WO2009109507A2 - Vorrichtung zum erfassen von messgrössen und hochspannungsanlage - Google Patents

Vorrichtung zum erfassen von messgrössen und hochspannungsanlage Download PDF

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WO2009109507A2
WO2009109507A2 PCT/EP2009/052265 EP2009052265W WO2009109507A2 WO 2009109507 A2 WO2009109507 A2 WO 2009109507A2 EP 2009052265 W EP2009052265 W EP 2009052265W WO 2009109507 A2 WO2009109507 A2 WO 2009109507A2
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sensor
conductor
semiconductor substrate
voltage
housing
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PCT/EP2009/052265
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French (fr)
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WO2009109507A3 (de
Inventor
Hermann Koch
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Publication of WO2009109507A2 publication Critical patent/WO2009109507A2/de
Publication of WO2009109507A3 publication Critical patent/WO2009109507A3/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting measured variables of a conductor of a high-voltage system having at least one sensor and a high-voltage system having a conductor and a housing at least partially spaced from the conductor and enclosing the conductor.
  • the monitoring of high voltage systems is of great importance for the life and economy of such a system.
  • monitoring is insbesonde- re taken to ensure that the status of the head of a high-voltage system or the state of a switch within half ⁇ a high-voltage system in the context of pre-set intervals ⁇ moves.
  • the state of the conductor is determined by measuring variables such as voltage, current, temperature, pressure, partial discharges and, in the case of switchgear, also the position of the switch.
  • the prior art discloses a large number of sensors with which the various aforementioned measured variables can be measured.
  • a voltage measurement with inductive or capacitive voltage transformers or windings of optical lines using the Faraday effect performed.
  • the conductors are contacted directly.
  • two capacitors used in a capacitive divider wherein a capacitor is connected to a high voltage and the second forms a low voltage part for the voltage to be measured.
  • the temperature in high voltage equipment is not measured.
  • the design of high voltage systems or high voltage switchgear is designed such that the thermally critical area for the
  • the positions of switching contacts are detected via end contacts and fed as switch position detection in the control system.
  • the correct recognition of the switch position of the circuit-breaker, disconnector and earthing switch is essential for the safe operation of switchgear and an indispensable part of personal safety.
  • the secured end positions of the switchgear are measured and reproduced, i. H. Switch open and switch closed.
  • the safe switch position detection requires a considerable mechanical effort.
  • the switch position is determined only indirectly via mechanical contacts and associated linkage.
  • the optical detection via video systems is a manual detection and not directly integrated into the process control interlocking of the switching operations.
  • a capacitive divider In the case of partial discharge measurements on high-voltage systems, either a capacitive divider is used or a high-frequency antenna is used to receive signals in the upper megahertz or gigahertz range.
  • the required capacitive voltage dividers or high-frequency antennas are relatively large and expensive.
  • the partial discharge measurements are usually measured today only in the upper high voltage range of 300 kV to 500 kV and only during commissioning. A subsequent measurement of the partial discharges requires a new provision of the measuring devices, which is associated with great effort.
  • the object of the present invention is to provide a device for detecting measured variables of a conductor of a high-voltage system having at least one sensor which does not have the abovementioned disadvantages when measuring the respective measured variable.
  • the object is achieved by a device for detecting measured variables with the features of claim 1.
  • the senor is a nano- or micro-sensor and the at least one sensor is arranged on a semiconductor substrate, the sensor can be made very small, resulting in an improvement in the mounting of the sensor near the ladder and on the other hand far less cost caused because the sensors no longer have to be made large and associated with high material costs. Furthermore, it becomes possible to use new measuring principles, as they are already well known in nano and micro sensors, but have not yet been used in conjunction with high voltage systems.
  • the semiconductor substrate is connected to a grounded housing of a high voltage ⁇ system.
  • the housing surrounding the conductor can be sealed gas-tight and the
  • Sensor can be arranged inside the housing between the conductor and the housing.
  • the detected by the sensor measured values of the measured variable over the grounded half can ⁇ a semiconductor substrate outwardly directed and will be processed there in a data processing system.
  • the sensor can intervene in the space between the housing and the conductor such that the quantities to be measured can be detected at least by the sensor.
  • a further variant of the device provides that the at least one sensor is connected to a circuit logic, wherein the circuit logic is arranged on the semiconductor substrate. In this way, a higher Integ ⁇ ration of switching elements on the device can be arranged. Thus, a measured value series of a measured variable obtained by means of the at least one sensor can be generated by logic switching elements, which are applied, for example, by TTL components, be further processed on the semiconductor substrate. Therefore, an improved data integration can be achieved.
  • At least one sensor is assigned a device for signal processing, wherein the device is arranged on the semiconductor substrate.
  • the measured variable recorded by the at least one sensor is processed directly on the semiconductor substrate.
  • the at least one sensor is associated with a digitizer, wherein the digitizer is arranged on the semiconductor substrate.
  • the measured value obtained by the sensor is initially in analog form.
  • the analog reading is converted to a digital "word" with a predefined bit length, allowing it to be analyzed using standard data processing techniques.
  • the identifier is assigned to the at least one sensor, wherein the identifier is arranged on the semiconductor substrate.
  • the identifi ⁇ action element is at least one sensor a unique identifier associated with which is at a later verarbei ⁇ processing of great benefit, particularly when a large number of existing sensors. This facilitates the access and the assignment of the measured values by a central aufbe ⁇ reitung.
  • the identifier is advantageously applied as part of a circuit logic.
  • the at least one sensor is connected to a digital interface, wherein the digital interface is arranged on the semiconductor substrate. The measured values can be passed on to the central data processing in digital raw form or in already processed digital form via the digital interface on the basis of specified protocols. This increases the data integration and is easy to perform with common methods and switching elements. Examples of protocol structures for the digital interface are protocols according to the IEC 61850 standard.
  • the at least one sensor can be addressed via wire bonding and is supplied with an operating voltage.
  • the semiconductor substrate is connected with wire bonding and can ⁇ structuring of the semiconductor substrate to the at least one sensor responsive and supplied with an operating voltage.
  • the at least one sensor can be addressed via a radio signal and is supplied with an operating voltage via the radio signal.
  • the radio signal can only address the sensor or only supply it with an operating voltage.
  • the device of the at least one sensor for determining a measured parameter in a high voltage is anläge determined, wherein the measured parameter an electric field, a magnetic field, a temperature, a pressure, Po ⁇ sition, a partial discharge or a combination of these measured variables is.
  • the above-mentioned measured variables are the commonly used measurements in a high-voltage system. the characteristics. With the aid of the nano- and microsensor, one of the measured quantities can be determined by means of a variant of a multitude of measuring principles. Some examples are given in the embodiments.
  • the semiconductor substrate min ⁇ least two, preferably three to twenty-five sensors. Due to the small size of the sensors and of the semi-conductor substrate ⁇ a plurality of sensors on the HaIb- can be arranged a semiconductor substrate. In this case, for example, sensors can determine different measuring ranges of a single measured variable and / or determine different measured variables. Also, the switching integration of the device can be increased.
  • a high-voltage system such a device is used, wherein the high-voltage system has a conductor, a housing at least partially spaced from the conductor and the conductor coaxially enclosing housing for use.
  • the sensors are arranged in the region of the conductor or a switch, which is at least partially substantially straight. This improves the significance of the measured quantities measured.
  • the housing has an inner side facing the conductor and the at least one sensor between the inside of the housin ⁇ ses and the conductor is arranged.
  • the housing is grounded, wherein the grounded housing is connected to the Halbleitersub ⁇ strate, so that this in turn is grounded, but the sensor protrudes into the intermediate region and can determine measures for determining characteristics of the conductor.
  • this is a gas-insulated high-voltage switchgear ⁇ or a gas-insulated high-voltage line.
  • the necessary gas-tight termination small lying at ground potential semiconductor substrates with sensors arranged thereon can bring a great advantage with it.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment ⁇ form of the high voltage system
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a device for detecting the measured variables of a conductor of a high-voltage installation
  • Fig. 2b is a schematic representation of a processed
  • Embodiments of the device for detecting different measured quantities Embodiments of the device for detecting different measured quantities
  • Fig. 4 shows a variant of the device with a plurality of sensors.
  • Fig. 1 shows a high-voltage system 1 with a conductor 10, which extends in the illustrated portion of the image plane beyond substantially straight, and a housing 11, which surrounds the conductor 10 at this section coaxial respects Lich the longitudinal axis.
  • the between the conductor 10 and The housing 11 existing space is filled with an insulating gas ⁇ .
  • the housing 11 is at ground potential, whereas the conductor 10 is at high voltage.
  • a device 20 On the housing 11, a device 20 is attached, which is equipped to detect measured variables of the conductor 10 of the high-voltage installation 1 with a sensor.
  • the device 20 is connected to a central data processing unit 30, which communicates with a protection and guidance system 40.
  • the device 20 is shown schematically.
  • the apparatus 20 includes a arranged on a semi-conductor substrate 21 ⁇ micro-sensor 22.
  • a device for signal conditioning 23 which includes an operational amplifier 24 and a digitizer 25th
  • the operational amplifier 24 and the digitizer 25 are applied in the form of TTL components as part of a circuit logic on the semiconductor substrate or structured on this.
  • the signal conditioning may further include a filtering of measured values of the measured variable to be detected by the microsensor 22.
  • the microsensor 22 is associated with an identifier 26.
  • the identifier 26 is in communication with the signal conditioning 23, as will be explained in more detail later.
  • the microsensor 22 is connected to the signal conditioning unit 23, which converts the measured value of the microsensor 22, which is initially present in analog form, into a digital signal and forwards it to a digital interface 27.
  • This digital interface 27 is also arranged on the semiconductor substrate.
  • the digital interface can now transmit the processed measured values to a central data processing via a wire connection or a radio link. Based on the Fig. 2b, the operation of Signalaufberei ⁇ device 23 will be explained in more detail.
  • the data record 28 transmitted to the digital interface is in the form of an n-bit value.
  • 29 of the ⁇ tensatzes 28 has the first portion has a value which is defined by the identifier and which characterizes the data record 28 as belonging to the Mikrosen- sor 22nd In the second section 29 'of the data set 28, the actual measured value of the microsensor 22 is stored in digital form.
  • a time mark can be entered in the third section 29 "The fourth section 29 '" additionally can transmit a state variable of the microsensor or of the signal conditioning in order to inform the central data processing system of correct functioning of the device 20.
  • the conductor 10 is current-carrying and charged with a high voltage.
  • Housing 11 is grounded and encloses the conductor 10 coaxially with a longitudinal axis.
  • the device 200 for detecting a measured variable is attached to the housing such that the semiconductor substrate 201 is connected to the grounded housing 11 and thus also grounded. In the space between the
  • a sensor array 202 which is designed for detecting an electric field.
  • the sensor array 202 is arranged delimited by the circuit logic 203 and exposed to the E-FeId positioned on the semiconductor substrate.
  • the device 20 for measuring an electric field is protected from overvoltage by the ground potential connection. More complicated protection mechanisms are not needed.
  • At the Attachment for example of bonding wires, only has to be taken to ensure that the field measurement is not disturbed, ie an arrangement from the rear side of the sensor is preferred.
  • the term "sensor field” is understood to mean an arrangement of at least one micro- or nano-sensor.
  • the electric field is represented by the equipotential surfaces 101, 102, 103.
  • the electric field at the conductor 10 is highest and falls along the equipotential ⁇ surfaces 101, 102, 103 decreasing.
  • the sensor array 202 is at least penetrated by the ⁇ quipotenti ⁇ al Structure 103 and enclosed by it.
  • the sensor array 202 measures the strength of the electric field via a tunnel or Hall effect, with which a direct and reliable inference to the applied high voltage in the conductor 10 can be made.
  • the conductivity of the semiconductor substrate is used as a function of the E field. Gradient of the electric field can thus be detected and a lying to the conductor 10 at high voltage ⁇ be determined therefrom.
  • the sensor array 202 has a plurality of sensors, which include different sensitive areas for the design of the tunnel effect. As a result, the different sensors of the sensor field 202 can each cover their own large voltage range, eg 1 kV, 10 kV, 100 kV and 1000 kV.
  • the cost of a device 200 are very low due to the micro ⁇ technical integration. Furthermore, the device 200 has no additional housing and can be attached to ⁇ due to the radial symmetry of the electric field at any point of a radially symmetrical housing wall.
  • the detected measurement signal is directly on the semiconductor substrate 201 by means of the switching logic 203 in a converted digital protocol and passed over a not dargestell ⁇ th digital interface to the protection and control technology.
  • a device 210 is shown, which is arranged on a semiconductor substrate 211 and has a sensor array 212, which is suitable for use of the measurement of a magnetic field and thus of the conductor 10 flowing through the current.
  • the semiconductor substrate 211 is, in turn, to the housing 11 at ground potential lying ⁇ is introduced and is protected from overvoltage.
  • the sensor field 212 is mounted in such a way that it projects so far into the housing that it is enclosed by the magnetic field, wherein the magnetic field in FIG. 3 b is symbolized by the magnetic field lines 111, 112 and 113.
  • the device of any point in a radially symmetrical housing 11 may be arranged at 210.
  • ⁇ principle of the Hall effect for example, can be used as is well known in the art.
  • the sensor array 212 may comprise a plurality of sensors, so that a large measuring range can be detected.
  • the measuring range can be between 100 A to 3000 A.
  • the measured values detected by the sensor array 212 are transmitted via a non-illustrated disposed on the semiconductor substrate integrated digital interface to the protection and routing ⁇ system.
  • FIG. 3c shows a device 220 with a microsensor 222 for detecting temperatures.
  • a heat-sensitive structure microsensor 222 is applied to the semiconductor substrate 211, which measures the temperature in the region of the temperature zone 123 and due to a previously exerted measured temperature gradient, symbolized here by the temperature zones 121, 122, 123 with decreasing temperature from the conductor to the housing, between the conductor 10 and the housing 11, a temperature of the conductor 10 is extrapolated.
  • the extrapolation can be based, for example, on the fact that, due to the stable internal gas convection and thermal radiation, a constant temperature difference of approximately 10 ° between the heat-generating conductor 10 and the housing 11 sets, depending on the type of construction of the conductor 10 and the housing 11. Due to the position of the sensor 222 can now be based on the knowledge of
  • the temperature of the conductor 10 are extrapolated. Because the apparatus 220 the operator of a high-voltage system can be a dynamic, ie zeitab ⁇ dependent knowledge of the temperature are provided. It should be noted that the temperature zones 121, 122, 123 are not rotationally symmetric in the real conductor, but due to the rising heat another, more oval-reaching shape has. The shape of the marked temperature zones should thus merely illustrate that a measurable temperature gradient exists between the conductor and the housing.
  • the heat-sensitive structure on the semiconductor substrate 221 is arranged such that a part of the sensor surface is directly contacted with the casing and therefore performs the reference Tempe ⁇ temperature of the environment.
  • the other part of the sensor surface is in contact with the insulating gas and measures the temperature of this insulating gas. Based on the two measured values, the temperature of the conductor 10 can now be extrapolated.
  • the sensor measuring range is free from thermal influences, so a AnAuthierung in the case of a connection with bonding wires from the rear is advantageous.
  • the temperature sensor generally only needs to be so be mounted so that it has direct contact with the present between the conductor 10 and the housing 11 insulating gas.
  • the detected measured value is delivered sto ⁇ rides in the circuit logic 223 and set a non-illustrated digital interface to the protection and control system.
  • the microsensor 222 is designed such that a wide temperature range between 10 and 100 0 C can be detected. Due to the earth potential connection, the sensor 222 is furthermore protected against overvoltages.
  • FIG. 3d shows a device 230 which is designed for pressure measurement in high-voltage installations.
  • the semiconductor substrate 231 is connected to the housing wall 11 'and grounded.
  • the nanosensor 232 and the switching logic 233 are thereby protected against overvoltages.
  • Part of the nano-sensor 232 is an integrated torque structure on the semiconductor substrate 231.
  • a pressure sensor is implemented on the semiconductor substrate 231 by means of nanotechnology, which determines the pressure in the gas space between the conductor 10 and the housing wall 11 'via a reference volume and the measured value in processed form, wherein the processing takes place within the circuit logic 233, via an integrated digital interface to the protection and control system outputs. Due to the small size of the device 220, it can be brought to any point within the high-voltage system to ⁇ , the localities , which were also chosen for the temperature measurement, are paramount.
  • the reference volume of the pressure sensor is chosen so that it is relaxed at ambient pressure.
  • the measuring range of Na nosensors 232 is that the entire ⁇ ready for operation is covered rich, for example 1-10 bar abso- chosen so lut. Furthermore, it is clear that the Wennungslo ⁇ gik 233 is separated from the nanosensor 232nd
  • the conductor 10 may be conductively connected to or separated from another conductor 10 'by means of a switch. In this case, the conductor 10 is connected to the conductor 10 'via the closed switch 12. In an opening of the switch, the conductors 10 and 10 are not connected 'through the ge ⁇ opened switch 12', as illustrated in the upper half of Fig. 3e.
  • the current position of the switch position can be determined via the devices 240, 241, 242.
  • a sensor or sensor field is located on the devices 240, 241, 242, in which the integration of an open capacitance takes place on the semiconductor substrate. Due to the different measured capacitances on the devices 240, 241, 242 can be easily determine the exact position of the switch. The switch position directly over the different ⁇ union capacities of the devices 240, 241, 242 is determined.
  • the three devices 240, 241, 242 shown also intermediate states of a switch position can be determined and not only the position of the closed switch 12 or the opened switch 12 '. Contrary to the arrangement of the devices 240, 241, 242 shown here, each with a capacitive sensor, it is also possible to accommodate a plurality of capacitive sensors in a sensor field on a device. In determining the position, it is only necessary that a device, in this case the device 240, at the end of the conductor 10 and a device in this Case the device 242, at the end of the conductor 10 'positio ⁇ ned to determine the open and the closed switch ⁇ position. Furthermore, the devices 240, 241, 242 connected to the housing 11, which is at earth potential and are connected to the conductors 10, 10 'not Be ⁇ are emotion.
  • Figs. 3f an embodiment of the device according to Inventive ⁇ will be described, which discharge measurement for a partial suitable in high-voltage installations.
  • the devices have a sensor arranged on a semiconductor substrate.
  • the sensor is realized in the form of a high-frequency antenna.
  • This antenna is placed in such a manner in the interior of the high-voltage ⁇ plant that can be reached inside the high-voltage ⁇ plant propagating partial discharge signals due to disturbance ST, the antennas of the devices 250 and 251: Due to the disturbance ST spreads along the conductor 10 a high frequency electromagnetic wave, the frequency may be between several 100 MHz and a few GHz.
  • This wave is received by the sensors located on the devices 250 and 251.
  • the detected measurement signal is converted directly into a digital protocol and released to the protection and control technology.
  • the measuring range of a sensor arranged on the device 250 or 252 lies in the detection range from 1 pC to 10 pC.
  • the devices 250, 251 are in turn earthed via the housing 11.
  • FIG. 4 shows a further variant of the device is open ⁇ shows.
  • the device 20 has a plurality of sensor fields 202, 212, 222 and 232, which essentially determine the most different measured variables using methods described above.
  • Each sensor field is a device for signal processing 23 assigned.
  • the apparatus for signal processing assigned to an individual sensor field or sensor of a sensor field can therefore be arranged on the semiconductor substrate 21 in a variety of embodiments adapted to the sensor field or the individual sensor. This is done in the form of circuit logic, which can be applied as TTL modules.
  • circuit logic which can be applied as TTL modules.
  • a combination of voltage, current, temperature and pressure is disposed on a semiconductor substrate.
  • the device 20 ' is small enough to be positioned inside a high voltage switchgear due to the nano- and microstructures.
  • the applied sensor logic allows the possibility of addressing a function sensor as a temperature sensor at one time and reading out corresponding data; at another time, it can be addressed by the voltage sensor. It is also possible to read several measurement data at a time, eg voltage, current and pressure. In this way, the operation of the high voltage switchgear ⁇ opens up the possibility to request the need-based information on the operation of the plant, making the Data volume is restricted.
  • the individual sensor of a sensor array addressed via a radio signal and are supplied with operating voltage ⁇ , and this wave technology on a surface is possible.
  • the recycled in a unified protocol structure measured values of different sensor fields are uniformly, if the measured values to a central data processing 8gelei ⁇ tet be. This results in the possibility to centrally record all measured values within a cubicle and to load them into a process bus.
  • the advantage of uniform coupling of measured values from a switching field is a maximum of usable standard components in the design of the switching fields, ie the devices according to the invention.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung (20) zum Erfassen von Messgrößen eines Leiters einer Hochspannungsanlage mit mindestens einem Sensor (22) und eine Hochspannungsanlage mit einem Leiter und einem von dem Leiter zumindest teilweise beabstandeten und den Leiter umschließenden Gehäuse. Dadurch, dass der Sensor ein Nano- oder Mikrosensor (22) ist und der mindestens eine Sensor auf einem Halbleitersubstrat (21) angeordnet ist, kann der Sensor besonders klein ausgebildet werden, was zum einen Verbesserungen bei der Anbringung des Sensors in Leiternähe mit sich bringt und zum anderen weit weniger Kosten verursacht, da die Sensoren nicht länger groß und mit hohen Materialkosten verbunden ausgebildet werden müssen.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen und Hochspannungsanlage
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen eines Leiters einer Hochspannungsanlage mit mindestens einem Sensor und eine Hochspannungsanlage mit einem Leiter und einem von dem Leiter zumindest teilweise beabstandeten und den Leiter umschließenden Gehäuse.
Die Überwachung von Hochspannungsanlagen ist von großer Bedeutung für die Lebensdauer und die Wirtschaftlichkeit einer derartigen Anlage. Bei der Überwachung wird insbesonde- re darauf geachtet, dass sich der Zustand des Leiters einer Hochspannungsanlage bzw. der Zustand eines Schalters inner¬ halb einer Hochspannungsanlage im Rahmen von vorab fest¬ gelegten Intervallen bewegt. Der Zustand des Leiters wird dabei über Messgrößen wie Spannung, Strom, Temperatur, Druck, Teilentladungen sowie im Falle von Schaltanlagen auch der Position des Schalters bestimmt.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren bekannt, mit welchen sich die verschiedenen vorab genannten Messgrößen messen lassen. So wird beispielsweise bei Freiluftschalt¬ anlagen oder in gasisolierten Schaltanlagen eine Spannungsmessung mit induktiven oder kapazitiven Spannungswandlern oder durch Windungen von optischen Leitungen unter Nutzung des Faradayeffekts durchgeführt. Dabei werden bei den induk- tiven oder kapazitiven Spannungswandlern die Leiter direkt kontaktiert .
Bei direkter Kontaktierung werden die induktiven Spannungswandler mit einer Primärwicklung und einer Spule für die Sekundärwicklung, bei einem kapazitiven Teiler zwei Kondensatoren genutzt, wobei ein Kondensator mit einer Hochspannung verbunden ist und der zweite einen Niederspannungsteil für die zu messende Spannung bildet.
Bei den Windungen von optischen Leitungen müssen diese Leitungen um das oftmals vorhandene Gehäuse des Leiters herum¬ geführt werden. Dabei muss das Gehäuse elektromagnetisch durchgängig sein.
Die bisherigen Spannungswandler haben vor allem den Nachteil, dass sie sehr groß und damit teuer sind. Ein wesentlicher Anteil einer gasisolierten Schaltanlage ist für Spannungswand¬ lermodule erforderlich. Dies betrifft zum einen die grund- sätzlichen Kosten der Spannungswandler, jedoch auch die aufgrund der baulichen Größe der Spannungswandler erforderliche Baugröße und damit verbundenen zusätzlichen Kosten der gesamten Schaltanlage. Kapazitive und optische Spannungswandler erfordern zusätzlich aufwendige Elektronik zur Messsignalauf- bereitung und Korrektur.
Bei der Strommessung wird heute der Leiterstrom durch Ringkernstromwandler oder durch eisenfreie Rogowski-Spulen gemessen. Auch ist eine Strommessung durch Spulen bzw. Windun- gen mit optischen Leitern unter Nutzung eines Polarisationsbzw. Faradayeffekts möglich. Bei allen Systemen ist eine um den Leiter geführte Spule erforderlich, die auf Isolierab¬ stand liegt und dadurch große Ausmaße hat. Bei der Verwendung von Ringkernwandlern wird ein ausreichend großes Ausgangssig- nal erzeugt, so dass keine elektronische Verstärkung er¬ forderlich ist. Jedoch ist durch die Hysterese der Spulenkerne der Messbereich eingeschränkt, und in der Regel sind mehrere Spulen erforderlich. Zudem erfordern eisenfreie Rogowski-Spulen und optische Wandler eine aufwendige Elektro- nik zur Signalverstärkung und Korrektur. Weiterhin sind den Lösungen zur Strommessung im Stand der Technik die Probleme der Spannungsmessung gemein, d. h. die Lösungen sind teuer und erfordern viel Platz und insbesondere eine erhöhte Anfor- derung an die Mess- und Schutzkerne.
Für gewöhnlich wird im Stand der Technik die Temperatur in Hochspannungsanlagen nicht gemessen. Die Auslegung von Hochspannungsanlagen bzw. Hochspannungsschaltanlagen ist derart gestaltet, dass der thermisch kritische Bereich für den
Bemessungsstrom ausgelegt ist. Diese Auslegung wird in Typprüfungen als Erwärmungsprüfung messtechnisch nachgewiesen, so dass die erlaubten maximalen Temperaturen nicht erreicht werden. Dies ist jedoch lediglich ein statischer Nachweis. In der Praxis werden Hochspannungsanlagen von daher nicht oberhalb des in der Erwärmungsprüfung nachgewiesenen Bemessungsstroms betrieben, obwohl eine dynamische zeitlich begrenzte Überbelastung aufgrund der thermischen Zeitkonstante möglich wäre, ohne Grenztemperaturen zu überschreiten. Von daher werden Hochspannungsanlagen nicht bis zur dynamischen, thermischen Grenzbelastung genutzt. Dies führt dazu, dass bei einem Ausfall von Teilen des Hochspannungsnetzes keine höhere Belastung auf die verbliebenen Teile umgeschichtet werden kann .
Im Stand der Technik werden Drücke in Hochspannungsanlagen durch mechanische Manometer gemessen. Durch die Temperaturkompensation zwischen einem Isoliergas in einer Hochspannungsschaltanlage und der Umgebungstemperatur wird die Dichte angezeigt. Die Dichte ist die maßgebende Größe für die elektrische Funktionalität der Hochspannungsschaltanlage. Bei Druckverlust werden mechanische Kontakte betätigt, die ein Signal zur Warnung des bevorstehenden Gasverlusts und der Verriegelung der Leistungsschalterschaltung abgeben. Bei einer derartigen Messung des Drucks gibt der temperaturkompensierte Dichtewächter nur drei Zustände statisch wieder: Fülldruck, bevorstehenden Gasverlust und Verriegelung. Ein dynamischer Betrieb der Hochspannungsanlage ist hiermit nicht möglich.
Im Stand der Technik werden die Positionen von Schaltkontakten über Endkontakte erfasst und als Schalterstellungserkennung in die Leittechnik eingespeist. Die korrekte Erken- nung der Schalterstellung von Leistungsschalter, Trenn- und Erdungsschalter ist wesentlich für das sichere Betreiben von Schaltanlagen und unabdingbarer Bestandteil der Personensicherheit. Gemessen und wiedergegeben werden die gesicherten Endpositionen der Schaltgeräte, d. h. Schalter geöffnet und Schalter geschlossen. Die sichere Schalterstellungserkennung erfordert einen erheblichen mechanischen Aufwand. Trotz sichergestellten Zustands einer kinematischen Kette, wie sie oft zur mechanischen Absicherung angewandt wird, wird die Schalterstellung nur indirekt über mechanische Kontakte und dazugehörige Gestänge ermittelt. Die optische Erfassung über Videosysteme ist eine manuelle Erfassung und nicht direkt in die leittechnische Verriegelung der Schalthandlungen eingebunden .
Im Falle von Teilentladungsmessungen an Hochspannungsanlagen wird entweder ein kapazitiver Teiler genutzt oder eine Hochfrequenzantenne von Empfang von Signalen im oberen Megahertzoder Gigahertzbereich angewendet. Die erforderlichen kapazitiven Spannungsteiler bzw. Hochfrequenzantennen sind relativ groß und teuer. Zudem werden die Teilentladungsmessungen heute in der Regel lediglich im oberen Hochspannungsbereich von 300 kV bis 500 kV und nur während der Inbetriebsetzung gemessen. Eine spätere Messung der Teilentladungen erfordert eine erneute Bereitstellung der Messgeräte, was mit großem Aufwand verbunden ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrich- tung zum Erfassen von Messgrößen eines Leiters einer Hochspannungsanlage mit mindestens einem Sensor zu schaffen, welcher bei der Messung der jeweiligen Messgröße nicht die oben genannten Nachteile aufweist. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den untergeordneten Ansprüchen ausgeführt.
Dadurch, dass der Sensor ein Nano- oder Mikrosensor ist und der mindestens eine Sensor auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, kann der Sensor besonders klein ausgebildet werden, was zum einen Verbesserungen bei der Anbringung des Sensors in Leiternähe mit sich bringt und zum anderen weit weniger Kosten verursacht, da die Sensoren nicht länger groß und mit hohen Materialkosten verbunden ausgebildet werden müssen. Weiterhin wird es möglich, neue Messprinzipien anzuwenden, wie sie zwar bereits bei Nano- und Mikrosensoren allgemein bekannt sind, jedoch noch nicht in Verbindung mit Hochspannungsanlagen verwendet wurden.
Aufgrund der einfachen Herstellungsverfahren derartiger Nano- oder Mikrosensoren werden auch einfachere Änderungen der Messprotokolle bei laufendem Betrieb der Hochspannungsanlage möglich. Weiterhin lässt sich bei einer gasisolierten Schaltanlage oder einer gasisolierten Hochspannungsübertragungs- leitung ein besserer gasdichter Abschluss der Anlage bzw. des Leiters herstellen, da die Sensoren nicht länger mit dem Leiter in Berührung sein müssen, sondern lediglich im Umfeld des Leiters befindlich sein müssen, um die zu messenden Messgrößen zu erfassen. Weiterhin wird durch die zumindest teilweise Erdung des Halbleitersubstrats bewirkt, dass aufwendige Mechanismen zum Schutz der Sensoren vor der Hochspannung bzw. den Starkströ- men nicht länger nötig sind. Dies vereinfacht die Sensorik auf vielfältige Art und Weise. Des Weiteren sind die Verluste bei der Messung von Messgrößen, insbesondere bei einer Span- nungs- oder Strommessung, nicht länger beachtlich, da der Sensor sich zwar im Umfeld des Leiters befindet, diesen jedoch nicht berührt.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist das Halbleitersubstrat mit einem geerdeten Gehäuse einer Hochspannungs¬ anlage verbunden. Auf diese Weise kann das den Leiter umgebende Gehäuse gasdicht abgeschlossen werden und der
Sensor im Inneren des Gehäuses zwischen dem Leiter und dem Gehäuse angeordnet werden. Dabei können die durch den Sensor erfassten Messwerte der Messgröße über das geerdete Halb¬ leitersubstrat nach außen geleitet werden und dort an einer Datenverarbeitungsanlage bearbeitet werden.
Obwohl das Halbleitersubstrat geerdet ist, kann der Sensor derart in den Raum zwischen dem Gehäuse und dem Leiter eingreifen, dass die zu messenden Größen zumindest durch den Sensor erfasst werden können.
Eine weitere Variante der Vorrichtung sieht vor, dass der mindestens eine Sensor mit einer Schaltungslogik verbunden ist, wobei die Schaltungslogik auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich eine höhere Integ¬ ration von Schaltelementen auf der Vorrichtung anordnen. So kann eine mithilfe des mindestens einen Sensors gewonnene Messwertreihe einer Messgröße durch logische Schaltelemente, welche beispielsweise durch TTL-Bausteile aufgebracht sind, noch auf dem Halbleitersubstrat weiterverarbeitet werden. Von daher lässt sich eine verbesserte Datenintegration erreichen.
In einer weiteren Variante ist dem mindestens einen Sensor eine Vorrichtung zur Signalaufbereitung zugeordnet, wobei die Vorrichtung auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Die durch den mindestens einen Sensor aufgenommene Messgröße wird direkt auf dem Halbleitersubstrat aufbereitet. Dies hat eine höhere Datenintegration zur Folge und trägt dazu bei, dass die Daten nicht länger außerhalb des Leiters der Hochspan¬ nungsanlage ausgewertet werden müssen. Dabei ist es sinnvoll, die Vorrichtung zur Signalaufbereitung dahingehend zu gestalten, dass diese analoge wie digitale Werte verarbeiten kann.
In einer weiteren Variante ist dem mindestens einen Sensor ein Digitalisierer zugeordnet, wobei der Digitalisierer auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Die durch den Sensor gewonnene Messgröße liegt zunächst in analoger Form vor. Mithilfe eines Digitalisierers oder eines Analog/Digital- wandlers wird der analoge Messwert in ein digitales "Wort" mit einer vorab festgelegten Bitlänge umgewandelt und kann so mit gängigen Datenverarbeitungsmethoden analysiert werden.
In einer weiteren Variante ist dem mindestens einen Sensor ein Identifizierer zugeordnet, wobei der Identifizierer auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Mithilfe des Identifi¬ zierers wird dem mindestens einen Sensor eine eindeutige Kennung zugeordnet, welche bei einer späteren Datenverarbei¬ tung von großem Nutzen ist, insbesondere bei einer Vielzahl von vorhandenen Sensoren. Dies erleichtert den Zugriff und die Zuordnung der Messwerte durch eine zentrale Datenaufbe¬ reitung. Der Identifizierer ist vorteilhafterweise als Teil einer Schaltungslogik aufgebracht. In einer weiteren Variante ist der mindestens eine Sensor mit einer digitalen Schnittstelle verbunden, wobei die digitale Schnittstelle auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Über die digitale Schnittstelle können anhand von festgelegten Protokollen die Messwerte entweder in digitaler Rohform oder in bereits aufbereiteter digitaler Form an eine zentrale Datenverarbeitung weitergegeben werden. Dies erhöht die Datenintegration und ist mit gängigen Methoden und Schaltelementen einfach durchzuführen. Als Protokollstrukturen für die digi- tale Schnittstelle sind beispielsweise Protokolle nach der Norm IEC 61850 geeignet.
In einer weiteren Variante ist der mindestens eine Sensor über Drahtbonden ansprechbar und wird mit einer Betriebsspan- nung versorgt. Dabei ist das Halbleitersubstrat mit Draht¬ bonden verbunden und kann über Strukturierungen des Halbleitersubstrats den mindestens einen Sensor ansprechen und mit einer Betriebsspannung versorgen.
Alternativ hierzu bzw. damit kombinierbar ist der mindestens eine Sensor über ein Funksignal ansprechbar und wird über das Funksignal mit einer Betriebsspannung versorgt. Alternativ kann das Funksignal lediglich den Sensor ansprechen oder ihn lediglich mit einer Betriebsspannung versorgen. Hierbei ist "ansprechbar" dahingehend zu verstehen, dass ein Datenaus¬ tausch stattfindet.
In einer Variante der Vorrichtung ist der mindestens eine Sensor zum Bestimmen einer Messgröße in einer Hochspannungs- anläge bestimmt, wobei die Messgröße ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld, eine Temperatur, ein Druck, eine Po¬ sition, eine Teilentladung oder eine Kombination dieser Messgrößen ist. Bei den vorab aufgezählten Messgrößen handelt es sich um die gängigen in einer Hochspannungsanlage zu messen- den Kenngrößen. Mithilfe des Nano- und Mikrosensors kann eine der Messgrößen mithilfe einer Variante einer Vielzahl von Messprinzipien ermittelt werden. Einige Beispiele sind in den Ausführungsbeispielen gegeben.
In einer weiteren Variante weist das Halbleitersubstrat min¬ destens zwei, vorzugsweise drei bis fünfundzwanzig Sensoren auf. Aufgrund der geringen Größe der Sensoren und des Halb¬ leitersubstrats kann eine Vielzahl von Sensoren auf dem HaIb- leitersubstrat angeordnet werden. Dabei können Sensoren beispielsweise unterschiedliche Messbereiche einer einzelnen Messgröße ermitteln und/oder verschiedene Messgrößen bestimmen. Auch kann die Schaltintegration der Vorrichtung erhöht werden .
Die im Vorhergehenden erläuterten Vorrichtungen sind miteinander kombinierbar. Bei einer erfindungsgemäßen Hochspannungsanlage kommt eine derartige Vorrichtung zum Einsatz, wobei die Hochspannungsanlage einen Leiter, einen vom Leiter zumindest teilweise beabstandeten und den Leiter koaxial umschließenden Gehäuse zum Einsatz aufweist. Um Feldverzerrungen bzw. starke Gradienten zu vermeiden, werden die Sensoren im Bereich des Leiters bzw. eines Schalters angeordnet, welcher zumindest abschnittsweise im Wesentlichen gerade ist. Dies verbessert die Aussagekraft der gemessenen Messgrößen. Damit ist es eine Variante der Hochspannungsanlage, wenn das Gehäuse eine dem Leiter zugewandte Innenseite aufweist und der mindestens eine Sensor zwischen der Innenseite des Gehäu¬ ses und dem Leiter angeordnet ist. Dabei ist das Gehäuse geerdet, wobei das geerdete Gehäuse mit dem Halbleitersub¬ strat verbunden ist, so dass dieses wiederum geerdet ist, der Sensor jedoch in den Zwischenbereich ragt und Messgrößen zum Bestimmen von Kenngrößen des Leiters ermitteln kann. In einer Variante der Hochspannungsanlage ist diese eine gas¬ isolierte Hochspannungsschaltanlage oder eine gasisolierte Hochspannungsleitung. Insbesondere hier können aufgrund des notwendigen gasdichten Abschlusses kleine, auf Erdpotential liegende Halbleitersubstrate mit darauf angeordneten Sensoren einen großen Vorteil mit sich bringen.
Im Folgenden sollen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Hoch- Spannungsanlage anhand einiger Ausführungsbeispiele genauer erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungs¬ form der Hochspannungsanlage;
Fig. 2a eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erfassen der Messgrößen eines Leiters einer Hochspannungsanlage;
Fig. 2b eine schematische Darstellung eines aufbereiteten
Messwerts einer Ausführungsform der Vorrichtung;
Fig. 3a-f verschiedene schematische Darstellungen von
Ausführungsformen der Vorrichtung zum Erfassen unterschiedlicher Messgrößen;
Fig. 4 eine Variante der Vorrichtung mit einer Vielzahl von Sensoren.
Fig. 1 zeigt eine Hochspannungsanlage 1 mit einem Leiter 10, welcher in dem dargestellten Abschnitt aus der Bildebene hinaus im Wesentlichen gerade verläuft, und ein Gehäuse 11, welches den Leiter 10 an diesem Abschnitt koaxial hinsicht¬ lich der Längsachse umgibt. Der zwischen dem Leiter 10 und dem Gehäuse 11 vorhandene Raum ist mit einem Isoliergas be¬ füllt. Zudem ist das Gehäuse 11 auf Erdpotential, wohingegen der Leiter 10 auf Hochspannung liegt.
An dem Gehäuse 11 ist eine Vorrichtung 20 befestigt, welche zum Erfassen von Messgrößen des Leiters 10 der Hochspannungsanlage 1 mit einem Sensor ausgestattet ist. Die Vorrichtung 20 ist mit einer zentralen Datenaufbereitung 30 verbunden, welche mit einem Schutz- und Leitsystem 40 kommuniziert.
In der Fig. 2a ist die Vorrichtung 20 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 20 umfasst einen auf einem Halb¬ leitersubstrat 21 angeordneten Mikrosensor 22. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Signalaufbereitung 23 gezeigt, welche einen Operationsverstärker 24 und einen Digitalisierer 25 umfasst. Dabei sind der Operationsverstärker 24 und der Digitalisierer 25 in Form von TTL-Bausteinen als Teil einer Schaltungslogik auf das Halbleitersubstrat aufgebracht bzw. auf dieses strukturiert.
Die Signalaufbereitung kann des Weiteren eine Filterung von durch den Mikrosensor 22 aufgenommenen Messwerten der zu erfassenden Messgröße beinhalten. Dem Mikrosensor 22 ist ein Identifizierer 26 zugeordnet. Der Identifizierer 26 steht dabei mit der Signalaufbereitung 23 in Verbindung, wie später noch genauer erläutert wird. Der Mikrosensor 22 ist mit der Signalaufbereitung 23 verbunden, welche den zunächst analog vorliegenden Messwert des Mikrosensors 22 in ein digitales Signal umwandelt und an eine digitale Schnittstelle 27 wei- tervermittelt . Diese digitale Schnittstelle 27 ist ebenfalls auf dem Halbleitersubstrat angeordnet. Die digitale Schnitt¬ stelle kann nun über eine Drahtverbindung oder eine Funkverbindung die aufbereiteten Messwerte an eine zentrale Datenaufbereitung übermitteln. Anhand der Fig. 2b soll die Wirkungsweise der Signalaufberei¬ tung 23 genauer erläutert werden. Der an die digitale Schnittstelle übermittelte Datensatz 28 liegt in Form eines n-Bitwertes vor. Dabei weist der erste Abschnitt 29 des Da¬ tensatzes 28 einen Wert auf, welcher durch den Identifizierer definiert ist und welcher den Datensatz 28 als dem Mikrosen- sor 22 zugehörig kennzeichnet. Im zweiten Abschnitt 29' des Datensatzes 28 ist der eigentliche Messwert des Mikrosensors 22 in digitaler Form vorgehalten. Im dritten Abschnitt 29" kann zusätzlich eine Zeitmarkierung eingetragen werden. Der vierte Abschnitt 29' ' ' kann zusätzlich eine Zustandsvariable des Mikrosensors bzw. der Signalaufbereitung übermitteln, um der zentralen Datenaufbereitung eine korrekte Funktionsweise der Vorrichtung 20 mitzuteilen.
Anhand der Fig. 3a soll erläutert werden, wie eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Messgröße des elektrischen Feldes geeignet ist. Der Leiter 10 ist stromdurchflossen und mit einer Hochspannung geladen. Das
Gehäuse 11 ist geerdet und umschließt den Leiter 10 mit einer Längsachse koaxial. Die Vorrichtung 200 zum Erfassen einer Messgröße ist dabei so an dem Gehäuse befestigt, dass das Halbleitersubstrat 201 mit dem geerdeten Gehäuse 11 verbunden und somit ebenfalls geerdet ist. In den Raum zwischen dem
Leiter 10 und dem Gehäuse 11 hineinragend ist ein Sensorfeld 202 angeordnet, welches zum Erfassen eines elektrischen Feldes ausgebildet ist. Dabei ist das Sensorfeld 202 von der Schaltungslogik 203 abgegrenzt angeordnet und exponiert zum E-FeId auf dem Halbleitersubstrat positioniert.
Die Vorrichtung 20 zur Messung eines elektrischen Feldes wird durch die Erdpotentialverbindung vor Überspannung geschützt. Kompliziertere Schutzmechanismen sind nicht vonnöten. Beim Anbringen, beispielsweise von Bonddrähten, muss lediglich darauf geachtet werden, dass die Feldmessung nicht gestört wird, d. h. eine Anordnung von hinten dem Sensor abseitig wird bevorzugt. Unter Sensorfeld wird bei vorliegender Anmel- düng eine Anordnung von mindestens einem Mikro- oder Nano- sensor verstanden.
Das elektrische Feld wird durch die Äquipotentialflächen 101, 102, 103 dargestellt. Dabei ist das elektrische Feld am Leiter 10 am höchsten und fällt entlang der Äquipotential¬ flächen 101, 102, 103 abnehmend ab. Es ist deutlich erkennbar, dass das Sensorfeld 202 zumindest von der Äquipotenti¬ alfläche 103 durchdrungen und von dieser umschlossen wird. Das Sensorfeld 202 misst die Stärke des elektrischen Feldes über einen Tunnel- oder Halleffekt, mit welchem ein direkter und zuverlässiger Rückschluss auf die angelegte Hochspannung im Leiter 10 getroffen werden kann. Bei dem Tunneleffekt wird die Leitfähigkeit des Halbleitersubstrats in Abhängigkeit des E-Feldes genutzt. Gradienten des elektrischen Feldes können somit detektiert werden und daraus eine an dem Leiter 10 an¬ liegende Hochspannung ermittelt werden. Das Sensorfeld 202 weist eine Vielzahl von Sensoren auf, welche unterschiedlich sensible Bereiche zur Auslegung des Tunneleffekts umfassen. Dadurch können die unterschiedlichen Sensoren des Sensorfelds 202 jeweils einen eigenen großen Spannungsbereich abdecken, z.B. 1 kV, 10 kV, 100 kV und 1000 kV.
Die Kosten für eine Vorrichtung 200 sind aufgrund der mikro¬ technischen Integration sehr gering. Des Weiteren weist die Vorrichtung 200 kein zusätzliches Gehäuse auf und kann auf¬ grund der Radialsymmetrie des elektrischen Feldes an jedem beliebigen Punkt einer radialsymmetrischen Gehäusewand angebracht werden. Das detektierte Messsignal wird direkt auf dem Halbleitersubstrat 201 mittels der Schaltlogik 203 in ein digitales Protokoll gewandelt und über eine nicht dargestell¬ te digitale Schnittstelle an die Schutz- und Leittechnik übergeben .
In der Fig. 3b ist eine Vorrichtung 210 gezeigt, welche auf einem Halbleitersubstrat 211 angeordnet ist und über ein Sensorfeld 212 verfügt, welches zur Verwendung der Messung eines magnetischen Feldes und somit des den Leiter 10 durchfließenden Stroms geeignet ist. Das Halbleitersubstrat 211 ist wiederum am Gehäuse 11 auf Erdpotential liegend ange¬ bracht und wird vor Überspannung geschützt. Das Sensorfeld 212 ist derart angebracht, dass es so weit in das Gehäuse hineinragt, dass es von dem Magnetfeld umschlossen wird, wobei das Magnetfeld in der Fig. 3b durch die Magnetfeldli- nien 111, 112 und 113 symbolisiert wird. Aufgrund der Ro¬ tationssymmetrie des magnetischen Feldes kann bei der gezeig¬ ten Darstellung die Vorrichtung 210 an jeder Stelle eines radialsymmetrischen Gehäuses 11 angeordnet werden. Als Mess¬ prinzip kann beispielsweise der Halleffekt benutzt werden, wie er im Stand der Technik ausreichend bekannt ist.
Das Sensorfeld 212 kann eine Vielzahl von Sensoren aufweisen, so dass ein großer Messbereich erfasst werden kann. Der Messbereich kann dabei zwischen 100 A bis 3000 A liegen. Die durch das Sensorfeld 212 erfassten Messwerte werden über eine nicht eingezeichnete auf dem Halbleitersubstrat angeordnete integrierte digitale Schnittstelle an das Schutz- und Leit¬ system übermittelt.
In der Fig. 3c ist eine Vorrichtung 220 mit einem Mikrosensor 222 zum Erfassen von Temperaturen dargestellt. Dabei ist eine wärmesensitive Struktur Mikrosensor 222 auf das Halbleitersubstrat 211 aufgebracht, welche die Temperatur im Bereich der Temperaturzone 123 misst und aufgrund eines vorab ausge- messenen Temperaturgradienten, hier durch die Temperaturzonen 121, 122, 123 mit vom Leiter zum Gehäuse hin abnehmender Temperatur symbolisiert, zwischen dem Leiter 10 und dem Gehäuse 11 eine Temperatur des Leiter 10 extrapoliert. Dabei kann die Extrapolation beispielsweise darauf beruhen, dass sich durch die stabile innere Gaskonvektion und Wärmestrahlung ein, je nach Bautyp des Leiters 10 und des Gehäuses 11, konstanter Temperaturunterschied von ca. 10° zwischen dem wärmeerzeugenden Leiter 10 und dem Gehäuse 11 einstellt. Aufgrund der Position des Sensors 222 kann nun anhand der Kenntnis der
Temperatur an diesem Ort die Temperatur des Leiters 10 extrapoliert werden. Aufgrund der Vorrichtung 220 kann dem Betreiber einer Hochspannungsanlage eine dynamische, d. h. zeitab¬ hängige Kenntnis der Temperatur zur Verfügung gestellt werden. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Temperaturzonen 121, 122, 123 im realen Leiter nicht rotationssymmetrisch sind, sondern aufgrund der aufsteigenden Wärme eine andere, mehr ins ovale reichende Form besitzt. Die Form der eingezeichneten Temperaturzonen soll somit lediglich illustrieren, dass zwischen Leiter und Gehäuse ein messbarer Temperaturgradient vorhanden ist.
Die wärmesensitive Struktur auf dem Halbleitersubstrat 221 ist derart angeordnet, dass ein Teil der Sensorfläche direkt mit dem Gehäuse kontaktiert ist und somit die Referenztempe¬ ratur der Umgebung wahrnimmt. Der andere Teil der Sensoroberfläche steht mit dem Isoliergas in Kontakt und misst die Temperatur dieses Isoliergases. Anhand der beiden Messwerte kann nun die Temperatur des Leiters 10 extrapoliert werden. Der Sensormessbereich ist dabei frei von thermischen Einflüssen, so eine Ankontaktierung im Falle von einer Verbindung mit Bonddrähten von hinten vorteilhaft ist. Unabhängig von der in der Fig. 3c dargestellten Anordnungsweise der Vorrichtung 220 muss der Temperatursensor allgemein lediglich derart angebracht werden, dass er direkten Kontakt zum zwischen dem Leiter 10 und dem Gehäuse 11 vorhandenen Isoliergas hat. Der detektierte Messwert wird in der Schaltungslogik 223 aufbe¬ reitet und über eine nicht eingezeichnete digitale Schnitt- stelle an das Schutz- und Leitsystem abgegeben.
Der Mikrosensor 222 ist derart ausgelegt, dass ein großer Temperaturbereich zwischen 10 und 100 0C erfassbar ist. Aufgrund der Erdpotentialanbindung ist der Sensor 222 des Weite- ren vor Überspannungen geschützt.
In der Fig. 3d ist eine Vorrichtung 230 dargestellt, welche zur Druckmessung in Hochspannungsanlagen ausgebildet ist. Dabei ist das Halbleitersubstrat 231 mit der Gehäusewand 11' verbunden und geerdet. Der Nanosensor 232 und die Schaltlogik 233 sind dadurch vor Überspannungen geschützt. Teil des Nano- sensors 232 ist eine integrierte Drehmomentstruktur auf dem Halbleitersubstrat 231. Dazu wird auf dem Halbleitersubstrat 231 mittels Nanotechnologie ein Drucksensor implementiert, der über ein Referenzvolumen den Druck im Gasraum zwischen dem Leiter 10 und der Gehäusewand 11' bestimmt und den Mess¬ wert in aufbereiteter Form, wobei die Aufbereitung innerhalb der Schaltungslogik 233 stattfindet, über eine integrierte digitale Schnittstelle an das Schutz- und Leitsystem abgibt. Aufgrund der geringen Größe der Vorrichtung 220 kann diese an jeder beliebigen Stelle innerhalb der Hochspannungsanlage an¬ gebracht werden, wobei die lokalen Stellen, die auch für die Temperaturmessung gewählt wurden, vorrangig sind.
Das Referenzvolumen des Drucksensors ist derart gewählt, dass es bei Umgebungsdruck entspannt ist. Der Messbereich des Na- nosensors 232 ist so gewählt, dass der gesamte Betriebsbe¬ reich abgedeckt wird, beispielsweise von 1 bis 10 bar abso- lut . Weiterhin ist deutlich erkennbar, dass die Schaltungslo¬ gik 233 vom Nanosensor 232 abgegrenzt ist.
Anhand der Fig. 3e soll erläutert werden, wie die Positions- messung beispielsweise eines Schalters in einer Hoch¬ spannungsanlage mittels einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Erfassen von Messgrößen eines Leiters bestimmt werden kann. Der Leiter 10 kann mittels eines Schalters leitfähig mit einem weiteren Leiter 10' verbunden oder von diesem ge- trennt werden. Dabei ist der Leiter 10 mit dem Leiter 10' über den geschlossenen Schalter 12 verbunden. Bei einer Öffnung des Schalters sind die Leiter 10 und 10' durch den ge¬ öffneten Schalter 12 ' nicht verbunden, wie in der oberen Hälfte der Fig. 3e illustriert ist. Die aktuelle Position der Schalterstellung kann über die Vorrichtungen 240, 241, 242 ermittelt werden. Dabei befindet sich auf den Vorrichtungen 240, 241, 242 jeweils ein Sensor oder Sensorfeld, bei welchem die Integration einer offenen Kapazität auf dem Halbleitersubstrat erfolgt. Aufgrund der unterschiedlichen gemessenen Kapazitäten an den Vorrichtungen 240, 241, 242 lasst sich auf einfache Weise die genaue Position des Schalters bestimmen. Dabei wird die Schalterstellung direkt über die unterschied¬ lichen Kapazitäten der Vorrichtungen 240, 241, 242 bestimmt.
Anhand der drei gezeigten Vorrichtungen 240, 241, 242 können auch Zwischenstände einer Schalterposition ermittelt werden und nicht nur die Stellung des geschlossenen Schalters 12 oder des geöffneten Schalters 12 ' . Entgegen der hier gezeigten Anordnung der Vorrichtungen 240, 241, 242 mit jeweils einem kapazitiven Sensor können auch mehrere kapazitive Sensoren in einem Sensorfeld auf einer Vorrichtung untergebracht werden. Bei der Ermittlung der Position ist lediglich vonnö- ten, dass eine Vorrichtung, in diesem Fall die Vorrichtung 240, am Ende des Leiters 10 und eine Vorrichtung, in diesem Fall die Vorrichtung 242, am Ende des Leiters 10' positio¬ niert ist, um die geöffnete und die geschlossene Schalter¬ stellung zu ermitteln. Des Weiteren sind die Vorrichtungen 240, 241, 242 mit dem Gehäuse 11 verbunden, welches auf Erd- potential liegt und sind mit dem Leiter 10, 10' nicht in Be¬ rührung .
Anhand der Fig. 3f soll eine Ausführungsform der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung beschrieben werden, welche für eine Teil- entladungsmessung in Hochspannungsanlagen geeignet ist. Dazu werden Vorrichtungen 250, 251 am Gehäuse 11, vom Leiter 10 beabstandet, angebracht. Die Vorrichtungen weisen dabei einen auf einem Halbleitersubstrat angeordneten Sensor auf. Der Sensor wird in Form einer Hochfrequenzantenne realisiert. Diese Antenne wird derart in den Innenraum der Hochspannungs¬ anlage gebracht, dass die sich im Inneren der Hochspannungs¬ anlage ausbreitenden Teilentladungssignale aufgrund einer Störung ST die Antennen der Vorrichtungen 250 und 251 erreichen können: Aufgrund der Störung ST breitet sich entlang des Leiters 10 eine hochfrequente elektromagnetische Welle aus, wobei die Frequenz zwischen einigen 100 MHz und einigen GHz liegen kann. Diese Welle wird von den auf den Vorrichtungen 250 und 251 befindlichen Sensoren empfangen. Das detektierte Messsignal wird direkt in ein digitales Protokoll gewandelt und an die Schutz- und Leittechnik abgegeben. Der Messbereich eines auf der Vorrichtung 250 bzw. 252 angeordneten Sensors liegt im Nachweisbereich von 1 pC bis 10 pC . Die Vorrichtungen 250, 251 sind dabei wiederum über das Gehäuse 11 geerdet.
In der Fig. 4 ist eine weitere Variante der Vorrichtung ge¬ zeigt. Die Vorrichtung 20' weist dabei mehrere Sensorfelder 202, 212, 222 und 232 auf, welche im Wesentlichen mit vorab beschriebenen Verfahren verschiedenste Messgrößen ermitteln. Jedem Sensorfeld ist eine Vorrichtung zur Signalverarbeitung 23 zugeordnet. Ebenso weist jedes Sensorfeld bzw. jeder ein¬ zelne Sensor des Sensorfeldes einen Identifizierer auf, wobei mit dem Messwert des Sensorfeldes bzw. der Messwerte der ein¬ zelnen Sensoren des Messfeldes und dem Identifizierer und einem in der Signalverarbeitung angeordneten Digitalisierer ein n-Bit-Datensatz erzeugt wird, welcher eindeutig einem einzelnen Sensorfeld zuordenbar ist und an die digitale Schnittstelle 27 weitergegeben werden kann. Die einem einzelnen Sensorfeld bzw. Sensor eines Sensorfeldes zugeordnete Vorrichtung zur Signalverarbeitung kann von daher in verschiedenster Ausführung dem Sensorfeld bzw. dem einzelnen Sensor angepasst auf dem Halbleitersubstrat 21 angeordnet sein. Dies geschieht in Form von Schaltungslogiken, welche als TTL-Bausteine aufgebracht sein können. Bei der darge- stellten Vorrichtung 20' ist eine Kombination von Spannung, Strom, Temperatur und Druck auf einem Halbleitersubstrat angeordnet .
Die in der Fig. 4 nicht gezeigten Sensoren hinsichtlich einer Teilentladung und einer Position könnten zusätzlich aufgebracht werden, müssten jedoch, gemäß den Ausführungen zu Fig. 3e und 3f, mehrfach vorhanden sein.
Die Vorrichtung 20' ist aufgrund der Nano- und Mikrostruktu- ren klein genug, um im Inneren einer Hochspannungsschaltanlage positioniert zu werden. Die aufgebrachte Sensorlogik lässt die Möglichkeit zu, einen Funktionssensor zu einem Zeitpunkt als Temperatursensor anzusprechen und entsprechende Daten auszulesen, zu einem anderen Zeitpunkt kann er Span- nungssensor angesprochen werden. Möglich ist auch, zu einem Zeitpunkt mehrere Messdaten auszulesen, z.B. Spannung, Strom und Druck. Auf diese Weise wird im Betrieb der Hochspannungs¬ schaltanlage die Möglichkeit eröffnet, die bedarfsgerechten Informationen zum Betrieb der Anlage anzufordern, wodurch die Datenmenge eingeschränkt wird. Bei der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung 20' kann zudem der einzelne Sensor eines Sensorfeldes über ein Funksignal angesprochen und mit Betriebs¬ spannung versorgt werden, wobei dies über eine Oberflächen- wellentechnik möglich ist.
Mittels der integrierten digitalen Schnittstelle sind die in einer einheitlichen Protokollstruktur aufbereiteten Messwerte der verschiedenen Sensorfelder einheitlich gestaltet, wenn die Messwerte an eine zentrale Datenaufbereitung weitergelei¬ tet werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit alle Messwerte innerhalb eines Schaltfeldes zentral zu erfassen und in einen Prozessbus einzuspielen. Der Vorteil der einheitlichen An- kopplung von Messwerten aus einem Schaltfeld ist ein Höchst- maß an einsetzbaren Standardbausteinen bei der Konstruktion der Schaltfelder, d.h. der erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
Bezugszeichenliste :
1 Hochspannungsanlage
10, 10' Leiter
11 Gehäuse
11' Gehäusewand
12 geschlossener Schalter
12' geöffneter Schalter
20, 20' Vorrichtung
21 Halbleitersubstrat
22 Mikrosensor
23 Vorrichtung zur Signalaufbereitung
24 Operationsverstärker
25 Digitalisierer
26 Identifizierer
27 digitale Schnittstelle
28 Datensatz
29, 29' ,29' ' ,29' ' ' Erster, Zweiter, Dritter, Vierter Abschnitt
30 Zentrale Datenaufbereitung
40 Schutz- und Leitsystem
101 ,102,103 Äquipotentialflächen
111 , 112, 113 magnetische Feldlinien
121 ,122,123 Temperaturzonen
200 Vorrichtung
201 Halbleitersubstrat
202 Sensorfeld
203 Schaltungslogik
210 Vorrichtung
211 Halbleitersubstrat
212 Sensorfeld
213 Schaltungslogik
220 Vorrichtung
221 Halbleitersubstrat 222 Mikrosensor
223 Schaltungslogik
230 Vorrichtung
231 Halbleitersubstrat 232 Nanosensor
233 Schaltungslogik
240,241,242 Vorrichtung
250,251 Vorrichtung
ST Störung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) zum Erfassen von Messgrößen eines Leiters (10) einer Hochspannungsanlage (1) mit mindestens einem Sensor, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der mindestens eine Sensor ein Nano- oder Mikrosensor (22, 222, 232) ist und der mindestens eine Sensor auf einem Halbleitersubstrat (21) angeordnet ist, wobei das Halbleiter- Substrat (21) geerdet ist.
2. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Halbleitersubstrat (21) mit einem geerdeten Gehäuse (11) einer Hochspannungsanlage (1) verbunden ist.
3. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der mindestens eine Sensor mit einer Schaltungslogik (203, 213, 223, 233) verbunden ist, wobei die Schaltungslogik (203, 213, 223, 233) auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist .
4. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass dem mindestens einen Sensor eine Vorrichtung (23) zur Signalaufbereitung zugeordnet ist, wobei die Vorrichtung (23) auf dem Halbleitersubstrat (21) angeordnet ist.
5. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass dem mindestens einen Sensor ein Digitalisierer (25) zugeordnet ist, wobei der Digitalisierer (25) auf dem Halb¬ leitersubstrat (21) angeordnet ist.
6. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass dem mindestens einen Sensor ein Identifizierer (26) zugeordnet ist, wobei der Identifizierer (26) auf dem Halb¬ leitersubstrat (21) angeordnet ist.
7. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der mindestens eine Sensor mit einer digitalen Schnitt¬ stelle (27) verbunden ist, wobei die digitale Schnittstelle (27) auf dem Halbleitersubstrat (21) angeordnet ist.
8. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242;
250, 251) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Halbleitersubstrat (21) über Drahtbonden ansprechbar ist und/oder mit einer Betriebsspannung versorgbar ist.
9. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der mindestens eine Sensor über ein Funksignal ansprech- bar und/oder mit einer Betriebsspannung versorgbar ist.
10. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der mindestens eine Sensor eine Messgröße in einer Hochspannungsanlage bestimmt und die Messgröße ein elektri¬ sches Feld oder ein magnetisches Feld oder eine Temperatur oder ein Druck oder eine Position oder eine Teilentladung ist oder eine Kombination dieser Messgrößen ist.
11. Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mindestens zwei, vorzugsweise drei bis fünfundzwanzig, Sensoren auf dem Halbleitersubstrat (21) angeordnet sind.
12. Hochspannungsanlage (1) mit einem Leiter (10), einem vom Leiter (10) zumindest teilweise beabstandeten und den Leiter koaxial umschließenden Gehäuse (11), und einer Vorrichtung (20; 20'; 200; 210; 220; 230; 240, 241, 242; 250, 251) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Hochspannungsanlage (1) nach Anspruch 10, wobei das Ge- häuse (11) eine dem Leiter (10) zugewandte Innenseite auf¬ weist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der mindestens eine Sensor zwischen der Innenseite des Gehäuses (11) und dem Leiter (10) angeordnet ist.
14. Hochspannungsanlage (1) nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass diese eine gasisolierte Hochspannungsschaltanlage oder eine gasisolierte Hochspannungsleitung ist.
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