DE69917892T2

DE69917892T2 - Direktioneller Hochspannungsdetektor

Info

Publication number: DE69917892T2
Application number: DE69917892T
Authority: DE
Inventors: Oluf Peter Kaad Johansen
Original assignee: Jomitek ApS
Current assignee: Jomitek ApS
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: ATE268910T1; DE69917892D1; EP1069436A1; EP1069436B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Richtungs- bzw. direktionellen Hochspannungsdetektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Erfassen der Richtung eines Energieflusses in einem Hochspannungsleiter. Es ist auch ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 14 vorgesehen.
Ein Hochspannungsverteilungs- oder -übertragungssystem umfaßt normalerweise zahlreiche Leiter, die eine Anzahl von elektrischen Energiegeneratoren und elektrischen Energieverbrauchern direkt oder indirekt verbinden. Die Leiter im Verteilungssystem können in der Form von Überland-Stromleitungen und Untergrund-Stromkabeln oder Kombinationen aus beiden bestehen. Die elektrischen Energiegeneratoren sind normalerweise Kraftwerke wie z.B. Kern-, Wasser- oder Kohlekraftwerke, aber es sind auch Windturbinenkraftwerke und ähnliche Arten von Kraftwerken möglich.
Die Energieverbraucher können alle Arten von Nutzern elektrischer Energie in der Gesellschaft wie z.B. elektrische Maschinen in Fabriken, elektrisches Licht in Büros und elektrische Heizvorrichtungen in privaten Häusern etc. sein. Andere Arten von Nutzern elektrischer Energie sind Krankenhäuser, in denen z.B. Lebenserhaltungsmaschinen durch elektrische Energie betrieben werden, und Flughäfen, in denen Verkehrssystemcomputer ebenfalls durch elektrische Energie betrieben werden.
Die Abhängigkeit einer Gesellschaft von einer verläßlichen elektrischen Energieversorgung und insbesondere von einem verläßlichen Verteilungs- oder Übertragungssystem ist unbestreitbar, und selbst kürzere Unterbrechungen der Versorgung können bedeutende ökonomische Auswirkungen auf die Gesellschaft haben und auch zum Verlust von Menschenleben führen.
Das Übertragungs- und Verteilungssysteme ist wegen seiner Größe insbesondere gegenüber verschiedenen Arten von Fehlern anfällig. Um Fehler auf schnelle und verläßliche Weise zu erfassen und zu lokalisieren, ist es notwendig, das System kontinuierlich überwachen zu können.
Bisher wurde die Überwachung durch entlang dem Übertragungs- und Verteilungssystem verstreute Detektoren mit Kommunikationsverbindungen zu einem Überwachungszentrum durchgeführt. Die Detektoren lesen normalerweise die Spannung oder den Strom im System auf Basis von verschiedenen Arten von Meßverfahren wie z.B. induktiven oder kapazitiven Verfahren. Es sind auch Kombinationen von induktiven und kapazitiven Detektoren bekannt, die sowohl Spannung als auch Strom messen.
Die Detektoren melden, ob sie wesentliche Änderungen in Spannung oder Strom erfassen, was angibt, daß im Übertragungs- und Verteilungssystem ein Fehler aufgetreten ist. Es ist jedoch ein großes Problem, daß ihnen die Fähigkeit fehlt, anzugeben, wo der Fehler aufgetreten ist.
Gleichzeitig sind die bekannten Detektoren zusätzlich dazu, daß sie recht teuer sind, voluminös und schwer. Besonders die Detektoren, die Meßverfahren verwenden, die Transformatoren oder Rukowski-Spulen umfassen, leiden unter diesen Nachteilen.
Die chinesische Patentanmeldung CN-A 1 195 775 offenbart ein Verfahren zum Erkennen einer Fehlerrichtung in einer Übertragungsleitung durch die Integration von Spannungs- und Stromwerten. Am Ende des Fehlers ist die integrierte Summe der multiplizierten Spannungs- und Stromwerten gleich dem Betrag der Fehlerenergie, und der positive oder negative Wert der Fehlerenergie gibt die Fehlerrichtung in der Übertragungsleitung an.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Hochspannungs-Richtungsdetektor für einen Hochspannungsleiter umfassend wenigstens eine Spannungsmeßschaltung zum Messen der Spannung in dem Leiter, wenigstens eine Strommeßschaltung zum Messen des Stroms in dem Leiter und Mittel zum Ableiten des Energieflusses in dem Leiter auf Basis von Messungen durch die Spannungsmeßschaltung und die Strommeßschaltung ist es möglich, nicht nur einen Fehler im Leiter zu erkennen, sondern auch anzugeben, in welcher Richtung vom Detektor her er aufgetreten ist.
Dies ist ein wichtiger Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik, weil es ermöglicht, einen Fehler im Leiter schneller zu lokalisieren und dadurch das Übertragungs- und Verteilungssystem früher in seinen normalen Funktionszustand zurückzuversetzen.
Wenn die Spannungsmeßschaltung wenigstens einen kapazitiven Detektor umfaßt, der eine kapazitive Kupplung mit dem Leiter bildet, ist es möglich, die Hochspannung zu messen, ohne eine physikalische Verbindung zwischen dem Leiter und der Meßschaltung herzustellen. Dies ist aufgrund der Hochspannung, die gemessen wird, sehr wichtig.
Wenn der kapazitive Detektor eine Platte umfaßt, die einen Abschnitt des Leiters teilweise oder ganz bedeckt, ist es möglich, eine kapazitive Kupplung herzustellen, die einfach zu konstruieren und an verschiedene Arten von Leitern oder Spannungswerten anzupassen ist. Die Größe der Platte kann wie auch der Abstand zwischen der Platte und dem Leiter leicht verändert werden.
Wenn die Ränder oder Ecken der Platte vom Leiter weg gebogen sind, ist es möglich, die Durchschlagspannung für den kapazitiven Detektor anzuheben, indem der Abstand von der Platte zum Leiter an den wahrscheinlichsten Stellen eines Durchschlags erhöht wird.
Wenn das dielektrische Material zwischen der Platte und dem Leiter Silikon ist, das die Oberfläche des Detektors teilweise oder ganz bedeckt ist es möglich, einen Kondensator mit einer genau definierten dielektrischen Konstante zu erzeugen.
Wenn die Silikonschicht als Isolierlage zwischen den Hochspannungspotentialen im Detektor und dem Äußeren dient, ist es möglich, z.B. Menschen vor der Gefahr eines lebensbedrohlichen elektrischen Schocks zu schützen.
Das Silikon schützt auch die Schaltungen des Detektors vor Feuchtigkeit und aggressiven Gasen.
Wenn wenigstens ein Kondensator seriell mit der kapazitiven Kupplung bzw. einem Bezugspotential verbunden ist, ist es möglich, einen rein kapazitiven Spannungsteiler zu erzeugen.
Dadurch liegt die Ausgangsspannung vom Teiler ohne Phasenverschiebung vor, was es unnötig macht, in der Berechnung Einstellungen der bzw. Anpassungen an die gemessenen Spannungs- oder Stromwerte vorzunehmen, während es auch ermöglicht wird, sehr niedrige Spannungspegel zu erkennen.
Der gemessene Wert ist darüber hinaus ein Echtzeitbild des Wertes und der Polarität der Leiterspannung.
Wenn das Bezugspotential das erdsymmetrische Potential wenigstens eines Leiters ist, ist es möglich, den Strom proportional zu einem festen Bezug zu messen, wodurch ein hoher Grad an Meßgenauigkeit sichergestellt wird.
Wenn die Strommeßschaltung wenigstens einen Detektor zum Messen des durch den Strom im Leiter erzeugten Magnetfeldes umfaßt, ist es möglich, den Strom ohne jegliche physikalische Verbindung zwischen dem Leiter und der Meßschaltung zu messen.
Der gemessene Wert ist auch ein Echtzeitbild des Wertes und der Polarität des Stroms im Leiter.
Wenn der Magnetfelddetektor zwei Hall-Elemente umfaßt, ist es möglich, ein Störfeld auszugleichen, indem die beiden erkannten Werte für das Störfeld addiert werden. Das erste Hall-Element ermittelt das Störfeld in einer Richtung, und das zweite Hall-Element ermittelt das Störfeld in der entgegengesetzten Richtung.
Hierdurch ist es möglich, z.B. ein Magnetfeld aus einem Leiter auszuschieden, der in die Nähe eines mit einem Hochspannungs-Richtungsdetektor ausgerüsteten Leiters angeordnet ist, der den tatsächlichen Ablesewert des Detektors nicht beeinflussen sollte.
Wenn die Versorgungsleitungen für die Magnetfelddetektoren und die Berechnungsschaltung Schilde gegen Magnetfelder umfassen, ist es möglich, Ablesefehler zu vermeiden. Die gemessene Spannung beträgt nur wenige Millivolt und tritt in einem sehr starken elektromagnetischen Feld nur wenige Millimeter von der Hochspannung im Leiter auf. Dies kann leicht zu Ablesefehlern führen, da die leichteste und scheinbar unbedeutende kapazitive Kupplung zwischen den verschiedene Komponenten/Versorgungsleitungen und dem Leiter als Ergebnis der kapazitiven Kupplung von der Leiterspannung zu Ablesefehlern des Stroms führt. Weiterhin können die elektromagnetischen Felder von anderen Leitern auch Ablesefehler erzeugen.
In einem Hochspannungs-Richtungsdetektor für einen Hochspannungsleiter, umfassend wenigstens eine Spannungsmeßschaltung zum Messen einer Spannung im Leiter durch wenigstens einen kapazitiven Detektor, wenigstens eine Strommeßschaltung zum Messen des Stroms im Leiter mittels wenigstens eines Magnetfelddetektors und Mittel zum Ableiten des Energieflusses im Leiter auf Basis der Messung durch die Spannungsmeßschaltung und die Strommeßschaltung, ist es möglich, den Energiefluß im Leiter auf vorteilhafte Weise zu ermitteln.
Wenn das Mittel die Energieflußrichtung auf Basis der Polarität des Stroms und der Spannung zwischen zwei vorhergehenden Nulldurchgängen der Spannung ableitet, ist es möglich, die Richtung des Energieflusses auf schnelle und verläßliche Weise zu ermitteln, und zwar insbesondere, weil die gemessenen Spannungs- und Stromwerte in Wert und Polarität Echtzeitbilder von Leiterspannung und -strom sind.
In einer Vorrichtung zum Messen an einem Hochspannungsleiter, umfassend wenigstens eine Spannungsmeßschaltung zum Messen einer Spannung im Leiter mittels wenigstens eines kapazitiven Detektors, wenigstens eine Strommeßschaltung zum Messen eines Stroms im Leiter mittels eines Magnetfelddetektors und Mittel zum Ableiten des Energieflusses im Leiter auf Basis der Messung durch die Spannungsmeßschaltung und die Strommeßschaltung, ist es möglich, die Richtung eines Energieflusses in einem Hochspannungsleiter anzugeben.
In einer Vorrichtung zum Messen an einem Leiter, umfassend wenigstens eine Spannungsmeßschaltung zum Messen einer Spannung im Leiter mittels wenigstens eines kapazitiven Detektors, wenigstens eine Strommeßschaltung zum Messen eines Stroms im Leiter mittels wenigstens eines Magnetfelddetektors und Mittel zum Ableiten des Energieflusses im Leiter auf Basis der Messung durch die Spannungsmeßschaltung und die Strommeßschaltung, ist es möglich, die Richtung eines Energieflusses in einem Leiter anzugeben.
Wenn der Magnetfelddetektor wenigstens einen magnetisch resistiven (magnetoresistiven) Detektor umfaßt, ist es möglich, auf vorteilhafte Weise eine kleine Stromintensität zu messen.
In einem Hochspannungsfehlerdetektor für einen Hochspannungsleiter (nach Anspruch 17), bei dem der Detektor Mittel zum Bestimmen der Richtung des Energieflusses im Leiter umfaßt, ist es möglich, im Hochspannungsleiter nicht nur einen Fehler zu ermitteln, sondern auch anzugeben, in welcher Richtung er vom Detektor her gesehen wird.
Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
1 ein Übertragungs- und Verteilungssystem darstellt, das mit einem Hochspannungs-Richtungsdetektor gemäß der Erfindung ausgestattet ist,
1a einen Teil eines Übertragungs- und eines Verteilungssystems im Detail darstellt,
2 die grundlegenden Elemente in einem Hochspannungs-Richtungsdetektor darstellt,
3 eine bevorzugte Ausführungsform eines Hochspannungs-Richtungsdetektors gemäß der Erfindung darstellt,
4 die bevorzugte Ausführungsform eines Hochspannungs-Richtungsdetektors, aus einem anderen Winkel gesehen, darstellt,
5 eine Wiedergabe von Spannungs- und Stromwerten darstellt,
6 einen Bruchteil der Wiedergabe um einen Nulldurchgang für die Spannung zentriert darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug auf 1 ist ein Übertragungs- und Verteilungssystem 2, bestehend aus Überlandstromleitungen oder Untergrundstromkabeln, gezeigt, die einen oder mehrere Energieerzeuger 1 mit den Energieverbrauchern oder Lasten verbinden, wodurch eine Übertragung von elektrischer Energie ermöglicht wird. Die Übertragung der elektrischen Energie findet normalerweise bei einer hohen Spannung und insbesondere bei einer Wechselspannung statt, um einen minimalen Energieverlust während des Transports durch das Übertragungs- und Verteilungssystem sicherzustellen. Außerdem ist die Spannung normalerweise ein dreiphasige Spannung, was bedeutet, daß die Stromleitungen oder Kabel aus wenigstens drei Leitern bestehen.
Die Leitungen oder Kabel des Übertragungs- und Verteilungssystems sind von beträchtlicher Länge, was es gegenüber verschiedenen Arten von Fehlern anfällig macht. Als Ergebnis von Tierangriffen, Erdrutschen und am falschen Ort arbeitenden Baumaschinen kann zum Beispiel ein Kurzschluß 6 im System auftreten. Ein anderer Grund für einen Kurzschluß kann eine Beeinträchtigung der Kabelisolierung sein. Um den Ort des Fehlers zu bestimmen, ist eine Anzahl von Richtungsdetektoren 5 entlang den Leitern des Übertragungs- und Verteilungssystems angeordnet. Die Detektoren bestimmen basierend auf Spannungs- und Strommessungen die Richtung des Energieflusses im Leiter. Wenn ein Fehler auftritt, weisen die Richtungsdetektoren zum Ort des Fehlers hin, zu dem die Energie fließt.
Mit Bezug auf 1a ist eine mögliche Fehlersituation in einem Übertragungs- und Verteilungssystem dargestellt. Das Übertragungs- und Verteilungssystem umfaßt ein Hochspannungskabel oder eine Hochspannungsleitung Hv und eine Anzahl Hochspannungstransformatoren Tr, die auf der Niedrigspannungsseite jeweils mit einer oder mehreren Lasten 4 verbunden sind. In dieser Fehlersituation ist auf der Hochspannungsseite eines Transformators Tr ein Kurzschluß 6 aufgetreten. Die entlang dem Hochspannungskabel oder der Hochspannungsleitung angeordneten Detektoren 5 weisen alle zum Ort des Kurzschlusses hin, der dort ist, wohin die Energie fließt.
Mit Bezug auf 2 ist ein Hochspannungs-Richtungsdetektor 5 zusammen mit einem Leiter 10 in einem Übertragungs- und Verteilungssystem 2 dargestellt. Der Richtungsdetektor umfaßt eine Spannungsmeßschaltung mit einem kapazitiven Detektor 11 und einer Strommeßschaltung mit einem oder mehreren Magnetfelddetektoren 14. Der kapazitive Detektor 11 bildet zusammen mit einem Kondensator 12 einen Spannungsteiler. Der Kondensator 12 ist außerdem mit einem Bezugspotential 13 verbunden, das als symmetrischer Ausgangspunkt z.B. eines dreiphasigen Kabels gewählt werden kann, das gleich einem Erdpotential ist.
Der geteilte gemessene Spannungswert und der gemessene Stromwert werden einer Berechnungsschaltung 17 zugeführt, die basierend auf den Werten einen Richtungswert für den Energiefluß im Leiter berechnet.
Mit Bezug auf 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Richtungsdetektors dargestellt. Die kapazitive Messung der Spannung wird durch eine kapazitive Kupplung zwischen einer Metallplatte 20 und dem Leiter 10 ausgeführt. Die Metallplatte 20 ist gekrümmt, so daß sie der Form des Leiters 10 folgt, und befindet sich in enger Nachbarschaft, wodurch eine hohe Kapazitanz in der kapazitiven Kupplung sichergestellt wird. Die Metallplatte 20 ist vorzugsweise rechtwinklig, wobei eine Fläche zwischen 4 und 6 cm² der Metallplatte einige Millimeter über dem Leiter 10 angebracht ist. Andere Formen und Flächengrößen der Metallplatte 20 sind natürlich ebenfalls möglich.
Die Strommeßschaltung umfaßt einen oder mehrere Magnetfelddetektoren 14 zum Ermitteln des durch den Stromfluß im Leiter 10 erzeugten Magnetfeldes. Der Magnetfelddetektor 14 ist vorzugsweise ein in enger Nachbarschaft zum Leiter angebrachtes Hall-Element 15, 16. Das Hall-Element sorgt für eine zum Strom im Leiter proportionale Spannung.
Um Störungen von äußeren Magnetfeldern zu vermeiden oder zu minimieren, ist es bevorzugt, doppelte Hall-Element anstelle einzelner zu verwenden. Dies schaltet Störfelder aus, weil das erste Hall-Element die Störfelder in einer Richtung und das zweite Hall-Element die Störfelder in der entgegengesetzten Richtung ermittelt, was zu einem gemessenen Wert von null führt. Beispiele von äußeren Magnetfeldern sind das Erdmagnetfeld und Magnetfelder von Leitern oder Komponenten, die nahe dem Detektor angeordnet sind.
Die ermittelten Werte werden der auf einer Schaltungsplatte 23 angeordneten Berechnungsschaltung 17 zugeführt. Um zu vermeiden, daß Magnetfelder in den Versorgungsleitungen 22 für die Magnetfelddetektoren 14 eine Spannung erzeugen, sind die Leitungen durch Schilde 21 umgeben, die mit einem Erdpotential verbunden sind. Die Schilde 21 schützen auch die Schaltungsplatte 23, die die Berechnungsschaltung 17 enthält.
Die Isolierung des gesamten Detektors im Verhältnis zur Hochspannung wird erhalten, indem die gesamte Schaltung in Silikonkautschuk eingebettet wird. Gleichzeitig wird das Silikon als Dielektrikum zwischen der Metallplatte und dem Leiter verwendet. Das Spannung bereitstellende Kabel und das Erdkabel von der Konstruktion werden durch ein isolierendes Silikonrohr in die silikongeschützte Schaltung geführt. Daher wird die Konstruktion, vom elektrischen Gesichtspunkt aus gesehen, geschützt.
Die Kabel sind normalerweise abgeschirmt, um die Erzeugung von Störmagnetfeldern in enger Nachbarschaft zu den Detektoren zu verhindern.
Die Berechnungsschaltung 17 erzeugt die Energierichtung betreffende Informationen entweder durch eine optische Faser z.B. an ein Steuerzentrum oder auf einer Anzeige 18, umfassend z.B. ein Paar lichtemittierender Dioden (LEDs), die einen Energiefluß in die eine oder andere Richtung angeben.
Im Fall eines Kurzschlusses fällt die Spannung häufig aus. Dies ist der Grund, warum die Berechnungsschaltung 17 die Spannung in 1 bis 2 Sekunden nach der Erkennung eines Fehlers am Leiter simuliert. Auf diese Weise ist es noch möglich, die Polarität des aufgezeichneten Kurzschlußstroms mit der Polarität der Spannung zu vergleichen. Die Richtung des Kurzschlußstroms wird durch die Berechnungsschaltung 17 innerhalb der ersten beiden Perioden nach einem Stromanstieg über einen bestimmten Auslösepegel bestimmt.
Die Energieversorgung findet von einer äußeren Spannungsquelle statt. Diese Spannungsquelle muß eine Gleichspannung von 9 bis 12 Volt solchermaßen bereitstellen, daß die Gleichspannungserdung galvanisch vom Erdpotential getrennt ist. Die Schaltung erfordert auch in der Kurzschlußsituation, wenn die Spannungsversorgung vom kurzgeschlossenen Netz nicht erwartet werden kann, eine Spannung. Dies ist der Grund dafür, daß die äußere Spannungsversorgung eine Sicherungsbatterie aufweisen muß. Mit der geschützten Konstruktion der Meßeinheit ist es möglich, die Batterie auszutauschen (etwa alle zehn Jahre), ohne die Hochspannung zu unterbrechen.
Mit Bezug auf 5 tastet die Berechnungsschaltung die Signale eine Anzahl von Malen pro Periode ab, derzeit auf 20 Mal pro Periode eingestellt. Der genaue Strom I und die genaue Spannung U, die Wert und Polarität bedeuten, werden bei jedem Abtastwert gelesen. Während der häufigen Abtastungen ist es möglich, recht genau zu bestimmen, wenn der Nulldurchgang (Phasenänderung) der Spannung stattfindet. Ist die Spannungspolarität einmal bestimmt worden, ist es möglich, die Zahl der Abtastungen einer Periode zu bestimmen, die sicherstellt, für einen Vergleich der Polarität des Stroms und der Spannung zu sorgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die relative Richtung der Energie durch eine einfache mathematische Multiplikation der Polarität des Stroms und der Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen den Nulldurchgängen bestimmt.
Der Detektor bestimmt die Richtung des Energieflusses, wenn ein hoher Strom über einer bestimmten Grenze erkannt wird.
Die Polarität des Stroms wird gemessen und anschließend mit der Polarität der Spannung (ob tatsächlich gemessen oder simuliert) verglichen, und es wird die Energierichtung bestimmt. Einer oder mehrere der Nulldurchgänge der Spannung oder des Stroms können simuliert wie auch gemessen werden.
Mit Bezug auf 6 ist der Algorithmus solchermaßen gestaltet, daß, wenn sich die Spannung über der positiven Rauschgrenze liegt, geprüft wird, ob direkt davor ein Nulldurchgang stattgefunden hat. Wenn die vorausgehende Spannung (beim vorhergehenden Abtasten) unter einer positiven Rauschgrenze liegt, wird eine nähere Überprüfung vorgenommen. Wenn sich die Spannung 4/20 Perioden vorher (4 Abtastungen früher) unter der negativen Rauschgrenze befindet, hat ein Nulldurchgang stattgefunden.
Die Zahl der Abtastungen für den genauen zeitlichen Nulldurchgangspunkt muß nun irgendwo zwischen der gegenwärtigen Abtastung X und der 4/20 vorher genommenen Abtastung X-4 liegen. Wenn der Wert der Abtastung X-3 unter der negativen Rauschgrenze liegt, liegt der Nulldurchgang bei X-1 oder X-2. Von den beiden Abtastungen wird ungeachtet der Rauschgrenze die Abtastung gewählt, die null am nächsten ist. Wenn der Wert für X-3 über der negativen Rauschgrenze liegt, wird X-2 als Nulldurchgangswert gewählt.
Trotz des oben erwähnten Algorithmus besteht immer noch ein minimales Risiko, daß die Bestimmung des Nulldurchgangs in einer stark gestörten Meßumgebung unrichtig sein kann. Dies ist der Grund, warum der Algorithmus eine eingebaute phasenverriegelte Schleifenschaltung aufweist, so daß zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgangspunkte in ihrer jeweiligen Periode nicht um mehr als eine bestimmte Periode (z.B. 4/20) voneinander abweichen können.
Mit diesem Algorithmus ist es möglich, ungeachtet des Störungs-/Rauschpegels im Meßsystem eine genaue Bestimmung des zeitlichen Nulldurchgangspunktes vorzunehmen.
Es ist verständlich, daß der Algorithmus in der Lage ist, den Nulldurchgang an einem Spannungsdurchgang von negativ zu positiv (in 6 dargestellt) genauso gut wie an einem Durchgang von positiv zu negativ zu bestimmen.
Fachleute werden verstehen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Erkennung bzw. Ermittlung einer Energiestromrichtung im Fall eines Fehlers an einem Hochspannungsübertragungs- und -verteilungssystem beschränkt ist. Die Erfassung und Angabe einer Energieflußrichtung in einem normalen Arbeitszustand ist ebenso möglich wie auch die Angabe einer Energieflußrichtung an anderen Hochspannungssystemen, die einen Energiefluß in einem Leiter beinhalten.
Außerdem ist ein Richtungsdetektor für Niedrigspannungssysteme möglich, wie z.B. tragbare Detektoren für Haushaltskabel, wodurch ermöglicht wird, Fehler in der Verkabelung, durch die ein höherer Strom fließt als in einem normalen Arbeitszustand, zu verfolgen oder festzustellen. Die Strom- und Spannungsdetektoren können vorzugsweise auch von anderer Art als die oben beschriebenen sein. Insbesondere wegen der niedrigeren Stromwerte können vorteilhaft magnetisch resistive (magnetoresistive) Detektoren die Hall-Elemente ersetzen. Das Verfahren zum Messen der Spannung mit einem kapazitiven Detektor kann außerdem vorteilhaft durch Verfahren ersetzt werden, die einen direkten Kontakt zum Leiter beinhalten.

1: Generator
2: Übertragungs- oder Verteilungssystem, bestehend aus Untergrundkabeln
: oder Überlandleitungen
3: Elektrische Verbraucher oder Lasten
4: Richtungsanzeiger
5: Richtungsdetektoren
6: Elektrischer Fehler, z.B. Kurzschluß
10: Leiter
11: Kapazitiver Detektor
12: Kondensator
13: Bezugspotential, z.B. Erdpotential
14: Elektromagnetischer Felddetektor
15: Erstes elektromagnetisches Felddetektorelement
16: Zweites elektromagnetisches Felddetektorelement
17: Berechnungsschaltung
18: Richtungsanzeiger
20: Metallplatte
21: Schild für elektromagnetisches Feld
22: Versorgungsleitungen für die elektromagnetischen Felddetektoren
23: Schaltungsplatte umfassend die Berechnungsschaltung
30: X-Achse in Grad (°)
31: Y-Achse in Absolutwerten (U/U und I/I)
32: Rauschpegel
U: Spannung
I: Strom
Tr: Transformator
Hv: Hochspannungskabel oder -leitung
X, X-1, ...: Abtastungen der X-Achse

Claims

Hochspannungs-Richtungsdetektor (5) für einen Hochspannungsleiter (10) umfassend • wenigstens eine Spannungsmeßschaltung zum Messen der Spannung an dem Leiter (10) mittels wenigstens eines kapazitiven Detektors (11), • wenigstens eine Strommeßschaltung zum Messen des Stromes in dem Leiter (10) mittels wenigstens eines Magnetfelddetektors (14, 15, 16), • sowie Mittel zum Ableiten des Energiestroms in dem Leiter (10) auf Basis von Messungen, die mittels der Spannungsmeßschaltung und der Strommeßschaltung vorgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel die Energiestromrichtung auf der Basis der jeweiligen Polarität des Stroms und der Spannung zu einem gegebenen Zeitpunkt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Null-Durchgängen der Spannung bestimmen.
Hochspannungs-Richtungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine kapazitive Detektor (11) eine kapazitive Kupplung mit dem Leiter (10) bildet.
Hochspannungs-Richtungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Detektor (11) eine Metallplatte (20) umfaßt, die einen Abschnitt des Leiters (10) teilweise oder gänzlich bedeckt.
Hochspannungs-Richtungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder oder Ecken der Platte von dem Leiter (10) weg gebogen sind.
Hochspannungs-Richtungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material zwischen der Metallplatte (20) und dem Leiter (10) Silikon ist, das die Oberfläche des Detektors teilweise oder ganz bedeckt.
Hochspannungs-Richtungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikon als Isolationslage zwischen den Hochspannungspotentialen in dem Detektor bzw. dem Äußeren dient.
Hochspannungs-Richtungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kondensator (12) seriell mit der kapazitiven Kupplung bzw. einem Bezugspotential (13) verbunden ist.
Hochspannungs-Richtungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugspotential (13) das Erdpotential des Leiters (10) ist.
Hochspannungs-Richtungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelddetektor (14) zwei Hall-Elemente (15, 16) umfaßt.
Hochspannungs-Richtungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsleitungen für den Magnetfelddetektor (14) und die Berechnungsschaltung (17) Schilde (21) gegen Magnetfelder umfassen.
Hochspannungs-Richtungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelddetektor (14) wenigstens einen magneto-resistiven Detektor umfaßt.
Verfahren zum Bestimmen der Richtung des Energiestroms in einem Hochspannungsleiter, wobei wenigstens eine Spannungsmeßschaltung die Spannung an dem Leiter mittels wenigstens eines kapazitiven Detektors mißt, wenigstens eine Strommeßschaltung den Strom in dem Leiter mittels eines Magnetfelddetektors mißt und eine Berechnungsschaltung den Richtungswert, abgeleitet aus gemessener Spannung und Strom, auf der Basis der jeweiligen Polarität des Stroms und der Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Null-Durchgängen der Spannung berechnet.
Verfahren zum Bestimmen der Richtung des Energiestroms in einem Hochspannungsleiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsschaltung den Richtungswert auf der Basis der jeweiligen Polarität des Stroms und der Spannung zu einem gegebenen Zeitpunkt zwischen zwei vorhergehenden aufeinanderfolgenden Null-Durchgängen der Spannung berechnet.
Verfahren zum Bestimmen der Richtung des Energiestroms in einem Hochspannungsleiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsschaltung die Spannung in eine Anzahl Abtastwerte innerhalb eines Zeitraumes teilt und wobei die Berechnungsschaltung den ersten Spannungsabtastwert, der numerisch größer als ein konstanter Wert ist, mit den unmittelbar vorhergehenden Werten vergleicht, um den der Nullspannung nächsten Abtastwert zu bestimmen.
Verfahren zum Bestimmen der Richtung des Energiestroms in einem Hochspannungsleiter gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsschaltung den Richtungswert auf der Basis der jeweiligen Polarität des Stroms und der Spannung zu einem gegebenen Zeitpunkt zwischen zwei vorhergehenden aufeinanderfolgenden Null-Durchgängen der Spannung berechnet.
Verfahren zum Bestimmen der Richtung des Energiestroms in einem Hochspannungsleiter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante Wert den Rauschpegel übersteigt.