. Das zweite Messmodul 45 und das vierte Messmodul 40 sind an einen zweiten faseroptischen Sensor 44 gekoppelt.
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Die Versorgung der Messmodule 30, 35, 40, 45 erfolgt z. B. direkt aus dem Magnetfeld des Kabels, der Verlustwärme, dem Laserlicht oder dem elektrischen Feld (Energy Harvesting), so dass ein abgeschlossenes robustes System entsteht. Die Überwachung des gesamten, in Teilabschnitten aufgebauten Kabels geschieht nun in drei Schritten:
- 1) Innerhalb eines Kabelabschnitts werden schädigende Prozesse zunächst auf herkömmliche Weise detektiert. Die Messergebnisse liegen dann jeweils in den zuständigen Messmodulen vor.
- 2) Diese Messergebnisse werden digitalisiert an das jeweils benachbarte Messmodul weitergereicht. Bezogen auf 4 werden z. B. die Messergebnisse des Messmoduls 30 zum Messmodul 45 übertragen. Die Vernetzung der benachbarten Module 30, 45 erfolgt z. B. kabelgebunden oder glasfasergebunden. Für eine einfache Handhabung beim Verlegen der Kabel bietet es sich jedoch an, die Daten drahtlos zu übertragen. Da nur geringe Distanzen zu überbrücken sind, werden an das Kommunikationssystem keine hohen technischen Anforderungen gestellt. Welches Protokoll für die Kommunikation verwendet wird, ist für die Funktionsweise des Systems dabei nicht von Bedeutung, z. B. WLAN, NFC, Bluetooth oder andere Protokolle.
- 3) Die vom Messmodul 30 des ersten Kabelabschnitts 20 kommenden Daten werden im Messmodul 45 des zweiten Kabelabschnitts 21 um die dort gemessenen Daten ergänzt. Anschließend werden alle Messdaten (also die vom Messmodul 30 und die vom Messmodul 45) kabelgebunden oder fasergebunden zu dem weit entfernten Messmodul 40 des zweiten Kabelabschnitts 21 gesendet. Dort werden die empfangenen Messdaten erneut um die Messergebnisse des Messmoduls 45 des zweiten Kabelabschnitts 21 erweitert und zum nächsten Kabelabschnitt (nicht dargestellt) versendet. Auf diese Weise werden die Messergebnisse aller Kabelabschnitte zu einem Ende des Kabels geleitet, und zwar über eine beliebige Distanz. In diesem Beispiel werden die Messdaten von links nach rechts gesendet. Natürlich ist es ebenso möglich, die Daten von rechts nach links oder sogar gleichzeitig in beiden Richtungen zu verteilen.
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Für die Kommunikation der Messmodule 30 und 35 bzw. 40 und 45 innerhalb eines Hochspannungskabels kann man parallel zum faseroptischen Sensor ein Übertragungskabel oder eine Glas- bzw. Kunststofffaser legen. Prinzipiell ist es auch möglich, die Kommunikation über den faseroptischen Sensor – bei dem es sich ja um eine ggf. modifizierte Glas- bzw. Kunststofffaser handelt – durchzuführen. Dies spart zunächst einmal Kosten. Allerdings wird die Ankopplung der Glasfaser an das Messmodul komplizierter.
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Hinzu kommt, dass bei einigen Messverfahren die Glas- bzw. Kunststoffaser exklusiv benötigt wird.
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Möglich ist schließlich auch, mehrere faseroptische Sensoren zu verwenden, von denen zumindest eine für die Kommunikation zweckentfremdet wird. Der Vorteil eines solchen Ansatzes ist, dass man eine höhere Ausfallsicherheit erreichen könnte, da ein faseroptischer Sensor insgesamt ausreicht, um sowohl die Messungen auszuführen als auch die Kommunikation zu realisieren. Fällt ein Sensor aus, könnte die Gesamtfunktionalität immer noch aufrechterhalten werden (Redundanz).
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Der gesamte Aufbau dient der messtechnischen Überwachung eines Hochspannungskabels. Dabei wird das integrierte Kommunikationsnetz hauptsächlich benötigt, um die digitalisierten Messdaten von Messmodul zu Messmodul zu übertragen, bis diese die Kabelenden des zusammengesetzten Kabels erreichen. Es ist möglich, dass freie Übertragungskapazitäten des Kommunikationsnetzes genutzt werden können, um beliebige Daten zu übertragen, um z. B. Smart-Grid-Anwendungen zu realisieren.
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5 zeigt eine detaillierte Darstellung im Bereich einer Kabelmuffe. Ein erster (linker) Kabelabschnitt 52 ist mit einem zweiten (rechten) Kabelabschnitt 51 mittels einer Kabelmuffe 50 verbunden. Der Leiter 59 ist im Überlappungsbereich 53 mittels einer Schraubverbindung 54 verbunden. Alternativ ist eine Quetsch-, Schweiss- oder eine Lötverbindung möglich.
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Eine erste Glasfaser 55 ist mit einem ersten Messmodul 55 gekoppelt. Eine zweite Glasfaser ist mit einem zweiten Messmodul 57 gekoppelt. Die Glasfasern 56, 58 dienen entweder als Sensor, oder (kombiniert) als Sensor und Kommunikationsmedium. Im Bereich der Muffe 50 müssen die Fasern 56, 58 gesplict (miteinander verbunden) werden, somit ist die Kommunikationsübertragung zwar möglich, allerdings bedingt durch die Eigenschaften der Sensorfasern ist hier ein erneuter Messabschnitt notwendig, um die Reichweite der Messung der Kabellänge entsprechend anpassen zu können. Die Messmodule 55, 57 sind mittels einer galvanischen Kopplung miteinander gekoppelt. Alternativ ist auch eine kapazitive, magnetische oder eine optische Kopplung denkbar.
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Neben der Notwendigkeit im Bereich der Kabelverbindungen eine entsprechende Kopplungsmöglichkeit zu schaffen um die Überwachung des Kabels zu ermöglichen, sollen die Komponenten Durchführung, z. B. zur Anbindung eines Transformators oder Kabelsteckers, zum Anschluss an eine Schaltanlage, nicht außer Acht gelassen werden. 6 zeigt die Implementierung der zuvor beschriebenen Technik an dieser Schnittstelle. Die hier beschriebene Technik ist auch dort einsetzbar. Somit sind alle wichtigen Komponenten für eine Energieübertragung mit einer Mess-, Kommunikations- und Überwachungseinrichtung ausrüstbar. Ein Kabel mit einem Leiter 62 ist mittels eines Kabelsteckers 60 mit einer Schaltanlage 61 verbunden. In dem Kabel ist eine Glasfaser 64 mit einem Messmodul 63 gekoppelt. Das Messmodul 63 ist eingerichtet, Messwerte und/oder Daten an einen Empfänger 65 zu übertragen, kabelgebunden oder drahtlos. Der Empfänger 65 ist mit einer Glasfaser 66 gekoppelt zur weiteren Übertragung der Messwerte/Daten.
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Die Kabelanordnung kann folgende Vorteile haben:
- • Es lassen sich Hochspannungskabel beliebiger Länge überwachen. Dies ist möglich, weil Messtechnik und Kommunikationstechnik optimal ineinander greifen. Die Messergebnisse können an den Kabelenden eines aus mehreren Teilstücken zusammengesetzten Kabels ausgelesen werden.
- • Verwendet man eine drahtlose Verbindung zwischen den Kabelabschnitten, so ist es bei Wartungsarbeiten möglich, auch vor Ort Informationen über den Zustand zweier Kabelabschnitte abzufragen. Eine solche Möglichkeit gibt es nicht, wenn man die Messungen konventionell mit Hilfe eines langen faseroptischen Sensors durchführt.
- • Mit der Verwendung einer drahtlosen Verbindung lassen sich sowohl die Kabel im Offshorebereich als auch die Kabelgarnituren explizit orten. Für den Onshorebereich, bei Verlegung in der Erde, besteht ebenso die Ortungsmöglichkeit als auch die Diagnosemöglichkeit ohne hierzu zusätzliche Erdarbeiten ausführen zu müssen.
- • Das Verlegen von Hochspannungskabeln kann in derselben Weise erfolgen, als wäre das Kabel nicht mit einem faseroptischen Sensor ausgestattet. Dies ist von großer Bedeutung, da die Hochspannungsnetze hohe Anforderungen bezüglich Ihrer Zuverlässigkeit erfüllen müssen. Das über Jahre zur Qualitätssicherung erworbene Knowhow kann also weiter genutzt werden.
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Ein Einsatzgebiet der Kabelanordnung liegt beispielsweise im Bereich der Hochspannungstechnik/Energietechnik. Für die Netzbetreiber ist es essentiell Schädigungen der Kabeltrassen frühzeitig zu erkennen und exakt lokalisieren zu können. Besonders gilt dies im offshore Bereich, wo es z. B. passieren kann, dass Wasser in die Kabel eindringt oder ankernde Schiffe die Kabel beschädigen. Eine Ortsbestimmung des Schadens ist im Meer ohne das hier vorgestellte Monitoring-System nur mit erheblichem Aufwand möglich. Ebenso können Kabelzugkräfte, die vor allem beim Verlegen der Kabel in schädigender Weise auftreten können, rechtzeitig gemessen werden. Gleiches gilt bei Bewegungen des Kabels verursacht durch Meeresströmungen, die die Lage des Hochspannungskabels verändern.
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Das erläuterte Prinzip kann aber auch im Mittelspannungsbereich zum Einsatz kommen. Hier sind die zurückzulegenden Distanzen zwar deutlich kürzer als bei den Hochspannungstrassen, dafür müssen unterschiedliche Komponenten überwacht werden, was sich ebenfalls mit dem erläuterten Prinzip realisieren lässt. So könnten z. B. Kabel vor und hinter einer Schaltanlage überwacht werden. Die Kopplung kann ebenfalls drahtlos erfolgen, so dass bei der Installation der Mittelspannungskabel keine speziellen Vorkehrungen zu treffen sind.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander für die Verwirklichung von Ausführungsformen relevant sein.
