DE4224744A1 - Vorrichtung zur Detektion loser Metallteilchen in gasisolierten Hochspannungs-Schaltanlagen - Google Patents
Vorrichtung zur Detektion loser Metallteilchen in gasisolierten Hochspannungs-SchaltanlagenInfo
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Description
Vorrichtung zur Detektion loser Metallteilchen in gasisolier
ten Hochspannungs-Schaltanlagen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur De
tektion loser Metallteilchen in gasisolierten Hochspannungs-
Schaltanlagen (GIS). In solchen Schaltanlagen können lose Me
tallteilchen vom elektrischen Wechselfeld angetriebene,
"hüpfende" Bewegungen ausführen. Dadurch kommt es zu Feldver
zerrungen, die zu Teilentladungen oder sogar zu gefährlichen
elektrischen Durchbrüchen führen können.
Solche Teilentladungsvorgänge werden gewöhnlich mit elektri
schen und/oder akustischen Sensoren detektiert. Elektrische
Sensoren sind z. B. aus B.F. Hampton et al., IEE Proceedings,
Vol. 135, Pt.C, No 2, 137 (1988) oder auch aus S.A. Boggs,
IEEE Electr. Insulation Magazine, Vol. 6, 35 (1990), bekannt.
Akustische Sensoren sind in L.E. Lundgaard et al., Nordic
Insulation Symposium NORD-IS 1990, Lyngby, Dänemark, oder aus
L.E. Lundgaard et al., IEEE Power Engineering Society Winter
Meeting, New York, February 1991, beschrieben. Die
elektrischen Sensoren, die entweder fest installiert sind
oder nachträglich an die Anlage angeschlossen werden, regi
strieren die von den Teilentladungen ausgehenden Spannungsim
pulse (MHz-Frequenzen). Die akustischen Sensoren werden außen
an der GIS-Kapselung angebracht und detektieren in Ultra
schallbereich Vibrationen der Anlage, die durch die Teilent
ladungen oder unmittelbar durch das aufschlagende "hüpfende"
Teilchen erzeugt werden. Durch-Verwendung mehrerer akusti
scher oder elektrischer Sensoren ist eine Ortung der Teilent
ladungen möglich.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine auf einem neuarti
gen Meßprinzip basierende Vorrichtung zur Detektion loser
Metallteilchen in gasisolierten Hochspannungs-Schaltanlagen
vorgeschlagen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gemäß
Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensor-
Glasfaser derart an einem Teil der Schaltanlage befestigt
ist, daß durch lose Metallteilchen verursachte Vibrationen
des genannten Teils der Schaltanlage Änderungen ihrer Länge
zur Folge haben und daß ein die Sensorfaser umfassendes
faseroptisches Interferometer zur interferometrischen Messung
dieser Längenänderungen vorgesehen ist. Bei der erfindungsge
mäßen Vorrichtung werden demnach die durch "hüpfende" Teil
chen oder durch Teilantladungen hervorgerufenen Schwingungen
in der GIS-Anlage auf eine Glasfaser übertragen, die an einem
Teil der GIS-Anlage, vorzugsweise an einem Teil der
Kapselung, in geeigneter Weise befestigt ist. Die durch die
Vibrationen induzierten Längenänderungen der Glasfaser werden
dann interferometrisch gemessen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie
Vibrationssignale über einen sehr großen Frequenzbereich
(prinzipiell bis einige 10 MHz) mit extrem hoher Empfindlich
keit messen kann. Über weite Bereiche des Frequenzspektrums
ist die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
frequenzunabhängig. Herkömmliche piezoelektrische Schwing
ungsdetektoren weisen gewöhnlich nur in eingeschränkten Fre
quenzbereichen in der Umgebung ihrer Eigenresonanzen hohe
Empfindlichkeitswerte auf. Mit der Sensorfaser können Vibra
tionen zudem nicht nur lokal gemessen werden; vielmehr können
die Schwingungen eines größeren Teils der GIS-Kapselung auf
die Faser übertragen werden. Die Sensorfaser ist galvanisch
vom elektrischen Teil des faseroptischen Interferometers
getrennt. Dadurch sind prinzipiell auch Vibrationsmessungen
an Komponenten möglich, die auf Hochspannungspotential lie
gen. Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung im Unter
schied zu den bekannten elektrischen oder akustischen inhä
rent immun gegenüber elektromagnetischen Störfeldern.
Bei dem faseroptischen Interferometer, von dem die Sensorfa
ser ein Teil ist, kann es sich gemäß Anspruch 3 um ein Fa
ser-Michelson-Interferometer (vergl. z. B. D.A. Jackson et
al., J.Phys.E:Sci.Instrum. Vo. 18, 981 (1985)), ein Faser-Fabry-
Rerot-Interferometer (vergl. z. B. D.A. Jackson aaO), ein
Zweimodenfaser-Interferometer (vergl. z. B. J.N. Blake et
al., Opt.Lett. 12, 732 (1987)), ein Speckle-Interferometer
(Multimode-Faser) (vergl. z. B. K.Chen et
al., Opt.Lett. 15, 582(1990)) oder um ein Faser-Polarimeter
(vergl. z. B. D.A. Jackson aaO) handeln. Vorzugsweise ist das
Interferometer jedoch ein Faser-Mach-Zehnder-Interferometer
(vergl. z. B. D.A. Jackson et al., Appl.Opt. 19, 2926 (1980)).
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
übrigen abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei
spiels im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert wer
den. Es zeigen
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vor
richtung,
Fig. 2 schematisch einen Teil einer GIS-Anlage, und
Fig. 3 in zwei Frequenzdiagrammen mit einer Vorrichtung ge
mäß Fig. 1 ermittelte Schwingungsamplituden.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist ein faseroptisches
Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ. Sie besitzt zwei Zweige
von denen einer durch eine Sensor-Glasfaser 1 und der zweite
durch eine Referenz-Glasfaser 2 gebildet wird. Die Sensorfa
ser ist mit einem Teil ihrer Länge an der Kapselung einer
GIS-Anlage 3 befestigt. Das Licht einer Laserdiode 4 ist über
einen ersten Strahlteiler 5 in die beiden Zweige des Inter
ferometers eingekoppelt. In einem zweiten Strahlteiler 6 wird
das Licht aus beiden Zweigen zur Interferenz gebracht. An die
beiden Ausgänge des Strahlteilers 6 sind Detektoren 7 ange
schlossen. Die Bandbreite der Detektoren muß mindestens
ebenso groß sein wie der zu untersuchende akustische Fre
quenzbereich. Die Detektoren 7 erzeugen an ihrem Ausgang eine
zur Lichtintensität an ihrem Eingang proportionale Spannung.
Die beiden Detektorspannungen sind gegeben durch
U1 = U0(1+vcosΦ(t)),
U2 = U0(1-vcosΦ(t)),
U2 = U0(1-vcosΦ(t)),
mit Φ(t) = S(t) + (ϕ(t). U0 ist proportional zur Laserdioden
intensität. Mit v ist der Interferenzkontrast bezeichnet
(v 1). Der Phasenunterschied Φ(t) zwischen den beiden interfe
rierenden Wellen setzt sich zusammen aus einem Anteil S(t),
der durch Vibrationen der GIS-Kapselung hervorgerufen wird
und einem willkürlichen Phasenterm ϕ, der sich z. B. infolge
von temperaturbedingten Fluktuationen der Faserlänge l eben
falls zeitlich ändern kann. Die Phasenänderung
S(t) = βΔl + lΔβ
setzt sich zusammen aus einem Anteil βΔl(t), der unmittelbar durch die vibrationsbedingte Längenänderung Δl(t) der Sensor faser 1 hervorgerufen wird und einem zweiten Anteil lΔβ(t), der mit der Änderung der Propagationskonstanten β als Folge des elasto-optischen Effektes verknüpft ist (vergl. hierzu auch R. de Paula et al., SPIE Vol. 478 Fiber Optic and Laser Sensors II (1984), p3-11).
S(t) = βΔl + lΔβ
setzt sich zusammen aus einem Anteil βΔl(t), der unmittelbar durch die vibrationsbedingte Längenänderung Δl(t) der Sensor faser 1 hervorgerufen wird und einem zweiten Anteil lΔβ(t), der mit der Änderung der Propagationskonstanten β als Folge des elasto-optischen Effektes verknüpft ist (vergl. hierzu auch R. de Paula et al., SPIE Vol. 478 Fiber Optic and Laser Sensors II (1984), p3-11).
Der elasto-optische Effekt beschreibt die Änderung des Bre
chungsindex der Faser und damit der Propagationskonstanten,
die bei einer Faserdehnung oder -stauchung auftritt. Die
beiden Terme βΔl und lΔβ haben entgegengesetztes Vorzeichen.
Dem Betrag nach ist der Term
βΔl dominierend. Um S(t) zu detektieren eignet sich ein De
tektionsverfahren mit aktiver Kontrolle des Interferometer-
Arbeitspunktes (vergl. hierzu auch D. A. Jackson et al,
Appl.Opt. 19, 2926 (1980)). Ein Regelkreis 8 mit einem auf die
Referenzfaser längenverändernd einwirkenden piezoelektrischen
Phasenmodulator 9 hält die Differenz
U1-U2 = 2vcosΦ,
für kleine Frequenzen (<- 10 Hz) auf Null und damit den Pha
senunterschied ϕ auf
ϕ = ± (π/2) (Modulo 2π).
ϕ = ± (π/2) (Modulo 2π).
Die Differenz der Detektorausgangsspannungen ist dann direkt
proportional zu S(t), solange S(t) « ± π/2 ist. Der Term S(t)
wird mit einem Sinalanalysator 10 spektral analysiert.
Der Ort der Befestigung der Sensorfaser an der GIS-Anlage
entspricht vorzugsweise dem Ort maximaler Vibrationsamplitu
de. Dieser und die für eine ausreichende Empfindlichkeit
erforderliche Länge der Faser kann ggf. durch Versuche aufge
funden werden.
Bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten GIS-Anlage ist die
Kapselung mit 11, die Hochspannungselektrode mit 12 und die
auf Erdpotential liegende Grundplatte mit 13 bezeichnet. 14
bezeichnet ein zu detektierendes loses Metallteilchen und 15
den an der Kapselung 11 befestigten Abschnitt einer Sensorfa
ser.
Fig. 3a zeigt ein mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 aufgenom
menes Frequenzdiagramm, ermittelt an einer GIS-Anlage gemäß
Fig. 2. Als zu detektierende Metallteilchen wurden 3-4 µm
schwere Aluminiumspäne verwendet und auf der in Fig. 2 mit 13
bezeichneten Grundplatte durch ein Hochspannungs-Wechselfeld
zum Hüpfen angeregt. Die Grundplatte 13 stand dabei in me
chanischem Kontakt mit der GIS-Kapselung 11. In Fig. 3a
(70 kVrms, 1 hüpfendes Teilchen) sind zwei signifikante Si
gnalpeaks zu erkennen. Bei dem zu Vergleichszwecken aufgenom
menen und in Fig. 3b dargestellten Frequenzdiagramm ohne lose
Teilchen (80 kVrms) fehlen diese Peaks. Die Amplitude der
Signalpeaks von Fig. 3a beträgt etwa 2 µVrms, was einer Längen
änderung der Sensorfaser von etwa 6·10-12 m rms entspricht.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Detektion loser Metallteilchen (14) in
gasisolierten Hochspannungs-Schaltanlagen (11, 12, 13), dadurch
gekennzeichnet, daß eine Sensor-Glasfaser (1, 15) derart an
einem Teil der Schaltanlage (11) befestigt ist, daß durch
lose Metallteilchen (14) verursachte Vibrationen des genann
ten Teils der Schaltanlage Änderungen ihrer Länge zur Folge
haben und daß ein die Sensorfaser (1) umfassendes faserop
tisches Interferometer (1-10) zur interferometrischen Messung
dieser Längenänderungen vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorfaser (1) an einem Teil der Kapselung (11) der
gasisolierten Schaltanlage (11, 12, 13) befestigt ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das faseroptische Interferometer ein Fa
ser-Michelson-Interferometer, ein Faser-Fabry-Perot-Inter
ferometer, ein Zweimodenfaser-Interferometer, ein Speckle-
Interferometer (Multimode-Faser), ein Faser-Polarimeter,
vorzugsweise jedoch ein Faser-Mach-Zehnder-Interferometer
(1-10) ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sensorfaser (1) einen der beiden
Zweige eines faseroptischen Mach-Zehnder-Interferometers
(1-10) bildet, welcher darüberhinaus eine Laser-Lichtquelle (4),
einen eingangsseitigen (5) und einen ausgangsseitigen Strahl
teiler (6), eine Referenzfaser (2), zwei Detektoren (7),
einen Regelkreis (8) zur Arbeitspunktkontrolle mit einem
piezoelektrischen Phasenmodulator (9) sowie einen Signalana
lysator (10) umfaßt, wobei die Referenzfaser (2) den zweiten
Zweig des Interferometers bildet, wobei das Licht von der
Lichtquelle (4) über den eingangsseitigen Strahlteiler (5) in
die beiden Zweige und über den ausgangsseitigen Strahlteiler
(6) aus diesen ausgekoppelt und den beiden Detektoren (7)
zugeführt ist, wobei die beiden Detektoren (7) jeweils eine
zur Lichtintensität an ihrem Eingang proportionale Spannung
an ihrem Ausgang abgeben, wobei der piezoelektrische Phasen
modulator (9) auf die Referenzfaser (2) längenveränderlich
einwirkt, wobei der Regelkreis (8) die Differenz der beiden
Detektorspannungen auf Null regelt und wobei dem Signalanaly
sator (10) das Regelsignal des Regelkreises als spektral
auszuwertendes Eingangssignal zugeführt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Regelsignal mit dem Signalanalysator
(10) im Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 10 MHz auf Inten
sitätsmaxima hin analysiert wird.
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ID=6464191
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DE19924224744 Withdrawn DE4224744A1 (de) | 1992-07-27 | 1992-07-27 | Vorrichtung zur Detektion loser Metallteilchen in gasisolierten Hochspannungs-Schaltanlagen |
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Country | Link |
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DE (1) | DE4224744A1 (de) |
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