DE60106872T2

DE60106872T2 - Spannungssensor

Info

Publication number: DE60106872T2
Application number: DE60106872T
Authority: DE
Inventors: Pablo Patrick CHAVEZ; Farnoosh Rahmatian; August Nicolas JAEGER; Paul Cristopher YAKYMYSHYN
Original assignee: Nxtphase T&D Corp
Current assignee: Alstom Grid Inc
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: EP1256004B1; CN1418312A; EP1256004A1; JP2003523519A; CA2398082A1; CN1193235C; BR0108366A; ATE281651T1; BR0108366B1; US6380725B1; DE60106872D1; CA2398082C; AU2001229926A1; WO2001061365A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spannungssensor zum Messen von Spannung und ist insbesondere für das Messen von Hochspannungen, wie beispielsweise an Hochspannungsleitungen, geeignet.
Hintergrund der Erfindung
Die Liste der bekannten Hochspannungssensoren umfasst induktive Transformatoren, kapazitive Teiler oder kapazitive Spannungstransformatoren sowie Wandler, die großoptische elektrische Feldsensoren verwenden. Die ersten zwei Sensoren leiden unter Bandbreitenbeschränkungen, teuren Ausfällen, teuerer Wartung, hohem Gewicht und Ausgangsschwankungen. Sie leiden auch unter der Notwendigkeit einer erheblichen Isolierung, die sowohl teuer als auch potentiell umweltschädlich ist (z. B. Öl und/oder SF₆-Gas).
Pockelszellen sind bekannte Vorrichtungen, die verwendet worden sind, um Spannung, insbesondere Hochspannung, zu messen, siehe z. B. das US-Patent 5,477,134, herausgegeben an H. Hamada, und das US-Patent 5,731,579, herausgegeben an G. K. Woods. Eine bevorzugte Form von Pockelszellen zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist eine Pockelszelle mit integrierter Optik, die in dem US-Patent 5,029,273, heausgegeben am 02.07.1991 an Jaeger, beschrieben ist.
Das US-Patent 5,917,316 "Measuring device for a metal-enclosed, gas-insulated high-voltage installation", herausgegeben am 29.06.199 an A. Bosco, T. Hertig und A. Kaczkowski, beschreibt einen Hochspannungssensor, der eine metallische Umschließung verwendet, welche eine Abschirmung eines Spannungsdetektors, der innerhalb der Umschließung angeordnet ist, gegenüber externen Spannungsquellen bereitstellt, um hohe Messgenauigkeit zu erreichen. Die Umschließung umfasst einen Hochspannungsleiter und ist mit unter Druck stehendem SF₆-Gas gefüllt, um Belastungen durch hohe elektrische Felder zu widerstehen.
Eine frühere Anmeldung, nämlich die US-Patentanmeldung Nr. 09/204,507, eingereicht am 04.12.1998 von Jaeger et al., offenbart einen Spannungssensor ähnlich der vorliegenden Erfindung, bei dem jedoch die Admittanzabschirmung (Admittance Shielding = AS) primär auf einer dielektrischen Abschirmung basiert. Obwohl diese Abschirmung wirksam ist, erfordert sie die Verwendung von Materialien mit hohen Permitivitäten, die nicht immer leicht zu erhalten sind und allgemein teuer und recht schwer sind.
Andere Systeme, die im Wesentlichen gleiche Spannungswandler (Voltage Transducer = VT) wie jene verwenden, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, d. h. solche, die mindestens einen elektrischen Feldsensor (EFS) verwenden, um einen Spannungsmesswert zu erhalten, verwenden Admittanzabschirmung (AS), wie sie im Detail hier unten beschrieben wird, um die Effektivität des Systems zu verbessern. Diese bekannten Admittanzabschirmungssysteme werden durch Manipulieren von Geometrien metallischer Leiter (Elektroden) (oder wie oben angegeben durch Auswählen von Materialien mit relativ großen Permitivitäten (wie in der genannten Anmeldung von Jaeger et al. gelehrt)) ausgebildet, um ein gutes Maß an Admittanzabschirmung zu erreichen.
Zum Beispiel ist es ein Verfahren zum Erhalten von AS, im Effekt den Abstand zwischen zwei Leitern, zwischen denen die Spannung zu messen ist, zu verringern. Ein anderes Beispiel ist es, einen Leiter mit dem anderen Leiter so weit wie möglich zu umgeben. Beide diese Verfahren haben den Effekt des Erhöhens der Admittanz zwischen den beiden Leitern, wo die EFS angeordnet sind. Die Verwendung dieser Verfahren resultiert in die Existenz von hohen elastischen Feldbelastungen, die mit spezieller Isolierung, wie beispielsweise SF₆-Gas, abgefangen werden müssen. Beispiele hierfür können in dem US-Patent 3,938,039 "Voltage measuring device for encapsulated high-voltage installations", herausgegeben am 10.02.1976 an W. Hermstein, G. Rosenberger und W. Muller, dem US-Patent 5,272,460 "Current and voltage transformer for a metal-encapsulated, gas-insulated high-voltage installation", herausgegeben am 21.12.1993 an R. Baumgartner, K. Y. Haffner, H. Hageli und A. Kaczkowski; dem US-Patent 5,892,357 "Electro-optic volaltage sensor for sensing voltage in an E-field", herausgegeben am 06.04.1999 an G. K. Woods und T. W. Renak und dem japanischen Patent 0523256 "Photospannungssensor vom eingebauten Isolatortyp" herausgegeben am 22.10.1993 an O. Tetsuo gefunden werden.
Die Verwendung von resistiven Materialien in Hochspannungsanwendung ist bekannt (beispielsweise in einem Spannungsteiler, der zum Teilen von Spannung verwendet wird, oder bei Kabelabschlüssen zum Abbauen des Felds am Ende von Hochspannungskabeln), aber nicht zur Verwendung bei der Abschirmung (von EFS) um Spannung zu messen. Das Dokument WO 94/25973 A offenbart einen Spannungssensor mit abgestuftem Schirm, wobei der abgestufte Schirm eine Mehrzahl von Widerständen aufweist, die als ein Spannungsteiler angeordnet sind.
Kurzbeschreibung der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung reduziert signifikant die Mängel, die der existierenden Hochspannungssensortechnologie inhärent sind.
Die einfache Struktur der Erfindung beseitigt grundsätzlich die Notwendigkeit von üblicherweise teurer und/oder umweltschädlicher Isolierung; kann leichter hergestellt werden, was weniger teuren Transport, teure Installation und Wartung erlaubt, und ist kompatibel mit existierenden Abstandsisolatorstrukturen, was eine einfache Konstruktion erlaubt.
Wenn sie mit kompakter elektrischer Feldsensortechnologie, wie beispielsweise Pockelszellen mit integrierter Optik verwendet wird, bietet die Erfindung eine große Bandbreite und einfache Schnittstellenbildung mit aufkommender digitaler Technologie.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Messen von Spannung gemäß Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 21 bereit.
In einer Anordnung weist die Vorrichtung zum Messen von Spannung einen elektrisch isolierenden Bereich, ein Paar von beabstandeten Leitern, zwischen denen eine Spannungsdifferenz V zu bestimmen ist, wobei einer der Leiter an einem Ende des isolierenden Bereichs und ein anderer an einem Ende des isolierenden Bereichs entfernt von dem einen Ende vorliegt, mindestens einen elektrischen Feldsensor, der elektrisches Feld an mindestens einem Ort innerhalb des isolierenden Bereichs erfasst, einen Detektor zum Bestimmen eines Werts V_d für die Spannungsdifferenz V basierend auf dem elektrischen Feld/den elektrischen Feldern, das/die von dem mindestens einen elektrischen Feldsensor erfasst wird/werden, auf, wobei der isolierende Bereich aus einem primär resistiven Material in dem Bereich von 25 GΩ bis 50 kΩ ausgebildet ist, um so eine ausreichende Abschirmung des mindestens einen Orts von Quellen elektrischer Feldinterferenz praktisch extern der Vorrichtung auftretender Größe bereitzustellen, so dass die Quellen praktisch auftretender Größe das erfasste elektrische Feld, das an dem mindestens einen Ort erfasst wird, nicht so ändern, dass sie einen signifikanten Fehler bei dem Wert V_d für die Spannungsdifferenz V erzeugen.
In einer anderen Anordnung weist die Vorrichtung zum Messen von Spannung einen elektrisch isolierenden Bereich, ein Paar von beabstandeten Leitern, zwischen denen eine Spannungsdifferenz V zu bestimmen ist, wobei einer der Leiter an einem Ende des isolierenden Bereichs und ein anderer an einem Ende des isolierenden Bereichs entfernt von dem einen Ende vorliegt, mindestens einen elektrischen Feldsensor, der elektrisches Feld an mindestens einem Ort innerhalb des isolierenden Bereichs erfasst, einen Detektor zu Bestimmen eines Werts V_d für die Spannungsdifferenz V basierend auf dem elektrischen Feld, das von dem mindestens einen elektrischen Feldsensor erfasst wird, auf, wobei der isolierende Bereich aus einem primär resistiven Material ausgebildet ist, das einem Widerstand pro Längeneinheit in dem Bereich von 25 GΩ/m bis 50 kΩ/m aufweist, um eine ausreichende Abschirmung des mindestens einen Orts von Quellen elektrischer Feldstörung praktisch extern der Vorrichtung auftretender Größe bereitzustellen, so dass die Quellen praktischer Größe das erfasste elektrische Feld, das an dem mindestens einen Ort erfasst wird, nicht so ändern, dass sie einen signifikanten Fehler bei dem Wert V_d für die Spannungsdifferenz V erzeugen.
Vorzugsweise liegt der Widerstand pro Längeneinheit in dem Bereich von 1 GΩ/m bis 500 kΩ/m.
Vorzugsweise reduziert die ausreichende Abschirmung den Fehler bei der bestimmten Spannung V_d auf weniger als 25 % eines Fehlers von V_d, der erhalten würde, wenn der isolierende Bereich nicht vorgesehen wäre.
Vorzugsweise reduziert die ausreichende Abschirmung den Fehler bei der bestimmten Spannung V_d auf weniger als 1 %.
Vorzugsweise reduziert die ausreichende Abschirmung den Fehler bei der bestimmten Spannung V_d auf weniger als 0,3 %.
Vorzugsweise ist der isolierende Bereich ein hohler Bereich, in dem der elektrische Feldsensor montiert ist.
Vorzugsweise ist das Material des isolierenden Bereichs Polyethylen dotiert mit Kohlenstoffschwarz.
Vorzugsweise ist der isolierende Bereich in einer Schutzhülse eingeschlossen, die den isolierenden Bereich vor der Umgebung schützt.
Vorzugsweise ist der elektrische Feldsensor ein optischer elektrischer Feldsensor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale, Gegenstände und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervortreten, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird, in denen
1 die grundsätzliche Struktur der Erfindung illustriert;
2 eine elektrische Feldsensorspannungswandler-(Electric Field Sensor Voltage Transducer = EFSVT)-Struktur der vorliegenden Erfindung illustriert, wie sie in einer Hochspannungsumspannstation installiert sein kann;
3 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Modell der Erfindung aus in Bezug auf die Admittanz idealisierten Elementen.
4 zeigt eine Auftragung der Größe der x-Komponente der elektrischen Feldverteilung eines Beispiels für den Fall einer Abstandsisolatorstruktur mit einer anliegenden Spannung von 100 kV und variierender Leitfähigkeit.
4A zeigt eine Auftragung der Phase der x-Komponente der elektrischen Feldverteilung eines Beispiels für den Fall der Abstandsisolatorstruktur mit einer anliegenden Spannung von 100 kV und variierender Leitfähigkeit.
5 ist eine Ansicht ähnlich 1 einer modifizierten Version der Erfindung, die die Verwendung einer massiven Stange (im Gegensatz zu einer hohlen Säule) zeigt, um den isolierenden Bereich auszubilden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis des Anmelders, dass eine resistive Abschirmung (Resistive Shielding = RS) bei Hochspannungsmessungen nicht nur verwendet werden kann, um Sensoren gegenüber Quellen externer Interferenz abzuschirmen, sondern auch so ausgebildet werden kann, dass sie praktisch genauso effektiv als Abschirmung wie Abschirmungen im Stand der Technik ist und weiterhin verbesserte Eigenschaften aufweist. Resistive Abschirmung (RS) basiert auf resistiven Materialien mit Leitfähigkeiten, die viel einfacher erhältlich sind als hohe Permitivitäten von Materialien, die für kapazitive oder dielektrische Abschirmung erforderlich sind. Resistive Materialien sind reichhaltig und es gibt sie in vielen Varianten, wobei dann, wenn die vorliegende Erfindung praktiziert wird, das Potential besteht, sehr dünne dehnbare Materialien zu verwenden, möglicherweise selbst eine geeignet ausgelegte halbleiffähige Farbe, die das in geeigneter Weise geformte und dimensionierte Gehäuse für den Sensor (isolierender Bereich 2, wie er unten beschrieben wird) abdeckt, was verglichen mit einer dielektrischen Abschirmung, wie sie in der Anmeldung von Jaeger et al., die oben identifiziert wurde, beschrieben ist, eine viel bessere Abschirmung und eine signifikant reduzierte Größe und ein signifikant reduziertes Gewicht bietet und was nicht auf Manipulation einer Metallelektrode basiert.
Das RS-System der vorliegenden Erfindung basiert auf dem Auswählen von resistiven Materialien, um den isolierenden Bereich 2 der Erfindung auszubilden. Die ausgewählten Materialien werden relativ geringe Leitfähigkeiten aufweisen, d. h. der isolierende Bereich 2 wird einen Widerstand pro Längeneinheit (gemessen in der Richtung zwischen den Anschlüssen der Elektroden 8 und 10 an den einander gegenüberliegenden Enden des Bereichs 2, in der illustrierten Anordnung axial von dem Rohr 2) in Ohm (Ω)/Meter (m) in dem Bereich von 25 GΩ/m bis 50 kΩ/m, mehr bevorzugt 1GΩ/m bis 500 kΩ/m, besitzen. Die Regel ist R = L·p'A, wobei R der Widerstand, p ein einheitlicher "spezifischer Widerstand", A die Querschnittsfläche und L die Länge ist (dies ist äquivalent zu G = A·σ/L, wobei G die Leitfähigkeit, σ eine einheitliche "relative Leitfähigkeit", A die Querschnittsfläche und L die Länge ist. G = 1/R und σ = 1/p). So definiert der Widerstand pro Längeneinheit des isolierenden Bereichs 2 das Produkt p/A für einen Spannungswandler mit einem isolierenden Bereich einer Länge L. Diese Regel trifft zu, wenn die Leitfähigkeit konstant ist und wenn die vertikale elektrische Feldkomponente konstant ist. Wenn die Leitfähigkeit nicht konstant ist und/oder die vertikale elektrische Feldkomponente nicht konstant ist, ist die Beziehung zwischen R, A, p und L mathematisch komplexer, aber weiterhin mit derselben Bedeutung, und diese ist, dass der Widerstand R abfällt, wenn die Querschnittsfläche A ansteigt, ansteigt, wenn der spezifische Widerstand p ansteigt, und ansteigt, wenn die Länge L ansteigt. Allgemein wird der isolierende Bereich 2 für die meisten Hochspannungsanwendungen einen Widerstand in dem Bereich von 25 GΩ bis 50 kΩ besitzen.
Die Systeme der vorliegenden Erfindung stellen Spannungsmesswerte bereit, d. h. sie bestimmen Werte V_d für die Spannung V, die so bestimmt werden, dass Fehler bei V_d relativ zu der tatsächlichen Spannung V aufgrund von Einflüssen externer Quellen klein sind, vorzugsweise kleiner als 6 %, bevorzugt kleiner als 1%, mehr bevorzugt kleiner als 0,3 % und am meisten bevorzugt kleiner als 0,1 %.
Die Grundelemente der Erfindung 1, wie sie schematisch in 1 gezeigt sind, umfassen ein inneres Rohr bzw. einen isolierenden Bereich 2 mit einer "oberen" Elektrode 8 und einer "unteren" Elektrode 10, jeweils eine an seinen axialen Enden. Es wird erkannt werden, dass der isolierende Bereich 2 mit seiner Längsachse nicht vertikal ausgerichtet werden muss. Mindestens ein elektrischer Feldsensor (EFS) 6 (nur einer ist notwendig, es können aber, falls erwünscht, mehrere verwendet werden) ist an einem ausgewählten Ort innerhalb des isolierenden Bereichs 2 angeordnet (s. die Jaeger et al. Anmeldung, auf die oben Bezug genommen wurde). Der/die EFS ist/sind über optische Faser(n) 11 an eine detektierende Einheit 12 angeschlossen. Die EFS-Messungen) wird/werden verwendet, um den Wert V_d für die Spannungsdifferenz V zwischen der Elektrode 8 und der Elektrode 10 zu bestimmen.
Wenn mehr als ein EFS verwendet wird, kann die Ausgabe jedes EFS getrennt gemessen werden und anschließend mit anderen EFS-Messungen kombiniert werden, um die Spannungsdifferenz V_d zu bestimmen, oder alle EFS können in Reihe geschaltet werden, wobei möglicherweise jeder so ausgewählt ist, dass er eine unterschiedliche Empfindlichkeit aufweist, so dass die Kombination der Messungen des elektrischen Felds physikalisch dadurch erfolgt, dass der Lichtpfad nacheinander durch die Sensoren geht, um die Spannungsdifferenz zu bestimmen, oder jede Kombination von separaten oder in Reihe geschalteten EFS, wie sie oben beschrieben wurden, kann verwendet werden, um die Spannungsdifferenz zu bestimmen (s. die Jaeger et al. Anmeldung, auf die oben Bezug genommen wurde).
In 2 ist die Erfindung schematisch gezeigt, wie sie bei einem Abstandsisolator 21 zum Messen einer Spannung Leitung zur Erde angewandt ist. Der Abstandsisolator ist durch die oben beschriebenen Grundelemente der Erfindung ausgebildet, einschließlich des Innenrohrs 2, das von einer äußeren Schutzhülse (Rohr) 3 umgeben ist, die Schuppen 4 und zur Schnittstellenbildung mit leitfähigen (typischerweise metallischen) Elementen (wie beispielsweise einem Ständer 5, der hier auch den Abstandsisolator 21 abstützt) Flansche 13 an axialen Enden aufweist. Das äußere Rohr 3 und die Schuppen 4 sind vorgesehen, um die Erfindung 1 vor der Umgebung zu schützen, während sie Isolierung und mechanische Abstützung zwischen den beiden Enden der Erfindung bereitstellen. In diesem Beispiel gemäß 2 ist der metallische Ständer 5 mit der Erde verbunden, wie schematisch bei 9 angedeutet ist, und die obere Elektrode 8 mit einer Hochspannungsleitung. Ein Coronaring 7 ist nahe der oberen Elektrode 8 aufgehängt, wo eine hohe Spannung aufgebracht wird, um die hohen elektrischen Felder zu moderieren, die ansonsten an der oberen Elektrode 8 vorliegen würden und die einen Funkenüberschlag verursachen können. Bei sehr hohen Spannungen würde die obere Elektrode 8 typischerweise elektrisch an eine Hochspannungsleitung angeschlossen, und die Erfindung 1 würde verwendet, um die Spannung Leitung zur Erde zu messen.
Der isolierende Bereich 2 kann, falls erwünscht, einstückig mit dem Schutzrohr 3 gemacht werden, anstelle einer separaten Einheit, die von dem Rohr 3 beabstandet ist. Es ist abzusehen, dass eine richtig ausgewählte halbleitfähige Farbabdeckung einer Oberfläche des Rohrs 3 verwendet werden kann, um den isolierenden Bereich 2 zu definieren.
Allgemein kann die Erfindung zwischen jeglichen zwei Leitern zwischen denen die Spannung zu messen ist, angeordnet und an diese angeschlossen werden, beispielsweise die Spannung zwischen zwei Phasen in einem 3-Phasensystem.
Bei der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, weist der isolierende Bereich 2, wie er gezeigt ist, einen hohlen rohrförmigen Bereich mit einem Außendurchmesser d₀, einem Innendurchmesser d_i einer Dicke d (d₀– d_i = 2d) und einer Länge L auf. Offensichtlich ist dann, wenn das Rohr 2 massiv (nicht hohl) ist, wie es falls erwünscht sein kann, d_i = null (0). Die Querschnittsfläche A des isolierenden Bereichs ist offensichtlich eine Funktion von d_i und d₀. Die Fläche A, die Länge L, die Leitfähigkeit σ, die Permitivität ε und die Permeabilität μ des isolierenden Bereichs 2 definieren die Admittanzabschirmung AS, und sie sind, wie unten in Bezug auf 4 und 4A diskutiert wird, gemäß der vorliegenden Erfindung in bestimmter Weise abgestimmt, so dass die Leitfähigkeit des Materials, aus dem der isolierende Bereich 2 hergestellt ist, und die Querschnittsfläche A des isolierenden Bereichs 2 von so ausgewählten Werten sind, dass sie die Struktur des elektrischen Felds beeinflussen, um damit überein zu stimmen, was für einen wirksamen Betrieb der Erfindung 1 benötigt wird.
Die Wahl von L für ein gegebenes Material, aus dem der isolierende Bereich 2 hergestellt wird, hängt von vielen Faktoren ab. Ein wichtiger Faktor ist Sicherheit. Die Länge L sollte ausreichend lang sein, um Sicherheit zu gewährleisten. Der Wert L wird so gewählt, dass das elektrische Feld überall in und um den isolierenden Bereich 2 nicht größer als die Durchschlagfestigkeit (das Zusammenbruchfeld) des vorliegenden Materials/der vorliegenden Materialien ist, und zwar unter jeglichen vernünftigen Betriebsbedingungen, wie sie durch relevante Stellen, wie das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), das American National Standards Institute (ANSI), die International Electrotechnical Commission (IEC) und/oder andere lokale und internationale Standards vorgegeben werden. Typischerweise ist die Minimallänge L des isolierenden Bereichs durch die maximale akzeptable elektrische Feldintensität (dichtere Elektroden, höhere Intensitäten) beschränkt, und die maximale Länge L des isolierenden Bereichs ist durch die gewünschte Größe und das Gewicht der Erfindung beschränkt, die vorzugsweise so klein wie möglich sind.
Die Wahl der Querschnittsfläche A (im Allgemeinen der Dicke d) für ein gegebenes Material ist ebenfalls durch viele Faktoren beschränkt. Zwei wichtige praktische Beschränkungen sind Größe und Gewicht. Die Querschnittsfläche A wird so ausgewählt, dass Größe und Gewicht für die Installationsanforderungen und die mechanische Stabilität klein genug sind.
Der isolierende Bereich 2 muss nicht rohrförmig oder gleichmäßig ausgebildet sein. Zum Beispiel kann er einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, hohl oder massiv sein, variierende Materialien (mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen) an verschiedenen Orten des isolierenden Bereichs aufweisen. Die Wahl der Form und des Materials hängt sehr stark von der Anwendung ab, und die Prinzipien, wie sie in dieser Patentanmeldung gelehrt werden, können angewandt werden, um geeignete Konstruktionen für einen isolierenden Bereich zu bestimmen, um sie bei einer bestimmen Anwendung zu verwenden. Zum Beispiel haben Simulationen gezeigt, dass ein axial symmetrisches Rohr mit in Umfangsrichtung nicht gleichmäßiger Abschirmung (variierenden spezifischen Widerständen) funktioniert, und es wird angenommen, dass eine asymmetrische axiale Ungleichmäßigkeit ebenfalls funktionieren würde; es wird angenommen, dass das, was wichtig ist, der tatsächliche Widerstand des isolierenden Bereichs und die Nähe der Abschirmung zu den Sensoren relativ zu der Nähe der Interferenzquellen zu den Sensoren sind.
Wenn eine Spannung V über eine Leitfähigkeit G angelegt wird, wird Hitze mit einer Rate von V²·G erzeugt. Das physikalische Objekt mit der Leitfähigkeit G (in unserem Fall der isolierende Bereich 2) muss diese Hitze dissipieren. Typischerweise wird die Hitze durch Mechanismen, wie beispielsweise Wärmeleitung, -konvektion und -abstrahlung in die Umgebung dissipiert, die von den physikalischen Eigenschaften und Zuständen des Objekts, beispielsweise Form, Material und Temperatur, und der Umgebung, beispielsweise Material und Temperatur, abhängen. Wenn die erzeugte Hitze nicht dissipiert werden kann, wird das Objekt überhitzen und möglicherweise zerstört werden. In dem Fall des isolierenden Bereichs müssen seine Form, seine Querschnittsfläche A, seine Länge L und seine Materialeigenschaften in einer solchen Weise ausgelegt werden, dass Überhitzen nicht auftritt, wobei die Umgebung zu berücksichtigen ist, in der er funktionieren soll, beispielsweise der Temperaturbereich.
Außerdem ist die erzeugte und dann dissipierte Hitze in dem Objekt abhängig von einer Menge an Leistung P = V²/R. In dem Fall des isolierenden Bereichs wird die Leistung den Leitern entzogen, die bezüglich der Spannungsdifferenz gemessen werden. Natürlich muss, um keine Energie zu verschwenden, diese Menge hinreichend klein gehalten werden, damit die Erfindung akzeptabel ist, so dass die maximale Leitfähigkeit auch ausreichend klein sein muss. Zum Beispiel beträgt bei einer Hochspannungsleitung mit 130 kV von der Leitung zur Erde (ungefähr 230 kV von Leitung zu Leitung) mit einem Strom von 3000 Ampere die insgesamt entlang der Leitung übertragene Leistung ungefähr P_t= 130000 × 3000 Watt (W) = 390 MW. Zum Messen der Spannung auf dieser Leitung unter Verwendung der vorliegenden Erfindung mit einem isolierenden Bereich mit R = 10 MΩ (G = 0,1μS) beträgt die dissipierte Leistung P = (130000)²/10⁷W = 1,69kW. So ist der Anteil des Leistungsverlusts P/P_t<0,0005%.
Die Admittanz einer angenommenen massiven Stange aus Material hängt direkt von der Leitfähigkeit und der Permitivität des Materials und der Querschnittsfläche der Stange (abhängig von "d₀" und "d_i") ab und ist umgekehrt proportional zur Länge der Stange (abhängig von "L"). Es ist deshalb möglich, durch Variieren der Geometrie der Stange eine bestimmte Admittanz zu erhalten, was das ist, was äquivalent in bestimmtem Stand der Technik getan wird, bei dem das Äquivalent zu der Stange aus Luft besteht und die Elektrodengeometrien an den Enden der Stange variiert werden, wobei sie beispielsweise sehr dicht zusammengebracht werden und die Stange sehr kurz gemacht wird, bis eine Admittanz zwischen den Elektroden groß genug ist, um eine ausreichende Abschirmung bereitzustellen. Alternativ kann, wie in der Anmeldung von Jaeger et al., auf die oben Bezug genommen wurde, gelehrt wird, die Permitivität erhöht werden. Tatsächlich können sowohl die Permitivität als auch die Leitfähigkeit zusammen erhöht werden, um die Abschirmung zu verbessern.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Anstieg bei der Leitfähigkeit verwendet, was es erlaubt, einen Vorteil zwischen dem Variieren der Geometrie und dem Variieren der Materialleitfähigkeit auszunutzen. So müssen bei der resistiven Abschirmung der vorliegenden Erfindung weder die Elektroden nah aneinander herangebracht werden (was die Verwendung von spezieller Isolierung verlangt), noch muss die Querschnittsfläche des isolierenden Bereichs 2 erhöht werden (was in größere Größe und höheres Gewicht resultiert), stattdessen nutzt die vorliegende Erfindung die Flexibilität beim Ändern der Materialeigenschaften des isolierenden Bereichs 2, konkret seiner Leitfähigkeit, aus.
Wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der Oberseite 8 und der Unterseite 10 des isolierenden Bereichs 2 angelegt wird, z. B. wenn 8 elektrisch an Hochspannung und 10 an Erde angeschlossen wird, verursacht das Material, aus dem 2 ausgebildet ist eine strukturierte elektrische Feldverteilung in und um 2. Wenn die Leitfähigkeit G des isolierenden Bereichs 2 der Erfindung 1 erhöht wird, was durch Verwenden eines Materials mit einer höheren Leitfähigkeit σ bewirkt werden kann, ändern sich die Strukturen der Größe und der Phasenverteilung der x-Komponente (Axialkomponente relativ zur Längsachse des Rohrs 2) des elektrischen Felds, d. h. die Größenverteilung ändert sich so, dass sie gleichmäßiger wird, was durch die Resultate bestätigt wird, die in den 4 und 4A aufgetragen sind (vgl. G = 0 Siemens (S) mit G = 10 nS).
Ein Beispiel eines potentiell nützlichen resistiven Materials, das den isolierenden Bereich ausbildet, ist Polyethylen dotiert mit Kohlenstoffschwarz. Unterschiedliche Leitfähigkeit können durch Variieren des Dotierungsniveaus an Kohlenstoffschwarz erreicht werden. Z. B. kann ein dünner Film (ungefähr 0,1 mm dick) aus Polyethylen, das Kohlenstoffschwarz gleichmäßig darin verteilt auf Niveaus enthält, die von 40 bis 50 von hundert Teilen reichen, und könnte für eine gute resistive Abschirmung bei einem elektrischen Feldsensorspannungswandler (EVSVT) der 230 kV-Klasse entlang der Innenseite der Schutzhülse (des Schutzrohrs) 3 angeordnet werden.
Obwohl das System mit Leitfähigkeit G = 0 funktionieren würde und immer noch eine Spannung basierend auf der/den EFS-Messungen) bestimmen würde, könnte die bestimmte Spannung ungenau sein, wenn die elektrische Feldverteilung signifikant verändert wird, siehe die Jaeger et al. Anmeldung, und/oder die EFS-Messungen) ändert/ändern sich in der Anwesenheit von externen Quellen elektrischer Feldinterferenz (unzureichende Abschirmung). Die Gesamtgenauigkeit des Systems steigt an, wenn die Größenordnung der Admittanz größer ist, d. h. wenn die Feldverteilung weniger durch äußere Einflüsse beeinflusst ist. Typische externe Einflüsse umfassen die Anwesenheit von anderen Leitern auf unterschiedlichen Potentialen und die Effekte von Verunreinigungen auf dem und um das externe(n) Rohr 3 und seinen Schuppen 4 und anderen nahe liegende Strukturen, leitfähig oder nicht leitfähig, mobil oder stationär. Typischerweise sind diese Effekte vieler dieser Einflüsse nicht so ernst, da andere Strukturen üblicherweise in Abständen angeordnet sind, die aus Sicherheitsgründen groß genug sind und unter Anwendung verschiedener relevanter IEEE-, ANSI-, IEC- und/oder anderer Standards oder Richtlinien für jede Spannungsklasse festgelegt werden.
Die vorliegende Erfindung ist eine signifikante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik, indem durch Erhöhen der Konduktivität σ des Materials, das den isolierenden Bereich 2 ausbildet, was die Leitfähigkeit G des isolierenden Bereichs 2 erhöht, die Gesamtgenauigkeit des Systems erreicht wird, d. h. ausreichende Admittanzabschirmung bewirkt wird. Am Wichtigsten ist, dass L gewählt werden kann, um groß genug zu sein, hohe Intensitäten elektrischen Felds aufgrund von Leitern in großer Nähe zu verhindern, und deshalb die Notwendigkeit für eine spezielle Isolierung beseitigt, was in einen einfacheren, sichereren Spannungswandler resultiert. Z. B. kann für einen 230 kV EFSVT die Leitfähigkeit G des isolierenden Bereichs 2 10 nS (1×10^–8S) für einen isolierenden Bereich 2 betragen, der 2,07 m lang ist (gemessen parallel zu der Längsachse des isolierenden Bereichs 2).
Eine endliche Anzahl von elektrischen Feldsensoren (EFS) wird in dem isolierenden Bereich 2 angeordnet werden, wobei die Gesamtanzahl der EFS, die in dem isolierenden Bereich 2 angeordnet werden, z. B. so hoch wie 200 gesetzt werden kann, aber typischerweise nicht 9 überschreitet und normalerweise kleiner als 6 sein wird. Die Anzahl der EFS kann gewählt werden, wie in der Jaeger et al. Patentanmeldung beschrieben ist, auf die oben Bezug genommen wurde.
Die bevorzugten Formen von EFS sind kleine optische EFS, wie beispielsweise EFS mit integrierter Optik (Integrated Optics Electric Field Sensors = IOEFS), noch spezifisch Pockels-Zellen mit integrierter Optik (Integrated Optics Pockels Cell (IOPC), EFS, wie sie in dem Jaeger-Patent beschrieben sind, auf das oben Bezug genommen wurde, und Pockelszellen mit kleinformatiger Optik. Andere geeignete EFS können verwendet werden. Z. B. können Feldsensoren vom Mach-Zehnder-Typ verwendet werden, wie jene mit Domaininversion in einem Zweig (s. z. B. N.A.F. Jaeger und L. Huang "Push-Pull Integrated-Optics Mach-Zehnder Interferometer with Domain Inversion in One Branch" Optics Letters, Vol. 20, No. 3, Seiten 288–290, Februar 1995, oder ein Sensor, wie er in dem US-Patent 5,267,336, am 30.11.1993 herausgegeben an Sriram et.al. beschrieben ist).
Andere EFS-Beispiele können gefunden werden in den US-Patenten: 4,929,830 "Fiber-optic electric field sensor with piezoelectric body sensor", herausgegeben am 29.05.1990 an K. Bohnert, M. Kaufmann und J. Nehring; 5,053,694 "Device for measuring an electric Field", herausgegeben am 01.10.1991 an K. Bohnert und J. Nehring; 5,053,693 "Fibreoptical sensor" herausgegeben am 01.10.1991 an K. Bohnert und W. Buser; 5,475,773 "Fiber-optic quartz voltage sensor", herausgegeben am 12.12.1995 an M. Ingold, und 5,731,579 "Electro-optical voltage sensor head", herausgegeben am 24.03.1998 an G. K. Woods. Ein anderes EFS-Beispiel kann gefunden werden in "Application of an Electro Optic Voltage Transducer at 345 kV" präsentiert durch S. Weikel und G. Stranovsky auf dem EPRI Optical Sensors for Utility T&D Applications Workshop, Portland, Oregon vom 20. bis 21. 07.1995.
Weiterhn ist "wesentlich", so wie in dieser Anmeldung verwendet, oder sind andere Wörter, wie beispielsweise "signifikant" oder "ausreichend", unter Verwendung geeigneter IEEE-, ANSI-, IEC- und/oder anderer Standards und Richtlinien definiert, die für die spezifische Anwendung verfügbar sind. Z. B. müssen Spannungswandler zum Messen von Umsatz in Nordamerika typischerweise einen Fehler von < 0,3 % aufweisen, d. h. eine Angabe "ändert nicht ..., so dass ein signifikanter Fehler bei der bestimmten Spannungsdifferenz V_d erzeugt wird," bedeutet, dass "die bestimmte Spannungsdifferenz (V_d) innerhalb von +/– 0,3 % der tatsächlichen Spannungsdifferenz (V) liegt". Es ist klar, dass für anderen Anwendungen oder anderen Standards die Begriffe "wesentlich" oder "ausreichend" oder "signifikant" anderen numerischen Werten entsprechen.
Ein anderes Beispiel ist ein Spannungswandler, der den der Klasse 3P zugrundeliegenden Standard gemäß IEC-Standard 60044-2 (1997-02) zu erfüllen hat; generell ist es dem Spannungswandler erlaubt, einen +/– 3% Fehler beim Messen der Spannungsgröße und einen Phasenwinkelfehler von +/– 2° beim Messen der Phase der Leistungswechselspannung, typischerweise ein 60 Hz- oder 50 Hz-Signal, aufzuweisen (selbstverständlich gibt es viele andere Anforderungen in dem Standard, die aber ohne Belang für dieses kurze Beispiel sind); so dass in diesem Fall die Angabe "ändert nicht..., so dass ein signifikanter Fehler bei der bestimmten Spannungsdifferenz V_d erzeugt wird," bedeutet, dass "die Größe der bestimmten Spannungsdifferenz (V_d) innerhalb von +/– 3 % der tatsächlichen Größe von V und der Phasenwinkel der bestimmten Spannungsdifferenz (V_d) innerhalb von +/– 2° des tatsächlichen Phasenwinkels liegt"; mit anderen Worten bedeutet dies, dass "der Spannungswandler alle Klasse 3-P Genauigkeitsanforderungen gemäß dem IEC-Standard 60044-2 (1997-02) erfüllt". Im Allgemeinen beziehen sich "wesentliche" Änderungen oder Fehler auf eine Änderung oder einen Fehler, der für den Verwender der Ausrüstung nicht akzeptabel ist, soweit die relevante Anwendung/die relevanten Anwendungen oder der relevante Fall/die relevanten Fälle oder die relevante Anforderung/die relevanten Anforderungen betroffen sind. Mit anderen Worten bedeutet "ausreichende Genauigkeit" "ausreichend kleiner Fehler", so dass die Anforderungen des Benutzers in Bezug auf die Genauigkeit der Vorrichtung erfüllt werden. Andere Begriffe, wie sie in diesem Patent verwendet werden, wie beispielsweise "ausreichendes Screening", sind in gleicher Weise zu interpretieren. In der Hochspannungs- oder Energieindustrie werden diese Genauigkeits anforderungen oft durch technische Autoritäten, wie jene, die oben erwähnt sind, empfohlen oder gesetzt.
Wie oben angegeben ist, wird Abschirmung so angewendet, dass der isolierende Bereich 2 den Fehler bei V_d reduziert, so dass er vorzugsweise kleiner als 25 % des Fehlers bei V_d ist, der erhalten würde, wenn keine Abschirmung bereitgestellt würde, in absoluten Zahlen wird die Abschirmung bereitgestellt, um den Fehler vorzugsweise auf weniger als 6 %, mehr bevorzugt auf weniger als 1 % und mehr bevorzugt auf weniger als 0,3 % zu reduzieren, wie oben beschrieben wurde.
Die Erwägungen für die Verwendung dieses Typs von Wandlern werden jetzt beschrieben.
Designkonzepte für EVSVT
Die Ausgabe eines EVS ist eine Maß der Intensität einer bestimmten Komponente des elektrischen Felds innerhalb des EVS; siehe z. B. N. A. F. Jaeger und F. Rahmatian, "Integrated Optic Pockels Cell High-Voltage Sensor", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 10, No. 1, Seiten 127–134, Januar 1995. Es ist erwünscht, diese Sensorfähigkeit zu nutzen, um die Spannung zwischen der oberen Elektrode 8 und der unteren Elektrode 10 der vorliegenden Erfindung zu messen; beispielsweise die Leitung zur Erde Spannung bei einer Hochspannungsleitung, die an die obere Elektrode 8 angeschlossen ist, wenn der Ständer und die untere Elektrode 10 geerdet sind.
Konkreter ist es, da die elektrischen Felder, die durch geladene Elektroden induziert werden, direkt von dem Potential an den Elektroden abhängig sind, plausibel, einen oder mehrere elektrische Feldsensoren an einem oder mehreren Punkten in dem Raum innerhalb des isolierenden Bereichs 2 zu verwenden, um die Spannungsdifferenz zwischen beiden Enden abzuleiten (s. die Jaeger et al. Anmeldung, auf die oben Bezug genommen wurde).
Admittanzabschirmung (AS)
Bei Anwendung der Erfindung mit der Intention, eine Spannung zwischen zwei Punkten eines Hochspannungsleitungssystems zu messen, könnte ein geeigneter EFS verwendet werden, der in geeigneter Weise irgendwo in einer Abstandsisolatorstruktur 21 befestigt an der Hochspannungsleitung angeordnet ist. Der Abstandsisolator 21 wird durch die Grundelemente der Erfindung 1 gebildet, einschl. des inneren Rohrs 2, das von einem äußeren Schutzrohr 3 mit Schuppen 4 und Flanschen 13 an den axialen Enden zur Schnittstellenbildung mit leitfähigen (typischerweise metallischen) Elementen, wie beispielsweise dem Ständer 5, der in diesem Fall auch die Erfindung 1 abstützt, umgeben ist. Die EFS-Ausgabe(n) wird/werden verwendet, um die Spannung auf der Hochspannungsleitung abzuleiten. Da die EFS-Ausgabe von dem elektrischen Feld abhängt, muss die Abstandsisolatorstruktur 21 in solcher Weise modifiziert werden, dass sie die Kopplungseffekte von anderen Hochspannungsleitungen und jeglichen anderen Strukturen in der Nähe reduziert.
Bei Verwendung der Erfindung kann ein System ausgelegt werden, um jegliche vernünftige Spannung zu messen. Die ökonomischen (und Sicherheits-) Vorteile werden, d. h. der praktische Verwendungsbereich wird bei höheren Spannungen in dem Bereich von einigen 1000 Volt liegen.
Das quasistatische elektromagnetische Feld, das in jedem Raum existiert, der mindestens eine elektrische Quelle enthält, kann ungefähr durch ein Netzwerk von Knoten, die lokal durch passive Schaltungselemente verbunden sind, einschl. Kapazitäten, Induktivitäten und Leitfähigkeiten, und mindestens eine Ersatzstrom- oder -spannungsquelle wiedergegeben werden (s. D. M. Pozar, Microwave Engineering, Addison-Wesley, 1990 bezüglich der Details). Jeder Knoten gibt einen Punkt im Raum wieder und ist mit anderen Knoten verbunden, die benachbarte Punkte im Raum wiedergeben. Die Spannung an jedem Knoten gibt das elektrische Potential an dem entsprechenden Punkt im Raum wieder.
Das in 3 angegebene Modell 3 ist, wenn auch vereinfachend, beim Beschreiben bestimmter Merkmale des Admittanzabschirmungskonzepts hilfreich. Wie in 3 gezeigt ist, kann der Abstandsisolator 21 ungefähr als ein idealisiertes lineares Admittanznetzwerk aus N gestapelten Einheiten modelliert werden. Jede Einheit hat eine Eigenadmittanz in der Mitte Y_c, eine Mitte-zu-isolierendem Bereich-Admittanz Y_i, eine isolierender Bereich-Eigenadmittanz Y_i, eine intern-zu-extern-Kopplungsadmittanz Y_ie, eine externe Eigenadmittanz Y_p, eine Erdadmittanz Y_g, eine Leitungsadmittanz Y_l und eine externe Leitungs- und Quellenadmittanz Y_s. Ein EFS, beispielsweise eine IOPC, ist physikalisch innerhalb des isolierenden Bereichs 2 angeordnet und misste effektiv den Gradienten der elektrischen Potentialverteilung, die entlang der Mitte des isolierenden Bereichs 2 vorliegt und die durch die Spannungen der inneren Knoten der Einheiten wiedergegeben wird, die die Eigenadmittanzen der Mitten Y_c verbindet. Von der Eigenadmittanz Y des isolierenden Bereichs 2 ist es bekannt, dass sie eine Funktion der N Eigenadmittanzen Y_i ist.
In 3 ist der Abstandsisolator 21 als eine Zusammensetzung von einzelnen vertikal gestapelten Einheiten betrachtet. Y_c gibt die Eigenadmittanz einer Raumregion entlang der Mitte einer Einheit wieder und da diese Region typischerweise durch Luft belegt ist, ist Y_c im Wesentlichen kapazitiv. Y_i gibt die Eigenadmittanz der Materialregion des isolierenden Bereichs 2 in einer Einheit wieder. Y_p gibt die Eigenadmittanz der Region des Materials des externen Rohrs 3, des Materials der Schuppen 4 und von möglicherweise existierendem Verunreinigungsmaterial in einer Einheit wieder. Abhängig von jedem dieser Materialien ist jede der zugehörigen Admittanzen (Y_c, Y_i, Y_p) eine Leitfähigkeit, eine Kapazität, eine Induktivität oder eine Kombination von diesen. Y_ci gibt die Kopplung zwischen den Raumregionen entlang der Mitte einer Einheit und dem isolierenden Bereich 2 in der Einheit wieder. Y_ii gibt die Kopplung zwischen dem isolierenden Bereich 2 in einer Einheit und dem externen Rohr 3, den Schuppen 4 und möglicherweise existierenden Verunreinigungen in der Einheit wieder. Y_g, Y_l und Y_s geben die Kopplung zwischen dem externen Rohr 3, den Schuppen 4 und möglicherweise in einer Einheit vorliegenden Verunreinigung mit der Erde, der zu messenden Hochspannungsleitung bzw. anderen Leitungen und Quellen mit einem effektiven Wert V' wieder. Y_ei, Y_ie, Y_g, Y_l und Y_s sind primär Kapazitäten (Luftkopplung). Außerdem sind – außer bei sehr hohen Frequenzen – die oben erwähnten Induktivitäten vernachlässigbar klein.
Z. B. muss, um einen EFS zum Messen der Leitungsspannung zu verwenden, eine feste 1:1-Relativbeziehung zwischen der Spannungsverteilung an dem EFS-Ort und der Leitungsspannung erreicht werden. Dies kann durch Sicherstellen verwirklicht werden, dass die Größen der Eigenadmittanzen Y_i des isolierenden Bereichs viel größer sind als jene jeglicher anderer Admittanzen, die variabel sein können, z. B. der Admittanzen Y_p, Y_g und Y_l. In diesem Fall ist der Strom von der Leitung zur Erde primär auf die internen Zweige der Einheit beschränkt, wobei jegliche Änderungen bei den anderen Admittanzen einen vernachlässigbaren Einfluss auf die interne Stromverteilung aufweisen. Es folgt, dass die Spannungsverteilung in der Mitte auch aufgrund externer Admittanzveränderungen unverändert bleibt, und dass die 1:1-Relativbeziehung zwischen der Messung des Spannungsgradienten, die mit dem EFS durchgeführt wird, und der Leitungsspannung fest bleibt. Änderungen bei Y_g, Y_l und Y_s sind primär kapazitiv und stellen Änderungen beim Ort und der Form von externen elektrischen Strukturen, z. B. Übertragungsbussen, Transformatoren und der Atmosphäre dar, während Änderungen bei Y_p primär konduktiv sind und Änderungen bei den Zuständen der Schuppenoberflächen aufgrund der Einführung von Wasser, Eis oder anderen Verunreinigungen darstellen. Ein Herabsenken der Größen der intern-zu-extern-Kopplungsadmittanzen Y_ie, die primär kapazitiv sind, verbessert die elektrische Isolierung der inneren Feldverteilung gegenüber externen Verunreinigungen und kann durch Erhöhen des äußeren Durchmessers des externen Rohrs 3 und/oder Reduzieren des äußeren Durchmesser d₀ des inneren Rohrs 2 bewirkt werden.
Gemäß dem idealisierten Admittanzmodell kann Y in der Größe erhöht werden, um die Isolation zu verbessern und um externe Kopplungseffekte in der Region zu reduzieren. Fünf Parameter des isolierenden Bereichs 2 können variiert werden, um die Größe der Admittanz Y zu erhöhen:

(1) die Länge L,
(2) die Querschnittsfläche A,
(3) die spezifische Leitfähigkeit σ
(4) die relative Permetivität ε,
(5) die relative Permeabilität μ.

Für jeden isolierenden Bereich 2, der aus einem Material mit festen elektrischen Eigenschaften besteht, ergeben eine kürzere Länge L und/oder eine größere Querschnittsfläche A des isolierenden Bereichs 2 (s. 1 und 2) grundsätzliche eine kleinere Impedanz und deshalb ein größeres Y. Für jeden isolierenden Bereich 2 von fester Geometrie ergeben eine höhere spezifische Leitfähigkeit σ, eine höhere Permetivität ε und/oder eine geringere Permeabilität μ des isolierenden Bereichs 2 grundsätzlich auch ein größeres Y. In der Praxis erlaubt das Variieren von σ, wie es durch die vorliegende Erfindung gelehrt wird, eine große Flexibilität beim Erreichen eines gewünschten Y. Zudem hängt die Wahl der Werte der Parameter (1) bis (5) von Überlegungen ab, wie beispielsweise den Genauigkeits- und Sicherheitsanforderungen an dem Spannungssensor. Gemäß dem idealisierten Admittanzmodell und um die Y_ie zu reduzieren, sollte das Material hoher Admittanz des isolierenden Bereichs 2 stärker in der Mitte konzentriert sein, was die Isolation des Felds in der Mitte gegenüber Streufeldeffekten verbessern.
Die geeignete Designprozedur umfasst das Modellieren der Spannungssensorsäule, das Berücksichtigen der Beschränkungen aufgrund unterschiedlicher relevanter Standards (wie jene, die oben erwähnt wurden), das Berücksichtigen der Genauigkeitsanforderungen und das Berücksichtigen der Verfügbarkeit von geeigneten Materialien, deren elektrischen Eigenschaften, deren Gewichts, deren Wärmeerzeugung und -dissipation und deren Kosten, um einen ökonomischen, (für die vorgesehene Anwendung) genauen und sicheren Spannungssensor bereitzustellen.
Beispiele – EFSVT-Testsimulationen
In dem folgenden Beispiel wird die Leistungsfähigkeit eines EFSVT-Abstandsisolators (insbesondere des isolierenden Bereichs 2 des Abstandsisolators 21) beschrieben und durch Simulation ausgewertet. Die EFSVT-Struktur ist in 2 gezeigt.
Der spezielle Abstandsisolator, der zu analysieren ist, weist eine Höhe L_c = 2245 mm auf und wird von einem geerdeten Ständer mit einer Höhe L_s = 2 m und einem Durchmesser d_s = 400 mm abgestützt. Weiterhin weist er einen Coronaring mit einem Innendurchmesser von 539 mm und einem Außendurchmesser von 671 mm an der Basis der oberen Elektrode auf. Es gibt 45 Gummischuppen; ein äußeres Fiberglasrohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm und einem Außendurchmesser von 312 mm; einen inneren isolierenden Bereich 2, ein Rohr mit einem Innendurchmesser d_i = 198 mm und einem Außendurchmesser d₀ = 206 mm; und einen Abstand Elektrode-zu-Elektrode L = 2070 mm. Hier werden verschiedene EFSVT-Beispiele angegeben, mit unterschiedlichen Widerständen des inneren Rohrs von ∞, 10¹², 10⁹, 10⁸, 5×10⁷ und 10⁶ Ω. Die relativen Permitivitäten des inneren und äußeren Rohrs sind 5, und die relative Permitivität des umgebenden Mediums ist 1 (Luft). Diese Widerstände entsprechen Leitfähigkeiten von null, 1 pS, 1 nS, 10 nS, 20 nS bzw. 1 μS. In allen Beispielen wird angenommen, dass ein einziger EFS, der die Komponente E_x des elektrischen Felds misst, die parallel zu der Achse des isolierenden Bereichs an einem Punkt im Raum verläuftt, auf halber Strecke zwischen der oberen und der unteren Elektrode auf der Mittelachse angeordnet ist.
Für eine Spannung, die an jeden EFSVT angelegt wird, wird das elektrische Feld E um den Abstandsisolator unter Verwendung der Methode der finiten Elemente berechnet.
Testsimulationen werden durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit des EFSVT-Designs in unterschiedlichen Umgebungen zu messen. Der Spannungswandler wird verwendet, um die Spannung zwischen der oberen und unteren Elektrode zu messen, wobei die untere Elektrode als Referenz verwendet wird. Die angelegte Spannung ist sinusförmig mit einer Frequenz von 60 Hertz. Die Spannungsphase wird willkürlich als Referenz für die Phaseninformation verwendet, die bei diesem Beispiel angegeben ist (s. die Tabellen).
In dem ersten Fall wird eine Schicht Wasser, die sich auf den Schuppen befindet und eine gleichmäßige Dicke von 0,25 mm aufweist, für jeden EFSVT simuliert, mit variierendem Grad an Wasserverunreinigung, der durch spezifische Widerstände von 10⁸ Ω-cm, 10⁵ Ω-cm und 100 Ω-cm wiedergegeben wird. Dieser Fall wird für Widerstände des isolierenden Bereichs von ∞, 10¹², 10⁹, 10⁸, 5×10⁷ und 10⁶ Ω simuliert.
In dem zweiten Fall werden durch Entfernen des Anteils der Wasserschicht im Fall 1, der die oberen fünf Schuppen abdeckt (Schuppe Nr. 5 bis Schuppe Nr. 45, gezählt von unten), Trockenbandbedingungen nahe der Spitze des Abstandsisolators für jeden EFSVT mit variierenden Niveaus an Wasserverunreinigung simuliert, die durch spezifische Widerstände von 10⁸ Ω-cm, 10⁵ Ω-cm und 100 Ω-cm wiedergegeben werden. In dem dritten Fall werden durch Entfernen des Anteils der Wasserschicht im Fall 1, der die Schuppen Nr. 12 bis Nr. 16 abdeckt, Trockenbandbedingungen nahe dem unteren Ende des Abstandsisolators für jeden EFSVT mit variierendem Grad an Wasserverunreinigung simuliert, die durch spezifische Widerstände von 10⁸ Ω-cm, 10⁵Ω-cm und 100 Ω-cm wiedergegeben werden. Diese zwei Fälle werden für Widerstände des isolierenden Bereichs von unendlichem Widerstand, 100 MΩ und 50 MΩ simuliert.
Da die Frequenz bei einer einzigen Frequenz von 60 Hz für all diese Fälle fixiert ist, kann die gemessene bzw. bestimmte Spannung V_d durch eine Amplitude und eine Phase wiedergegeben werden. Obwohl die Ausgabe des Spannungswandlers im Allgemeinen einen sofortigen Ablesewert der Spannung ergibt, der über die Zeit konstant ist.
Allgemein gesprochen sind für ein lineares Medium, bei dem die elektrischen Eigenschaften des Mediums keine Funktionen des elektrischen Felds E sind, wenn die Spannungsquellen, die das Medium beeinflussen, zur Zeit sinusförmig mit einer Frequenz sind, alle Komponenten von E zur Zeit mit derselben Frequenz sinusförmig. So ist E_x sinusförmig mit einer Frequenz von 60 Hz und kann ebenfalls durch eine Größe und Phase wiedergegeben werden.
Allgemein kann die gemessene Spannung V_d aus den EFS-Ausgaben bestimmt werden zu
wobei E_x,i die Ausgabe des i-ten EFS, C_i die Kalibrierungskonstante und/oder der Verstärkungsfaktor des i-ten EFS und n die Gesamtanzahl der EFS ist, wie in der Anmeldung von Jaeger et al. beschrieben ist, worauf oben Bezug genommen wurde. Zum Beispiel vereinfacht sich dieser Ausdruck zu Vd = CEx,wobei C eine Kalibrierungskonstante mit einer Größenkomponente und einer Phasenkomponente ist. Zudem wird der Fehler zwischen der tatsächlichen Spannung V, die anliegt, und der gemessenen Spannung V_d in Form eines Amplitudenfehlers und eines Phasenfehlers ausgedrückt werden.
Es sollte bemerkt werden, dass die Größe C eine Proportionalitätskonstante ist und basierend auf der anliegenden Spannung, die zu messen ist, bestimmt wird; in den Beispielsfällen kümmern wir uns um normalisierte oder prozentuale Fehler, und wir beschäftigen uns nicht mit der aktuellen Spannungsklasse. Zudem sind die angegebenen prozentualen bezogen auf die (ein Prozentsatz der) Größe des anliegenden Spannungssignals.
Tabelle 1 zeigt Resultate für die Simulationen des Falls 1. Es kann anhand dieser Resultate beobachtet werden, dass allgemein, wenn der Widerstand des isolierenden Bereichs abfällt, der Amplitudenfehler, der durch die Anwesenheit der gleichmäßigen Wasserschicht, die auf den Schuppen vorliegt, signifikant abfällt. Der Phasenfehler fällt auch mit abfallendem Widerstand des isolierenden Bereichs für Widerstände des isolierenden Bereichs unterhalb von 1GΩ, d. h. für Leitfähigkeiten des Isolationsbereichs > 1 nS, ab.
Tabelle 2 und Tabelle 3 zeigen Resultate für den Fall 2 bzw. den Fall 3. Zudem fokussieren sich die Testsimulationen hier auf Widerstände des inneren Rohrs von 50 MΩ und 100 MΩ, da sie in dem Bereich des niedrigsten zulässigen Widerstandswerts für praktische Hochspannungsanwendungen von Spannungswandlern der 230 kV-Klasse liegen. Die Auswirkungen der Trockenbandbedingungen werden hier studiert, da von ihnen erwartet wird, dass sie praktisch einige der schlimmsten Fälle in Bezug auf die Auswirkungen von externen Ursachen darstellen, die das elektrische Feld innerhalb des isolierenden Bereichs stören. Erneut werden stark reduzierte Fehler bei der Phase und der Amplitude aufgrund eines abnehmenden Widerstands des isolierenden Bereichs in den Tabellen evident.
Zu allen obigen Fälle sollte bemerkt werden, dass das Vorliegen einer gleichmäßigen Schicht aus kontaminiertem Wasser mit einer Dicke von 0,25 mm und einem Widerstand von 100 Ω-cm ein sehr extremer Fall ist, der vorgesehen ist, um ein Szenario zu simulieren, das signifikant schlimmer ist als die meisten realen Szenarios.
Tabelle 1. EFSVT-Simulationsresultate für eine vollständige gleichmäßige Wasserablagerung.
Tabelle 2. EFSVT-Simulationsresultate für eine gleichmäßige Wasserablagerung und ein oberes Trockenband.
Tabelle 3. EFSVT-Simulationsresultate für eine gleichmäßige Wasserablagerung und ein unteres Trockenband.
Die obigen Fälle und Tabellen zeigen eine Situation, in der ein EFS-Sensor zusammen mit RS zur Spannungsmessung verwendet wird. Es wird aus der in dieser Anmeldung gegebenen Beschreibung evident, dass, wenn mehrere EFS, beispielsweise wie in der Jaeger et al. Anmeldung beschrieben, zum Bestimmen der Spannungsdifferenz verwendet werden, die resistive Abschirmung die Genauigkeit durch ihren Glättungseffekt auf die elektrische Feldverteilung weiter verbessern kann, siehe beispielsweise 4, so dass, wenn Verfahren wie jene, die in der Jaeger et al. Anmeldung beschrieben sind, verwendet werden, der Effekt externer Einflüsse auf die bestimmte Spannungsdifferenz weiter differenziert wird. Zum Beispiel kann das vereinfachte Modell, das in 3 angegeben ist, verwendet werden, um zu zeigen, dass, wenn Y_i relativ groß ist, beispielsweise wenn eine signifikante resistive Abschirmung vorliegt, der Effekt externer Einflüsse auf die elektrische Feldverteilung innerhalb der resistiven Abschirmung, d. h. in der Säulenmitte kleiner ist, verglichen mit dem Fall, in dem Y_i relativ klein ist.
Nachdem die Erfindung beschrieben wurde, werden dem Fachmann Modifikationen deutlich werden, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie sie in den angehängten unabhängigen Ansprüchen definiert sind.

Claims

Vorrichtung (1) zum Messen von Spannung in einer Hochspannungsumgebung mit: einem elektrisch isolierenden Bereich (2); einem Paar von voneinander beabstandeten Leitern, die an einen ersten bzw. zweiten Anschluss (8, 10) angeschlossen sind, zwischen welchen eine Spannungsdifferenz V zu bestimmen ist, wobei sich ein erster der Leiter an dem ersten Ende des isolierenden Bereichs und ein zweiter der Leiter (10) entfernt von dem ersten Ende an dem zweiten Ende des isolierenden Bereichs befindet, wobei die Enden vorgesehen sind, elektrisch mit dem ersten bzw. zweiten Anschluss verbunden zu werden; mindestens einem elektrischen Feldsensor (6), der elektrisches Feld an mindestens einem Ort innerhalb oder in der Nähe des isolierenden Bereichs erfasst; und einem Detektor (12) zum Bestimmten eines Werts V_d für die Spannungsdifferenz V basierend auf dem elektrischen Feld, das von dem mindestens einen elektrischen Feldsensor erfasst wird; wobei der isolierende Bereich (2) eine ausgewählte elektrische Widerstandscharakteristik aufweist, so dass er eine ausreichende Abschirmung für den mindestens einen Ort darstellt, um so jeglichen Fehler bei V_d zu reduzieren, der anderenfalls in der Abwesenheit des isolierenden Bereichs aufgrund jeglicher externer elektrischer Feldstörquellen auftreten würde.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die ausgewählte Widerstandscharakteristik des isolierenden Bereichs (2) derart ist, dass sie einen Widerstand pro Längeneinheit in dem Bereich zwischen 25 GΩ/m und 50 kΩ/m zwischen dem Paar von einander beabstandeten Leitern aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die ausgewählte Widerstandscharakteristik des isolierenden Bereichs (2) derart ist, dass sie einen Widerstand in dem Bereich zwischen 25 GΩ und 50 kΩ zwischen dem Paar von voneinander beabstandeten Leitern aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die ausgewählte Widerstandscharakteristik des isolierenden Bereichs (2) derart ist, dass sie einen Widerstand pro Längeneinheit in dem Bereich zwischen 1 GΩ/m und 500 kΩ/m zwischen dem Paar von voneinander beabstandeten Leitern aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ausgewählte Widerstandscharakteristik des isolierenden Bereichs (2) derart ist, dass sie jeglichen Fehler bei V_d auf weniger als 25 % des Fehlers reduziert, der anderenfalls in der Abwesenheit des isolierenden Bereichs auftreten würde.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die ausgewählte Widerstandscharakteristik des isolierenden Materials (2) derart ist, dass sie jeglichen Fehler bei V_d auf weniger als 6 % des Fehlers reduziert, der anderenfalls in der Abwesenheit des isolierenden Bereichs auftreten würde.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die ausgewählte Widerstandscharakteristik des isolierenden Bereichs (2) derart ist, dass sie jeglichen Fehler bei V_d auf weniger als 1% des Fehlers reduziert, der anderenfalls in der Abwesenheit des isolierenden Bereichs auftreten würde.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die ausgewählte Widerstandscharakteristik des isolierenden Bereichs (2) derart ist, dass sie jeglichen Fehler bei V_d auf weniger als 0,3 % des Fehlers reduziert, der anderenfalls in der Abwesenheit des isolierenden Bereichs auftreten würde.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der isolierende Bereich (2) hohl ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der isolierende Bereich (2) aus einem mit Kohlenstoffschwarz dotierten Polyethylen besteht.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin eine Schutzhülse (3) zum Schützen des isolierenden Bereichs (2) gegenüber der Umgebung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der elektrische Feldsensor (6) ein optischer elektrischer Feldsensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der isolierende Bereich (2) ein hohler Rohrwiderstand ist und wobei der mindestens eine elektrische Feldsensor (6) innerhalb des hohlen Rohrwiderstands angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine hohle Isolatorsäure zum Abstützen des ersten und zweiten Anschlusses (8, 10) aufweist, wobei der isolierende Bereich (2) und der mindestens eine elektrische Feldsensor (6) innerhalb der hohlen Isolatorsäule angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der isolierende Bereich (2) eine resistive Beschichtung auf einer Oberfläche der hohlen Isolatorsäure aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin eine Mehrzahl der elektrischen Feldsensoren (6) umfasst, die in dem isolierenden Bereich (2) zwischen den ersten und dem zweiten voneinander beabstandeten Leitern angeordnet sind, wobei der Detektor (12) den Wert V_d, der die Spannung V zwischen den ersten und dem zweiten voneinander beabstandeten Leitern anzeigt, als Funktion des elektrischen Feldausgangssignals bestimmt, das mit jedem der Mehrzahl von elektrischen Feldsensoren verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei jeder der optischen elektrischen Feldsensoren (6) über eine optische Faser (11) an den Detektor (12) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die weiterhin eine Mehrzahl der optischen elektrischen Feldsensoren umfasst, die so an den Detektor (12) angeschlossen sind, dass die Ausgabe jedes optischen Sensors separat bestimmt und anschließend mit anderen Sensormessungen kombiniert werden kann, um den Spannungsdifferenzwert V_d zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die weiterhin eine Mehrzahl der optischen elektrischen Feldsensoren umfasst, die so in Reihe an den Detektor (12) angeschlossen sind, dass eine Kombination der elektrischen Feldmessungen physikalisch erfolgt, indem Licht in Reihe durch jeden Sensor hindurch tritt, um den Spannungsdifferenzwert V_d zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei jeder der Mehrzahl von optischen elektrischen Feldsensoren in seiner Empfindlichkeit variiert.
Verfahren zum Messen einer Spannungsdifferenz V zwischen ersten und zweiten voneinander beabstandeten Leitern, die an einen ersten bzw. einen zweiten Anschluss (8, 10) angeschlossen sind, in einer Hochspannungsumgebung, mit den Schritten: Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Bereichs zwischen den ersten und zweiten voneinander beabstandeten Leitern; räumliches Anordnen mindestens einen elektrischen Feldsensors (6), der elektrisches Feld erfasst, an mindestens einem Ort zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter und innerhalb oder in der Nähe des isolierenden Bereichs; und Bestimmen eines Werts V_d für die Spannungsdifferenz V basierend auf dem elektrischen Feld, das von dem mindestens einen elektrischen Feldsensor erfasst wird, unter Verwendung eines Detektors (1); wobei der isolierende Bereich (2) so vorgesehen ist, dass er eine ausgewählte elektrische Widerstandscharakteristik aufweist, so dass er ausreichende Abschirmung für den mindestens einen Ort bereitstellt, so dass jeglicher Fehler bei V_d reduziert wird, der anderenfalls in der Abwesenheit des isolierenden Bereichs aufgrund jeglicher externer elektrischen Feldquellen auftreten würde.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Wert von V_d unter Verwendung eines optischen Sensors bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der isolierende Bereich als ein hohler Rohrwiderstand bereitgestellt wird und der elektrische Feldsensor innerhalb des isolierenden Bereichs angeordnet wird.