DE69333936T2

DE69333936T2 - Lokalisierung von fehlern in kabeln

Info

Publication number: DE69333936T2
Application number: DE69333936T
Authority: DE
Inventors: S. Matthew MASHIKIAN; B. Robert NORTHROP; Rajeev Bansal; Francesco Palmieri
Original assignee: University of Connecticut
Current assignee: University of Connecticut
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2013-02-20
Also published as: EP0627085B1; CA2117387A1; US5272439A; USRE35561E; EP0627085A4; ATE313085T1; DE69333936D1; EP0627085A1; WO1993017351A1; CA2117387C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und einen Apparat zum Lokalisieren beginnender Defekte in elektrischen Stromverteilungskabeln.
Wie es ausführlich in dem US Patent mit der Nummer 4,887,041 diskutiert ist, das am 12. Dezember 1989 an Mathew S. Mashikian, Robert B. Northrop, Rajeev Bansal und Chrysostomos L. Nikias erteilt wurde und mit „Method and Instrumentation for the Detektion, Location and Characterization of partial Discharges and Faults in Electric Power Cables" betitelt ist, werden isolierte Erdstromkabel verwendet, um elektrische Energie zu verteilen. Stromkabel welche bei erhöhten Spannungen verwendet werden, bestehen im Wesentlichen aus einem zentralen Leiter, der von einer dünnen konzentrischen Schicht eines halbleitenden Materials umgeben ist, welches als eine Leiterabschirmung bezeichnet wird, einer konzentrischen Schicht aus isolierendem Material wie z.B. ölimprägniertes Papier, Polyethylen, oder andere Polymere, und einer zweiten konzentrischen halbleitenden Schicht, die als Aderabschirmung bezeichnet wird, und einem Metallleiter, der in der Form einer dünnen spiralförmig gewundenen konzentrischen zylindrischen Drahtes oder flachen Streifen angewendet wird, welche eine Masse bzw. Erde oder einen Neutralleiter bereitstellen.
Wie es in dem zuvor erwähnten Patent diskutiert ist, sind solche isolierten Kabel gedacht, um sicher und effizient zu funktionieren bzw. operieren, und zwar über die Lebensdauer, die 30 Jahre überschreitet. Kabel können jedoch aufgrund von Herstellungsdefekten, Isolationsfehlern oder Alterung unter ungünstigen Bedingungen beginnende Defekte entwickeln, welche durch eine „partiale Entladung" bzw. „Teilentladung" (PD) an den Punkten bzw. Stellen des beginnenden Defektes bewiesen bzw. gezeigt oder nachweisbar sind. Aufgrund einer Defektentwicklung innerhalb oder angrenzend zu der Isolierung eines Kabels finden intermittierende bzw. unterbrechende oder periodische Lichtbogen (Partialentladung bzw. Teilentladung) innerhalb der Isolierung statt. Wie es hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck „beginnender Defekt" auf einen Defekt innerhalb des Kabels, welcher nicht sofort bzw. unmittelbar einen Fehler bzw. eine Fehlfunktion verursachen wird, sondern welcher letztendlich zu einem Fehler bzw. Defekt führen wird, und der Ausdruck „partielle Entladung" bzw. „Teilentladung" bezieht sich auf den unterbrechenden Lichtbogen, welcher an einer derartigen Stelle auftreten bzw. stattfinden wird, wenn eine große Erregerspannung bzw. Anregespannung an der Leitung angelegt ist. Die Energie, die in dieser Teilentladung beinhaltet ist, ist extrem klein und abhängig von der Art des isolierenden Materials findet eine örtliche Schädigung bzw. Alterung oder Verschleiß bzw. Zerstörung des Materials statt. Eventuell werden derartige beginnende Defekte einen kompletten Ausfall des Kabels produzieren bzw. herbeiführen. Sollte dies während einer kritischen Periode stattfinden, wie z.B. während einer Periode einer Spitzenanforderung bzw. eines Spitzenverbrauchs, kann es beträchtliche Unbequemlichkeiten für die Kunden geben.
Die Lokalisierung von Defekten in den Stromleitungen war der Gegenstand von früheren Patenten und verschiedenen technischen Papieren. Das US Patent mit der Nummer 2,628,267 misst die Zeit von der Ankunft von Stromstößen bzw. Spitzenströmen und Reflektionen, die von einer Erde bzw. Masse entlang des Kabels ausstrahlen bzw. ausströmen. Die US Patente mit den Nummern 3,244,975 und 3,255,406 offenbahren, was als ein Pulsreflektionsverfahren zum Testen von Kabeln bezeichnet wird, wo die Zeitdifferenz zwischen der Detektion der übertragenen und reflektierten Pulse gemessen wird, um die Fehlerstelle zu bestimmen. Das US Patent mit der Nummer 4,104,582 misst die Zeit durch Taktung eines Zählers. Das US Patent mit der Nummer 4,491,782 offenbahrt eine Technik zum Aufzeichnen einer Pulsreflektion, wo Pulsreflektionssignale während des normalen Betriebes und unter vielen Bedingungen bzw. Störungsbedingungen gemessen werden, und es führt einen Vergleich durch, nachdem ein Fehler stattgefunden hat, um die Stelle des Fehlers im Kabel zu bestimmen.
In dem zuvor erwähnten US Patent mit der Nummer 4,887,041, von Mashikian und anderen ist ein Apparat und Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes entlang einer Stromübertragungsleitung offenbahrt, und zwar unter Verwendung von Filtern und einer Verstärkung zum Modifizieren der Hochfrequenzpulse auf der Leitung, die von einer Erregerspannung bzw. Anregespannung resultiert und diese modifizierten Pulse werden in Digitaldaten konvertiert, die durch einen Computer interpretiert werden, um die Stelle des beginnenden Defektes entlang der Länge der Stromleitung zu lokalisieren bzw. zu bestimmen. Obwohl dieses Verfahren und der Apparat effektiv sind, können elektrische Störungen bzw. ein elektrisches Rauschen in einigen Installationen Signale erzeugen, welche größer in der Amplitude sind als die Signale von dem Defekt und können eine unzuverlässige Ansteuerung bzw. Triggerung des Digitalspeicheroszilloskops produzieren, das verwendet wird, um die Daten aufzuzeichnen. In den Wohngebieten, wo elektrische Stromverteilungs-Erdkabel meist viel verwendet sind, ist das elektrische Rauschen, das innerhalb des Frequenzspektrums des PD Signals stattfindet, vorwiegend von Amplituden modulierten (AM)-Radiosendern (550–650 kHz). Falls das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bzw. der Rauschabstand nicht ausreichend hoch ist, ist der Apparat und das Verfahren des Patentes von Mashikian und anderen nicht gleichmäßig verlässlich.
Die IEEE transactions on a power delivery, Band 5 (1990) April, Nummer 2, Seiten 833 bis 839 offenbahrt ein Verfahren zum Lokalisieren eines Defekts an einer Stelle entlang der Länge der isolierten Stromleitung, die die Merkmale (a–c) von Anspruch 1 einschließt. Das offenbahrte Verfahren schließt zusätzlich die Schritte des Entfernens des Rauschens, das Verwenden einer Digitalspeichervorrichtung, die angepasst ist, um durch einen Signalpuls einer vorbestimmten Amplitude getriggert zu werden, und das Verarbeiten der gespeicherten Digitaldaten, um die Spitzen zu identifizieren, die der Stelle der Teilentladung in der Stromleitung entspricht, ein. Die Gerätemerkmale zur Durchführung dieser Verfahrensschritte sind ebenso offenbahrt.
Die US-A-3,244,975 offenbahrt im Kontext eines Apparates zur Bestimmung von Störungen entlang elektrischer Leitungen, die Verwendung von zwei Kanälen, die eine Speichervorrichtung überwachen, wobei einer dieser Kanäle einen Bandpassfilter einschließt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein neues Verfahren zum Detektieren und Abschätzen der Position eines beginnenden Defekts in einer elektrischen Stromübertragungsleitung bereitzustellen, in welcher es beträchtliches elektrisches Rauschen geben kann.
Es ist auch eine Aufgabe ein derartiges Verfahren bereitzustellen, welches effektiv in den Umgebungen funktionieren wird, welche elektrische Rauschsignale von größerer Stärke produzieren, als die Signale, die durch den beginnenden Defekt erzeugt werden.
Eine andere Aufgabe ist es ein Verfahren bereitzustellen, welches nicht destruktiv ist, schnell eingesetzt werden kann, und einigermaßen genau ist.
Eine weitere Aufgabe ist es einen neuen Apparat zum Praktizieren des Verfahrens bereitzustellen, welche relativ leicht transportiert und betrieben werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Man hat nun herausgefunden, dass das vorangehende und die Verwandten Aufgaben leicht in einem Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes an einer Stelle entlang der Länge einer isolierten Stromleitung erzielt werden kann, wie es im Anspruch 1 dargelegt ist. Bevorzugte Merkmale dieses Aspekts der Erfindung werden in den Ansprüchen 2 bis 13 und den Ansprüchen 19 und 20 dargelegt.
Die Erfindung stellt auch einen Apparat zum Lokalisieren eines beginnenden Defekts an einer Stelle entlang der Leitung einer isolierenden Stromleitung bereit, wie es im Anspruch 14 dargelegt ist. Bevorzugte Merkmale dieses Aspekts der Erfindung werden in den Ansprüchen 15 bis 18 dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines typischen Erdkabels und veranschaulicht die grammatikalisch ein Defekt innerhalb der Isolierung;
2 ist eine schematische Veranschaulichung des Apparates, der die vorliegende Erfindung verkörpert, wie es an dem diagrammatikalisch veranschaulichten Kabel angewendet wird;
3 ist eine schematische Veranschaulichung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zur Kalibrierung einer Position entlang der Länge eines Kabels durch einen Übertrager oder Empfänger;
4 veranschaulicht schematisch den Zeitverschiebungseffekt, der zur Korrelation der Spitzen der Signale in diskret aufgezeichneten Zeitperioden verwendet wird;
5 ist eine Oszilloskopverfolgung eines Teilentladungssignals, das unter Rauschbedingungen aufgezeichnet wurde;
6 ist eine Oszilloskopverfolgung eines typisch aufgezeichneten Umgebungsrauschens;
7 ist eine Oszilloskopverfolgung des Signals von 5, das mit 100% des Rauschens gemischt wurde, das in 6 gezeigt ist;
8 ist eine schematische Oszilloskopverfolgung des Teilentladungssignals, das nach der Ermittlung einer Vervielfachung von Rauschsignalen von der Art, die in 7 gezeigt ist, abgedeckt wird, und zwar durch Verwendung der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine schematische Veranschaulichung einer Teilentladungszelle, die in den Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
10 ist eine schematische Veranschaulichung des Signals, das die Teilentladungspulse von der Zelle von 9 reflektiert, und zwar nach wiederholten Reflektionen von beiden Enden des Kabels;
11 ist ein Blockdiagramm, das die Pulsausbreitung und Pulsreflektion in dem Kabel veranschaulicht;
12 ist eine schematische Veranschaulichung des Signals, das die aufgezeichnete Antwort von einem Kabel zu einem Puls reflektiert, der an dem Anschlussende eingespeist wurde;
13 ist eine modellierte Antwort des Kabels zu einem Puls, der an seinem Anschluss eingespeist wurde;
14 ist ein verfeinertes Model für ein offen geschaltetes Kabel mit einer Länge L
15 ist eine Veranschaulichung der diskretisierten Aufzeichnung der ersten zwei Pulse von dem Kabel;
16 ist eine schematische Veranschaulichung der Technik zur Abschätzung der Spitzenstelle in Übereinstimmung der vorliegenden Erfindung; und
17 bis 25 sind Veranschaulichungen der Softwarediagramme, die verwendet werden, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung und die Bildschirmausgaben, die daraus resultieren, zu praktisieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In dem zuvor erwähnten Patent mit der Nummer 4,887,041 von Mashikian und anderen wurde im Detail ein Apparat zur Erzeugung eines Anregesignals bzw. Erregersignals und Verarbeitung des Signals beschrieben, welches in der Stromleitung detektiert ist, das dem Erregersignal bzw. Anregesignal folgt. Dies erlaubt die Identifizierung der Spitzen, die eine Teilentladung beweisen bzw. zeigen oder nachweisen und dadurch die Lokalisierung der Stelle der Teilentladung entlang der Länge der Stromleitung erlaubt. Die relevanten Theorien und Grundstrukturen werden in dem Patent offenbahrt und die folgende Beschreibung wird sich auf die Entwicklungen konzentrieren, welche den Betrieb dieser Art von System unter den Bedingungen von hoch-elektrischem Rauschen bzw. starken elektrischem Rauschen ermöglicht.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird das Signal das an dem offenen Ende der Leitung empfangen wird, an welchem die Anregungsspannung bzw. Erregerspannung angelegt, gefiltert, wobei es verstärkt und durch einen Bandpassfilter geleitet wird, welcher operativ ist, um einen wesentlichen Umfang bzw. eine wesentliche Menge des elektrischen Rauschens zu entfernen. Dies stellt ein Signal bereit, welches als ein externer Trigger bzw. eine externe Ansteuerung für ein Digitalspeicheroszilloskop (DSO) fungiert, welches die Daten analysiert und aufzeichnet, die zu einer Amplitude und Zahl der verstärkten Pulse verwandt ist, bzw. sich darauf bezieht, die dadurch geleitet werden. Wenn das Oszilloskop durch ein Signal getriggert wird, welches von einer vorbestimmten Amplitude ist, zeichnet das DSO die Daten auf, die sich auf das verstärkte Signal für eine endliche Zeitperiode bezieht, und dieser Prozess kann an den Aufzeichnungsdaten von einer relativ großen Anzahl von diskreten Perioden wiederholt werden. Diese Daten werden dann verarbeitet, um den Effekt des Rauschens zu urinieren und um die Spitzen zu identifizieren, die die Stelle der Teilentladung reflektieren. Diese Daten werden dann verarbeitet, und zwar weiter in einer Art und Weise, die im allgemeinen ähnlich zu der ist, wie in dem vorherigen Patent von Mashikian und anderen, um die Stelle des beginnenden Defekts entlang der Leitung der Stromleitung zu lokalisieren.
Wenn das Teilentladungs-(PD-)-Signal-Niveau signifikant höher ist als das Rauschniveau, das an der Testseite vorherrscht, kann der interne Trigger und die Signalmittelungsroutine des digitalen Speicheroszilloskops (DSO) erfolgreich eingesetzt werden, um die PD-Wellenformen einzufangen und zu verbessern. Wenn jedoch die PD-Signale schwächer sind als das Rauschen, kann der interne Trigger nicht verlässlich arbeiten.
Wie vorher angedeutet wurde, ist das Umgebungsrauschen in den Wohngebieten durch AM-Sendesignale bzw. AM-Rundfunksignale oder AM-Radiosignale beherrscht und deshalb ist es das Stärkste in dem 550–1650 kHz Band. Eine Fourieranalyse eines typischen PD-Signals deutet an; dass dieses Signal einen wesentlichen Umfang von seiner Leistung in dem Frequenzbereich unter 500 kHz sowie in dem Frequenzbereich über 1.650 kHz hat. Infolge dessen hat man herausgefunden, dass der Apparat zwischen dem PD-Signal und dieser Rauschkomponente unterscheiden kann, und zwar indem ein Bandpassfilter mit einem Bandpass von 10–450 kHz und ein justierbarer Gewinn bzw. eine justierbare Verstärkung von 5 bis 20 verwendet wird. Ein signifikanter Abschnitt der PD-Signalleitstung kann durch den Filter zu dem DSO geleitet werden, während die unerwünschten AM-Sendefrequenzkomponenten sowie das 60 Hz Hochspannungssignal (und seine Harmoniken) im Wesentlichen gedämpft sind. Auf diese Art und Weise wird das DSO nur durch die tatsächlichen PD-Signale und nicht durch das Rauschen getriggert. Sobald getriggert wurde, zeichnet das DSO Daten auf, die relevant sind zu dem gesamten ungedämpften verstärkten Signal, das den Abschnitt einschließt, welche das Triggersignal bereitgestellt hat.
Kehrt man zuerst zu 1 zurück, so veranschaulicht diese einen typischen Erdkabelquerschnittabschnitt. Das Kabel C weist einen zentralen mehrdrahtigen Leiter bzw. einen zentralen verdrillten Leiter auf, der von einer dünnen konzentrischen Schicht aus halbleitendem Material, das als ein Leitungsschild bzw. eine Leiterabschirmung CS bekannt ist, und einem isolierenden Material IN wie z.B. Öl-impregniertes Papier, Polyethylen oder andere Polymere umgeben ist. Die Isolierung bzw. Isolation IN wird durch eine zweite konzentrische halbleitende Schicht abgedeckt, beendet bzw. bezeichnet einen Isolierschild bzw. eine Aderabschirmung IS über welchem bzw. welcher ein Metallleiter in der Form eines dünnen Bandes bzw. Streifens angewandt wird, umwindet spiralförmig die zylindrischen Drähte oder flachen Streifen, die durch den Bezug CN identifiziert sind. 1 veranschaulicht auch diagrammatikalisch einen beginnenden Defekt F in der Kabelisolierung IN.
Kehrt man als nächstes zu 2 zurück, so wird darin schematisch ein Apparat zum Betrieb in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, der auf eine Repräsentation eines Kabels C mit den Enden A und B angewandt wird. Es wird angenommen, dass es einen beginnenden Defekt oder Defekt in dem Kabel gibt, der durch das Bezugszeichen F bezeichnet ist und eine Teilentladung stattfindet. Dies wird einen Puls mit Frequenzen produzieren, die 5000 kHz überschreiten, welche in zwei Richtungen wandern werden bzw. sich ausbreiten, und er muss als eine Vielzahl von Pulsen betrachten werden, welche als PD_D und PD_R bezeichnet sind. Der Puls PD_D wird auch zu dem Ende B reflektiert werden und dann als ein Puls PD_DR zum Ende A zurück reflektiert werden. Die Zeitdifferenz beim Empfang dieser drei Pulse an dem Ende A wird verwendet um den Ort bzw. die Stelle des Defekts zu berechnen, wie es hierin unten erklärt wird.
Eine Anregespannung bzw. Erregerspannung wird am Ende A des Kabels C von einem Parallelresonanzumformer 10 angelegt. Die Spannung, die an dem Ende A des Kabels C angelegt ist, wird als „Anregespannung " bzw. „Erregerspannung" bezeichnet. Wenn das Ende B offen ist, wird die Erregerspannung bzw. Anregespannung normal bei oder unter dem Niveau der normalen Leitungsspannung liegen, um zu verhindern, dass die Kabelisolierung beschädigt bzw. verletzt wird. Falls es jedoch gewünscht wird, kann eine höhere Spannung eingesetzt werden. Es ist nicht notwendig das Ende B zu öffnen, falls es geeignet abgeschlossen wird, um die Hochfrequenzpulse zu reflektieren und die Erregerspannung bzw. Anregespannung eine normale Leitungsspannung ist. Ein Transformer bzw. Umwandler stellt eine hohe Impedanz dar und wird die Teilentladungssignale reflektieren. Vorzugsweise wird ein Tiefpassfilter 12 in die Primärseite des Transformes bzw. Umwandlers 10 eingefügt, um Stromleitungsspitzen zu reduzieren welche durch Silizium gesteuerte Gleichrichter erzeugt werden können.
Wenn das Kabel C mit der Anregespannung angeregt wird, und eine Teilentladung stattfindet wird es dort Strompulse geben, die in ihren Leitern CN übertragen wurden. Diese Pulse sind hochfrequent und werden auf den Leitern CN wandern bzw. sich ausbreiten. Am Ende A werden diese Pulse durch die Leitung 14 und den Kondensator 16 geleitet, und folglich durch die Hochpassfilter 18, 20 und die Verstärker 22, 24. Das gefilterte und verstärkte Signal wird dann durch einen Puffer 26 geleitet und in duale Pfade bzw. Doppelpfade zu dem Bandpassfilter 28 und dem Isolationsumformer bzw. Isolationsumwandler 30 geteilt.
Das gefilterte Signal, das den Bandpassfilter 28 anregt, gelangt zu dem digitalen Speicheroszilloskop (DSO) 32 und falls es Pulse von einer vorbestimmten Größe beinhaltet, wird es den Betrieb des DSO 32 triggern. Das DSO 32 funktioniert bzw. arbeitet dann, um die Daten aufzuzeichnen, die die Amplitude und die Zeit in dem verstärkten Signal betreffen, das zu ihm durch den Isolationstransformer 30 zugeführt wurde. Das DSO 32 wird typisch diskret aufzeichnen und zwar derartige Daten für eine kurze Periode von 5–20 ms und dann für zusätzliche Perioden neu getriggert bzw. wieder getriggert werden. Das DSO 32 kommuniziert mit einem Mikrocomputer 34, um die Daten, die in dem DSO 32 gespeichert sind zu verarbeiten, wie es nachstehen beschrieben ist. Es wird grafisch die geradlinige bzw. direkte Distanz zu dem diktierten beginnenden Defekt anzeigen.
Ein DSO, Modell 4094A das durch die Nicolet Corporation of Madison, Wisconsin hergestellt wurde, das in der Praxis der Erfindung verwendet wird, ist fähig die analogen Teilentladungssignale zu digitalisieren. Dieses DSO von Nicolet hat, zusätzlich zu einem hochauflösungswellenformdigitalisierer einen Speicherpuffer, ein Mehrzweck-Instrumentenbusinterface 36, um mit dem Mikrocomputer 34 zu kommunizieren, einen Triggergenerator und die Fähigkeit mit einem Mikrocomputer zu kommunizieren, um Daten zur Berechnung zuzuführen. Zusätzlich ist das DSO 32 fähig eine Fourierfrequenzspektrumanalyse durchzuführen. Der Trigger des DSO 32 ist elektronisch an den Ausgang des Bandpassfilters 28 gekoppelt. Der Mikrocomputer 34 ist ein Macintosh II oder gleichwertig, oder ein höherwertiger Mikrocomputer.
Wenn jedoch ein Kabel in einem Kanal vergraben bzw. verdeckt ist, kann die Länge des Kabels länger sein als der Kanal, und zwar aufgrund der Wellenform bzw. Wellenbewegungen oder „Schlängeln" des Kabels in dem Kanal, wenn es gelegt bzw. hineingelegt wird. Obwohl die Distanz zu der Stelle der Position eines Defekt in dem Kabel durch den Apparat in Ausdrücken von Kabellängen detektiert werden kann, kann die Position nicht zu derselben linearen bzw. direkten Länge des Kanals korrespondieren bzw. mit dieser übereinstimmen. Die Länge des Kanals wurde durch die Anwendungsfirma oder den Kabelinstallierer aufgezeichnet und sind Daten der Aufzeichnung. Zum Beispiel falls man annimmt, dass eine Pulsentladungsseite bei ungefähr 75% der Kabellänge von dem Endpunkt A angeordnet bzw. lokalisiert ist, kann ein kleines Testloch in den Boden an dieser angenommenen Prozentzahl der Kanallänge gegraben werden, und zwar bis das Kabel C nicht mehr abgedeckt ist. Diese Position des Kabels ist im Allgemeinen unterschiedlich von der 75% Kabellängenposition, die gesucht ist. Um die exakte Position dieser Stelle mit Bezug auf die Kabellänge zu bestimmen wird ein nicht-destruktives elektrisches Signal in das Kabel C eingespeist. Wie in 3 angedeutet, kann dies durch entfernte Einsspeisung bzw. Induzierung einer ausbreitenden elektromagnetischen Welle zwischen der Kabelaußenelektrode und Masse bzw. Erde bewirkt werden, und zwar mit Hilfe einer antennenähnlichen Vorrichtung, die an dieser Stelle angeordnet bzw. lokalisiert ist, oder indem ein elektrischer Puls zwischen der Kabelaußenelektrode und Masse bzw. Erde an einem der Kabelanschlüsse eingeführt bzw. eingespeist oder induziert wird und indem die Passage bzw. der Durchgang an der Stelle die untersucht wurde durch eine entfernte Antenne beobachtet wird.
Dieses Signal wird in den Neutalleitern CN eingespeist bzw. induziert und wandert in beide Richtungen entlang des Kabels, das sich exakt wie ein Pulsentladungssignal verhält. Eine Folge von Pulsen ähnlich der PD-Pulse werden empfangen und diese können durch das digitale Speicheroszilloskop 32 verstärkt und aufgezeichnet werden. Die Position entlang des Kanals in Prozent der Kabellänge wird bestimmt indem die Zeit zwischen den Strompulsen bzw. tatsächlichen Pulsen durch die Distanz zwischen den Pulsen geteilt wird.
Diese Information kann nun in die Analyse einbezogen werden, die durch den Mikroprozessor bereitgestellt wird, welche nun aufweist:

1. Die Länge entlang des Kabels C von einer Stelle A zu der Teilentladungsstelle F.
2. Die Länge entlang des Kabels C von der Stelle A wo die Kalibrierantenne angeordnet war.
3. Die Länge entlang des Kanals von der Stelle A zu der Stelle wo die Kalibrierantenne angeordnet war.

Falls das Rauschspektrum relativ breit ist, kann die gefilterte Wellenform von dem Bandpassfilter gedämpft und gerundet werden und zwar aufgrund der Entfernung der Frequenzkomponenten durch die Filter. In einem derartigen Fall ist es nicht notwendig den eingebauten Signalmittelungsalgorithmus direkt zu verwenden, um das Signal-zu-Rausch- Verhältnis (SNR) bzw. den Rauschabstand zur Detektion und Lokalisierung zu verwenden. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können individuelle Rahmen von 2–10 ms Dauer aufgezeichnet und gefiltert werden. Dann wird der erste dieser Rahmen als eine Referenzschablone bzw. Referenzvorlage behandelt. Jeder andere Rahmen wird mit dem Referenzrahmen kreuzkorreliert, und zwar jeweils einer. In jeder Instanz ist das Maximum der Kreukorrelationsfunktion gesucht, um den Umfang zu bestimmen, um den jeder Rahmen zeitverschoben sein muss, sodass alle nachfolgenden Rahmen mit dem initialen bzw. anfänglichen Referenzrahmen aufgestellt bzw. abgeglichen werden können. Sobald die Rahmen aufgestellt bzw. abgeglichen wurden, können sie zusammen gemittelt werden, um das Rauschen von der aufgezeichneten Wellenform zu reduzieren, und um die PD-Signale zu „spitzen". Das Verfahren wurde erfolgreich zum Mitteln von 30–100 gefilterten Wellenformen verwendet. Die mathematischen Schritte werden in 4 dargelegt bzw. umrissen und typische Ergebnisse werden in den 5–8 angezeigt. In 7 ist es sehr schwierig zwischen dem PD-Signal und dem Rauschen zu unterscheiden, aber die Verwendung des externen Triggers mit dem neuen Signalmittelungsschema erlaubt die Entdeckung bzw. Wiederherstellung des PD-Signals von dem originalen Rauschhintergrund, der in 8 zu sehen ist.
Ein anderes Verfahren zum Reduzieren des Verdunkelungseffekts des Umgebungsrauschens verwendet ein adaptives digitales Einschnitt- bzw. Kerben-Filtersystem. Bei diesem Verfahren sind die Instrumentenfunktionen wie folgt:
Zuerst wird die Anregespannung bzw. Erregerspannung auf Null reduziert, wobei somit nicht erlaubt wird, dass irgendein Teilentladungssignal austritt. Deshalb stellt das Signal, das durch die DSO 32 aufgezeichnet wurde im Wesentlichen das Umgebungsrauschen dar, wie z.B. AM-Senderauschen bzw. AM-Rundfunkrauschen. Die Fourieranalysefähigkeit der DSO 32 wird dann verwendet, um die vorherrschenden Frequenzen in diesem Rauschen, welche eliminiert werden müssen, zu bestimmen. Diese Information wird verwendet, um die Parameter eines Digitaleinschnittfilterungsprogramms automatisch einzusetzen bzw. festzulegen, das in dem Softwarerepertoire des DSO 32 existiert. Die digitalen Einschnittsfilter bzw. digitalen Kerbenfilter werden adaptiv justiert, um die angreifenden bzw. offensiven Rauschfrequenzen zu entfernen.
Nachdem die digitalen Parameter in das DSO 32 eingestellt sind, wird die Anregespannung erhöht bis ein Teilentladungssignal detektiert wird. Das Verfahren zum Triggern des DSO 32 unter Hochrauschbedingungen mit Hilfe des Signals, das durch den Bandpassfilter 30 verarbeitet wird, wurde vorherig beschrieben. Das DSO 32 fängt nun ein Teilentladungssignal ein, das mit Rauschen gemischt ist, und digitalisiert dieses Teilentladungssignal, das mit Rauschen gemischt ist. Anstatt des Wiederholens des Prozesses über 30-mal und mitteln des Signals, wie es vorher beschrieben ist, erlaubt dieses Verfahren, dass das Signal verarbeitet wird, und zwar durch das adaptive digitale Filter, welches vorherig justiert wurde, und zwar auf die vorherigen Umgebungsbedingungen. Das Ergebnis dieses Prozesses ist eine wesentliche Eliminierung des Rauschens, wobei ein klares Teilladungssignal ausgetreten bzw. zurückgelassen ist, das durch den Mikrocomputer weiter zu analysieren ist.
Obwohl die Technik, die vorher beschrieben ist für die Feldanwendung bzw. die Anwendung in dem technischen Gebiet praktisch anwendbar ist, braucht es keinen Bedienereingriff, um die Frequenzen zu wählen, die zu eliminieren sind. Eine allgemeinere adaptive Technik wurde entwickelt, um diesen Nachteil zu verhindern bzw. zu umgehen, und zur selben Zeit von der Transferfunktion des Kabels zur hinzugefügten Genauigkeit Gebrauch zu machen.
Der erste Schritt besteht in der Beibehaltung, der Wanderwellencharakteristik des Kabels, und zwar an Ort und Stelle, indem ein knapper (fast ein Impuls) Spannungspuls eingespeist wird, wobei ein paar Volt in der Amplitude, an dem Messende des Kabels, wie es in dem Patent mit der Nr. 4,887,041 von Mashikian und anderen beschrieben ist. Alternativ kann dieses durch eine Technik getan werden, in welcher ein speziell entworfenes fehlerhaftes Isoliersystem (die DOE PD-Zelle) derselben Funktion dient, wie der Pulsgenerator, der vor den Einspeisepulsen verwendet wurde. Die DOE PD-Zelle, die in 9 gezeigt ist, besteht aus einer geformten Polyethylen-Scheibe bzw. -Disk zwischen zwei Kupferscheiben bzw. Kupferdisks. Wenn die DOE PD-Zelle an dem Kabelanschluss platziert ist und das Kabel mit einer moderaten Leistungs-Frequenz-Spannung (um 2 KV) angeregt wird, findet ein PD in der DOE-Zelle statt und wandert zurück und vor bzw. hin und her entlang dem Kabel. Wobei dies zu einer Sequenz von Wavelets, wie sie in 10 gezeigt sind, führt. Die Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Wavelets ist proportional zu der zweifachen Länge bzw. doppelten Länge des Kabels. Falls h(t, 2L) die Impulsantwort bzw. Pulsantwort zu der vollen Kabellänge L für ein Hin und Zurück bzw. eine Schleife oder einen Umlauf des Signals ist, ist die Sequenz, die in 10 gezeigt ist, durch g(t, 2L) gezeigt, das in dem Blockdiagramm von 11 dargestellt ist.
Deshalb ist ein Wavelet durch h(t, 2L) dargestellt. Falls H(ω, 2L) die Fouriertransformation von h(t, 2L) darstellt, dann werden die Umwandlungen der zwei aufeinander folgenden Wavelets verwandt sein zu: H2(ω, 2L) = H1(ω, 2L)e–2γ(ω)L
Wo die Ausbreitungskonstante γ(ω) gegeben ist durch: γ(ω) = α(ω) + jβ(ω)
Die Quantitäten von α(ω) und β(ω) sind die Frequenzabhängige Dämpfungs- und Phasen-Konstanten des Kabels und sind an Ort und Stelle leicht zu bestimmen, und zwar indem irgendwelche zwei aufeinander folgenden Wavelets, wie in 10 gezeigt, analysiert werden. Falls eine Teilentladung bei einer Distanz x von dem entfernten Ende des Kabels stattfindet, werden die anfänglichen bzw. initialen zwei aufeinander folgenden Wavelets, die an dem Messende aufgezeichnet wurden durch die Impulsantworten h(t, L – x) und h(t, L + x) beschrieben, wie in 11 gezeigt. Diese werden dann wiederholten Reflektionen durch die Kabel entsprechend zu g(t, 2L) unterworfen. Diese Technik wurde verwendet, um die tatsächliche Antwort von 12 zu modellieren, und das Ergebnis ist als 13 gezeigt. Für alle praktischen Zwecke können die zwei Antworten perfekt überlappen.
Da man α(ω), β(ω) und h(t, 2L) kennt, kann die Antwort auf eine Teilentladung, die an einem beliebigen bzw. einer willkürlichen Stelle x stattfinden kann durch das Modell von 11 rekonstruiert bzw. neu konstruiert werden. Dieses erfordert die Anwendung einer inversen Fouriertransformation. Da alle Berechnungen digital durchgeführt werden, werden die z-transformationsequivalente der Ausdrücke, die früher eingeführt wurden, verwendet. Das Signal, das mit jeder angenommenen Stelle x erhalten wird, wird nun mit dem tatsächlichen Rauschsignal, welches aufgezeichnet wurde kreuzkorreliert. Die exakte Stelle x des PD ist jene, welche die Kreuzkorrelationsfunktion maximiert.
Diese Methode wurde verwendet, um das originale PD Signal wiederherzustellen, wenn es mit unterschiedlichen Rauschniveaus vermischt war. Das Rauschniveau wurde erhöht in Schritten von Null bis zehn (10)-mal seines Basiswertes, und dieses wurde dann zu dem Basis-PD-Signal hinzu addiert, um die Messungen in der Umgebung der ansteigenden Rauschniveaus zu simulieren. Das Originalsignal wurde dann unter Verwendung der Technik, die vorher beschrieben ist, rekonstruiert bzw. neu konstruiert. Als eine Veranschaulichung wurde das PD-Signal zu sieben (7)-mal dem Rauschen hinzugefügt. Das PD-Signal wurde wörtlich im Rauschen vergraben und war unmöglich leicht zu detektieren. Die Anwendung des Verfahrens, das vorherig beschrieben wurde reproduzierte das Originalsignal. Die Lokalisierung der Stelle der Teilentladung als eine Prozentzahl der gesamten Kabellänge wurde innerhalb von 0,05% Fehler bestimmt.
Um die Genauigkeit und die Robustheit der Kabelmodelltechnik, die oben beschrieben wurde zu verbessern, können zusätzliche Techniken eingesetzt werden.
Die Impulsantwort bzw. Pulsantwort g(t, 2L) einer offen geschalteten Kabellänge L wurde früher durch das Blockdiagramm von 11 modelliert. Um das Modell unter diversen Bedingungen stabiler zu machen, ist das Modell verfeinert worden, indem ein justierbarer Parameter-offener-Schleifengewinn K inkorporiert wurde, wie es in 14 gezeigt ist. In seiner diskreten Version (z-Transform-Domäne) kann die Kabalantwort g(n) ausgedrückt werden als g(n) = h(n – Δ, 2L) + Kg(n – Δ) * h(n, 2L)
Wo h(n, 2L) die Hin und Zurück- bzw. Schleifen- oder Umlauf-Kabeltransferfunktion ist, Δ die Hin und Zurück- bzw. Schleifen- oder Umlaufzeitverzögerung ist, und, * die Faltungsoperation darstellt.
Die Parameter K und Δ werden geschätzt, indem ein neues adaptives Verfahren verwandt wird.
Finden von K: das LMS-(least-mean-square error bzw. kleinster mittlerer quadratischer Fehler)-Lerngesetz wird verwendet um K zu bestimmen. Ki+1 = Ki + αδi
Wo K_i der vorherige Wert ist, K_i+1 die neue Schätzung ist, und die geeignet gewählte Konstante ist.
Falls d(n) die tatsächlich gemessene Antwort des Kabels ist, können die folgenden Definitionen verwendet werden d'(n) = d(n) – h(n – Δ, 2L)und g'(n) = Kg(n – Δ) * h(n, 2L)
Nun kann δ_i bestimmt werden als
Finden von Δ:
Ein Kreuzkorrelationskoeffizient kann wie folgt definiert sein:
Die gemessenen Daten stellen eine Schätzung Δ₀ für die Hin- und Herverzögerung bzw. Schleifen- oder Umlaufverzögerung Δ bereit. In dieser Technik ist Δ₀ eine Überschätzung von Δ, d.h., Δ₀ ist etwas größer als der wirkliche Wert von Δ der Hin- und Her-Zeitverzögerung bzw. Schleifen- oder Umlauf-Zeitverzögerung.
Deshalb ist für den Bereich Δ = Δ₀ bis
die Berechnung: gi(n) = h(n – Δi, 2L) + Kg(n – Δi) * h(n, 2L)mit
Δ_i+1 = Δ_i – 1 und bei jeder Instanz ist die Berechnung von ρ_DG·Δ der Wert von Δ, welcher zu dem Maximumwert des Kreuzkorrelationskoeffizienten korrespondiert.
Δ_0' ist eine anfängliche Schätzung von die Hin- und Her- bzw. Schleifen- oder Umlaufzeitverzögerung und wird erhalten aus der gemessenen Antwort von dem offen geschalteten Kabel zu bzw. auf ein Puls/PD-Signal, das an einem Anschluss (siehe z.B. 12) eingespeist wurde. Δ₀ wird genommen, um das Zeitintervall zwischen den ersten zwei (markiert 1 und 2 in 12) Pulsen zu sein. Eine detaillierte Beschreibung folgt:
Mit Bezug auf 5, welche die diskretisierte Version der ersten zwei Pulse von 12 ist, kann man sehen, dass die erste Spitze immer den Maximumwert in der gesamten Sequenz bzw. Abfolge aufweist. Falls der Index, welcher den Maximumwert m₁ produziert gefunden ist, dann gilt g(m1) = max[g(n)]
Beginnt man von m₁, so wird eine Suche des ansteigendes Abschnitts der ersten Spitze für den ersten Wert von g(n) gemacht, welcher weniger oder gleich Null ist. Der Index, welcher diesen Wert verursacht, ist als Z₁ bezeichnet. Zur selben Zeit wird die Ableitung von g(n) berechnet und definiert als
Falls g(n) weniger als oder gleich Null wird, bevor Z₁ erhalten wird, dann wird dieser Wert n als Z₁ genommen.
Unter Verwendung desselben Verfahrens wird der fallende Abschnitt der ersten Spitze verwandt, um Z₂ zu finden; wobei jedoch wenn g(n) > 0 ist, dieser Wert von n als Z₂ genommen wird.
Das Signal, das verbleibt, nachdem alle Daten vor Z₂ herausgenommen wurden, ist g₁(n). Die selbe Prozedur wie oben beschrieben ist aber an der zweiten Spitze g₂(n) angewandt wird, wird wiederholt, um Z₃ zu finden. Die Hin- und Zurück- bzw. Schleifen- oder Umlauf-Zeitverzögerung ist: Δ0 = Z3 – Z1 + 1
In einigen Situationen kann die Spitze der gerundeten Wellenform, die in dem DSO aufgezeichnet ist, nicht allein aufgrund der Filterung oder hoher Frequenzdämpfung des Kabels erkannt werden. Eine Interpolationstechnik wurde entwickelt, um die beste Schätzung der tatsächlichen Spitzenlokalisierung bzw. Spitzenstelle bereitzustellen. Zwei Polynominale y₁, y₂ vom zweiten Grad werden verwendet, um die steigenden und fallenden Teile der Wellenform von Interesse, wie sie in 16 zu sehen sind, darzustellen und entsprechen: y1 = a0 + a1x + a2x2 y2 = b0 + b1x + b2x2
Dann wird die geschätzte Spitzenstelle x_max bestimmt als
Die Computersoftware, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wurde leicht erzeugt, indem die Kriterien in einem Softwarepaket definiert wurden, das als "LABVIEW 2" von National Instruments of Austin, Texas bezeichnet ist. Diese Software ist in dem US Patent mit der Nummer 4,901,221 beschrieben. Diese Software erlaubt dem Anwender, Programme oder Routinen durch Blockdiagramme zu definieren, welche als "virtuelle Instrumente" bezeichnet sind.
Unter Verwendung dieses Paketes wurden die folgenden Routinen durch die Blockdiagramme erzeugt, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind.
LMS-Modell 1-KD
Dieses Programm wird in den 17a–17g gezeigt und akzeptiert die Daten, die durch die Reflektionen eines künstlichen PD-Signals bereitgestellt sind, das an einem Kabelende eingespeist wurde und bilden ein mathematisches Modell, das fähig ist, eine Teilentladung zu simulieren, die an demselben Kabelende eingespeist bzw. eingeführt wurde. Das virtuelle Instrument setzt das Ausbreitungsmodell eines Stromkabels. Die Verfahren, die verwendet werden, sind das adaptive Verfahren und das Kreuzkorrelationsverfahren. Die grafische Darstellungsaktion, die in der 17h gesehen werden kann, zeigt sowohl das Modell als auch den Kreuzkorrelationskoeffizienten zwischen dem Modell und dem gemessenen Signal. Die Ergebnisse können auf einer Disk bzw. einer Diskette gespeichert werden.
PD-Model (sub)
Diese Subroutine bzw. Unterroutine wird in der 18a gezeigt und wird mit dem vorherigen Programm verwendet. Es simuliert die offene-Schleifen-Kabel-Antwort auf ein PD für einen gegebenen offenen Schleifengewinn und eine gegebene Umlaufzeitverzögerung. Das Programm ist in "C"-Sprache geschrieben und ist an das LABVIEW 2 durch den CIN (Code Interface Node bzw. Codeschnittstellenknoten) angepasst bzw. gekoppelt. Das Programm wird in 18b dargelegt. Die grafische Anzeige ist in 18c dargestellt.
DetPD-InpMod
Dieses Programm wird in den 19a–19j veranschaulicht und es aktzeptiert als Eingaben das Modell, das unter LMS-Model 1-KD oben beschrieben wurde und das tatsächliche (Rausch-)PD-Signal, das durch die DSO aufgezeichnet wurde. Es schätzt die exakte Stelle der PD-Quelle und weist das PD-Lokalisierungs-Detektionsprogramm auf. Ist die Kabellänge und das Modell des Messkabels gegeben, so kann die PD-Stelle unter Verwendung dieses Programmes geschätzt werden und die simulierte PD-Wellenform kann auf dem Bildschirm wie in 18k gezeigt, gezeigt werden. Das Schätzungsverfahren, das in dem Programm verwendet wird, ist zumindest der mittlere quadratische Fehler.
SimulPD (sub)
Dieses Programm wird in den 20a–20b veranschaulicht und ist eine Subroutine bzw. Unterroutine oder Unterprogramm des vorherigen Programms. Es simuliert ein PD, das von irgendeiner gewünschten Position entlang des Kabels ausstrahlt bzw. ausströmt. Die angezeigte Information wird in der 20c gezeigt.
IntpPeak
Dieses Programm und seine Anzeigen werden in den 20a–20c veranschaulicht und akzeptiert PD-Signale, die aufgezeichnet sind (eine Sequenz von Spitzen bzw. Peaks), interpoliert eine Spitzenposition bzw. Peakstelle in dem PD-Signal und berechnet automatisch die Zeitstellen der initialen bzw. anfänglichen drei Spitzen.
Trans, AV
Dieses Programm wird in den 22a bis 22o veranschaulicht und akzeptiert Daten, die durch die DSO erhalten wurden, wenn es in dem "externen Trigger"-Modus betrieben wird. Es listet die ersten Spitzen von 40–100 Rahmen der PD-Signale auf, die von wiederholter Triggerung erhalten wurden, mittelt die Daten und platziert die Information auf des Computerharddisk bzw. der Festplatte. Dieses virtuelle Instrument transferiert Daten vom Nicolet DSO und führt eine Mittelung durch, und speichert die Originaldaten und den gemittelten Wert auf der Harddisk bzw. Festplatte. Die visuelle Anzeige wird in der 22p gezeigt.
Zeit-Int (sub)
Diese Subroutine bzw. Unterroutine wird in den 23a–23e veranschaulicht und kann in Verbindung mit IntpPeak.vi (Punkt 3) verwendet werden, um die Null-Kreuzung eines PD-Wavelets zu berechnen und eine mathematische Schätzung des Wavelets bereitzustellen, um die Stelle seiner Spitze zu bestimmen. Dieses virtuelle Instrument kann verwendet werden, um die Null-Kreuzung eines Wavelets zu finden und die Wellenform zwischen zwei Spitzen (erste und zweite, zweite und dritte) zu erhalten. Seine visuelle Anzeige wird in der 23f veranschaulicht.
XKorrKoeff (sub)
Dies ist eine Subroutine bzw. Unterroutine, die in 24a veranschaulicht wird und sie wird mit verschiedenen Programmen verwendet, die zuvor aufgezählt bzw. aufgelistet wurden. Es erlaubt eine Kreuzkorrelationsfunktion, die zu entwickeln ist, zwischen zwei Sätzen von PD-Signalen und berechnet den Kreuzkorrelationskoeffizienten zwischen zwei Eingabesignalen. Seine Anzeige ist in der 24b veranschaulicht.
Öffnen & Lesen
Dieses Programm ist in der 25a veranschaulicht und öffnet eine Datendatei und gibt die Daten in ein Array bzw. eine Anordnung oder Matrix in einer normalisierten Form aus. Seine Anzeige ist in 25b zu sehen.
Obwohl das Verfahren der vorliegenden Erfindung vorherig beschrieben wurde als anwendbar auf Kabel in einem Wohngebiet, die mit 60 Hz arbeiten bzw. betrieben werden und Senderrauschen bzw. Rauschen von Radiosendern oder Rundfunkstationen unterworfen sind, wird es geschätzt sein, dass es auch anwendbar ist auf Kabel, die Strom bzw. Spannungen mit anderen Frequenzen tragen bzw. leiten und bei der Bewältigung von Rauschen bzw. Abdecken von anderen Quellen und anderen Frequenzen verwandt werden.
Die Anzahl von diskreten Segmenten des Signals, die durch die DSO gespeichert und verarbeitet werden, sollten zumindest 10 und vorzugsweise zumindest 20 sein. Es gibt keinen realen bzw. wirklichen Vorteil, der durch die Mittelung von mehr als 60 Segmenten zu erhalten ist.
Die Zeitrahmen für jedes Segment sollten in der Größenordnung von 5–10 Mikrosekunden für die Länge des Kabels sein, welches normalerweise im Service bzw. Betrieb gefunden wird, und es gibt wenig durch längere Perioden zu gewinnen.
Wie es geschätzt sein wird, beinhaltet das DSO eine Schaltung, die eine kurze Verzögerung in der Verarbeitung eines Signals bereitstellt, das direkt von dem Verstärker durch den Isolationstransformer bzw. Isolierungsumwandler empfangen wurde. Dies kann gesetzt sein, um die Zeitverzögerung zu berücksichtigen, die für den selben Abschnitt des Signals benötigt wird, um durch den Bandpassfilter hindurchzugelangen und die Aufzeichnungsfunktion des DSO zu triggern. Typisch wird dies eine Fraktion bzw. ein Teil von einer Mikrosekunde sein.
Man kann sehen, dass die Instrumentation bzw. Instrumentalisierung oder Vorrichtung und das Messverfahren der vorliegenden Erfindung nicht destruktiv sind, da das Anregespannungsniveau bzw. Erregerspannungsniveau bei oder unter der normalen Betriebsspannung des Kabelsystems sein kann. Dementsprechend müssen bzw. dürfen keine destruktiven elektrischen Spannungen in das System eingeführt werden. Die Instrumentalisierung, die gefordert bzw. benötigt ist, ist für den Feldeinsatz mit Kabeln entworfen, die im Untergrund bzw. in der Erde vergraben sind und alle Messungen können an Ort und Stelle durchgeführt werden, eher als ein Kabelmuster bzw. eine Kabelprobe in einem Laboratorium. Überdies können alle Messungen mit nicht mehr als einem Sensor gemacht werden, der an einem Ende zur selben Zeit angeschlossen ist. In einem komplexen Kabelsystem mit multiplen bzw. mehrfachen seitlichen Zweigen, kann es einen Bedarf geben, Messungen an mehrfachen Ports bzw. Anschlüssen durchzuführen bzw. zu leiten; falls dem so ist, sollten derartige Messungen sequentiell bzw. nacheinander mit nur einem Sensor im Betrieb zu irgendeiner Zeit durchgeführt werden.
Die Instrumente und die Software messen und analysieren den spektralen Inhalt des elektrischen Rauschens, das an der Teststelle vorherrscht bzw. überwiegt, und verwenden Leitungs- und Notchfilter bzw. Kerbenfilter um offensive Abschnitte des Rauschspektrums zu eliminieren.
Mit dem Trigger, der synthetisiert ist, in dem das geeignete gefilterte Signal verwendet wird, wird das Triggern des DSO nur stattfinden auf originalen bzw. authentischen PD-Wellenformen, sogar wenn die PD in dem Rauschen vergraben bzw. durch das Rauschen abgedeckt wird. Das Verfahren und der Apparat stellen eine elektronische und softwareverwandte SNR (Signal-zu-Rausch-Verhältnis bzw. Rauschabstand)-verbesserte Technik bereit, um saubere, leicht verarbeitbare PD-Signale zu produzieren. Die individuell gefilterten Rahmen sind leicht ausgerichtet bzw. abgestimmt oder angepasst um es vielen Rahmen zu ermöglichen, gemittelt zu werden, um das Rauschen zu entfernen und die gewünschten PD-Signale zu verbessern.
Die adaptive Digitalsignalverarbeitungstechnik benötigt viel weniger Bedienereingriffe und kann von der Übertragungsfunktion bzw. Transferfunktion des Kabels zum Zufügen der Genauigkeit Gebrauch machen. Dementsprechend kann sie eine Konstruktion von einem genauen Kabelmodell beinhalten, das fähig ist, Signale zu erzeugen, welches tatsächliche PD-Signale simulieren, die von einem willkürlichen bzw. einer beliebigen Stelle entlang des Kabels ausstrahlen bzw. ausströmen. Es kann auch die Entwicklung einer Kabeltransferfunktion bzw. Kabelübertragungsfunktion beinhalten, und zwar bei der Analyse der Kabelantwort auf entweder einen eingespeisten Niederspannungspuls bzw. Niedrigspannungspuls an einem Ende, wie es in dem zuvor erwähnten Patent von Mashikian und anderen gezeigt ist oder kann ein tatsächliches PD-Signal an einem Ende einführen bzw. einspeisen, indem ein spezielles Defekt-Isolierungs-System (DOE PD-Zelle) platziert wird und es bei einer moderaten Leistungsfrequenz angeregt bzw. erregt wird. Zusätzlich kann es die Detektion und Lokalisierung der PD-Stelle(n) entlang der Kabellänge durch wiederholte Kreuzkorrelationsoperation (die durch die Software durchgeführt wird) zwischen der gemessenen Wellenform und dem Modell eines PD-Signals einschließen, das von der Stelle x = x₁ ausstrahlt bzw. ausströmt, und zwar mit x₁, das in kleinen Zunahmen variiert, um die Kabellänge abzudecken.
Die Prozedur bzw. das Verfahren beinhaltet den einstellbaren bzw. justierbaren Parameter K (offenen Schleifen-Gewinn bzw. offener Schleifengewinn) in dem Kabelmodell für eine erhöhte Robustheit des Algorithmus und eine systematische Prozedur bzw. ein systematisches Verfahren zur Bestimmung des einstellbaren bzw. justierbaren Parameters K von den gemessenen Daten. Es ermöglichst auch die Verwendung einer neuen Technologie zum Finden der tatsächlichen Hin- und Zurück- bzw. Schleifen- oder Umlauf-Zeitverzögerungszeit von den gemessenen Daten, eine neue Prozedur bzw. ein neues Verfahren zum Machen der initialen Schätzung für die Hin- und Zurück- bzw. Schleifen- oder Umlaufzeit von den gemessenen Daten, und eine neue Technologie zum Schätzen der Stelle der Spitze von einer gerundeten oder gedämpften Wellenform. Letztlich bzw. zuletzt stellt es eine neue Positionskalibrierkonfiguration zum Koppeln von Pulsen in ein vergrabenes Kabel bzw. in ein abgedecktes Kabel oder zum Empfangen von Pulsen, die von einem vergrabenen bzw. abgedeckten Kabel mittels einer antennenähnlichen Vorrichtung empfangen wird, bereit.
Somit kann man sehen, dass das Verfahren und der Apparat der vorliegenden Erfindung ein effektives Mittel zum Bestimmen der Stelle eines beginnenden Defektes in einem Stromkabel bzw. Energiekabel in einer Umgebung bereitstellt, wo das PD-Signal durch elektrisches Rauschen verdunkelt bzw. verdeckt wird. Der Apparat ist von relativ einfacher Konstruktion und einfachem Betrieb und das Verfahren benötigt minimale Bedienereingriffe.

Claims

Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes an einer Stelle entlang der Länge einer isolierten Stromleitung (C), das die folgenden Schritte umfasst: (a) anlegen einer Anregespannung an einem offenen Ende (A) der Stromleitung (C), um einen Teilentladungssignalpuls (PD_D, PD_R) an einem beginnenden Defekt (F) in der Stromleitung zu erzeugen; (b) führen des Teilentladungssignalpulses (PDD), der entlang der Stromleitung (C) zu dem offenen Ende (A) übermittelt worden ist, durch einen Hochpassfilter (18, 20), um den Anteil des Teilentladungssignalpulses, welcher bei einer Frequenz unterhalb der Frequenz der Anregespannung und ihrer Harmonischen liegt, wesentlich abzuschwächen, um einen gefilterten Signalpuls zu erzeugen; (c) verstärken des gefilterten Signalpulses, um einen verstärkten Signalpuls zu erzeugen; (d) führen des verstärkten Signalpulses durch einen Bandpassfilter (28), um einen hochfrequenten Anteil des verstärkten Signalpulses zu entfernen, der einen hohen Rauschanteil relativ zu dem Teilentladungssignalpuls, der dasselbe Frequenzband besetzt, aufweist, und um einen doppelt gefilterten Signalpuls zu erzeugen; (e) führen des doppelt gefilterten Signalpulses von dem Bandpassfilter (28) zu einer digitalen Speichervorrichtung (32), die durch den doppelt gefilterten Signalpuls getriggert wird, wobei der doppelt gefilterte Signalpuls eine vorbestimmte Amplitude aufweist; (f) triggern der digitalen Speichervorrichtung (32) durch den doppelt gefilterten Signalpuls von wenigstens vorbestimmter Amplitude, wobei die digitale Speichervorrichtung (32), wenn sie getriggert wird, den verstärkten Signalpuls von dem Verstärker (26) empfängt und digitale Daten, die die Amplitude und die Zeit für die Spitzen des verstärkten Signalpulses repräsentieren, für eine vorbestimmte Zeitperiode speichert; und (g) verarbeiten der gespeicherten digitalen Daten, um die Spitzen zu identifizieren, die zu der Stelle der Teilentladung in der Stromleitung (C) gehören, um die Position der Stelle der Teilentladung entlang der Länge der Stromleitung (C) abzuschätzen.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 1, wobei die Schritte (d), (e) und (f) wiederholt werden, um Daten von einer vorbestimmten Anzahl von diskreten getriggerten Zeitperioden zu speichern; und die gespeicherten digitalen Daten von der vorbestimmten Anzahl von Zeitperioden werden verarbeitet.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 1, wobei der Bandpassfilter (28) den Anteil des verstärkten Signalpulses oberhalb von etwa 450 kHz und unterhalb von etwa 10 kHz entfernt.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 1, wobei der verstärkte Signalpuls, der in die digitale Speichervorrichtung (32) eintritt, zeitlich verzögert ist, um zu erlauben, dass der triggernde, doppelt gefilterte Signalpuls die digitale Speichervorrichtung (32) triggert.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 2, wobei der Verarbeitungsschritt ein Ausrichten der ersten Spitzen der gespeicherten Daten für die Anzahl von getriggerten Zeitperioden beinhaltet, und wobei die gespeicherten digitalen Daten, die die Amplitude für die Spitzen des verstärkten Signalpulses für dieselben Zeitperioden darstellen, gemittelt werden, um die Spitzen und die Zeit für den Teilentladungssignalpuls an der Stelle der Teilentladung zu identifizieren.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 1, wobei der verstärkte Signalpuls von dem Verstärker (26) abgerundete Spitzen von reduzierter Amplitude aufweist, und wobei der Verarbeitungsschritt die Abschätzung der Spitzen in dem Signalpuls vor dem Abrunden beinhaltet, und zwar durch Anwendung von Gleichungen zweiter Ordnung für Anstieg und Abfall der Signalpulsamplitude.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Verarbeitens der gespeicherten digitalen Daten ein Bestimmen der zeitlichen Lokalisation einer initialen Serie von wenigstens drei Spitzen beinhaltet.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 1, der weiter einen Modellierungsschritt umfasst, wobei der Modellierungsschritt Einkoppeln eines künstlichen Teilentladungssignalpulses bei besagtem offenen Ende (A) der Stromleitung (C) umfasst, wobei dadurch ein reflektierter Signalpuls erzeugt wird, und der Verarbeiten des reflektierten Signalpulses umfasst, der an dem offenen Ende (A) der Stromleitung (C) nach mehrfachen Reflektionen an beiden Enden empfangen wird, um ein mathematisches Modell, das eine Teilentladung simuliert, die bei besagtem einen Ende (A) eingegeben wird, für die Simulation einer Teilentladung an jeder Stelle entlang der Länge der Stromleitung (C) zu erzeugen, und der Verarbeiten der gespeicherten digitalen Daten umfasst, um die Spitzen zu identifizieren, die zu der Stelle der Teilentladung in der Stromleitung (C) gehören, um die Position der Stelle der Teilentladung entlang der Länge der Stromleitung (C) abzuschätzen, und der weiter umfasst, dass der Schritt des Abschätzens der Position der Stelle der Teilentladung auch auf besagtem mathematischen Modell basiert.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 1, wobei die Stromleitung Strom bei 60 Hz trägt und wobei der Hochpassfilter (18, 20) denjenigen Anteil des Teilentladungssignalpulses entfernt, welcher unterhalb von etwa 10 kHz liegt.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 1, wobei darin die folgenden Schritte enthalten sind: (a) anlegen eines elektrischen Pulses an einem Ende der isolierten Stromleitung (C), um einen Signalpuls zu erzeugen; (b) platzieren eines Pulsempfängers an einer Stelle entlang der Länge der Stromleitung (C), die mit einem bekannten direkten Abstand von dem einen Ende beabstandet ist; (c) empfangen des Signalpulses, der durch den elektrischen Puls erzeugt worden ist; (d) verarbeiten des empfangenen Signalpulses, um Daten zu erhalten, die die Amplitude und die Zeit der Signalspitzen repräsentieren, die dem bekannten direkten Abstand entsprechen; und (e) vergleichen der Daten, die von der Verarbeitung des bekannten direkten Abstandes erhalten worden sind, mit den Daten, die der Stelle der Teilentladung entsprechen, um die Position der Stelle der Teilentladung relativ zu dem bekannten direkten Abstand anzuzeigen.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 1, wobei darin die Schritte vorläufigen Anlegens einer Anregespannung mit Nullamplitude, Verstärken eines Rauschsignals, das an dem offenen Ende (A) empfangen wird, Analysieren des verstärkten Rauschsignals, um seine Frequenzkomponenten zu ermitteln, und Verwenden der Frequenzkomponenten, um die Frequenzen, die in digitalen Sperrfiltern für den Teilentladungssignalpuls gesetzt werden, festzulegen, enthalten sind.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 11, wobei die Frequenzkomponenten verwendet werden, um adaptiv das richtige digitale Sperrfiltern der gespeicherten Daten während der Verarbeitung der Daten zu erzeugen, um unerwünschte Rauschfrequenzen zu eliminieren.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 1, worin die folgenden Schritte beinhaltet sind: (a) platzieren eines Pulsempfängers an dem offenen Ende (A) der Stromleitung (C); (b) anlegen einer zusätzlichen Anregespannung an einer Stelle entlang der Länge der Stromleitung (C), die sich in einem bekannten direkten Abstand von dem offenen Ende (A) davon befindet, um einen Signalpuls zu erzeugen; (c) empfangen des Signalpulses, der durch die zusätzliche Anregespannung erzeugt worden ist; (d) verarbeiten des Signalpulses, der durch die zusätzliche Anregespannung erzeugt worden ist, um Daten zu erhalten, die der Amplitude und der Zeit der Signalspitzen entsprechen, entsprechend dem bekannten Abstand; und (e) vergleichen der Daten, die von der Verarbeitung des bekannten Abstandes erhalten worden sind, mit den Daten, die der Stelle der Teilentladung entsprechen, um die Position der Stelle der Teilentladung anzuzeigen, und zwar relativ zu der direkten Länge der Rinne bzw. des Kanals, in welchem die Stromleitung (C) vergraben ist.
Vorrichtung zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes an einer Stelle entlang der Länge einer isolierten Stromleitung (C), wobei die Vorrichtung umfasst: Mittel (10, 12) zum Anlegen einer Anregespannung an einem offenen Ende (A) der Stromleitung (C), um einen Teilentladungssignalpuls an einem beginnenden Defekt in der Stromleitung zu erzeugen; und Mittel an dem offenen Ende der Stromleitung zum Empfangen und Analysieren des Teilentladungssignalpulses, der entlang der Stromleitung zu dem offenen Ende übermittelt wird, wobei die Mittel an dem offenen Ende beinhalten: eine digitale Speichervorrichtung (32) und eine Prozessor (34) zum Verarbeiten von digitalen Daten zum Identifizieren der Spitzen, die der Stelle der Teilentladung in der Stromleitung entsprechen, um die Position der Stelle der Teilentladung entlang der Länge der Stromleitung abzuschätzen; einen Hochpassfilter (18, 20) um den Anteil des Teilentladungssignals welcher bei einer Frequenz unterhalb der Frequenz der Anregespannung liegt, zu entfernen, um dadurch einen gefilterten Signalpuls zu erzeugen; und einen Verstärker (22, 24) zum Verstärken des gefilterten Signalpulses, um einen verstärkten Signalpuls zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Folgendes beinhaltet: einen Bandpassfilter (28), der angepasst ist, um einen Hochfrequenzanteil des verstärkten Signalpulses, der einen großen Rauschanteil relativ zu der Frequenz des Teilentladungssignalpulses, der dasselbe Frequenzband belegt, zu entfernen, und der angepasst ist, einen doppelt gefilterten Signalpuls von einer vorbestimmten Amplitude zu erzeugen, und wobei die digitale Speichervorrichtung (32) angepasst ist, um durch den doppelt gefilterten Signalpuls getriggert zu werden; und wobei die digitale Speichervorrichtung (32) den verstärkten Signalpuls von dem Verstärker (26) empfängt und die digitalen Daten, die sich auf Amplitude und die Zeit für die Spitzen des verstärkten Signalpulses beziehen, für eine vorbestimmte Zeitperiode speichert; und wobei der Prozessor (34) angepasst ist, um die gespeicherten digitalen Daten zu verarbeiten.
Vorrichtung zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 14, wobei darin Kontrollmittel beinhaltet sind, um ein Triggern der Speichervorrichtung und Speicherung von Daten zu erlauben, und wobei der Prozessor (34) die Daten von einer vorbestimmten Anzahl von Perioden verarbeitet, und wobei der Bandpassfilter (28) den Anteil des verstärkten Signalpulses oberhalb von etwa 450 kHz und unterhalb von etwa 10 kHz entfernt.
Vorrichtung zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 14, wobei die Vorrichtung Zeitverzögerungsmittel für den verstärkten Signalpuls, der in die digitale Speichervorrichtung (32) eintritt, beinhaltet, und wobei der Prozessor (34) die ersten Spitzen der gespeicherten Daten für wenigstens zwei getriggerte Zeitperioden ausrichtet.
Vorrichtung zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 14, wobei der Prozessor (34) die gespeicherten Daten betreffend Amplitude für die Spitzen bei denselben Zeitperioden mittelt gemittelt wird, um die Spitzen und die Zeit für den Signalpuls von der Stelle der Teilentladung zu identifizieren.
Vorrichtung zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 15, wobei der verstärkte Signalpuls von dem Verstärker (26) abgerundete Spitzen von reduzierter Amplitude aufweist, und wobei der Prozessor die Spitze des Signalpulses abschätzt.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes (F) an einer Stelle entlang der Länge einer isolierten Stromleitung (C) gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren weiter umfasst: (h) platzieren einer Antenne an einer Stelle, die mit einem bekannten direkten Abstand von einem Ende der Stromleitung (C) beabstandet ist, entlang der Länge der Stromleitung (C); (i) anlegen eines nicht zerstörerischen elektrischen Pulses an das offene Ende (A) der isolierten Stromleitung (C); (j) empfangen einer Abfolge von elektrischen Pulsen durch die Antenne, die an einer Stelle entlang der Länge der isolierten Stormleitung (C) platziert ist; und (k) bestimmen der Position der Antenne in Prozent der Kabellänge auf der Basis der Abfolge der elektrischen Pulse, die durch die Antenne empfangen werden, wobei die Bestimmung durch Dividieren der Zeit zwischen den elektrischen Pulsen durch den Abstand zwischen den Pulsen durchgeführt wird.
Verfahren zum Lokalisieren eines beginnenden Defektes gemäß Anspruch 19, wobei darin der Schritt (1) des Vergleichens der Daten, die durch Schritt (k) von Anspruch 19 erhalten worden sind, mit gespeicherten Daten beinhaltet ist, die die geschätzte Position der Stelle der Teilentladung darstellen, um die Position der Stelle der Teilentladung relativ zu der direkten Länge der Rinne bzw. des Kanals, in welchem die Stromleitung (C) vergraben ist, anzuzeigen.