DE3630026C2 - Einrichtung zur Feststellung von Teilentladungen in Hochspannungsanlagen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Fest­ stellung von Teilentladungen in Hochspannungsanlagen mit einem mit der Hochspannungsanlage akustisch gekoppelten Ultraschall­ sensor und mit einer daran angeschlossenen beim Auftreten von durch Teilentladungen in der Hochspannungsanlage erzeugten Ul­ traschallwellen Signale abgebenden Anzeigeanordnung.

Aus der Publikation "Akustische Teilentladungsmessung zur Schlußprüfung gasisolierter Schaltanlagen" in der Firmenzeit­ schrift "Neues von Sprecher", 1973, Nr. 1, Seite 16 ist eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art bekannt. Diese Publi­ kation enthält aber keine näheren Hinweise auf die Ausbildung der aus einem Ultraschallsensor und aus einer Anzeigeanordnung bestehenden Einrichtung zur Feststellung von Teilentladungen in Hochspannungsanlagen.

Weiterhin ist ein faseroptischer Sensor zum Erfassen von elek­ trischen Lichtbogenentladungen bekannt DE 31 29 041 A1 bei dem das Prüflicht durch von Lichtbogenentladungen berührende Schall­ wellen in einem gewendelten Lichtwellenleiter moduliert und die Lichtintensität in einer Auswerteelektronik registriert wird. Über die Ausbildung der Lichtwellenleiter enthält auch diese Schrift keine Einzelheiten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art zu finden, die eine hohe Betriebssicher­ heit nebst wirtschaftlichen Vorteilen aufweist, gegen Störungen von elektrischen und magnetischen Feldern unempfindlich ist und mit einem einfach und wirtschaftlich vorteilhaft ausgebildeten Ultraschallsensor ausreichender Empfindlichkeit ausgerüstet ist.

Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Einrichtung mindestens einen durch den Ultraschallsensor geführten und an der Anzeigeanordnung angeschlossenen, im Betrieb lichtführenden Lichtleiter aufweist, der mindestens im Bereich des Ultraschall­ sensors mindestens teilweise flach ausgebildet ist und mit min­ destens einer um eine zur Längsrichtung des Lichtleiters quer stehende und zu den Breitflächen des flachen Lichtleiters para­ llele Achse gebogenen, am flachen Teil des Lichtleiters angeord­ neten, beim Auftreffen von Ultraschallwellen auf den Ultra­ schallsensor sich ändernden und dabei das Auskoppeln des im Lichtleiter geführten Lichtes mindestens teilweise zulassenden Krümmung versehen ist.

Durch die Anwendung des Lichtleiters als Verbindung zwischen dem mit der Hochspannungsanlage gekoppelten Ultraschallsensor und der Anzeigeanordnung findet einerseits eine Potentialtrennung statt und anderseits sind große elek­ trisch leitende Schleifen vermieden, in denen magnetische Wech­ selfelder Störspannungen induzieren könnten. Die aus relativ einfachen und wirtschaftlich vorteilhaften Elementen zusammenge­ stellte Einrichtung ist durch die Anwendung eines Lichtleiters nicht nur störungsunempfindlich, sondern auch betriebssicher zu­ gleich. Der Ultraschallsensor weist einen flachen und geboge­ nen Lichtleiter auf. Der flache Lichtleiter ist vorteilhaft, weil die Winkelver­ hältnisse für Totalreflexion und für Auskoppelung des Lichtes auch im kritischen Biegungsbereich an der Grenze zwischen Totalreflexion und Auskoppelung auf der ganzen Breite des Lichtleiters praktisch gleich sind. Durch diese Maßnahme kann eine hohe Empfindlichkeit des sonst sehr einfach aufgebauten Ultraschall­ sensors erreicht werden.

Aus der Publikation "Microbend Fiber Optic Sensor" in Technical Digest IEEE Solid State Sensor Conference 84 - CAT. 84 CH 2033-9, Hilton Head Island, SC, USA; 6-8 June 1984, Seiten 8-9 ist zwar ein akustischer Sensor mit einem runden Lichtleiter bekannt, wobei der Lichtleiter im Sensor in Abhängigkeit der Schallwellen auf Biegung beansprucht wird. Durch diese Biegebeanspruchung wird das im Lichtleiter geführte Licht moduliert. Dieser akustische Sensor kann im Tonfrequenzbereich als Mikrophon eingesetzt werden. Bei höheren, bei Teilentladungen in Hochspannungsanlagen auftretenden Frequenzen ist die Empfindlichkeit dieses Sensors aber unbefriedigend.

Der Radius der Krümmung des Lichtleiters ist vorteilhafterweise auf einen Empfindlichkeitsbereich des Ultraschallsensors zwischen 20 und 100 kHz eingestellt. Messungen haben ergeben, daß die bei Teilentladungen in einer Hochspannungsanlage auftretenden Schallwellen mehrheitlich in diesem Frequenzbereich liegen.

Der flache Lichtleiter weist bevorzugt eine für die Führung von höchstens 10 Moden geeignete Dicke auf. Bei Monomode-Lichtführung erreicht man im flachen Lichtleiter in Abhängigkeit vom im kritischen Bereich liegenden Krümmungsradius entweder eine Totalreflexion oder eine Auskoppelung des ganzen Lichtes und somit eine sehr große Empfindlichkeit des Ultraschallsen­ sors. Bei der Führung von 10 Moden im flachen Lichtleiter ist die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors noch ausreichend.

Es kann ein runder Lichtleiter vorgesehen sein, der im Bereich des Ultraschallsensors flach gedrückt ist. Ein verhältnismäßig kräftiger runder Lichtleiter zwischen dem Ultraschallsensor und der Anzeigeanordnung ist mechanisch widerstandsfähig und erleichtert die Handhabung der Einrichtung. Durch die Einstückigkeit des Lichtleiters entfallen allfällige optische Kopplungselemente am Ultraschallsensor.

Die Krümmung des flachen Lichtleiters kann im Bereich des Ultraschallsensors 180° umfassen. Der flache Lichtleiter kann auch mäanderförmig gebogen sein und einen Lichtleiterstreifen bilden. Im Ultraschallsensor können mehrere zueinander unter einem Winkel zwischen 90° und 180° versetzte mäanderförmi­ ge Lichtleiterstreifen angeordnet sein, die optisch in Reihe geschaltet sein können.

Der flache und gebogene Lichtleiter kann im Bereich des Ultraschallsensors auf einer elastischen folienförmigen Unterlage hochkant gestellt angebracht sein. Solche "Meßtreifen" können an Hochspannungsanlagen, insbesondere an der äußeren Metallkapselung gekapselter Hochspannungsanlagen einfach durch Ankleben angebracht werden.

Der flache und gebogene Lichtleiter kann zwischen kämmenden Zähnen zweier gegenüberliegenden Backenstücke liegen, wovon das erste Backenstück mit der Hochspannungsanlage akustisch gekoppelt ist und das zweite Backenstück als schwimmende träge Masse ausgebildet ist. Das zweite Backenstück kann mit dem ersten Backenstück federnd verbunden sein.

Der flache und gebogene Lichtleiter kann in einer den Brechungsindex an der Oberfläche des Lichtleiters bestimmenden Flüssigkeit untergebracht sein. Diese Maßnahme erlaubt die Einstellung des Empfindlichkeitsbereiches des Ultraschallsensors, ohne Veränderung des Radius der Krümmung am flachen Lichtleiter.

Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Teil einer Hochspannungsanlage mit ei­ ner ebenfalls schematisch dargestellten Einrichtung zur Feststellung von Teilentladungen,

Fig. 2 den flachgedrückten Teil eines runden Lichtleiters,

Fig. 3 einen Ultraschallsensor mit zwei mäanderförmigen Lichtleiterstreifen auf einer folienförmigen Unterlage und

Fig. 4 einen Ultraschallsensor mit zwischen den kämmenden Zähnen zweier Backenstücke liegendem flachem Lichtleiter.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Feststellung von Teilentladungen in einer Hochspannungsanlage schematisch dargestellt. Die Hochspannungsanlage ist durch das für Spannungsführung bestimmte Hochspannungsleiterstück 1 und das dieses Leiterstück 1 um gebende geerdete Kapselungsstück 2 schematisch dargestellt. Die Hochspannungsanlage kann auch ohne Kapselung ausgeführt sein. Die in einer solchen Hochspannungsanlage auftretenden Teilentladungen können aus einer sicheren Entfernung auch gemessen werden. Die zur Feststellung von Teilentladungen dienende Einrichtung besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem am Kapselungsstück 2 der Hochspannungsanlage angebrachten Ultraschallsensor 3 und aus einer daran angeschlossenen Anzeigeanordnung 4. Durch den Ultraschallsensor 3 ist ein Lichtleiter 5 geführt, der an der Anzeigeanordnung 4 angeschlossen ist.

Die Anzeigeanordnung 4 enthält am einen Ende des Lichtleiters 5 eine nicht näher dargestellte Lichtquelle 6 und einen am anderen Ende des Lichtleiters 5 angeschlossenen Lichtsensor 7. Die Lichtquelle 6 gibt ein monochromes Licht ab. Der Lichtsensor 7 ist eine Photodiode oder ein Photowiderstand. Die Signalaufbereitung erfolgt in irgendeiner allgemein bekannten in der Anzeigeanordnung 4 eingebauten elektronischen Schaltanordnung. Die Speisung und Handhabung der Anzeigeanordnung 4 ist völlig gefahrlos, weil durch den aus elektrischem Isoliermaterial, wie Glas, oder durchsichtigem Kunststoff bestehenden Lichtleiter 5 zwischen der Hochspannungsanlage und der Anzeigeanordnung 4 eine Potentialtrennung vorhanden ist. Magnetische Wechselfelder beeinflussen die Anzeigeanordnung 4 auch nicht, weil die große an der Anzeigeanordnung 4 angeschlossene geschlossene Schleife aus dem elek­ trisch isolierenden Lichtleiter 5 besteht und die Anzeigeanordnung 4 selbst gut abschirmbar ist.

Der Ultraschallsensor 3 enthält den durch ihn durchgeführten Lichtleiter 5, der in diesem Bereich flach ausgebildet und mit mehreren Krümmungen 8 von 180° versehen ist. Die Krümmung 8 des flachen Lichtleiters 8 erfolgt um eine zur Längsrichtung des Lichtleiters 5 quer stehende und zu den Breitflächen des flachen Lichtleiters 5 parallele Achse. Der flache Lichtleiter 5 ist im Ultraschallsensor 3 mäanderförmig gebogen und bildet einen Lichtleiterstreifen 10. Der Lichtleiterstreifen 10 ist auf einer Folie 9 hochkantgestellt befestigt. Die Folie 9 selber ist auf die Oberfläche des Kapselungsstückes 2 aufgeklebt. Bei Teilentladungen auf dem Hochspannungsleiterstück 1 werden Ultraschallwel­ len erzeugt, die durch die akustische Kopplung über die Isolierstrecke, das Gehäuse 2 und die Folie 9 zum Lichtleiterstreifen 10 gelangen. Der Radius der Krümmungen 8 des Lichtleiters 5 ist so gewählt, daß bei einer durch Ultraschallwellen verursachten kleinsten Verkleinerung dieses Radius das im Lichtleiter 5 geführte Licht ausgekoppelt wird. Dieses Auskoppeln des Lichtes bewirkt, daß mindestens ein Teil des aus der Anzeigeanordnung 4 kommenden Lichtes die Anzeigeanordnung 4 nicht wieder erreicht. Wenn das ausgesandte Licht in die Anzeigeanordnung 4 nicht vollständig zurückgeführt wird, tritt die Signalaufbereitungsanordnung in Funktion und gibt Signale ab, was das Vorhandensein von Teilentladungen in der Hochsapnnungsanlage bedeutet. Es ist leicht einzusehen, daß die größte Empfindlichkeit bei Monomode-Lichtführung erreichbar ist, weil in diesem Fall bei einer Radiusverkleinerung einer Krümmung 8 gar kein Licht mehr in die Anzeigeanordnung 4 zurückgeführt wird. Bei einer Lichtführung von 10 Moden im Lichtleiterstreifen 10 ist die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 3 noch ausreichend.

In der Fig. 2 ist der im Ultraschallsensor 3 geführte Teil des Lichtleiters 5 dargestellt. Der runde Lichtleiter 11 ist im Bereich des Ultraschallsensors 3 flach gedrückt. Der flache Lichtleiterteil 12 weist bevorzugt eine Dicke von 2 bis 3 Mikrometer und eine Breite von 0,1 bis 10 Millimeter auf.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Ultraschallsensor 3 mit zwei mäanderförmigen Lichtleiterstreifen 13, 14, die auf einer elastischen folienförmigen Unterlage 15 befestigt sind. Diese Unterlage 15 kann beispielsweise auf das Kapselungsstück 2 der in Fig. 1 dargestellten Hochspannungsanlage aufgeklebt werden. Die Lichtleiterstreifen 13, 14 sind zueinander unter einem Winkel von 90° angeordnet, damit Ultraschallwellen praktisch aus jeder Richtung in der Ebene der Unterlage 15 festgestellt werden können. Bei drei Lichtleiterstreifen würde der Winkel zwischen den einzelnen Lichtleiterstreifen 120° betragen. Dreidimensionale Anordnungen sind bei entsprechend ausgebildeter akustischer Kopplung auch möglich. Die beiden Lichtleiterstreifen 13, 14 sind nach Fig. 3 optisch in Reihe geschaltet. Optisch parallelgeschaltete Lichtleiterstreifen wären auch in der Anzeigeanordnung 4 mit Mehraufwand verbunden, würden aber bei Ausfall eines Lichtleiterstreifens die Betriebsfähigkeit der Einrichtung sichern.

Durch Messungen hat man festgestellt, daß die bei Teilentladungen in einer Hochspannungsanlage auftretenden Schallwellen mehrheitlich in einem Frequenzbereich zwischen 20 und 100 kHz liegen. Aus diesem Grunde werden die Radien der Krümmungen 8 des Lichtleiters 5 in den Ultraschallsensoren 3 auf diesen Frequenzbereich eingestellt.

Der in Fig. 4 dargestellte Ultraschallsensor enthält zwei mit kämmenden Zähnen 16, 17 versehene Backenstücke 18, 19. Das erste Backenstück 18 ist am Kapselungsstück 2 der Hochspannungsanlage befestigt und mit diesem akustisch gekoppelt. Das zweite Backenstück 19 weist eine relativ große Masse auf und ist am mit dem ersten Backenstück 18 verbundenen Behälter 20 über ein Gummipolster 21 federnd befestigt. Der Lichtleiter 5 liegt mit seinem flachen Teil zwischen den kämmenden Zähnen 16, 17 der beiden gegenüberliegenden Backenstücke 18, 19. Beim Auftreten von Teilentladungen in der Hochspannungs­ anlage werden die Ultraschallwellen dem ersten Backenstück 18 zugeführt. Dieses Backenstück 18 wird durch die Ultraschallwellen zu Schwingungen erregt. Der zwischen den kämmenden Zähnen 16, 17 liegende, flache Lichtleiter 5 wird durch diese Schwingungen auf Biegung beansprucht, weil das zweite Backenstück 19 mit den Zähnen 17 durch seine relativ große Masse praktisch die Ruhelage behält. Bei der Biegung des flachen Lichtleiters zwischen den Zähnen 16, 17 findet eine Radiusverkleinerung und eine damit verbundene Lichtauskopplung aus dem Lichtleiter 5 statt, was durch die Anzeigeanordnung 4 festgestellt werden kann.

Der empfindlichkeitsbedingte erforderliche Radius der Krümmungen 8 hängt vom Brechungsindex des Lichtleitermaterials und der Umgebung ab. Um eine einfache Korrektur der Empfindlichkeit des Ultraschallsensors zu ermöglichen, ist der flache und gebogene Lichtleiter 5 in einer den Brechungsindex an der Oberfläche des Lichtleiters 5 bestimmenden Flüssigkeit 22 untergebracht. Die Flüssigkeit 22 befindet sich in der Anordnung nach Fig. 4 im Behälter 20 und kann aus einem Öl oder aus einem anderen den gewünschten Brechungsindex aufweisenden Flüssigkeit bestehen.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Feststellung von Teilentladungen in Hochspannungsanlagen mit einem mit der Hochspannungsanlage akustisch gekoppelten Ultraschallsensor und mit einer daran angeschlossenen beim Auftreten von durch Teilentladungen in der Hochspannungsanlage erzeugten Ultraschallwellen Signale abgebenden Anzeigeanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mindestens einen durch den Ultraschallsensor (3) geführten und an der Anzeigeanordnung (4) angeschlossenen, im Betrieb lichtführenden Lichtleiter (5, 11, 12) aufweist, der mindestens im Bereich des Ultraschallsensors (3) mindestens teilweise flach ausgebildet ist und mit mindestens einer um eine zur Längsrichtung des Lichtleiters (5) quer stehende und zu den Breitflächen des flachen Lichtleiters (5, 12) parallele Achse gebogenen, am flachen Teil des Lichtleiters (5, 12) angeordneten, beim Auftreffen von Ultraschallwellen auf den Ultraschallsensor (3) sich ändernden und dabei das Auskoppeln des im Lichtleiter (5) geführten Lichtes mindestens teilweise zulassenden Krümmung (8) versehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Krümmung (8) des Lichtleiters (5) auf einen Empfindlichkeitsbereich des Ultra­ schallsensors (3) zwischen 20 und 100 kHz eingestellt ist.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Lichtleiter (5, 12) eine für die Führung von höchstens 10 Moden geeignete Dicke aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein runder Lichtleiter (11) vorgesehen ist, der im Bereich des Ultraschallsensors (3) flach gedrückt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung (8) des flachen Lichtleiters (5) im Bereich des Ultraschallsensors (3) 180° umfaßt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Lichtleiter (5) mäanderförmig gebogen ist und einen Lichtleiterstreifen (10, 13, 14) bildet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Ultraschall­ sensor (3) mehrere zueinander unter einem Winkel zwischen 90° und 180° versetzte mäanderförmige Lichtleiterstreifen (13, 14) angeordnet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mäander­ förmigen Lichtleiterstreifen (13, 14) optisch in Reihe geschaltet sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der flache und gebogene Lichtleiter (5) im Bereich des Ultraschallsensors (3) auf einer elastischen folienförmigen Unterlage (9, 15) hochkant gestellt angebracht ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der flache und gebogene Lichtleiter (5) zwischen kämmenden Zähnen (16, 17) zweier gegenüberliegenden Backenstücke (18, 19) liegt, wovon das erste Backen­ stück (18) mit der Hochspannungsanlage akustisch gekoppelt ist und das zweite Backenstück (19) als schwimmende träge Masse ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Backenstück (19) mit dem ersten Backenstück (18) federnd verbunden ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der flache und gebogene Lichtleiter (5) in einer den Brechungsindex an der Oberfläche des Lichtleiters (5) bestimmenden Flüssigkeit (22) untergebracht ist.