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Meßsonde und Schaltungsanordnung zur elektrischen Detektion
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von Teilentladungen Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Meßsonde und Schaltungsanordnung zur elektrischen Detektion von Teilentladungen
in Isolierungen elektrischer Betriebsmittel der Hochspannungstechnik, vorzugsweise
der elektrischen Energieübertragungs technik.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es sind Schaltungsanordnungen
bekannt, bei denen die durch Teilentladungs (TE) - Vorgänge verursachten elektrischen
Ausgleichsvorgänge in elektrischen Betriebsmitteln, die im Nanosekunden-Zeitbereich
ablaufen, mittels TE-freier Hochspannungskoppelkondensatoren ausgekoppelt und der
TE-Meßeinrichtung zugeführt werden.
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DD - PS 139 958 und 141 868 Obwohl in der OD - PS 141 868 Maßnahmen
zur Reduzierung der kapazität des Hochspannungskoppelkondensators vorgeschlagen
wurden, konnte dennoch auf diesen nicht verzichtet werden.
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Daran ändert auch die Tatsache nichts, daß der Hochspannungskoppelondensator
nach der DD - PS 159 216 in einem Prüfendverschluß integriert ist.
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Entsprechende Festlegungen für die Teilentladungabewertung elektrischer
Betriebsmittel sind auch in den internationalen Standards für die Teilentladungsmeßtechnilc
enthalten.
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IEC-Publikation 270 - Ausgabe 1981 Entwurf der IEC-Publikation 20
A (Secr.) 97 VDE-Vorschrift 0472 - Ausgabe 1982 VDE-Vorschrift 0434 - Ausgabe 1983
Die
vorgenannten Teilentladungsmeßverfahren sind nur für die Qualitätskontrolle als
Abnahmeprüfung anwendbar. Sie eignen sich im allgemeinen jedoch nicht für Betriebsmessungen
und prophylaktische Untersuchungen an Betriebsmitteln der Enorgieübortragungstechnilc,
weil diese unter Spannung stehen und aus Gründen der sicheren Versorgung der Abnehmer
nicht ständig freigeschaltet werden können, Außerdem sind die zur Ankopplung benötigten
teilentladungafreien Hochspannungskondensatoren sehr teuer und verursachen auf Grund
ihrer großen Masse spezielle Transportprobleme.
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SchliePlich muß für den Anschluß der Hochspannungslcoppelkondensatoren
der Hochspannung führende Pol des Betriebsmittels zugänglich sein, wozu geeignete
teilentladungsfreie Hochspannungsdurchführungen und Endenabschlüsse notwendig sind.
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Die vorgenannten Probleme haben dazu geführt, für Spezialanwendungen
in SF6 - - Schaltanlagen Hochspannungskoppelkondensatoren in die Anlage zu integrieren.
Derartige Schaltungsanordnungen sind aus der nachfolgend angegebenen Literafur bekannt.
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Boyer, M.; Kamm, W.; Sachs, G.
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Messung und Ortung von Teilentladungen an Rohrgaskabeln bzw an gekapselten
Schaltanlagen Eleletrizitätswirtschaft 81 (1982) 1/2, 5. 27 - 30 Reeves, D. H.
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Locating higil voltage insulation faults in switchgear Electrical
Review 210 (1982) 2, S. 36 - 37 Boggs, 5. A.
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Elektromagnetic techniques for fault and partial discharge localisation
in gas - insulated cables and substations IEEE Transaction on Power Apparatus and
Systems 101 (1982) 7» S. 1935 - 1941 Die darin angegebenen Vöglichkeiten sind nur
anwendbar, wenn die Betriebsmittel bereits beim Herstellungsprozeß mit integrierten
Hochspannungskoppelkondensatoren ausgerüstet werden.
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Eine nachträgliche Installation unter Oetriebshcriin£junen ist nicht
akzeptabel und kaum realisierbar.
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Aus vorstehenden Darlegungen folgt, daß im praktischen Fall die Teilentladungsmessung
unter Betriebsbedingungen auf speziell dafür ausgestattete Betriebsmittel beschränkt
ist.
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Ziel der Erfindung Es ist Ziel der Erfindung, die Detektion elektrischer
Teilentladungsvorgänge in Betriebsmitteln der Hochspannungsisoliertechnik im Sinne
einfach handhabbarer Betriebsmeßtechnik zu ermöglichen, ohne daß Anlagenteile freigeschaltet
werden müssen und Hochspannungskoppellcondensatoren und Hochspannungsdurchführungen
notwendig sind.
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Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, eine Meßsonde und dazugehörige Schaltungsanordnung zu schaffen, durch
die eine Erfassung der Teilentladungssignale von elektrischen Betriebemitteln, die
unter Hochspannung stehen und starken elektromagnetischen Störfeldern ausgesetzt
sind, ermöglicht wird.
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Merkmale der Erfindung Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch
gelöst, daß die Meßsonde aus einem über ein ompensationsnetzwerk miteinander verbundenem
Dreielektrodensystem besteht, bei dem an der dem Prüfling zugewandten Seite zwischen
einer Meßelektrode und einer gehäuseartig ausgestalteten Bezugselektrode eine ICompensationseleletrode
angeordnet ist. Innerhalb der Bezugselektrode sind zwei potential-frei betriebene
Differenzverstärker integriert, deren Anstiegszeit im Vergleich zur Dauer der TE-Impulse
sehr klein ist und im Nanosekundenbereich liegt.
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Das Dreielektrodensystem ist zweckmäßigerweise der Geometrie
des
zu untersuchenden Prüflings angepaßt.
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Bei zylindrischen Prüf lingen z. B. Hochspannungskabel, sind deshalb
die Meßelektrode, zuBezugselektrode und ompensationselektrode vorzugsweise koaxial
angeordnet und in Form von aufklappbaren Segmonten ausgeführt. Die in der Meßsonde
enthaltonen Bauelemente sind schaltungstechnisch wie folgt miteinander verbunden:
Die Meßoleictrode ist mit dem nicht invertierenden Eingang und die Kompensationselektrode
mit dem invertierenden Eingang des ersten Oifferenzverstärkers verbunden. Parallel
zu den beiden Eingängen des ersten Differenzverstärkers ist ein Kompensationsnetzwerk
so geschaltet, daß eine Verbindung zur Bezugselektrode besteht. Der Ausgang des
ersten Differenzverstärkers ist an den nicht invertierenden Eingang eines zweiten
Differenzverstärkers angeschlossen. Außerdem ist die Bezugselektrode über ein Impulsformernetzwerk
und den invertierenden Eingang mit dem zweiten Differenzverstärker verbunden.
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Der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers sowie die Bezugselektrode
ist an eine Bewertungseinheit angekoppelt.
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Ausf ührungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
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In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen Fig. 1: eine Meßsonde mit
der dazugehörigen Schaltungsanordnung Fig. 2: den zeitlichen Ablauf der Impulsfolge
der durch TE-Vorgänge verursachten Signale der Schaltungsanordnung, Die Erfassung
der im Betriebsmittel 1 entstehenden TE-Signale erfolgt auf elektromagnetischem
Wege durch die Meßelektrode 2.
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Die frießelektrode 2 ist so angeordnet, daß sie in ihrer aktiven Zone
mit dem Betriebsmittel 1 in engem elektromagnetischen kontakt steht. Das wird durch
einen sehr kleinen Abstand zum Setriebamittel 1 erreicht.
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Dabei ist jedoch zu beachten, daß ein galvanischer Kontakt zum Betriebsmittel
nicht erfolgt. Außerdem ist die ,deßelektrode 2 von der Bezugselektrode 3 und Kompensationselektrode
4 elektromagnetisch abgeschirmt. Der Abstand und die Flächenbedeckung sind so zu
dimensionieren, daß die I<apazität der Meßelektrode 2 gegenüber der Kompensationselektrode
4 und Bezugselektrode 3 wenige pF nicht übersteigt.
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Die ompensationselotrode 4 ist so angeordnet, daß sie zur Bezugselektrode
3 eine Kapazität von über 10 pF aufweist.
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Die innerhalb der Bezugselektrode 3 untergebrachte elel<tronische
Verarbeitungseinheit besteht im wesentlichen aus den Differenzverstärkern 5; 10,
mit einer Anstiegszeit im Nanoselcunden-Zeitbereich.
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Da die erfaßbare Signalamplitude aufgrund der "losen" Ankopplung an
das Betriebsmittel 1 um Größenordnungen gegenüber dem Original-TE-Signal geschwächt
wird, kann das Meßsignal nicht ohne zusätzliche Maßnahmen vom Störpegel der Umgebung
unterschieden werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der TE-Signalpegel ohnehin
nur im Mikrovolt-Bereich liegt.
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In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird daher im Hinblick
auf eine Störsignalreduzierung die Bezugselektrode 3 potentialfrei betrieben, wodurch
sie stets das Störsignal des Ortes empfängt, wo sie angeordnet ist. Ein Teil des
Störsignales wird auch in der ieompensationselektrode 4 wirksam.
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Das wird durch die Kapazität zwischen der Bezugselektrode 3 und der
Kompensationselektrode 4 gewährleistet.
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Somit gelingt es mit Hilfe des Differenzverstärkers 5, der mit dem
nicht invertierenden Eingang 6 an die Meßelektrode 2 und mit dem invertierenden
Eingang 7 an die Kompensationselektrode 4 angeschlossen ist, das Störsignal zu Icompensieren.
Diese Kompensation ist möglich, weil das Störsignal infolge des unvermeidbaren elektromagnetischen
Durchgriffs auch an der Meßelektrode 2 und damit am Eingang 6 des tteßverstärkeres
5 in analoger Weise erscheint wie über die Kompensationselektrode 4 am Eingang 7.
Ein Abgleich auf ein optimales Verhältnis zwischen Nutzsignal und Störsignal erfolgt
mittels
des Kompensationsnetzwerkes 8, durch das die elektromagnetischen kopplungen zwischen
Betriebsmittel 1, Bezugselektrode 3, I<ompensationselektrode 4 und Meßelektrode
2 auf ein Optimum eingestellt wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers
5 gelangt an den nicht invertierenden Eingang 9 des Differenzverstärkers 10, während
der invertierende Eingang 11 über ein Impulsformernetzwerk 12 mit der Bezugselektrode
3 verbunden ist.
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Durch das Impulsformernetzwerk 12 wird gewährleistet, daß einerseits
nur unipolare Signale kurzer Anstiegszeit und Dauer, also TE-Impulse, weiterverarbeitet
werden und andererseits Störsignale, die von der Bezugselektrode 3 aufgefangen wurden,
zur Eliminierung der ebenfalls an der Meßelektrode 2 erscheinenden Störungen beitragen.
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Es ist noch zu erwähnen, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
auch funktioniert, wenn die Anschlüsse der Eingänge 6; 7 am Differenzverstärker
5 und in analoger Weise die Eingänge 9; 19 am Differenzverstärker 10 vertauscht
werden.
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Die Differenzverstärker 5; 10 sind so ausgestaltet, daß ihre Anstiegszeit
im Nanosekundenzeitbereich liegt. Dadurch wird gesichert, daß die Bezugselektrode
3 während der kurzen Dauer der TE-Signale infolge ihrer Raumkapazität ein festes
Bezugspotential beibehält, während sie bei Betrachtung längerer Zeitabstände dem
"schwimmenden" Potential der Umgebung nahezu unverzögert folgt.
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Somit kann für die kurze Dauer der TE-Signale das Potential der Bezugselektrode
3 als Masse-Bezugs-Potential angesehen werden, wodurch eine Verstärkung der TE-Signale
mittels der Differenzverstärker 5; 10 überhaupt erst ermöglicht wird.
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Zur qualitativen und quantitativen Bewertung der TE-Signale wird die
Signaldifferenz zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 10 und der Bezugselektrode
3 einer ebenfalls potentialfrei betriebenen Bewertungseinheit 13 zugeführt.
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An die Bewertungseinheit 13 ist zweckmäßigerweise ein Oszilloskop
14 angeschlossen, das natürlich ebenfalls potentialfrei betrieben werden muß.
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In Fig. 2 sind die Kurvenverläufe dargestellt, wie sie am Oszilloskop
14 sichtbar gemacht werden können, während in der Kurve A ein vom Betriebsmittel
1 ausgeoppeltes TE-Signal gezeigt ist, verdeutlicht die Kurve B das Ausgangssignal
des Differenzverstärkers 5 und die Kurve C das Ausgangssignal des Differenzverstärkers
10.
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Der Verlauf des Ausgangssignales der Bewertungseinheit 13 ist aus
der Kurve D erkennbar.
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Es ist noch zu erwähnen, daß eine universelle Anwendbarkeit der potentialfreien
elektromagnetischen Meßsonde gewährleistet ist, wenn diese in der konstruktiven
Ausgestaltung den Prüflingen bzw. Betriebamitteln 1 weitestgehend angepaßt sowie
trag- und aufklappbar ausgeführt ist.
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Aufstellung über die verwendeten Bezugszeichen 1 Betriebsmittel 2
Meßelektrode 3 Bezugselektrode 4 Kompensationselektrode 5 Differenzverstärker 6
Eingang 7 Eingang 8 Kompensationsnetzwerk 9 Eingang 10 Differenzverstärker 11 Eingang
12 Impulsformernetzwerk 13 Bewertungsoinheit 14 Oszilloskop A TE-Signal B Ausgangssignal
des Differenzverstärkers 5 C Ausgangssignal des Differenzverstärkers 10 D Ausgangssignal
der Bewertungseinheit 13