DE10211763A1 - Interference voltage magnitude determination method for determination of longitudinal voltages coupled from short circuits or lightning strikes in signal cables routed adjacent to power cables - Google Patents

Abstract

Method for determination of voltage interference couplings in signal cables (2) in which the longitudinal voltage, i.e. the voltage between a signal cable and earth is determined from the product of the current flowing in a power cable (3), which is adjacent to the signal cable, and the frequency dependent impedance between power and signal cables.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Spannungseinkopplungen in Signalkabel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a method for determining voltage injections in Signal cable according to the preamble of claim 1.

Ein solches Verfahren kommt bei Erdungs- und Blitzschutzeinrichtungen zur Anwendung, die zum Schutz von Kraftwerken, Industrieanlagen, Häusern und anderen Anlagen genutzt werden. Such a procedure is used for earthing and lightning protection devices Application used to protect power plants, industrial plants, houses and others Systems can be used.

Mit Hilfe von Blitzschutzeinrichtungen werden Ströme, die beispielsweise bei den Einschlägen von Blitzen auftreten, möglichst effektiv abgeleitet, ohne daß sie Störungen in elektronischen Einrichtungen wie Computern, der Sensorik, der Leittechnik oder der Telekommunikation auslösen. Die Wirksamkeit solcher Schutzeinrichtungen muß häufig nachgewiesen werden, bevor hierfür eine Betriebsgenehmigung erteilt wird, wie das beispielsweise bei Kernkraftwerken der Fall ist. With the help of lightning protection currents, for example in the Lightning strikes occur as effectively as possible without being disturbed electronic devices such as computers, sensors, control technology or Trigger telecommunications. The effectiveness of such protective devices must be frequent be proven before an operating license is issued for this, such as the for example in the case of nuclear power plants.

Die von Kurzschlüssen oder Blitzschlägen verursachten Ströme bewirken die Einkopplung von elektrischen Spannungen in Kabel, unter anderem in Signalkabel der oben erwähnten elektronischen Einrichtungen. Hierbei wird unterschieden zwischen Querspannung und Längsspannung. Die Längsspannung wird zwischen den Signalkabeln und dem Erdpotential eingekoppelt. Sie hebt das Potential parallel geführter Signalkabel gemeinsam an. Querspannung entsteht durch einen magnetischen Fluß, der zwischen zwei Signalkabeln eingekoppelt wird. Die Querspannungen können unter ein kritisches Maß reduziert werden, im dem die parallel geführten Signalkabel gegeneinander verdrillt werden. Längsspannungen lassen sich jedoch auf diese Weise nicht reduzieren. The currents caused by short circuits or lightning strikes cause them Coupling of electrical voltages in cables, among others in signal cables of the above mentioned electronic devices. A distinction is made between Transverse stress and longitudinal stress. The longitudinal voltage is between the signal cables and coupled to the earth potential. It increases the potential of parallel signal cables together. Cross voltage is created by a magnetic flux that flows between two signal cables is coupled. The transverse stresses can be critical Dimension can be reduced by twisting the parallel signal cables against each other become. Longitudinal stresses cannot be reduced in this way.

Für Geräte der Leittechnik, der Telekommunikation und für Computer werden von den Herstellern dieser Geräte Informationen geliefert, die besagen wie groß diese Spannungen sein dürfen, damit noch ein fehlerfreier Betrieb möglich ist. Mit Hilfe von kleineren Störströmen, die beispielsweise in Blitzschutz- und Erdungsnetze eingespeist werden, lassen sich eingekoppelte Längsspannungen an Signalleitungen messtechnisch nachzuweisen. Diese Ergebnisse werden dann ausgehend von diesen verringerten Stromamplituden der Störstrome auf realistische Stromwerte hochgerechnet. Diese Methode wird von Kraftwerksbetreibern oftsmals abgelehnt, da hierbei während des Betriebes Fehlströme eingekoppelt werden können, was den Sicherheitsvorschriften für Kraftwerke entgegen steht. Außerdem kann es bei entsprechender Reduktion der Stromamplitude äußerst schwierig sein, Spannungseinkopplungen nachzuweisen, die über Grundstörpegel und Messgrenze hinausragen. For devices in control technology, telecommunications and for computers, the Manufacturers of these devices are supplied with information stating how large they are Voltages may be allowed so that correct operation is still possible. With the help of smaller ones Interference currents that are fed into lightning protection and earthing networks, for example, coupled-in longitudinal voltages on signal lines can be measured demonstrated. These results are then reduced based on these Current amplitudes of the interference currents extrapolated to realistic current values. This The method is often rejected by power plant operators, since this is during operation Residual currents can be injected, which is the safety regulations for Power plants opposes. In addition, with a corresponding reduction in Current amplitudes can be extremely difficult to detect voltage injections that exceed Protruding noise level and measurement limit.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Größe von Längsspannungen bestimmt werden kann, die in Signalkabel eingekoppelt werden, wenn auf Grund von Blitzschlägen oder Kurzschlüssen sehr große Ströme in benachbarten Leitern fließen. The invention is therefore based on the object of demonstrating a method with which the magnitude of longitudinal stresses can be determined in signal cables be coupled in if very large currents due to lightning strikes or short circuits flow in neighboring conductors.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved by the features of patent claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der sogenannten Koppelimpedanz. Sie gibt an, welche Längsspannungen aufgrund von Strömen in ein Signalkabel eingekoppelt werden, die in einem oder mehreren elektrischen Leitern fließen. Es werden dabei nur Leiter betrachtet, die in einem geringen Abstand von dem jeweiligen Signalkabel geführt sind. Die Größe dieser Längsspannungen ist abhängig von der Geometrie dieser Leiter und den Materialen, aus denen diese Leiter und das Signalkabel gefertigt sind. Die Koppelimpedanzen werden mit Hilfe von Messungen an der Geometrie der Leiter, den Materialen dieser Leitern und den Anordnungen der Signalkabel ermittelt. The method according to the invention is based on the so-called coupling impedance. she indicates which longitudinal voltages due to currents in a signal cable be coupled in, which flow in one or more electrical conductors. It will be there only considered conductors that are at a short distance from the respective signal cable are led. The size of these longitudinal stresses depends on the geometry this conductor and the materials from which this conductor and the signal cable are made are. The coupling impedances are measured using the geometry of the Conductors, the materials of these conductors and the arrangements of the signal cables.

Sie können, falls erforderlich, auch durch Berechnung und Simulation aus Geometrie- und Materialdaten gewonnen werden. If necessary, you can also calculate and simulate geometry and material data are obtained.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Tatsache genutzt, dass die in ein Signalkabel eingekoppelten Längsspannungen aus der Summe der induktiven und galvanischen Einkopplungen der Teilströme ermittelt werden können, welche von Blitzströmen oder Kurzschlüssen in die leitfähigen Strukturen in der Umgebung eines jeden Signalkabels abgeleitet werden. Dabei bestimmen vor allem die Ströme die Größe der eingekoppelten Längsspannungen, die in unmittelbarer Nähe des Signalkabels auf dessen längs laufenden Kabelträgern fließen. Hierbei werden die Einkopplungen von dem jeweiligen Strom dominieren, der auf dem Kabelträger fließt, und als Bezugsleiter für die Längsspannungen dient. Die in einem Signalkabel auftretenden Längsspannungen sind das Produkt der oben erwähnten Teilströme entlang des Kabelträgers und der frequenzabhängigen Koppelimpedanz zwischen dem Kabelträger und dem Signalkabel. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden diese Teilströme und Koppelimpedanzen in den relevanten Kabelabschnitten bestimmt und den daraus resultierenden Längsspannung überlagert. Die Koppelimpedanzen können für die in einem Gebäude installierten Signalkabel messtechnisch oder durch Simulation ermittelt werden. The fact that the in a Longitudinal voltages coupled in from the sum of the inductive and galvanic coupling of the partial currents can be determined, which of Lightning currents or short circuits in the conductive structures around everyone Signal cables are derived. Above all, the currents determine the size of the coupled longitudinal voltages that are in the immediate vicinity of the signal cable its longitudinal cable carriers flow. Here, the couplings from the dominate each current that flows on the cable carrier, and as a reference conductor for the Longitudinal stresses. The longitudinal stresses occurring in a signal cable are the product of the above-mentioned partial flows along the cable carrier and the frequency-dependent coupling impedance between the cable carrier and the signal cable. With the aid of the method according to the invention, these substreams and Coupling impedances in the relevant cable sections determined and the resulting resulting longitudinal stress superimposed. The coupling impedances can for the in one Signal cables installed in buildings are measured or determined by simulation become.

Hierbei wird von einer Verteilung von Störströmen im Erdungsnetz des zu untersuchenden Gebäudes ausgegangen. Diese Verteilung kann beispielsweise messtechnisch durch Einspeisen eines Prüfstromes und das Messen der Teilströme in verschiedenen Leitern bestimmt werden. Ferner ist eine Modellierung des Erdungsnetzes und eine Simulation der Teilströme bei Blitzeinschlag oder Kurzschluss möglich. Wichtig ist bei diesen Verfahrensschritten, dass die Gebäudedämpfung durch Reduktion eines in ein Gebäude eindringenden Stromes berücksichtigt wird, und Teilströme auf allen leitenden Bauelementen in Form von metallischen Rohren, Kabelträgern und Erdungsseilen ermittelt werden. Bei der Durchführung der Verfahrensschritte, die zur Bestimmung der Längsspannung erforderlich sind, wird immer sichergestellt, dass bei allen Annahmen, die zu ihrer Berechnung vorgenommen werden, der Ergebniswert immer gleich oder größer ist, als eine wirklich auftretende Längsspannung. This is based on a distribution of interference currents in the earthing network investigating building. This distribution can be measured, for example by feeding a test current and measuring the partial currents in different Ladders are determined. Furthermore, a modeling of the earthing network and a Partial currents can be simulated in the event of a lightning strike or short circuit. It is important for These process steps that the building attenuation by reducing one in one Building intruding current is taken into account, and partial flows on all conductive Components in the form of metallic pipes, cable trays and earthing cables be determined. When performing the process steps necessary to determine the Longitudinal tension is required, it is always ensured that with all assumptions, that are used to calculate them, the result value is always the same or is greater than a really occurring longitudinal stress.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. Further inventive features are characterized in the dependent claims.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. The invention is explained in more detail below with the aid of a schematic drawing explained.

Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt zwei elektrische Geräte 1, die über mehre Signalkabel 2 miteinander verbunden sind. Die Signalkabel 2 sind von Bauelementen 3 in Form von Kabeltrassen, Kabelleitern, Kabelwannen, Beiseilen und Rohren (hier nicht dargestellt) umgeben, die ganz oder teilweise elektrisch leitend sind. Jedes der Geräte 1 ist über eine Potentialausgleichsschiene 4 an einen Erder 5 angeschlossen. Durch den Einschlag eines Blitzes 6 beispielsweise kommt es zur Einkopplung von Längsspannungen U_l und Querspannung in jedes der Signalkabel 2. Die Querspannungen können unter ein kritisches Maß reduziert werden, indem die Signalkabel 2 gegeneinander verdrillt werden (hier nicht dargestellt). Die Größe der Längsspannungen U_l müssen ermittelt werden, die durch Kurzschlüsse oder die Einschläge von Blitzen in die Signalkabel 2 eingekoppelt werden, um entsprechende Schutzmaßnahmen für die Signalkabel 2 und die elektrischen Geräte 1 zu treffen. The only figure belonging to the description shows two electrical devices 1 which are connected to one another via a plurality of signal cables 2 . The signal cables 2 are surrounded by components 3 in the form of cable trays, cable ladders, cable trays, additional cables and pipes (not shown here) which are wholly or partly electrically conductive. Each of the devices 1 is connected to an earth electrode 5 via a potential equalization rail 4 . A lightning 6 strikes, for example, causes longitudinal voltages U ₁ and transverse voltage to be coupled into each of the signal cables 2 . The transverse voltages can be reduced to a critical level by twisting the signal cables 2 against one another (not shown here). The magnitude of the longitudinal voltages U ₁ must be determined, which are injected into the signal cable 2 by short circuits or strikes by lightning in order to take appropriate protective measures for the signal cable 2 and the electrical devices 1 .

Bei der Überprüfung eines Signalkabels 2 werden im wesentlichen die Strom tragenden Leiter 3 berücksichtigt, die in einem geringen Abstand parallel zu dem Signalkabel 2 verlaufen. Für alle diese Strom tragenden Leiter 3 in der Umgebung des Signalkabels 2 und einen Abschnitt n der Signalkabel 2 wird die Spannung U_i,n ermittelt, die aufgrund eines Stromes auf diesen Leitern 3 in den Abschnitt n eingekoppelt wird. Anschließend wird jedes Signalkabel 2 in eine beliebige Anzahl von Abschnitten n unterteilt. Für alle diese Abschnitte n eines jeden Signalkabels 2 werden die zugehörigen Spannungen U_n aus den ermittelten Größen der Ströme der Leitern und der geometrieabhängigen Koppelimpedanz Z_n gemäß der Gleichung U_n = I_n.Z_n bestimmt. Die Längsspannung U des gesamten Signalkabels 2 ergibt sich aus der Summe der Spannungsbeiträge aller Abschnitte n eines Signalkabels 2 gemäß U = Σ_nU_n. When checking a signal cable 2 , essentially the current-carrying conductors 3 are taken into account, which run parallel to the signal cable 2 at a short distance. For all these current-carrying conductors 3 in the vicinity of the signal cable 2 and a section n of the signal cables 2 , the voltage U _{i, n is} determined, which is coupled into the section n due to a current on these conductors 3 . Then each signal cable 2 is divided into any number of sections n. For all these sections n of each signal cable 2 , the associated voltages U _{n are} determined from the determined quantities of the currents of the conductors and the geometry-dependent coupling impedance Z _n according to the equation U _n = I _n .Z _n . The longitudinal voltage U of the entire signal cable 2 results from the sum of the voltage contributions of all sections n of a signal cable 2 according to U = Σ _n U _n .

Wenn die Geometrie der elektrischen Leiter 3 und des Signalkabels 2 bekannt ist, und genaue Kenntnisse über die Materialen vorliegen, aus den das Signalkabel 2 und die Leiter 3 gefertigt sind, kann die Größe der Längsspannungen U auch mit Hilfe des nach stehenden Algorithmus berechnet werden. Hierfür wird zunächst für einen Strom tragenden Leiter Ln (hier nicht dargestellt) und einen parallelen Signalleiter-Abschnitt S_n (hier nicht dargestellt) die Spannung U_n berechnet, die aufgrund eines Stromes in dem Leiter Ln in den Signalleiter-Abschnitt S_n eingekoppelt wird. Für jeden Signalleiter- Abschnitt n werden die verschiedenen Spannungsbeiträge U = Σ_iU_n zur Längsspannung U aufaddiert, die sich für den gesamten Signalleiter ergibt. Das Verfahren basiert, wie bereits oben erwähnt, auf der sogenannten Koppelimpedanz, die in Abhängigkeit von der Geometrie und dem Material der Leiter die Transferfunktion angibt, welche die Spannung U = f(Z, I) aufgrund eines entfernten Stromflusses einkoppelt. Die verwendeten Koppelimpedanzen ergeben sich aus Messungen, die an der Geometrie der Leiter, den Leitermaterialien und Kabelanordnungen durchgeführt wurden. Alternativ kann die Koppelimpedanz auch durch Berechnung und Simulation aus den Geometrie- und Materialdaten gewonnen werden. In einem zweiten Rechenschritt wird nur der nächste Strom tragende Leiter (hier nicht dargestellt) berücksichtigt. Dieses ist im Allgemeinen der die Kabeltrassen tragende Aufbau. Bei den erwähnten Rechenschritten, die zur Bestimmung der Längsspannung U durchgeführt werden, wird sichergestellt, dass bei sämtlichen Näherungen, die zur Berechnung der Längsspannung U durchgeführt werden, der berechnete Wert immer gleich oder größer ist als der tatsächliche Wert ist.

If the geometry of the electrical conductor 3 and the signal cable 2 is known and there is precise knowledge of the materials from which the signal cable 2 and the conductor 3 are made, the magnitude of the longitudinal stresses U can also be calculated using the algorithm below. For this purpose, the voltage U _{n is first} calculated for a current-carrying conductor Ln (not shown here) and a parallel signal conductor section S _n (not shown here), which voltage is coupled into the signal conductor section S _n due to a current in the conductor Ln , For each signal conductor section n, the various voltage contributions U = Σ _i U _{n are added} to the longitudinal voltage U, which results for the entire signal conductor. As already mentioned above, the method is based on the so-called coupling impedance which, depending on the geometry and the material of the conductor, specifies the transfer function which couples in the voltage U = f (Z, I) due to a distant current flow. The coupling impedances used result from measurements that were carried out on the geometry of the conductors, the conductor materials and cable arrangements. Alternatively, the coupling impedance can also be obtained from the geometry and material data by calculation and simulation. In a second calculation step, only the next current-carrying conductor (not shown here) is taken into account. This is generally the structure that supports the cable trays. In the aforementioned calculation steps, which are carried out to determine the longitudinal stress U, it is ensured that, for all approximations which are carried out to calculate the longitudinal stress U, the calculated value is always equal to or greater than the actual value.

Claims (5)

1. Verfahren zum Bestimmen von Spannungseinkopplungen in Signalkabel (2), dadurch gekennzeichnet, dass die in ein Signalkabel (2) eingekoppelte Längsspannung (U_i) aus dem Produkt der Teilströme entlang wenigstens eines nahe bei dem Signalkabel (2) parallel geführten elektrischen Leiters (3) und der frequenzabhängigen Koppelimpedanz zwischen dem Leiter (3) und dem Signalkabel (2) bestimmt wird. 1. A method for determining voltage injections in signal cables ( 2 ), characterized in that the longitudinal voltage (U _i ) coupled into a signal cable ( 2 ) from the product of the partial currents along at least one electrical conductor ( 2 ) guided parallel to the signal cable ( 2 ). 3 ) and the frequency-dependent coupling impedance between the conductor ( 3 ) and the signal cable ( 2 ) is determined. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in ein Signalkabel (2) eingekoppelte Längsspannung (U_l) aus der Summe der induktiven und galvanischen Teilströme ermittelt wird, die durch den Einschlag eines Blitzes (6) oder durch Kurzschlüsse in wenigstens einen nahe bei dem Signalkabel (2) parallel geführten elektrisch Leiter (3) eingekoppelt werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that the longitudinal voltage (U _l ) coupled into a signal cable ( 2 ) is determined from the sum of the inductive and galvanic partial currents caused by the strike of a lightning ( 6 ) or by short circuits in at least one close to the signal cable ( 2 ) parallel electrical conductors ( 3 ) are coupled. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst für alle Strom tragenden Leiter (3) in der Umgebung eines jeden Signalkabels 2, und einen Abschnitt (n) eines jeden Signalkabels (2) die Spannung (U_i,n) ermittelt wird, die aufgrund eines Stromes auf dem Leiter (3) in den Abschnitt (n) eingekoppelt wird. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that for all current-carrying conductors ( 3 ) in the vicinity of each signal cable 2 , and a section (s) of each signal cable ( 2 ), the voltage (U _{i, n} ) is determined, which is coupled into the section (n) due to a current on the conductor ( 3 ). 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Signalkabel (2) in eine beliebige Anzahl von Abschnitten (n) unterteilt und für alle diese Abschnitte (n) eines jeden Signalkabels (2) die zugehörigen Spannungen (U_n) ermittelt und die maximale Längsspannung des Signalkabels (2) als Summe U = Σ_nU_n der Spannungen (U_n) aller Abschnitte (n) ermittelt wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that each signal cable ( 2 ) divided into any number of sections (n) and for all these sections (n) of each signal cable ( 2 ) the associated voltages (U _n ) and the maximum longitudinal voltage of the signal cable ( 2 ) is determined as the sum U = Σ _n U _{n of} the voltages (U _n ) of all sections (n). 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kenntnis von Geometrie und Material eines Signalkabels (2) und der parallel dazu geführten der Strom tragenden Leiter (3) die Größe der Längsspannungen (U_l) auch mit Hilfe eines Algorithmus berechnet werden kann. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that with knowledge of the geometry and material of a signal cable ( 2 ) and the parallel to the current-carrying conductor ( 3 ) the size of the longitudinal voltages (U _l ) also with the help of a Algorithm can be calculated.