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Anordnung zur Feststellung von Isolationsschäden an betriebsmäßig
eingebauten Hochspannungsleitungen Wenn eine Hochspannungsleitung durch den Leitungsschutz
abgeschaltet wird, weiß man zunächst nicht, ob ein bleibender Defekt (z. B. Drahtbruch,
metallischer Kurzschluß) oder nur ein vorübergehender (z. B. Lichtbogen) die Ur-Sache
war. Es ist deshalb üblich, eine solche Leitung probeweise nochmals zuzuschalten.
Besteht der Fehler noch, so wird durch das Wiedereinschalten ein neuer Kurzschluß
hervorgerufen, das Netz erhält also einen neuen Stoß, und die Anlagen werden zum
zweitenmal überbeansprucht. Diesen Nachteil hat man einzuschränken versucht durch
Widerstände, die vor dem probeweisen Zuschalten hochspannungsseitig in den Zug der
Leitung geschaltet werden und den Kurzschlußstrom herabsetzen. Es sind auch Einrichtungen
bekannt mit besonderen Transformatoren und Maschinensätzen, um die ausgefallene
Leitung durch allmähliches Hochfahren oder plötzliches Zuschalten der Spannung zu
prüfen. Der Hauptnachteil solcher Einrichtungen ist neben hohen Kosten und großem
Raumbedarf der, daß durch Schaltmaßnahmen für das Prüfverfahren wertvolle Zeit verstreicht.
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Im folgenden wird nun eine Einrichtung beschrieben, welche auf viel
schnellere und billigere Weise durch Messung festzustellen gestattet, ob eine Leitung
fehlerfrei ist oder nicht. Einrichtungen zur Messung an Hochspannungsleitungen sind
an sich bekannt. Sie haben je doch den Nachteil, daß im Vergleich zum einfachen
probeweisen Einschalten der Leitung viel Zeit vergeht, weil man sich erst ins Hochv
olthaus begeben und dort die Meßeinrichtung an die Leitung anschließen muß, nachdem
man vorher noch Sicherungen getroffen hat, die ein plötzliches Unterspannungsetzen
der Leitung, etwa vom anderen Leitungsende aus, ausschließen. Nach der vorliegenden
Erfindung ist es nun möglich, ohne besondere Sicherungen gegen Wiederkehr der Hochspannung
und ohne im Hochvolthaus Schaltungen vornehmen zu müssen, bereits an der (nur Niederspannung
führenden) Schalttafel durch Drücken eines Knopfes und Beobachten eines Meßinstrumentes
sich von dem Zustand der Leitung zu überzeugen.
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Der Einrichtung liegt der Gedanke zugrunde, daß sich die unterspannungsseitig
meßbaren elektrischen Eigenschaften eineshochspannungsseitig an eine Leitung angeschlossenen
Meßwandlers mit dem Isolationszustand dieser Leitung ändern. Ist die Leitung fehlerfrei,
so sind die unterspannungsseitig gemessenen elektrischen Eigenschaften der Kombination
Wandler und Leitung andere, als wenn die Leitung kurzgeschlossen ist.
Die
Einrichtung zur Feststellung von Hochspannungsleitungsschäden von der Nicdcrsparnungsseite
aus besteht demnach aus eircm Meßwandler, der hochspannungsseitig daucrnd an die
zu überwachende Leitung angeschlossen ist, einer Stromquelle mit Schalter und einem
Meßgerät, welch letztere im Stromkreis der Niederspannungswicklung des Wandlers
oder einem damit gekoppelten Stromkreis liegen. Als Meßwandler kann ein vorhandener
Spannungswandler der zu überwachenden Leitung Verwendung finden. Die prinzipielle
Schaltung zeigt Abb. i. Durch Umlegen des Schalters i (z. B. Druckknopf auf der
Schalttafel) wird an Stelle der während des normalen Betriebes über den Spannungswandler
z an die Hochspannungsleitung 3 angeschlossenen Schalttafelinstrumente q. das Meßgerät
zur Leitungsprüfung 5 mit zugehöriger Stromquelle 6 an den Wandler 2 gelegt. An
Stelle eines Umschalters i kann auch ein einfacher Schalter treten, da das Belassen
der Schalttafelinstrumente q. im Stromkreis die Angaben der Meßeinrichtung 5 im
allgemeinen nicht stört.
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Alle Einrichtungen zur Messung an Leitungen bedienen sich einer Stromquelle
und eines Meßgerätes. Auch die Zwischenschaltung eines Transformators zwischen Stromquelle
und Meßgerät einerseits, Leitung anderseits zu . dem Zweck, der Leitung eine für
die Messung geeignete Wechselspannung aufzudrücken, ist bekannt. Es ist ferner allgemein
üblich, über Meßwandler Messungen von elektrischen Größen an Hochspannungsleitungen
vorzunehmen. In diesem Falle liefert die Hochspannungsleitung die Meßspannung oder
den Meßstrom, während die Meßinstrumente auf der Niederspannungsseite des Wandlers
angeschlossen sind. Die vorliegende Anordnung unterscheidet sich nun von allen bisher
bekannten Anordnungen grundsätzlich dadurch, daß zwischen Stromquelle und Meßinstrument
einerseits, Leitung anderseits ein Meßwandler (Spannungswandler) geschaltet ist,
dem die Aufgabe zufällt, eine dauernde elektrische Verbindung zwischen Meßeinrichtung
und Hochspannungsleitung aufrecht zu halten, welche bestehen bleiben kann, wenn
die Leitung unter Hochspannung gesetzt wird. Die Verwendung von Meßwandlern zu diesem
Zwecke und in dieser Schaltung war bisher nicht bekannt, denn die obenerwähnte,
bisher schon bekannte Verwendung von Transformatoren zur Erzeugung einer geeigneten
Prüfspannung ist etwas prinzipiell anderes. Der grundlegende Unterschied zwischen
einem Meßwandler und einem Transformator zur Erzielung einer geeigneten Meßspannung
an der Leitung liegt darin, daß der Transformator mindestens so groß sein muß, daß
er in der Lage ist, die Ladeleistung der Leitung aufzubringen. Er muß also ein Leistungstransformator
sein. Demgegenüber ist ein Meßwandler von. einer gLnz anderen Größenordnung. Er
pflegt bei ilöchstspannungsleitungen mehrere tauscndmal kleiner zu sein, als er
zur Aufbringung der Ladeleistung eines Streckenabschnittes sein müßte. Hierin liegt
der patentbegründende wirtschaftliche Vorteil der Verwendung von Meßwandlern, der
noch dadurch vermehrt wird, daß die ohnehin fast überall eingebauten Spannungswandler
zur Messung benützt werden können. Infolge seiner ganz anderen Größenordnung wirkt
der Meßwandler auch anders als der Leistungstransformator. Bei letzterem beträgt
der Spannungsverlust im gewöhnlichen Falle wenige Prozent, im vorliegenden tritt
durch die Kapazität der zu prüfenden Leitung sogar eine höhere Spannung auf, als
dem Übersetzungsverhältnis entspricht. Bei Verwendung eines Meßwandlers zu dem genannten
Zweck wirkt sich dcingegenüber der höhere Eigenwiderstand des gegenüber der Ladeleistung
der Leitung außerordentlich kleinen Wandlers so aus, daß nur ein verschwindend kleiner
Bruchteil der dem Übersetzungsverhältnis entsprechenden Spannung für die Leitung
übrigbleibt. Dieser Umstand erschwert die Messung über Spannungswandler sehr, so
daß es äußerst empfindlicher Methoden bedarf, um bei der Messung durch den Wandler
hindurch einen Unterschied zwischen offener und kurzgeschlossener Leitung nachweisen
zu können. Im folgenden werden einige geeignete MeEmethoden beschrieben.
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Als Meßeinrichtung kann an sich irgendeine zur Isolationsmessung bekannte,
hinreichend empfindliche Einrichtung benützt werden. Man kann z. B. eine Widerstandsmessung
vornehmen, da der Gesamtwiderstand der Kombination Wandler + Leitung etwas verschieden
sein wird, je .nachdem die Leitung offen oder kurzgeschlossen ist. Man benötigt
hierzu nach Abb. 2 eine Wechselstromquelle 7, wozu die Wechselstromlichtleitung
dienen kann, ferner ein Meßgerät 8, z. B. ein Ohmmeter irgendwelcher Bauart, und
einen Spannungswandler g, der die Verbindung zwischen Meßeinrichtung und Hochspannungsleitung
=o herstellt.
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Bei sehr hohen Spannungen ist der Eigenwiderstand des Meßwandlers
so groß im Vergleich zum Leitungswiderstand, daß bekannte Methoden, wie die eben
erwähnte Widerstandsmessung, versagen. In diesem Falle führen die folgenden Methoden
zum Ziel, welche besondere Ausführungsformen des allgemeinen Erfindungsgedankens
darstellen i. Innerhalb eines gewissen Frequenzbereiches findet ein Überwiegen der
kapazitiven Ladeleistung der Leitung gegenüber dem induktiven Leistungsverbrauch
des Wandlers statt. Ein vor den Wandler geschaltetes Blindwattmeter wird innerhalb
des genannten Frequenzbereiches
auf kapazitiv zeigen, außerhalb
dieses Bereiches auf induktiv. Dies gilt jedoch nur, wenn die Leitung unbeschädigt
ist. Bei kurzgeschlossener oder erdgeschlossener Leitung kann, da die Leitungskapazität
nicht zur Wirkung kommt, eine kapazitive Anzeige nicht eintreten. Die Tatsache,
daß das Blindwattmeter innerhalb eines gewissen Frequenzbereiches von induktiv auf
kapazitiv überschlägt, ist also ein Zeichen dafür, daß die Leitung gesund ist. Um
die Messung nach diesem Grundgedanken auszuführen, kann man nach Abb. 3 durch einen
Antriebsmotor 11 einen kleinen Wechselstromgenerator 12 auf Touren bringen. Die
Wechselstrommaschine ist in der bereits beschriebenen Weise über ein Blindwattmeter
13 und den Meßwandler mit der Hochspannungsleitung verbunden. Stellt man nun den
Antriebsmotor ab, so durchläuft die Frequenz des Wechselstromgenerators alle Werte
von einem Maximum bis auf Null und damit auch den Frequenzbereich, innerhalb welchem
ein Umschlagen des Blindwattmeters 13 von induktiv auf kapazitiv bei gesunder Leitung
eintreten muß.
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2. Eine andere Methode ist die folgende: Stößt man den Schwingungskreis,
gebildet aus Wandlerinduktivität und Leitungskapazität, durch eine Stromquelle,
etwa eine Gleichstromquelle, an, so erhält man eine abklingende Schwingung nach
Abb. 4, ist dagegen die Kapazität kurzgeschlossen (Leitungskurzschluß), so erhält
man eine aperiodische Annäherung an den Gleichstromdauerwert (Abb. 5). Da bei periodischem
Ausschwingen (gesunde Leitung) der Effektivwert der Spannung wie des Stromes wesentlich
größer ist (v g1. Abb. 4 und 5) als bei aperiodischer Annäherung (gestörte Leitung),
so ist an der Größe des Ausschlages eines Volt- oder Amperemeters die gesunde Leitung
von der gestörten zu unterscheiden. Bei diesem Verfahren kann eine Schaltung nach
Abb. 6 verwendet werden. Der von der Gleichstromquelle 14 gelieferte Strom fließt
über ein Amperemeter 15 und einen Schalter 16 zum Spannungswandler 17, zu dem parallel
ein Voltmeter 18 geschaltet ist.
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3. Das unter z. beschriebene Meßverfahren kann insofern abgeändert
werden, als man statt der Messung der Absolutwerte von Spannung oder Strom auch
feststellen kann, ob überhaupt eine Schwingung stattgefunden hat (gesunde Leitung)
oder nicht (gestörte Leitung). Zu diesem Zweck braucht man ein Meßinstrument, welches
nur oder vorwiegend auf den schraffierten Teil der Spannung in Abb.4 anspricht.
Dies kann durch eine Schaltung nach Abb. 7 erreicht werden. Bei Schließen des Schalters
1g liefert die Batterie 2o einen Stromstoß, der durch einen Zwischenwandler 21 übertragen
wird und durch einen Gleichrichter 22 fließt, der den schraffierten Teil der Abb.
4 in einem Amperemeter 23 zur Anzeige bringt. In analoger Weise kann dieser Vorgang
mit IYiIse eines Spannungswandlers 24 durch ein Voltmeter 25 angezeigt werden.
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Ähnlich wie beim Schließen des Schalters 1g der Abb. 7 bzw. 16 der
Abb. 6 ist der Vorgang beim Öffnen (Entladung des magnetischen Feldes des Wandlers).
Von den beiden Meßinstrumenten (Volt- und Amperemeter) ist jeweils nur eines erforderlich,
damit auch nur ein Zwischenwandler und ein Gleichrichter.