DE3518004C2 - Meßanordnung zur Ortsbestimmung von Fehlern in Kabeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Ortsbestimmung von Fehlern in Kabeln, insbesondere hochohmigen Fehlern in Nachrichtenkabeln, mit einem Magnetfeldaufnehmer, der oberhalb des mit einem Meß­ wechselstrom gespeisten Kabels ein auf die Fehlerstelle hinweisendes Ausgangssignal erzeugt und bei der das Ausgangssignal des Magnetfeldaufnehmers einer durch den Meßwechselstrom des Kabels angesteuerten Phasenmeß­ schaltung zugeleitet ist, die den Fehlerort als einen im Ausgangssignal des Magnetfeldaufnehmers auftretenden Phasensprung anzeigt.

Fehlerstellen in Nachrichtenkabeln verursachen Be­ triebsstörungen und müssen daher umgehend beseitigt werden. Dazu ist es notwendig, die Fehlerstelle zu orten, was bei hochohmigen meist durch eingedrungene Feuchtigkeit entstandenen Fehlern aber sehr schwierig ist. Es ist daher üblich, derartige Fehler in zwei Schritten zu orten, und zwar mit einer den ungefähren Fehlerort bestimmenden Vorortung und einer den geome­ trischen Fehlerort exakt bestimmenden Nachortung. Dazu können Meßverfahren benutzt werden, bei denen z. B. mit einem Magnetfeldsensor das Magnetfeld eines am Kabel­ eingang eingespeisten Meßwechselstromes erfaßt wird. Störungen im Aufbau des beim Überstreichen des Kabels erfaßten Magnetfeldes sind dann ein Indiz für einen Fehler. Mantelfehler in einem Kabel können aber auch mit einem Potentialmeßverfahren, bei dem ein Spannungs­ minimum den Fehlerort kennzeichnet, ermittelt werden.

Die zuvor erläuterten Meßverfahren erfordern relativ große Mindestsignalstärken, um die Messungen mit hin­ reichendem Signal-Störabstand durchführen zu können.

Hochohmige Fehler bedeuten aber geringe Signalstärken, so daß sich als Folge davon der geforderte Signal-Stör­ abstand nicht erzielen läßt. Es war deshalb bisher üblich, hochohmige Kabelfelder durch Aufschalten einer hohen, einen Durchschlag auslösenden Spannung zu er­ mitteln. Bei diesem als "niederohmiges Brennen" be­ zeichneten Meßverfahren entsteht durch den Durchschlag eine niederohmige Verbindung und daher können die er­ zeugbaren Fehlerströme eine zur Signalerfassung mit üblichen Meßgeräten hinreichende Größenordnung er­ reichen. Ein solches Meßverfahren ist aber unbefriedi­ gend, weil Sicherheitsgründe ein Freischalten des zu überprüfenden Kabels verlangen; außerdem besteht die Gefahr, daß Überschläge nicht nur an Fehlerstellen auf­ treten.

Aus der DE 17 66 172 B2 ist eine Meßanordnung zur Orts­ bestimmung von Fehlern in Kabeln bekannt, bei der ein Magnetfeldaufnehmer oberhalb des Kabels bewegt wird, das mit einem Meßwechselstrom gespeist wird. Mit Hilfe einer Phasenmeßschaltung wird ein Phasensprung im Empfangssignal detektiert. Der Nachteil einer derar­ tigen Meßanordnung besteht darin, daß durch die Ein­ speisung über die Wechselspannungsquelle in das Kabel ein Strom hineinfließt, der sich aus einem kapazitiven Stromanteil und dem Fehlerstrom zusammensetzt. Der kapazitive Stromanteil nimmt mit zunehmender Entfernung vom Kabelanfang linear ab. Der Fehlerstrom ist bis zum Fehlerort konstant, jenseits des Fehlerortes liegt kein Fehlerstrom vor.

Aus der US 44 38 389 ist ein weiteres Verfahren zur Detektierung von Fehlern in Kabeln durch Magnetfeldaus­ wertung angegeben. Ein zur Detektion des Magnetfeldes vorgesehener Magnetfeldaufnehmer ist mit einer Aufbe­ reitungsschaltung verkoppelt, um eine Verstärkung und Filterung der Meßsignale durchzuführen.

Aus dem Buch SINEMUS, E.: Fehlerortungstechnik in Energie- und Nachrichtenkabeln, Berlin, VDE-Verlag, 1981, S. 122-125, ISBN 3-8007-1211-3, ist bekannt, einen Impulsgenerator als Meßspannungsquelle in der Fehleror­ tungstechnik zu verwenden. Die Impulse werden in das Kabel eingespeist und es wird eine Impuls-Reflektions- Messung durchgeführt, um aus der Laufzeit der Impulse die Entfernung des Einspeiseortes zum Fehlerort zu be­ stimmen.

Eine Halterungsanordnung zum Messen von Fehlerstellen­ entfernungen bei Leitungskurzschlüssen wird in der DE 21 12 136 B2 beschrieben. Im Bereich von Kabelenden sind Transformatoren zur Messung der jeweiligen ört­ lichen Spannungen angeordnet. Darüber hinaus sind Schalter vorgesehen, die von einer Schutzanordnung an­ gesteuert werden. Bei einer Detektion eines Kurz­ schlusses wird nach einer Fehlerortung eine Frei­ schaltung des zu überwachenden Leitungsabschnittes vor­ genommen, um dauerhaft fließende Kurzschlußströme zu vermeiden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zur Ortsbestimmung von Kabelfehlern der eingangs genannten Art zu schaffen, die in der Lage ist, hochohmige Fehler mit hinreichendem Signal-Stör­ abstand ohne großen Aufwand zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht eindeutige Interpretation der Meßdaten, und zwar durch eine Er­ höhung der Auflösung bei der Messung, wobei nicht nur die Amplitude, sondern auch die Phase der aufgenommenen Meßsignale berücksichtigt wird. Dabei kann für den Meß­ wechselstrom auch das Ausgangssignal eines Impulsgenera­ tors benutzt werden.

Bei einer vorteilhaften Meßanordnung ist vorgesehen, beide Enden des zu überprüfenden Kabels jeweils über einen steuerbaren elektronischen Schalter und einen Vor­ widerstand an je eine Gleichspannungsquelle gleicher Spannung jedoch entgegengesetzter Polarität zu schalten, wobei ein elektronischer Schalter direkt und der andere elektronische Schalter über einen Inverter vom Ausgangs­ signal des Impulsgenerators ansteuerbar sind. Dabei ist es zweckmäßig, die Periodendauer der vom Impulsgenerator erzeugten Pulsfolgefrequenz auf einen Wert zu bemessen, der größer als eine Zeitkonstante ist, die sich aus dem Produkt eines Vorwiderstandes (R₁, R₂) und der aus dem Kapazitätsbelag eines Kabelabschnittes (l₁, l₂) entstehen­ den Kapazität ergibt. Diese Meßanordnung hat den Vorteil, den Fehlerort durch einen Phasensprung im erfaßten Signal anzuzeigen.

Zur Unterdrückung des kapazitiven Stromanteils wird dem kürzeren Kabelabschnitt eines fehlerhaften Kabels zusätzlich eine Kompensationskapazität zugeschaltet, die sich aus der Differenz (C₁-C₂) der vom Kapazitäts­ belag abhängigen und durch eine Vormessung hinreichend bekannten Teilkapazitäten des Kabels ergibt. Diese Maß­ nahme hat den Vorteil, den kapazitiven Stromanteil im Bereich des hochohmigen Fehlers auf einen sehr kleinen Wert zu begrenzen, wodurch eine bedeutende Erhöhung für die Auflösung der Messung erzielt wird.

Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a ein Ersatzschaltbild eines Kabels,

Fig. 1b ein Diagramm vom Stromverlauf im Kabel nach Fig. 1a,

Fig. 2a das Prinzip einer Meßanordnung an einem fehlerhaften Kabel,

Fig. 2b ein Diagramm für die Schaltzustände zweier elektronischer Schalter,

Fig. 2c ein Diagramm des Stromverlaufes im Kabel gemäß Fig. 2a,

Fig. 3 ein Diagramm der Stromänderung in Ab­ hängigkeit vom Kapazitätsverhältnis der Kabelabschnitte,

Fig. 4a ein Diagramm der Schaltzustände der elektronischen Schalter,

Fig. 4b/c zwei Diagramme der von den zwei Enden in das Kabel eingespeisten Ströme und

Fig. 5 ein Blockschaltbild für eine Meßanordnung.

Wie das Ersatzschaltbild eines Kabels nach Fig. 1a zeigt, fließt beim Anlegen einer Meßwechselspannung U_s an dieses Kabel ein Strom, der sich aus einem kapazitiven Ladestrom i_C und einem Fehlerstrom i_F zusammensetzt. Der Verlauf dieser Ströme ist im Diagramm der Fig. 1b über der Kabellänge dargestellt. Aus diesem Diagramm kann man erkennen, daß der kapa­ zitive Strom i_C mit zunehmender Kabellänge l linear abnimmt. Ursache dafür ist der Kapazitätsbelag C′ des Kabels, so daß sich für das Kabel nach Fig. 1a eine Kapazität C₁ = C′ · l₁ und eine Kapazität C₂ = C′ · l₂ ergibt. Die Kabelabschnitte l₁, l₂ gehen dabei von den Kabelenden zur Fehlerstelle, die durch eine Impedanz Z_F angedeutet ist. Der Fehlerstrom i_F ist konstant und fließt bis zur Fehlerstelle. Dahinter ist der Fehlerstrom Null, das Verschwinden des Fehler­ stromes ist somit das Kriterium für die Fehlerstelle. Der kapazitive Strom i_C hat bezogen auf die Meßwechsel­ spannung U_s eine Phasenverschiebung von 90°, während der Fehlerstrom i_F zumindest eine reelle Komponente be­ sitzt, die gegenüber der Meßwechselspannung U_s keine Phasenverschiebung aufweist. Durch Messung des Magnet­ feldes des mit dem Meßwechselstrom gespeisten Kabels z. B. mit einem Magnetfeldsensor kann die Stromkomponente, die gegenüber der Speisespannung keine Phasenverschiebung besitzt, ermittelt werden. Das Verschwinden dieser Strom­ komponente markiert dann die Fehlerstelle.

Bei der Durchführung einer Fehlermessung darf das Ver­ hältnis der realen Fehlerstromkomponente zum kapazitiven Strom aus meßtechnischen Gründen nicht beliebig klein werden. Dieser Forderung kann durch eine entsprechend klein gewählte Meßfrequenz begegnet werden, wobei aber die Forderung der Meßpraxis, daß die Dauer einer Messung nicht beliebig lang sein sollte, beachtet werden muß. Beide Forderungen bestimmen daher die untere Grenze der Meßfrequenz.

Da ein Kabelfehler durch eingedrungene Feuchtigkeit kein statisches, sondern ein dynamisches Verhalten zeigt, der Fehlerstrom daher nicht konstant ist, kann eine Fehlerortung wegen der großen kapazitiven Strom­ komponente problematisch werden. Es wird daher - gemäß Fig. 2a - eine Meßanordnung vorgeschlagen, mit der es möglich ist, die Auswirkungen der kapazitiven Strom­ komponente bei der Fehlerermittlung zu unterdrücken. Bei dieser Meßanordnung wird das zu überprüfende Kabel von beiden Enden jeweils über je einen Widerstand R₁, R₂ und einen elektronischen Schalter S₁, S₂ von je einer Gleichspannungsquelle U₁ gleicher Spannung jedoch ent­ gegengesetzter Polarität gespeist. Die elektronischen Schalter S₁, S₂ werden von einem Impulsgenerator, und zwar S₁ direkt und S₂ über einen Inverter I angesteuert. Der Impulsgenerator erzeugt eine symmetrische Impuls­ spannung der Frequenz f_o, so daß die elektronischen Schalter S₁, S₂ abwechselnd durchgeschaltet werden.

Im eingeschwungenen Zustand und bei fehlerfreiem Kabel, d. h. Z_F = ∞ ergibt sich an der Stelle x ein Strom i_x, der bei durchgeschaltetem Schalter S₁ und geöffnetem Schalter S₂ dem Umladestrom der Ersatzkapazität C₂ ent­ spricht. Bei durchgeschaltetem Schalter S₂ und geöffnetem Schalter S₁ entspricht dieser Strom dem Umladestrom für die Ersatzkapazität C₁. Bei durchgeschaltetem Schalter S₁ ergibt sich der Strom zu:

Bei durchgeschaltetem Schalter S₂ erhält man entsprechend

Mit der Wahl ergibt sich der zeit­ liche Verlauf für i_xc gemäß Fig. 2c, wobei Fig. 2b die Schaltzustände der elektronischen Schalter S₁, S₂ dazu zeigt. Der Strom i_xc ist - wie Fig. 2c zeigt - unipolar mit impulsförmigen Sprüngen abhängig vom Schaltwechsel der Schalter S₁, S₂. Diese Stromsprünge treten im zeitlichen Abstand auf.

Es ist möglich, den Grundschwingungsanteil des Stromes i_xc mit Hilfe der Fourieranalyse abzuleiten, der aber durch eine umfangreiche, komplexe Gleichung beschrieben wird. Bei symmetrischem Kabel, d. h. C₁ = C₂ und R₁ = R₂ ergibt sich nach der Fourieranalyse für den Grund­ schwingungsanteil von i_x ein Wert von I_xc (f_o) = 0, der - gemäß Fig. 2c periodisch mit verläuft, d. h. als kleinste Frequenz die doppelte Frequenz f_o des Impuls­ generators enthält. Wenn der Meßpunkt den Symmetrie­ punkt (l₁ = l₂) verläßt, dann ändert sich auch der Wert für I_xc (f_o), und dieser Stromverlauf kann durch eine Vereinfachung bei der Fourieranalyse ermittelt werden. Als Vereinfachung wird zunächst T_o » 2π (T₁ + T₂) ange­ nommen, wodurch sich eine Vernachlässigung auf Grund der Bedingung ergibt. Für den Grund­ schwingungsanteil des Stromes i_xc ergibt sich dann folgende Funktion:

Bei dieser Gleichung kann der komplexe Teil in der Klammer bei den zuvor gewählten Parametern gegenüber dem reellen Term vernachlässigt werden, außer im Punkt C₁ = C₂, bzw. seiner engeren Umgebung. Die Gleichung vereinfacht sich dann weiter zu

Wenn das Verhältnis von C₁/C₂ auf 0,9 ≦ωτ C₁/C₂ ≦ωτ 1,1 eingeschränkt wird, ergibt sich folgende Näherungsformel:

Wie das Diagramm nach Fig. 3 zeigt, ergibt sich dann im Bereich C₁/C₂ ≈ 1 eine lineare Beziehung, d. h. der Strom ändert sich linear mit dem Kapazitätsverhältnis. Um die Möglichkeiten der zuvor ermittelten Beziehungen vorteil­ haft auszunutzen, wird daher in der Prinzipdarstellung nach Fig. 2a eine Kompensationskapazität C_K auf dem kürzeren Kabelteil des fehlerhaften Kabels zugeschaltet. Da der Fehlerort durch eine Vor- oder Grobmessung als bekannt angenommen werden kann, können die Kapa­ zitäten C₁, C₂ wie folgt errechnet werden:

C₁ = C′ · l₁
C₂ = C′ · l₂
und
C_K = C₁ - C₂

Durch Zuschalten der Kompensationskapazität C_K auf dem kürzeren Kabelteil kann somit für jeden Punkt des Kabels der Grundschwingungsanteil des kapazitiven Um­ ladestromes zu Null kompensiert werden. Die in der Um­ gebung dieses Punktes auftretenden Stromwerte für I_x können dann dem Diagramm nach Fig. 3 entnommen werden. Man kann aus diesem Diagramm entnehmen, daß diese Strom­ werte dann im Bereich der Fehlerstelle sehr klein sind.

Wenn nun in einem beliebigen Abschnitt eines Kabels ein hochohmiger, durch eingedrungene Feuchtigkeit ent­ standener Fehler auftritt, so kann dieser auf die zuvor erläuterte Weise eingegrenzt und die Kapazitäten er­ mittelt werden. Der Grundschwingungsanteil I_xc (f_o) wird daher für diese Fehlerstelle auf kleinste Werte kompensiert und der Fehlerstrom durch die Spannung an der Fehlerstelle U_F und die Fehlerimpedanz Z_F bestimmt. Bei der Prinzipdarstellung nach Fig. 2a ergibt sich für einen reellen Fehlerwiderstand, d. h. Z_F = R_F links von der Fehlerstelle ein Fehlerstrom von i_xf = U_F/R_F. Dieser Stromanteil überlagert sich linear dem kapazitiven Um­ ladestrom i_xc gemäß Fig. 4b. Rechts von der Fehlerstelle ergibt sich der Fehlerstrom i_of, der in Fig. 4c dargestellt ist. Eine Fourieranalyse für beide Ströme zeigt, daß beide Ströme von der Frequenz f_o des Impulsgenerators G abhängen. Bezogen auf das Aus­ gangssignal des Impulsgenerators G ergibt sich für den Strom i_xf eine Phasenverschiebung, die durch die Parameter nach der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 2a bestimmt wird. Für den Strom i_of ergibt sich eben­ falls eine Phasenverschiebung, die im Vergleich zur Phase vom Strom i_xf um 180° verschoben ist. Die Phase des im Kabel fließenden Fehlerstromes springt daher an der Fehlerstelle um 180°. Auch dann, wenn die durch einen Feuchtigkeitsfehler entstandene Fehlerstelle als komplexe Impedanz angenommen werden muß, bleibt die Phase des Fehlerstromes, und zwar der 180° Phasen­ sprung über der Fehlerstelle erhalten. Dieser Phasen­ sprung als exaktes Kriterium für die Ortsbestimmung der Fehlerstelle läßt sich meßtechnisch am besten er­ fassen, wenn der teilkompensierte, kapazitive Umlade­ strom bei der Frequenz f_o an der Fehlerstelle höchstens die Größenordnung des Fehlerstromes erreicht, nach Möglichkeit aber darunter liegt. Für die Grundschwingungs­ amplitude erhält man dann einen Wert in der Größen­ ordnung U₁/|Z_F| und damit ist, abhängig von den Kabel- und Meßparametern, eine untere Auflösungsgrenze für den Fehlerstrom und damit auch die Fehlergröße ergeben.

Die Meßanordnung ermöglicht es, den Phasensprung an der Erdoberfläche eines im Boden verlegten Kabels zu ermitteln. Hierzu wird die als Blockschaltbild nach Fig. 5 dargestellte Meßanordnung benutzt. Diese Meßanordnung besteht aus einem Magnetfeldaufnehmer 1, dessen Ausgangssignal über ein Filter 2 und einen Ver­ stärker 3 einer Phasenmeßschaltung 4 zugeleitet wird. Diese Phasenmeßschaltung 4 erhält gleichzeitig auch das Ausgangssignal eines Impulsgenerators 6 mit der Frequenz f_o und steuert mit ihrem Ausgangssignal ein Anzeigegerät 5 an. Zur Durchführung einer Fehler­ messung wird für den Magnetfeldaufnehmer 1 ein Sensor mit hinreichend großem Auflösungsvermögen einge­ setzt, um das relativ schwache Magnetfeld des Kabels mit ausreichendem Signal-Störabstand zu erfassen. Hier­ für sind entsprechend dimensionierte Induktionsspulen oder auch supraleitende Magnetometer geeignet. Das Aus­ gangssignal des Magnetfeldaufnehmers 1 wird dann über den Filter 2 und der Verstärker 3 der Phasenmeßschaltung 4 zugeleitet, die als Referenz ein Signal mit der Frequenz f_o vom Impulsgenerator 6 erhält, der mit dem Impulsgenerator G der Fig. 2a synchronisiert ist. Für diese Phasenmeßschaltung können Synchrongleichrichter eingesetzt werden, die den Vorteil haben, gleichzeitig eine Schmalbandfilterung der Meßsignale zur Störbefreiung vorzunehmen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Meßanordnung unter Verwendung eines Verfahrens einzusetzen, bei der anstatt des Magnetfeldes über Meßelektroden das Strömungs­ feld in der Erde (Schrittspannungsmeßmethode) ge­ messen und das Signal der Aufbereitungsschaltung zu­ geführt wird.

Claims (2)

1. Meßanordnung zur Ortsbestimmung von Fehlern in Kabeln, insbesondere hochohmigen Fehlern in Nach­ richtenkabeln, mit einem Magnetfeldaufnehmer, der oberhalb des mit einem Meßwechselstrom gespeisten Kabels ein auf die Fehlerstelle hinweisendes Aus­ gangssignal erzeugt und bei der das Ausgangssignal des Magnetfeldaufnehmers einer durch den Meßwechsel­ strom des Kabels angesteuerten Phasenmeßschal­ tung zugeleitet ist, die den Fehlerort als einen im Ausgangssignal des Magnetfeldaufnehmers auftreten­ den Phasensprung anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmeßschaltung (4) eine Aufbereitungs­ schaltung (2, 3) vorgeschaltet ist, daß die Phasen­ meßschaltung (4) für den Meßwechselstrom das Ausgangssignal eines Impulsgenerators (G) be­ nutzt, daß beide Enden des zu überprüfenden Kabels jeweils über einen steuerbaren elektronischen Schalter (S₁, S₂) und einen Vorwiderstand (R₁, R₂) an je eine Gleichspannungsquelle (U₁) gleicher Spannung jedoch entgegengesetzter Polarität schalt­ bar sind und daß ein elektronischer Schalter (S₁) direkt und der andere elektronische Schalter (S₂) über einen Inverter (I) vom Ausgangssignal des Impulsgenerators (G) ansteuerbar sind und daß dem kürzeren Kabelabschnitt eines fehlerhaften Kabels eine Kompensationskapazität (C_K) zugeschaltet ist, die sich aus der Differenz (C₁-C₂) der vom Kapa­ zitätsbelag abhängigen und durch Vormessung hin­ reichend bekannten Teilkapazitäten des Kabels er­ gibt.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Periodendauer (T_o) der vom Impulsgene­ rator (G) erzeugten Pulsfolgefrequenz (f_o) auf einen Wert bemessen ist, der größer als eine Zeit­ konstante (T) ist, die sich aus dem Produkt eines Vorwiderstandes (R₁, R₂) und der aus dem Kapazi­ tätsbelag (C′) eines Kabelabschnittes (l₁, l₂) sich ergebenden Kapazität (C₁, C₂) ergibt.