DE10019430A1 - Verfahren zur Mantelfehlerortbestimmung in Kabelsystemen mit Sensorader - Google Patents
Verfahren zur Mantelfehlerortbestimmung in Kabelsystemen mit SensoraderInfo
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Abstract
Bei einem Mantelfehlerortungsverfahren für Kabel, bei dem in eine Sensorader eines Kabels ein Messstrom eingespeist wird und bei einem Kabelmantelfehler auftretende Messsignaländerungen ausgewertet werden, wird eine die Sensorader einschließende Sensorschleife gebildet, in die ein konstanter Messstrom erdfrei eingespeist wird. Die dabei am Anfang und Ende der Sensorschleife gegenüber einem Bezugspotential auftretenden Spannungen werden gemessen und durch Bildung des Verhältnisses dieser Spannungen wird der Fehlerort bestimmt.
Description
Kabel, insbesondere Erdkabel und Seekabel, haben einen wasserdichten Kunst
stoffmantel. Befindet sich unter dem Kunststoffmantel eine metallische Beweh
rung zur mechanischen Stabilisierung und/oder zur elektrischen Abschirmung, so
ist diese metallische Bewehrung geerdet. Das Kabelinnere mit den elektrischen
Leitern kann durch weitere Kunststoffmäntel oder Wassersperren aus Aluminium
ummantelt sein, was hier nicht näher betrachtet wird.
Treten im äußeren Kunststoffmantel Beschädigungen auf, so wird zunächst die
metallische Abschirmungsbewehrung von eindringendem Wasser befeuchtet.
Diesbezüglich ist es naheliegend, gemäß dem Stand der Technik, einen Sensor
draht in den Bereich der metallischen Bewehrung mitzuführen, um Wassereintritt
sofort zu melden. Der Sensordraht ist im trockenen Zustand vollkommen isoliert
vom geerdeten Kabelmantel. Durch Gewebeisolation oder sonstige perforierte
Isolation des Sensordrahtes ist bei Befeuchtung mit eindringendem Wasser ein
niedriger Übergangswiderstand zum geerdeten Kabelmantel gegeben. Sollte kein
geerdeter Kabelmantel gegeben sein, stellt sich ein entsprechend höherer Über
gangswiderstand zum Erdreich ein.
Fehlerortungsverfahren nutzen den Effekt des einnässenden Sensordrahtes nicht
nur zur Erkennung des defekten Kabelmantels, sondern berechnen aus den
Sensordrahtdaten ebenfalls den Fehlerort (siehe DE 195 27 972.7 und DE 195 44 391.8).
Bei bekannten Messverfahren gemäß Fig. 1 werden die Ströme I1,
I2 und I3 erfasst, um über deren Aufteilung den Fehlerort zu ermitteln. Zum ein
facheren Verständnis wird eine zweiphasige Version nach Fig. 2 betrachtet. Die
Ströme verhalten sich umgekehrt proportional zu den Widerständen der Sensor
leitungslängen. Da die Leitungssensoren am Kabelende verbunden sind, ergibt
sich die relevante Sensorlänge jeweils vom Kabelanfang bis zum Fehlerort nach
der Beziehung:
Soll das Stromverhältnis I1 : I2 die korrekte Kabellänge RLänge 2 : RLänge 1 wiederge
ben, so darf das Stromaufteilungsverhältnis ausschließlich nur von den Sensor
längen vom Kabelanfang bis zum Fehlerort beeinflusst sein. Zusätzliche Mess
widerstände, z. B. R1 und R2 zum Erfassen der Ströme I1 und I2 sind den Sensor
widerständen in Serie geschaltet und verfälschen damit die Stromaufteilung.
Beispielhaft sei dargestellt:
Bei üblichen Sensorwiderständen von ca. 50 Ω/km, einer Kabellänge von 1 km und einem Fehler auf halber Kabellänge ergibt sich eine Widerstandsaufteilung der Kabelschleife R1 : R2 von 25 : 75 Ω = 1 : 3, dementsprechend eine Stromauf teilung I1 : I2 von 3 : 1.
Bei üblichen Sensorwiderständen von ca. 50 Ω/km, einer Kabellänge von 1 km und einem Fehler auf halber Kabellänge ergibt sich eine Widerstandsaufteilung der Kabelschleife R1 : R2 von 25 : 75 Ω = 1 : 3, dementsprechend eine Stromauf teilung I1 : I2 von 3 : 1.
Werden zur Erfassung der Ströme Messwiderstände R1 und R2 von jeweils 25 Ω
eingefügt, so ergibt sich eine Widerstandsaufteilung von 50 : 100 Ω, dement
sprechend eine Stromaufteilung von I1 : I2 von 2 : 1, was nicht mehr die Sensor
längen bis zum Fehlerort widerspiegelt. Um zu richtigen Ergebnissen zu kom
men, müssen Messwiderstände und ggf. Zuleitungswiderstände bis zum Kabel
anfang herausgerechnet werden. Eine erforderliche Korrekturrechnung ist insbe
sondere bei einem Drehstromsystem aufwendig, da alle in der Messanordnung
vorkommenden Widerstände:
Messwiderstände Rm
Zuleitungswiderstände RZ
Sensorwiderstände RS
Abschlussmesswiderstände RA
gemeinsamer Abschluss Widerstand RB
Erdfehlerwiderstand RE
mit ihrer momentanen Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen sind. Die Ströme, die über einen Erdfehlerwiderstand RE (im Beispiel Fig. 2 I1 und I2) über das Erdpotential zur treibenden Quelle UB zurückfließen, können am undefinier ten Erdfehlerwiderstand und durch Wärmeeinwirkung zu Schwankungen des Fehlerwiderstandes führen, dies um so mehr, je dichter der Mantelfehler zum Kabelanfang rückt, wodurch die Messströme größer werden und der Effekt sich verstärkt. In der Korrekturberechnung erscheinen alle Spannungen, Ströme und Widerstände als absolut zu berücksichtigende Größen, wodurch sich eine Reihe von Fehlermöglichkeiten in einer umfangreichen Fehlerortungsgleichung erge ben, zumal alle Widerstände nicht absolut stabil, sondern von der Temperatur abhängig sind, was insbesondere für die Kabelwiderstände aufgrund der Tempe ratur eines Energiekabels oder der Messwiderstände aufgrund der unterschied lichen Mess-Ströme oder der einwirkenden Wechselströme aus dem Kabel ge geben ist.
Messwiderstände Rm
Zuleitungswiderstände RZ
Sensorwiderstände RS
Abschlussmesswiderstände RA
gemeinsamer Abschluss Widerstand RB
Erdfehlerwiderstand RE
mit ihrer momentanen Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen sind. Die Ströme, die über einen Erdfehlerwiderstand RE (im Beispiel Fig. 2 I1 und I2) über das Erdpotential zur treibenden Quelle UB zurückfließen, können am undefinier ten Erdfehlerwiderstand und durch Wärmeeinwirkung zu Schwankungen des Fehlerwiderstandes führen, dies um so mehr, je dichter der Mantelfehler zum Kabelanfang rückt, wodurch die Messströme größer werden und der Effekt sich verstärkt. In der Korrekturberechnung erscheinen alle Spannungen, Ströme und Widerstände als absolut zu berücksichtigende Größen, wodurch sich eine Reihe von Fehlermöglichkeiten in einer umfangreichen Fehlerortungsgleichung erge ben, zumal alle Widerstände nicht absolut stabil, sondern von der Temperatur abhängig sind, was insbesondere für die Kabelwiderstände aufgrund der Tempe ratur eines Energiekabels oder der Messwiderstände aufgrund der unterschied lichen Mess-Ströme oder der einwirkenden Wechselströme aus dem Kabel ge geben ist.
Beispiel für die Berechnungsgleichung eines Drehstrom-Dreifach-Kabelsystems
gemäß Fig. 1:
- - ohne Berücksichtigung von Zuleitungswiderständen des Mess-Systems
- - ohne Berücksichtigung unterschiedlicher Kabellängen 1 bis 3
Quelle: Fortschritt-Berichte VDI-Verlag
Reihe 21: Elektrotechnik Nr. 212
Reihe 21: Elektrotechnik Nr. 212
mit:
I1 = Strom in Zweig 1
I2 = Strom in Zweig 2
I3 = Strom in Zweig 3
Rm = Meßwiderstand
R'S = Sensorwiderstandsbelag
RA = Abschlußwiderstand
RB = Betriebswiderstand
L1 = Entfernung der Fehlerstelle vom Meßpunkt 1
Lges = Gesamtlänge des Kabels
I1 = Strom in Zweig 1
I2 = Strom in Zweig 2
I3 = Strom in Zweig 3
Rm = Meßwiderstand
R'S = Sensorwiderstandsbelag
RA = Abschlußwiderstand
RB = Betriebswiderstand
L1 = Entfernung der Fehlerstelle vom Meßpunkt 1
Lges = Gesamtlänge des Kabels
Werden für den praktisch realistischen Fall die Leitungslängen zum Kabelanfang
in die Rechnung einbezogen und ferner berücksichtigt, dass die Phasenlängen
beim Dreifach-Kabelsystem aufgrund großer Verlegungsradien unterschiedlich
lang sind, ergibt sich eine Berechnungsgleichung des mehrfach dargestellten
Umfangs. Bei Energiekabeln ergibt sich bei diesem bekannten Messverfahren
zusätzlich ein Wärmeproblem für die Messwiderstände Rm.
Wird z. B. eine induzierte Wechselspannung von 100 V effektiv im Sensordraht
entsprechend 100 V × 1,73 = 173 V zwischen den Sensordrahtphasen des Dreh
stromsystems zugelassen und ein Mess- und Abschlusswiderstand von je 10 Ω
eingesetzt, bei einem Widerstand des Sensordrahtes von 40 Ω, so ergibt sich
überschlagsweise nach der Beziehung:
in den drei Messwiderständen Rm.
Nach der Leistungsberechnung N = I2 × R ergibt dies für Präzisionsmesswider
stände die ungewöhnliche Leistung von etwa 20 W je Messwiderstand. Da
Messwiderstände sich nicht stark erwärmen sollen, müsste jeder Widerstand für
etwa 100 W ausgelegt sein.
Jeder Techniker kann sich leicht vorstellen, dass ein Messwiderstand mit 0,01%
Genauigkeit in der Größenordnung 0,2 bis 0,5 W geläufig ist, nicht jedoch mit 100 W.
Aus vorstehenden Fakten ist leicht zu ersehen, dass ein Messverfahren ins
besondere für Energiekabel nach dem bekannten Messverfahren theoretisch
möglich, praktisch jedoch nicht sinnvoll realisierbar ist.
Ein Messverfahren, nach Fig. 3 nachfolgend beschrieben, vermeidet alle Fehler
der vorstehenden Berechnungsgleichung, da sämtliche Widerstandsgrößen incl.
der Messwiderstände eliminiert sind und somit auch die Sensordrahttemperatur
nicht in die Fehlerortung eingeht. Als Vorgabe wird bei diesem Messverfahren
nur die Kabellänge benötigt und die Spannungen U1, U2, U3 jeweils gemessen.
Zum einfacheren Verständnis wird eine zweipolige Version nach Fig. 4 betrach
tet. Während beim Messverfahren nach Fig. 1 und 2 die Spannungsquelle UB
Ströme über den Fehlerwiderstand RE gegen Erde treibt, wird beim Messverfah
ren nach Fig. 3 und 4 ein erdfreier Strom über die Sensorschleife geschickt. Ent
sprechend dem Sensorwiderstand stellt sich eine erdfreie Schleifenspannung ein,
sofern kein Erdfehler vorliegt. Stellt sich ein Erdfehler RE ein, so ist die Schleifen
spannung erdbezogen. Die erdbezogenen Spannungen können gemäß Fig. 4 als
Spannung U1 und U2 der linken und rechten Schleifenteilspannung gemessen
werden. Die Addition beider Spannungen entspricht der gesamten Schleifen
spannung. Da über den Erdfehler RE im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 1
und 2 kein Strom fließt, fällt über diesen Widerstand auch keine Spannung ab.
Somit sind bei diesem Verfahren die gemessenen Spannungen U1 und U2 unab
hängig vom undefinierten Erdfehler. Die gemessenen Teilspannungen U1 und U2
fallen an den Widerständen der Sensorleitungen L1 und L2 jeweils vom Kabel
anfang bis zum Fehlerort ab. Die Spannungen U1 : U2 stehen also im gleichen
Verhältnis wie die Sensorlängen Länge 1 : Länge 2. Ist die Sensorlänge (= Ka
bellänge) bekannt, so ergibt sich der Fehlerort vom Kabelanfang aus gemessen
nach der einfachen Verhältnisrechnung
Da es sich um eine reine Verhältnisrechnung zwischen Sensorlängen und den
darüber abfallenden Spannungen handelt, die konstant stromgespeist sind, wer
den weder Messwiderstände benötigt, noch spielt die Größe des Erdfehlers RE
eine Rolle, da über RE kein Messstrom abfließt.
Die Vorzüge, mit weniger fehlerhaften Mess- und Rechengrößen genauere Er
gebnisse zu erzielen, liegen auf der Hand. Das nachfolgend beschriebene Ver
fahren kombiniert deshalb erfinderische Schaltungsfunktionen mit dem prinzi
piellen Messaufbau nach Fig. 3 und 4. Die Messung nach Fig. 3 und 4 ist jedoch
nur möglich, wenn es sich um freigeschaltete, spannungsfreie Leitungsadern, die
am Ende verbunden werden, handelt.
Die Aufgabenstellung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens besteht nun
darin, eine Mantelfehlerortung an Hochspannungskabeln ohne Abschaltung wäh
rend des Betriebes, wobei die Sensorader unter Spannung steht und aufgrund
des geringen Innenwiderstandes einen hohen Strom treiben kann, auszuführen.
Der im Kabelmantel eingebettete Sensordraht wirkt insbesondere bei Koaxialka
beln nach Fig. 6 und 7 wie die Sekundärwicklung eines Transformators, wobei
als Primärwicklung der laststromführende Innenleiter des Koaxialkabels wirkt. Bei
der Messschaltungs-Auslegung muss deshalb sichergestellt sein, dass kein
Wechsel-Kurzschlussstrom vom Kabel ins Messsystem fließt, da das mit Gleich
strom arbeitende Messverfahren dann nicht mehr richtig messen und zudem bei
größeren Strömen zerstört würde.
Eine prinzipielle Schaltungsanordnung und deren Funktion sei an Fig. 6, einem
Zweifach-Kabelsystem für Bahnstromanlagen, erläutert. Jede getrennt verlegte
Koaxialphase führt im Mantelbereich eine Sensorader mit, die am Kabelende
verbunden ist. Über die Sensoradern LS1 und LS2 wird von einer erdfreien Batterie
spannung UB über eine Stromsenke ein Konstant-Gleichstrom in die Sensor
schleife gespeist. Dies hat folgenden Sinn:
- 1. Der Innenwiderstand der Stromquelle UB passt sich automatisch an die Ka bellänge und den Sensorwiderstand an. Bei kurzer Leitung steht eine kleine Spannung und bei längerer Leitung automatisch entsprechend eine größere Spannung am Einspeisepunkt der Kabelanfänge zur Verfügung.
- 2. Auch bei Sensorkurzschluss direkt am Kabelanfang oder beide Sensoradern gegen Erde kurzgeschlossen, ist keine Überlastung der Spannungsquelle UB und keine Überlastung eines Messwiderstandes möglich, da jederzeit nur der eingestellte Konstantstrom fließt.
- 3. Nach der Beziehung U = I × R kann der maximale Messbereich U durch Wahl der Konstantstromgröße auf den maximalen Sensorwiderstand entsprechend der vorgegebenen Leitungslänge abgestimmt werden.
- 4. Durch Einstellung des Konstantstromes auf eine durch 10 teilbare Größe, z. B. 10 mA, entspricht der Zahlenwert der angezeigten Spannungen U1 + U2 am Sensoranfang ohne Umrechnung direkt der Zahlenfolge des jeweiligen Sensorwiderstandes vom Kabelanfang bis zur Mantelfehlerstelle.
- 5. Bei frei zugänglicher Einstellung des Konstantstromes kann die Schleifen spannung U zahlenmäßig direkt auf die wirkliche Länge der Kabelschleife in Meter justiert werden. Für diesen Fall zeigen die Teilspannungen U1 und U2 zahlenmäßig direkt die Kabellängen in Meter vom jeweiligen Kabelanfang bis zum Kabelmantelfehler an.
Da der Konstantstrom aus einer erdfreien Spannungsquelle und Stromsenke die
Kabelschleife speist und deshalb kein Strom über einen evtl. Erdfehler abfließt,
ist der zufließende Strom I1 gleich dem rückfließenden Strom I2. Die eingefügten
Widerstände RI1 und RI2 bilden mit dem Kondensator CI für die induzierte Wech
selspannung auf der Sensorleitung in Richtung Konstantstromspeisung einen
Spannungsteiler, so dass die verbleibende Wechselspannung an CI so klein ist,
dass die parallel zum Kondensator eingespeiste Konstantstromquelle weder ge
fährdet ist, noch die Genauigkeit der Gleichspannungsmessung beeinflusst wird.
Die Widerstände RI1 und RI2 bilden in umgekehrter Richtung zum Kabel hin für die
speisende Quelle UB ebenfalls einen Spannungsteiler mit der niederohmigen
Sensorschleife. Wegen der gewählten Konstantstromspeisung hat dieser Span
nungsabfall jedoch keinerlei Einfluss auf die Größe der Schleifenspannung U
oder die zu messenden Schleifenteilspannungen U1 und U2. Der Schaltung liegt
die Idee zu Grunde, dass die Widerstände RI1 und RI2 so gewählt werden, dass der ef
fektive Wechselstrom nicht größer wird als der speisende Konstantstrom ist.
Bei dieser Schaltungsanordnung pulsiert der Wechselstrom positiv und negativ um die
Gleichstromgröße, so dass als mittlere Verlustleistung nur die nicht zu umgehende
Messgleichspannungsgröße auftritt, d. h. eine zusätzlich auftretende Wechselstrom-
Verlustleistung ist bei der vorgegebenen Schaltung mit richtiger Auslegung nicht zu be
rücksichtigen, während bei einer Schaltung nach Fig. 1 (Mantelfehlerortung bei Hoch
spannungskabeln gemäß Stand der Technik) unter gleichen Kabel- und Sensorvoraus
setzungen vergleichsweise mit ca. 20 W Wechselstromverlustleistung in hochgenauen
Messwiderständen zu rechnen ist. Da bei etwa gleich großen Wechsel- wie Gleichströ
men auch die Spannungsabfälle an RI1 und RI2 etwa gleich groß sind, gilt für das an
gegebene Schaltungsverfahren, dass die treibende Gleichspannung UB des Stromge
nerators größerr sein muss, als der Scheitelwert der zugelassenen Sensorwechsel
spannung plus der gewünschten maximalen Schleifenmessspannung, z. B. 10 V. Bei
einer realistischen Sensorspannung von zugelassenen bis max. 100 V ~ ergibt dies:
Generatorspannung U8 = 100.√2 + max. Schleifenmessspannung
U8 = 100.√2 + 10 V
treibende Schleifenspannung U8 = 150 V
Generatorspannung U8 = 100.√2 + max. Schleifenmessspannung
U8 = 100.√2 + 10 V
treibende Schleifenspannung U8 = 150 V
Die zu messende Schleifenspannung U wird mit zwei Teilschleifenspannungen U1 und
U2 vom Sensordraht LS1 und LS2 am Kabelanfang abgegriffen. Das Messsignal U1 und
U2 geht jeweils über einen Tiefpassfilter RS1, CS1 und RS2, CS2 über die Leitungen S1
und S2 und wird dem Messsystem z. B. mit einem Messbereich von jeweils ± 10 V zuge
führt.
Die Messsignalabnahme an S1 und S2 erfolgt im Messsystem über extrem hoch
ohmige Messverstärker, so dass nur das reine Spannungssignal ohne Stromfluss
zur weiteren Auswertung genutzt wird. Da kein Gleichstrom fließt, fällt an den
Filterwiderständen RS1 und RS2 auch keine Gleichspannung ab, die die Messwerte
verfälschen könnte. Aus diesem Grund können die Widerstände RS1 und RS2 vor
zugsweise direkt so groß gewählt werden, dass keine nennenswerten Wechsel
strom-Leistungen der Widerstände anfallen. Beispielhaft ergibt sich bei maximal
100 V Sensorwechselspannung und einem Normwiderstandswert von 150 k, der
auf ein C von beispielsweise 1 µF arbeitet, das als Wechselspannungsteiler
wirkt, eine Wärmeleistung von jeweils etwa 0,07 W an den Widerständen RS1 und
RS2. Da die Tiefpässe RS1, CS1 und RS2, CS2 jeweils einen Wechselspannungsteiler
darstellen, werden die hohen Wechselspannungen von LS1 und LS2 auf den
Gleichspannungsmessleitungen S1 und S2 auf einen für das nachfolgende Mess
system ungefährlichen Wert reduziert. Auf Grund der Konstantstromspeisung der
Sensordrähte LS1 und LS2 die an den Kabelenden zusammengeschaltet sind,
ergibt sich am Kabelanfang zwischen LS1 und LS2 eine konstante Schleifenspan
nung, die nur noch von der Kabeltemperatur über den Sensorwiderstand beein
flusst wird. Die abgegriffenen Spannungen U1 und U2 fallen über den Sensor
widerständen ab. Der Temperaturgang der Sensorschleife hat dennoch keinen
Einfluss auf die Genauigkeit der Mantelfehlerortung, da die Genauigkeit bei die
sem Verfahren nicht von den absoluten Spannungen U1 und U2, sondern lediglich
vom Verhältnis der Spannungen U1 : U2 abhängt, was die Gesamtkabellänge
dem Spannungsverhältnis entsprechend aufteilt. Liegt kein Mantelfehler vor, so
wird die Gesamtschleifenspannung U über die abgegriffenen Messspannungen
U1 und U2 jeweils mit ½ U gegen Erde gemessen werden, da das Messsystem
über die Erdleitungen einen Spannungsteiler bildet. Sind die Kabel 1 und 2 gleich
lang, so ergibt sich ein fiktiver Erdfehler am Kabelende, obwohl kein Erdfehler
vorliegt. Dieser Sonderfall des Messverfahrens wird vom beschriebenen
Messsystem dazu genutzt, eine permanente Überwachung der Sensordrähte
sowie des Messsystems durchzuführen, indem die Entfernung des Kabelendes
nach der Berechnungsgleichung
kontrolliert wird.
Liegt kein Messfehler in Kabel 1 oder 2 vor, so ergibt die mit U1 und U2 berech
nete Entfernung bis zum Kabelende jeweils die genaue Kabellänge, was eine
permanente Kontrolle des gesamten Messablaufes über alle Systemkomponen
ten ermöglicht. Dass das Messverfahren ohne Erdfehler bei gleichen Kabellän
gen am Kabelende einen Erdfehler sieht, liegt daran, dass das Messverfahren in
der Lage ist, den Fehlerort unabhängig von der Größe des Erdwiderstandes RE
auszumessen, und somit immer einen Fehlerort findet, der auch im Extremfall für
einen Fehlerwiderstand RE = ∞ bei gleicher Spannung von U1 und U2 den Feh
lerort in der Schleifenmitte sieht. Im vorliegenden Fall wurde zunächst davon
ausgegangen, dass die Kabellängen bzw. die einzelnen Phasen gleich lang sind.
Diese Annahme trifft bei Einfach-Kabelsystemen nach Fig. 5, wobei sich alle
Phasen oder Adern innerhalb eines Kabels befinden, immer zu (z. B. Energie
kabel bei Endverbrauchern oder Daten- und Telefonkabel). Einfachkabel lassen
sich mit dem angegebenen Messverfahren, auch wenn es sich nicht um Hoch
spannungskabel handelt, ebenso gut auf Mantel- oder Erdfehler überwachen. Bei
diesen Kabeln entfällt lediglich die Problematik der eingekoppelten hohen Wech
selstromenergie und diesbezügliche besondere Beschaltungsmaßnahmen.
Zweifach- oder Dreifach-Kabelsysteme gemäß Fig. 6 und 7, bei denen jede
Phase als separates Koaxialkabel verlegt ist, haben in der Regel ungleiche Ka
bellängen für die einzelnen Phasen. Ungleiche Kabellängen ergeben sich z. B. bei
paralleler Kabelverlegung, wenn diese aus Temperaturgründen mit Abstand ver
legt werden. Durch parallele Verlegung mit Abstand ergeben sich z. B. unter
schiedliche Kurvenradien, die schnell zu einem Längenunterschied von z. B. 30
bis 50 m führen. Um auch Kabelsysteme mit ungleichen Kabellängen der einzel
nen Phasen, wo sich die verbundenen Sensordrahtenden nicht mehr in der
symmetrischen Schleifenmitte befinden, im fehlerfreien Zustand durch perma
nente Überwachung des Kabelendes kontrollieren zu können, kann beim be
schriebenen Verfahren beim Zweifach-Kabelsystem ein künstlicher Abschluss
widerstand RA am Schleifenende gemäß Fig. 6 gesetzt werden. Der Abschluss
widerstand RA erniedrigt den gegen ∞ laufenden Erdfehler RE auf einen definier
ten Wert (z. B. 3 MΩ). Durch diese Beschaltung sieht das Messsystem einen vor
gegebenen Erdfehler am Kabelende und wird diesen mit der gegebenen Fehler
ortgleichung (gemäß Seite 5) ausmessen. Liegt kein wirklicher Mantelfehler vor,
so ergibt das Messergebnis über die Sensorphase LS1 mit U1 gerechnet die Ka
bellänge 1 und über diese Sensorphase LS2 mit U2 gerechnet die Kabellänge 2 an.
Beide Messergebnisse zeigen somit kontrollierend auf die verbundenen
Kabelenden mit der jeweils wirklichen Kabellänge, wobei Kabel 1 und Kabel 2
nicht nur geringfügig unterschiedlich, sondern beliebige Längen haben können.
Der Abschlusswiderstand RA sollte so hochohmig ausgeführt werden, dass eine
Mantelfehlerortung noch mit der gewünschten Genauigkeit gegeben ist.
Besteht der Wunsch, einen Mantelfehler einer 10 km langen Sensorschleife auf 1 m
zu orten, so erfordert dies eine Ortungsgenauigkeit von 0,1‰. Bei einem bei
spielhaften Abschlusswiderstand von RA = 3 MΩ fordert das Messsystem einen
Mantelfehler RE von < 300 Ω, um die Messgenauigkeit von 0,1‰ = 1 m zu er
füllen. Mantelfehler < 300 Ω entsprechen der Realität, da der Sensordraht im
geerdeten Kabelmantel so eingebettet ist, dass bei Befeuchtung der wasser
durchlässigen Sensorisolation sich schnell Widerstandswerte < 100 Ω einstellen.
Beim Dreifach-Kabelsystem nach Fig. 7 für Hochspannungs-Drehstromsysteme
erfordert das beschriebene Messverfahren auch bei unterschiedlichen Kabel
längen keinen Abschlusswiderstand RA zur Erkennung des Kabelendes ohne
vorliegenden Mantelfehler. Das Messsystem schaltet die Phasen beim Dreifach-
Kabelanschluss gemäß Fig. 8, wobei eine Sensorleitung am Kabelanfang freige
schaltet ist, jedoch am Kabelende mit den beiden anderen Sensorleitungen ver
bunden ist. Da jeder Sensordraht im Kabel nur einen endlichen Isolations
widerstand RE hat, bildet der dritte Sensordraht am Kabelende einen automati
schen Abschlusswiderstand RA gegen Erde. Das Messverfahren ermöglicht somit
auch beim Dreiphasenbetrieb ohne Mantelfehler und Abschlusswiderstand einen
ständigen Kontrollvergleich der gemessenen Kabellängen mit den wirklichen
Kabellängen.
Da ein Mantelfehler nur von Interesse ist, wenn der Isolationswiderstand des
Sensordrahtes gegenüber dem geerdeten Mantel einen wirklich messbaren Iso
lationsrückgang (z. B. durch Feuchteeinwirkung) aufweist, wird beim vorliegenden
Messverfahren zusätzlich eine Isolationsmessung des Sensordrahtes gegen
Erde ausgeführt. Das frei programmierbare Messsystem erlaubt dem Anwender
zu definieren, bei welcher Unterschreitung des Isolationswiderstandes eine
Alarmmeldung ausgegeben wird, um dann mit der nachfolgenden Fehlerortung
den Fehlerort des Mantelfehlers auszumessen. Zur Isolationsmessung wird der
Konstantstromgenerator 2 gemäß Fig. 9 einseitig von der Sensorschleife abge
trennt und mit einem Umschalter 4 gegen Erde geschaltet. Der Konstantstromge
nerator, dessen Strom automatisch umschaltbar ist, treibt in dieser Schaltposition
gegenüber der Schleifenmessung je nach gewünschtem Messbereich einen ca.
1000fach geringeren Konstantstrom über einen Sensordraht in die offene Sen
sorschleife über einen gegebenen Erdwiderstand RE gegen Erde. Der Erdwider
stand ergibt sich zu:
Die Trennung von Gleich- und Wechselspannung bewirken auch in diesem Be
triebsfall die gleichen Schaltkomponenten wie beim Schleifenstrombetrieb. Wird
der ISO-Messkonstantstrom vorzugsweise mit einer durch 10 teilbaren Größe
gewählt (z. B. 10 µA), so gibt der Zahlenwert der gemessenen Spannungen U1
oder U2 ohne Umrechnung direkt den Widerstandszahlenwert an.
Ob der Isolationswiderstand RE mit der gemessenen Spannung U1 oder U2 er
rechnet wird, ist beliebig, da die beiden Spannungen bei diesen Messungen
immer gleich groß sind. Obwohl der Stromgenerator nur über BI2 nach Sensor LS2
eingespeist wird und BI1 mit Umschalter 4 freigeschaltet ist, besteht eine Ver
bindung der Sensordrähte am Kabelende gemäß Fig. 5 und 6, so dass auf
beiden Sensorleitungen LS, und LS2 gleiches Potential herrscht, infolgedessen
auch U1 und U2 gleich groß gemessen werden.
Die Schleifenmessung dient der Sensordrahtüberwachung, so dass permanent
überprüft wird, ob die Sensorschleife mit ihren bekannten Leitungswiderständen
in der möglichen Toleranz durchgängig ist. Diese Messung bedingt beim vor
liegenden Messverfahren keine separate Messung, sondern wird aus den für
die Fehlerortung gemessenen Größen U1 und U2 abgeleitet.
Der Schleifenwiderstand ergibt sich zu:
Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen die unterschiedlich vorkommenden Kabelsysteme.
Fig. 5 zeigt ein Mehrphasenkabel, dass z. B. als Drehstromkabel bis zum Mittel
spannungsbereich oder als Daten- und Telefonkabel mit vielen Adernpaaren
ausgeführt ist. Bei diesem Einfach-Kabelsystem wird im geschirmten Mantelbe
reich (der geerdet ist) ein feuchtesensibler Sensordraht und ein isolierter Rück
leiter eingebettet, so dass sich eine Messschleife mit einem Kabel realisieren
lässt. Vielpaarige Kabel, die keinen besonderen Sensordraht im Mantelbereich
mitführen, lassen sich mit dem Messgerät für das beschriebene Messverfahren
dennoch überwachen, wenn eine blanke oder perforierte Ader im Kabelinneren
mitgeführt ist. Dringt bei einem defekten Kabelaußenmantel Wasser in dieses
Kabel, so genügt beim vorliegenden Messverfahren bereits ein hochohmiger
Erdschluss, z. B. einige MΩ, um eine genaue Fehlerortung auszuführen. Die ge
naue Fehlerortung von Erdfehlern, auch im kΩ- und MΩ-Bereich, ist ein wichtiger
Vorteil des beschriebenen Verfahrens, da bei Verfahren gemäß DE 195 27 972.7
und DE 195 44 391.8 zur genauen Berechnung Erdfehler ≦ 100 Ω vorausgesetzt
werden.
Das 2fach-Kabelsystem gemäß Fig. 6 unterscheidet sich vom 1fach-Kabelsystem
dadurch, dass jede Phase über ein getrenntes Kabel mit einem Sensor im
Kabelmantelbereich verlegt ist. 2fach-Kabelsysteme kommen z. B. bei Bahn
stromanlagen dort vor, wo keine Freileitungen gespannt sind, sondern vorzugs
weise im innerstädtischen Bereich jede Phase als eigenes Erdkabel verlegt ist.
Das Messverfahren gemäß Fig. 6 wurde vorstehend bereits ausführlich be
schrieben und unterscheidet sich beim Anschluss an das Messsystem nicht vom
1fach-Kabelsystem nach Fig. 5.
Fig. 7 zeigt die Schaltung eines Dreifach-Kabelsystems. Der Kabelmultiplexer
des Mantelfehler-Messsystems ist gemäß Fig. 8 so geschaltet, dass sowohl
2polige 1fach- oder 2fach-Kabelsysteme als auch 3polige 3fach-Kabelsysteme
zum Messen aufgeschaltet werden können. Jedes 3polige Kabelsystem benötigt
2 zweipolige Anschlüsse. Beim Dreiphasen-3fach-Kabelsystem wird vom Multi
plexer im ersten Schritt Sensor LS1 und LS2 auf das Messsystem aufgeschaltet und
Sensor LS3 am Kabelanfang freigeschaltet, so dass Sensor LS3 über die verknüpf
ten Sensorenden am Kabelende als Abschlusswiderstand RA geschaltet ist. Das
Messsystem ermittelt zunächst im 1. Schritt für Sensor LS1 und LS2 die folgenden
Parameter:
- A) Isolationswiderstand des Kabelsystems
- B) den Schleifenwiderstand der Kabelsensoren LS1 und LS2
- C) Überprüfung der Kabellängen 1 und 2 (wenn kein Mantelfehler vorliegt) oder ggf. alternativ
- D) Angabe der Fehlerortentfernung vom Kabelanfang bis zum Fehlerort für Kabel 1 und 2 (sofern ein Mantelfehler vorliegt)
Im 2. Schritt schaltet der Multiplexer Sensor LS3 und LS2 auf das Messsystem und
schaltet Sensor LS1 am Kabelanfang "frei", so dass der Sensor LS1 über die ver
knüpften Sensorenden am Kabelende als Abschlusswiderstand RA geschaltet ist.
Das Messsystem ermittelt jetzt im zweiten Schritt für Sensor LS3 und LS2 die Pa
rameter:
- A) Isolationswiderstand des Kabelsystems
- B) den Schleifenwiderstand der Kabelsensoren LS3 und LS2
- C) Überprüfung der Kabellänge 3 und 2 (wenn kein Mantelfehler vorliegt) oder ggf. alternativ
- D) Angabe der Fehlerortentfernung vom Kabelanfang bis zum Fehlerort für Kabel 3 und 2 (sofern ein Mantelfehler vorliegt)
Ein Vorteil des Messsystems nach beschriebenen Verfahren ist darin zu sehen,
dass sowohl 1fach-, 2fach- als auch 3fach-Kabelsysteme mit dem gleichen Ver
fahren und Messegerät überwacht werden können.
Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich des weiteren daraus, dass das Messsystem
selbst im 3fach-Kabelsystem beliebige Kabellängen zulässt. Dies ist vergleichs
weise beim 3phasigen Messverfahren nach Fig. 1 nicht möglich, da in der Feh
lerortgleichung nur eine Kabellänge ausgewiesen ist. Unterscheiden sich die drei
Kabellängen, was in der Praxis aufgrund unterschiedlicher Kabelkurven immer
gegeben ist, so kann eine Kabelortung nicht genauer werden, als die Kabellän
gen differieren. Besteht z. B. ein Längenunterschied von 30 m, so ist beim Verfah
ren nach Fig. 1 von vornherein ein Ortungsfehler dieser Größenordnung gege
ben. Messtechnisch gesehen wird das Drehstrom-3fach-Kabelsystem, da nach
einander jeweils 2 Phasen gemessen werden, in zwei 2fach-Kabelsysteme auf
geteilt, wobei die jeweils nicht angeschaltete Phase als Abschlusswiderstand des
jeweiligen 2fach-Kabelsystems dient.
Das 3fach-Kabelsystem wirkt wie ein Drehstromtransformator, wobei die strom
durchflossenen Phasen die Primärwicklungen und die Sensoradern LS1, LS2 und
LS3 die Sekundärwicklungen bilden, die am Kabelende in Sternschaltung ver
knüpft sind. Am Kabelanfang treiben die drei Sensorphasen aufgrund der indu
zierten Wechselspannung Strom in jeweils zwei angeschlossene Widerstände.
Wie beim 2fach-Kabelsystem, bilden die Widerstände RI1 und RI2 mit CI2 bzw. RI3
und RI2 mit CI3 in Richtung Gleichstromgenerator einen Wechselspannungsteiler,
wobei in umgekehrter Richtung für die Gleichstromspeisung der Sensorschleife
die Spannungsabfälle an den Widerständen RI1, RI2 und RI3 aufgrund der Kon
stantstromspeisung ohne Bedeutung für die abzugreifenden Messspannungen
U1, U2 und U3 sind. Für die optimale Auslegung der Widerstände RI1, RI2 und RI3,
auf eine möglichst kleine Verlustleistung bezogen, gelten die gleichen Bedingun
gen wie bereits beim 2fach-Kabelsystem beschrieben. Die Wechselstromfilter
RS1, CS1 und RS2, CS2 zum Abgreifen der Messspannungen U1 und U2 bzw. RS3, CS3
und RS2, CS2 zum Abgreifen der Messspannungen U3 und U2 sind, wie beim 2fach-
Kabelsystem beschrieben, hochohmig ausgelegt, so dass nur zu vernachlässi
gende Wechselstromleistungen auftreten. Da es sich um ein Drehstromsystem
handelt, wird außer den genannten Wechselspannungsteilern für die beiden ver
knüpften Zweifach-Kabelsysteme noch ein dritter Teiler, bestehend aus RI1 und
RI3 mit CI2, benötigt, um auch die Wechselspannung zwischen den Phasen LS1
und LS3 und somit zwischen den Stromeinspeisepunkten I1 und I3 auf einen un
gefährlichen Wert zu teilen. Die Sensorphasen LS1, LS2 und LS3 sind über die
Widerstände RI1, RI2 und RI3 elektrisch gesehen in Sternschaltung verknüpft (wie
das Kabelende), da die Kondensatoren CI1, CI2 und CI3 für die Wechselspannung
einen Kurzschluss darstellen und die Widerstände RI1, RI2 und RI3 somit für die
Wechselspannung zu einem Punkt verknüpft sind. Da bei Drehstromsystemen
sich die Spannung im Sternpunkt auf Grund der Phasenlage zu Null addiert, sieht
der speisende Gleichspannungs-Konstantstromgenerator parallel zu den Kon
densatoren CI1 bis CI3 nur eine vernachlässigbare Rest-Wechselspannung.
Alle Schaltungsvarianten weisen gemäß Fig. 5, 6 und 7 Transienten-Schutzbe
schaltungen auf, die zum Schutz des nachgeschalteten Messsystems angeord
net sind. Die zuvor beschriebenen Wechselspannungsteiler sind für die auftre
tenden Nennwechselspannungen des Hochspannungs-Kabelsystems ausgelegt.
Treten Überspannungsstörungen durch Blitzschlag oder Kurzschluss-Ströme im
Kabelsystem auf, so werden die auftretenden Spannungsspitzen über Transien
ten-Ableiter zwischen den Phasen oder gegen Erde kurzgeschlossen. Transien
ten-Ableiter zünden bei einer vorgegebenen Spannung und werden niederohmig.
In Verbindung mit den Vorwiderständen RI1 bis RI3 und RS1 bis RS3 ergeben sich so
extreme Spannungsteiler zum Schutz der nachgeschalteten Elektronik.
Zum Schutz der Sensoradern und der Kabelsysteme selbst sind weitere Schutz
massnahmen erforderlich, die die hohen Leistungen, die im Sensordraht auftre
ten können, unschädlich schalten. Diese Kabelschutzmassnahmen sind nicht
beschrieben, müssen jedoch so ausgeführt sein, dass das Messsystem dadurch
nicht beeinträchtigt wird, d. h. die Sensoradern LS1, LS2 und LS3 müssen im Normal
betrieb hochohmig gegen Erde sein und bei Störungen, also Überschreiten einer
zulässigen Spannung auf den Sensoradern, niederohmig gegen Erde geschaltet
werden, so dass der Sensordraht auf gleichem Potential mit dem Kabelmantel
liegt.
Das steuernde und auswertende Mantelfehler-Messgerät kann in der Praxis nicht
direkt, sondern nur über Zuleitungskabel an den Anfang des zu messenden
Kabelsystems angeschlossen werden. Da Zuleitungen zwischen einem Mess
system und dem Kabelanfang ähnliche Querschnitte wie die Kabelsensoren auf
weisen, würde dies praktisch einer Sensordrahtverlängerung gleichkommen und
einen entsprechenden Messfehler in dieser Größenordnung bewirken. Beim
Messverfahren nach dem Prinzip Fig. 3 und 4 in der Schaltungsauslegung nach
Fig. 5, 6 und 7 wird die Messstromspeisung I1, I2 und I3 so ausgeführt, dass auf
den Zuleitungswiderständen zum Kabelanfang zwar Spannungen abfallen, dies
jedoch belanglos ist, da aufgrund der Konstantstromspeisung die Ströme sich
nicht ändern und somit auch die Messspannungen U1, U2 und U3 davon nicht be
einflusst werden.
Solange eine Konstantstromspeisung gewährleistet ist, können die Messstrom
zuleitungen somit eine beliebige Länge aufweisen. Dies ist ein wesentlicher Vor
teil des Messverfahrens, da der Anwender ansonsten die Widerstände erfassen
und ins System einprogrammieren müsste, um damit eine Korrekturrechnung
auszuführen, die wiederum nicht genau sein könnte, da die Temperaturabhän
gigkeit der gesamten Zuleitung nicht präzise erfassbar ist. Die Messspannungs
übertragung U1, U2 und U3 wird bei den angegebenen Verfahren nach Fig. 5, 6
und 7 über separate stromlose Fühlleitungen S1, S2 und S3 ausgeführt, die direkt
an den Sensordrähten LS1, LS2 und LS3 am Kabelanfang angeschlossen sind.
Stromlose Leitungen, bezogen auf die Messgleichspannung, weisen trotz einge
fügter Widerstände und Tiefpassfilter keine Gleichspannungsabfälle, sondern nur
Wechselspannungsabfälle aufgrund der Tiefpassfilter auf. Hochohmige Messver
stärker des Messsystems garantieren eine stromfreie Messspannungsübertra
gung. Durch diese Maßnahme sind auch die Messleitungslängen S1, S2 und S3
ohne Berücksichtigung in der Berechnungsgleichung beliebig ausführbar.
Der Kabel-Kanalmultiplexer ist Bestandteil des Messsystems und schaltet jeweils
programmgesteuert ein Kabelsystem auf das Messgerät auf. Der Kabelkanal-
Multiplexer ist gemäß Fig. 8 in Gruppen mit jeweils 4 Phasen ausgeführt. Die 4
Messstromphasen I1, I2, I3 und I4 können entweder mit I1, I2 und I3, I4 auf zwei un
abhängige 2fach-Kabelsysteme oder mit I1, I2, I3 auf ein 3fach-Kabelsystem ge
schaltet werden, wobei die Phase I4 mit der Phase I2 gebrückt wird, so dass eine
Verknüpfung von zwei 2fach-Messsystemen zu einem 3fach-Drehstromsystem
erfolgt, bei dem nacheinander zunächst im ersten Schritt die Phasen I1 und I2 mit
Kanalrelais 1 und im zweiten Schritt die Phasen I3 und I2 mit Kanalrelais 2 aufge
schaltet werden. Der vierpoligen Messstrom-Zuleitungsausführung I1 bis I4 einer
Gruppe sind ebenfalls vier Messspannungsphasen S1 bis S4 zugeordnet, deren
Schaltung ebenso auf zwei 2fach- oder ein 3fach-Kabelsystem erfolgt. Beim
Drehstrom-3fach-Kabelsystem werden zur Verknüpfung ebenfalls entsprechend
die Phasen S2 und S4 gebrückt, so dass im ersten Schritt S1 und S2 mit Kanalre
lais 1 und im zweiten Schritt S3 und S2 mit Kanalrelais 2 aufgeschaltet werden.
Weitere Relaisgruppen mit jeweils zwei Kanalrelais können auf den vierpoligen
Bus des Messsystems geschaltet werden. Wird der Multiplexer gemäß Fig. 8 z. B.
für 10 Messkanäle ausgelegt, so können 10 zweipolige Kabelsysteme oder
alternativ 5 dreipolige Kabelsysteme bzw. eine Mischung aus zwei- und dreipoli
gen Systemen aufgeschaltet werden. Der Messbus führt 2 Leitungen BI1/3 und BI2/4
zur Speisung des Messkonstantstromes und 2 Messspannungs-Fühlleitungen
BS1/3 und BS2/4 zur Übertragung der Messspannungen zum Messverstärker.
Die prinzipielle Zusammenschaltung des Kanalmultiplexers mit den weiteren
Komponenten des Messsystems zeigt Fig. 9.
Das Mantelfehlerortungssystem soll es ermöglichen, Undichtigkeiten im Kabel
mantel auch bei Leitungslängen mit einigen Kilometern möglichst genau im
Meterbereich auszumessen. Dies erfordert Auflösungen der Messsignale im µV-
Bereich. Hier stellt sich das Problem, dass Zuleitungen und Sensorleitungen an
Klemmen und sonstigen Verbindungsstellen Thermospannungen aufweisen, die
bereits im mV-Bereich liegen, oder dass am Kabelmantel-Erdfehlerwiderstand RE
durch Wassereinwirkung galvanische Spannungselemente entstehen. Ohne be
sondere Maßnahme führen Thermospannungen bei jedem Messsystem zu einem
Messfehler und galvanische Spannungselemente am Erdübergangs-Widerstand
RE je nach Größe ggf. zur völligen Fehlmessung. Betrachtet man beispielhaft in
Fig. 6 die Messspannung U1, so fällt diese über der Länge 1 aufgrund der Kon
stantstromrichtung als positive Spannung an, wobei die angenommene Element
spannung an der Fehlerstelle sich gegenüber Erde dazuaddiert. Die Spannung
U1 wird somit durch die Elementspannung größer. Betrachtet man jetzt die Mess
spannung U2, so fällt diese über der Länge 2 aufgrund der entgegengesetzten
Konstantstromrichtung (von U2 aus gesehen) als negative Spannung an, so dass die positive Element
spannung subtrahiert werden muss. Die Spannung U2 wird somit durch die Ele
mentspannung kleiner. Da die Messspannung U1 größer und die Messspannung
U2 kleiner gemessen wird, entspricht das Spannungsverhältnis U1 : U2 nicht mehr
dem Längenverhältnis Länge 1 : Länge 2. Aufgrund der unbekannten Element
spannungen am Erdfehler kommt es somit ohne besondere Schaltungsmaß
nahme zu einem Messfehler. Dieser Messfehler wird beim beschriebenen Mess
verfahren gemäß Fig. 9 aufgrund der eingefügten Messspannungs-Umpolung 3
dadurch behoben, dass jede Messung sowohl mit einer positiven Quellspannung
als auch mit einer negativen Quellspannung ausgeführt wird. Dies führt zu einer
Umpolung der Konstantstromrichtung in der Sensorschleife und damit zu einer
Polaritätsänderung von U1 und U2 gegenüber dem Erdpotential. Da die Polarität
der Elementspannungen am Erdübergangswiderstand RE durch die metallischen
Elemente gegeben ist und sich somit nicht umkehrt, wird diesmal bei umgekehr
ter Polarität von U1 und U2, U1 kleiner und U2 größer. Dies führt ebenfalls zu einer
fehlerhaften Messung, wobei jedoch der Erdfehler gegenüber der ersten
Messung und dem wirklichen Fehlerort in entgegensetzter Richtung fehlerhaft ist.
Eine Mittelung des positiv und negativ falschen Messergebnisses führt zur Kom
pensation der Elementspannung und somit zum korrekten Fehlerort. Durch
Zweifach-Messung mit umgepolter Schleifenstromrichtung des Konstantstromge
nerators werden somit auf gleiche Art auch Thermospannungsfehler beseitigt.
Eine sofortige Mittelung der Messspannungen nach der
Ergebnisse eingesetzt in die Fehlerort-Verhältnisrechnung
ergibt direkt eine richtige Fehlerortangabe.
ist ein Drehstrom 3-fach-Kabelsystem zu messen, so wird im 2. Messschritt
durch den Multiplexer Fig. 8 Sensorphase L3 und L2 aufgeschaltet.
In den vorstehenden Fehlerortungsgleichungen wird der Messwert U1 Mittel durch
U3 Mittel ersetzt.
Aus prinzipiellen Gründen einer selbstständigen Messung der Sensorschleife
LS3 → LS2, werden auch die Messwerte der Referenzphase LS2 nochmals erfasst
und eine eventuelle Fehlerortangabe sowohl vom Kabelanfang LS3 als auch vom
Kabelanfang LS2 berechnet.
Beim Drehstrom-3fach-Kabelsystem sind die Phasenlängen nicht zwangsläufig
gleich lang, sondern in der Regel aufgrund unterschiedlicher Verlegeradien verschie
den lang.
Für eine evtl. Fehlerortberechnung müssen die Phasenlängen der 3 Kabel im Mess
system gespeichert sein, da die Kabellängen in die jeweilige Fehlerortgleichung ein
gesetzt werden. Je präziser die Kabellängen vorliegen, um so genauer wird die Feh
lerortung. Beim vorliegenden Messverfahren ist es möglich, mit nur einer Referenz
phasenlänge, dessen Länge mechanisch genau ausgemessen werden muss, die
Länge der beiden anderen Phasen elektrisch mit dem Messsystem zu ermitteln. Als
Referenzphase wird vorzugsweise die mittlere Phasenlänge 2 genommen, da diese
im Radienverlauf eine mittlere Länge zwischen dem kürzeren Innenradius und dem
längeren Aussenradius der 3 parallel verlaufenden Phasen darstellt. Die Ermittlung
der gesuchten Phasenlänge erfolgt nach der Beziehung
Die elektrische Ermittlung der beiden fehlenden Phasenlängen hat folgende Vorteile:
- a) Weniger Aufwand als die manuelle mechanische Längenmessung.
- b) Es gehen nicht 3 unbekannte Längenfehler, sondern nur 1 mechanischer Län genfehler der Referenz-Sensorphase ein, dessen prozentualer Fehler für alle Phasen gleich ist und somit eine höhere absolute Messgenauigkeit erreicht wird.
- c) Die Kontrolllängenmessung der 3 Phasen durch das Messsystem ist erheblich besser reproduzierbar, da die kontrollierten Längen sonst von den mechanisch ermittelten einprogrammierten Längen immer um die unbekannten Messfehler abweichen würden.
Um die Längenmessung der unbekannten Kabellängen unabhängig von gegebenen
Isolationswiderständen der Sensordrähte ausführen zu können, ist es erforderlich,
den jeweiligen gemäß Fig. 8 freigeschalteten Anfang der 3. Sensorplatte direkt nie
derohmig zu erden, da es ansonsten bei geringen Isolationswiderständen, die gleich
mäßig über die Sensorlängen verteilt sind, zu Abweichungen der korrekten Kabellän
ge kommt, da die Sensordrahtwiderstände durch die parallel geschalteten Isolations
widerstände verfälscht werden. Es gilt hier die bereits genannte Voraussetzung, dass
der Erdwiderstand am Kabelende um den Prozentsatz der gewünschten Messge
nauigkeit kleiner sein muss, als der Isolationswiderstand der Sensordrähte.
Vorteilhaft ist bei der Erfindung u. ä., dass der Messstrom in einer Sensorphase nicht
vom Fehlerwiderstand RE beeinflussbar ist, weil wegen der potentialfreien Stromein
speisung grundsätzlich kein Messstrom über einen auftretenden Fehlerwiderstand
gegen Erde fließen kann und thermische Einflüsse keinen instabilen Zustand eines
undefinierten Erdschluss-Übergangswiderstandes während einer Messung bewirken
können. Ferner werden alle der Sensorschleife vorgeschalteten Widerstände und
Leitungslängen inkl. der Sensorwiderstände selbst aus der Ortungsgleichung elimi
niert, so daß Änderungen oder Schwankungen von deren Werten nicht zu Ver
fälschungen führen oder kompensiert werden müssen, sondern die Spannung über
der Sensorschleife konstant bleibt und damit sich nur das Verhältnis der am Anfang
und Ende der Schleife gemessenen Teilspannungen - unabhängig von allen Zulei
tungswidertänden - mit dem Fehlerort ändert.
Claims (16)
1. Mantelfehlerortungsverfahren für Kabel, bei dem in eine Sensorader eines
Kabels oder Kabelsystems ein Messstrom eingespeist wird und bei einem Kabelmantel
fehler auftretende Messsignaländerungen ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet,
- - dass eine die Sensorader einschließende Sensorschleife gebildet wird,
- - dass in die Sensorschleife ein konstanter Messstrom erdfrei eingespeist wird,
- - dass die dabei am Anfang und Ende der Sensorschleife gegenüber einem Bezugs potential (Erde) auftretenden Spannungen gemessen werden,
- - und dass durch Bildung des Verhältnisses dieser Spannungen der Fehlerort be stimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess
stromeinspeisung während einer Fehlerortung zur Messfehlerkompensation für Thermo
spannungen an Klemmstellen der Zuleitung oder Sensorleitung sowie zur Kompensation
einer Elementspannung am Erdübergangswiderstand (RE) umgepolt wird und die Beträge
der dabei auftretenden positiven und negativen Meßspannungen gemittelt werden.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass bei einem Einfach- und Zweifach-Kabelsystem zusätzliche Widerstände (RI1 und
RI2) in den Messstromleitungen (I1 und I2) in Verbindung mit einem Kondensator (CI)
einen Wechselspannungsteiler bilden, wobei der Messgleichstrom parallel zum Konden
sator (CI), an dem fast keine Wechselspannung steht, da diese an den Widerständen (RI1
und RI2) abfällt, in die Sensordrahtschleife eingespeist wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass beim Drehstrom-Dreifach-Kabelsystem zusätzliche Widerstände (RI1, RI2, RI3) in
den Messstromleitungen (I1, I2 und I3) in Verbindung mit Kondensatoren (CI1, CI2, CI3') für
den Wechselstrom eine elektrische Sternschaltung bilden, wobei die Kondensatoren (CI1
bis CI3) mit so niedriger Impedanz ausgelegt sind, dass diese für die Sensorwechsel
spannung als Kurzschlussbrücke hinter den Widerständen (RI1 bis RI3) zu sehen sind, und
wobei sich im Stempunkt die Drehstromphasenspannungen aufgrund der Phasenlage zu
Null addieren, so dass parallel zu den Kondensatoren, an denen nur noch eine unschädli
che Restwechselspannung steht, der Messgleichstrom in die gewählte Sensordrahtschleife
eingespeist werden kann.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass die Messspannungen (U) vom Sensordraht am Kabelanfang über gleichstrom
freie Fühlleitungen (S1 und S2 bzw. S3 und S2) über Filterwiderstände (RS), die in Verbin
dung mit den Kondensatoren (CS) einen Wechselspannungsteiler bilden, dem Messsystem
zugeführt werden und dass aufgrund der hohen Impedanz eines Messverstärkers die
Fühlleitungen (S1 bis S3) eine beliebige Leitungslänge haben können.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass bei einem Drehstrom-Dreifach-Kabelsystem simultan jeweils zwei Sensorphasen
gemessen werden, während die dritte Sensorphase am Kabelanfang freigeschaltet und am
Kabelende mit den anderen Phasen verbunden einen Abschlusswiderstand (RA) bildet, so
dass auch bei fehlerfreien Kabelmänteln des Systems alle Phasen ohne künstlichen Ab
schlusswiderstand auf ihre Kabellänge hin kontrollierbar sind.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass die Kabellängen ungleich lang sind, insbesondere auch bei Dreiphasen-Dreifach-
Kabelsystemen die Kabellängen ohne Einschränkung der Messgenauigkeit beliebig lang
sind.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
eine infolge der Konstantstromspeisung absolute Kurzschlussfestigkeit des Messsystems
und durch eine konstante Verlustleistung aller Widerstände im Messkreis unabhängig von
einem evtl. Sensorkurzschluss oder Erdschluss an beliebiger Stelle.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass jeweils zwei gemessene Spannungen erfasst werden, deren Verhältnis direkt
dem Verhältnis der Kabellängen bis zum Fehlerort entspricht.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
eine solche Parameterauslegung, dass mit dem erfassten Messspannungspaar (U1, U2 und
U3, U2) aufgrund der Konstantstromspeisung ohne Zusatzmessung unmittelbar der Schlei
fenwiderstand zur Funktionskontrolle des Sensordrahtes vorliegt.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass beim Einfach-Kabelsystem, sowohl bei Mehrphasen- als auch beim Koaxialkabel
im geschirmten Mantelbereich, sowohl ein feuchtigkeitssensibler Sensordraht als auch ein
isolierter Rückleiter eingebettet ist, die am Kabelende zusammengeschaltet eine Mess
schleife ergeben.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass bei vielpoligen Kabeln (z. B. Telefonkabel) ohne Sensordraht im Kabelmantel mit
einem Adernpaar im Inneren, wovon vorzugsweise eine Ader als Sensordraht perforiert ist,
überwacht werden können.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
einen Multiplexer (Fig. 8) zur gemischten Aufschaltung und Messung von sowohl Einfach-,
Zweifach- als auch Dreifach-Kabelsystemen unter Anwendung einer Fehlerortgleichung.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass bei einem Drehstrom-Dreifach-Kabelsystem mit nur einer bekannten Referenz-
Phasenlänge die genauen Kabellängen der beiden anderen Phasen mit dem Messsystem
selbst ermittelt werden, indem mit der bekannten Referenzphase jeweils mit einer weiteren
unbekannten Phasenlänge eine Schleifenmessung ausgeführt wird, während über die dritte
Phase ein Erdschluss auf das Kabelende geschaltet wird.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch
- - eine potentialfreie und ggf. stromrichtungsumschaltbare Konstantstromquelle (Iconst) zur erdfreien Einspeisung eines konstanten Messstroms in eine unter Einschluss einer im Kabel enthaltenen Sensorader gebildeten Sensorschleife,
- - an den Anfang und das Ende der Sensorschleife angeschlossene Spannungsmes ser zur Messung der dort aufgrund des Messstroms auftretenden Messspannungen (U1, U2 bzw. U3, U2),
- - und durch einen Quotientenbildner, dem diese Messspannungen zugeführt werden zur Lieferung eines Ausgangswertes als Mass für die Entfernung der Fehlerstelle von der Messstromeinspeisungsstelle.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Filterschaltungen (RI,
CI bzw. RS, CS), zur Unterdrückung von Wechselspannungen bei der Messstromeinspei
sung bzw. bei der Messspannungsabnahme.
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