DE10060450A1 - Vorrichtung zur Messung von Potentialverteilungen im Erdreich - Google Patents
Vorrichtung zur Messung von Potentialverteilungen im ErdreichInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Potentialverteilungen im Erdbereich, insbesondere eine Vorrichtung zur Überwachung einer an Erdreich angelegten Abdichtung auf Dichtheit, mit mindestens einem mehradrigen Kabel (1), an dessen Adern (4) jeweils mindestens ein erdfühliger Sensor (2) zur Messung von Potentialverteilungen im Erdreich angeschlossen ist. Um eine derartige Vorrichtung gegen die Einwirkung unzulässiger Spannungen zu schützen, wird vorgeschlagen, daß die Sensoren jeweils über ein bidirektional wirksames Überspannungsschutzelement (16) mit einer dem Potentialausgleich längs des Kabels (1) dienenden Leitung verbunden sind, wobei die Überspannungsschutzelemente bei Überschreitung einer Ansprechspannung elektrisch leitend sind, so daß bei Einwirkung einer unzulässig hohen Spannung auf einen der erdfühligen Sensoren die Spannung über die Überspannungsschutzelemente (16) und die dem Potentialausgleich dienenden Leitung auf einen oder mehrere benachbarte erdfühlige Sensoren (2) abgeleitet wird, während die Überspannungsschutzelemente im normalen Meßbetrieb ohne Einwirkung einer unzulässig hohen Spannung elektrisch isolierend wirken.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von
Potentialverteilungen im Erdreich, insbesondere eine
Vorrichtung zur Überwachung einer an Erdreich angelegten
Abdichtung auf Dichtheit, mit mindestens einem mehradrigen
Kabel, an dessen Adern jeweils mindestens ein erdfühliger
Sensor angeschlossen ist.
Membranartige Abdichtungen aus polymeren Werkstoffen erfüllen
im Erd- und Tiefbau eine wichtige Funktion im Hinblick auf den
Schutz der Umwelt vor unzulässigen Schadstoffeinträgen, z. B.
aus Deponien, oder den Erhalt der Standfestigkeit von
Bauwerken, z. B. von Staudämmen. Zur Sicherstellung der
Dichtungsfunktionen werden derartige Abdichtungen zunehmend
lebensdauerbegleitend durch meßtechnische Verfahren auf
Dichtheit überwacht, so daß bei Bedarf Reparaturen
zielgerichtet und zeitnah durchgeführt werden können.
Ein bekanntes Verfahren, das in der Praxis zunehmend
angewendet wird, ist die Überwachung der Abdichtungen durch
Messung der örtlichen Potentialverteilungen oberhalb oder
unterhalb der Abdichtung. Die Überwachung ist dabei
untrennbarer Teil des Sicherheitskonzeptes des Bauwerkes. Da
ein solches Überwachungssystem ohne einen Rückbau des
überwachten Bauwerks praktisch nicht reparierbar ist, sind an
die Lebensdauer, Verfügbarkeit und Betriebssicherheit solcher
Überwachungssysteme hohe Anforderungen zu stellen. Ein
wesentlicher Aspekt ist dabei der Schutz des
Überwachungssystems vor den Einwirkungen unzulässig hoher
Spannungen und Ströme, z. B. als Folge von Blitzeinschlägen in
das Bauwerk. Hierbei ist zu beachten, daß beispielsweise in
Deutschland mit ca. 2-3 Blitzeinschlägen pro Quadratkilometer
und Jahr zu rechnen ist, so daß statistisch gesehen für eine
ca. 100000 m2 große Deponie im Laufe der geplanten Lebensdauer
von 30 Jahren 6-9 Blitzeinschläge zu erwarten sind.
Hierbei besteht das Problem, daß für die Messung der
Potentialverteilungen erdfühlige Sensoren eingesetzt werden,
die oft über mehrere hundert Meter lange Zuleitungen zu
Meßpunkten geführt werden. Für eine Deponie mit einer Fläche
von z. B. 100000 m2 werden bei einer Sensordichte von 1/25 m2
dabei bis zu 4000 Sensoren benötigt.
Kommt es zu einem Blitzeinschlag, z. B. in eine mit dem
beschriebenen Verfahren überwachte Deponie, so entsteht im
Bereich der Einschlagstelle eine sehr deutliche
Potentialanhebung, die über die im Bereich der Einschlagstelle
liegenden erdfühligen Sensoren auf die Zuleitungen
eingekoppelt werden. Als Folge davon können sich auf den
Sensorzuleitungen so hohe Längsspannungen ausbilden, daß die
Durchschlagfestigkeit der Zuleitungsisolierungen überschritten
und die Zuleitungsmäntel zerstört werden. Weiterhin kann
induktiv oder kapazitiv durch Blitze ebenfalls eine so hohe
Spannung in die Zuleitungen eingetragen werden, daß die
Zuleitung zerstört wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die
konstruktiv gegen die Einwirkung unzulässiger Spannungen
geschützt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Sensoren jeweils über ein bidirektional wirksames
Überspannungsschutzelement mit einer dem Potentialausgleich
längs des Kabels dienenden Leitung verbunden sind, wobei die
Überspannungsschutzelemente bei Überschreitung einer
Ansprechspannung elektrisch leitend sind, so daß bei
Einwirkung einer unzulässig hohen Spannung auf einen der
erdfühligen Sensoren die Spannung über die
Überspannungsschutzelemente und die dem Potentialausgleich
dienenden Leitung auf einen oder mehrere benachbarte
erdfühlige Sensoren abgeleitet wird, während die
Überspannungsschutzelemente im normalen Meßbetrieb ohne
Einwirkung einer unzulässig hohen Spannung elektrisch
isolierend wirken.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, daß die
maximal wirkende Spannung zwischen Kabel und umgebendem
Erdreich unabhängig vom Abstand zu einem geerdeten
Anschlußpunkt und dem daraus resultierenden
Stoßerdungswiderstand auf die Ansprechspannung der
Überspannungsschutzelemente begrenzt wird.
Die Überspannungsschutzelemente können dabei vorzugsweise aus
Gasüberspannungsableitern bestehen.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht darin, daß die dem Potentialausgleich
längs des Kabels dienende Leitung aus einer elektrisch
leitenden Kabelabschirmung besteht. Diese Ausgestaltung
erweist sich als besonders kostengünstig, da die bei
mehradrigen Erdkabeln übliche und dann bereits vorhandene
Kabelabschirmung für die Ableitung einer unzulässig hohen
Spannung mitgenutzt wird. Alternativ oder ergänzend kann die
Ableitung der Spannung auch über eine zusätzliche Ader des
mehradrigen Kabels erfolgen.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein
Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Abschnitt eines mehradrigen, geschirmten
Erdkabels, dessen Mantel und Kabelabschirmung
teilweise entfernt sind,
Fig. 2 den Kabelabschnitt gemäß Fig. 1, wobei eine Ader des
Kabels aus dem Adernbündel herausgeführt und mit
einem erdfühligen Sensor in Form einer Meßelektrode
elektrisch verbunden ist, und wobei die entfernte
Kabelabschirmung durch ein Käfigblech ersetzt ist,
und
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Käfigblech gemäß Fig. 2 im
abgewickelten Zustand.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens ein mehr
adriges Kabel auf, zum Beispiel ein mehradriges, geschirmtes
Erdkabel nach VDE 0816. Ein Abschnitt eines solchen Kabels ist
in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt. Das Kabel 1
ist jeweils in vorbestimmten Abständen, z. B. in Abständen von
5 m, mit Sensoren 2 in Form von Meßelektroden ausgestattet.
Das Kabel 1 wird hierzu an der Anschlußstelle auf einer Länge
von z. B. 80 mm abgemantelt und seine Abschirmung 3 auf einer
Länge von z. B. 60 mm entfernt. Danach wird mindestens eine
Ader 4 des Kabels 1 aus dem Adernbündel 5 herausgeführt und
mit dem erdfühligen Sensor 2 elektrisch verbunden. Mit 6 ist
der Kontakt zwischen der herausgeführten Ader 4 und dem Sensor
2 bezeichnet. Die entfernte Abschirmung wird durch ein
vorzugsweise aus Kupfer bestehendes Käfigblech 7 ersetzt, das
auf die beiden freien Enden 8, 9 der Abschirmung 3 elektrisch
verbindend aufgekrimpt wird, so daß die durchgehende Schirmung
des Kabels 1 praktisch erhalten bleibt.
Wie in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, besteht das Käfig
blech 7 aus zwei im wesentlichen parallel und beabstandet zu
einander verlaufenden Blechstreifen 10, 11, die an ihren Enden
durch dazu im wesentlichen senkrecht verlaufende Schenkel
abschnitte 12, 13 miteinander einstückig verbunden sind. Die
Schenkelabschnitte 12, 13 des Käfigblechs sind elektrisch
leitend um die freigelegten Enden 8, 9 der Kabelabschirmung 3
gewickelt. Durch die durch die beiden Blechstreifen 10, 11
begrenzte Ausnehmung 14 hindurch ist die Ader 4 des Kabels 1
nach außen herausgeführt. Die Blechstreifen 10, 11 sind dabei
so um das Adernbündel 5 des Kabels 1 herum angeordnet, daß das
dort durch einen Stromfluß auf die Kabelabschirmung 3 indu
zierte Feld praktisch zu Null wird. An der Außenseite ist das
Käfigblech 7 mit einer elektrisch nicht leitenden Kunststoff
beschichtung 15 versehen, die vorzugsweise aus einem oder
mehreren Schrumpfschläuchen besteht und in Fig. 2 der
Übersichtlichkeit halber nur zum Teil dargestellt ist. Die
Kunststoffbeschichtung 15 umhüllt das Käfigblech 7 bzw. den
Sensoranschluß derart, daß das Käfigblech 7 gegen das
Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet und nach außen hin
elektrisch isoliert ist.
Zur Realisierung des Blitzschutzes ist zwischen dem Sensor
anschluß und dem Käfigblech 7 ein Schutzelement 16, z. B. ein
Gasüberspannungsableiter angeordnet, durch das bei Einwirkung
unzulässig hoher Spannungen auf den im Einbauzustand erd
fühligen Sensor 2 die Spannung auf der Abschirmung 3 des
Kabels 1 abgeleitet wird.
Wird das Kabel 1 nur am Anschlußpunkt geerdet, was den
bisherigen Stand der Technik entspricht, so besteht das
Problem, daß die Ableitung der über den betroffenen Sensor auf
die Kabelabschirmung 3 einwirkenden Überspannung nur dann
sichergestellt ist, wenn der Abstand zwischen Erdungspunkt und
dem der Überspannung ausgesetzten Sensor 2 gering ist. Bereits
nach wenigen Metern ist der Stoßstromwiderstand der Abschir
mung so hoch, daß eine ausreichende Ableitung der Überspannung
nicht mehr gewährleistet ist. Das Kabel ist somit akut durch
blitzbedingte Überspannungen gefährdet.
Um eine Ableitung einwirkender Überspannungen auch bei größe
ren Entfernungen zwischen den Sensoren 2 und dem geerdeten
Anschlußpunkt sicherzustellen, ist vorgesehen, daß die in die
Sensoranschlüsse integrierten Überspannungsschutzelemente 16
sich in beiden Richtungen elektrisch ableitend verhalten. Auf
diese Weise wird zunächst die auf einen Sensor 2 einwirkende
Überspannung auf die Kabelabschirmung 3 abgeleitet. Diese
wiederum leitet die einwirkende Spannung auf die nächstge
legenen Sensoren ab, bei denen die Ansprechspannung des Über
spannungsschutzelements 16 überschritten wird, indem die
Überspannungsschutzelemente 16 in Gegenrichtung öffnen. Unab
hängig vom Abstand zum Anschlußpunkt wird so sichergestellt,
daß die entlang des Kabels 1 einwirkende Spannung stets auf
die Ansprechspannung der verwendeten Schutzelemente 16
begrenzt wird. Ist diese Spannung klein im Verhältnis zur
Spannungsfestigkeit des verwendeten Kabels 1, so ist das Kabel
1 über die gesamte Länge wirkungsvoll gegenüber Überspannungen
aus Potentialanhebungen geschützt. Der Schutz gegenüber
Überspannungen aus induktiven oder kapazitiven Einkopplungen
funktioniert gleichermaßen.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Messung von Potentialverteilungen im
Erdreich, insbesondere zur Überwachung einer an Erdreich
angelegten Abdichtung auf Dichtheit, mit mindestens einem
mehradrigen Kabel (1), an dessen Adern jeweils mindestens
ein erdfühliger Sensor (2) angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Sensoren (2) jeweils über ein bidirektional wirksames
Überspannungsschutzelement (16) mit einer dem Potential
ausgleich längs des Kabels (1) dienenden Leitung (3) ver
bunden sind, wobei die Überspannungsschutzelemente (16)
bei Überschreitung einer Ansprechspannung elektrisch
leitend sind, so daß bei Einwirkung einer unzulässig hohen
Spannung auf einen der erdfühligen Sensoren (2) die
Spannung über die Überspannungsschutzelemente (16) und die
dem Potentialausgleich dienenden Leitung (3) auf einen
oder mehrere benachbarte erdfühlige Sensoren (2) abgelei
tet wird, während die Überspannungsschutzelemente (16) im
normalen Meßbetrieb ohne Einwirkung einer unzulässig hohen
Spannung elektrisch isolierend wirken.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Über
spannungsschutzelemente (16) aus Gasüberspannungsableitern
bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die dem
Potentialausgleich längs des Kabels (1) dienende Leitung
(3) aus einer elektrisch leitenden Kabelabschirmung
und/oder einer zusätzlichen elektrisch leitenden Ader
besteht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die dem
Potentialausgleich dienende Leitung (3) aus einer
elektrisch leitenden Kabelabschirmung besteht, die im
Bereich des jeweiligen Sensoranschlusses unterbrochen und
durch ein elektrisch leitfähiges Käfigblech (7) Ersetzt
ist, das mit den einander zugewandten Enden (8, 9) der
Kabelabschirmung (3) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Überspannungsschutzelement (16) über das Käfigblech (7)
mit der Kabelabschirmung (3) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß an der
Unterbrechungsstelle der Kabelabschirmung (3) mindestens
zwei Blechstreifen (10, 11) so um die Adern (5) des Kabels
(1) herum angeordnet sind, daß das dort durch einen
Stromfluß auf die Kabelabschirmung (3) induzierte Feld
praktisch zu Null wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Käfigblech (7) aus mindestens zwei im wesentlichen
parallel und beabstandet zueinander verlaufenden Blech
streifen (10, 11) und diese miteinander verbindenden und
hierzu im wesentlichen senkrecht verlaufenden Schenkel
abschnitten (12, 13) besteht, wobei die Schenkelabschnitte
(12, 13) um freigelegte Enden (8, 9) der mit einem Kunst
stoffmantel ummantelten Kabelabschirmung (3) gewickelt
sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Käfigblech (7) aus Kupfer besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Käfigblech (7) mit einer elektrisch nicht leitenden
Kunststoffbeschichtung (15) ummantelt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Kunststoffbeschichtung (15) aus einem Schrumpfschlauch
besteht.
Priority Applications (1)
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10060450C2 (de) |
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