DE10034363A1 - Partial discharge sensor for high voltage unit has broadband loop antenna to sense longitudinal fields - Google Patents

Abstract

A partial discharge sensor has a dielectric embedded loop antenna (15) mounted on a support (12) with inner (16) and outer (17) conductors joined at one end to each other and at the other to an instrument with a slit (17a) to measure longitudinal magnetic field strength.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Teilentladungsmessung in einer metallgekap­ selten Hochspannungsanlage mit einem durch die Kapselung gebildeten Außen- und einem Innenleiter.The invention relates to a device for partial discharge measurement in a metal cap Rarely high-voltage system with an external and encapsulated an inner conductor.

Teilentladungen sind elektrische Entladungen, die teilweise die Isolation zwischen spannungsführenden Leitern überbrücken und meßtechnisch durch Größen wie z. B. Amplitude, Wiederholrate, Ladung oder Frequenz quantifiziert werden. Diese Teilentla­ dungen sind der Betriebsspannung überlagert und können im Zeitbereich oder Fre­ quenzbereich analysiert werden. Es ist bekannt, die Teilentladungen mit Hilfe eines An­ koppelvierpols nach IEC 60 270 zu detektieren. Dabei ist zu beachten, daß wegen des großen Bauvolumens der Transport ein gewisses Problem darstellt; sogenannte On- Line Messungen sind mit hohen Kosten verbunden. Darüber hinaus ist der Meßaufbau auch nicht breitbandig und eine lokale Aussage über die Stelle der Teilentladung inner­ halb der Anlage ist nicht möglich. Wenn die Prüflingskapazität groß ist, beispielsweise bei ausgedehnten gasisolierten Schaltanlagen, dann ist der Meßfehler groß. Partial discharges are electrical discharges that partially isolate between bridge live conductors and metrologically by sizes such. B. Amplitude, repetition rate, charge or frequency can be quantified. This partial discharge are superimposed on the operating voltage and can be in the time domain or fre frequency range can be analyzed. It is known that the partial discharges with the help of an Coupling four-pole to detect according to IEC 60 270. It should be noted that because of the large construction volume, transport is a certain problem; so-called on- Line measurements are associated with high costs. In addition, the measurement setup also not broadband and a local statement about the location of the partial discharge inside half of the facility is not possible. If the test specimen capacity is large, for example in the case of extensive gas-insulated switchgear, the measurement error is large.  

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist bekannt, in einer gasisolierten Schaltanlage eine kapazitive Teilentladungsmessung bzw. bei Mittelspannungsleitungen auch eine induk­ tive Teilentladungsmessung mit Hochfrequenzstromwandlern durchzuführen.To avoid these disadvantages, it is known to use a gas-insulated switchgear capacitive partial discharge measurement or, in the case of medium-voltage lines, also an induct Partial discharge measurement with high-frequency current transformers.

Insbesondere mit den Scheibensensoren, die in die GIS-Anlagen eingebaut werden können, können nur die transversalen Komponenten der Teilentladungen, nicht jedoch die longitudinalen Komponenten, die in GIS-Anlagen die maßgeblichen Indikatoren für das Auftreten von Teilentladungen sind, bestimmt werden.Especially with the disc sensors that are installed in the GIS systems only the transverse components of the partial discharges, but not the longitudinal components that are the key indicators for the occurrence of partial discharges are determined.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bzw. einen Sensor der eingangs ge­ nannten Art anzugeben, mit den Teilentladungen mit transversalen und longitudinalen Komponenten detektiert werden können.The object of the invention is a device or a sensor of the ge specified type, with the partial discharges with transverse and longitudinal Components can be detected.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Danach ist eine Antenne vorgesehen, die halbschleifenartig geformt ist und einen Au­ ßenschleifenleiter und einen Innenschleifenleiter aufweist, die an einem Ende miteinan­ der und am anderen Ende mit einem Meßgerät verbunden sind. Damit kompensierende Gegenfelder eliminiert werden können, wird etwa in der Mitte zwischen den Enden der Außenschleifenleiter aufgetrennt.Then an antenna is provided, which is shaped like a half-loop and an Au Has outer loop conductor and an inner loop conductor, which at one end with each other the and at the other end are connected to a measuring device. So compensating Opposing fields can be eliminated approximately halfway between the ends of the Open loop conductor.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Antenne in ein Dielektrikum eingebettet.According to a further advantageous embodiment of the invention, the antenna is in one Dielectric embedded.

Die Antennenfläche wird dabei senkrecht zum Verlauf der magnetischen Feldlinien ausgerichtet, so daß mit einem Sensor die transversalen und mit einem weiteren Sen­ sor die longitudinalen Feldlinien detektiert werden können.The antenna area becomes perpendicular to the course of the magnetic field lines aligned so that with one sensor the transverse and with another Sen sor the longitudinal field lines can be detected.

Die Antenne ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung an einem ersten Antennenträger befestigt, der an einem, an der Innenfläche des Außenleiters der Hoch­ spannungsanlage angebrachten zweiten Antennenträger angebracht ist.According to a further embodiment of the invention, the antenna is on a first Antenna bracket attached to one, on the inner surface of the outer conductor of the high voltage system attached second antenna carrier is attached.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dar­ gestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung näher erläutert werden.Based on the drawing, in which an embodiment of the invention is shown schematically the invention and other advantageous refinements of the invention be explained in more detail.

Es zeigenShow it

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sensors, Fig. 1 is a schematic side view of a sensor according to the invention,

Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf den Sensor gemäß Fig. 1, Fig. 2 is a schematic plan view of the sensor of FIG. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Sensors gemäß den Fig. 1 und 2, Fig. 3 is a sectional view of the sensor shown in FIGS. 1 and 2,

Fig. 4 eine Schnittansicht durch den Außenleiter einer Schaltanlage, Fig. 4 is a sectional view through the outer conductor of a switchgear assembly,

Fig. 5 eine Schnittansicht gemäß Pfeilrichtung IV der Fig. 4, Fig. 5 is a sectional view according to the arrow IV of FIG. 4,

Fig. 6 eine Längsschnittansicht eines Außenleiters einer Hochspannungsan­ lage, Fig. 6 is a longitudinal sectional view of an outer conductor of a Hochspannungsan location,

Fig. 7 eine Ansicht auf den Sensor gemäß Pfeilrichtung VII der Fig. 6, Fig. 7 is a view of the sensor according to the direction of arrow VII of Fig. 6,

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Antenne gemäß Fig. 1, Fig. 8 is a schematic view of the antenna shown in FIG. 1,

Fig. 9 das Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 8, Fig. 9 shows the equivalent circuit diagram of the arrangement according to FIG. 8,

Fig. 10 und 11 je eine grafische Darstellung der Meßspannung (in Volt) über der Fre­ quenz und 10 and 11 are each a graph of the measured voltage (in volts) and frequency. Above the Fre

Fig. 12 ein Blockschaltbild der Anordnung gemäß den Fig. 1 bis 11. Fig. 12 is a block diagram showing the arrangement according to FIGS. 1 to 11.

Der Sensor gemäß Fig. 1 umfaßt einen ersten Antennenträger 10, der unter Zwischen­ fügung einer Dichtung 11 an einem zweiten Antennenträger 12 mittels Schrauben 13, die nur schematisch dargestellt sind, befestigt ist. Am ersten Antennenträger 10 ist ein halbkugelförmiger oder halbkreisförmiger Körper 14 aus dielektrischem Material befe­ stigt, in das eine schematisch dargestellte Antenne 15 mit einem Innenleiter 16 und ei­ nem Außenleiter 17 eingebettet ist. Der Innenleiter 16 und der Außenleiter 17 sind hier einfach durch Linien dargestellt. Der Mantel des Außenleiters 17 ist über eine Verbin­ dung 18 mit dem ersten Antennenträger 10 fest verbunden, und das Ende 19 bewirkt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Innenleiter 16 und dem mit einem Schlitz 17a versehenen Außenleiter 17. Der Schlitz 17a (auch Auftrennung genannt) dient zur Eliminierung von kompensierenden Gegenfeldern. The sensor according to FIG. 1 comprises a first antenna carrier 10 , which is attached with the interposition of a seal 11 to a second antenna carrier 12 by means of screws 13 , which are only shown schematically. On the first antenna carrier 10 , a hemispherical or semicircular body 14 made of dielectric material is attached, in which a schematically illustrated antenna 15 with an inner conductor 16 and an outer conductor 17 is embedded. The inner conductor 16 and the outer conductor 17 are shown here simply by lines. The jacket of the outer conductor 17 is connected via a connec tion 18 with the first antenna carrier 10 , and the end 19 causes an electrically conductive connection between the inner conductor 16 and the outer conductor 17 provided with a slot 17 a. The slot 17 a (also called separation) is used to eliminate compensating opposing fields.

Die Antenne 15 ist, wie ersichtlich ist, halbkreisförmig gebogen mit einem Kreisradius r. Das andere Ende der Antenne 15 greift durch eine Öffnung 20 im ersten Antennenträ­ ger 10 hindurch; das freie Ende der Antenne 15, welches in den zweiten Antennenträ­ ger 12 hineingreift, ist gemäß Pfeilrichtung P mit einer Meßelektronik oder Meßbuchse verbunden.As can be seen, the antenna 15 is bent in a semicircle with a circular radius r. The other end of the antenna 15 engages through an opening 20 in the first antenna carrier 10 ; the free end of the antenna 15 , which engages in the second Antennenträ ger 12 , is connected according to the direction of arrow P with a measuring electronics or measuring socket.

Der Sensor S gemäß Fig. 1 ist mittels des zweiten Antennenträgers 12 in einer Öff­ nung 21 im Außenleiter 22 einer Hochspannungsanlage 23 eingesetzt, wobei der Sen­ sor ins Innere des Außenleiters 22 hineinragt.The sensor S in FIG. 1 is voltage by the second antenna carrier 12 in a Öff 21 in the outer conductor 22 of a high-voltage system used 23, wherein the sen sor protrudes into the interior of the outer conductor 22.

Die Antenne 15 spannt eine Ebene auf, die bei der Darstellung gemäß Fig. 1 und Fig. 4 in der Zeichenebene liegt. Diese Ebene besitzt in Fig. 4, 5 die Bezugsziffer 24. Man er­ kennt bei der Ausführung gemäß Fig. 4, daß die Ebene 24 senkrecht zur Längsachse des Außenleiters 22 verläuft.The antenna 15 spans a plane which in the representation according to FIG. 1 and FIG. 4 is located in the plane of the drawing. This plane has the reference number 24 in FIGS . 4, 5. One he knows in the embodiment of Fig. 4, that the plane 24 is perpendicular to the longitudinal axis of the outer conductor 22.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 6 und 7 ist ein dem Sensor S der Fig. 1 bis 3 entspre­ chender Sensor 40 in eine Ausnehmung 41 des Außenleiters 22 eingesetzt; aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Ebene 24 der Antenne 15 des Sensors 40 parallel zur Mittelach­ se M-M des Außenleiters verläuft. Dadurch durchdringen die tangentialen Magnetfeldli­ nien 42 die Ebene 24 und damit den Sensor 40, wodurch mit der Ausführung bzw. An­ ordnung gemäß Fig. 4 und 5 das longitudinale Magnetfeld und mit der Ausführung ge­ mäß Fig. 6 und 7 das tangentiale Magnetfeld detektiert werden kann. . In the embodiment of Figures 6 and 7, the Figure is a sensor S used 1 to 3 entspre chender sensor 40 in a recess 41 of the outer conductor 22. of FIG. 7 it can be seen that the plane of the antenna of the sensor 24 extends parallel to the center 15 40 Lach se MM of the external conductor. As a result, the tangential magnetic field lines 42 penetrate the plane 24 and thus the sensor 40 , so that with the embodiment or arrangement according to FIGS. 4 and 5 the longitudinal magnetic field and with the embodiment according to FIGS . 6 and 7 the tangential magnetic field can be detected ,

Die Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Antenne 15 mit dem Radius r, so daß eine Ebene A gebildet ist, die der Ebene 24 der Fig. 5 bzw. 7 entspricht, die von einer Magnetfeldlinie durchdrungen ist. Die Enden der Antenne 15 sind über einen Meßwiderstand R miteinander verbunden. Die Fig. 9 zeigt das Ersatzschaltbild: die zeit­ liche Änderung der magnetischen Flußdichte in der Fläche A induziert eine Span­ nung, die einen Strom I erzeugt. Der Strom I fließt durch die Serienschaltung aus der Schleifeninduktivität L der Antenne 15 und dem Meßwiderstand R, an dem eine Meß­ spannung U abgegriffen wird. FIG. 8 shows a schematic illustration of the antenna 15 with the radius r, so that a plane A is formed which corresponds to the plane 24 of FIGS. 5 and 7, which is penetrated by a magnetic field line. The ends of the antenna 15 are connected to one another via a measuring resistor R. Fig. 9 shows the equivalent circuit: the temporal change in the magnetic flux density in the area A induces a voltage that generates a current I. The current I flows through the series circuit from the loop inductance L of the antenna 15 and the measuring resistor R, at which a measuring voltage U is tapped.

Dieses Ersatzschaltbild läßt sich anhand der Gleichung
This equivalent circuit diagram can be calculated using the equation

beschreiben.describe.

Für den Fall einer harmonischen Anregung wird daraus die Spannung
In the case of a harmonic excitation, the tension becomes

Die Anordnung hat dabei zwei Meßbereiche, und zwar einen differenzierenden Bereich 50 und einen integrierenden Bereich 51 (siehe Fig. 10); in der die Meßspannung U über dem Logarithmus der Frequenz aufgetragen ist.The arrangement has two measuring areas, namely a differentiating area 50 and an integrating area 51 (see FIG. 10); in which the measuring voltage U is plotted against the logarithm of the frequency.

Der lineare Bereich der Messung im differenzierenden Bereich lautet.
The linear range of the measurement in the differentiating range is.

was bedeutet, daß der Widerstand R groß ist gegenüber dem Produkt von Drehfre­ quenz ω. der Induktivität L.which means that the resistance R is large compared to the product of Drehfre frequency ω. the inductance L.

Im konstanten Bereich der Messung, also im Bereich 51, ergibt sich
In the constant area of the measurement, ie in area 51 , the result is

Die Übergangsfrequenz lautet:
The crossover frequency is:

Die Dimensionierung des Sensors erfolgt nach folgenden Gleichungen:The sensor is dimensioned according to the following equations:

Induktivität der Halbschleife Half loop inductance

r = Antennenradius
µ₀ = die Elektrizitätskonstante. r = antenna radius
µ ₀ = the electricity constant.

Der Kabeldurchmesser, also die wirksame Fläche einer Halbschleife ist mit
The cable diameter, i.e. the effective area of a half loop, is included

zu berechnen, und die sich hieraus ergebende Meßspannung errechnet sich aus:
to calculate, and the resulting measurement voltage is calculated from:

Benutzt man beispielsweise ein halbsteifes Kabel mit einem Schleifendurchmesser von 2r = 5 mm, einem Kabeldurchmesser 2a = 1,2 mm, einen Meßwiderstand R = 50 Ohm und eine anliegende magnetische Flußdichte B = 1 µT dann erhält man als Meßspan­ nung in Abhängigkeit von der Frequenz in Gigahertz die in Fig. 11 dargestellte Kurve 60.For example, if you use a semi-rigid cable with a loop diameter of 2r = 5 mm, a cable diameter 2 a = 1.2 mm, a measuring resistor R = 50 Ohm and an applied magnetic flux density B = 1 µT, you get the measuring voltage depending on the Frequency in gigahertz, curve 60 shown in FIG. 11.

Das Meßsignal, daß die Spannung U darstellt, kann in einem Monitoringsystem regi­ striert werden, siehe Fig. 12.The measurement signal, which represents the voltage U, can be registered in a monitoring system, see FIG. 12.

Die zu detektierenden Teilentladungen besitzen Frequenzanteile weit über ein Giga­ hertz, was einen hochfrequenztechnischen Aufbau der Meßelektronik erfordert. Hierbei wäre ein Hochfrequenzanalysator erforderlich, der die Signale in einem bestimmten Frequenzfenster mißt.The partial discharges to be detected have frequency components well over a gig hertz, which requires a high-frequency technical structure of the measuring electronics. in this connection a high frequency analyzer would be required to measure the signals in a particular Frequency window measures.

Eingangsseitig gelangt das von der Antenne 15 detektierte Meßsignal 61 an eine erste Stufe 62, die eine Folge-Schaltung aus Überspannungsschutz, Filterung und Anpas­ sung enthält. Über einen Verstärker 63 wird das Signal einem Hüllkurvendetektor und Integrator 64 zugeführt, indem die Hüllkurve detektiert und integriert wird. Dessen Aus­ gangssignal wird einer Verarbeitungsschaltung 65 zugeführt, deren Ausgangssignal über einen Kommunikationsknoten 66 auf einen Bus 67 aufgeschaltet wird, der das Si­ gnal einer Zentrale oder einem Leittechniksystem zuführt.On the input side, the measurement signal 61 detected by the antenna 15 arrives at a first stage 62 , which contains a sequence circuit comprising overvoltage protection, filtering and adaptation. The signal is fed to an envelope detector and integrator 64 via an amplifier 63 in that the envelope curve is detected and integrated. Whose output signal is fed to a processing circuit 65 , the output signal of which is applied via a communication node 66 to a bus 67 which supplies the signal to a control center or a control system.

Claims (4)

1. Vorrichtung (Sensor) zur Teilentladungsmessung in einer metallgekapselten Hochspannungsanlage, mit einem durch die Kapselung gebildeten Außen- und einem Innenleiter, gekennzeichnet durch eine halbschleifenartig geformte Antenne (15) mit einem Außenschleifenleiter (17) und einem Innenschleifenleiter (16), die an einem Ende miteinander und am anderen Ende mit einem Meßgerät verbunden sind, und durch eine Auftrennung (17a) des Außenschleifenleiters (17) etwa in der Mitte zwischen den En­ den.1.Device (sensor) for partial discharge measurement in a metal-encapsulated high-voltage system, with an outer and an inner conductor formed by the encapsulation, characterized by a half-loop-shaped antenna ( 15 ) with an outer loop conductor ( 17 ) and an inner loop conductor ( 16 ) connected to one End connected to each other and at the other end to a measuring device, and by a separation ( 17 a) of the outer loop conductor ( 17 ) approximately in the middle between the ends. 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (15) in ein Dielektrikum eingebettet ist.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the antenna ( 15 ) is embedded in a dielectric. 3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Antenne (15) aufgespannte Ebene (24) senkrecht zum Verlauf der zu messenden magnetischen Feldlinien ausgerichtet ist.3. Sensor according to claim 2, characterized in that the plane ( 24 ) spanned by the antenna ( 15 ) is oriented perpendicular to the course of the magnetic field lines to be measured. 4. Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (15) an einem ersten Antennenträger (10) befestigt ist, der an einem zweiten, an der Innenfläche des Außenleiters (22) der Hochspannungsanlage (23) angebrachten zweiten Antennenträger (12) angebracht ist.4. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna ( 15 ) is attached to a first antenna carrier ( 10 ) which is attached to a second, on the inner surface of the outer conductor ( 22 ) of the high-voltage system ( 23 ) attached second antenna carrier ( 12 ) is attached.