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 Sensoren

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Description

2 Funktionsweise des Meßsystems
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 Vorteile gegenüber entsprechenden bekannten Meßsystemen
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.
4 Literaturverzeichnis 4.1 Grundsätzliche Literatur
/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
4.2 Literatur über Störlichtbögen in Schaltanlagen
/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.
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
Bildunterschriften
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)
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)
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)
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.
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.
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