DE19514981A1 - Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Erfassung von Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten mit Hilfe von ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensoren - Google Patents
Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Erfassung von Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten mit Hilfe von ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen SensorenInfo
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Description
Ein fluoreszierender faseroptischer Leiter, im allgemeinsten Sinne als Lichtwellenleiter (Abkürzung
LWL) bezeichnet, kann mit einer Anregungsfrequenz f₁ bzw. mit einer Anregungswellenlänge λ₁ in
Richtung der Längsachse des Lichtwellenleiters so angeregt werden, daß am Ausgang dieses Leiters
die Frequenz f₂ bzw. die Wellenlänge λ₂ abgestrahlt wird (Bild 1).
Desgleichen ist es möglich, über das o.g. Prinzip einen fluoreszierenden Lichtwellenleiter seitlich
über die Mantelfläche mit der Anregungsfrequenz f₃ und Anregungswellenlänge λ₃ so anzuregen, daß
in Längsrichtung die Emissionsfrequenz f3.1 und die Emissionswellenlänge λ3.1 entstehen (Bild 2). Für
dieses Funktionsprinzip wird ein fluoreszierender, ortsverteilter faseroptischer Sensor (Abkürzung:
FOS) verwendet.
Dieser ortsverteilte FOS kann z. B.:
- - in Anlagen aller Art,
- - elektrischen Schaltanlagen aller Art, wie z. B. Nieder-, Mittel-, Hoch-, Höchst- sowie Ultrahochspannung, sowie
- - in Maschinen und
- - Geräten
als Lichtbogenwächter an jeder beliebigen Stelle solcher Einheiten so eingesetzt werden, daß das
elektrische Feld nicht störend beeinflußt wird.
Über diesen ortsverteilten FOS wird, wie in Bild 3 schematisch dargestellt ist, eine Detektierung von
elektrischen Entladungen (z. B. Funkenentladungen und Lichtbögen) vorgenommen und dabei
empfindlich die Frequenz bzw. die Wellenlänge über einen optischen Analysator (2.1) ermittelt.
Hierbei werden spezifische Frequenzspektren und Anstiegsgradienten ausgewertet und
erforderlicherweise als Grenzwerte an eine Auswerteeinheiten (3), z. B. zur Abschaltung von
Schaltern und zur Signalgebung weitergeleitet.
Sollte der FOS aus thermischen Gründen infolge von Entladungen und/oder mechanischen Gründen,
wie in Bild 3 eingezeichnet, schadhaft werden, so würde die Funktion dieser Schaltung nach dem
(n-1)-Prinzip weiter bestehen bleiben.
In Bild 4 wird an einem FOS zusätzlich zu den elektrischen Entladungen die Detektierung von
Temperaturen vorgenommen. Hierbei ist z. B. an Nennbetriebs- und Übertemperaturen von Anlagen
aller Art, Geräten und Maschinen gedacht. Die Strahlung infolge dieser Temperaturen wird durch den
Stokesschen und/oder durch den Anti-Stokesschen Effekt (Lumineszenz) durch den FOS detektiert.
Wie in Bild 5 schematisch sichtbar ist, wird ein gemeinsamer FOS zur Detektierung der Strahlung von
elektrischen Entladungen und zur Messung der Strahlung durch Temperaturen verwendet. Ein
optischer Analysator (2.2) wertet
- - die Strahlung, entstanden durch Entladungen und
- - die Strahlung, entstanden durch Temperaturen
aus und führt die entsprechenden Signale den Auswerteeinheiten (4) und (5) für elektrische Signale
und Temperaturen zu. Diese Einheiten geben diese Signale an die jeweiligen Ausführungseinheiten,
z. B. zur Abschaltung von Schaltern, weiter. Darüber hinaus ist Signalgebung vorgesehen.
Außerdem kann mit einem ortsverteilten fluoreszierenden faserotischen Leiter nach dem Faraday-
Effekt das magnetische Feld z. B. in:
- - Anlagen aller Art,
- - elektrischen Schaltanlagen aller Art, wie z. B. Nieder-, Mittel-, Hoch-, Höchst- sowie Ultrahochspannung, sowie
- - Maschinen und
- - Geräten
gemessen werden.
Der physikalische Vorgang hierfür wird nachfolgend beschrieben. Wie in Bild 6 dargestellt ist, fällt
eine Lichtwelle (vgl. auch Bild 7) auf ein Polarisationsfilter, wodurch sich polarisiertes Licht mit der
Amplitude S₁ und der Phasenlage ϕ₁ = 0° ergibt. Das Licht hat die Frequenz f₅, und die Wellenlänge λ₅,
ist damit genau definiert und fällt in einen fluoreszierenden Lichtwellenleiter ein. Dieser liegt in einem
magnetischen Feld (Bild 6). Durch dieses ändert sich die Phasenlage des Lichts zu ϕ₂ mit der
Amplitude S₂. Darüber hinaus hat dieses Licht die Frequenz f₆ und die Wellenlänge λ₆. Mit Hilfe eines
Analysationsfilters kann dieses Licht entsprechend ausgewertet werden.
In Bild 8 ist ein stromdurchflossener elektrischer Leiter einschließlich eines wendelförmig
aufgebrachten fluoreszierenden faseroptischen Sensors (FOS) dargestellt. Mit diesem können:
- - durch Strahlung elektrische Entladungen (z. B. Funken und Lichtbögen),
- - durch Strahlung infolge des erwärmten Leiters, z. B. die höchste Leitertemperatur und
- - durch das magnetische Feld der elektrische Strom
gemessen werden. Dieser Vorgang ist in Bild 8 schematisch einschließlich des optischen Analysators
(2.3) der Auswerte- und Meßeinrichtung sowie der Signalgebeeinheit dargestellt.
3.1 Der ortsverteilte fluoreszierende faseroptische Sensor FOS arbeitet:
- - sowohl als signalaufnehmender Sensor als auch
- - als signalübertragender Leiter.
3.2 Der FOS ist an allen wichtigen Stellen der elektrischen Anlagen, Maschinen und Geräten
ortsverteilt ohne die herkömmliche Beeinflussung elektromagnetischer Felder einsetzbar, wodurch die
aufzunehmenden Signalgrößen örtlich sehr empfindlich und durch das Medium Strahlung sehr schnell
erfaßt werden können.
3.3 Der FOS ist auf Grund der Einheit von Sensor und Signalfortleitung eine sehr kostengünstige
Anwendung zur Detektierung von elektrischen Entladungen und Lichtbögen. Darüberhinaus läßt sich
mit dem gleichen FOS zusätzlich die Messung von Betriebs- und Übertemperaturen elektrischer
Leiter in Anlagen, Maschinen und Geräten durchführen. Dabei wird, wie in dem Bild 5 gezeigt ist, trotz
thermischer und mechanischer Störstellen das (n-1)-Prinzip eingehalten.
3.4 Zusätzlich sind mit dem FOS über das magnetische Feld stromdurchflossener Leiter der
elektrische Strom sowie Überströme zu messen.
3.5 Die Störgrößen Entladungen bzw. Lichtbögen in Anlagen, Maschinen und Geräten können
teilweise gemeinsam oder auch getrennt mit Hilfe von 3 getrennten FOS-Meßsystemen erfaßt
werden.
/1/ Dobrinski, Krakau, Vogel: Physik für Ingenieure, Stuttgart 1988
/2/ Eichler J., Eichler H.-J.: Laser in Technik und Forschung, Berlin Heidelberg 1990
/3/ Donges Axel, Noll Reinhard: Lasermeßtechnik, Heidelberg 1993
/4/ Hirsch Holger: Polarimetrische faseroptische Stromwandler, Dortmund, Dissertation 1991
/5/ Harjes Bernd, Peier Dirk, Senftleben Hartwig: Energietechnische LWL-Anwendungen, Berlin, etz, H.16, S. 984-990,1992
/6/ Harjes Bernd, Peier Dirk, Senftleben Hartwig: Faseroptische Strommessung in Energiekabeln für neuartige Schutzkonzepte, Berlin, etz, H. 19, S. 1190-1196, 1993
/7/ Hirsch H., Peier D.: Nutz- und Störeffekte in linearen faseroptischen Stromwandlern, Technisches Messen 58 (1991) 3, S. 106-110, 1991
/8/ Hirsch Holger, Peier Dirk Krämer Axel: Prototyp eines faseroptischen Stromwandlers für die 245 kV Spannungsebene, Elektrizitätswirtschaft, H. 8, S. 378-383, 1991
/9/ Peier D., Senftleben H., Wetter M.: Voraussetzungen für die verteilte Strommessung mit Lichtwellenleitern, Technisches Messen 60 (1993) 12, S. 468-472, 1993
/2/ Eichler J., Eichler H.-J.: Laser in Technik und Forschung, Berlin Heidelberg 1990
/3/ Donges Axel, Noll Reinhard: Lasermeßtechnik, Heidelberg 1993
/4/ Hirsch Holger: Polarimetrische faseroptische Stromwandler, Dortmund, Dissertation 1991
/5/ Harjes Bernd, Peier Dirk, Senftleben Hartwig: Energietechnische LWL-Anwendungen, Berlin, etz, H.16, S. 984-990,1992
/6/ Harjes Bernd, Peier Dirk, Senftleben Hartwig: Faseroptische Strommessung in Energiekabeln für neuartige Schutzkonzepte, Berlin, etz, H. 19, S. 1190-1196, 1993
/7/ Hirsch H., Peier D.: Nutz- und Störeffekte in linearen faseroptischen Stromwandlern, Technisches Messen 58 (1991) 3, S. 106-110, 1991
/8/ Hirsch Holger, Peier Dirk Krämer Axel: Prototyp eines faseroptischen Stromwandlers für die 245 kV Spannungsebene, Elektrizitätswirtschaft, H. 8, S. 378-383, 1991
/9/ Peier D., Senftleben H., Wetter M.: Voraussetzungen für die verteilte Strommessung mit Lichtwellenleitern, Technisches Messen 60 (1993) 12, S. 468-472, 1993
/10/ Schumacher Martin, Pietsch Gerhard, Dullni Edgar: Zum Druchanstieg in Gebäuden bei
Störlichtbögen in Innenraum-Schaltanlagen, Elektrizitätswirtschaft, Jg. 93 (1994), Heft 22, S.
1348-1353
/11/ Driescher Albrecht, Hollmann Fritz, Hörchens Helmut: Störlichtbögen und deren Beherrschung in Mittelspannungs-Netzstationen mit Lastschaltanlagen, Elektrizitätswirtschaft, Jg.
/11/ Driescher Albrecht, Hollmann Fritz, Hörchens Helmut: Störlichtbögen und deren Beherrschung in Mittelspannungs-Netzstationen mit Lastschaltanlagen, Elektrizitätswirtschaft, Jg.
91
(1992),
Heft 26, S. 1753-1759
/12/ König D., Schumann H.: Zur Abschätzung des Druckanstiegs infolge stromstarker Störlichtbögen in gasisolierten Hochspannungsschaltanlagen (GIS) e 107.(1990), Heft 3, S. 146-155
/13/ Hesse Josef, Niegl Manfred, Stahl Harald: Begrenzung der Auswirkungen von inneren Lichtbogenstörungen, Weinheim, Sonderdruck der AEG Sensorensysteme GmbH
/12/ König D., Schumann H.: Zur Abschätzung des Druckanstiegs infolge stromstarker Störlichtbögen in gasisolierten Hochspannungsschaltanlagen (GIS) e 107.(1990), Heft 3, S. 146-155
/13/ Hesse Josef, Niegl Manfred, Stahl Harald: Begrenzung der Auswirkungen von inneren Lichtbogenstörungen, Weinheim, Sonderdruck der AEG Sensorensysteme GmbH
Bild 1: Schematische Darstellung eines fluoreszierenden faseroptischen Leiters, Funktionsweise nach der
Stokesschen Regel, Photolumineszenz
f₁ Anregungsfrequenz λ₁
Anregungswellenlänge
f₂ emittierte Frequenz (z. B. Leuchten)
λ₂ emittierte Wellenlänge (z. B. Leuchten)
f₁ Anregungsfrequenz λ₁
Anregungswellenlänge
f₂ emittierte Frequenz (z. B. Leuchten)
λ₂ emittierte Wellenlänge (z. B. Leuchten)
Bild 2: Detektierung von elektrischen Entladungen in Anlagen und Geräten mit Hilfe eines ortsverteilten,
fluoreszierenden, faseroptischen Sensors (FOS).
f₃ Anregungsfrequenz (elektrische Entladung)
λ Anregungswellenlänge (elektrische Entladung)
f3.1 Emissions- bzw. Leuchtfrequenz (elektrische Entladung)
λ3,1 Emissions- bzw. Leuchtwellenlänge (elektrische Entladung)
f₃ Anregungsfrequenz (elektrische Entladung)
λ Anregungswellenlänge (elektrische Entladung)
f3.1 Emissions- bzw. Leuchtfrequenz (elektrische Entladung)
λ3,1 Emissions- bzw. Leuchtwellenlänge (elektrische Entladung)
Bild 3: Detektierung von elektrischen Entladungen (z. B. Funkentladungen, Lichtbögen) und Messung von
Temperaturen in Anlagen, Maschinen und Geräten (z. B. Verteilungen, Schaltanlagen) mit Hilfe eines
ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensors (FOS) mit Analysator und Auswerteeinheit, bei
einer thermischen und/oder mechanischen Störung nach dem (n-1)-Prinzip.
Bild 4: Detektierung von Temperaturen und elektrischen Entladungen in Anlagen und Geräten mit Hilfe eines
ortsverteilten fluoreszierenden, faserotischen Sensors (FOS),
Strahlung durch elektrische Entladung:
Funktionsweise nach der Stokesschen Regel, vergleiche auch Bild 1,
Strahlung infolge von Temperaturen:
Funktionsweise durch den Stokesschen und/oder Anti-Stokesschen Effekt (Lumineszens)
f₃ Anregungsfrequenz (elektrische Entladung)
λ₃ Anregungswellenlänge (elektrische Entladung)
f₄ Anregungsfrequenz (Temperatur)
λ₄ Anregungswellenlänge (Temperatur)
f3,1 Emissions- bzw. Leuchtfrequenz (elektrische Entladung)
λ3,1 Emissions- bzw. Leuchtwellenlänge (elektrische Entladung)
f4,1 Emissions- bzw. Leuchtfrequenz (Temperatur)
λ4,1 Emissions- bzw. Leuchtwellenlange (Temperatur)
Funktionsweise nach der Stokesschen Regel, vergleiche auch Bild 1,
Strahlung infolge von Temperaturen:
Funktionsweise durch den Stokesschen und/oder Anti-Stokesschen Effekt (Lumineszens)
f₃ Anregungsfrequenz (elektrische Entladung)
λ₃ Anregungswellenlänge (elektrische Entladung)
f₄ Anregungsfrequenz (Temperatur)
λ₄ Anregungswellenlänge (Temperatur)
f3,1 Emissions- bzw. Leuchtfrequenz (elektrische Entladung)
λ3,1 Emissions- bzw. Leuchtwellenlänge (elektrische Entladung)
f4,1 Emissions- bzw. Leuchtfrequenz (Temperatur)
λ4,1 Emissions- bzw. Leuchtwellenlange (Temperatur)
Bild 5: Detektierung von elektrischen Entladungen (z. B. Funkenentladungen, Lichtbögen) und Messung von
Temperaturen in Anlagen, Maschinen und Geräten (z. B. Verteilungen, Schaltanlagen) mit Hilfe eines
ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensors (FOS) mit Analysator und Auswerteeinheit, bei
einer thermischen und/oder mechanischen Störung nach dem (n-1)-Prinzip.
Bild 6: Messung von Magnetfeldern nach dem Faraday-Effekt mit polarimetrischer Auswertung mit Hilfe
eines fluoreszierenden faseroptischen Leiters, angewandt als ortsverteilter FOS bzw. LWL
f₅ Anregungsfrequenz
f₆ Frequenz des polarisierten Lichts bzw. Veränderung dieses Lichts.
f₅ Anregungsfrequenz
f₆ Frequenz des polarisierten Lichts bzw. Veränderung dieses Lichts.
Bild 7: Darstellung der Feldstärken einer ebenen harmonischen Lichtwelle zu einem festen Zeitpunkt. Die
elektrische Feldstärke E, die magnetische Feldstärke H und die Ausbreitungsrichtung z stehen jeweils
senkrecht aufeinander.
Bild 8: Detektierung von elektrischen Entladungen (z. B. Funkenentladungen, Lichthögen), Messung von
Temperaturen in Anlagen, Maschinen und Geräten (z. B. Verteilungen, Schaltanlagen) sowie
Strommessung mit Hilfe eines ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensors (FOS) mit
Analysator, Auswerteeinheit und Maßeinheit für Entladungen, Temperaturen und Strom.
Claims (6)
1. Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Messung von
Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten mit Hilfe von
ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensoren (FOS)
gekennzeichnet dadurch,
daß ein ortsverteilter fluoreszierender faseroptischer Sensor, FOS (1) durch die Strahlung (1.1)
elektrischer Entladungen (z. B. Funken, Lichtbögen) über die Mantelfläche dieses Sensors FOS so
angeregt wird, daß in Längsrichtung des Sensors ein optisches Signal entsteht und analog dieser
Strahlung in einem optischen Analysator (2.1) erfaßt, analysiert und in einer Auswerteeinrichtung (3)
ausgewertet wird.
2. Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Messung von
Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten mit Hilfe von
ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensoren (FOS)
gekennzeichnet dadurch,
daß dieser ortsverteilte fluoreszierende faseroptische Sensor, FOS (1) sowohl eine thermische und
mechanische Störstelle und eine weitere getrennte mechanische Störstelle haben kann, ohne daß die
Funktionstüchtigkeit dieses FOS beeinträchtig wird.
3. Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Messung von
Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten mit Hilfe von
ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensoren (FOS)
gekennzeichnet dadurch,
daß dieser ortsverteilte fluoreszierende faseroptische Sensor, FOS (1) durch Strahlung infolge von
Betriebs- und Überlasttemperaturen elektrischer Leiter über die Mantelfläche dieses Sensors
zusätzlich so angeregt wird, daß in Längsrichtung des Sensors ein weiteres optisches Signal entsteht
und analog dieser Strahlung in einem optischen Analysator (2.2) erfaßt, analysiert und in einer
Auswerteeinrichtung (5) ausgewertet wird.
4. Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Messung von
Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten mit Hilfe von
ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensoren (FOS)
gekennzeichnet dadurch,
daß dieser ortsverteilte fluoreszierende faseroptische Sensor, FOS (1) durch polarisiertes Licht (6)
in Längsrichtung des FOS durchstrahlt wird und über ein Magnetfeld (7) gedreht wird, so daß eine
neue dem Magnetfeld und damit dem elektrischen Strom in einem elektrischen Leiter analoge Signal-
und Meßgröße entsteht.
5. Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Messung von
Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten mit Hilfe von
ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensoren (FOS)
gekennzeichnet dadurch,
daß dieser ortsverteilte fluoreszierende faseroptische Sensor, FOS (1) für die Detektierung von
elektrischen Entladungen, Lichtbögen, Messung von Temperaturen und elektrischen Strömen
gemeinsam verwendet wird.
6. Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Messung von
Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten mit Hilfe von
ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensoren (FOS)
gekennzeichnet dadurch,
daß dieser ortsverteilte fluoreszierende faseroptische Sensor, FOS (1) nur für die Detektierung von
elektrischen Entladungen, Lichtbögen und die Messung von Temperaturen verwendet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995114981 DE19514981C2 (de) | 1995-04-24 | 1995-04-24 | Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Erfassung von Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten mit Hilfe von ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensoren |
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DE1995114981 DE19514981C2 (de) | 1995-04-24 | 1995-04-24 | Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Erfassung von Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten mit Hilfe von ortsverteilten, fluoreszierenden faseroptischen Sensoren |
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DE19514981C2 DE19514981C2 (de) | 1997-10-02 |
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DE (1) | DE19514981C2 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN114121173A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-01 | 武汉大学 | 一种基于等离子体模型的先导放电通道温度计算方法及系统 |
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DE4331716A1 (de) * | 1992-09-21 | 1994-03-24 | Kloeckner Moeller Gmbh | Einrichtung zur Erkennung von Störlichtbögen, insbesondere an Sammelschienenanordnungen in Niederspannungs-Schaltanlagen |
-
1995
- 1995-04-24 DE DE1995114981 patent/DE19514981C2/de not_active Expired - Fee Related
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CN114121173A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-01 | 武汉大学 | 一种基于等离子体模型的先导放电通道温度计算方法及系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19514981C2 (de) | 1997-10-02 |
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