WO2026022017A1

WO2026022017A1 - Vorrichtung zum einprägen eines stroms

Info

Publication number: WO2026022017A1
Application number: PCT/EP2025/070616
Authority: WO
Inventors: Thomas WIETOSKA
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2024-07-23
Filing date: 2025-07-18
Publication date: 2026-01-29
Anticipated expiration: 2027-01-23
Also published as: DE102024120911A1

Abstract

Offenbart ist eine Vorrichtung (100) zum Einprägen eines Stroms in einen Innenleiter (13) eines Kabels (10). Dabei umfasst das Kabel (10) eine um den Innenleiter (13) angeordnete Abschirmung (15). Die Vorrichtung (100) umfasst eine Wechselspannungseinrichtung (110), die ausgebildet ist, um eine Wechselspannung an der Abschirmung (15) anzulegen, und eine Wandeleinrichtung (120), die ausgebildet ist, um eine Frequenz eines von der Abschirmung in dem Innenleiter (13) induzierten Wechselstroms umzuwandeln und so den Strom einzuprägen.

Description

Vorrichtung zum Einprägen eines Stroms

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einprägen eines Stroms in ein Kabel mit Innenleiter und Abschirmung, und insbesondere auf ein Konzept zur Stromeinprägung in geschirmte Kabel.

HINTERGRUND

Zur Prüfung von Mittelspannungskabeln sowie insbesondere Hochspannungskabeln, die im Rahmen der Energiewende eine sehr zentrale Bedeutung haben, ist die Bestromung des Kabels während des Anliegens einer Hochspannung ein bedeutendes Problem.

Fig. 6 zeigt schematisch herkömmliche Vorrichtungen zur Einprägung eines Stroms Ide in ein Kabel io. Das Kabel io liegt auf einem Gleichspannungspotential Ude. Es sind sechs verschiedene herkömmliche Vorrichtungen dargestellt, die den Strom Ide jeweils nach einem anderen Prinzip in das Kabel io einprägen. In einer oberen Reihe zeigt (1) eine kapazitive Stromeinprägung mit einem Phasenumrichter 20, Leistungstransformatoren 30 und einem Gleichrichter 40, (2) eine hydraulische Stromeinprägung mit einem Motor M, einer Pumpeinrichtung 50 und einem Generator G sowie (3) eine induktive Gleichstromeinprägung. In einer unteren Reihe sind unter (4) eine Einprägung über eine isolierte Welle 60 und einen Elektromotor M, unter (5) eine Einprägung basierend auf Trenntransformatoren 70 und unter (6) eine Einprägung durch ein Kraftstoff-System dargestellt.

Die hier dargestellten Vorrichtungen weisen jeweils einen Gleichrichter 40 mit Anschlüssen für das Kabel 10 auf, über die der Strom Ide in das Kabel 10 eingeprägt wird. Dabei wird fast ausschließlich eine induktive Einprägung eines Wechselstromes in das zu prüfende Kabel 10 verwendet, was aufgrund der Induktivität einen sehr hohen Blindleistungsbedarf und damit sehr große Transformatoren 30 mit sich bringt. Aufwendig ist jeweils auch eine elektrische Isolierung derjenigen Komponenten der Vorrichtungen, die auf dem Gleichspannungspotential Ude liegen.

Aus der Schrift DE io 2016 105 897 Ai ist weiter bekannt, eine Leistung für eine Gleichstromquelle kapazitiv zu übertragen. Während diese Technik insbesondere für große Kabellängen geeignet ist, erhöht sich die Kapazität des Aufbaus deutlich, was für die Prüfungen mit Stoßspannung ein Nachteil ist. Zudem werden große und teure Koppelkondensatoren sowie entsprechend höherer Ladestrom bei AC-Prüfungen benötigt.

Daher besteht ein Bedarf nach weiteren und einfacheren Lösungen um Einprägen eines Stroms in ein Kabel auf hohem Potential.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ein Beitrag zur Lösung der vorangehend genannten Probleme wird durch eine Vorrichtung zum Einprägen eines Stroms nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Einprägen eines Stroms nach Anspruch 8 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einprägen eines Stroms in einen Innenleiter eines Kabels oder eines ähnlichen Stromträgers. Das Kabel umfasst dabei den Innenleiter und eine um den Innenleiter angeordnete Abschirmung. Das Kabel selbst ist nicht Teil der Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Wechselspannungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Wechselspannung an der Abschirmung anzulegen, und eine Wandeleinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Frequenz eines in dem Innenleiter induzierten Wechselstroms umzuwandeln und so den Strom einzuprägen. Der Wechselstrom wird dabei durch die Wechselspannung über die Abschirmung in dem Innenleiter induziert.

Unter dem Ausdruck Einprägen eines Stroms kann insbesondere ein Bestromen, oder ein Einspeisen eines elektrischen Stroms, verstanden werden. Die Vorrichtung kann als Testvorrichtung oder als Testgerät für das Kabel ausgeführt sein. Das Kabel kann ein zu testendes bzw. zu prüfendes Kabel sein. Sowohl der Innenleiter als auch die Abschirmung des Kabels sind elektrisch leitend bzw. umfassen jeweils ein oder mehrere stromleitende Materialien. Das Kabel kann ein Koaxialkabel sein.

An dem Kabel, genauer an dem Innenleiter, kann ein Gleichspannungspotential anliegen. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn das Kabel getestet bzw. geprüft werden soll. Das Gleichspannungspotential liegt dann vorteilhafterweise überall an dem Innenleiter an; das Kabel bzw. der Innenleiter befindet sich also gegenüber einem Referenzpotential, das insbesondere Erde und/oder ein Massepotential der Vorrichtung sein kann, auf dem Gleichspannungspotential als konstantem elektrischem Potential. Das Gleichspannungspotential kann gegenüber dem Referenzpotential relativ hoch sein. Das Kabel selbst bzw. eine Hülle zwischen Innenleiter und Abschirmung wirkt als Isolator; grundsätzlich begrenzt allein die Isolationsfähigkeit des Kabels selbst die Höhe des Gleichspannungspotentials. In Ausführungsbeispielen kann das Gleichspannungspotential z.B. 50, 100 oder 150 kV oder in einem Bereich von 50 bis 500 kV über dem Referenzpotential liegen.

Die Wechselspannungseinrichtung ist ausgebildet, um die Wechselspannung bereitzustellen. Sie kann über geeignete Anschlüsse, beispielsweise Klemmen oder Stecker, verfügen, um die Wechselspannung an die Abschirmung anzulegen. Die Wechselspannungseinrichtung kann ausgebildet sein, um die Wechselspannung selbst zu generieren; sie kann also einen Generator umfassen. Die Wechselspannung kann alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, um ihrerseits an eine elektrische Energieversorgungseinrichtung angeschlossen zu werden, um durch einen Gleichstrom oder einen weiteren Wechselstrom aus der elektrischen Energieversorgungseinrichtung mit Energie versorgt zu werden und basierend darauf die Wechselspannung bereitzustellen. In Ausführungsbeispielen weisen das Kabel und insbesondere die Abschirmung jeweils zwei Enden auf, und es wird jeweils ein Ende der Abschirmung mit einem Anschluss verbunden, so dass dann beide Enden der Abschirmung mit Anschlüssen für die Wechselspannung versehen sind.

In Ausführungsbeispielen kann die Übertragung der Wechselspannung auf die Abschirmung durch elektrisch leitende Anschlüsse erfolgen, also durch direkten galvanischen Kontakt. Das Kabel kann insbesondere zwischen dem Innenleiter und der Abschirmung eine isolierende Hülle mit einer oder mehreren Schichten aufweisen. Es fließt daher kein Strom direkt zwischen Abschirmung und Innenleiter. Die Wechselspannung auf der Abschirmung induziert einen Strom im Innenleiter.

Die Wandeleinrichtung ist ausgebildet, um basierend auf einer Leistung, die durch die Wechselspannungseinrichtung bereitgestellt und zunächst auf die Abschirmung und von dort auf den Innenleiter übertragen wird, eine Frequenz eines von der Abschirmung aus in dem Innenleiter induzierten Wechselstroms umzuwandeln und so den Strom einzuprägen. Die Wandeleinrichtung ist also ausgebildet, um die Frequenz eines von der Abschirmung aus in dem Innenleiter induzierten Wechselstroms umzuwandeln. In Ausführungsbeispielen ist die Wandeleinrichtung insbesondere ausgebildet, den induzierten Wechselstrom gleichzurichten. Die Wandeleinrichtung kann elektrisch unmittelbar mit dem Innenleiter des Kabels verbunden sein. Die Wandeleinrichtung kann von der Wechselspannungseinrichtung räumlich getrennt ausgeführt werden.

Ein technischer Effekt der Vorrichtung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Kabel mit Innenleiter und (leitender) Abschirmung geeignet ist, basierend auf einer Wechselspannung einen Wechselstrom im Innenleiter zu induzieren. Dies basiert auf elektrischer Induktion. Die Vorrichtung nutzt also aus, dass das Kabel selbst wie ein (kernloser) Transformator wirkt. Die an der Abschirmung angelegte Wechselspannung bewirkt den Wechselstrom in dem Innenleiter, bzw. eine induzierte Wechselspannung, die über eine Länge des Innenleiters abfällt. Dieser Wechselstrom kann ein Anteil eines Gesamtstroms sein, der in dem Innenleiter fließt. Eine Frequenz des Wechselstroms oder der induzierten Wechselspannung entspricht dabei einer Frequenz der Wechselspannung, die von der Wechselspannungseinrichtung bereitgestellt wird.

Entsprechend kann die Vorrichtung in Ausführungsbeispielen auch lediglich aus der Wechselspannungseinrichtung, die nur ausgebildet ist, um eine Wechselspannung bereitzustellen und an der Abschirmung anzulegen, und der Wandeleinrichtung, die nur ausgebildet ist, um eine Frequenz eines von der Abschirmung aus in dem Innenleiter induzierten Wechselstroms umzuwandeln und so den Strom einzuprägen, bestehen. Die Vorrichtung kann gegenüber vielen herkömmlichen Vorrichtungen auf einen Transformator zur induktiven Einprägung des Wechselstroms in den Innenleiter verzichten. Die Vorrichtung braucht insbesondere keinen Transformatorkern zu umfassen, um den das Kabel gewickelt oder gerollt werden müsste.

Die Wandeleinrichtung kann einen Transformator, einen Umrichter (AC/AC converter) und/ oder einen Gleichrichter (AC/DC converter) umfassen, um den induzierten Wechselstrom bzw. Wechselstromanteil im Innenleiter umzuwandeln. Der eingeprägte Strom kann zeitlich variierende Anteile (insbesondere einen Wechselstromanteil) und einen Gleichstromanteil umfassen. In vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist der eingeprägte Strom ganz oder im Wesentlichen ein Gleichstrom. In Ausführungsbeispielen umfasst die Wandeleinrichtung einen Gleichrichter bzw. AC/DC Wandler, der ausgebildet ist, um den Strom in dem Innenleiter zu glätten und/ oder zu regeln.

Optional weist die Wechselspannungseinrichtung einen Anschluss für eine Versorgungswechselspannung auf; die vorangehend beschriebene elektrische Energieversorgungseinrichtung ist dann eine Quelle der Versorgungswechselspannung. Die Energieversorgungseinrichtung kann beispielsweise ein übliches Niederspannungsnetz sein bzw. umfassen. Die Versorgungswechselspannung kann somit eine Frequenz von 50 Hz aufweisen, ein- oder dreiphasig sein oder eine andere Anzahl von Phasen aufweisen. Ein nominaler Effektivwert der Versorgungswechselspannung kann beispielsweise no V, 220 V oder 230 V betragen. Die Energieversorgungseinrichtung kann auch ein übliches Mittel- oder Hochspannungsnetz sein bzw. umfassen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Versorgungswechselspannung auch bereits eine hohe Frequenz aufweisen.

Alternativ oder zusätzlich weist die Wechselspannungseinrichtung einen Transformator auf, um basierend auf dem Transformator die Wechselspannung bereitzustellen. Der Transformator kann ausgebildet sein, um die Versorgungswechselspannung auf die Wechselspannung, die an der Abschirmung angelegt wird, zu transformieren, und/oder um eine mit der Versorgungswechselspannung assoziierte Stromstärke auf eine mit der Wechselspannung assoziierte Stromstärke zu transformieren. Dieser Transformator kann dabei wesentlich kleiner dimensioniert werden als Transformatoren in herkömmlichen Vorrichtungen, da der Transformator hier nicht unmittelbar einen Strom in das zu prüfende Kabel als Leiterschleife induzieren muss, sondern lediglich zur Bereitstellung der Wechselspannung dient, die an die Abschirmung angelegt wird. Entsprechend kann der Transformator zwar für eine hohe Frequenz ausgelegt sein, jedoch reicht in Ausführungsbeispielen eine Transformation zu Spannungen von lediglich einigen hundert Volt aus.

Alternativ oder zusätzlich weist die Wechselspannungseinrichtung einen Umrichter (AC/AC-Converter) auf, um basierend auf dem Umrichter die Wechselspannung bereitzustellen. Der Umrichter kann einen Gleichspannungs-Zwischenkreis aufweisen oder ein anderer indirekter Umrichter sein, oder er kann ein Direktumrichter sein.

Alternativ oder zusätzlich weist die Wechselspannungseinrichtung eine Kompensationskomponente auf, die ausgebildet ist, um eine Streuinduktivität einer Zuleitung zu kompensieren. Die Kompensationskomponente kann allgemein ausgebildet sein, um eine Blindleistungskompensation zu bewirken, also eine Verschiebungsblindleistung zu reduzieren, die ansonsten bei dem Anlegen der Wechselspannung an die Abschirmung in einem Bereich der Wechselspannungseinrichtung erzeugt würde.

Optional ist die Wechselspannungseinrichtung ausgebildet, um die Wechselspannung mit zumindest einer Frequenz in einem Bereich von 1 kHz bis io MHz bereitzustellen. Höhere Frequenzen erlauben eine einfachere Entkoppelung des Wechselstroms in dem Innenleiter. In Ausführungsbeispielen sind Frequenzen niedrig genug, dass zugehörige Wellenlängen des Wechselstroms größer sind als eine Länge des Kabels. Dies kann auch eine Abstrahlung vermindern bzw. gering halten.

Optional umfasst die Wandeleinrichtung eine Auskoppelkomponente, die ausgebildet ist, um zumindest einen Teil des induzierten Wechselstroms auszukoppeln. Die Auskoppelkomponente ist in Ausführungsbeispielen also ausgebildet, um eine Hochfrequenzspannung aus dem Gleichstromkreis bzw. aus einem durch das Kabel fließenden Gesamtstrom auszukoppeln. Der Begriff Auskoppeln kann hierbei als Trennen oder Ableiten verstanden werden; die Auskoppelkomponente ist also ausgebildet, um den induzierten Wechselstrom von dem bereits eingeprägten Strom zu trennen.

Optional umfasst die Auskoppelkomponente einen Sperrkreis. Unter dem Begriff Sperrkreis kann dabei eine Anordnung elektrischer und/oder elektronischer Bauelemente verstanden werden, die ausgebildet ist, um eine Propagation von Strom und/oder Spannung einer bestimmten Frequenz oder eines bestimmten Frequenzbereichs zu sperren oder zumindest zu vermindern. Der Sperrkreis weist somit für Strom der gesperrten Frequenz oder des gesperrten Frequenzbereichs einen besonders hohen elektrischen Widerstand auf. Der Sperrkreis kann beispielsweise eine parallele Schaltung einer Kapazität und einer Induktivität aufweisen. Entsprechend kann der Sperrkreis einen Kondensator und eine Spule umfassen. Vorteilhafterweise ist der Sperrkreis ausgebildet, um eine Frequenz des induzierten Wechselstroms, bzw. einen Bereich von Frequenzen, die auch der induzierte Wechselstrom aufweist, zu sperren. Die Auskoppelkomponente kann basierend auf dem Sperrkreis ausgebildet sein, um den induzierten Wechselstrom von einem bereits in dem Innenleiter eingeprägten Strom auszukoppeln.

Optional umfasst die Wandeleinrichtung eine Gleichrichtkomponente, die ausgebildet ist, um den induzierten Wechselstrom gleichzurichten. Die Gleichrichtkomponente kann einen oder mehrere Gleichrichter umfassen. Ein Gleichrichter kann dabei eine Anordnung elektrischer und/ oder elektronischer Bauelemente sein, die ausgebildet ist, um einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln (oder ggf. umgekehrt einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln). Jeder der Gleichrichteinrichter kann dabei jeweils ein ungesteuerter Gleichrichter sein, also insbesondere Dioden als Bauelemente umfassen. Die Gleichrichtkomponente kann ausgebildet sein, um Gleichrichter schrittweise zuzuschalten, also schrittweise eine Kapazität der Gleichrichtkomponente zu erhöhen. Ein Zuschalten von Gleichrichtern kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Größe des induzierten Wechselstroms und/oder einer Größe des bereits eingeprägten Stroms erfolgen. Auf diese Weise können Ströme, die durch einzelne Gleichrichter auftreten, begrenzt und so Bauelemente wie etwa Dioden geschützt werden. In Ausführungsbeispielen kann zumindest einer der Gleichrichter aber auch ein steuerbarer Gleichrichter sein, also Steuerelektronik umfassen.

Optional umfasst die Gleichrichtkomponente zumindest zwei Transformatoren mit jeweils einer ersten Spule und einer zweiten Spule, wobei die zumindest zwei ersten Spulen seriell und die zumindest zwei zweiten Spulen parallel geschaltet sind. Vorteilhafterweise ist die Serie der ersten Spulen Teil einer ersten Leitung, durch die ein durch die Auskopplungskomponente ausgekoppelte Wechselstrom bzw. der im Innenleiter induzierte Wechselstromanteil geleitet wird. Die zweiten Spulen können hingegen parallel in einer zweiten Leitung angeordnet sein, wobei durch die zweite Leitung der bereit eingeprägte Strom geleitet wird. Die Pole bzw. Enden jeder der zweiten Spulen können jeweils mit einer Anode einer Diode gekoppelt sein. Diese Schaltung bietet eine sehr einfache und unaufwendige Möglichkeit, die Gleichrichtkomponente auszubilden, um die induzierte Wechselspannung zu glätten, bzw. um den Wechselstrom oder Wechselstromanteil gleichzurichten und in den einzuprägenden Strom zu überführen.

Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zum Einprägen eines Stroms in einen Innenleiter eines Kabels oder eines ähnlichen Stromträgers. Das Kabel bzw. der Stromträger umfasst dabei einen Innenleiter und eine um den Innenleiter angeordnete Abschirmung. Das Verfahren umfasst ein Anlegen einer Wechselspannung an die Abschirmung, und ein Umwandeln einer Frequenz eines von der Abschirmung aus in dem Innenleiter induzierten Wechselstroms, um so den Strom einzuprägen. Das Verfahren kann insbesondere mit einer Vorrichtung wie vorangehend beschrieben durchgeführt werden.

Wichtige Aspekte der vorgestellten Vorrichtung und des vorgestellten Verfahrens lassen sich wie folgt darstellen.

Eine Einprägung eines Stromes in Innenleiter geschirmter Kabelschleifen, insbesondere bei Prüfungen von Hochspannungskabeln, die auf hohem Spannungspotential liegen, ist gerade bei großen Kabellängen ein großes Problem. Herkömmliche Verfahren umfassen induktive Injektion durch Transformatoren, mechanische Methoden (isolierte Motorwelle, Hydraulikpumpe, Generator) sowie kapazitive Koppelung.

Bei der hier vorgestellten Vorrichtung bzw. dem hier vorgestellten Verfahren wird als Isoliertransformator zur induktiven Übertragung des Stromes das zu prüfende Kabel selbst als Koaxialtransformator ohne Kern verwendet. Ein auf die Abschirmung aufgebrachter Wechselstrom überträgt sich dabei per Induktion auf den Innenleiter. Der Innenleiter trägt dann zusätzlich zu bereits eingeprägtem Strom einen induzierten Wechselstrom bzw. eine Wechselstromkomponente. Der induzierte Wechselstrom wird gewandelt, um so weitere Leistung in den gewünschten Strom zu übertragen und somit den Strom einzuprägen. Das Wandeln umfasst in Ausführungsbeispielen ein Auskoppeln und Gleichrichten des induzierten Wechselstroms.

In Ausführungsbeispielen der vorgestellten Vorrichtung bzw. des vorgestellten Verfahrens wird ausschließlich das zu prüfende Kabel mit dem zu prüfenden Hochspannungspegel bzw. mit der Gleichspannung belastet. Es sind keine zusätzlichen Komponenten zur Isolation notwendig. Das Verfahren kann im MHz-Bereich auch für kürzeste Kabellängen angewendet werden, und funktioniert ebenso bei Längen im km-Bereich, wobei eine Frequenz der Wechselspannung bzw. der Wechselstromkomponente so hoch gewählt wird, dass effizient Leistung übertragen und so der Strom in den Innenleiter eingeprägt werden kann. Andererseits wird die Frequenz aber vorteilhafterweise so niedrig gehalten, dass die Wellenlänge über der Kabellänge liegt. Auf diese Weise lassen sich Probleme mit stehenden Wellen im Kabel vermeiden.

Einige Vorteile der vorgestellten Vorrichtung und des vorgestellten Verfahrens zu können wie folgt beschrieben werden.

Neben einer großen Kostenersparnis durch den sehr geringen Aufwand können theoretisch beliebig lange Leitungen geprüft werden, da das Kabel selbst als Koaxialtransformator verwendet wird, und damit keine großen Streuinduktivitäten entstehen. Damit können die Prüfungen der für die Energiewende zwingen im hohen Maße benötigten Hochspannungskabel deutlich erleichtert werden, und somit Kosten sowie Material/Energieaufwand deutlich reduziert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Einprägen eines Stroms in einen Innenleiter eines Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt weitere Details für ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.

Fig. 3 illustriert Aspekte eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung.

Fig. 4 illustriert weitere Aspekte des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung.

Fig. 5 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Einprägen eines Stroms in einen Innenleiter eines Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 zeigt herkömmliche Vorrichtungen zum Einprägen eines Stroms in einen Innenleiter eines Kabels.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt Vorrichtung 100 zum Einprägen eines Stroms in einen Innenleiter 13 eines Kabels 10, oder eines ähnlichen Stromträgers. Dabei umfasst das Kabel 10 neben dem Innenleiter 13 eine um den Innenleiter 13 angeordnete Abschirmung 15. An dem Kabel 10, in Ausführungsbeispielen insbesondere an dem Innenleiter 13, liegt ein Gleichspannungspotential an. In Ausführungsbeispielen kann das Gleichspannungspotential mehrere kV über einer Masse oder einem anderen Referenzpotential der Vorrichtung 100 liegen. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Wechselspannungseinrichtung 110, die ausgebildet ist, um eine Wechselspannung an der Abschirmung 15 anzulegen. Weiter umfasst die Vorrichtung 100 eine Wandeleinrichtung 120, die ausgebildet ist, um eine Frequenz eines in dem Innenleiter 13 induzierten Wechselstroms umzuwandeln und so den Strom einzuprägen.

Die Vorrichtung 100 nutzt zum Einprägen des Stroms den Aufbau des Kabels 10 mit Innenleiter 13 und Abschirmung 15 aus, indem sie das Kabel 10 selbst als kernlosen Transformator der Wechselspannung einsetzt. Die Leistung für den Strom wird durch die Wechselspannung auf die Abschirmung 15 und von dort per Induktion auf den Innenleiter 13 übertragen. Die Wandeleinrichtung 120 ist ausgebildet, um die auf den Innenleiter 13 übertragene Leistung auf den einzuprägenden Strom zu übertragen, bzw. basierend auf der auf den Innenleiter 13 übertragenen Leistung den einzuprägenden Strom zu erzeugen.

Die Vorrichtung 100 erlaubt auf einfache Weise eine Bestromung des geschirmten Kabels 10, das grundsätzlich von beliebiger Länge sein kann. Das Gleichspannungspotential kann insbesondere eine Hoch- oder Mittelspannung sein. Der eingeprägte Strom kann ein Gleichstrom sein. Die Vorrichtung 100 eignet sich daher insbesondere zu einer Prüfung von Mittelspannungskabeln sowie insbesondere Hochspannungskabeln, bei denen der Strom während des Anliegens der Gleichspannung am Innenleiter 13 auf den Innenleiter 13 eingeprägt werden soll. Solche zu prüfenden Kabel 10 sind häufig als geschirmte Kabel 10 mit Innenleiter 13 und Abschirmung 15 ausgeführt. Das Kabel 10 kann eine Länge von wenigen Dezimetern bis zu einem oder sogar mehreren Kilometern aufweisen.

Eine Frequenz des Wechselstroms kann im Bereich von kHz bis MHz liegen und beispielsweise 1 kHz, 100 kHz, 1 MHz oder 10 MHz betragen. Während des Einprägens des Stroms wird die Abschirmung 15 sowie der Innenleiter 13 mit einem hochfrequenten Stromanteil belastet, der jedoch in Ausführungsbeispielen unter 1 % des einzuprägenden Stroms liegt. Eine hochfrequente Spannungsbelastung findet in Ausführungsbeispielen nur längs des Kabels 10 statt und beträgt unter 10 V/m. Es kann vorteilhaft sein, die Frequenz der durch die Wechselspannungseinrichtung 110 auf die Abschirmung 15 übertragenen Wechselspannung so niedrig zu halten, dass die Wellenlänge deutlich über der Länge des Kabels 10 liegt. Allerdings kann eine hohe Frequenz dieser Wechselspannung vorteilhaft sein, um (durch die Wandeleinrichtung 120) im Innenleiter 13 eine Wechselstromkomponente von bereits eingeprägtem Strom leichter zu trennen.

Insgesamt ist die Vorrichtung 100 somit ausgebildet, um die Leistung über das Kabel 10 bzw. den Prüfling selbst zu übertragen. Dies bedeutet eine Minimierung der benötigten Komponenten, was im höchsten Maße Kosten sparen und eine sehr einfache vor-Ort-Prüfung ermöglichen kann.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 mit weiteren Details. Die Abschirmung 15 kann über eine Erdung 80 bzw. eine Punktverbindung mit einer Masse verbunden sein. Die Wechselspannungseinrichtung 110 weist einen Anschluss 114 an eine hier hochfrequente Versorgungswechselspannung auf. Die Wechselspannungseinrichtung 110 weist auch einen Hochfrequenz-Transformator 116 auf, um basierend auf diesem Transformator 116 die Wechselspannung für die Abschirmung 15 bereitzustellen. Ein Effektivwert der Versorgungswechselspannung kann beispielsweise bei 200 V liegen, und der Transformator 116 kann ausgebildet sein, um die Wechselspannung mit einem niedrigeren Effektivwert bereitzustellen. Die Wechselspannungseinrichtung 110 weist eine Kompensationskomponente 118, hier einen Kondensator, auf, die in einer Zuleitung zu Anschlüssen 112 an die Abschirmung 15 angeordnet und ausgebildet ist, um eine Streuinduktivität zu kompensieren. Niedrigere Werte der Wechselspannung haben sich in Ausführungsbeispielen als vorteilhaft erwiesen.

Sekundärseitig in der Vorrichtung 100 umfasst die Wandeleinrichtung 120 eine Auskoppelkomponente, die ausgebildet ist, um zumindest einen Teil des induzierten Wechselstroms auszukoppeln. Die Auskoppelkomponente umfasst dabei einen Sperrkreis 123, der durch eine Parallelschaltung einer Induktivität 1231 und einer Kapazität 1232 gebildet wird. Die Induktivität 1231 und die Kapazität 1232 sind so ausgebildet, dass der Sperrkreis 123 für Stromanteile mit einer Frequenz der Wechselspannung bzw. in einem Frequenzbereich, der eine Frequenz der Wechselspannung umfasst, einen hohen elektrischen Widerstand bildet. Für andere Frequenzen hingegen ist der durch den Sperrkreis 123 gebildete elektrische Widerstand gering. Insbesondere kann der einzuprägende Strom vorteilhafterweise nahezu ungehindert durch den Sperrkreis 123 passieren. Eine parallel zum Sperrkreis 128 verlaufende erste Leitung 121 ist mit dem Innenleiter 13 über einen Kondensator 129 (ebenfalls als Teil der Auskoppelkomponente) verbunden. Der Kondensator 129 ist ausgebildet, um eine Entkoppelung von Stromanteilen in der ersten Leitung 121 von dem bereits eingeprägten Strom zu bewirken. Der in dem Innenleiter 13 induzierte Wechselstrom bzw. Wechselstromanteil fließt daher vorwiegend in der ersten Leitung 121, während der bereits eingeprägte Gleichstrom vorwiegend in einer von der ersten Leitung 121 getrennten zweiten Leitung 122 fließt.

Auf der Sekundärseite der Vorrichtung 100 wird somit durch den Parallelschwingkreis 123 die Hochfrequenzspannung aus dem Gleichstromkreis ausgekoppelt. Die Induktivität 1231 ist vorteilhafterweise ausgebildet, um den eingeprägten Strom, der im Wesentlichen ein Gleichstrom ist, tragen zu können. Es hat sich herausgestellt, dass die Wechselspannung vorteilhafterweise eine hohe Frequenz aufweist, da die Induktivität 1231 dann als verhältnismäßig kleine Leiterschleife mit großem Querschnitt ausgeführt sein kann.

Die Wandeleinrichtung 120 umfasst eine Gleichrichtkomponente 125, die hier mehrere Mittelpunkt-Gleichrichter 126, 126‘ bzw. Mittelpunkt-Gleichrichtschal- tungsanordnungen umfasst. Die Gleichrichter 126, 126‘ umfassen dabei jeweils einen Hochfrequenz-Transformator 128 mit zwei Spulen 1281, 1282, die ein Wickelungsverhältnis von 1:1 aufweisen können. Dabei umfasst jeder Transformator 128 zunächst eine erste (primäre) Spule 1281. Die ersten Spulen 1281 aller Transformatoren 128 sind seriell geschaltet und auf einer ersten Seite mit der ersten Leitung 121, in der vorwiegend der induzierte Wechselstrom fließt, verbunden. Auf einer anderen Seite ist die Serie der ersten Spulen 1281 über den Kondensator 129 mit dem Innenleiter 13 verbunden. Weiter ist in jedem Transformator eine zweite (sekundäre) Spule 1282 über ihren Mittelpunkt elektrisch mit dem Innenleiter 13 verbunden. Die Enden der zweiten Spule 1282 sind jeweils mit einer Anode einer Diode 127 verbunden. Die Dioden 127 sind ausgebildet und angeordnet, um den Strom durch die zweite Spule 1282 gleichzurichten. Die zweiten Spulen 1282, bzw. die Dioden 127 aller Gleichrichter 126, 126‘, sind parallel mit der zweiten Leitung 122 verbunden. Die Gleichrichtkomponente 125 bewirkt so insgesamt ein Übertragen von Leistung aus dem induzierten Wechselstrom in den eingeprägten Strom. Es erfolgt somit eine Erzeugung des einzuprägenden Gleichstroms über einen oder mehrere Transformatoren 128 in Gleichrichtern 126, 126‘, die über den Kondensator 129 von der durch den Spannungsabfall auftretenden Gleichspannung entkoppelt sind.

Fig. 3 illustriert ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 in einer konkreten Verwendung. Als Kabel 10 wird hier ein Mittelspannungskabel des Typs Nexans NA2XS(F)2Y 1X70/ 16 von 15 m Länge verwendet.

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Wechselstromeinrichtung insbesondere einen Umwandler 111, der ausgebildet ist, um aus einem Wechselstrom von 50 Hz einen hochfrequenten Wechselstrom mit einer Frequenz in einem Bereich zwischen 10 kHz und 10 MHz umzuwandeln. Die Auskopplungskomponente umfasst einen Parallelschwingkreis 123 mit einer Induktivität 1231 bzw. einer Leiterschleife und einer Kapazität 1232 bzw. einem Kondensator, sowie einen weiteren Kondensator 129 zur Entkoppelung des im Innenleiter 13 induzierten Wechselstroms von dem eingeprägten Gleichstrom. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Gleichrichtkomponente 125 mit 50 parallel geschalteten Gleichrichtern 126, 126‘ mit jeweils einem Transformator 128. Jeder Transformator 128 weist jeweils ein primäre Spule 1281 mit einer Primärwindung und eine sekundäre Spule 1282 mit einer 2x1 Sekundärwindung auf. Strom durch die sekundäre Spule 1282 wird jeweils mit einer Dual-Schottky-Diode (anstelle der zwei parallelen Dioden 127) gleichgerichtet. Dieser Aufbau ist besonders einfach, da der Primärleiter bzw. die erste Leitung 121 als ein Leiter ausgeführt werden kann, welcher durch alle Transformatoren 128 geführt wird.

Basierend auf der Gleichrichtkomponente ergibt sich ein Stromübersetzungsverhältnis von 1:50. Dies führt auf einen Stromripple (ein Verhältnis des Wechselstromanteils gegenüber dem eingeprägten Gleichstromanteil im Innenleiter 13) von lediglich 2 %. Die Gleichrichtkomponente ist ausgebildet, um den eingeprägten Strom mit einer Stromstärke von zumindest 1 kA zu liefern. Das Kabel 10 hat einen Bemessungsstrom von 230 A. Eine Arbeitsfrequenz beträgt 200 kHz.

Fig. 4 zeigt für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 die Gleichrichtkomponente 125 mit den 50 einzelnen Gleichrichtern 126, 126‘ sowie den Kondensator 129 zur Entkopplung des Wechselstromanteils von dem Gleichstromanteil im Innenleiter 13 des Kabels 10.

Fig. 5 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Einprägen eines Stroms in einen Innenleiter 13 eines Kabels 10. Dabei umfasst das Kabel 10 neben dem Innenleiter 13 eine um den Innenleiter 13 angeordnete Abschirmung 15. An dem Kabel 10 liegt ein Gleichspannungspotential an. Das Verfahren umfasst ein Anlegen S110 einer Wechselspannung an die Abschirmung 15. Weiter umfasst das Verfahren ein Umwandeln S120 einer Frequenz eines auf den Innenleiter 13 induzierten Wechselstroms, um so den Strom einzuprägen. Hierbei kann insbesondere auf ein Induzieren des Stroms in den Innenleiter 13 durch einen eigenen Transformator verzichtet werden.

Eine Ausführung des Verfahrens erfolgt vorteilhafterweise mit Hilfe einer Vorrichtung wie vorangehend beschrieben. Insbesondere kann das Verfahren ein Auskoppeln des Wechselstroms bzw. der in dem Innenleiter induzierten Wech- selspannung. Weiter umfasst das Verfahren vorteilhafterweise ein Gleichrichten des ausgekoppelten Wechselstroms, bzw. der ausgekoppelten induzierten Wechselspannung.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

BEZUGSZEICHENLISTE io Kabel

13 Innenleiter

15 Abschirmung

20 Phasenumrichter

30 Leistungstransformator

40 Gleichrichter

50 Pumpeinrichtung

60 Welle

70 Trenntransformator

80 Erdung

100 Vorrichtung

110 Wechselspannungseinrichtung

111 Umrichter

112 Anschluss

114 Anschluss an Versorgungswechselspannung

116 Hochfrequenztransformator

118 Kompensationskomponente

120 Wandeleinrichtung

121 erste (primäre) Leitung

122 zweite (sekundäre) Leitung

123 Sperrkreis

1231 Induktivität

1232 Kapazität

125 Gleichrichtkomponente

126 Gleichrichter

127 Diode

128 Transformator

1281 erste (primäre) Spule

1282 zweite (sekundäre Spule)

129 Kondensator

S110, S120 Schritte eines Verfahrens

Claims

ANSPRÜCHE

1. Vorrichtung (100) zum Einprägen eines Stroms in einen Innenleiter (13) eines Kabels (10), wobei das Kabel (10) eine um den Innenleiter (13) angeordnete Abschirmung (15) umfasst, umfassend: eine Wechselspannungseinrichtung (110), die ausgebildet ist, um eine Wechselspannung an der Abschirmung (15) anzulegen; und eine Wandeleinrichtung (120), die ausgebildet ist, um eine Frequenz eines in dem Innenleiter (13) induzierten Wechselstroms umzuwandeln und so den Strom einzuprägen.

2. Die Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wechselspannungseinrichtung (110) zumindest eines der folgenden aufweist:

- einen Anschluss (114) an eine Versorgungswechselspannung,

- einen Transformator (116), um basierend darauf die Wechselspannung bereitzustellen,

- einen Umrichter (111), um basierend darauf die Wechselspannung bereitzustellen,

- eine Kompensationskomponente (118), die ausgebildet ist, um eine Streuinduktivität zu kompensieren.

3. Die Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wechselspannungseinrichtung (110) ausgebildet ist, um die Wechselspannung mit zumindest einer Frequenz in einem Bereich von 1 kHz bis 10 MHz bereitzustellen.

4. Die Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandeleinrichtung (120) eine Auskoppelkomponente umfasst, die ausgebildet ist, um zumindest einen Teil des induzierten Wechselstroms auszukoppeln.

5- Die Vorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei die Auskoppelkomponente einen Sperrkreis (123) umfasst.

6. Die Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandeleinrichtung (120) eine Gleichrichtkomponente (125) umfasst.

7. Die Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei die Gleichrichtkomponente (125) zumindest zwei Transformatoren (128) mit jeweils einer ersten Spule (1281) und einer zweiten Spule (1282) umfasst, wobei die zumindest zwei ersten Spulen (1281) seriell und die zumindest zwei zweiten Spulen (1282) parallel geschaltet sind.

8. Ein Verfahren zum Einprägen eines Stroms in einen Innenleiter (13) eines

Kabels (10), wobei das Kabel (10) einen Innenleiter (13) und eine um den Innenleiter (13) angeordnete Abschirmung (15) umfasst, mit:

Anlegen einer Wechselspannung an die Abschirmung (15); und

Umwandeln einer Frequenz eines auf den Innenleiter (13) induzierten Wechselstroms, um so den Strom einzuprägen.