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Die Erfindung betrifft ein Messverfahren
zur Früherkennung
von eingedrungener Flüssigkeit,
vorzugsweise Wasser, in lang gestreckten Betriebsmitteln wie Rohrleitungen
und Kabeln.
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Lang gestreckte Betriebsmittel, wie
Rohrleitungen und Kabel, werden oft im Erdboden verlegt und haben
einen äußeren Korrosionsschutzmantel
der das Eindringen von Flüssigkeiten,
wie z.B. Wasser und Korrosion des Betriebsmittels verhindert.
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Wenn nachstehend aus Gründen der
Vereinfachung von Wasser die Rede ist, wird selbstverständlich immer
jedwede Flüssigkeit
gemeint, deren Eindringen in äquivalenter
Weise erfassbar ist.
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Insbesondere haben kunststoffisolierte
Hochspannungskabel für
Erdverlegung einen Kabelmantel, der die Kabelader vor mechanischer
Beschädigung
und Wasser schützt.
Beide Aufgaben sind wichtig, da die Kunststoffisolierung nur unter
diesen Bedingungen eine optimale technische Funktions- und wirtschaftliche
Lebensdauer erreichen kann.
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Die Mäntel für Hochspannungskabel werden
grundsätzlich
aus einer Metall- und einer Kunststoffhülle aufgebaut. Insbesondere
gewährleistet
eine dicke Metallhülle
sowohl mechanische Stabilität
als auch Abdichtung gegenüber
Wasser. Üblich
bestehen solche Mäntel
aus einer mehrere Millimeter dicken Bleiummantelung und einer darüber befindlichen
ebenfalls mehrere Millimeter dicken Kunststoffhülle. Nachteilig bei diesen
Kabeln ist das infolge des Bleimantels hohe Gewicht, vergrößerter Außendurchmesser,
kürzere
Lieferlänge
und höhere
Anzahl von Verbindungsmuffen für
eine bestimmte Übertragungsstrecke.
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Diese wirtschaftlichen Nachteile
vermeidet man bei Anwendung von Schichtenmänteln. Ein Schichtenmantel
besteht aus einer dünnen
Metallfolie, die mit einem Kunststoffmantel verklebt ist. Weit verbreitet
sind nur 0,2 mm dicke Aluminiumfolien im Verbund mit mehrere Millimeter
dicken Polyethylen Mänteln.
Dabei hat die Aluminiumfolie die Aufgabe der Wassersperre und der
Kunststoffmantel die der mechanischen Stabilität. Zur Übertragung von Ableit- und
Kurzschlussströmen
sind in der Regel unter dem Mantel zusätzliche elektrische Schirme
aus Kupferdrähten
angeordnet.
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Hochspannungskabel mit Polyethylenisolierung
und Schichtenmantel kommen zunehmend zur Anwendung, da sie Vorteile
gegenüber
anderen Kabelkonstruktionen haben. Allerdings haben Kabel mit Schichtenmänteln gegenüber herkömmlichen
Konstruktionen mit dicken Metallmänteln den Nachteil der geringeren mechanischen
Stabilität.
Infolge mechanischer Beanspruchung des Mantels bei ungünstiger
Bettung oder durch Baumaßnahmen
kann der dünne
Metallmantel beschädigt
werden und in der Folge Wasser in das Innere des Kabels eindringen.
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Zukünftig werden wahrscheinlich
auch Hochspannungskabel mit verbesserter Polyethylenisolierung auf
den Markt kommen, die zwar eine gewisse Diffusion von Wasser durch
einen Mantel ohne Metall erlauben aber weiterhin durch flüssiges Wasser
im Kabel geschädigt
werden.
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Bleibt dieser Vorgang des Eindringens
von Wasser in das Kabel unbemerkt, diffundiert das Wasser in der
Folgezeit in die Kabelisolierung aus Polyethylen und bildet unter
Einfluss des in der Isolierung herrschenden elektrischen Feldes
schädigende
Strukturen – water
trees – aus,
die zu einem unvorhersehbaren und plötzlichen, vorzeitigen elektrischen
Versagen der Isolierung führen
können.
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In anderen technischen Ausbildungen
von lang gestreckten Betriebsmittel kann Wasser infolge Korrosion
zur Zerstörung
des Metallmantels führen
und muss deshalb ebenfalls ausgeschlossen werden.
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Es wird daher angestrebt, den Zeitpunkt
des Eindringens von Wasser in ein lang gestrecktes Betriebsmittel
und den Ort des Fehlers durch ein Überwachungssystem zu erkennen.
Besonders schwierig ist die technische Ausführung eines solchen Überwachungssystems
bei Starkstromkabeln, da hier das Überwachungssystem selbst elektrischen
Beanspruchungen ausgesetzt ist.
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Verfahren, die eine Überwachung
der Unversehrtheit und des Eindringens von Wasser in ein Betriebsmittel
betreffen, werden in folgende Patentanmeldungen sowie Fachveröffentlichungen
beschrieben:
DE-A-195
27 972 ;
DE-A-195
44 391 ; PCT/EP 01/09384;
DE-A-100 19 430 sowie Fortschritt-Berichte
VDI-Verlag Reihe 21 : Elektrotechnik Nr. 212; Elektrizitätswirtschaft,
Jg.99 (2000), Heft 26, Seiten 44 bis 52.
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Dem genannten Stand der Technik liegt
gemeinsam ein System zugrunde, das aus drei Komponenten besteht,
die da sind: Kabel mit elektrisch wirksamem Sensor; Verbinden von
Kabeln und Sensoren zu einer Messschaltung; und ein elektrisches
Messverfahren.
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Hier bedeutet Kabel mit elektrisch
wirksamem Sensor, dass in die Lücken
zwischen den Drähten
des Schirms aus Kupferdrähten
ein Wassersensor eingelegt ist. Dieser Wassersensor besteht aus
einem metallenen Leiter und einer Umhüllung, die für Wasser
durchlässig
ist. Dadurch hat der Sensorleiter gegenüber den Schirmdrähten bei
intaktem Mantel im trockenen Zustand einen hohen Isolationswiderstand,
der aber bei beschädigtem
Mantel in Anwesenheit von Wasser niedrig ist.
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Beim Verbindung der Kabel und Sensoren
zu einer Messschaltung ist zu berücksichtigen, dass, weil Kabelanlagen
lang gestreckte Betriebsmittel sind, eine Überwachung durch elektrische
Messung des Isolationswiderstandes und gegebenenfalls des Fehlerorts
von nur einer Seite des Kabels erwünscht ist. Die Sensoren der
Kabel eines dreiphasigen Systems sind deshalb am fernen Ende (=Kabelende)
miteinander verbunden und ermöglichen
die Messung eines jeden Sensors von zwei Seiten durch zyklische
Vertauschung alleine vom nahen Ende (=Kabelanfang) aus. Die Sensoren
sind über
Schalter mit dem Kabelschirm verbunden und werden periodisch nur
kurzzeitig zum Zweck der Messung von diesem getrennt. Somit erfolgen
Induktionsvorgänge
sowohl im Schirm als auch in den Sensoren überwiegend in gleicher Weise.
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Bei entsprechenden elektrischen Messverfahren
erfolgt die Überwachung
der Sensoren periodisch mit Gleichstrom. Der Vorteil dieser Maßnahme ist,
dass die Messsignale auf einfache Art von allen induzierten Störungen gefiltert
werden können.
Detektieren und Ortung eines Mantelfehlers erfolgen nach dem Stand
der Technik auf unterschiedliche Arten.
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Gemäß
DE-A-195 27 972 und
DE-A-195 44 391 werden
drei Sensoren parallel in einen geerdeten Messkreis einbezogen und
gleichzeitig überwacht.
Bei Fehlerfreiheit sind die Ströme
in allen Sensoren gleich. Bei Wassereinbruch erfolgt jedoch ein
zusätzlicher
Stromfluss über
die Fehlerstelle zum Schirm und damit zur Erde. Bedingt durch den
Längswiderstand
des Sensors ist der Stromfluss über
die Fehlerstelle abhängig
vom Fehlerort. Mit Hilfe von Gleichungen kann der Ort des Fehlers
anhand der gemessenen Ströme
ermittelt werden.
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Gemäß
DE-A-100 19 430 wird eine
sequentielle Messung der Sensoren beschrieben. Bei einer ersten Messung
wird aus jeweils zwei Sensoren eine Messschleife gebildet, in die
ein konstanter Gleichstrom von 10 mA eingespeist wird. Durch Messung
der Spannung zwischen Erde (=Schirm) und den beiden Sensoreingängen werden
zwei Spannungen ermittelt, die in der Summe dem Spannungsfall auf
der gesamten Sensorschleife entsprechen. Dabei wird davon ausgegangen,
dass der dritte, bei der Messung nicht verwendete Sensor infolge
des Isolationswiderstandes zwischen dem Sensorleiter und dem Kabelschirm
die beiden anderen Sensoren am Kabelende über seinen Isolationswiderstand
hochohmig mit Erde verbindet. Es wird weiterhin davon ausgegangen,
dass bei einem Mantelfehler die Erdung der Fehlerstelle über den
Wasserwiderstand zwischen Sensorleiter und den umgebenen Schirmdrähten erfolgt.
Die dann messbaren Spannungen sollen den Spannungsfällen auf
der Sensorschleife entsprechen und durch Bildung von mathematischen
Verhältnissen
die genaue Ortung der Fehlerstelle ermöglichen. In einer zweiten Messung
wird ein Gleichstrom von 0,01 mA über die Sensoren zur Erde (=Schirm)
eingespeist und der Spannungsfall gemessen. Für den errechenbaren Isolationswiderstand
können
untere Grenzwerte gesetzt und bei deren Unterschreiten ein Alarm
ausgelöst
und die Fehlerortungsrechnung ausgeführt werden. In der Offenlegungsschrift
DE-A-100 19 430 wird
ausdrücklich betont,
dass sämtliche
Ströme
durch die Fehlerstelle extrem klein, d.h. kleiner als der Isolationsmessstrom
(= 0,01 mA) sind.
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In der praktischen Anwendung des
in
DE-A-100 19 430 beschriebenen
Messverfahrens muss davon ausgegangen werden, dass sowohl das Detektieren
als auch die Fehlerortung mit erheblichen Ungenauigkeiten behaftet
ist, die sowohl von der Länge
des überwachten
Kabels als auch von dessen Temperatur abhängig sind. Die Ursache liegt
in dem möglichen
vergleichsweise niedrigen Isolationswiderstand des trockenen Sensors
und dem Kabelschirm sowie dem möglichen
hohen Widerstand der feuchten oder nassen Fehlerstelle. Hierfür ein Beispiel:
Der Isolationswiderstand des trockenen Sensors gegenüber dem
Kabelschirm beträgt
bei 20°C
typisch 500 kOhm je Kilometer Kabellänge. Da die Sensoren in der üblichen
Messschaltung am Kabelende miteinander verbunden sind, beträgt bei einer
4 km langen Kabelstrecke der Isolationswiderstand der 12 km parallel
geschalteten Sensoren somit ca. 60 kOhm. Bei Erhöhung der Kabeltemperatur im
Schirmbereich von 20°C
auf z.B. 50°C
bei vollem Betriebsstrom kann der in hohem Maße negativ temperaturabhängige Isolationswiderstand
auf Werte von 10 kOhm abfallen.. Sofern der Fehlerwiderstand sehr
klein gegenüber
dem Isolationswiderstand ist, ist die absolute Größe der Widerstände für die praktische
Anwendung vernachlässigbar.
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Der Fehlerwiderstand kann jedoch
ebenfalls in weiten Grenzen schwanken und hat außerdem charakteristische Merkmale:
Grundsätzlich
stellt jeder Mantelfehler mit eingedrungenem Wasser eine galvanische Zelle
dar, die aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyt besteht.
Im Ersatzschaltbild lässt
sich eine solche Zelle durch eine Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand
in Reihe und einer parallelen Kapazität darstellen.
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Im Falle eines Schichtenmantelkabels
mit Aluminiumfolie und Kupferschirm sowie einem Sensor mit Kupferleiter
ist die Anode der Kupferleiter und die Kathode ist die Aluminiumfolie
gemeinsam mit den Kupferdrähten
des Schirms und dem Kohlenstoff des Polsterbandes, wobei die Aluminiumfolie
elektrisch dominiert. Die Leerlaufspannung dieser Zelle ist zeitabhängig und
beträgt
anfänglich
ca. 0,4 V. Durch Kurzschluss des Sensors zwischen den periodischen
Messungen in der Messschaltung und Passivierung der Oberflächen wird dieser
Wert bei den Messungen jedoch nicht erreicht.
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Nach Öffnen der Erdungsverbindung
vergehen nach o.g. Offenlegungsschrift Sekunden bis Minuten bis
die Messung erfolgt. In dieser Zeit formiert sich die Zelle vom
Zustand des Kurzschlusses in den Zustand des Leerlaufs. Keiner der
Zustände
wird stabil erreicht. In diese instabile Zelle wird durch das Messgerät zusätzlich der
Messstrom eingespeist. Dabei erfolgt eine Veränderung der Eigenschaften der
galvanischen Zelle, abhängig
von Größe, Dauer
und Richtung des Stroms und natürlich
auch abhängig
von der Größe der Zelle selbst,
d.h. der Ausdehnung des Wasserfehlers.
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Besonders wichtig ist das Erkennen
von Fehlern bei ihrem Entstehen, da bei diesen die räumliche
Ausdehnung des Wassers noch klein und der Innenwiderstand noch groß ist. Der
messbare Widerstand eines Mantelfehlers ebenso wie der einer galvanischen
Zelle hängt
stark von der Art des Messstroms ab:
- – Bei einem
Wechselstrom ist der messbare Widerstand sehr klein (einige Ohm)
und unabhängig
von der Größe des Messstroms
zwischen 0,01 mA und 10 mA.
- – Bei
einem Gleichstrom ist der messbare Widerstand stark abhängig von
der Stromgröße, Stromflussdauer und
Stromrichtung. Bei kleinen Messströmen von z.B. 0,01 mA beträgt der Widerstand
eines Kabels mit einer Durchfeuchtung auf 5 cm Länge ca. 10000 Ohm und fällt bei
Messströmen
von 10 mA auf ca. 200 Ohm ab.
- – Bei
pulsierendem Gleichstrom ist der messbare Widerstand ebenfalls von
Impulslänge
und Impulsgröße abhängig und
hat Werte im Übergang
zwischen Wechsel- und Gleichstrom.
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Diese Beispiele zeigen, dass das
in
DE-A-100 19 430 beschriebene
Messverfahren zum Detektieren und zur Ortung von Mantelfehlern nur
bedingt geeignet ist, da sich das Verfahren gerade durch kleine
Messströme
im Bereich von 0,01 mA auszeichnet, bei denen die Fehlerwiderstände physikalisch
bedingt hoch sind.
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Messungen an – bezüglich der Sensoren – elektrisch
simulierten Kabelanlagen haben gezeigt, dass die Abweichungen der
Fehlerortung mehrere 10% betragen können.
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Die mögliche Abweichung kann weiterhin
vergrößert werden
durch Messung mit beiden Stromrichtungen. Die messbaren Innenwiderstände einer
galvanischen Zelle sind in beiden Stromrichtungen unterschiedlich,
woraus unterschiedliche Spannungsfälle an der Fehlerstelle resultieren.
Abhängig
von der Größe des Stroms
kann bei gleicher Stromrichtung sogar das Vorzeichen des Spannungsfalls
wechseln, wodurch formal negative Widerstände ermittelbar sind. Für die Fehlerortung
werden jedoch die gemessenen Spannungsfälle in Verhältnisse gesetzt. Die gemessenen
Spannungsfälle
enthalten gemäß dem Kirchhoff'schen Gesetz jeweils
sowohl den Spannungsfall des Messstroms im Sensorleiter als auch
den Spannungsfall des Fehlerstroms durch die Fehlerstelle. Werden
beide Messergebnisse vorzeichenrichtig gemittelt, hebt sich dabei
ein identischer Spannungsfall über
der Fehlerstelle auf und beeinflusst nicht das Messergebnis. Jedoch
tritt eine Beeinflussung im Fall von verschieden großen Spannungsfällen bei
unterschiedlichen Stromrichtungen auf, wie es bei Anwendung von
kleinen Messströmen
gemäß Offenlegungsschrift
DE-A-100 19 430 der
Fall ist.
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Die exemplarisch aufgeführten Nachteile
bei Messverfahren nach dem Stand der Technik führen einzeln und besonders
kumuliert zu einer fehlerhaften Ortung eines Mantelfehlers. Die
Messfehler nehmen hierbei bei gleichem Fehlerwiderstand und gleichem
Isolationswiderstand vom Kabelanfang bis zum Kabelende ab. Messfehler
von 20% am Kabelanfang sind bei herkömmlichen Messverfahren möglich. Bei
einem 2000m langen Kabel müsste
deshalb die Fehlersuche in einem Bereich von 400m durchgeführt werden,
was wirtschaftlich nicht akzeptabel ist. Angestrebt werden Messfehler
zwischen 0,5% und 1%; dann liegt der Fehler zwischen 10m und 20m
vom ermittelten Fehlerort entfernt. In diesem Fall kann direkt mit
einer zusätzlichen punktgenauen
Ortungsmessung die Position des Kabels zur Erdoberfläche ermittelt
und mit gezielter Aufgrabung der Fehler auch visuell erkannt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein in Bezug auf die vorstehend beschriebenen Probleme verbessertes
Messverfahren zur Früherkennung
und Präzisions-Fehlerortung
für Flüssigkeiten,
wie z.B. Wasser in lang gestreckten Betriebsmitteln bereitzustellen,
insbesondere von Flüssigkeiten
im Schirmbereich von Hochspannungskabeln.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein Messverfahren zur Früherkennung
und Präzisions-Fehlerortung von
Flüssigkeit
unter einer äußeren Schutzhülle in lang
gestreckten Betriebsmitteln wie Hochspannungskabeln und Rohrleitungen
mit mindestens einem lang gestreckten elektrischen Sensor unter
dieser Schutzhülle,
wobei der Sensoren im trockenen Zustand elektrisch isoliert benachbart
zu einem zweiten draht- oder rohrförmigen nicht isoliertem und
vorzugsweise geerdeten Leiter ist und in Gegenwart von Wasser elektrische
Leitfähigkeit zu
diesem Leiter auftritt, wobei der Sensor am Ende des Betriebsmittels
mit einem bezüglich
dem Sensor und dem zweiten Leiter elektrisch isolierten Rückleiter
verbunden ist, der bis zum Anfang des Betriebsmittels führt und
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Verbinden
einer elektrischen Energiequelle am Kabelanfang mit dem Sensor und
dem zweiten Leiter;
- – Messen
einer Spannung zwischen Sensor und Rückleiter am Kabelanfang;
- – Vergleichen
dieser gemessenen Spannung mit dem Ergebnis einer Referenzmessung
zum bedarfsweisen Bestimmen eines Fehlerorts.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung des Messverfahrens wird die elektrische Energiequelle
am Kabelanfang mit dem Sensor unmittelbar verbunden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung wird die elektrische Energiequelle am Kabelanfang
mit dem Rückleiter
und über
den Rückleiter
am Kabelende mit dem Sensor verbunden.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Referenzmessung eine Messung zwischen
von einem Fehlerfall nicht beeinträchtigten Leitern.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Referenzmessung eine Messung zwischen
einem weiteren Sensor und dem Rückleiter
innerhalb desselben Betriebsmittels.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Referenzmessung eine Messung zwischen
einem Sensor und einem Rückleiter
innerhalb eines parallel verlegten anderen Betriebsmittels.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Referenzmessung eine Messung zwischen
dem Sensor und dem Rückleiter
innerhalb desselben Betriebsmittels zu einem früheren Zeitpunkt.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Referenzmessung eine Messung einer
Spannung und wahlweise Ermittlung eines Widerstandes zwischen Sensor
und Rückleiter
am Kabelanfang beim Anlegen einer Spannung zwischen Rückleiter
und zweitem Leiter am Kabelanfang.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Referenzmessung eine Messung einer
Spannung und wahlweise Ermittlung eines Widerstandes zwischen Sensor
und Rückleiter
am Kabelanfang beim unmittelbaren Anlegen einer Spannung zwischen
Sensor und zweitem Leiter am Kabelanfang.
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Vorzugsweise wird in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung eine elektrische Spannung an einen Sensor
und den zweiten Leiter gelegt, die im Fehlerfall einen Messstrom
durch den Sensor vom Sensoranfang bis zur Fehlerstelle und über die
Fehlerstelle in den zweiten Leiter fließen lässt.
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Vorzugsweise wird in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung eine elektrische Spannung an den Rückleiter
des genannten Sensors und den zweiten Leiter gelegt, die im Fehlerfall
einen Messstrom durch den Sensor vom Sensorende bis zur Fehlerstelle
und über
die Fehlerstelle in den zweiten Leiter fließen lässt.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Speisespannung eine unipolare oder
bipolare pulsierende Gleichspannung.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Speisespannung eine Wechselspannung.
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Vorzugsweise liegt in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Frequenz der Speisespannung zwischen
0,1 Hz und 10 Hz.
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Vorzugsweise liegt in einer günstigen
Ausgestaltung der Endung die Anzahl der Impulse zwischen 1 und 100.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Dauer eines Impulses mehr als 10ms.
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Vorzugsweise liegt in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Dauer eines Impulses in einem Bereich
vom 1 s bis 10s.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Frequenz des Wechselstroms verschieden
von der Frequenz von in der Umgebung des Betriesmittels angewendeten
Wechselströmen.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Frequenz des Wechselstroms kleiner
als 100 Hz.
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Vorzugsweise wird in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Speisespannung so reguliert, dass
ein konstanter Strom fließt.
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Vorzugsweise werden in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung eine oder mehrere Messspannungen als
Spannungsabfall auf dem Sensor zwischen der Einspeisung in den Sensor
und dem mit dem Sensor verbundenen Rückleiter und daraus Widerstände ermittelt.
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Vorzugsweise wird in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die Messspannung bei den vorhandenen
Polaritäten
des Messstroms ein- oder mehrfach während der Dauer des Stromimpulses
ermittelt.
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Vorzugsweise werden in einer günstigen
Ausgestaltung der Endung aus den ermittelten Messspannungswerten
unter Verwendung der zugeordneten Stromgröße und Polarität Widerstandswerte
ermittelt und die Widerstandswerte einer solchen Messreihe statistisch
bearbeitet werden.
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Vorzugsweise ist in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung als Rückleiter mindestens ein am
fernen Ende mit dem Sensor zusammengeschalteter Sensor eines weiteren
Betriebsmittels vorgesehen und wobei das Ermitteln aller Widerstände von
am fernen Ende zusammengeschalteten Sensoren durch zyklische Vertauschung
der Einspeisung am Kabelanfang und zugehörigem Abgriff der Messspannungen
erfolgt.
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Vorzugsweise werden in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung die ermittelten Teilwiderstände eines
jeweiligen Sensors zu Gesamtwiderständen des Sensors addiert.
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Vorzugsweise wird in einer günstigen
Ausgestaltung der Endung ein Fehlerort ermittelt durch Bildung von
Quotienten aus den ermittelten Teil- und Gesamtwiderständen von
Sensoren durch Multiplikation mit festgelegten Kabellängen.
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Vorzugsweise sind in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung ein niedriger Messwert des Isolationswiderstandes
und nicht gleichmäßige Messspannungen
an den Sensoren zum Erkennen eines beginnenden Kabelfehlers vorgesehen.
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Vorzugsweise werden in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung für
mehrphasige Kabelsysteme, die Messergebnisse logisch bewertet und
daraus der Fehlerort bezüglich
der Phasenlage erkannt.
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Vorzugsweise wird in einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung für
mehrphasige Kabelsystem durch logische Bewertung der Messergebnisse
ein hochohmiger Mantelfehler erkannt.
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Nachstehend wird die Erfindung beispielhaft
anhand von Ausgestaltungsformen beschrieben.
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Betriebsmittel im Sinne der vorliegenden
Erfindung können
beispielsweise im Erdboden oder in Luft verlegte elektrische Kabel
oder Rohre zum Transport von Medien (Gas, Öl, Wasser, Chemikalien) sein.
Die Betriebsmittel haben unter einer äußeren isolierenden Hülle einen
elektrischen Sensor und die zu schützende Funktionseinheit des
Betriebsmittels. Diese kann bei Kabeln die Kabelader oder Seele
und bei Leitungen für Medien
das eigentliche Rohr sein. Der Sensor besteht vorzugsweise aus einem
Metallleiter z.B. einem Draht, der mit einem wasserpermeablen Isolierstoff
z.B. einem Kunststoffgeflecht umgeben ist.
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Im Allgemeinen sollten Messverfahren
und Messstrom so zusammenwirken, dass unter allen technischen Randbedingungen
das beste Ortungsergebnis erzielbar ist.
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Von großem Einfluss auf den messbaren
Fehlerwiderstand und damit auf die Ortungsgenauigkeit ist der Stromfluss
durch die Fehlerstelle, was bei bisher bekannten Verfahren nicht
berücksichtigt
ist. Die endungsgemäße Messschaltung
wird deshalb so gewählt,
dass der Messstrom durch die Fehlerstelle fließt. Mit steigendem Stromfluss
sinkt dabei der messbare Fehlerwiderstand und erhöht somit
die Ortungsgenauigkeit. Der Messstrom wird deshalb über den
Sensor zur Erde (=Schirm) eingespeist.
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Bei einadrigen Kabeln oder bei Rohren
und Verwendung von einem Sensor mit einem am Kabelende verbundenen
isolierten Rückleiter
kann am Kabelanfang die Spannung zwischen Sensoranfang und Rückleiter gemessen
werden. Diese Spannung entspricht dem Spannungsabfall des Messstroms
im Sensor von der Einspeisung am Kabelanfang bis zur Fehlerstelle.
Bei einer Spannungsmessung mit großem Innenwiderstand des Spannungsmessgerätes tritt üblicherweise
auf der Messleitung (Sensor zwischen Fehlerstelle und Kabelende sowie
Rückleiter)
kein messbarer Spannungsabfall auf. Durch eine zweite Einspeisung
des Messstroms in den Rückleiter
und Messung des Spannungsabfalls zwischen Rückleiter und Sensoranfang wird
der Spannungsabfall auf dem Rückleiter
und dem Sensor vom Kabelende bis zur Fehlerstelle ermittelt. In
diesem Fall ist kein messbarer Spannungsabfall auf dem Sensor zwischen
Fehlerstelle und Kabelanfang. Da der Spannungsabfall auf dem Rückleiter
bei bekanntem Messstrom ermittelt werden kann, kann aus beiden Messungen
der Fehlerort errechnet werden. Dazu können bei konstantem Messstrom
die gemessenen Spannungsabfälle
direkt verwendet werden. Bei nicht konstanten Strömen müssen die
Ströme
zeitgleich mit den Spannungsabfällen
gemessen und entsprechende Widerstände ermittelt werden. Die Genauigkeit
der Fehlerortung kann erhöht
werden, wenn zusätzlich
eine Messung mit Einspeisung des Messstroms zwischen Sensoranfang
und Rückleiter am
Kabelanfang erfolgt und daraus der aktuelle Widerstand von Sensor
und Rückleiter
in Bezug auf die Kabeltemperatur erfolgt.
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Bei mehradrigen Kabeln oder bei Kabelsystemen
aus einadrigen Kabel mit mehreren Phasen oder Rohranlagen mit mehreren
parallelen Rohren werden Sensoren, beispielsweise nach dem Stand
der Technikübliche
Sensoren, vorzugsweise an einem fernen Ende, z.B. dem Ende der Übertragungsstrecke,
miteinander verbunden. Die Messströme werden in diesem Fall jeweils
zwischen Sensoranfang und Erde (=Schirm) eingespeist und können bei
mehr als zwei Sensoren zyklisch vertauscht sein.
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Großen Einfluss auf den wirksamen
Widerstand der Fehlerstelle hat weiterhin die Art des Stroms. Grundsätzlich kommen
Wechselstrom, pulsierender Gleichstrom mit und ohne wechselnder
Polarität
und Gleichstrom mit und ohne wechselnder Polarität in Betracht.
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Wechselstrom kann für eine kurze
Rohrleitung ohne Induktion von Spannung in den Sensor die optimale
Lösung
bedeuten, da bei Wechselstrom der Widerstand einer nassen Fehlerstelle
extrem niedrig ist. Die Länge
der Rohrleitung ist begrenzt durch den Ableitwiderstand und die
Betriebskapazität
des Sensors. Beide Größen verursachen
Verlustströme,
die im Verhältnis
zum Strom durch den Fehler klein sein müssen. Das Verhältnis sollte
den Wert Fehlerstrom/Verluststrom = 100 nicht unterschreiten. Die
Frequenz des Wechselstroms sollte verschieden sein von der Frequenz
von angewendeten Wechselströmen
in der Umgebung des Betriesmittels und vorzugsweise unter 100Hz
liegen. Für
Kabel mit Wechselstromübertragung
ist der Einsatz von Wechselstrom zur Speisung des Sensors meist
nicht zu empfehlen, da hier Induktion von Störspannungen in den Sensoren
auftreten kann, die zu erhöhten
Anforderungen an Signalfilter führt.
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Pulsierender Gleichstrom mit und
ohne Polaritätswechsel
kann vorteilhaft bei Energiekabeln zur Speisung der Sensoren verwendet
werden. Ähnlich
wie bei Wechselstrom ist der wirksame Widerstand einer feuchten
oder nassen Fehlerstelle bei dieser Speisung klein. Die Impulsdauer
bzw. Pulsdauer sollte vorzugsweise so lang sein, dass der kapazitiv
bedingte Einschwingvorgang des Stroms abgeschlossen ist. Das ist
bei Impulszeiten von mehr als 10ms und vorzugsweise 1 s bis 10s
der Fall. Die Messung der Spannungen sollte vorzugsweise am Ende
des Impulses erfolgen, da dann die kapazitiven Ladungsvorgänge abgeschlossen
sind. Andererseits tritt bei langer Impulsdauer eine elektrochemische
Veränderung
der Fehlerstelle infolge des Messstromes auf, die ebenfalls mit
einer nicht erwünschten
Erhöhung
des wirksamen Widerstandes verbunden ist. Wahlweise können während des
Stromflusses eine oder mehrere Messungen des Spannungsabfalls erfolgen.
Durch Mittelwertbildung oder andere statistische Auswertung kann
die Messgenauigkeit vorzugsweise erhöht werden. Vorteilhaft für die praktische
Ausbildung eines Messgerätes
ist die Regelung des Messstroms als Strom mit konstanter Amplitude.
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Gleichstrom mit wechselnder Polarität ist bei
der gerätetechnischen
Realisierung für
viele Messanwendungen ausreichend, insbesondere wenn die Zeiten
für den
Stromfluss klein sind, vorzugsweise kleiner als 10 s.
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Aus den gemessenen Strömen und
Spannungen lassen sich Widerstände
der Sensoren vom Anfang bzw. Ende des Betriebsmittels bis zur Fehlerstelle
ermitteln. Die Summe beider Widerstände ist der gesamte Sensorwiderstand
und das Verhältnis
aus Einzelwiderstand und Gesamtwiderwiderstand liefert ein Maß für den Fehlerort.
Durch logische Bewertung der Ortungsergebnisse kann z.B. erkannt
werden, in welcher Phase ein Fehler vorliegt. Diese logische Bewertung
wird vorzugsweise vorgenommen, wenn der Isolationswiderstand der
Sensoren unter einen vorgewählten
Wert sinkt.
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Die Stromflussdauer wird vorzugsweise
so bemessen, dass durch den Messstrom praktisch keine Veränderung
der Fehlerstelle erfolgt und dadurch eine Erwärmung oder Trocknung der Fehlerstelle
vermieden wird. Beide Effekte hätten
zur Wirkung, dass der messbare Widerstand der Fehlerstelle steigt
und dadurch die Ortung erschwert würde.
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Kurze Beschreibung der Figuren:
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1 zeigt
einen typischen Verlauf des wirksamen Widerstandes eines nassen
Kabelabschnitts in Abhängigkeit
von der Größe des Messstroms.
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2 bis 4 zeigen jeweils eine Messschaltung
für eine
dreiphasige Kabelanlage mit einem Mantelfehler.
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Das neue Messverfahren zur Früherkennung
und Präzisions-Fehlerortung
für Wasser
in lang gestreckten Betriebsmitteln wird nachstehend im Detail unter
Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Dabei wird angenommen, dass
der Fachmann bei allen Spannungsmessungen erforderlichenfalls eine
(nicht dargestellte) Filterung der Messspannungen von Störspannungen,
insbesondere bei Gleichspannungsspeisung eine Unterdrückung von
Wechselspannungen vornehmen wird.
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Die nachstehenden Erläuterungen
sind nur zur Darlegung von bevorzugten Ausführungsbeispielen gedacht und
sollen die Erfindung keinesfalls einschränken. Fachleuten ist klar,
dass Modifikationen dieser Ausführungsbeispiele
selbstverständlich
unter den durch die beiliegenden Patentansprüche definierten Schutzbereich
fallen.
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1 zeigt
einen typischen Verlauf des wirksamen Widerstandes eines nassen
Kabelabschnitts in Abhängigkeit
von der Größe des Messstroms.
Der Messstrom ist in diesem Fall ein Gleichstrom, der vor der Messung
des Spannungsfalls zwischen Sensor und Kabelschirm einige Sekunden
durch die Fehlerstelle geflossen ist. Man erkennt deutlich die Tendenz,
dass der wirksame Widerstand von 12 kOhm bei 1 μA mit größer werdendem Messstrom von
z.B. 10000 μA
auf 200 Ohm abnimmt.
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In 2 bis 4 wird eine Messschaltung
für eine
dreiphasige Kabelanlage mit einem Mantelfehler gezeigt. Die Sensoren
in den einzelnen Kabeln sind mit 1), 2) und 3) und die dazu gehörenden geerdeten
Schirme mit 4), 5) und 6) bezeichnet. Alle Sensoren haben verteilte
Isolationswiderstände,
die vereinfachend am Sensoranfang konzentriert und mit W1, W2 und
W3 dargestellt sind. Die Längswiderstände der
Sensoren 1), 2) und 3) sind mit S1, S2 und S3 bezeichnet. Der Längswiderstand
S1 des Sensors 1) ist in einen Teilwiderstand S1a vor einem Mantelfehler
und in einen Teilwiderstand S1b nach einem Mantelfehler aufgeteilt.
Ein Mantelfehler mit dem Widerstand F ist in Phase 1 (Kabel 1) angenommen.
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Bei einem dreiphasigen Kabelsystem
wird der Messstrom nacheinander in alle drei Sensoren gegenüber Erde
(=Schirm) eingespeist und bei jedem Einspeisen werden die möglichen
Spannungsfälle
gemessen. Mit Hilfe der bekannten Messströme werden die Widerstände ermittelt
und logisch bewertet.
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In einem ersten Messdurchgang gemäß 2 speist eine Spannungsquelle
7) einen pulsierenden Gleichstrom I vom Sensor 1) zu dem geerdeten
Schirm 4) ein. Dieser Strom fließt anteilig sowohl durch die Isolationswiderstände W1,
W2 und W3 als auch durch den Fehlerwiderstand F. Infolge des wesentlich
niedrigeren Fehlerwiderstandes F gegenüber den parallelen Isolationswiderständen W1,
W2 und W3 können
die Isolationswiderstände
für die
folgenden Betrachtungen vernachlässigt
werden.
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Zur Früherkennung und Präzisions-Fehlerortung
werden Spannungen zwischen den Sensoren gemessen und mit U12, U13,
U14, U23, U25 und U36 bezeichnet.
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Durch Division der Spannungen mit
den dazugehörigen
Strömen
werden die entsprechenden Widerstände von Leiter und Isolierung
der Sensoren ermittelt. Alle Werte müssen für positive und negative Stromrichtung
ermittelt und gemittelt werden.
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Mit Hilfe der in 2 dargestellten Messanordnung lassen
sich aus den gemessenen Spannungen folgende Widerstände ermitteln:
U12:
Sensorleiterwiderstand S1a zwischen Kabelanfang und Fehlerstelle
U13:
Sensorleiterwiderstand S1a zwischen Kabelanfang und Fehlerstelle
U14:
Isolationswiderstand des Sensors mit parallelem Fehlerwiderstand
und in Reihe geschaltetem Sensorleiterwiderstand S1a
U23: keine
Spannung messbar = 0
U25: Isolationswiderstand des Sensors
mit parallelem Fehlerwiderstand
U36: Isolationswiderstand des
Sensors mit parallelem Fehlerwiderstand
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In 3 wird
ein zweiter Messdurchgang gezeigt, bei dem die Messspannung an den
Sensor 2) angelegt und ein Messstrom ähnlich wie im Messdurchgang
a) jedoch vom Sensor 2) in den zugehörigen Kabelschirm 5) gespeist
wird. Dabei werden ebenfalls Spannungen und Widerstände ermittelt.
Bei dieser Einspeisung fließt
der Messstrom durch den Sensor im Bereich des Kabels zwischen Fehlerstelle
und Kabelende, der bei der vorigen Einspeisung nicht erfasst war.
Die gemessenen Spannungen führen
zur Ermittlung folgender Widerstände.
U12:
Sensorleiterwiderstand S1b zwischen Fehlerstelle und Kabelende und
Sensorleiter- widerstand S2
U13: Sensorleiterwiderstand Slb
zwischen Fehlerstelle und Kabelende
U14: Isolationswiderstand
des Sensors mit parallelem Fehlerwiderstand
U23: Sensorleiterwiderstand
S2
U25: Isolationswiderstand des Sensors mit parallelem Fehlerwiderstand
und in Reihe geschaltetem Sensorleiterwiderständen S1b und S2
U36: Isolationswiderstand
des Sensors mit parallelem Fehlerwiderstand und in Reihe geschaltetem
Sensorleiterwiderstand S1b
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Schließlich wird gemäß 4 ein dritter Messdurchgang
durchgeführt,
bei dem die Messspannung in Phase 3 eingespeist wird und in dem
ebenfalls die genannten Spannungen und Widerstände ermittelt werden.
U12:
Sensorleiterwiderstand Slb zwischen Fehlerstelle und Kabelende;
U13:
Sensorleiterwiderstand Slb zwischen Fehlerstelle und Kabelende und
Sensorleiterwiderstand S3;
U14: Isolationswiderstand des Sensors
mit parallelem Fehlerwiderstand;
U23: Sensorleiterwiderstand
S3;
U25: Isolationswiderstand des Sensors mit parallelem Fehlerwiderstand
und in Reihe geschaltetem Sensorleiterwiderstand S1b; und
U36:
Isolationswiderstand des Sensors mit parallelem Fehlerwiderstand
und in Reihe geschaltetem Sensorleiterwiderstand S1b und Sensorleiterwiderstand
S3.
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Bei den in 2 bis 4 gezeigten
Beispielen ist der Fehlerort im Kabel 1) als bekannt in
Phase 1 vorausgesetzt worden. In der Praxis ist jedoch
nicht bekannt, ob und in welchem Kabel ein Mantelfehler vorliegt.
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In einem Beispiel mit zyklisch vertauschte
Messungen zur Früherkennung
und Präzisions-Fehlerortung
eines Mantelfehlers in einem dreiphasigen Kabelsystem ist in Tabelle
1 gezeigt, welche Widerstände messbar
sind, abhängig
von der Position des Fehlers z.B. in Phase 1, 2 oder 3.
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In Tabellel bedeuten S1 der Sensorleiterwiderstand
von Kabel 1; S2 der Sensorleiterwiderstand von Kabel 2; S3 der Sensorleiterwiderstand
von Kabel 3; a der Abschnitt vom Kabelanfang bis zum Fehler; b der Abschnitt
vom Kabelende bis zum Fehler; W der Isolationswiderstand aller Sensoren;
F der Widerstand des Mantelfehlers; // ein Zeichen für elektrische
Parallelschaltung; und U12 bis U36 jeweils die Spannung am Kabelanfang
gemäß 1 bis 3.
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Die Ergebnisse der in 2 gezeigten Messung sind
in den Zeilen 3 bis 8 in Spalte 4 von Tabelle 1 eingetragen. Man
erkennt, dass der Sensorleiterwiderstand S1a vom Kabelanfang bis
zur Fehlerstelle bei den Messungen 1 und 2 direkt ermittelbar ist.
Weiterhin ist der Widerstand der Isolation immer als Parallelschaltung des
Isolationswiderstandes des Sensors mit dem Fehlerwiderstand messbar
allerdings bei Messung 3 in Reihe mit dem Leiterwiderstand des Sensors
und bei den Messungen 5 und 6 ohne. Im Falle von kleinen Leiterwiderständen sind
alle Messungen des Isolationswiderstandes gleichwertig, bei hochohmigen
Sensoren jedoch nicht.
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In gleicher Weise sind die Ergebnisse
der Messungen gemäß 3 und 4 Bei Einspeisung des Messstroms in die
Phasen 2 und 3 in Tabelle 1 (Zeilen 3 bis 8, Spalte 5 und 6) eingetragen.
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Die Messungen zeigen, dass alle Leiterwiderstände der
Sensoren direkt messbar sind oder aus Teilwiderständen ermittelt
werden können.
Somit kann für
jeden Fehler der präzise
Fehlerort durch Division des Teilwiderstandes durch den Gesamtwiderstand
und Multiplikation mit der Kabellänge ermittelt werden. Veränderungen
der absoluten Widerstände
durch Temperatureinflüsse
treten an den Teil- und Gesamtwiderständen in gleicher Weise auf
und sind infolge der Division – im
Rahmen der angestrebten Messgenauigkeit – ohne Bedeutung.
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Wenn an einem Kabelsystem die Spannungen
und Widerstände
ermittelt werden, ist zunächst
nicht bekannt, ob und in welcher Phase ein Fehler vorliegt.
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Grundsätzlich wird zwischen Fehlererkennung
und Fehlerortung unterschieden. Fehlererkennung erfolgt durch Vergleich
des gemessenen Isolationswiderstandes mit einem gewählten unteren
Grenzwert. Der Isolationswiderstand der Sensoren ist auch beim intakten
Kabel grundsätzlich
veränderlich,
z.B. abhängig
von dessen Temperatur. Im Fall eines Mantelschadens liegt jedoch
der Fehlerwiderstand dem Isolationswiderstand parallel und vermindert
den Messwert stark. Bei einem beginnenden Schaden kann jedoch auch
die Parallelanordnung beider Widerstände noch ausreichend groß sein,
dass nach dem Stand der Technik ein Grenzwert nicht unterschritten
wird und ein beginnender Fehler nicht angezeigt wird.
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Eine logische Bewertung in Tabelle
2 liefert eine Aussage darüber,
in welchem Kabel der Fehler auftritt. So zeigt z.B. in Tabelle 1
die Messung 4 (Zeile 6, Spalte 3 und 4) bei einem Ergebnis Spannung
oder entsprechender Widerstandswert U23 = 0, dass der Fehler im
Kabel 1 liegt.
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Tabelle
2: Logische Bewertung der Messergebnisse nach Erkennung eines Isolationsfehlers
zur Ermittlung der fehlerhaften Phase
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Der Fehlerort wird durch Bildung
von Verhältnissen
aus den Teilwiderständen
zum Gesamtwiderstand des betreffenden Sensors und Multiplikation
mit festgelegten Längenwerten
ermittelt. Dabei können
zur Erhöhung
der Genauigkeit sämtliche
verfügbaren
Messergebnisse verwendet werden.
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Um einen beginnenden Fehler eindeutig
zu erkennen wird nach der vorgeschlagenen Methode zusätzlich eine
Bewertung der Teilwiderstände
der Sensorleiter vorgenommen, wie nachstehend gezeigt wird. Bei
der vorgeschlagenen Messschaltung lässt sich gemäß Tabelle
3 durch paarweise Beurteilung der Messergebnisse in Tabelle 1 und
logische Verknüpfung
der Messergebnisse die Verringerung des Isolationswiderstandes durch einen
Fehlerwiderstand ermitteln. Ein beginnender Mantelfehler liegt vor,
wenn nicht alle Bedingungen erfüllt werden.
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Tabelle
3: Bewertung er Messergebnisse zur Erkennung eines Isolationsfehlers
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