DE3025983A1 - Measuring high direct voltages in gas isolated systems - using fixed measurement chamber electrode and ionisation of gas - Google Patents

Measuring high direct voltages in gas isolated systems - using fixed measurement chamber electrode and ionisation of gas

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Abstract

An arrangement for measuring d.c. voltages is for h.v. equipment with pressurised gas insulation consisting of a compressed gas container, e.g. a pipe (1) connected to earth potential and contg. a coaxial h.v. conductor (2). The arrangement eliminates the need for moving and has sensitive and not maintainence-free electrode systems. A measurement chamber (3) can exchange gas with the pipe (1) via an aperture (4) and contains a measurement electrode (5). The insulation gas is ionised partially by a source radiating either from inside or outside the measurement chamber (3). This results in a current flowing when a voltage is applied between the h.v. conductor and the measurement electrode. The measurement current to h.v. characteristic can be linearised by selecting the aperture and/or electrode geometry and/or the degree of ionisation.

Description

Vorrichtung zur Messung von Gleichspannungen in druckgasisoliertenDevice for measuring DC voltages in compressed gas insulated

Hochspannungsanlagen Beim Bau von Hochspannungsanlagen wird neben der konventionellen, offenen Bauweise eine gekapselte, druckgasisolierte Bauweise verwender, die einen geringeren Platzbedarf aufweist und höheren sicherheitstechnischen Anforderungen genügt. Diese im Wechselspannungsbereich als bewährt anzusehende Technik ist auch für Projekte der HochspaannungleichstromUbertragung interessant. Während jedoch die Messung einer Betriebswechselspannung durch die Anwendung von Spannungswandlern oder durch kapazitive Teiler keine technischen Probleme aufwirft, entstehen in einer gekapselten Gleichspannungsanlage Schwierigkeiten, weil die in der gekapselten Technik auftretenden hohen Feldstärken die Integration eines ohmschen Spannungsteilers in die gekapselte Leitung praktisch unmöglich macht. Zur Zeit bekannte Alternativen bestehen darin, einen in offener Bauweise ausgeführten Teiler über eine Hochspannungsdurchführung an den Hochspannungsleiter anzuschliessen oder einen ohmschen Teiler in einem eigens für diesen geschaffenen Teil der Kapselung unterzubringen. Beide Lösungen sind relativ aufwendig.High-voltage systems When building high-voltage systems, besides the conventional, open design is an encapsulated, pressurized gas-insulated design user, which has a lower space requirement and higher safety-related Requirements are sufficient. This technology is to be regarded as tried and tested in the alternating voltage range is also interesting for high-voltage direct current transmission projects. While however, the measurement of an operating AC voltage through the use of voltage converters or does not raise any technical problems due to capacitive dividers, arise in a encapsulated DC voltage system difficulties because of the encapsulated technology high field strengths that occur, the integration of an ohmic voltage divider in makes the encapsulated line practically impossible. Currently known alternatives consist of using an open-plan divider via a high-voltage bushing to be connected to the high voltage conductor or an ohmic divider in a separate to accommodate this created part of the encapsulation. Both solutions are relative laborious.

Die erstgenannte hat zudem den F chteil, daß die Vorteile der gekapselten Ausführung für die Meßeinrichtung aufgegeben werden müssen.The former also has the advantage that the advantages of the encapsulated Execution for the measuring device must be abandoned.

Andere, denkbare Lösungen, die wegen ihrer Verträglichkeit gegenüber den hohen Betriebsfeldstärken in eine gekapselte Leitung integriert werden könnten, sind in. Meßeinrichtungen zu sehen, die nach dem Generatorprinzip arbeiten oder die die Kraft zwischen spannungsführenden Elektroden messen.Other conceivable solutions because of their compatibility as opposed to the high operating field strengths could be integrated into an encapsulated line, can be seen in. Measuring devices that work according to the generator principle or which measure the force between live electrodes.

Bei ihnen ist nachteilig, daß sie bewegliche und damit nicht wartungsfreie und empfindliche Elektrodensysteme benötigen.The disadvantage of them is that they are movable and therefore not maintenance-free and need sensitive electrode systems.

Die Nachteile der genannten Meßeinrichtungen werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Gleichspannungen in druckgasisolierten Hochspannungsanlagen vermieden. Es handelt sich um eine Vorrichtung zur Messung von Gleichspannungen U vorzugsweise in druckgasgekapselten Hochspannungsanlagen, bestehend aus dem auf Erdpotential liegenden, @a als Rohr ausgeführten, Druckgasbehälter (1) und den in diesem koaxial angeordneten Hochspannungsleiter (2), dadurch gekennzeichnet, daß dem Druck -gasbehälter (1) eine Meßkammer (3) dicht angefügt ist, die mit dem Druckgasbehälter (1) durch eine Blendenöffnung (4) im Gasaustausch steht, daß sich in der Meßkammer (3) eine Meßelektrode (5) befindet, daß das zwischen dem Hochspannungsleiter (2) und der Meßelektrode (5) befindliche Isoliergas von einem innerhalb oder außerhalb der Meßkammer (3) befindlichen Strahler teilweise ionisiert wird, daß beim Anliegen einer Spannung zwischen dem Hochspannungsleiter (2) und der Meßelektrode (5), die über einen Strommesser (6) mit dem Druckgasbehälter (1) elektrisch verbunden ist, sich ein der zu messenden Hochspannung U proportionaler und meßbarer Strom IO ausbildet, wobei entweder die-Durchtrittsfläche der Blendenöffnung (4), sowie die Geometrie zwischen der Blendenöffnung (4)' und der Meßelektrode (5) und/oder die Größe der Ionisation so wählbar sind, daß eine Linearisierung der Meßstrom-Hochspannungscharakteristik (IO/U) auftritt oder in der Meßkammer (3) oberhalb oder unterhalb der Meßelektrode (5) eine mit einer Kompensationsspannung Uk versehene Zusatzelektrode (7) angeordnet ist, wobei die Kompensationsspanung mittels einer Regeleinrichtung (8) vom Strom Io so gesteuert wird, daß sich durch das elektrische Zusatzfeld ein solcher Zusatzstrom zwischen der Meßelektrode (5) und der Zusatzelektrode (7) ausbildet, daß der von der Meßelektrode (5)abfießende Gesamatstrom null wird und die Kompensationsspannung Uk ein Maß für die zu messende Spannung U ist.The disadvantages of the mentioned measuring devices are with the invention Device for measuring DC voltages in compressed gas-insulated high-voltage systems avoided. It is a device for measuring DC voltages U preferably in pressurized gas-encapsulated high-voltage systems, consisting of the on @A designed as a pipe, pressurized gas container (1) and the in this coaxially arranged high-voltage conductor (2), characterized in that a measuring chamber (3) is tightly attached to the pressurized gas tank (1), which is connected to the pressurized gas tank (1) through an aperture (4) is in gas exchange that in the measuring chamber (3) a measuring electrode (5) is located that between the high voltage conductor (2) and the measuring electrode (5) located insulating gas from an inside or outside the Measuring chamber (3) located radiator is partially ionized that when applied a voltage between the high voltage conductor (2) and the measuring electrode (5), the is electrically connected to the compressed gas container (1) via an ammeter (6), a measurable current IO proportional to the high voltage U to be measured develops, wherein either the passage area of the aperture (4), as well as the geometry between the aperture (4) 'and the measuring electrode (5) and / or the size of the Ionization can be selected so that a linearization of the measuring current-high voltage characteristic (IO / U) occurs or in the measuring chamber (3) above or below the measuring electrode (5) an additional electrode (7) provided with a compensation voltage Uk is arranged is, the compensation voltage by means of a control device (8) from the current Io is controlled in such a way that the additional electrical field creates such an additional current between the measuring electrode (5) and the additional electrode (7) forms that of the total current flowing off the measuring electrode (5) becomes zero and the compensation voltage Uk is a measure of the voltage U to be measured.

In Fig. 1 sind die Zuordnungen der Meßkammer (3) zu dem Druckgasbehälter (1) mit dem Hochspannungsleiter (2) und die Blendenöffnung (4) im Druckgasbehälter (1) angdeutet. An Hand der schematischen Darstellungen in Fig. 2, 3 und 4--wird die Wirkungsweise der Erfindung an verschiedenen Ausführungsbeipielen erläutert Im Beispiel Fig. 2 befindet sich in der Meßkammer (3) auf der Meßelektrode (5) ein a-aktives Präparat (10), welches einen Teilbereich (11) des Isoliergases (12) ionisiert und damit dessen elektrische Leitfähigkeit so erhöht, daß beim Anliegen einer Spannung zwischen dem Hochspannungsleiter (2) und des geerdeten Druckgasbehälters (1) infolge des elektrischen Feldes eine Ionenleitung (21) durch die Blendenöffnung (4) hindurch auftritt. Zur Beherrschung der Feldverhältnisse in dem Bereich der Meßelektrode (5) ist diese in an sich bekannter Weise mit einem geerdeten Schutzring (9) umgeben. Der im Bereich der Meßelektrode vorhandene Ionenstrom wird mittels des zwischen Meßelektrode und Erde befindlichen Strommessers(6) festgestellt. Seine Größe ist unterhalb des Sättigungsbereiches der Gasentladungen der elektrischen Feldstärke und der Aktivität des Präparates propprtional. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses von Blendenöffnung (b) und des Abstandes (d) der Meßelektrode (5) von der Blendenöffnung erhält man in einem begrenzten Feldstärkebereich eine lineare Abhängigkeit zwischen dem vom Strommesser (6) ermittelten Strom und der zu messenden Hochspannung. Auf diese Weise lassen sich Gleichspannungen im Hinblick auf ihre Nennwerte in einem Bereich von etwa + 10 % des Nennwertes relativ gut messen.In Fig. 1, the assignments of the measuring chamber (3) to the pressurized gas container (1) with the high-voltage conductor (2) and the aperture (4) in the pressurized gas container (1) indicated. Using the schematic representations in FIGS. 2, 3 and 4 - the mode of operation of the invention explained using various exemplary embodiments In the example of FIG. 2 there is a in the measuring chamber (3) on the measuring electrode (5) a-active preparation (10) which ionizes a portion (11) of the insulating gas (12) and thus its electrical conductivity is increased so that when a voltage is applied between the high-voltage conductor (2) and the grounded pressurized gas container (1) as a result of the electric field an ion line (21) through the aperture (4) occurs. To control the field conditions in the area of the measuring electrode (5) this is surrounded in a manner known per se with a grounded protective ring (9). The ion current present in the area of the measuring electrode is by means of the between Measuring electrode and earth located ammeter (6) determined. Its size is below the saturation range the gas discharges of the electrical Field strength and the activity of the preparation proprtional. By suitable choice of the Ratio of the aperture (b) and the distance (d) of the measuring electrode (5) a linear field strength range is obtained from the aperture in a limited field strength range Dependency between the current determined by the ammeter (6) and the current to be measured High voltage. In this way, direct voltages with regard to their Measure nominal values relatively well in a range of approx. + 10% of the nominal value.

Eine weitergehende Ausführung der Erfindung zeigt Fig. 3. Hier ist im Feldraum zwischen der Meßelektrode (5) und der Blendenöffnung (4) eine Zusatzelektrode (7) eingebracht. Der Strommesser (6) ist Bestandteil einer Regeleinrichtung (8), deren Ausgangsspannung Uk das Potential der Zusatzelektrode (7) so steuert, daß der von der Meßspannung verursachte Ionisationsstrom im Bereich der Meßelektrode (5> soweit kompensiert wird, daß der Strom zwischen der Meßelektrode und Erde gegen Null geht.A further embodiment of the invention is shown in FIG. 3. Here is an additional electrode in the field space between the measuring electrode (5) and the aperture (4) (7) introduced. The ammeter (6) is part of a control device (8), whose output voltage Uk controls the potential of the additional electrode (7) so that the ionization current caused by the measuring voltage in the area of the measuring electrode (5> is compensated so far that the current between the measuring electrode and earth goes to zero.

Die Kompensationsspannung Uk ist dann der zu messenden Hochspannung im gesamten Bereich sehr genau proportional. Diese Anordnung hat ferner den Vorteil, daß die Ergebnisse weder von der Gasdichte noch von der Art des Gases abhängen. Sie ist darüberhinaus in einem weiten Temperaturbereich temperaturunabhängig. Auch die Aktivität des radioaktiven Präparates bleibt ohne Einfluß auf die Linearität der Meßanordnung.The compensation voltage Uk is then the high voltage to be measured very precisely proportional over the entire range. This arrangement also has the advantage that the results depend neither on the gas density nor on the type of gas. In addition, it is temperature-independent over a wide temperature range. Even the activity of the radioactive preparation has no influence on the linearity the measuring arrangement.

Im Ausführungsbeispiel Fig. 4 ist die Zusatzelektrode (7) unterhalb der Meßelektrode (5) und ein zweites, gleiches Präparat auf ihr angebracht.In the embodiment of FIG. 4, the additional electrode (7) is below the measuring electrode (5) and a second, identical preparation attached to it.

Hierdurch wird im Feldraum unterhalb der Meßelektrode ein zusätzlicher Ionenstrom erzeugt, der so gerichtet ist, daß er die gleiche Größe und Richtung hat wie der Ionenstrom zwischen dem Hochspannungsleiter (2) und der Meßelektrode (5). Auch bei dieser Anordnung ist die Kompensationsspannung Uk der Meßspannung U sehr genau proportional. Auch hier hat die Stärke der radioaktiven Präparate keinen Einfluß auf die Linearität der Meßeinrichtung.This creates an additional electrode in the field space below the measuring electrode Ion current is generated which is directed so that it is the same size and direction has like the ion current between the high voltage conductor (2) and the measuring electrode (5). In this arrangement, too, the compensation voltage Uk is the measurement voltage U very precisely proportional. Here, too, the strength of the radioactive preparations has no strength Influence on the linearity of the measuring device.

Die Ionisierung des Isoliergases kann außer durch a-Strahlen in an sich bekannter Weise auch durch Laser-, Röntgen- oder UV-Strahlen erreicht werden. Der für das Meßverfahren notwendige Ionisationsgrad des Isoliergases führt auf keine statistisch signifikante Reduzierung seiner elektrischen Festigkeit.The ionization of the insulating gas can be carried out in addition to by a-rays can also be achieved in a known manner by laser, X-ray or UV rays. The degree of ionization of the insulating gas required for the measuring process does not lead to any statistically significant reduction in its electrical Strength.

Mit der Erfindung liegt eine neuartige Meßeinrichtung vor, mit deren Hilfe hohe Gleichspannungen in gekapselten Anlagen erfaßt werden können, ohne daß nennenswerte konstruktive Änderungen an ihr erforderlich sind. Die Meßeinrichtung ist verglichen mit bekannten konventionellen Lösungen kostengünstig und wartungsfrei und besitzt eine für den Anwendereich ausreichende Meßunsicherheit Ein praktisch ausgeführtes Beispiel der Erfindung zeigt Fig. 5. Es geht von einer gekapselten, SF6-isolierten Leitung aus, die für eine Betriebsspannung von 600 kV ausgelegt ist. Die geerdete Kapselung (1) weist eine'Lochblende (4) auf, die axial zu einer angeflanschten, zylindrischen Meßkammer (3) angeordnet ist. Die Meßkammer (3) ist durch eine Meßelektrode (4) und eine Schutzringelektrode (9) abgeschlossen. Das radioaktive Präparat (10) ist auf der Mitte der Meßelektrode (5) fixiert; die Kompensationselektrode (7) befindet sich vor der Meßelektrode. Im geschirmten Bereich unterhalb von Meß- und Schutzringelektrode sind die benötigten elektronischen Bauteile der Regeleinrichtung (8) untergebracht.With the invention there is a novel measuring device with which Help high DC voltages in encapsulated systems can be detected without significant design changes to it are required. The measuring device is inexpensive and maintenance-free compared to known conventional solutions and has a measurement uncertainty Ein practically sufficient for the field of application An example of the invention is shown in FIG. 5. It is based on an encapsulated, SF6-insulated cable, which is designed for an operating voltage of 600 kV. The earthed enclosure (1) has a perforated screen (4) which is axially flanged to a cylindrical measuring chamber (3) is arranged. The measuring chamber (3) is through a measuring electrode (4) and a guard ring electrode (9) completed. The radioactive preparation (10) is fixed on the center of the measuring electrode (5); the compensation electrode (7) is located in front of the measuring electrode. In the shielded area below the measuring and protective ring electrodes the required electronic components of the control device (8) are housed.

Claims (4)

P a t e n t a n ss p r ü c h e 0 Vorrichtung zurMessung von Gleichspannungen U in druckgasgekapselten Hochspannungsanlagen, bestehend aus dem auf Erdpotential liegenden, i.a. als Rohr ausgeführten, Druckgasbehälter (1) und den in diesem koaxial angeordneten Hochspannungsleiter (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß dem Druckgasbehälter (1) eine Beßkammer (3) dicht angefügt ist, die mit dem Druckgasbehälter (1) durch eine Blendenöffnung (4) im Gasaustausch steht, daß sich in der Meßkammer (3) eine Meßelektrode (5) befindet, daß das zwischen dem Hochspannungsleiter (2) und der Meßelektrode (5) befindliche Isoliergas von einem innerhalb oder außerhalb der Meßkammer (3) befindlichen Strahler teilweise ionisiert wird, daß beim Anliegen einer Spannung zwischen dem Hochspannungsleiter (2) und der Meßelektrode (5), die über einen Strommesser (6) mit dem Druckgasbehälter (1) elektrisch vebunden ist, sich ein der zu messenden Hochspannung U proportionaler und meßbarer Strom IO ausbildet, wobei entweder die Durchtrittsfläche der Blendenöffnung (4), sowie die Geometrie zwischen der Blendenöffnung (4) und der Meßelektrode (5) und/oder die Größe der Ionisation so wählbar sind, daß eine Linearisierung der Meßstrom-llochspannungscharakteristik (Io/U) auftritt oder in der Meßkammer (3) oberhalb oder unterhalb der Meßelektrode eine mit einer Kompensationsspannung Uk versehene Zusatzelektrode (7) angeordnet ist, wobei die Kompensationsspannung mittels einer Regeleinrichtung (8) vom Strom so gesteuert wird, daß sich durch das elektrische Zusatzfeld ein solcher Strom zwischen der Meßelektrode (5) und der Zusatzelektrode (7) ausbildet, daß der von der Meßelektrode (5) abfließende Strom null wird und die Kompensationsspannung Uk ein Maß für die zu messende Spannung U ist.P a t e n t a n ss p r ü c h e 0 Device for measuring DC voltages U in pressurized gas-encapsulated high-voltage systems, consisting of the at ground potential lying, i.a. designed as a tube, pressurized gas container (1) and in this coaxially arranged high-voltage conductor (2) that the pressurized gas container (1) a Beßkammer (3) is tightly attached to the Pressurized gas container (1) through a diaphragm opening (4) is in gas exchange that in the measuring chamber (3) there is a measuring electrode (5) that is located between the high-voltage conductor (2) and the measuring electrode (5) located insulating gas from an inside or outside the measuring chamber (3) located radiator is partially ionized that when applied a voltage between the high voltage conductor (2) and the measuring electrode (5), the is electrically connected to the compressed gas container (1) via an ammeter (6), a measurable current IO proportional to the high voltage U to be measured develops, either the passage area of the aperture (4) and the geometry between the aperture (4) and the measuring electrode (5) and / or the size of the Ionization can be selected so that a linearization of the measuring current / hole voltage characteristic (Io / U) occurs or in the measuring chamber (3) above or below the measuring electrode an additional electrode (7) provided with a compensation voltage Uk is arranged is, the compensation voltage by means of a control device (8) from the current is controlled so that such a current between the measuring electrode (5) and the additional electrode (7) forms that of the measuring electrode (5) the outgoing current becomes zero and the compensation voltage Uk is a measure of the voltage U to be measured is. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler eine Röntgen-, eine UV-, eine Laserquelle oder ein radioaktives Präparat ist. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the radiator is an X-ray, UV, laser source or radioactive preparation. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahler ein radioaktives Präparat (10) verwendet wird, daß vorzugsweise in der Nähe der Meßelektrode (5) angebracht ist und vornehmlich den Raum zwischen Meßelektrode (5) und der Blendenöffnung (4) ionisiert. 3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that a radioactive preparation (10) is used as a radiator, that preferably in is attached near the measuring electrode (5) and primarily the space between the measuring electrode (5) and the aperture (4) ionized. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (5) als Schutzringelektrode mit einem Schutzring (9} ausgeführt ist.4. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized in that the measuring electrode (5) designed as a guard ring electrode with a guard ring (9} is.
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