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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Überwachen einer
Leitung, insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf
eine Vorrichtung und ein Verfahren, das zum Überwachen eines Leitungskabels
unter Verwendung eines Impulsreflektrometrieverfahrens geeignet
ist.
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Zur Übertragung
von elektrischer Leistung in einem Stromkreis werden herkömmlicherweise
Leitungen (z.B. Kabel) mit einer oder mehreren Leitungsadern verwendet.
Die Leitung verbindet jeweils eine elektrische Quelle mit einer
elektrischen Last.
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In 3A ist eine typische Struktur
einer Verschaltung eines Stromkreises mit einer elektrischen Quelle 100,
einer Leitung 102 mit einer ersten Leitungsader 104 und
einer zweiten Leitungsader 106 sowie einer elektrischen
Last 108 gezeigt. Die erste Leitungsader 104 verbindet
einen ersten Anschluss 110 der Quelle 100 mit
einem ersten Anschluss 112 der Last 108. Die zweite
Leitungsader 106 verbindet einen zweiten Anschluss 114 der
Quelle 100 mit einem zweiten Anschluss 116 der
Last 108. Über
die Leitung mit der ersten Leitungsader 104 und der zweiten
Leitungsader 106, die aus einem elektrisch leitfähigen Material
bestehen, kann somit elektrische Leistung von der Quelle zur Last übertragen werden.
Die Quelle 100 ist beispielsweise als Generator in einem
Kraftwerk ausgebildet, die eine Gleichspannung bei einem maximalen
Strom von mehreren 100 Ampere zur Verfügung stellt. Die Last 108 ist
beispielsweise ein elektrischer Widerstand.
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Treten
in der Leitung 102 Störungen
wie z.B. Schäden
(beispielsweise ein Bruch einer Leitungsader) oder Veränderungen
(beispielsweise eine Verlängerung
der Leitungsadern) auf, führt
dies zu nachteilhaften Auswirkungen für die Übertragung der elektrischen
Energie von der Quelle 100 zur Last 108. Um derartige
Störungen
zu erkennen, ist im Stand der Technik ein Zeitbereichsmessverfahren (TDR;
TDR = Time Domain Reflectometry) bekannt, bei dem die Leitung mit
einem hochfrequenten Impuls beaufschlagt wird und anschließend die
Reflexionen des Impulses von der Leitung ausgewertet werden. Durch
das TDR-Verfahren kann das Kabel zur Übertragung von elektrischer
Leistung sehr effektiv auf Schäden
und Veränderungen
geprüft
werden.
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Wird
ein hochfrequenter Puls zur Messung der Leitung 102 kapazitiv
in dieselbe eingespeist, dann kommt es an den Enden der Leitung 102 aufgrund
der nicht eindeutig definierten Quell- und Lastimpedanzen bei verschiedenen
Betriebszuständen zu
einem nicht eindeutig definierten Leitungsabschluss, wodurch nicht
vorhersehbare Reflexionen und Störungen
auftreten, die eine Detektion von Störungen, wie Schäden oder
Veränderungen
der Leitung 102, deutlich erschweren bzw. unmöglich machen.
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Nachteilig
erweist sich beim TDR-Verfahren, dass die Leitung von der Quelle 100 und
der Last 108 abzukoppeln d.h. zu trennen ist, da im allgemeinen weder
die Quelle 100 noch die Last 108 eindeutig definiert
sind. Die Messung der verschiedenen Leitungsparameter nach einem
Abkoppeln der Quelle und der Last und unter Verwendung eines Messgeräts 120 ist
in 3B dargestellt. Das
Messgerät 120 wird
zur Messung derart mit der Leitung 102 verschaltet, dass über das
Messgerät 120 der
erste Leitungsabschnitt 104 mit dem zweiten Leitungsabschnitt 106 verbunden
sind.
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Soll
das Kabel im Betrieb (d.h. während
der Übertragung
von elektrischer Energie von der Quelle 100 zur Last 108) überwacht
werden, so ist es nicht möglich,
das Kabel zur Messung abzuklemmen, da durch das Abklemmen die Übertragung
von elektrischer Energie von der Quelle 100 (z.B. dem Generator
des Kraftwerks) über
die Leitung 102 zur Last 108 unterbrochen würde.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, um
die Quelle und die Last für
die Messung von Störungen
auf der Leitung von dieser zu entkoppeln, ohne einen Energiefluss
von der Quelle zur Last unterbrechen zu müssen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
7 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Überwachen
einer Leitung mit folgenden Merkmalen:
eine Quelleneinrichtung
zum Bereitstellen einer niederfrequenten Größe;
eine Lasteinrichtung
zum Verbrauchen der durch die Quelleneinrichtung bereitgestellten
niederfrequenten Größe;
eine
Leitung zum Übertragen
der niederfrequenten Größe von der
Quelleneinrichtung zur Lasteinrichtung;
eine Messeinrichtung
zum Vermessen von Leitungsparametern unter Verwendung einer hochfrequenten Messgröße, mit
der die Leitung beaufschlagbar ist; und
eine Entkoppeleinrichtung
zum Entkoppeln der hochfrequenten Messgröße von der Quelleneinrichtung und
der Lasteinrichtung.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Überwachen
einer Leitung mit folgenden Schritten:
- (a)
Bereitstellen einer Quelleneinrichtung, einer Lasteinrichtung und
einer Leitung, wobei die Quelleneinrichtung mit der Lasteinrichtung über die
Leitung verbunden ist;
- (b) Entkoppeln der Quelleneinrichtung und der Lasteinrichtung
gegenüber
hochfrequenten Größen auf
der Leitung; und
- (c) Vermessen von Leitungsparametern der Leitung unter Verwendung
einer hochfrequenten Messgröße, mit
der die Leitung beaufschlagt wird.
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Erfindungsgemäß wird vermieden,
dass die Quelle zum Bereitstellen der niederfrequenten Größe (insbesondere
einer Gleichspannung) und die Lasteinrichtung zum Verbrauchen der
durch die Quelleneinrichtung bereitgestellten niederfrequenten Größe (insbesondere
eine Gleichspannungslast) für
das Vermessen der Leitungsparameter von der Leitung zu trennen sind,
so dass der Energiefluss von der Quelle zu der Last nicht unterbrochen
werden muss und trotzdem die hochfrequenten Messpulse der Messeinrichtung
nicht unzulässig
gestört
werden. Vorzugsweise erfolgt das Entkoppeln der hochfrequenten Messgröße von der
Quelleneinrichtung und der Lasteinrichtung dadurch, dass Hülsen aus
magnetisch aktivem Material (z.B. Ferrit, MgZn oder ähnliche
Materialien) über
einen oder mehrere Anschlüsse
der Leitung geführt
werden und dadurch zu einer Entkopplung der hochfrequenten Messgröße von der Quelleneinrichtung
und der Lasteinrichtung führen. Die Übertragung
einer niederfrequenten Größe (insbesondere
einer Gleichspannung) erfährt
durch eine derartige Anordnung keine Beschränkungen.
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Die
vorliegende Erfindung bietet daher den Vorteil, dass durch das Einfügen von
Hülsen
die Quelleneinrichtung und die Lasteinrichtung von der Leitung in
bezug auf hochfrequente Größen entkoppelt
werden, wobei zugleich für
niederfrequente Größen (insbesondere
für Gleichspannung)
ein Energiefluss von der Quelle zur Last sichergestellt ist. Ein Unterbrechen
des Energieflusses ist somit für
das Vermessen der Leitung nicht mehr notwendig. Ein Vorteil der
vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Überwachung der Leitung gleichzeitig
zum eigentlichen Betrieb erfolgen kann.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein Schaltbild, in dem
die schematische Anordnung der einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
dargestellt ist;
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2A ein Ersatzschaltbild
zu der in 1 dargestellten
Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
für die Übertragung
einer niederfrequenten Größe;
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2B ein Ersatzschaltbild
zu der in 1 dargestellten
Anordnung für
die Übertragung
von hochfrequenten Messgrößen;
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3A ein herkömmlicher
Stromkreis zur Übertragung
von elektrischer Energie; und
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3B eine herkömmliche
Anordnung zum Vermessen von Leitungsparametern.
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In
der nachfolgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung werden für in den verschiedenen Zeichnungen
dargestellte gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen
verwendet.
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1 zeigt einen Stromkreis
mit einer Quelle 100, einer Last 108 und einer
Leitung 102. Ein erster Anschluss 110 der Quelle 100 ist
mit einem ersten Ende 140 eines ersten Leitungsabschnitts 104 der Leitung 102 verbunden
und ein erster Anschluss 112 der Last 108 ist
mit einem zweiten Ende 142 des ersten Leitungsabschnitts 104 der
Leitung 102 verbunden. Ein zweiter Anschluss 114 der
Quelle 100 ist mit einem ersten Ende 144 eines
zweiten Leitungsabschnitts 106 der Leitung 102 verbunden
und ein zweiter Anschluss 116 der Last 108 ist
mit einem zweiten Ende 146 des zweiten Leitungsabschnitts 106 der Leitung 102 verbunden.
Ferner weist der erste Leitungsabschnitt 104 an dem ersten
Ende 140 einen ersten Entkopplungsabschnitt 150 sowie
an dem zweiten Ende 142 einen zweiten Entkoppelungsabschnitt 152 auf.
Der zweite Leitungsabschnitt 106 weist an dem ersten Ende 144 einen
dritten Entkopplungsabschnitt 154 sowie am zweiten Ende 146 einen
vierten Entkopplungsabschnitt 156 auf. An den jeweiligen
Entkopplungsabschnitten 150, 152, 154, 156 des
ersten Leitungsabschnitts 104 und des zweiten Leitungsabschnitts 106 sind
jeweilige Verbindungsleiter vorzugsweise durch jeweils eine Hülse aus
magnetisch aktivem Material (beispielsweise Ferrit, MgZn oder ähnlichem)
ringförmig
ummantelt, ohne dass diese Hülsen 160 den
jeweiligen Verbindungsleiter berühren
muss. Hysterese-Eigenschaften der Hülsen haben in diesem Zusammenhang
zunächst
keine direkten Auswirkungen auf das magnetische Widerstandsverhalten.
Allerdings kann es vorkommen, dass durch einen hohen Gleichstrom,
der über
die Leitung übertragen
wird, die Hülse
in eine Sättigung
des magnetischen Widerstandes geht und dadurch der Betrag der Impedanz
deutlich geringer wird. Die Hülse
muss also dementsprechend dimensioniert werden.
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Weiterhin
zeigt 1 ein Messgerät 120 zum
Vermessen der aus dem ersten Leitungsabschnitt 104 und
dem zweiten Leitungsabschnitt 106 bestehenden Leitung 102,
wobei das Messgerät 120 über eine
galvanische Trenneinrichtung 164 (beispielsweise einen
Kondensator) zwischen einen Eingang 170 des ersten Leitungsabschnitts 104 und
einen Eingang 172 des zweiten Leitungsabschnitts 106 galvanisch
getrennt geschaltet ist.
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Durch
die Anordnung der Hülsen 160 aus magnetisch
aktivem Material, die als Entkopplungseinrichtung wirken, ist es
möglich,
zwischen dem ersten Messpunkt 170 und dem zweiten Messpunkt 172 durch
das Messgerät
hochfrequente Impulse zur Anwendung des TDR-Verfahrens in die Leitung 102 einzuspeisen,
ohne merkliche Signalverluste (d.h. Störungen der eingespeisten Impulse)
durch geringe Quellen- oder Lastimpedanzen Einbußen in der Pulsamplitude hinnehmen
zu müssen.
Auf diese Weise wird die Abschlussimpedanz der Leitung 102 immer
größer sein
als die Leitungsimpedanz selbst, so dass zur Dimensionierung der Übertragung über die Leitung
(insbesondere zur Dimensionierung des Treibers für die Leitung) die Leitung
als definiertes Element zugrundegelegt werden kann. Die Anordnung der
Hülsen 160 ermöglicht es
daher, dass hochfrequente Signale immer eine Mindestimpedanz an Quelleneinrichtung 100 und
Lasteinrichtung 108 sehen, die der Impedanz der Hülse 160 aus
magnetischem aktivem Material entspricht. In der Regel werden im
Frequenzbereich ab 10 MHz Impedanzen von 100 Ω und mehr erreicht. Die Eigenschaften
der Übertragung
bei der niederfrequenten Größe von der Quelle 100 über die
aus dem ersten Leitungsabschnitt 104 und dem zweiten Leitungsabschnitt 106 bestehende
Leitung 102 zur Last 108 wird durch die Anordnung
der Hülsen 160 nicht
wesentlich beeinflusst.
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In 2A ist das Ersatzschaltbild
der in 1 dargestellten
Anordnung für
die Übertragung des
Gleichstroms wiedergegeben. 2A zeigt, dass
bei der Übertragung
eines Gleichstroms über die
Leitung 102 keine Beeinträchtigung durch die bei den
Entkopplungsabschnitten 150, 152, 154, 156 angeordneten
Hülsen 160 erfolgt.
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2B zeigt ein Ersatzschaltbild
der Anordnung gemäß 1 für die Übertragung von hochfrequenten
Größen. Für hochfrequente
Größen bildet sich
durch die um die Entkopplungsabschnitte angeordneten (hier nicht
dargestellten) Hülsen
ein Widerstand 180 aus. Bei einem Vermessen der Leitung durch
das Messgerät 120,
insbesondere bei Anwendung des TDR-Verfahrens, beaufschlagt das
Messgerät 120 beispielsweise
den ersten Leitungsabschnitt 104 mit einem hochfrequenten
Messpuls 182, der in einem reflektierten Messpuls 184 resultiert,
wobei der reflektierte Messpuls 184 aufgrund der Widerstände 180 nicht
durch die Quelle 100 und die Last 108 beeinflusst
ist. Der reflektierte Messpuls wird nachfolgend durch das Messgerät ausgewertet,
woraus sich Rückschlüsse auf
mögliche
Störungen
der Leitung 102 ziehen lassen.