DE4125856C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung für Hochspan­ nungsleiter mit einem elektrisch isolierenden, zum Umfassen des Leiters ringförmigen Träger für eine ebenfalls ringförmige Elektrode als kapazitiver Spannungssensor und eine den Leiter zu umfassen vermögende Spule als induktiver Stromsensor.

Bei einer bekkannten Sensoreinrichtung dieser Art (DE 36 11 462 C2), die mit einem Kabelstecker für Leiter eines Mittelspannungs- oder Hochspannungsnetzes kombiniert ist, enthält der aus Silikonkautschuk bestehende Isolierkörper, durch den das Kabelende hindurchgeführt ist, einen elektrisch isolierenden, das Kabelende im Abstand konzentrisch umgeben­ den Träger, der auf seiner dem Kabel zugekehrten Seite mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, die sowohl eine Elektrode als kapazitiver Spannungssensor bildet als auch eine Feldsteuerelektrode. Die dem Kabel abgewandte Seite des Trägers bildet einen zylindrischen Sitz für das Spulen­ gehäuse eines Ringstromwandlers, dessen Wicklung in diesem Spulengehäuse liegt. Mit dieser Sensoreinrichtung ist es zwar möglich, das Kabel, auf dessen Ende der Kabelstecker montiert ist, hinsichtlich seiner Spannung und seiner Strom­ belastung zu überwachen oder auch die Spannung und den Strom zu messen. Der Aufwand und der Raumbedarf für diese Sensor­ einrichtung sind jedoch relativ groß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensor­ einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die kosten­ günstiger als die bekannte Sensoreinrichtung ist und insbe­ sondere auch raumsparender ausgebildet sein kann. Diese Auf­ gabe löst eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des An­ spruches 1.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung die Elektrode durch die Windungen der Spule gebildet ist, ist der Raumbedarf auf denjenigen des Trägers reduziert. Aber auch dann, wenn der Platzbedarf keine entscheidende Rolle spielt, ist die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft, da nur ein einziger Sensor erforderlich ist. Hierdurch lassen sich auch Kosten einsparen. Zwar macht die erfindungsgemäße Lösung eine potentialfreie Verarbeitung des Stromsignales erforderlich. Diese Forderung läßt sich aber problemlos er­ füllen.

Man könnte prinzipiell die Spule auch mehrlagig ausbilden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bilden jedoch die Win­ dungen eine einlagige Rogowski-Spule mit einem Spulenquer­ schnitt, der gleich dem Querschnitt des Trägers ist. Die Windungen der Spule liegen hierbei also alle auf der Ober­ fläche des Trägers, da dies aus Fertigungsgründen besonders vorteilhat ist. Ferner kann jede gewünschte Querschnitts­ form der Rogowski-Spule einfach realisiert werden, da hier­ zu nur dem Träger eine entsprechende Querschnittsform ge­ geben zu werden braucht.

Zwar kann grundsätzlich der Träger auch aus einem unelasti­ schen Isoliermaterial bestehen. Wesentlich vorteilhafter ist jedoch ein elastisch deformierbares Material, da dann Dehnungen, wie sie beispielsweise durch Wärembelastungen auftreten, ausgeführt werden können oder auch der Träger im aufgeweiteten Zustand auf ein Bauteil aufgesetzt werden kann, an dem er dann durch seine Vorspannung festgelegt ist. Die Windungen der Spule sind dabei vorzugsweise aus einer halbleitenden oder leitenden Schicht gebildet, die auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht und zweckmäßigerweise ebenfalls elastisch ist. Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Silikonkautschuk für den Träger und auch für die leitende Schicht. Silikonkautschuk ist sehr alterungs­ beständig und hat eine hohe elektrische Isolier- und Dichtungs­ fähigkeit. Er ist auch auf glattem Untergrund rutschfest, was dann besonders vorteilhaft ist, wenn der Träger auf einen glatten Körper, beispielsweise einen Isolator eines Kabel­ endverschlusses, aufgesetzt wird. Ferner läßt sich ein Träger aus Silikonkautschuk problemlos in einen Isolierkörper aus Silikonkautschuk einbetten.

Sofern die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung an einem Kabel­ ende angeordnet werden muß, kann die Elektrode auch die Feld­ absteuerung bewirken oder bei der Feldabsteuerung mitwirken. Hierzu braucht der Elektrode nur die Form einer Feldsteuer­ elektrode gegeben zu werden, was ohne weiteres möglich ist, weil eine solche Form sich nicht nachteilig auf die Funktion als Spannungssensor und als Stromsensor auswirkt. Die Win­ dungen haben in diesem Falle also eine dreifache Funktion.

Sofern die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung einem Kabel­ stecker für Mittelspannungs- oder Hochspannungskabel zuge­ ordnet werden soll, ist sie vorzugsweise in dem Isolierkörper des Kabelsteckers konzentrisch zu dessen Durchgangskanal angeordnet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die durch die Windungen gebildete Elektrode zusätzlich zu einer nur der Feldsteuerung dienenden Elektrode vorzusehen und so anzu­ ordnen, daß die beiden gegeneinander isolierten Elektroden gemeinsam den für die Feldsteuerung erforderlichen Trichter bilden.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann aber auch frei­ liegend verwendet werden. Allerdings ist es in diesem Falle in der Regel zweckmäßig, die auf der Oberfläche des Trägers liegenden Windungen vollständig abzudecken, beispielsweise mit einer Schicht aus Silikonkautschuk zu bedecken, damit die Windungen nicht äußeren Einflüssen ausgesetzt sind. Die Windungen sind dann vollständig in das isolierende Material eingebettet.

Sofern die Sensoreinrichtung freiliegend ist, wird durch sie vor allem dann, wenn der Träger aus Silikonkautschuk besteht, die Kriechstromfestigkeit des die Sensoreinrichtung tragenden Körpers, beispielsweise des Isolators eines Kabel­ endverschlusses, nicht reduziert. Man kann sogar die Kriech­ stromfestigkeit mit Hilfe der Sensoreinrichtung vergrößern, da an die die Windungen abdeckende Schicht hierfür geeignete Ansätze, wie beispielsweise Schirmringe oder Tropfkanten, angeformt werden können.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels und eines dieses Ausführungsbeispiel enthaltenden Kabelsteckers,

Fig. 2 einen perspektivisch und vergrößert dargestellten Abschnitt des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 ein vereinfacht dargestelltes Schaltbild des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 ein im Schnitt dargestelltes zweites Ausführungs­ beispiel, das auf einen in Ansicht dargestellten Kabelendverschluß aufgesetzt ist.

Ein Kabelstecker für ein isoliertes Energieversorgungskabel eines Mittelspannungsnetzes weist einen aus Silikonkautschuk bestehenden Isolierkörper 1 auf, der einen zentralen Durch­ gangskanal für den abgemantelten Endabschnitt des Kabels hat. Der Isolierkörper 1 liegt deshalb im montierten Zustand mit radialer Vorspannung an der die Kabelseele umhüllenden Kunststoffisolation elektrisch dicht an. Die konische Außen­ mantelfläche des Isolierkörpers 1 liegt, wenn der Kabelstecker in die zugeordnete Steckbuchse eingesteckt ist, an der Innen­ wand des elektrisch isolierenden Steckbuchsenkörpers 2 an und verschließt dadurch elektrisch dicht den Zugang zur Kon­ taktbuchse 2′ der Steckbuchse, die vom Kontaktkörper 3 des Kabelsteckers kontaktiert wird.

In den Isolierkörper 1 ist ein sich trichterförmig gegen den Kontaktkörper 3 hin öffnender, ringartiger Trägerkörper 4 eingebettet. Die Oberfläche des Trägerkörpers 4 ist mit einer dünnen Schicht 5 aus elektrisch leitendem Silikonkaut­ schuk bedeckt, die vor der Einbettung in den Isolierkörper 1 aufgebracht worden ist. Diese Schicht 5 dient der Feld­ steuerung und kontaktiert die auf Erdpotential liegende Leit­ schicht 6 des Kabels, welche von hier aus bis zum Ende des Kabels vor dem Aufschieben des Isolierkörpers 1 entfernt worden ist.

Gleichachsig zu dem zentralen Durchgangskanal des Isolier­ körpers 1, der dort, wo die Schicht 5 an der Leitschicht 6 anliegt, durch die Schicht 5 begrenzt ist, ist in den Iso­ lierkörper 1 axial gegen den Kontaktkörper 3 hin versetzt eine als Ganzes mit 7 bezeichnete Sensoreinrichtung einge­ bettet. Die Sensoreinrichtung 7 weist einen ringartigen Träger 8 auf, der wie der Trägerkörper 4 aus elektrisch isolieren­ dem Silikonkautschuk besteht und eine Form hat, die mit einer sich gegen den Kontaktkörper 3 hin überproportional aufwei­ tenden Buchse mit stark abgerundeten Enden ungefähr ver­ gleichbar ist. Wie Fig. 1 zeigt, setzt die dem Kabel zugekehrte Innenfläche des Trägers 8 den von der Schicht 5 definierten Trichter gegen den Kontaktkörper 3 hin fort, und zwar so, daß eine für die Feldsteuerung optimale Trichterform gebildet wird.

Auf die Oberfläche des Trägers 8 ist eine elektrisch leitende Schicht aus Silikonkautschuk aufgebracht, die jedoch nicht die Oberfläche des Trägers 8 vollständig bedeckt, sondern aus den Windungen 9′ einer einlagigen Rogowski-Spule 9 besteht. Der Zwischenraum zwischen den Windungen 9′ ist in Fig. 2 mit 10 bezeichnet. Die Rogowski-Spule 9 hat dadurch, daß ihre Windungen 9′ durch eine auf die Oberfläche des Trägers 8 aufgebrachte leitende Schicht gebildet sind, die gleiche Querschnittsform wie der Träger 8. Sie erstreckt sich in Umfangsrichtung des Trägers 8 über dessen gesamten Umfang.

Im Ausführungsbeispiel ist der Träger 8 mit einer wendel­ förmigen Ringnut versehen, deren Verlauf dem Verlauf der Windungen 9′ entspricht. Die auf den Träger 8 aufgebrachte leitende Schicht wird anschließend in den Zwischenräumen 10 entfernt. Von der leitenden Schicht bleiben dann nur die in der Nut liegenden Windungen 9′ übrig.

Die Rogowski-Spule 9 bildet nicht nur einen Stromsensor für den im Kabel fließenden Strom, sondern auch einen kapazitiven Spannungssensor, von dem infolge der kapazitiven Ankopplung an die Kabelseele ein Signal abgenommen werden kann, das der Spannung entspricht, die das Kabel führt. Die Zwischenräume 10 beeinflussen die Kapazität zwischen der von den Windungen 9′ gebildeten Elektrode und der Kabelseele praktisch nicht.

Es bereitet deshalb keine Probleme, ein standardisiertes Spannungssignal zu erzeugen. Zwei nur in Fig. 3 dargestellte Verbindungsleiter 11 sind vom Anfang und vom Ende der Ro­ gowski-Spule 9 aus dem Isolierkörper 1 herausgeführt und hier vorzugsweise mit einer nicht dargestellten Steckbuchse verbunden, in die von außen her ein Stecker eingeführt werden kann. An die beiden Verbindungsleitungen 11 wird, wie Fig. 3 zeigt, eine Auswerteschaltung für das Stromsignal ange­ schlossen, die in Fig. 3 symbolisch durch ein Amperemeter 12 dargestellt ist. An die eine Verbindungsleitung 11 wird ferner eine Auswerteschaltung für das Spannungssignal ange­ schlossen, die andererseits mit Erdpotential verbunden ist. In Fig. 3 ist diese Auswerteschaltung symbolisch durch ein Voltmeter 13 dargestellt. Wegen der einerseits mit Erdpoten­ tial verbundenen Auswerteeinrichtung für das Spannungssignal ist es wichtig, daß die Auswertung des Stromsignals poten­ tialfrei erfolgt.

Die Windungen 9′ der Rogowski-Spule 9 bilden nicht nur einen Stromsensor und einen Spannungssensor. Sie bilden auch zu­ sammen mit der Schicht 5 des Trägerkörpers 4 die Feldsteuer­ ungselektrode. Es ist dabei nicht störend, daß die Windungen 9′ nicht so wie die Schicht 5 auf Erdpotential liegen, da das Potential der Windungen 9′ nur in der Größenordnung von 100 Volt über dem Nullpotenial liegt.

Das in Fig. 4 dargestellt Ausführungsbeispiel zeigt am Bei­ spiel eines mit 114 bezeichneten Kabelendverschlusses, daß die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung auch als separates Bauteil ausgebildet und auch auf die Außenseite einer Ar­ matur oder dergleichen aufgesetzt sein kann.

Von dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 unter­ scheidet sich die Sensoreinrichtung 107 des zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels nur dadurch, daß der Träger 108 die Form einer zylindrischen Buchse mit abgerundeten Enden hat und daß die Windungen 109′ der Rogowski-Spule 109 mit einer Schutzschicht 115 aus elektrisch isolierendem Silikonkautschuk vollstän­ dig abgedeckt sind. Da die Schutzschicht 115 den Träger 108 vollständig umhüllt, sind die Windungen 109′ vollständig in elektrisch isolierenden Silikonkautschuk eingebettet.

Die Sensoreinrichtung 107 bildet eine elastisch dehnbare Hülse, die im Ausführungsbeispiel im aufgeweiteten Zustand auf den Isolator 116 des Kabelendverschlusses 114 aufgeschoben ist. Die Sensoreinrichtung 107 ist dabei so positioniert, daß sie einen Abschnitt des Kabels umgibt, der abschirmungs­ frei ist. Dank der durch die Aufweitung bedingten radialen Vorspannung und der guten Haftfähigkeit von Silikonkautschuk besteht nicht die Gefahr, daß sich die Sensoreinrichtung 107 auf dem Isolator 116 verschiebt. Es braucht deshalb nicht befürchtet zu werden, daß sich die Größe der Signale ver­ ändert. Die mit dem Anfang und dem Ende der Rogowski-Spule 109 verbundenen und herausgeführten Verbindungsleiter, an welche die Auswerteschaltungen für das Spannungssignal und das Stromsignal angeschlossen werden, sind mit 111 bezeich­ net.

Durch strichpunktierte Linien ist in Fig. 4 angedeutet, daß an die Schutzschicht 115 Schirmelemente 117 oder Tropfkanten angeformt sein können, mittels deren die Kriechstromfestigkeit noch erhöht werden kann, obwohl sie durch die Sensoreinrichtung 107 nicht verringert wird.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 zeigt, daß die erfin­ dungsgemäße Sensoreinrichtung auch für eine Nachrüstung be­ sonders geeignet ist.

Claims (11)

1. Sensoreinrichtung für Mittelspannungs- und Hochspannungs­ leiter mit einem elektrisch isolierenden zum Umfassen des Leiters ringförmigen Träger für eine ebenfalls ring­ förmige Elektrode als kapazitiver Spannungssensor und eine den Leiter zu umfassen vermögende Spule als induktiver Stromsensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode durch die Windungen (9′; 109′) der Spule (9; 109) gebildet ist.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Windungen (9′; 109′) der Spule (9; 109) eine einlagige Rogowski-Spule mit einem Spulenquerschnitt bil­ den, der gleich dem Querschnitt des Trägers (8; 108) ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (8; 108) aus einem elastisch deformierbaren Material besteht und die Windungen (9′; 109′) der Spule (9; 109) aus einer halbleitenden oder leitenden Schicht gebildet sind, die auf die Oberfläche des Trägers (8; 108) aufgebracht ist.

4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (8; 108) aus Silikonkaut­ schuk besteht.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Windungen (9′; 109′) der Spule (9; 109) aus elektrisch leitendem Silikonkautschuk bestehen.

6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die von den Windungen (9′; 109 ) gebildete Elektrode die Form einer Feldsteuerelektrode hat.

7. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Träger (8) und die auf seiner Oberfläche liegenden Windungen (9′) in einem vorzugsweise aus Silikonkautschuk bestehenden Isolierkörper (1) eines Kabelsteckers für Mittelspannungs- und Hochspannungskabel konzentrisch zu dessen zentralem Durchgangskanal ange­ ordnet sind und daß die Spulenenden kontaktierende Ver­ bindungsleitungen (11) aus dem Isolierkörper (1) heraus­ geführt sind.

8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (8) gleichachsig zu einer zumindest teil­ weise in den Isolierkörper (1) eingebetteten und im mon­ tierten Zustand des Kabelsteckers auf Erdpotential liegen­ den Feldsteuerelektrode (5) derart angeordnet ist, daß die von den Windungen (9′) gebildete Feldsteuerelektrode gegenüber der auf Erdpotential liegenden Feldsteuerelek­ trode (5) elektrisch isoliert ist, jedoch gemeinsam mit letzterer den für die Feldsteuerung erforderlichen Trich­ ter bildet.

9. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als ein vorzugsweise in elastisch aufgeweitetem Zustand auf die Außenseite eines Bauteils, durch den ein Hochspannungsleiter hindurchgeführt ist, aufsetzbares, ringförmiges Bauteil ausgebildet ist.

10. Sensoreinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Windungen (109′) der Spule (109) vollstän­ dig mit einem Isoliermaterial (115), vorzugsweise Si­ likonkautschuk, abgedeckt sind.

11. Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß an das die Windungen (109′) abdeckende Material (115) wenigstens ein die Kriechstromstrecke verlängern­ des Element (117) angeformt ist.