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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung.
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Hintergrund
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Für den Ausbau sowie die Erneuerung des Stromnetzes ist eine neue Energieinfrastruktur zur zukünftigen Sicherstellung der Energieversorgung nötig. An die Stromnetze wird dabei eine Reihe von Anforderung gestellt, zu denen auch eine effektive Überwachung der Betriebsmittel von Hochspannungs- und Mittelspannungsnetzen zählen. 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 hierbei, dass bisher kein flächendeckendes Monitoring möglich ist. Eine Herausforderung ist insbesondere das Monitoring von Kabeltrassen. So muss ein geeignetes System in der Lage sein, im Onshore- oder Offshore-Bereich Distanzen von Hunderten Kilometern Länge messtechnisch zu erfassen und zu überwachen.
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Insbesondere muss eine Erfassung schädigender Prozesse, wie beispielsweise Teilentladungen, ermöglicht sein. Hierbei bedeutet eine Teilentladung insbesondere eine kurzzeitige, energiearme und lokal begrenzte Entladung in einer Isolierung, die nicht sofort zu einem elektrischen Durchschlag führen muss, das Material der Isolierung jedoch schädigt.
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Überwachungssysteme auf Basis faseroptischer Sensoren sind zur Überwachung der mechanischen Beanspruchung von Gebäuden, Deichen, Brücken usw. bekannt und finden erste Anwendung beim Monitoring von Betriebsmitteln in der Hoch- und Mittelspannungstechnik.
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Beispielsweise offenbart das Dokument
EP 2 472 689 A2 eine Hochspannungsgarnitur bei der ein mit einem Feldsteuerteil mechanisch gekoppelter faseroptischer Sensor eingerichtet ist, eine mechanische Deformation einer Isolierung zu detektieren. In dem Dokument
WO 2020 / 069697 A1 ist beschrieben, dass mittels faseroptischer Sensoren aufgenommene Vibrations- oder Schallsignale zum Bestimmen eines Kurzschlusses mit Auftreten eines Lichtbogens genutzt werden können. Gemäß der Offenbarung des Dokument
WO 2020 / 069698 A1 können mittels faseroptischer Sensoren gemessene Vibrations- oder Schallsignale zum Bestimmen eines Betriebszustand für ein elektrisches Betriebsmittel dienen.
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In dem Dokument
WO 2019 / 170194 A1 ist eine Messvorrichtung offenbart, bei der mehrere Lichtwellensignale miteinander interferieren und mittels optischer Detektoren Interferenzsignale empfangen werden, wobei elektrische Ausgangssignale der optischen Detektoren mittels Filtereinrichtungen gefiltert werden. Das Dokument
DE 10 2016 108 122 B3 beschreibt eine Kabelanordnung mit mehreren Kabeln, welche jeweils mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung eines dem betreffenden Kabel zugeordneten Messwerts ausgestattet sind. Messwerte einer Messeinrichtung können über eine jeweilige Übertragungseinrichtung an eine andere Messeinrichtung übertragen werden.
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In dem Dokument
WO 2016 / 180396 A1 ist eine Hochspannungskabelgarnitur offenbart, bei der ein Wellenleiter einen Teil einer Isolierung bildet und so angeordnet ist, dass ein durch eine Teilentladung in einem Feldsteuerteil verursachtes Lichtsignal vom Feldsteuerteil in den Wellenleiter einkoppeln kann. Das Dokument
DE 10 2013 104 155 B4 beschreibt einen mit einer eine Kabelisolierung umgebenden Isolierung gekoppelten faseroptischen Sensor mit einem Elastomerkern und einer Lichtleitfaser, die mindestens eine Wicklung um den Elastomerkern bildet, derart, dass der Elastomerkern unter mechanischer Spannung steht. Das Dokument
DE 10 2015 101 608 A1 offenbart ein Verfahren zur Signalweiterleitung und eine Vorrichtung mit einer optischen Faser. Das Signal kann beispielsweise ein von einer Teilentladung in einer Isolierung verursachter Lichtblitz oder ein ein Datenpaket repräsentierender Lichtpuls sein.
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In dem Dokument
WO 2016 / 155695 A1 ist ein fluoreszierendes Siloxanelastomer sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben, welches für eine Verwendung für als Lichtwellenleiter ausgestaltete Sensoren zur Detektion von Teilentladungen in Hochspannungseinrichtungen geeignet ist.
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Zusammenfassung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung anzugeben, mit denen eine Bestimmung einer Ladungsstärke einer Teilentladung mit geringerem Aufwand ermöglicht ist, insbesondere mit geringeren Anforderungen an die zur Bestimmung eingesetzte Hardware.
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Zur Lösung der Aufgabe sind eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung nach den unabhängigen Ansprüchen geschaffen. Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
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Nach einem Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung geschaffen. Die Vorrichtung weist eine Messeinrichtung und eine Auswerteeinrichtung auf. Die Messeinrichtung ist eingerichtet, ein Messsignal zu erfassen, welches einen durch eine Teilentladung in einem Leiter verursachten Impulsverlauf einer Messgröße angibt, und Messdaten zu erzeugen, welche das Messsignal angeben. Die Auswerteeinrichtung ist eingerichtet, die Messdaten von der Messeinrichtung zu empfangen, aus den Messdaten eine Impulsbreite des Impulsverlaufs zu bestimmen und aus der Impulsbreite des Impulsverlaufs eine Ladungsstärke der Teilentladung zu bestimmen.
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Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung geschaffen, mit den Schritten Erfassen eines Messsignals, welches einen durch eine Teilentladung in einem Leiter verursachten Impulsverlauf einer Messgröße angibt, durch eine Messeinrichtung, Erzeugen von Messdaten, welche das Messsignal angeben, durch die Messeinrichtung, Empfangen der Messdaten von der Messeinrichtung in einer Auswerteeinrichtung, Bestimmen einer Impulsbreite des Impulsverlaufs aus den Messdaten durch die Auswerteeinrichtung und Bestimmen einer Ladungsstärke der Teilentladung aus der Impulsbreite des Impulsverlaufs durch die Auswerteeinrichtung.
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Bei dem Leiter kann es sich um nicht-isolierten oder um einen isolierten Leiter handeln. Der Leiter kann mit einem Leitermaterial und / oder mit einem Halbleitermaterial gebildet sein. Eine Teilentladung in dem Leiter kann insbesondere auch eine Teilentladung umfassen, welche an dem Leiter entlang dessen Oberfläche auftritt sowie solche Teilentladungen, welche sowohl in dem Leiter als auch auf bzw. an dem Leiter auftreten. Die Vorrichtung kann insbesondere in einer Anordnung mit einem Leiter derart angeordnet sein, dass es ermöglicht ist, mit der Messeinrichtung das Messsignal zu erfassen, welches den durch die Teilentladung in dem Leiter verursachten Impulsverlauf der Messgröße angibt.
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Die Messgröße kann eine Messgröße aus der folgenden Gruppe sein: eine elektrische Messgröße, eine elektromagnetische Messgröße, eine optische Messgröße und eine akustische Messgröße. Insbesondere kann eine elektrische Messgröße ein Spannungsverlauf, ein Stromverlauf oder eine Kombination von Spannungs- und Stromverlauf an oder in dem Leiter sein. Eine akustische Messgröße kann eine Schallentwicklung oder eine Vibration an dem Leiter sein. Beispielsweise kann ein faseroptischer Vibrationssensor zur Erfassung der akustischen Messgröße vorgesehen sein.
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Die Vorrichtung kann einen Hüllkurvendetektor aufweisen, der eingerichtet ist, eine Hüllkurve des von der Messeinrichtung erfassten Messsignals zu bestimmen und Messdaten zu erzeugen, welche das Messsignal in Form der Hüllkurve des Messsignals angeben. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung eingerichtet ist, ein Messsignal zu erfassen, welches einen abfallenden Schwingungsverlauf der Messgröße angibt, beispielsweise in Ausgestaltungen, in denen die Messgröße eine akustische oder eine elektrische Messgröße ist. In diesem Fall kann mittels des Hüllkurvendetektors eine Hüllkurve des Messsignals bestimmt werden und somit der Schwingungsverlauf in eine Impulsform umgewandelt werden. Die Messdaten können dann die Hüllkurve angeben und die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, die Impulsbreite des Impulsverlaufs gemäß der Hüllkurve aus den Messdaten bestimmen und aus der so bestimmten Impulsbreite die Ladungsstärke der Teilentladung zu bestimmen.
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Die Messeinrichtung kann einen Lichtwellenleiter und eine Lichterfassungseinrichtung aufweisen. Hierbei ist der Lichtwellenleiter eingerichtet, bei einer Teilentladung in oder an dem Leiter erzeugtes Licht einzukoppeln und an die Lichterfassungseinrichtung weiterzuleiten, und die Lichterfassungseinrichtung ist eingerichtet, das durch den Lichtwellenleiter weitergeleitete Licht zu empfangen und Messdaten zu erzeugen, welche ein Messsignal angeben, welches einen Lichtimpuls angibt. Hierbei können die Messdaten einen Spannungsverlauf an einem Sensorausgang der Lichterfassungseinrichtung angeben, welcher einem durch den Lichtwellenleiter an die Lichterfassungseinrichtung übertragenen Lichtsignal entspricht.
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Ein Einrichten des Lichtwellenleiters und der Lichterfassungseinrichtung für das Einkoppeln und Weiterleiten bzw. für das Empfangen von Licht umfasst insbesondere, die Lichtwellenleiter und die Lichterfassungseinrichtung derart zueinander anzuordnen und für eine Anordnung und Ausrichtung zu dem Leiter einzurichten, dass das bei einer Teilentladung auftretende Licht in den Lichtwellenleiter einkoppelt, an die Lichterfassungseinrichtung weitergeleitet wird und von dieser unter Auskopplung aus dem Lichtwellenleiter empfangen wird. Es kann vorgesehen sein, dass der Leiter und der Lichtwellenleiter zumindest an einem Kontaktbereich zwischen dem Leiter und dem Lichtwellenleiter lichtdicht umschlossen sind, beispielsweise mittels einer lichtdichten Umhüllung. Auf diese Weise kann verhindert sein, dass Licht von außen in den Lichtwellenleiter einkoppelt, welches nicht bei einer Teilentladung in oder an dem Leiter erzeugt ist.
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Die Lichterfassungseinrichtung kann einen Photomultiplier, einen Multi-Pixel-Photon-Counter und / oder eine Avalanche-Diode aufweisen. Insbesondere kann es sich bei einem Photomultiplier um eine spezielle Elektronenröhre handeln, welche eine Detektion schwacher Lichtsignale (bis hin zu einzelnen Photonen) durch Erzeugung und Verstärkung eines elektrischen Signals ermöglicht. Der Photomultiplier kann eine Photokathode und einen nachgeschalteten Sekundärelektronenvervielfacher in einem evakuierten Glaskolben umfassen. Der Multi-Pixel-Photon-Counter kann mit matrixförmig angeordneten Avalanche-Dioden gebildet sein. Ein Multi-Pixel-Photon-Counter kann auch als Halbleiter-Photomultiplier (silicon photomultiplier) bezeichnet werden. Ein Multi-Pixel-Photon-Counter kann als kostengünstige Alternative zu einem Photomultiplier vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann Licht mit einer Avalanche-Diode detektiert werden.
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Die Lichterfassungseinrichtung kann zwei Multi-Pixel-Photon-Counter aufweisen und eingerichtet sein, die Messdaten nur dann zu erzeugen, wenn beide Multi-Pixel-Photon-Counter gleichzeitig ein Messsignal erfassen. Hierbei kann eine Koinzidenzschaltung gebildet sein. Beispielsweise können zwei Lichtwellenleiter vorgesehen sein, welche jeweils bei einer Teilentladung in oder an dem Leiter erzeugtes Licht an einen der zwei Multi-Pixel-Photon-Counter weiterleiten. Messdaten werden in diesem Fall nur dann erzeugt, wenn Licht, welches in beide Lichtwellenleiter eingekoppelt wurde, von beiden Multi-Pixel-Photon-Countern gleichzeitig erfasst wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass bei einer Teilentladung in oder an dem Leiter erzeugtes Licht in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt und mittels des Lichtwellenleiters an zwei Multi-Pixel-Photon-Counter weitergeleitet wird, beispielsweise mittels Anordnen der Multi-Pixel-Photon-Counter an zwei gegenüberliegenden Enden des Lichtwellenleiters, mittels Aufteilen des Lichtwellenleiters oder mittels Zwischenkopplung von dem einen Lichtwellenleiter in zwei weitere Lichtwellenleiter. Messdaten werden in diesem Fall nur dann erzeugt, wenn in den Lichtwellenleiter eingekoppeltes Licht, welches in beide Lichtwellenleiter eingekoppelt wurde, von beiden Multi-Pixel-Photon-Countern erfasst wird. Mittels einer Ausgestaltung der Lichterfassungseinrichtung mit zwei Multi-Pixel-Photon-Countern kann eine gegenüber Photomultipliern erhöhte Dunkelzählrate von Multi-Pixel-Photon-Countern ausgeglichen werden. Hierdurch kann die Messgenauigkeit erhöht sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Lichterfassungseinrichtung zwei Photomultiplier aufweisen und eingerichtet sein, die Messdaten nur dann zu erzeugen, wenn beide Photomultiplier gleichzeitig ein Messsignal erfassen. Als weitere Alternative oder zusätzlich kann die Lichterfassungseinrichtung zwei lichtempfindliche Elemente anderer Art, beispielsweise Avalanche-Dioden, aufweisen und eingerichtet sein, die Messdaten nur dann zu erzeugen, wenn beide lichtempfindlichen Elemente gleichzeitig ein Messsignal erfassen. Für solche Ausgestaltungen gelten die im Zusammenhang mit einer Ausgestaltung mit zwei Multi-Pixel-Photon-Countern gemachten Ausführungen entsprechend.
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Der Lichtwellenleiter kann zumindest abschnittsweise mit einer fluoreszierenden polymeroptischen Faser gebildet sein. Eine fluoreszierende polymeroptische Faser ist ausgebildet, optische Emissionen von Teilentladungen zu absorbieren und hierauf Licht einer materialtypischen Wellenlänge abzustrahlen. Das von der fluoreszierenden polymeroptischen Faser emittierte Licht kann in den Lichtwellenleiter einkoppeln und durch den Lichtwellenleiter an die Lichterfassungseinrichtung weitergeleitet werden. Beispielsweise kann der Lichtwellenleiter vollständig mit einer fluoreszierenden polymeroptischen Faser gebildet sein. In diesem Fall wird das von der fluoreszierenden polymeroptischen Faser emittierte Licht durch die fluoreszierende polymeroptische Faser selbst an die Lichterfassungseinrichtung weitergeleitet. Alternativ kann nur ein Abschnitt des Lichtwellenleiters mit einer fluoreszierenden polymeroptischen Faser gebildet sein. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass das von der fluoreszierenden polymeroptischen Faser emittierte Licht, gegebenenfalls nach einer Weiterleitung durch zumindest einen Abschnitt der fluoreszierenden polymeroptischen Faser, in einen weiteren Lichtwellenleiter, bei dem es sich um einen Lichtwellenleiter bekannter Art handeln kann, eingekoppelt und durch den weiteren Lichtwellenleiter an die Lichterfassungseinrichtung weitergeleitet wird.
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Der Lichtwellenleiter kann zumindest abschnittsweise mit einer photosensitiven Faser gebildet sein. Bei einer photosensitiven Faser kann sich ein Brechungsindex der Faser in Abhängigkeit von Lichteinstrahlung in die Faser ändern. Für die Ausgestaltung des Lichtwellenleiters zumindest abschnittsweise mit einer photosensitiven Faser gelten die im Zusammenhang mit einer zumindest abschnittsweisen Ausgestaltung mit einer fluoreszierenden polymeroptischen Faser gemachten Ausführungen entsprechend.
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Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, die Impulsbreite aus den Messdaten zu bestimmen, indem die Zeitdifferenz zwischen einem Überschreiten eines Grenzwerts der Messgröße und einem Unterschreiten des Grenzwerts der Messgröße bestimmt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, die Impulsbreite aus den Messdaten zu bestimmen, indem die Zeitdifferenz zwischen einem Überschreiten eines ersten Grenzwerts der Messgröße und einem Unterschreiten eines zweiten Grenzwerts der Messgröße bestimmt wird. Bei der Bestimmung anhand von Grenzwerten kann das Überschreiten beziehungsweise Unterschreiten eines Grenzwerts der Messgröße bestimmt werden, indem ein Überschreiten beziehungsweise Unterschreiten einer Zwischengröße bestimmt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Messgröße in eine Spannung umgewandelt wird, beispielsweise eine Ausgangsspannung einer Sensoreinrichtung wie einem Photomultiplier, einem Multi-Pixel-Photon-Counter oder einem faseroptischen Vibrationssensor, und ein Überschreiten beziehungsweise Unterschreiten des Grenzwerts der Messgröße bestimmt wird, indem ein Überschreiten beziehungsweise Unterschreiten einer Grenzspannung bestimmt wird. Die Zeitdifferenz zwischen dem Überschreiten und dem Unterschreiten des Grenzwerts kann aus den Messdaten bestimmt werden. Die Zeitdifferenz kann indirekt bestimmt werden, beispielsweise durch das Bestimmen eine Anzahl von Samples zwischen dem Überschreiten und dem Unterschreiten des Grenzwerts.
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Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, die Ladungsstärke der Teilentladung aus der Impulsbreite des Impulsverlaufs und einer Nennspannung in dem Leiter zu bestimmen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Zuordnung einer Impulsbreite des Impulsverlaufs zu einer Ladungsstärke der Teilentladung abhängig von einer bekannten Nennspannung in dem Leiter erfolgt, in oder an dem die Teilentladung auftritt.
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Es kann vorgesehen sein, zwei Impulsbreiten des selben Impulsverlaufs unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Grenzwerten oder zwei unterschiedlichen Paaren von Grenzwerten zu bestimmen und die Ladungsstärke der Teilentladung aus den zwei Impulsbreiten zu bestimmen. Beispielsweise kann anhand der Differenz der Pulsweiten die Summe der Steigungen der vorderen und hinteren Flanke des Impulses ermittelt werden. Hierbei kann eine größere Steigung einer größeren Ladungsstärke der Teilentladung entsprechen. Mit einem solchen Ansatz kann es ermöglicht sein, eine Präzision der Erfassung einer Teilentladung zu erhöhen, ohne den Aufwand für die Detektion signifikant zu steigern.
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Die Ladungsstärke der Teilentladung kann aus der Impulsbreite mittels einer Lookup-Tabelle bestimmt werden, in welchem einer gegebenen Impulsbreite eine Ladungsstärke zugeordnet ist, gegebenenfalls für eine gegebene Nennspannung. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, die Ladungsstärke der Teilentladung zu bestimmen, indem zur Berechnung der Ladungsstärke die Impulsbreite als Variable in eine Gleichung eingesetzt wird. Eine Bestimmung mittels Lookup-Tabelle kann mit einer Bestimmung mittels einer Gleichung kombiniert werden, beispielsweise indem eine stückweise Linearisierung um Wertepaare der Lookup-Tabelle vorgenommen wird.
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Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, die Ladungsstärke der Teilentladung aus der Impulsbreite des Impulsverlaufs frei von einer Auswertung der Amplitude des Impulsverlaufs zu bestimmen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Amplitude des Impulsverlaufs, also der maximale Betragswert der Messgröße während des Impulsverlaufs, nicht bestimmt wird. Hiermit kann eine Bestimmung der Ladungsstärke der Teilentladung bereitgestellt sein, die unabhängig von Sättigungserscheinungen in der Messeinrichtung oder der Auswerteei n-richtung oder von Komponenten hiervon ist. Insbesondere können Komponenten vorgesehen werden, welche bei für die Messgröße bei einer Teilentladung zu erwartenden Werten in Sättigung gehen, sodass in der Vorrichtung nicht alle Messwerte des Impulsverlaufs bestimmbar sind. In diesem Fall kann mittels einer Bestimmung der Ladungsstärke der Teilentladung aus der Impulsbreite des Impulsverlaufs frei von einer Auswertung der Amplitude des Impulsverlaufs dennoch eine hinreichend exakte Bestimmung der Ladungsstärke der Teilentladung gewährleistet sein.
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Alternativ kann die Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, die Ladungsstärke der Teilentladung aus der Impulsbreite des Impulsverlaufs unter zusätzlicher Auswertung der Amplitude des Impulsverlaufs zu bestimmen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, eine erste Ladungsstärke aus der Impulsbreite des Impulsverlaufs zu bestimmen und eine zweite Ladungsstärke aus der Amplitude des Impulsverlaufs zu bestimmen. In diesem Fall kann vorgesehen sein, die Ladungsstärke der Teilentladung unter Berücksichtigung der ersten Ladungsstärke und der zweiten Ladungsstärke, beispielsweise durch Mittelwertbildung, zu bestimmen.
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Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, die Ladungsstärke der Teilentladung unter Auswertung einer Fläche unter dem Impulsverlauf oder aus einer Fläche unter einer Hüllkurve des Impulsverlaufs zu bestimmen. Insbesondere kann vorgesehen sein, die Ladungsstärke der Teilentladung anhand des Ergebnisses einer Multiplikation der Impulsbreite mit der Amplitude des Impulsverlaufs oder der Hüllkurve des Impulsverlaufs zu bestimmen, gegebenenfalls unter Anwendung eines Korrekturfaktors zur Berücksichtigung eines nicht rechteckigen Impulsverlaufs. Mittels einer Hüllkurve kann ein tatsächlicher Impulsverlauf angenähert sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Messdaten eine Hüllkurve des Messsignals angeben. Im Zusammenhang mit dem Bestimmen eines Überschreitens beziehungsweise Unterschreitens eines Grenzwerts oder mehrerer Grenzwerte der Messgröße kann hierdurch ein mehrfaches Über- beziehungsweise Unterschreiten des jeweiligen Grenzwerts während des Impulsverlaufs unberücksichtigt bleiben, wenn die Hüllkurve den Grenzwert nur jeweils einmal überschreitet und unterschreitet.
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Die Messeinrichtung kann eingerichtet sein, aus dem Messsignal Messdaten mit einer Abtastfrequenz von mehr als 10 MHz zu erzeugen. In einer Ausgestaltung kann die Messeinrichtung kann eingerichtet sein, aus dem Messsignal Messdaten mit einer Frequenz von wenigstens 192 MHz zu erzeugen. Beispielsweise kann für eine Impulsbreite im Bereich von 80 ns bei einer Taktfrequenz von 192 MHz eine Quantisierung in 16 Stufen, entsprechend einem 4-Bit-Wandler, vorgesehen sein. Es kann vorgesehen sein, aus dem Messsignal Messdaten mit einer Frequenz von mehr als 192 MHz zu erzeugen. Beispielsweise kann eine Quantisierung der Impulsbreite in 128 oder 255 Stufen vorgesehen sein. In Ausgestaltungen, in denen die Lichterfassungseinrichtung einen Multi-Pixel-Photon-Counter aufweist, kann eine trägere Reaktion des Multi-Pixel-Photon-Counter im Vergleich zu einem Photomultiplier eine höhere Quantisierung ermöglichen, beispielsweise in 64 Stufen, entsprechend 6 Bit, bei einer Erzeugung von Messdaten aus dem Messsignal mit einer Frequenz von 192 MHz.
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In Verbindung mit dem Verfahren zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung können die vorangehend im Zusammenhang mit der Vorrichtung zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung beschriebenen Ausgestaltungen entsprechend vorgesehen sein.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung;
- 2 eine schematische Darstellung einer anderen Vorrichtung zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung;
- 3 eine Darstellung einer weiteren Vorrichtung zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung an einem Leiterende in einer Gesamtansicht (links) und einer Detailansicht (rechts)
- 4A Messsignalverläufe für eine optische (oben), akustische (Mitte) sowie elektrische (unten) Messung von Teilentladungen über eine Messperiode;
- 4B PRPD-Darstellungen der Messsignalverläufe aus der 4A über mehrere Messperioden
- 5 einen Signalverlauf einer Impulsmessung mittels fluoreszierender polymeroptischer Faser und Photomultiplier; und
- 6 einen Signalverlauf für das Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung anhand einer Hüllkurve.
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Die 1 zeigt schematisch eine an einem Leiter 1 angeordnete Vorrichtung zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung. An dem Leiter 1 ist eine Messeinrichtung angeordnet, welche in der dargestellten Ausführung einen Lichtwellenleiter 2 sowie eine Lichterfassungseinrichtung 3 aufweist. Der Lichtwellenleiter 2 ist an dem Leiter 1 derart angeordnet, dass bei Auftreten einer Teilentladung in dem Leiter durch die Teilentladung erzeugtes Licht in den Lichtwellenleiter 2 eingekoppelt und durch diesen zu der Lichterfassungseinrichtung 3 weitergeleitet wird.
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In Ausführungen der Vorrichtung kann der Lichtwellenleiter 2 um den Leiter 1 herum angeordnet sein, derart, dass bei einer Teilentladung entstehendes Licht seitlich in den Lichtwellenleiter 2 eingekoppelt wird und durch diesen an die Lichterfassungseinrichtung 3 weitergeleitet wird. Hierbei koppelt das bei der Teilentladung entstehende Licht je nach dem Ort der Entstehung der Teilentladung in oder an dem Leiter 1 an unterschiedlichen Längenpositionen des Lichtwellenleiters 2 in diesen ein. Hiermit ist eine Erfassung von Teilentladungen an verschiedenen Stellen an oder in dem Leiter 1 mittels des Lichtwellenleiters 2 ermöglicht.
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Die Lichterfassungseinrichtung 3 ist mit einem Multi-Pixel-Photon-Counter, bzw. einem Halbleiter-Photomultiplier gebildet. In alternativen Ausgestaltungen kann die Lichterfassungseinrichtung 3 mit einem lichtempfindlichen Element anderer Art, beispielsweise einem Photomultiplier gebildet sein. Der Multi-Pixel-Photon-Counter erzeugt aus den eintreffenden Photonen des mittels des Lichtwellenleiters 2 übertragenen Lichts der Teilentladung eine Messspannung. Die Messeinrichtung überträgt dem Verlauf der Messspannung entsprechende Messdaten an eine Auswerteeinrichtung 4. Die Auswerteeinrichtung 4 bestimmt aus den Messdaten eine Impulsbreite des Verlaufs der Messspannung, welche einer Impulsbreite eines von der Messeinrichtung empfangenen Lichtimpulses entspricht. Aus der Impulsbreite bestimmt die Auswerteeinrichtung 4 eine Ladungsstärke der Teilentladung in, beziehungsweise an, dem Leiter 1.
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In der Ausgestaltung nach der 1 bestimmt die Auswerteeinrichtung 4 die Ladungsstärke der Teilentladung ohne Berücksichtigung der Amplitude des Impulsverlaufs anhand einer Zuordnung mittels einer Lookup-Tabelle. In alternativen Ausgestaltungen kann eine Berechnung mittels einer Formel oder eine Kombination dieser Ansätze vorgesehen sein.
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In alternativen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung 4 die Ladungsstärke der Teilentladung unter Verwendung der Impulsbreite und der Amplitude des Impulsverlaufs bestimmt.
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Die 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung. Im Vergleich zu der Vorrichtung aus der 1 weist die Vorrichtung der 2 zwei Lichtwellenleiter 2a, 2b sowie zwei Lichterfassungseinrichtungen 3a, 3b auf. Die Auswerteeinrichtung 4 ist eingerichtet, eine Ladungsstärke nur dann zu bestimmen, wenn beide Lichterfassungseinrichtungen 3a, 3b Messdaten für denselben Zeitraum an die Auswerteeinrichtung 4 übertragen. Somit findet eine Bestimmung einer Ladungsstärke nur dann statt, wenn der jeweilige Multi-Pixel-Photon-Counter beider Lichterfassungseinrichtungen 3a, 3b einen Lichtimpuls erfasst.
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In der 3 ist eine Anordnung mit einer weiteren Vorrichtung zum Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung dargestellt. Auf der linken Seite der 3 ist ein Leiterende eines Leiters 1 erkennbar, um den ein Lichtwellenleiter 2 in Form einer fluoreszierenden polymeroptischen Faser (f-POF) geschlungen ist. Die optischen Emissionen von Teilentladungen werden von der f-POF absorbiert und führen zur erneuten Abstrahlung von Licht einer materialtypischen Wellenlänge. In alternativen Ausgestaltungen können andere Fasertypen vorgesehen sein, die in der Lage sind, photonische Emissionen aufzunehmen und axial gerichtet weiterzuleiten.
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Das auf diese Weise emittierte Licht koppelt in die Faser ein und wird zu den Enden geleitet, wo es mit Hilfe eines Photomultipliers bzw. eines Multi-Pixel-Photon-Counters (MPPC) in elektrische Signale gewandelt wird. MPPCs können als matrixförmig angeordnete Avalanche-Dioden ausgestaltet sein, die als kostengünstige Alternative zu Photomultipliern verwendet werden können.
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Aufgrund der extrem hohen Empfindlichkeit der Messanordnung gegenüber einfallendem Licht, kann eine Installation in absolut dunkler Umgebung vorgesehen sein. Beispielsweise können für Untersuchungen an Silikon-Prüfkörpern und transparenten Silikon-Endverschlüssen die Objekte mit Tape umwickelt und verklebt werden. Die f-POF kann jeweils in den zu prüfenden Objekten eingegossen sein. Es kann ein Transport-Lichtwellenleiter verwendet werden, um das Licht zur einer Messelektronik zu leiten.
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In der Detaildarstellung auf der rechten Seite der 3 ist eine Teilentladungs-Fehlerquelle 5 in Form einer über der Leitschicht angebrachten Spitze auf Erdpotential an dem auf einem Mittelspannungskabel montierten transparenten Endverschluss zu erkennen.
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Die 4A zeigt das Teilentladungssignal an der Anordnung gemäß der 3 als Messsignalverläufe für eine optische (oben), akustische (Mitte) sowie elektrische (unten) Messung von Teilentladungen über eine Messperiode von 20 ms. Hierbei ist auf der Abszissenachse die Zeit in Millisekunden aufgetragen. Die Ordinatenachse gibt jeweils eine Ausgangsspannung eines optischen (oben), akustischen (Mitte) sowie elektrischen (unten) Sensors an. In den Messsignalverläufen ist jeweils eine sinusförmige Referenzspannung dargestellt.
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Die 4B zeigt zu den Messsignalen der 4A jeweils das zugehörige PRPD (phaseresolved partial discharge) -Muster über mehrere Perioden. In den 4A und 4B ist eine deutliche Korrelation der unterschiedlichen Signale erkennbar.
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Für eine optische Erfassung von Teilentladungen an einem Leiter 1 kann der Einsatz hochempfindlicher Photomultiplier, MPPCs oder vergleichbarer Lichtsensoren erforderlich sein. Hierbei sind Photomultiplier extrem empfindlich und weisen eine geringe Dunkelzählrate (Rauschen) auf. Beispielsweise kann eine Dunkelzählrate weniger als 10 Impulse pro Sekunde betragen. Hierdurch kann es ermöglicht sein, auf eine Koinzidenzschaltung zur Reduktion des Rauschverhaltens zu verzichten.
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Bei Messungen kann es schwierig sein, die Stärke von Lichtimpulsen anhand der Amplituden der Ausgangssignale von Photomultipliern zu differenzieren, wenn die Photomultiplier sehr empfindlich sind und deshalb schnell in einen Sättigungszustand übergehen. Hierbei kann es vorteilhaft sein, einen Impulsdetektor vorzusehen der die Pulsbreite erfasst. Ein solcher Impulsdetektor lässt sich beispielweise in einem Field Programmable Gate Array (FPGA) realisieren. Hierbei kann die Impulsbreite ein Maß für die Stärke von Teilentladungen sein. Hierdurch kann ein einfacherer und kostengünstigerer Aufbau bereitgestellt sein, da Komponenten nicht für eine Erfassung der Amplitude ausgelegt sein müssen.
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In dieser Ausgestaltung hängt die Genauigkeit der Pulsbreitenmessung von der Taktfrequenz des FPGA ab. Beispielsweise ist bei einer Taktung des FPGA mit 192 MHz eine Erfassung der Pulsbreiten mit einer Genauigkeit von ca. 5ns ermöglicht. In einem Beispiel erfassen die Photomultiplier bei Teilentladungen in transparenten Silikonelastomeren Pulsbreiten von bis zu ca. 80ns, was einer Quantisierung der Teilentladungen in 16 Stufen und somit einem 4-Bit-Wandler entspricht. Bei Verwendung eines schnelleren FPGA kann eine Quantisierung in 128 oder 255 Stufen bereitgestellt sein.
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Im Vergleich zu Photomultipliern sind MPPCs deutlich kostengünstiger. Sie können jedoch eine erheblich höhere Dunkelzählrate aufweisen. In einer Ausgestaltung werden MPPCs in Koinzidenzschaltung betrieben. Hierdurch kann eine Kompensation einer höheren Dunkelzählrate bereitgestellt sein. In einem Beispiel werden die Lichtimpulse durch zwei MPPCs gleichzeitig detektiert. Nur wenn beide MPPCs einen Lichtimpuls erfassen, wird der Impuls zur Verarbeitung weitergeleitet. Auf diese Weise kann es ermöglicht sein, die Dunkelzählrate so weit zu reduzieren, dass mit Photomultipliern vergleichbare Ergebnisse erreicht werden. Hierbei können erheblich reduzierte Kosten für die verwendete Hardware erreicht sein.
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In Ausgestaltungen reagieren MPPCs träger als Photomultiplier, so dass längere Impulsbreiten entstehen. Ohne Änderungen an der Konfiguration des FPGAs kann somit eine Auflösung von Teilentladungen mit bis zu 64 Stufen (entsprechend 6 Bit) bereitgestellt sein. Hierdurch kann ein Praxiseinsatz ermöglicht sein. Durch eine Erhöhung der Taktfrequenz des FPGAs kann demgegenüber eine Steigerung der Auflösung erreicht sein.
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Die 5 zeigt einen Signalverlauf einer Messung einer Teilentladung mittels eines Photomultipliers. Hierbei gibt der Verlauf 6 einen elektrischen Ansteuerimpuls für eine LED zur Erzeugung einer simulierten Lichtentwicklung bei einer Teilentladung an und der Verlauf 7 gibt den entsprechenden erfassten Messsignalverlauf an. In dieser Ausgestaltung wird Licht mittels f-POF auf den Photomultiplier geführt. Die Amplitude erreicht einen Sättigungsbereich 8, so dass aus der Amplitude kein Rückschluss auf die emittierte Lichtmenge möglich ist. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Impulsbreite abhängig von der Lichtmenge ist, so dass sich durch Messung der Impulsbreite 9 des elektrischen Ausgangssignals des Photomultipliers an einer vorgegebenen Spannung (in der Darstellung der 5 ca. 1,2V) eine Aussage über die Stärke der jeweiligen Teilentladung treffen lässt. Bei schwächeren Lichtimpulsen kann eine Erfassung des Signals ohne Erreichen einer Sättigung erfolgen. Auch in diesen Fällen kann die Impulsbreite als Maß für die Stärke einer aufgetretenen Teilentladung dienen.
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In alternativen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, für das Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung alternativ zu f-POF oder ergänzend andere Sensoren vorzusehen. Beispielweise können elektrisch, elektromagnetisch oder akustisch arbeitende Sensoren vorgesehen sein. Hierbei und in anderen Ausgestaltungen, insbesondere in Ausgestaltungen mit nicht elektrisch arbeitenden Sensoren, beispielsweise optischen Sensoren, kann es vorteilhaft sein, das Messsignal mittels eines Hüllkurvendetektors geeignet aufzubereiten.
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In einer alternativen Ausgestaltung zur quantitativen Erfassung einer Teilentladung gemäß der 5 erfolgt die Vermessung eines einzelnen Impulses unter Verwendung von zwei Grenzwerten. Hierbei werden zwei Pulsweiten 9 und 9a für jeweils einen der beiden Grenzwerte erfasst. Anhand der Differenz dieser Pulsweiten wird die Summe der Steigungen der vorderen und hinteren Flanke des Impulses ermittelt. Hierbei entspricht eine größere Steigung einer größeren Ladungsstärke der Teilentladung. Mit einem solchen Ansatz kann es ermöglicht sein, eine Präzision der Erfassung einer Teilentladung zu erhöhen, ohne den Aufwand für die Detektion signifikant zu steigern.
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Die 6 zeigt einen Signalverlauf für das Bestimmen einer Ladungsstärke einer Teilentladung anhand einer Hüllkurve. In bekannten Verfahren wird das zu messende Signal 10 erfasst, indem die Maximalamplitude eines Teilentladungs-Ereignisses 11 gemessen wird. Wegen der hohen Frequenzen im Signal 10 wird hierfür ein schneller und teurer AD-Wandler benötigt. Mit einer Aufbereitung des Eingangssignals 10 kann eine Kostenersparnis ermöglicht sein. Hierzu kann die Hüllkurve 12 des Eingangssignals 10 ermittelt werden. Beispielsweise kann ein als solcher bekannter Hüllkurven-Detektor zum Einsatz kommen. Hierbei kann es sich um industriell gefertigte integrierte Schaltkreise handeln. Gemäß der Ausgestaltung der 6 wird statt der Maximalamplitude des Signals 10 die Pulsweite 9 der Hüllkurve 12 an einer als Grenzwert 13 dienenden vorher festgelegten Spannung gemessen. Wie überraschenderweise festgestellt wurde, korreliert diese Pulsweite 9 direkt mit der Amplitude des Signals 10. Es kann so ermöglicht sein, eine Messung ohne einen AD-Wandler durchzuführen. Hierdurch kann eine Kostenersparnis erreicht sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Fläche unter der Hüllkurve 12 gemessen werden. Hiermit kann eine genauere Klassifizierung einer Teilentladung ermöglicht sein. In einer Ausgestaltung kann eine Näherung zur Flächenberechnung bestimmt werden, indem die Pulsweite 9 mit der Amplitude kombiniert wird. Beispielsweise kann die Pulsweite 9 mit der Amplitude multipliziert werden. In weiteren Ausgestaltungen kann weiterhin ein Korrekturfaktor vorgesehen sein. In Ausgestaltungen, in denen die Pulsweite 9 mit der Amplitude kombiniert wird, kann ein AD-Wandler für die Bestimmung der Amplitude vorgesehen sein. In einer solchen Ausgestaltung kann ein langsamerer AD-Wandler vorgesehen sein, als in bekannten Verfahren mit Erfassung des Ausgangssignals 10, wobei eine vergleichbare Genauigkeit erreicht sein kann.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2472689 A2 [0005]
- WO 2020/069697 A1 [0005]
- WO 2020/069698 A1 [0005]
- WO 2019/170194 A1 [0006]
- DE 102016108122 B3 [0006]
- WO 2016/180396 A1 [0007]
- DE 102013104155 B4 [0007]
- DE 102015101608 A1 [0007]
- WO 2016/155695 A1 [0008]
