DE19514981C2 - 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

Die vorliegende Erfindung betrifft ein 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.
Aus der DE 43 31 716 A1 ist ein Meßsystem zur Erfassung von Störlichtbögen in Niederspannungs- Schaltanlagen bekannt. Dieses Meßsystem umfaßt einen Lichtwellenleiter aus einer Gradientenfaser mit einer Ummantelung. Der Lichtwellenleiter verläuft durch die zu überwachende Anlage, ausgehend von einer Leuchtdiode zu einem Empfänger in einer elektronischen Schaltung. Der von der Leuchtdiode ausgehende Lichtstrahl dient zur Überwachung des Lichtleiters hinsichtlich mechanischer Beschädigungen. Der Nachteil dieses Meßsystems liegt u. a. in der aufwendigen Herstellung des ummantelten Lichtleiters sowie der vorstehend genannten Überwachung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Meßsystems, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Meßeinrichtung gemäß dem Anspruch 1.
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 (Bild 1), daß am Ausgang dieses Leiters die Frequenz f₂ bzw. die Wellenlänge λ₂ abgestrahlt wird (vgl. hierzu z. B. für die Grundlagen die Literaturstellen 1-9).
Des gleichen 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, Transformatoren und
  • - Geräten
als Lichtbogenwächter an jeder beliebigen Stelle solcher Einheiten so eingesetzt werden, daß das elektrische Feld nicht störend beeinflußt wird (vgl. hierzu auch die allgemeine Literatur 10-13).
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 faseroptischen 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 Signalgebereinheit dargestellt.
Gegenüber entsprechenden bekannten Systemen ergeben sich folgende Vorteile:
  • - Der ortsverteilte fluoreszierende faseroptische Sensor FOS arbeitet:
    • - sowohl als signalaufnehmender Sensor als auch
    • - als signalübertragender Leiter.
  • - 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.
  • - Der FOS ist auf Grund der Einheit von Sensor und Signalfortleitung eine sehr kostengünstige Anwendung zur Detektierung von elektrischen Entladungen und Lichtbögen. Darüber hinaus 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.
  • - Zusätzlich sind mit dem FOS über das magnetische Feld stromdurchflossener Leiter der elektrische Strom sowie Überströme zu messen.
  • - Die Störgrößen Entladungen bzw. Lichtbögen in Anlagen, Maschinene und Geräten können teilweise gemeinsam oder auch getrennt mit Hilfe von 3 getrennten FOS-Meßsystemen erfaßt werden.
Literaturverzeichnis 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
Literatur über Störlichtbögen in Schaltanlagen
[10] Schumacher Martin, Pietsch Gerhard, Dullni Edgar: Zum Druckanstieg 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., Schuhmann H.: Zur Abschätzung des Druckanstiegs infolge stromstarker Störlichtbögen in gasisolierten Hochspannungsschaltanlagen (GIS) e & i 107. (1990), Heft 3, S. 146-155
[13] Hesse Josef, Niegl Manfred, Stahl Harald: Begrenzung der Auswirkung 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
f₂ emittierte Frequenz (z. B. Leuchten)
λ₁ Anregungswellenlänge
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)
λ₃ 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 ortverteilten, 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, faseroptischen 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 (Lumineszenz)
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. Leuchtwellenlänge (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, Lichtbögen), 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 (3)

1. Meßsystem zur Detektierung von elektrischen Entladungen bzw. Lichtbögen und zur Messung von Temperaturen und elektrischen Strömen in Anlagen, Maschinen und Geräten, das folgende Merkmale umfaßt:
  • - einen ortsverteilten fluoreszierenden faseroptischen Sensor (1), der durch Strahlung über seine Mantelfläche so angeregt wird, daß in seiner Längsrichtung ein optisches Signal entsteht,
  • - einen Analysator (2.1, 2.2) mit zwei Eingängen, von denen jeder mit einem Ende des faseroptischen Sensors (1) verbunden ist, so daß das (n-1)-Prinzip verwirklicht ist, und
  • - eine mit dem Analysator verbundene Auswerteinrichtung (3, 4, 5).
2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von elektrischen Strömen und den damit verbundenen Magnetfeldern eine Lichtquelle (6) vorhanden ist, mit der polarisiertes Licht in den faseroptischen Sensor in Längsrichtung eingestrahlt werden kann, so daß ein dem Magnetfeld und damit einem elektrischen Strom in einem elektrischen Leiter entsprechender Meßwert im Analysator (2.3) entsteht.
3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da der faseroptische Sensor derart ausgestaltet ist, daß entweder jede der Meßgrößen einzeln oder mehrere der Meßgrößen gleichzeitig erfaßt werden können.
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