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Die vorliegende Erfindung betrifft
Verfahren und Vorrichtungen zum Auffinden des Orts von anfänglichen
bzw. beginnenden Fehlern in Elektroenergie-Verteilungskabeln.
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Wie im US-Patent Nr. 4 887 041 mit
dem Titel "Method
and Instrumentation for the Detection, Location and Characterization
of Partial Discharges and Faults in Electric Power Cables", am 12. Dezember 1989
an S. Mashikian, Robert B. Northrop, Rajeev Bansal und Chrysostomos
L. Nikias erteilt, und im US-Patent Nr. 5 272 439 mit dem Titel "Method and Apparatus
for the Detection and Location of Faults in Partial Discharges in
Shielded Cables",
am 21. Dezember 1993 an Matthew S. Mashikian, Robert B. Northop,
Rajeev Bansal und Francesco Palmieri erteilt, ausführlich diskutiert
ist, werden für
die Verteilung elektrischer Energie häufig isolierte Starkstrom-Erdkabel
eingesetzt. Starkstromkabel, die bei erhöhten Spannungen verwendet werden,
bestehen im Wesentlichen aus einem zentralen Leiter, der von einer
dünnen
konzentrischen Schicht aus einem halbleitenden Material, die als
Leiterabschirmung bezeichnet wird, umgeben ist, einer konzentrischen Schicht
aus einem isolierenden Material, wie etwa ölgetränktem Papier, Polyethylen oder
einem anderen Polymer, und einer zweiten konzentrischen Halbleiterschicht,
die als Isolationsabschirmung bezeichnet wird, sowie einem metallischen
Leiter, der in Form von dünnen,
schraubenlinienförmig
gewundenen, konzentrischen, zylindrischen Drähten, flachen Metallschlaufen
oder überlappenden
flachen Metallbändern,
die für
einen Schutzerdungsleiter oder Nullleiter sorgen. Diese Gesamtheit
könnte
mit einer dünnen, elektrisch
isolierenden oder halbleitenden Ummantelung bedeckt sein. Bei Starkstromkabeln,
die für
einen Betrieb unterhalb von dreitausend Volt vorgesehen sind, und
bei Schwachstromkabeln könnten
die halbleitenden Abschirmungen und die Nullleiter entfallen.
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Wie in den obenerwähnten Patenten
diskutiert ist, sollen derartige isolierte Kabel über Lebensdauern,
die dreißig
Jahre überschreiten,
sicher und effektiv funktionieren. Aufgrund von Fertigungsfehlern,
Installationsfehlern oder einer Alterung unter widrigen Bedingungen
könnten
Kabel Anfangsfehler entwickeln, die durch eine "Teilentladung" an der Stelle des Anfangsfehlers angezeigt
werden. Aufgrund eines Fehlers, der sich innerhalb oder nahe der Isolierung
eines Kabels entwickelt, tritt innerhalb der Isolierung ein intermittierender
Lichtbogen (Teilentladung) auf. So wie der Ausdruck "Anfangsfehler" hier gebraucht wird,
bezeichnet er einen Defekt in einem Kabel, der nicht sofort einen
Ausfall bewirken wird, sondern der auf lange Sicht zu einem Ausfall
führen könnte, und
der Ausdruck "Teilentladung" bezeichnet einen
intermittierenden Lichtbogen, der an einer solchen Stelle insbesondere
dann auftreten wird, wenn eine hohe Erregungsspannung an der Leitung
anliegt. Die an dieser Teilentladung beteiligte Energie ist äußerst gering
und in Abhängigkeit
vom Typ des isolierenden Materials tritt eine örtlich begrenzte Beschädigung des
Materials auf. Auf lange Sicht werden derartige Anfangsfehler einen
vollständigen
Ausfall des Kabels hervorrufen. Sollte dies während eines kritischen Zeitraums
auftreten, etwa während
einer Spitzenbedarfzeit, können
sich erhebliche Schwierigkeiten bei den Abnehmern ergeben.
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Das Auffinden des Orts von Fehlern
in Starkstromleitungen ist Gegenstand früherer Patente und verschiedener
Fachbeiträge
gewesen. Das US-Patent Nr. 2 628 267 misst die Ankunftszeit von
Stoßströmen und
Reflexionen, die von einer Erde längs des Kabels ausgehen. Die
US-Patente Nr. 3 244 975 und Nr. 3 255 406 offenbaren ein Verfahren
zum Prüfen
von Kabeln, das als Impuls-Echo-Verfahren
bezeichnet wird, wobei der Zeitunterschied der Erfassung gesendeter
und reflektierter Impulse gemessen wird, um den Fehlerort zu bestimmen.
Das US-Patent Nr. 4 104 582 misst die Zeit durch Takten eines Zählers. Das
US-Patent Nr. 4
491 782 offenbart eine Technik zur Aufzeichnung des Impulsechos,
wobei die Impuls-Echo-Signale sowohl während des normalen Betriebs,
als auch unter Fehlerbedingungen gemessen werden und nach dem Auftreten
eines Fehlers ein Vergleich vorgenommen wird, um den Ort des Fehlers
in einem Kabel zu bestimmen.
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In dem zuvor erwähnten US-Patent Nr. 4 887 041
an Mashikian u. a. sind Vorrichtungen und Verfahren zum Auffinden
des Orts eines Anfangsfehlers entlang einer Energieübertragungsleitung
offenbart, die Filter und eine Verstärkung verwenden, um die Hochfrequenz-Pulse
auf der Leitung, die aus einer Erregungsspannung resultieren, zu
modifizieren. Diese modifizierten Pulse werden in digitale Daten überführt, die
von einem Computer interpretiert werden, um den Ort des Anfangsfehlers
entlang der Starkstromleitung zu lokalisieren.
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Das zuvor erwähnte US-Patent Nr. 5 272 439 an
Mashikian u. a. offenbart Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen
und näherungsweisen
Bestimmen der Position eines Anfangsfehlers in einem Starkstromkabel.
Dieses Verfahren schließt
zusätzlich
zu dem Verfahren des zuvor erwähnten
US-Patent Nr. 4 887 041 an Mashikian u. a. eine Filterung, eine
Verstärkung,
eine Datenspeicherung sowie Verarbeitungsschritte ein, um ein Teilentladungssignal
in einer Umgebung zu erfassen, in der es durch elektrische Störungen undeutlich
geworden ist.
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Obgleich sowohl die Verfahren als
auch die Vorrichtungen des zuvor erwähnten US-Patents an Mashikian
u. a. wirkungsvoll sind, ist ihr Genauigkeitsgrad bei der Lokalisierung
der Stelle der Teilentladung nur innerhalb plus oder minus ungefähr 30 cm (zwei
Fuß).
Dieser Genauigkeitsgrad ist jedoch im Allgemeinen unzureichend,
da eine Kabelausbesserung gewöhnlich
erfordert, dass der Ort des Fehlers auf ungefähr 15 cm (sechs Zoll) genau
bekannt ist.
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Die Erfindung betrifft insbesondere
ein Verfahren zum Erfassen des Orts einer Teilentladung, die durch
einen anfänglichen
bzw. beginnenden Fehler in einer isolierten Starkstrom- bzw. Energieleitung hervorgerufen
wird, das die Schritte aufweist:
- – Eine Erregungsspannung
wird an die Starkstromleitung angelegt, um einen Teilentladungssignalpuls
bei einem Anfangsfehler entlang der Starkstromleitung zu erzeugen;
- – der
Teilentladungspuls wird erfasst, um diskrete erfasste Pulse zu erzeugen,
die zu unterschiedlichen Eingangsanschlüssen eines differenziellen Verstärkers übertragen
werden; und
- – die
erfassten Pulse werden kombiniert, um ein kombiniertes Signal zu
erzeugen.
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Außerdem betrifft die Erfindung
insbesondere eine Vorrichtung zum Erfassen des Orts einer Teilentladung,
die durch einen anfänglichen
bzw. beginnenden Fehler in einer verbundenen isolierten Starkstrom-
bzw. Energieleitung erzeugt wird, die aufweist:
- – Mittel
zum Anlegen einer Erregungsspannung an die Starkstromleitung, um
einen Teilentladungssignalpuls bei einem Fehler entlang der Starkstromleitung
zu erzeugen;
- – Mittel
zum Erfassen des Teilentladungssignalpulses, um diskrete erfasste
Pulse zu erzeugen, die zu verschiedenen Eingangsanschlüssen eines
differenziellen Verstärkers übertragen
werden; und
- – Mittel
zum Kombinieren der erfassten Pulse, um ein kombiniertes Signal
zu erzeugen.
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JP
05 019 008 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung
wie in den zwei vor hergehenden Abschnitten dargelegt. Die Pulse
werden an zwei festen Punkten auf der Starkstromleitung, die verhältnismäßig weit
voneinander beabstandet sind, erfasst und der ungefähre Ort
der Teilentladung wird aus dem zeitlichen Unterschied zwischen den
Pulsen bestimmt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Erfassung einer Näherung der
Position eines Anfangsfehlers in einer elektrischen Energieübertragungsleitung zu
schaffen, die genau genug sind, um den Ort des Defekts innerhalb
der gewöhnlich
für eine
Kabelausbesserung erforderlichen Distanz aufzufinden.
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Außerdem ist es eine Aufgabe,
eine Vorrichtung für
die Umsetzung des Verfahrens zu schaffen, die effektiv arbeitet,
wenn der Nullleiter des Starkstromkabels entweder in Form von dünnen, schraubenlinienförmig gewundenen,
konzentrischen, zylindrischen Drähten
oder aber flachen Metallstreifen ist.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein
Verfahren zu schaffen, das zerstörungsfrei,
schnell anzuwenden und angemessen genau ist.
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Noch eine weitere Aufgabe ist es,
eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zu schaffen, die verhältnismäßig einfach transportiert und
betrieben wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist nun festgestellt worden, dass
die vorangehend genannten sowie die mit diesen zusammenhängenden
Aufgaben leicht in einem Verfahren, wie es im Anspruch 1 dargelegt
ist, und mit einer Vorrichtung, wie sie im Anspruch 10 dargelegt
ist, gelöst werden
können.
Das Verfahren und die Vorrichtung schließen das Anlegen einer Erregungsspannung
an eine Starkstrom- bzw. Energieleitung ein, um einen Teilentladungssignalpuls
bei einem Fehler entlang der Starkstromleitung zu erzeugen. Die
Oberfläche der
Starkstromleitung wird mit zwei Sensoren, die längs der Starkstromleitung voneinander
beabstandet und der Oberfläche
der Starkstromleitung benachbart angeordnet sind, abgetastet, um
den Teilentladungssignalpuls zu erfassen und diskrete erfasste Pulse
zu erzeugen. Diese erfassten Pulse werden kombiniert, um ein kombiniertes
Signal zu erzeugen, das einen Amplitudenpegel hat, der einen Extremwert
erreicht, wenn sich der Fehler mittig zwischen den Sensoren befindet.
Die Sensoren werden entlang der Stark stromleitung bewegt, bis der
Ort des Fehlers im Wesentlichen äquidistant
zu den Sensoren ist, wie durch den Extremwert der Amplitude des kombinierten
Signals angezeigt wird.
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Unter Verwendung der Erfindung ist
es möglich,
den Ort der Teilentladung mit einer Genauigkeit von plus oder minus
ungefähr
5 cm (zwei Zoll) zu bestimmen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird
der Amplitudenpegel des kombinierten Signals mit einem im Voraus
festgelegten Signalamplitudenpegel verglichen, wobei ein Vergleichsausgangssignal
erzeugt wird, falls die Amplitude des kombinierten Signals dem im
Voraus festgelegten Signalamplitudenpegel gleicht oder diesen übertrifft.
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Allgemein können die von den Sensoren erfassten
Pulse Spannungspulse sein. Wenn die von den Sensoren erfassten Pulse
Strompulse sind, können
diese Strompulse mit einer sogenannten Transresistance-Schaltung
in diskrete Spannungspulse umgesetzt werden.
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Die von den Sensoren erfassten Pulse
können
eine entgegengesetzte Polarität
haben, wenn sich der Ort des Fehlers zwischen den Sensoren befindet.
Um das kombinierte Signal zu erzeugen können die Pulse, die durch einen
Sensor erfasst worden sind, von den Pulsen abgezogen werden, die
durch den anderen Sensor erfasst worden sind. Dieses kombinierte
Signal kann dann durch ein Hochpassfilter geschickt werden, das
alle Frequenzen zurückweist,
die niedriger als eine im Voraus festgelegte Frequenzhöhe sind,
um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, das dann verstärkt wird.
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Die Vorrichtung zum Erfassen des
Orts des Anfangsfehlers enthält
Mittel zum Anlegen einer Erregungsspannung an eine Starkstromleitung,
um einen Teilentladungssignalpuls bei einem Fehler entlang der Starkstromleitung
zu erzeugen, und Mittel zum Abtasten der Oberfläche der Starkstromleitung, die
zwei Sensoren einschließen,
die angepasst sind, um voneinander beabstandet entlang der Starkstromleitung
zur Oberfläche
der Starkstromleitung benachbart angeordnet zu sein, um so die Teilentladungssignalpulse
zu erfassen und diskrete erfasste Pulse zu erzeugen. Die Mittel
zum Kombinieren der erfassten Pulse sind so beschaffen, dass sie
ein kombiniertes Signal erzeugen, das einen Amplitudenpegel hat,
der einen Extremwert erreicht, wenn der Fehler zwischen den beiden
Sensoren, je weils mit gleichem Abstand zu diesen, lokalisiert ist.
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In einer Ausführungsform der Vorrichtung gibt
es Mittel, um den Amplitudenpegel des kombinierten Signals mit einem
im Voraus festgelegten Signalamplitudenpegel zu vergleichen, Mittel,
um ein Vergleichsausgangssignal zu erzeugen, falls der Amplitudenpegel
des kombinierten Signals dem im Voraus festgelegten Signalamplitudenpegel
gleich ist oder diesen überschreitet,
und eine Signalisierungseinrichtung, die durch das Vergleichsausgangssignal betreibbar
ist.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung haben die Sensoren eine bogenförmige Konfiguration, die Enden
aufweist und so bemessen ist, dass sie wenigstens teilweise den
Umfang der Starkstromleitung umfasst. Jeder dieser Sensoren enthält eine
Schicht aus einem isolierenden Material, um benachbart zu der Oberfläche der
Starkstromleitung angeordnet zu werden, eine Schicht aus einem elektrisch
leitenden Material, die auf der isolierenden Schicht angeordnet
ist, zwei elektrische Ausgangsanschlüsse sowie Mittel, um die Enden
jedes Sensors lösbar
elektrisch miteinander zu verbinden, um den Umfang der Starkstromleitung
zu umfassen, wodurch der Teilentladungspuls einen Strom in der leitenden
Schicht induziert, der von den Ausgangsanschlüssen abgeleitet werden könnte. Der
von den Ausgangsanschlüssen
abgeleitete induzierte Strom kann dann in eine Spannung überführt werden.
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Die Schicht aus elektrisch leitendem
Material könnte
eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Drahtschlingen einschließen, die
miteinander verbunden sind, wobei die Sensoren so beschaffen sind, dass
die in Achsrichtung beabstandeten Drahtschlingen im Wesentlichen
konzentrisch zur Mitte der Starkstromleitung angeordnet sind. Als
andere Möglichkeit
könnte
die Schicht aus elektrisch leitendem Material eine flexible Lage
aus einem elektrisch leitenden Material enthalten, wobei der Sensor
so beschaffen ist, dass die Lage im Wesentlichen konzentrisch zur
Mitte der Starkstromleitung ist. Außerdem könnte eine Schicht aus magnetischem
Material zwischen der Schicht aus elektrisch leitendem Material und
der Starkstromleitung angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung umfassen die Sensoren einen Kern mit magnetischen
Eigenschaften und einen elektrischen Leiter, der auf dem Kern angeordnet
ist. Der Teilentladungspuls wird ein Restmagnetfeld außerhalb
der Starkstromleitung erzeugen und das Restmagnetfeld wird einen
magnetischen Fluss im Kern des Sensors erzeugen, der in dem elektrischen
Leiter eine Spannung induziert, die über den Anschlüssen des
Sensors erscheint.
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Vorzugsweise umfassen die Mittel
zum Kombinieren der erfassten Pulse einen differenziellen Verstärker, um
einen der erfassten Pulse von dem anderen der erfassten Pulse abzuziehen,
um das kombinierte Signal zu erzeugen, wobei an den differenziellen
Verstärker
ein Hochpassfilter angeschlossen ist, durch welches das kombinierte
Signal geschickt wird. Das Filter weist alle Frequenzen zurück, die
niedriger als eine im Voraus festgelegte Frequenzhöhe sind,
und erzeugt ein gefiltertes Signal, das einem Verstärker zugeführt wird,
um das gefilterte Signal zu verstärken und ein verstärktes Signal
zu erzeugen. Das normale Rauschsignal, das in die beiden Sensoren
gelangt, kann unterdrückt
werden.
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Die Mittel zum Erzeugen eines Vergleichsausgangssignals
könnten
allgemein einen ersten und einen zweiten Komparator enthalten, wobei
der erste Komparator das Vergleichsausgangssignal erzeugt, falls
der Amplitudenpegel des kombinierten Signals negativ ist und einen
negativen, im Voraus festgelegten Signalamplitudenpegel übersteigt.
Der zweite Komparator erzeugt ein Vergleichsausgangssignal, falls
der Amplitudenpegel des kombinierten Signals positiv ist und einen
positiven, im Voraus festgelegten Signalamplitudenpegel übersteigt.
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Außerdem könnte die Signalisierungseinrichtung
einen ersten und einen zweiten Multivibrator enthalten, wobei der
erste Multivibrator durch das Vergleichsausgangssignal des ersten
Komparators getriggert wird und der zweite Multivibrator durch das Ausgangssignal
des zweiten Komparators getriggert wird. Die Multivibratoren könnten dann
ihrerseits eine erste und eine zweite Licht emittierende Diode steuern,
die durch den ersten bzw. zweiten Multivibrator gesteuert werden.
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Die Signalisierungseinrichtung könnte erstrebenswert
auch einen Multivibrator enthalten, der durch das Vergleichsausgangssignal
triggerbar ist und einen Tongeber (Piepser) steuert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine schematische Ansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung,
die an einer in den Boden eingelassenen isolierten Starkstromleitung
angeordnet ist, um den Ort eines Anfangsfehlers aufzufinden;
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2 ist
eine bruchstückhafte
Seitenansicht einer typischen in den Boden eingelassenen Starkstromleitung
im Teilschnitt;
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3 ist
eine Querschnittansicht längs
der Linie 3-3 von 2;
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4 ist
eine Prinzipskizze einer Sensorvorrichtung, die die vorliegende
Erfindung verkörpert, die
auf eine schematisch dargestellte Starkstromleitung Anwendung findet;
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5A–5C sind Oszilloskop-Linien
der Ausgangssignale des Sensors und des differenziellen Verstärkers auf
der Grundlage der schematisch dargestellten Sensorpositionen in
Bezug auf einen Anfangsfehler;
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6 ist
eine Perspektivansicht eines die vorliegende Erfindung verkörpernden
Stromsensors im Teilschnitt, wobei der Stromsensor über einer bruchstückhaft dargestellten
Starkstromleitung dargestellt ist;
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7 ist
eine ähnliche
Ansicht einer weiteren Ausführungsform
des Stromsensors;
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Die 8A–8C sind schematische Darstellungen einer
Starkstromleitung und des ihr zugeordneten Magnetfeldes bzw. eines
Stromsensors über
der Starkstromleitung;
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9 ist
eine schematische Ansicht eines die vorliegende Erfindung verkörpernden
Magnetsensors;
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10 veranschaulicht
schematisch die Funktion eines Magnetsensors auf einer Starkstromleitung;
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11 ist
eine schematische Darstellung einer Transresistance-Schaltung;
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12 ist
eine schematische Darstellung einer Spannungssignal-Aufbereitungsschaltung;
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13 ist
eine schematische Darstellung einer Logikschaltung mit Anzeigeeinrichtungen
zur Verwendung in einer Sensorvorrichtung der vorliegenden Erfin dung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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In den zuvor erwähnten US-Patenten Nr. 4 887
041 und 5 272 439 an Mashikian u. a. sind eine Vorrichtung zum Erzeugen
eines Erregersignals und eine Verarbeitung eines Teilentladungssignals,
das in der Starkstromleitung auf das Erregersignal hin erfasst worden
ist, ausführlich
beschrieben. Die in diesen Patenten offenbarte maßgebliche
Geltung wird durch die Bezugnahme Bestandteil dieses Patents. Die
folgende Beschreibung konzentriert sich auf ein Erfassungsverfahren
und eine Vorrichtung, die ein Erfassen des genauen Orts des Anfangsfehlers
ermöglichen,
der mit dem Verfahren und der Vorrichtung der zuvor erwähnten Patente
näherungsweise bestimmt
worden ist.
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In 1 ist
auf schematische Weise ein Sensor dargestellt, der verwendet wird,
um den Ort des Fehlers gemäß der vorliegenden
Erfindung aufzufinden. Der grundsätzliche Teilentladungs-Fehlerort 24 wird
zunächst
innerhalb von plus oder minus ungefähr 60 cm (zwei Fuß) mit dem
Verfahren und der Vorrichtung der zuvor erwähnten US-Patente Nr. 4 887
041 und 5 272 439 an Mashikian bestimmt. Es ist erstrebenswert,
dass diese näherungsweise
Bestimmung die Verwendung der Positionsgeberantenne des letzteren
Patents einschließt.
Die Antenne wird den Boden entlang bewegt, um die ungefähre Position
des Fehlers zu ermitteln. Um die in den Boden eingelassene Starkstromleitung,
die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist,
auszubessern, wird ein Graben 22 mit einer Länge von
ungefähr
2,4 bis 3 Meter (acht bis zehn Fuß) im Boden 20 ausgehoben,
bis die Starkstromleitung 10 freiliegt. Es ist klar, dass
die näherungsweise
Bestimmung der Position entlang der Länge der Starkstromleitung 10 erfolgt,
die nicht gerade zu sein braucht. Eine (nicht gezeigte) Erregungsspannungsquelle
wird an einem offenen Ende der Starkstromleitung 10 wieder
an einen Leiter 12 der Starkstromleitung angeschlossen.
Da die Verfahren und Vorrichtungen der zuvor erwähnten Patente Nr. 4 887 041
und 5 272 439 an Mashikian u. a. den Teilentladungsort 24 nur
innerhalb plus oder minus ungefähr
60 cm (zwei Fuß)
bestimmen, müssen
anschließend
das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzt
werden, um den Teilentladungsort 24 genauer zu bestimmen.
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Gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung wird die Oberfläche
der Starkstromleitung 10 mit einer die vorliegende Erfindung
verkörpernden Zeigervorrichtung,
die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet ist,
abgetastet, bis eine Anzeigeeinrichtung 28 angibt, dass
der Zeiger 26 mittig zu dem Ort der Teilentladung eingestellt
ist. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung ermöglichen das Auffinden des Teilentladungsorts 24 mit
einer Genauigkeit von plus oder minus ungefähr 5 cm (zwei Zoll).
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Es wird kurz auf die 2 und 3 verwiesen, die
den Aufbau einer typischen modernen in den Boden eingelassenen Starkstromleitung 10 veranschaulichen.
Ein Kupfer- oder Aluminiumleiter 12 (gewöhnlich verseilt)
ist im Zentrum des Starkstromkabels 10 und von einer dünnen Schicht
eines halbleitenden Kunststoffmaterials umgeben, die eine Leiterabschirmung 16 schafft.
Die Leiterabschirmung 16 ist von einer stranggepressten
Schicht aus einem Kunststoffisolator 14 umgeben, der ihrerseits
durch eine dünne
Schicht aus einem halbleitenden Material abgeschirmt ist, das die
Funktion einer Isolationsabschirmung 17 hat. Über die
Isolationsabschirmung 17 sind schraubenlinienförmig die
Nullleiter-Kupferdrähte
gewunden.
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Bei bestimmten Kabelkonstruktionen
werden anstelle des schraubenlinienförmigen Drahts 18 flache
Kupferschlaufen oder ein dünnes
Kupfer- oder Aluminiumband oder Beschichtungen als Nullleiter verwendet.
Ein wichtiges gemeinsames Merkmal aller dieser Kabel ist das Fehlen
einer vollkommenen Undurchlässigkeit
hinsichtlich elektromagnetischer Felder. Mit anderen Worten: Wenn
in dem zentralen Leiter 12 ein Strom fließt, wird
in dem Nullleiter 18 der Rückstrom vorhanden sein. Obwohl
diese Ströme Magnetfelder
in entgegengesetzten Richtungen erzeugen werden, die sich in der
Tendenz gegenseitig auslöschen,
ist trotzdem ein Netto-Magnetfeld
auf der Oberfläche
der Starkstromleitung 10 vorhanden. Die Zeigervorrichtung 26 arbeitet
physikalisch auf der Grundlage dieses Restmagnetfeldes.
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Es wird auf 4 verwiesen, die eine die vorliegende
Erfindung verkörpernde
Zeigervorrichtung 26 veranschaulicht. Der Zeiger 26 besteht
aus fünf
Hauptkomponenten: einem Paar von zueinander beabstandeten Sensoren,
die mit den Bezugszeichen 30 und 32 bezeichnet
sind, einem differenziellen Verstärker, der als Ganzes mit dem
Bezugszeichen 36 bezeichnet ist, einer Signal-Aufbereitungsschaltung,
die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 38 bezeichnet ist,
einer Logikschaltung, die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet
ist, und einer Anzeigeeinrichtung, die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet
ist.
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Die beiden Sensoren 30 und 32 sind
typisch ungefähr
15 bis 30 cm (sechs bis zwölf
Zoll) auseinander und in der Lage, unter Nutzung des Prinzips der
elektromagnetischen Induktion das Restmagnetfeld außerhalb
der Starkstromleitung 10 in Spannungs- oder Strompulse
zu überführen. Wenn
sich der Teilentladungsort 24 zwischen den Sensoren 30 und 32 befindet,
laufen die Teilentladungspulse vom Ort 24 aus in verschiedene
Richtungen. Die Sensoren 30 und 32 sind so beschaffen,
dass in dieser Position Spannungssignale 44 bzw. 46 mit
entgegengesetzter Polarität
induziert werden, wie in 5a veranschaulicht
ist. Die Spannungssignale 44 und 46 werden einem
differenziellen Verstärker 36 zugeführt, der
das Spannungssignal 46 vom Spannungssignal 44 abzieht.
Folglich ist dann, wenn sich der Teilentladungsort 24 zwischen
den Sensoren 30 und 32 befindet, das kombinierte
Signal 48 größer als
die Einzelsignale, da die Subtraktionsoperation ein Subtrahieren
einer negativen Größe von einer
positiven Größe, d. h.
ein Addieren der beiden Werte, umfasst. Das kombinierte Signal 48 erreicht
seinen höchsten Pegelwert,
wenn sich der Teilentladungsort 24 mittig zwischen den
Sensoren 30 und 32 befindet.
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Wenn sich der Teilentladungsort 24 außerhalb
der Spanne der beiden Sensoren 30 und 32 befindet,
haben die induzierten Spannungen 20 und 46 die
gleiche Polarität,
wie in den 5b und 5c gezeigt ist. Wenn die
Signale 44 und 46 durch den differenziellen Verstärker 36 voneinander
abgezogen werden, ist das resultierende kombinierte Signal 48 viel
kleiner als das kombinierte Signal 48, das erzeugt wird,
wenn sich der Teilentladungsort 24 zwischen den Sensoren 30 und 32 befindet.
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Es ist wichtig anzumerken, dass bei
Abwesenheit eines Teilentladungsort-Signals die Rauschsignale, die
an den Anschlüssen
der Sensoren 30 und 32 auftreten, in dem differenziellen
Verstärker 36 voneinander
subtrahiert werden, was eine sehr effektive Rauschunterdrückung zur
Folge hat. Diese effektive Rauschunterdrückung ist ein direktes Ergebnis der
Konstruktion der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die zwei
Sensoren statt nur eines Sensor verwendet.
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Wie in 4 gezeigt
ist, wird das Ausgangssignal des differenziellen Verstärkers 36 an
eine Signal-Aufbereitungsschaltung 38 übertragen, die die niedrigen
kombinierten Signale herausfiltert und die hohen kombinierten Signale
verstärkt.
Im Ergebnis werden niedrige rauschbedingte Signale gefiltert und Signale,
die erzeugt werden, wenn der Teilentladungsort aufgefunden ist,
werden verstärkt.
Das Ausgangssignal der Signal-Aufbereitungsschaltung 38 wird
dann einer Logikschaltung 40 zugeführt, die eine hör- und sichtbare
Anzeigeeinheit 42 steuert, um den Anwender auf den genauen
Ort 24 der Teilentladung aufmerksam zu machen.
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Wenn die Zeigervorrichtung 26 die
Oberfläche
der Starkstromleitung 10 während des Betriebs abtastet,
wird von einer mittigen Position 34 zwischen den Sensoren 30 und 32 Kenntnis
genommen, wenn das gefilterte Signal 48 zuerst angezeigt
wird und dann die Anzeige des gefilterten Signals 48 beendet wird.
Der Teilentladungsort 24 entspricht dem Mittel dieser beiden
Positionen. Die Lokalisierung des Teilentladungsorts 24 könnte außerdem verifiziert
werden, wenn zur Kenntnis genommen wird, dass der Teilentladungsort 24 auch
der Position des führenden Sensors 32 entspricht,
wenn das gefilterte Signal 48 zuerst angezeigt wird, oder
der Position des hinteren Sensors 30 entspricht, wenn die
Anzeige des gefilterten Signals 48 endet.
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Nun zum Aufbau der Sensoren 30 und 32. Zwei
Typen von Sensoren haben sich als am wirksamsten erwiesen: ein Stromsensor
und ein Magnetinduktionssensor. Wie am besten in 6 veranschaulicht ist, hat ein Stromsensor,
der als Ganzes mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist,
eine Bogenform und besteht aus zehn bis zwanzig bogenförmigen Längen isolierten
Drahts 54, die auf einem biegsamen isolierenden Material 52 angeordnet
sind. Die Enden jeder Drahtlänge 54 sind
jeweils an den Stecker und die Buchse, 60 und 62,
eines Stift-Verbindungselements gelötet, das ermöglicht,
den Sensor 50 wie ein Armband zu öffnen und dann rings um die
Starkstromleitung 10 zu verschließen, um eine elektrische Verbindung
zu schaffen.
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8 zeigt
eine schematische Darstellung des Stromsensors 50. Ein
Strompuls 68 in dem konzentrischen Nullleiter 18 der
Starkstromleitung 10 induziert durch das mit der Radialkomponente 70 des Stroms 68 verknüpfte Magnetfeld
einen Strom 72 in dem Sensordraht 54, wie in den 8b und 8c gezeigt ist. Der Strom 72 wird
dann durch Ausgangsanschlüsse 58 des
Sensors 50 geleitet, an denen Drähte 54 angeschlossen
sind.
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In der Signal-Aufbereitungsschaltung 38,
die als Nächstes
betrachtet wird, ist der Stromsensor 50 an eine Transresistance-Schaltung 84 angeschlossen,
wie in
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11 veranschaulicht
ist, um den im Sensor 50 induzierten Strom 72 in
eine Spannung 92 zu überführen.
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Wie am besten in 6 veranschaulicht ist, enthält eine
optionale Ausführungsform
des Sensors 50 eine dünne
Lage aus einem biegsamen magnetischen Material 56 rings
um den Innendurchmesser des Sensors 50. Die magnetische
Lage 56 erhöht
die magnetische Flussdichte durch die Drähte 54, um die Empfindlichkeit
des Sensors 50 zu verbessern.
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Wie in 7 veranschaulicht
ist, könnten
die Drähte 54 des
Stromsensors 50 durch eine einzelne Lage 66 aus
einem metallischen Leiter, wie etwa Kupfer, ersetzt werden. An jeder
der beiden Kanten der Lage 66 sind elektrische Anschlüsse 58 parallel zur
Achse der Starkstromleitung 10 angelötet.
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Wie am besten in 9 veranschaulicht ist, wird ein Magnetsensor 74 dem
Stromsensor 50 gegenüber
bevorzugt verwendet, wenn der Nullleiter 18 des Kabels
aus einem dünnen
Metallband oder aus Schichten (nicht gezeigt) anstelle eines Nullleiter-Drahts 18 (wie
in den 2 und 3 gezeigt) besteht. Der Magnetsensor 74 wird
gebildet, indem ein Draht 78 um einen Kern 76 gewickelt
wird, der aus einem magnetischen oder ferromagnetischen Material hergestellt
ist.
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Wie in 10 veranschaulicht
ist, erzeugt das Restmagnetfeld 82 (als konzentrischer
Kreis 82 um die Starkstromleitung 10 gezeigt),
das durch einen Teilentladungspuls außerhalb der Starkstromleitung 10 entsteht,
einen Magnetfluss (nicht gezeigt) im Kern 76 des Sensors 74.
Da sich dieser Fluss zeitlich sehr schnell verändert (innerhalb von wenigen
Tausendsteln oder Millionsteln einer Sekunde) induziert es gemäß dem Faradayschen
Gesetz (die Spannung ist proportional zur zeitlichen Veränderung
des Flusses) eine signifikante Spannung 80 in der Spule 78. Diese
Spannung 80 erscheint über
dem positiven und negativen Anschluss, 79 und 81,
des Sensors 74. Da das Ausgangssignal des Magnetsensors 74 eine
Spannung 80 ist, wird die Transresistance-Schaltung 84 nicht
benötigt.
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Wie in 12 veranschaulicht
ist, wird dann das Spannungssignal 80 oder 92,
das von jedem der beiden Sensoren 30 und 32 erzeugt
wird, einer Signal-Aufbereitungsschaltung 38 zugeführt. Die
erste Komponente der Aufbereitungsschaltung 38 ist der differenzielle
Verstärker 36,
der das Signal 46 vom Signal 44 abzieht, um entweder
ein positives oder ein negatives kombiniertes Signal 48 zu
erzeugen.
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Ihm folgt ein Hochpassfilter 96,
das Frequenzen, die niedriger als eine im Voraus festgelegte Frequenz
(z. B. 7 kHz) sind, zurückweist.
Das nun gefilterte Signal 48 wird dann zwei völlig gleichen
Verstärkern 98 und 100 zugeführt, die
jeweils einen Verstärkungsfaktor 100 und
eine Bandbreite von 5 MHz haben.
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Das Ausgangssignal 102 der
Signal-Aufbereitungsschaltung 38 wird zur Logikschaltung 40 geschickt,
die am besten in 13 veranschaulicht
ist. Das Signal 102 von der Signal-Aufbereitungsschaltung 38 (positiver
oder negativer Puls) wird an zwei völlig gleiche schnelle Komparatoren
AD9698 104 und 110 übergeben. Der Komparator 104 liefert
eine Ausgangsspannung, falls das Signal positiv ist und einen einstellbaren
Pegel überschreitet.
Der Komparator 110 liefert eine Ausgangsspannung, falls
das Signal negativ ist und einen einstellbaren Pegel überschreitet.
Die Ausgangssignale der Komparatoren 104 und 110 werden
dann der Anzeigeeinrichtung 28 zugeführt.
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Wie in 13 gezeigt
ist, verwendet die bevorzugte Ausführungsform der Zeigervorrichtung 26 beide
Licht emittierenden Dioden (LEDs) 108 und 114 als
Sichtanzeige sowie einen Tongeber (Piepsen) 120 als hörbare Ausgabe.
Um eine Lumineszenz-Sichtanzeige zu liefern, wird die LED 108 durch einen
Multivibrator 106 gesteuert, der auf das Ausgangssignal
des Komparators 104, der einem positiven Puls zugeordnet
ist, anspricht. Die LED 114 wird durch den Multivibrator 112 gesteuert,
der seinerseits auf das Ausgangssignal des Komparators 110,
der dem negativen Puls zugeordnet ist, anspricht.
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Um ein Tonsignal zu liefern wird
ein Tongeber (Piepser) 120 durch den Multivibrator 118 gesteuert,
der durch ein logisches ODER-Gatter 116 entweder auf den
Komparator 104 oder 110 anspricht und so den Tongeber 120 triggert,
um jedes Mal einen hörbaren
Ton zu liefern, wenn ein Puls vorhanden ist, ganz gleich, ob er
positiv oder negativ ist.
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Es ist ersichtlich, dass die Messgeräteausrüstung und
das Messverfahren der vorliegenden Erfindung zerstörungsfrei
sind, da die Erregungsspannung gleich der normalen Oberflächenspannung
des Kabelsystems oder niedriger sein könnte. Dementsprechend ist es
nicht erforderlich, zerstörende
elektrische Belastungen in das System einzuführen.
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Die erforderliche Messgeräteausrüstung ist für den Feldeinsatz
an Kabeln, die im Boden vergraben sind, vorgesehen und alle Messungen
könnten an
der Vor-Ort-Installation
ausgeführt
werden. Wie nachvollziehbar sein wird, könnten die Sensoren in einem
Metallgehäuse
untergebracht sein, das sie vor elektrischen Störungen abschirmt. Die untere
Abdeckung des Gehäuses
wird bei Verwendung von Stromsensoren offen gelassen, jedoch bei
Verwendung von Magnetsensoren mit einem unmagnetischen Material
verschlossen. Die Sensorbaugruppe könnte an einer langen, elektrisch
isolierten Griffstange angebracht sein, an welcher der Abgleich
der Schaltung, der in einem Metallgehäuse untergebracht ist, befestigt
ist. Die Energieversorgung könnte
dann durch eine aufladbare Batterie erfolgen.
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Um den Anwender zu schützen könnte das Ende
der Griffstange, das dem Anwender am nächsten ist, von dem Gehäuse der
Schaltung mittels einer Metallhülle,
die mit dem geerdeten Nullleiter des Kabels elektrisch verbunden
ist, isoliert sein. Sollte es irgendein Hochspannungsleck vom Kabel
geben, würde
es direkt zur Erde geleitet; somit würde ein Durchgriff auf den
Anwender vermieden.
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Folglich ist ersichtlich, dass das
Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wirksame
Mittel für
die Ermittlung des Orts eines Anfangsfehlers in einer Starkstrom-
bzw. Energieleitung schaffen, die genau genug sind, um den Ort des
Defekts innerhalb der gewöhnlich
für eine
Kabelausbesserung erforderlichen Distanz aufzufinden. Die Vorrichtung
hat einen verhältnismäßig einfachen
Aufbau und das Verfahren ist verhältnismäßig einfach, zerstörungsfrei
und leicht anzuwenden.