Beschreibung
STROMVERSORGUNG FÜR AUF HOCHSPANNUNGSPOTENTIAL LIEGENDE ELEKTRONIKEINHEITEN
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stromversorgung von auf Hochspannungspotential liegenden Sensorikein- richtungen und/oder Elektronikeinheiten, wobei die notwendige elektrische Leistung direkt aus einer Hochspannungsleitung entnommen wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit auf Hochspannungspotential liegenden Sensoreinrichtungen und/oder Elektronikeinheiten und den zugehörigen Hochspan- nungs-Leitungen.
Oftmals ist es notwendig, Überwachungs- und Steuereinrichtungen, die ihrerseits direkt mit Hochspannungspotential (HV) verbunden sind, mit Energie zu versorgen. Beispiele dafür sind: - Messung des Stromes auf Hochspannungs (HV) -Potential - Temperatur-Überwachung auf Hochspannungs-Freileitungen: Zur optimalen Ausnutzung der Übertragungskapazität wird häufig eine Überwachung der Leitertemperatur benötigt. - Überwachung von Leistungshalbleitern in HGÜ-Anlagen. Zustandsanalyse von Hochspannungsschaltern. In allen Fällen liegt die Überwachung- und Datenübertragungselektronik ständig auf HV-Potential und muss dementsprechend erdfrei mit der notwendigen Energie versorgt werden.
Bisher werden aufgrund der hohen Isolationsanforderungen vorwiegend herkömmliche induktive Wandler sowie optische Energieübertragungseinrichtungen zur Versorgung der Elektronik eingesetzt.
Während induktive HV-Wandler für diesen Zweck zu teuer sind, benötigen auf optischer Energieübertragung basierende Ener-
gieversorgungsgeräte eine zusätzliche, dauernd zur Verfügung stehende eigene Energieversorgung auf Erdpotential. Ein Selbstanlauf der Überwachungs- und Steuereinrichtungen auf HV-Potential ist aus diesem Grund nicht möglich.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem in einfacher Weise die elektrische Leistung direkt der Hochspannungsleitung entnommen wird. Dazu soll eine zugehörige Vorrichtung geschaffen werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß beim Verfahren der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Anwendungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 8 und 9. Eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Patentanspruches 11 gekennzeichnet. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Bei der Erfindung wird die zur Versorgung der auf Hochspannungspotential liegenden Elektronik notwendige elektrische Leistung direkt der Hochspannungsleitung entnommen. Dies erfolgt dadurch, dass aus dem Stromversorgungsteil der Elektronik ein Draht als Koronaelektrode gezielt in den feldbehafte- ten Bereich um die Hochspannungsleitung geführt wird dergestalt, dass der Draht als Ansatzpunkt für eine Koronaentladung dient.
Koronaentladungen treten bei Feldstärken ab etwa 10 kV/cm auf. Die Koronaelektrode wird bevorzugt als Halbkugel ausgeführt, so dass an der Oberfläche der Koronaelektrode eine etwa gleichmäßige elektrische Feldstärke herrscht. Über den Radius der Halbkugel kann im Wesentlichen gesteuert werden, bei welcher Spannung die Koronaentladung einsetzt und abbricht. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Lösung für verschiedene Hochspannungsebenen eingesetzt werden. In einer vorteilhaften Anordnung kann auf der Kugel - oder einem ver-
gleichbaren Körper wie z.B. einem Zylinder mit verrundeten Kanten - eine feldverstärkende Struktur wie beispielsweise ein Kegel oder Zylinderabschnitt angebracht sein, der die Koronaeinsatzfeldstärke in definierter und kontrollierter Form absenkt und steuert. Andere Strukturen mit vergleichbarer Funktion sind ebenso möglich.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
Figur 1 eine erste Ausführungsform mit einem Einweg-Gleichrichter und Figur 2 eine zweite Ausführungsform mit einem Zweiweg- Gleichrichter .
Die beiden Figuren werden weitestgehend gemeinsam beschrieben.
In den beiden Figuren bedeuten 1 eine Leitung auf Hochspannungspotential, wobei schematisch eine Transformatoreinheit 5 zur Generierung der Hochspannung dargestellt ist. Auf dem Hochspannungspotential, d.h. mit der Leitung 1 verbunden, be- findet sich ein Element, das zu seinem Betrieb eine elektrische Leistung benötigt. Ein solches Element kann beispielsweise eine Sensoreinrichtung, die mit elektronischen Schaltmitteln betrieben wird, oder aber auch eine beliebige Elektronikeinheit sein. Eine solche Einheit ist pauschal mit 10 bezeichnet. Sie besteht im Einzelnen aus einem Spannungsregler 11, Kondensatoren 12, 13 und Dioden 14 bzw. 15, wobei die Verschaltung im Einzelnen variieren kann. Am Ausgang wird die VersorgungsSpannung Usuppiy geliefert, die auf eine mit Spannung zu versorgende Einheit 101 gegeben wird.
Mit 20 ist eine in den Figuren nur angedeutete Koronaelektrode bezeichnet, der in Figur 1 ein Strombegrenzungswiderstand
21 und ein Varistor 22, in Figur 2 ebenfalls ein Strombegrenzungswiderstand 21 und eine Zweiweggleichrichterbrücke 22 aus Dioden und Varistor 23 und 24 zugeordnet ist. Weiterhin ist ein fiktiver Widerstand 25 der Hochspannungsleitung zum Erd- potential vorhanden.
Die Koronaelektrode 20 kann als Halbkugel ausgeführt sein, so dass an der Oberfläche der Halbkugel eine etwa gleichmäßige Feldverteilung herrscht. Auch andere Formen, wie beispiels- weise ein Kegel oder ein Zylinderabschnitt, sind möglich.
Durch die kapazitive Ankopplung der Hochspannungsleitung 1 an das Erdpotential kann ein Koronastrom fließen.
Der über den Draht fließende Koronastrom von einigen μA, ty- pischerweise 50 μA, kann - nach Gleichrichtung und Siebung - direkt zur Versorgung der Elektronik dienen, da moderne Sensoren sowie elektronische Bauelemente und Mikroprozessoren bereits mit wenigen Mikrowatt Leistung auskommen.
Die Energieeinspeisung wird anhand Fig. 1 und Fig. 2 verdeutlicht, wobei deren Stromversorgung alternativ durch einen Einweg-Gleichrichter oder einen Zweiweg-Gleichrichter erfolgt.
Fig. 1 zeigt das Prinzip der vorliegenden Erfindung. Über die Koronaelektrode 20 wird gezielt ein Koronastrom über die Kapazität zwischen dem HV-Leiter und Erdpotential erzeugt. Dieser Strom erzeugt nach Gleichrichtung an einem Glättungskon- densator einen Spannungsabfall, der nach Stabilisierung zur Energieversorgung einer Elektronik auf HV-Potential genutzt werden kann. Der Varistor 22 oder ein vergleichbares Überspannungsschutzelement, wie z.B. eine Zenerdiode 15 parallel zum Gleichrichter, begrenzt mögliche Überspannungsspitzen auf für die nachfolgende Elektronik ungefährliche Werte.
Die Ausführungsform gemäß Figur 2 verwendet bereits im Gleichrichter Zenerdioden zur Begrenzung der etwaig auftre-
tender Überspannungsspitzen. Eine Brückenschaltung von vier Zenerdioden 24 bildet in Kombination mit dem Varistor 22 einen Zweiweggleichrichter.
Weiterhin ist in Figur 2 ein Kondensator 102 als Koppeleinheit zur Nutzung der Koronaelektrode 20 als Sende-/Empfangs- antenne für die Elektronikeinheit 101 vorhanden.
Beiden Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass der Korona- ström im Wesentlichen nach einer Gleichrichtung über den
Verbraucher geführt wird, der durch die erfindungsgemäß erzeugte VersorgungsSpannung USUppiy gespeist wird. Daneben dient ein Varistor oder ein ähnliches Bauelement (Zenerdiode) der Spannungsbegrenzung. Ein Strombegrenzungswiderstand in Serie mit der Koronaelektrode dient dazu, eine stromstarke lawinen- förmige Entladung über die Koronaelektrode zu vermeiden.
Von besonderem Vorteil bei dem beschriebenen Prinzip ist, dass keine zusätzliche Versorgung der Elektronik notwendig ist und der benötigte Strom von wenigen Mikroampere direkt der Hochspannungsleitung entnommen werden kann. Die bei einem Kurzschlussfall notwendige Überbrückung eines kurzfristigen Spannungsausfalls kann nach dem Stand der Technik durch entsprechende verlustarme Speicherkapazitäten, z.B. Ultracaps o. dgl., gegebenenfalls in Verbindung mit einem Akkumulator (z.B. Li-Ionen-Akku geringer Kapazität) erfolgen.
Das vorstehend beschriebene Prinzip lässt sich beispielsweise bei Hochspannungs-Freileitungen einsetzen, bei denen die E- nergieübertragung auf einzelnen Leitungssträngen moduliert wird, um Übertragungsausfälle zu vermeiden. Dafür werden besondere Modulationseinrichtungen verwendet, die elektronische und mechanische Schalter enthalten können. Insbesondere als mechanische Schalter kommen dabei Vakuumschalter, vorzugswei- se Vakuumschütze, in Frage. Solche Schalteinrichtungen haben zwar integrierte, die Schaltenergie liefernde Antriebseinrichtungen. Zur Überwachung dieser Einrichtungen können die
beschriebenen, von der Hochspannung gespeisten Anordnungen eingesetzt werden.
Die Übertragung der Daten zu einer im Allgemeinen auf Erdpotential liegenden Datenerfassungsstelle kann mittels einer drahtlosen Funkübertragung erfolgen. In diesem Fall besteht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung in der Kombination von Funkantenne und Koronaelektrode in einem Element.
Die Signalübertragung kann auch durch geeignete Elektronik nacϊ> dem Stand der Technik bidirektional erfolgen, d.h. von der auf Erdpotential gelegenen Basisstationen können auch Daten zur hochspannungsseitigen Elektronik gesendet werden, um beispielsweise zeitlich gezielt Messdaten abzufragen oder die Messelektronik für entsprechende Messaufgaben zu konfigurieren.
Alternativ kann die Datenübertragung direkt über die HS-Lei- tung oder das Erdseil mittels einer Powerline-Kommunikations- einheit (PLC = Power Line Communication) erfolgen.