DE3888750T2

DE3888750T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Diskriminieren von Signalen.

Info

Publication number: DE3888750T2
Application number: DE3888750T
Authority: DE
Inventors: Keizaburo Ishikura; Tomoaki Kageyama; Shigenari Maezawa; Akira Saigo; Akio Sera; Junji Suehiro
Original assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Priority date: 1987-08-07
Filing date: 1988-08-05
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2008-08-06
Also published as: CN1031165A; KR910001385B1; CN1016033B; CA1294014C; DE3888750D1; KR890004483A; US4897561A; EP0302746A2; EP0302746A3; EP0302746B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Diskriminieren eines Signals mit einer spezifischen Frequenz von einem Strom, der aus zwei oder mehr überlagerten Stromanteilen mit verschiedenen Frequenzen besteht.
Eine bekannte Vorrichtung, die zur Gewinnung des Signals eines zu ermittelnden Stromanteils aus einem Strom benutzt wird, der aus zwei oder mehr Stromanteilen mit verschiedenen Frequenzen besteht, verwendet einen Transformator oder einen Shunt als Aufnehmer und in der nachfolgenden Stufe einen Frequenzfilterkreis oder dergleichen.
Bei dem oben beschriebenen Signaldiskriminator können die Signale, die den Transformator oder den Shunt durchlaufen haben, neben den Signalanteilen Störsignalanteile enthalten, so dar ein zufriedenstellendes S/N-(Signal zu Störsignal) Verhältnis nicht zu erwarten ist. Das in der nachfolgenden Stufe vorhandene Frequenzfilter muß daher sehr wirkungsvoll sein.
Dies hat natürlich eine relativ große Vorrichtung zu Folge, die auch zu hohen Kosten führt. Wenn ein Shunt verwendet wird, kann ferner keine ausreichende elektrische Trennung zwischen dem Kreis, von dem Signale zu ermitteln sind, und dem Aufnehmer zustandegebracht werden. Die Vorrichtung ist folglich im Umfang ihrer Anwendung begrenzt. Zum Beispiel ist es schwer, sie auf einen Hochspannungskreis anzuwenden.
Signalermittlungsverfahren, die einen Transformator verwenden, sind in JEC-195-1980 "Partial Discharge Measurements In General", Denki Shoin, 25. Oktober 1983, Seiten 32-34, offenbart. Störsignalmindernde Filter werden in "Power Cable Technologie Handbook", Denki Shoin, 25. März 1889, Seiten 786 und 788 gezeigt. Ein weiteres Signalermittlungsverfahren, das einen Transformator verwendet, wird in "A New Method For The Location of Partial Discharge Sites Using Modulated X-Rays", A.H. Baghurst, Annual Report of Conference of Electric Insulation and Dielectric Phenomenon, Vol. 1985, 1985, Seiten 471-476, gezeigt.
EP-A-0,141,673 offenbart eine Vorrichtung zum Filtern elektrischer Signale in Kommunikationsfrequenzbändern, während die Netzfrequenz in einem Signal des Hausnetzes unbeeinflußt belassen wird. Eine Ferritschleife, die mit den aktiven und neutralen Leitungen verbunden ist, wird verwendet.
Es ist folglich eine Absicht dieser Erfindung, einen Signaldiskriminator mit relativ kleinen Abmessungen zur Verfügung zu stellen, der ein zufriedenstellendes S/N-Verhältnis liefert und es ermöglicht, eine ausreichende elektrische Trennung zwischen dem Aufnehmer und dem Kreis, von dem Signale zu ermitteln sind, z.B. einem Stromkabel, zustandezubringen
Gemäß einem ersten Aspekt dieser Erfindung wird ein Signaldiskriminator bereitgestellt, der umfaßt eine erste Spule, bestehend aus einer ersten und zweiten Primärwicklung, die mit der gleichen Windungszahl und in der gleichen Richtung gewickelt sind, wobei jede der Primärwicklungen eine Wicklungsanfangklemme und eine Wicklungsendeklemme besitzt, und einer Sekundärwicklung mit Klemmen, wobei die erste und zweite Primärwicklung und die Sekundärwicklung auf einem Kern angebracht sind, dessen magnetische Spannung und magnetische Flußdichte annähernd proportional zueinander sind;
eine zweite Spule, bestehend aus einer Primärwicklung mit Klemmen und einer Sekundärwicklung mit Klemmen, gewickelt auf einen Kern, dessen magnetische Spannung und magnetische Flußdichte annähernd proportional zueinander sind, und einen Impedanzkreis;
wobei die Klemmen der Primärwicklung in der zweiten Spule jeweils mit den Wicklungsendeklemmen der ersten und zweiten Primärwicklung in der ersten Spule verbunden sind, wobei der Impedanzkreis mit der Wicklungsendeklemme der ersten Primärwicklung und der Wicklungsanfangklemme der zweiten Primärwicklung in der ersten Spule verbunden ist, und wobei Ermittlungssignale mit unterschiedenen Frequenzen jeweils von den Klemmen der Sekundärwicklung in der ersten Spule und den Klemmen der Sekundärwicklung in der zweiten Spule erhalten werden, wenn ein elektrischer Strom, der aus mehr als zwei überlagerten Stromanteilen mit verschiedenen Frequenzen besteht, zwischen den Wicklungsanfangklemmen der Primärwicklungen in der ersten Spule fließt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Signaldiskriminator bereitgestellt, der aus einer ersten Wicklung mit kurzgeschlossenen Enden und einer zweiten Wicklung zur Ermittlung von Signalen besteht, wobei die erste und zweite Wicklung auf einen ringförmigen Kern mit einer ungefähr linearen BH-Charakteristik mit magnetischer Spannung und magnetischer Flußdichte, die annähernd proportional zueinander sind, gewickelt sind.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Diskriminieren von Signalen bereitgestellt, umfassend die Schritte:
Kurzschließen der Enden einer auf einen ringförmigen Kern gewickelten ersten Wicklung; Ermitteln von Signalen an dem ringförmigen Kern mit Hilfe einer auf den ringförmigen Kern gewickelten zweiten Wicklung, wobei der ringförmige Kern sowohl eine ungefähr lineare BH- Charakteristik mit einer magnetischen Spannung und der magnetischen Flußdichte, die annähernd proportional zueinander sind, als auch eine hohe magnetische Permeabilität besitzt, die von einem niedrigen Frequenzbereich bis zu einem hohen Frequenzbereich konstant ist; Senden kombinierter Ströme mit niedrigen und hohen Frequenzen an eine Signalleitung, die durch den ringförmigen Kern verläuft, und Gewinnen eines hochfrequenten Anteils von der zweiten Wicklung, wo ein niederfrequenter Anteil durch eine Eigenschaft eines induktiven Blindwiderstandes der ersten Wicklung mit kurzgeschlossenen Enden aufgehoben wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die das Prinzip des Signaldiskriminators gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Signaldiskriminators zeigt.
Fig. 2-1 ist eine Zeichnung, die die Funktion der Diskriminierung zwischen dem niederfrequenten Stromanteil iL und dem hochfrequenten Stromanteil iH in einem Hauptkreisstrom i1 zeigt.
Fig. 2-2 ist eine Zeichnung, die die Beziehung zwischen dem Zeitverlauf des Hauptkreisstroms i1, dem einer Ermittlungssignalspannung eL infolge des niederfrequenten Stroms iL und dem einer Ermittlungssignalspannung eH infolge des hochfrequenten Stroms iH zeigt.
Fig. 3 ist eine Zeichnung, die das Ergebnis der Signaldiskriminierung durch die Konstruktion von Fig. 2 zeigt, wenn der Hauptkreisstroms i1 als eine Sinuswelle mit einem überlagerten Impuls darzustellen ist.
Fig. 4 ist eine Zeichnung, die den Aufbau gemäß dieser Ausführung zeigt, wenn er auf einen Signalempfänger angewandt wird, um Signalelemente aus einem Strom zu ermitteln, bei dem ein Impulssignal oder ein Hochfrequenzsignal der Grundwelle überlagert ist.
Fig. 5 ist eine schematische Seitenansicht, die das Prinzip einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 6 ist eine Seitenansicht, die einen Signaldiskriminator gemäß der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 7A ist eine graphische Darstellung, die die BH-Kurve des für den ringförmigen Kern verwendeten magnetischen Materials zeigt.
Fig. 7B ist eine graphische Darstellung, die das Frequenzverhalten des für den ringförmigen Kern verwendeten magnetischen Materials zeigt.
Fig. 7C ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Wellenform des zu ermittelnden Signals und dem von dieser Wellenform diskriminierten hochfrequenten Anteil zeigt.
Fig. 7D ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Wellenform des zu ermittelnden Signals, die als eine Sinuswelle mit einem überlagerten Impuls darzustellen ist, und dem von dieser Wellenform diskriminierten Impulsanteil zeigt.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung, die eine andere Ausführung des Signaldiskriminators zeigt.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ermittlung der Verschlechterung in der Isolation eines Stromkabels unter Verwendung eines Signaldiskriminators.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung, die einen anderen Aufbau einer Vorrichtung zur Ermittlung der Verschlechterung in der Isolation eines Stromkabels unter Verwendung eines Signaldiskriminators zeigt.
Fig. 11A und 11B sind Blockschaltbilder, die den obigen Aufbau zeigen, wenn er auf Prüfkreise zur Isolationsfestigkeit angewandt wird.
Fig. 12A und 12B sind Blockschaltbilder, die den obigen Aufbau zeigen, wenn er auf eine Kommunikationseinrichtung T, die eine Stromleitung benutzt, angewandt wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Signaldiskriminators gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Dieser Signaldiskriminator umfaßt die Spulen 1 und 2, die mit den Kernen 1A bzw. 2A versehen sind. Diese Kerne 1A und 2A haben eine hohe magnetische Permeabilität, die vom niedrigen bis zum hohen Frequenzbereich ungefähr konstant ist. Weiter sind ihr Restmagnetismus und ihre Koerzitivkraft jeweils klein, und ihre magnetische Eigenschaft ist so, daß sie durch eine ungefähr lineare BH-Kurve dargestellt werden kann.
Der Signaldiskriminator umfaßt weiter eine Impedanzschaltung 3, die aus Kondensatoren, Widerständen, Drosselspulen, Halbleiterelementen usw. besteht, die einzeln oder in Kombination angeordnet sind.
Ein Hauptkreis, um den Strom zu leiten, von dem Signale zu diskriminieren sind, ist bei 4 dargestellt.
Die Spule 1 umfaßt die Primärwicklungen 11 und 12, die auf den Kern 1A mit der gleichen Windungszahl und in der gleichen Richtung gewikkelt sind.
Die Spule 1 umfaßt weiter eine Sekundärwicklung 13.
Die Spule 2 umfaßt eine Primärwicklung 21 und eine Sekundärwicklung 22.
Die Primärwicklung 11 der Spule 1 umfaßt eine Wicklungsanfangklemme 11-a und eine Wicklungsendeklemme 11-b.
Die Primärwicklung 12 der Spule 1 umfaßt eine Wicklungsanfangklemme 12-a und eine Wicklungsendeklemme 12-b.
Die Primärwicklung 21 der Spule 2 umfaßt die Klemmen 21-a und 21-b.
Die Sekundärwicklung 22 der Spule 2 umfaßt die Klemmen 22-a und 22-b.
Die Klemmen 11-b und 12-b sind mittels einer Verdrahtung mit den Kleinmen 21-a bzw. 21-b verbunden, und die Impedanzschaltung 3 ist mit den Klemmen 11-b und 12-a verbunden.
Die Klemmen 11-a und 12-a sind mit dem Hauptkreis 4 verbunden, so daß der Strom, von dem Signale zu diskriminieren sind, durch den Hauptkreis 4 fließen kann.
Der Signalausgang des Diskriminators kann sowohl an den Klemmen 13-a und 13-b der Sekundärwicklung 13 in der Spule 1 als auch an den Klemmen 22-a und 22-b der Sekundärwicklung 22 in der Spule 2 erhalten werden. Dem Zweck gemäß können eine oder beide dieser Klemmengruppen benutzt werden.
Wenn ein Strom, der aus zwei oder mehr überlagerten Stromanteilen mit verschiedenen Frequenzen besteht, durch den Hauptkreis 4 geleitet wird, fließt der gesamte Strom des Hauptkreises 4 durch die Primärwicklung 11 der Spule 1, und ein Strom, der der Vektordifferenz zwischen dem Gesamtstrom und dem Strom entspricht, der durch den Impedanzkreis 3 geflossen ist, fließt durch die Primärwicklung 12. Dieser Strom fließt in Reihe durch die Primärwicklung 21 der Spule 2.
Die magnetische Spannung des Kerns 1A ist also eine Vektorzusammensetzung der durch den Strom in der Primärwicklung 11 erzeugten magnetischen Spannung und derjenigen in der Primärwicklung 12. Die Wicklungen 11 und 12 sind in der gleichen Richtung gewickelt und die Stromrichtungen in den Wicklungen 11 und 12 sind in bezug auf den Anfang und das Ende der Wicklungen einander entgegengesetzt, so daß die magnetische Spannung von Kern 1A die Vektordifferenz zwischen der von dem Strom in der Primärwicklung 11 erzeugten magnetischen Spannung und derjenigen ist, die durch den Strom in der Primärwicklung 12 erzeugt wird. In der Sekudärwicklung 13 der Spule 1 wird durch die Änderung in der magnetischen Spannung des Kerns 1A eine Spannung erzeugt.
Die magnetische Spannung des Kerns 2A wird durch einen Strom erzeugt, der der Vektordifferenz zwischen dem Gesamtstrom in dem Hauptkreis 4 und dem Strom, der durch die Impedanzschaltung 3 fließt, entspricht, wobei die Änderung in dieser magnetischen Spannung eine Spannung in der Sekundärwicklung 22 der Spule 2 erzeugt.
Folglich ist es möglich, das dem Hauptkreisstrom überlagerte Signalelement an der Sekundärwicklung 13 der Spule 1 oder der Sekundärwicklung 22 der Spule 2 als das diskriminierte Spannungssignal durch geeignete Wahl des magnetischen Kreises hinsichtlich der Größe und Konfiguration der Kerne 1A und 2A, der Windungszahl in jeder Spule usw., der Impedanzart der Impedanzschaltung 3, des Wellenwiderstands usw., zu erhalten.
Die erste Ausführung des Signaldiskriminators gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben.
Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Signaldiskriminators gemäß der ersten Ausführung dieser Erfindung. Dieser Signaldiskriminator umfaßt die Kerne 100 und 200 aus einer strukturlosen Legierung auf Kobaltbasis. Diese Legierung hat eine hohe magnetische Permeabilität, die von dem niedrigen bis zum hohen Frequenzbereich ungefähr konstant ist, sowie eine lineare Hysteresekurve. Als ein Beispiel eines solchen Materials kann hier das VATROVAC-6025F (TM), hergestellt von Vakuumschmelze GmbH, erwähnt werden. Die Primärwicklungen 101 und 102 laufen durch den Kern 100 in der gleichen Richtung und mit einer Windung, und eine Sekundärwicklung 103 ist vorhanden, um eine Spule 104 zu bilden. Eine Primärwicklung 201 und eine Sekundärwicklung 202 sind auf den Kern 200 gewickelt, um eine Spule 203 zu bilden. Ein Kondensatorelement C, das einen Impedanzkreis bildet, ist bei C dargestellt. Ein magnetisches Abschirmgehäuse 300, eingerichtet, um das Eindringen von Störsignalen von außen zu verhindern, ist bei 300 dargestellt.
Angenommen, der Hauptkreisstrom I&sub1; besteht aus einem niederfrequenten Strom iL und einem hochfrequenten Strom iH, die einander überlagert sind, dann fließt der Hauptkreisstrom i1 durch die Primärwickwicklung 101 der Spule 104. Die Primärwicklung 201 der Spule 203 hat eine hohe Induktanz für einen hochfrequenten Strom und eine niedrige Induktanz für einen niederfrequenten Strom. Der Kondensator C hat eine niedrige Kapazitanz für einen hochfrequenten Strom und eine hohe Kapazitanz für einen niederfrequenten Strom. Als Folge fließt der hochfrequente Strom iH durch den Kondensator C, und der niederfrequente Strom iL fließt über die erste Wicklung 201 der Spule 203 durch die Primärwicklung 102 der Spule 104.
Folglich wird das Element der magnetischen Spannung des Kerns 100, das dem niederfrequenten Strom iL zuzuschreiben ist, aufgehoben, und nur das Element, das dem hochfrequenten Strom iH zuzuschreiben ist, bleibt übrig. Als Folge kann die Signalspannung eH infolge des hochfrequenten Stroms iH von der Sekundärwicklung 103 der Spule 104 erhalten werden.
Ähnlich kann die Signalspannung eL infolge des niederfrequenten Stroms iL von der Sekundärwicklung 202 der Spule 203 erhalten werden.
Die Funktion der Diskriminierung des niederfrequenten Stromelements iL und des hochfrequenten Stromelements iH von dem Hauptkreisstrom i1 wird nun mit Verweis auf Fig. 2-1 mathematisch beschrieben.
Angenommen, der Hauptkreisstrom i1 ist darzustellen als
I&sub1; = I&sub0; sin (2πft + φ) + In sin (2πfnt + φn)
und die Impedanz der Primärwicklung 201 der Spule 203 ist ZL, wenn die Frequenz f ist, und ZLn, wenn die Frequenz fn ist, und die Kreisimpedanz des Kondensators C ist ZH, wenn die Frequenz f ist, und ZHn, wenn die Frequenz fn ist,
iL = {ZH / (ZH + ZL)} I&sub0; sin (2πft + φ&sub0;&sub1;)
+ {ZHn / (ZHn + ZLn) In sin (2πfnt + φ&sub0;&sub1;)
= iLf + iLfn ... (1)
iH = {ZL / (ZH + ZL)} Io sin (2πft + φ&sub0;&sub1;)
+ {ZLn / (ZHn + ZLn) In sin (2πfnt + φn1)
= iHf + iHfn ... (2)
Um die Bedingung
iLf = I&sub0; sin (2πft + φ&sub0;&sub1;)
zu erhalten, wenn die Frequenz f ist, kann die Bedingung
( ZL / ZH ) < 1 ... (3)
aus (1) erhalten werden.
G&sub1;&sub0;&sub0; ist die Verstärkung des an der Wicklung 103 der Spule 104 erzeugten Spannungselements, das durch iH verursacht wird. Aus Gleichung (3)
ZH > ZL
Folglich hat der Anteil iHf keinen Einfluß und nur der Anteil iHfn wird belassen, so daß aus (2) die folgende Bedingung erhalten wird: G&sub1;&sub0;&sub0; α -H = IHfn α ZLn / ( ZHn + ZLn ) ... (4)
Angenommen, die ideale Induktanz ist durch ZL und ZLn, und die ideale elektrostatische Kapazität C ist durch ZH und ZHn darzustellen,
( ZL / ZH ) = 4π² LC f²
( ZHn / ZLn ) = 1/(4π² LC fn²)
Angenommen, fn / f = n,
( ZL / ZH ) = 4π² LC f²
( ZHn / ZLn ) = 1/(4π² LC f² n²)
Wenn es z.B. so eingerichtet ist, daß, wenn n = 10³ und die Frequenz f ist, ( ZL / ZH ) = 10&supmin;&sup5;,
( ZHn / ZLn ) = 1/10 ... (5)
Weiter
(φ&sub0; - φ&sub0;&sub1;) = Winkel (ZL)/(ZH + ZL)
= 0 (rad.) ... (6)
Die Formel (6) zeigt, daß die durch den Stromanteil mit der Frequenz f erzeugten magnetischen Spannungen sich in dem Kern 100 gegenseitig aufheben.
Die Formel (5) zeigt, daß die magnetische Spannung des fn-Anteils in dem Kern 100 fast nie abnimmt.
Folglich ist es in diesem Fall möglich, die Verstärkung des f-Anteils auf ca. 100 dB zu vermindern, ohne die Verstärkung des fn-Anteils zu verringern.
Wenn es so eingerichtet ist, daß ( ZL / ZH ) = 10&supmin;&sup6;, dann wird die Bedingung ZLn = -ZHn, d.h. die Resonanzbedingung, erreicht. Da Gioo sehr stark zunimmt, kann das S/N-Verhältnis durch leichtes Wegschieben von der Resonanzbedingung leicht auf 120 dB gesetzt werden.
Fig. 2-2 zeigt eine Beziehung zwischen der zeitlichen Veränderung des Hauptkreisstroms i&sub1;, der der Ermittlungssignalspannung eL infolge des niederfrequenten Stroms iL und der der Ermittlungssignalspannung eH infolge des hochfrequenten Stroms iH.
Fig. 3 zeigt das Ergebnis der Signa]diskriminierung durch den in Fig. 2 gezeigten Aufbau, wenn der Hauptkreisstrom ii als eine Sinuswelle mit einem überlagerten Impuls dargestellt wird.
Fig. 4 zeigt die obige Konstruktion wie sie auf einen Signalempfänger angewandt wird, um Signalelemente aus einem Strom zu ermitteln, in dem ein Impulssignal oder ein Hochfrequenzsignal der Grundwelle überlagert ist. Ein erfindungsgemäßer Signaldiskriminator ist bei 500 und ein Signalempfänger bei 600 dargestellt. Die Primärwicklungen 101 und 102 in Fig. 2 sind durch ein Koaxialkabel 505 ersetzt. Der Signalempfänger 600 umfaßt eine Signalwelleneingangsschaltung 601, eine Grundwelleneingangsschaltung 602, die Verstärker 603 und 604, einen Phasenkomparator 605 und eine Ausgangsschaltung 606.
Wenn die Frequenz der Grundwelle niedrig und die Frequenz des Signals hoch ist, werden die Klemmen 501-502 der Sekundärwicklung 103 in dem Signaldiskriminator 500 mit den Eingangsklemmen 511-512 der Signalwelleneingangsschaltung in dem Signalempfänger 600 verbunden, und die Klemmen 503-504 der Sekundärwicklung 202 werden mit den Klemmen 513- 514 der Grundwelleneingangsschaltung verbunden. Wenn andererseits die Frequenz der Grundwelle hoch und die Frequenz des Signals niedrig ist, werden die Klemmen 501-502 des Signaldiskriminators 500 mit den Klemmen 513-514 des Signalempfängers 600 verbunden, und die Klemmen 503- 504 des Signaldiskriminators 500 werden mit den Klemmen 511-512 des Signalempfängers 600 verbunden. Diese Vorrichtung kann auch als ein Empfänger für Frequenzmultiplex-Kommunikation verwendet werden.
Um die Signalwelle aus dem Hauptkreisstrom i&sub1;, in dem die Signalwelle einer spezifischen Phase der Grundwelle überlagert ist, mit hoher Treue zu ermitteln, führt der Signalempfänger 600 die folgende Verarbeitung aus: er erfaßt die durch den Signaldiskriminator 500 diskriminierte, in den Sekundärwicklungen 202 und 103 erzeugte Grundwelle und die Signalwelle über die Grundwelleneingangsschaltung 602 und die Signaleingangsschaltung 601. Dann verstärkt er sie mit den Verstärkern 604 bzw. 603 und legt sie an den Phasenkomparator 605 an. Der Phasenkomparator prüft fortlaufend, ob die Signalwelle in bezug auf die spezifische Phase der Grundwelle vorhanden ist oder nicht und gibt das Ergebnis an die Ausgangsschaltung 606 aus.
Diese Anordnung ermöglicht es, Störsignale von außen und die zu ermittelnde Signalwelle voneinander zu unterscheiden, wodurch es möglich gemacht wird, nur die Signalwelle mit hoher Treue über die Ausgangsschaltung 606 auszugeben.
Wenn der Wert des Hauptkreisstroms übermäßig hoch ist, so daß eine magnetische Sättigung der Kerns 100 oder 200 zu befürchten ist, kann jeder Kern mit einer Tertiärwicklung (nicht gezeigt) mit einer daran angeschlossenen geeigneten Impedanz versehen werden. Dadurch kann die Wahl einer großen Kerngröße vermieden werden.
Anstelle einer Tertiärwicklung kann durch den Anschluß einer geeigneten Impedanz an die Sekundärwicklung 103 oder 202 eine ähnliche Wirkung erzielt werden.
Wenn das oben erwähnte Material VATROVAC-6025-F von Vakuumschmelze GmbH, das eine strukturlose Legierung auf Kobaltbasis ist, bei dem Aufbau von Fig. 2 als Material für die Kerne 100 und 200 verwendet wird, kann ein S/N-Verhältnis von ca. 120 dB leicht erhalten werden.
Auf diese Weise kann ein wirtschaftlicher, kompakter und leichter Signaldiskriminator, der einen einfachen Aufbau besitzt und ein hohes S/N-Verhältnis liefert, verwirklicht werden.
Die strukturlose Legierung auf Kobaltbasis besteht aus Kobalt (Co), Eisen (Fe), Silizium (Si), Bor (B), Molybdän (Mo) und Nickel (Ni) und kann formuliert werden als: (Co) a (Fe) b (Si) c (B) d (Mo) e (Ni) f
wo bis den Atomprozentsatz der Bestandselemente darstellen. Hier ist a = 50 bis 90, b = 1 bis 10, c = 5 bis 20 d = 0 bis 20, e = 0 bis 20 und f = 1 bis 5, wobei die Summe von bis 100 ist.
Die Kerne 100 und 200 bestehen aus ringförmigen Kernen mit z.B. einer ringartigen Konfiguration, die durch mehrmaliges Aufwickeln eines Bandes aus einer strukturlosen Kobaltlegierung gebildet werden. Nachdem sie zu Ringen geformt sind, werden diese ringförmigen Kerne aus einer strukturlosen Kobaltlegierung mit einer gewünschten magnetischen Permeabilität durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 150 bis 450ºC für 5 bis 180 Minuten versehen. Es ist wünschenswert, die Wärmebehandlung in einem DC- oder AC-Magnetfeld durchzuführen, so daß eine gleichmäßige Funktion erhalten werden kann. Eine stabilere Funktion wird durch Ausführen der Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre erzielt.
Wie oben beschrieben, macht es die erste Art des Signaldiskriminators mit einer einfachen Struktur möglich, ein Ermittlungssignal mit einem hohen S/N-Verhältnis und elektrisch von dem Hauptkreis getrennt zu gewinnen, wenn der Hauptkreisstrom aus zwei oder mehr überlagerten Stromanteilen mit unterschiedlichen Frequenzen besteht. Außerdem kann sie als wirtschaftlicher, kompakter und leichter Signaldiskriminator realisiert werden.
Die zweite Art des erfindungsgemäßen Signaldiskriminators wird nun zusammen mit einem Verfahren zur Signaldiskriminierung, das diesen Signaldiskriminator verwendet, mit Verweis Fig. 5, die dessen Prinzip veranschaulicht, beschrieben.
Dieser Signaldiskriminator umfaßt eine erste Wicklung 32 und eine zweite Wicklung 33, die auf einen ringförmigen Kern 31 gewickelt sind. Er umfaßt ferner eine Signalleitung 34, die auf diesen ringförmigen Kern 31 gewickelt ist, um eine Primärwicklung zu bilden. Die erste und zweite Wicklung 32 und 33 wirken in bezug auf diese Wicklung als Sekundärwicklungen. Ein Niederfrequenzstrom und ein Hochfrequenzstrom fließen durch die Signalleitung 34, wodurch eine magnetische Spannung in dem ringförmigen Kern 31 erzeugt wird. Dadurch wird in der ersten und zweiten Wicklung 32 und 33 eine elektrische Spannung erzeugt. Da die Enden der ersten Wicklung 32 kurzgeschlossen sind, fließt durch die erste Wicklung 32 ein Strom, der die Magnetflußänderung in dem ringförmigen Kern 31 aufhebt.
Der ringförmige Kern 31 hat eine hohe magnetische Permeabilität, die vom niedrigen bis zum hohen Frequenzbereich ungefähr konstant ist, wobei sein Restmagnetismus und seine Koerzitivkraft klein sind. Weiter besitzt er eine ungefähr lineare BH-Charakteristik, wobei seine magnetische Spannung und die magnetische Dichte in etwa proportional zueinander sind. Folglich ist der Wert der Induktanz in der ersten Wicklung 32 für eine niedrge Frequenz klein und für eine hohe Frequenz hoch.
Der Niederfrequenzanteil wird dadurch aufgehoben, und der Hochfrequenzanteil kann exklusiv von der zweiten Wicklung 33 erhalten werden.
In der Praxis ist es nicht erforderlich, die Signalleitung 34, wie in Fig. 5, auf den Kern zu wickeln, es reicht aus, ihn, wie in Fig. 6 gezeigt, durch den ringförmigen Kern 31 hindurchzuführen.
Als Beispiel für das Material des ringförmigen Kerns 31 kann eine strukurlose Legierung, die Kobalt als Hauptbestandteil enthält, erwähnt werden. Es können jedoch andere Arten von magnetischem Material verwendet werden.
Wenn eine strukturlose Legierung auf Kobaltbasis als Material für den Ringkern 31 zu verwenden ist, kann das gleiche Material wie bei der ersten Art des Signaldiskriminators benutzt werden. Das Herstellungsverfahren des Kerns kann demjenigen der ersten Art des Signaldiskriminators ebenfalls folgen.
Obwohl die erste und zweite Wicklung 32 und 33 getrennt gewickelt werden können, können sie einen Teil davon gemeinsam benutzen, wie in Fig. 8 gezeigt wird.
Die zweite Art des erfindungsgemäßen Signaldiskriminators und ein Verfahren zur Signaldiskriminierung mit diesem Signaldiskriminator werden nun mit Verweis auf Fig. 5 bis 12 genauer beschrieben.
Der Ringkern 31 wird durch Aufwickeln eines Bandes aus VATROVAC-6025F, hergestellt von Vakuumschmelze GmbH, z.B. zu einer ringförmigen Form gebildet. Wie Fig. 6 zeigt, sind die erste Wicklung 32, deren Enden kurzgeschlossen sind, und die zweite Wicklung 33, deren Enden offen sind, auf diesen Ringkern 31 gewickelt.
Der Ringkern 31 kann eine Breite von 10 mm, einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Höhe von 3 mm aufweisen. Die Windungszahl der ersten Wicklung 32 kann drei und die der zweiten Wicklung zehn betragen, wobei die Kennlinie des Kerns, wie Fig. 7A zeigt, ungefähr linear ist.
Die Größe dieses Kerns 31 kann entsprechend der Leitung, an der er angebracht wird, der erforderlichen Empfindlichkeit usw. variieren. Wenn er an einer Erdverbindung anzubringen ist, kann der Innendurchmesser bis zu 30 mm klein sein.
Bei Anwendung des Signaldiskriminators mit dem oben beschriebenen Aufbau wird die Signalleitung 34 in den Ringkern 31 eingeführt, und der Hochfrequenzanteil des Hauptkreisstroms i&sub1;, der durch diese Signalermittlungsleitung 34 fließt, wird ermittelt.
Angenommen, dar der Hauptkreisstrom i&sub1; aus einem Hochfrequenzstrom iH und einem Niederfrequenzstrom iL, die einander überlagert sind, besteht, kann die Funktion der Diskriminierung des Signals infolge des des Hochfrequenzstroms iH von dem Hauptkreisstrom i&sub1; mathematisch wie folgt beschrieben werden:
Zunächst kann der Hauptkreisstrom ausgedrückt werden als:
I&sub1; = iL sin(2πft +φ&sub0;) + iH sin(2πfnt + φn)
Da gemäß Fig. 7B die magnetische Permeabilität des Ringkerns 31 vom niedrigen bis zum hohen Frequenzbereich ungefähr konstant ist, sind die Induktanz bezüglich f, was die Frequenz des Niederfrequenzstroms ist, und die Induktanz bezüglich fn, was die Frequenz des Hochfrequenzstroms ist, einander in etwa gleich. Der Wert dieser Induktanz wird als L bezeichnet.
Der induktive Blindwiderstand XL der ersten Wicklung 32 für die Frequenz kann ausgedrückt werden als:
XL = 2πf L
und der induktive Blindwiderstand XH für die Frequenz fr kann ausgedrückt werden als:
XH = 2πfn L
Die in der ersten Wicklung 32 erzeugte innere Spannung mit der Frequenz ist dem induktiven Blindwiderstand XL ungefähr proportinal, und die innere Spannung mit der Frequenz fn ist dem induktiven Blindwiderstand XH ungefähr proportional. Weiter ist die in der zweiten Wicklung 33 erzeugte Spannung der in der ersten Wicklung 32 erzeugten inneren Spannung ungefähr proportional, so daß, wenn
fn / f = n,
XH / XL = n
Wenn z.B. fn/f = n = 10&sup5; ist es folglich möglich, den Hochfrequenzanteil mit der Frequenz fn von der zweiten Wicklung 33 durch Vermindern des Niederfrequenzanteils mit der Frequenz auf ca. 100 dB in bezug auf den Hochfrequenzanteil mit der Frequenz fn zu erhalten.
Fig. 7C zeigt über der Zeitachse die Beziehung zwischen dem Hauptkreisstrom i&sub1;, der in diesem Fall ein Signal ist, das aus einem einer Sinuswelle überlagerten Hochfrequenzstrom iH besteht, und einer diskriminierten Ermittlungssignalspannung eH. Fig. 7D zeigt die Ermittlungssignalspannung eH, wenn dem Hauptkreisstrom i&sub1;, der eine Sinuswelle ist, ein Impuls überlagert ist.
Fig. 9 zeigt das oben beschriebene Verfahren zur Signaldiskriminierung wie es auf ein überwachungssystem zum Prüfen einer Verschlechterung in der Isolation eines Hochspannungskabels CA angewandt wird. Wenn bei diesem Beispiel der Hauptkreisstrom i&sub1; so ist, wie er durch Kombinieren der Grundwelle eines Lade- und eines Leckstroms des Isolators und eines Niederfrequenzstroms iE, der der Hochfrequenzanteil davon ist, mit einem Koronaentladungsstrom, der das Verschlechterungssignal des Isolators ist, einem Teilentladungsstrom oder einem Hochfrequenzstrom iP, der einem stoßartigen Impulsstrom zuzuschreiben ist, erhalten wird, dann hat die Sekundärwicklung 33 eine hohe Induktanz für einen Hochfrequenzstrom und eine niedrige Induktanz für einen Niederfrequenzstrom, so daß die Änderung des magnetischen Flusses infolge des Niederfrequenzstroms in dem Ringkern 31 aufgehoben wird.
Andererseits bleibt die Magnetflußänderung infolge des Hochfrequenzstroms erhalten, so daß ein hochfrequentes Impulsspannungssignal infolge des Verschlechterungssignals des Isolators an der Sekundärwicklung 33 erhalten werden kann, das über ein Koaxialkabel C mit einer angepaßten Impedanz an eine entfernt aufgestellte Koronaentladungüberwachungseinrichtung 35 zum Zweck der Ermittlung einer Verschlechterung in der Isolation des Kabels CA übertragen wird.
Bei der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung, die ebenfalls der Ermittlung einer Verschlechterung in dem Kabel CA dient, dient das Hochspannungskabel CA auch als die Signalleitung 34. Diese Anordnung macht es möglich, nicht nur die Verschlechterung in der Isolation des Kabels CA, sondern auch die Verschlechterung in der Isolation der an das Kabel CA angeschlossenen Anlagen zu ermitteln.
Fig. 11A und 11B zeigen das erfindungsgemäße Verfahren zur Signaldiskriminierung wie es auf eine Einrichtung zur Durchführung von Prüfungen der Isolationsfestigkeit mit DC- oder AC-Hochspannungen angewandt wird. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Diskriminierungsverfahrens kann durch Kombinieren einer Einrichtung zum Prüfen der Isolationsfestigkeit 37 und einer Einrichtung zum Messen einer Teilentladung 38 eine Verschlechterung im Isolator des zu prüfenden Objekts 36 fortlaufend ermittelt werden, was es möglich macht, die Gefahr eines dielektrischen Durchschlags in dem zu prüfenden Objekt 36 zu erkennen, bevor es wirklich geschieht, um dadurch das Objekt 36 vor Zerstörung zu bewahren.
Fig. 12A und 12B zeigen das Diskriminierungsverfahren dieser Erfindung wie es auf eine Kommunikationseinrichtung T, die eine Stromleitung benutzt, angewandt wird. Bei der in Fig. 12A gezeigten Einrichtung wird die Kommunikationslinie durch Ausnutzung der elektrostatischen Kapazität nach Erde C&sub0; des Systems und der Abschiermungsleitung des Stromkabels gebildet. Durch Anwendung des Diskriminierungsverfahrens dieser Erfindung wird es unnötig, eine zusätzlichen Kommunikationsleitung vorzusehen, ein Merkmal, das für die lokale Kommunikation auf Baustellen usw. geeignet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer ersten Wicklung 32 und einer zweiten Wicklung 33, die eine größere Windungszahl als die erste Wicklung 32 besitzt, wobei beide Wicklungen auf einem Ringkern 31 angebracht sind, der eine ungefähr lineare BH-Charakteristik besitzt, dessen magnetische Spannung ungefähr der Magnetflußdichte proportional ist und dessen magnetische Permeabilität von dem tiefen Frequenzbereich bis zu dem hohen Frequenzbereich in etwa konstant ist. Aufgrund des obigen Aufbaus ermöglicht es diese Vorrichtung, ausschließlich den hochfrequenten Anteil von der Sekundärspule 33 zu ermitteln.
Sie benötigt folglich im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen keine Filter mit hoher Genauigkeit, so daß sie eine kompakte und leichte Vorrichtung sein kann, die zu geringen Kosten hergestellt werden kann. Außerdem besteht keine Sorge, daß die Phase des hochfrequenten Anteils umgekehrt wird. Das S/N-Verhältnis und die Empfindlichkeit, die zur Verfügung gestellt werden, sind ebenfalls befriedigend. Außerdem bietet sie eine hinreichende Isolation, so daß sie sicher an einem Hochspannung führenden Kabel angebracht werden kann.

Claims

1. Signaldiskriminator, umfassend: eine erste Spule (1), bestehend aus einer ersten und zweiten Primärwicklung (11, 12), die mit der gleichen Windungszahl und in der gleichen Richtung gewickelt sind, wobei jede der Primärwicklungen eine Wicklungsanfangklemme (11a, 12a) und eine Wicklungsendeklemme (11b, 12b) besitzt, und einer Sekundärwicklung (13) mit Klemmen (13a, 13b), wobei die erste und zweite Primärwicklung und die Sekundärwicklung auf einem Kern angebracht sind, dessen magnetische Spannung und magnetische Flußdichte annähernd proportional zueinander sind;

eine zweite Spule (2), bestehend aus einer Primärwicklung (21) mit Klemmen (21a, 21b) und einer Sekundärwicklung (22) mit Klemmen, gewickelt auf einen Kern, dessen magnetische Spannung und magnetische Flußdichte annähernd proportional zueinander sind, und

einen Impedanzkreis (3);

wobei die Klemmen (21a, 21b) der Primärwicklung (21) in der zweiten Spule (2) jeweils mit den Wicklungsendeklemmen (11b, 12b) der ersten und zweiten Primärwicklung (11, 12) in der ersten Spule (1) verbunden sind, wobei der Impedanzkreis (3) mit der Wicklungsendeklemme (llb) der ersten Primärwicklung (11) und der Wicklungsanfangklemme (12a) der zweiten Primärwicklung (12) in der ersten Spule (1) verbunden ist, und wobei Ermittlungssignale mit unterschiedenen Frequenzen jeweils von den Klemmen (13a, 13b) der Sekundärwicklung in der ersten Spule (1) und den Klemmen (22a, 22b) der Sekundärwicklung in der zweiten Spule (2) erhalten werden, wenn ein elektrischer Strom, der aus mehr als zwei überlagerten Stromanteilen mit verschiedenen Frequenzen besteht, zwischen den Wicklungsanfangklemmen (11a, 12a) der Primärwicklungen (11, 12) in der ersten Spule (1) fließt.

2. Signaldiskriminator nach Anspruch 1, bei dem die Kerne der ersten und zweiten Spule (1, 2) aus einer amorphen Legierung gebildet sind, die als Hauptbestandteil Kobalt enthält.

3. Signaldiskriminator, bestehend aus einer ersten Wicklung (32) mit kurzgeschlossenen Enden und einer zweiten Wicklung (33) zur Ermittlung von Signalen, wobei die erste und zweite Wicklung (32, 33) auf einen ringförmigen Kern (31) mit einer ungefähr linearen BH-Charakteristik mit magnetischer Spannung und magnetischer Flußdichte, die annähernd proportional zueinander sind, gewickelt sind.

4. Signaldiskriminator nach Anspruch 3, bei dem der ringförmige Kern (31) aus einem amorphen Metall gebildet ist, das als Hauptbestandteil Kobalt enthält.

5. Verfahren zum Diskriminieren von Signalen, umfassend die Schritte:

Kurzschließen der Enden einer auf einen ringförmigen Kern (31) gewickelten ersten Wicklung (32);

Ermitteln von Signalen an dem ringförmigen Kern (31) mit Hilfe einer auf den ringförmigen Kern gewickelten zweiten Wicklung (33), wobei der ringförmige Kern sowohl eine ungefähr lineare BH-Charakteristik mit einer magnetischen Spannung und der magnetischen Flußdichte, die annähernd proportional zueinander sind, als auch eine hohe magnetische Permeabilität besitzt, die von einem niedrigen Frequenzbereich bis zu einem hohen Frequenzbereich konstant ist;

Senden kombinierter Ströme mit niedrigen und hohen Frequenzen an eine Signalleitung, die durch den ringförmigen Kern verläuft, und

Gewinnen eines hochfrequenten Anteils von der zweiten Wicklung, wo ein niederfrequenter Anteil durch eine Eigenschaft eines induktiven Blindwiderstandes der ersten Wicklung mit kurzgeschlossenen Enden aufgehoben wird.