-
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des
Isolationszustandes in elektrischen Anlagen, Kabeln usw. Die vorliegende
Erfindung ist zu verwenden, um eine Verschlechterung der Isolation bei
elektrischen Anlagen und Kabeln zu ermitteln, indem die
Koronaentladung oder die Teilentladung nachgewiesen wird, die beim Auftreten
einer solchen Verschlechterung hervorgerufen wird.
-
Im allgemeinen können verschiedene Faktoren lokal eine unzulängliche
Isolation in einem erdverlegten Kabel und den daran angeschlossenen
elektrischen Analgen verursachen.
-
Wenigstens 80% der ernsthaften Unfälle bei solchen Kabeln und ihren
Anlagen sind einer solchen Verschlechterung in der Isolation
zuzuschreiben, die durch äußere mechanische Kräfte, chemische
Veränderungen des Isolators, baumastähnliche Verschlechterung des Isolators,
bakannt als "Wasserbaum", usw. hervorgerufen werden kann. In
Anbetracht dessen sind verschiedene Verfahren zur Bestimmung der
Isolationszustände vorgeschlagen worden.
-
Nach einem dieser Verfahren wird der Isolationszustand eines
Stromversorgungssystems periodisch durch vorübergehendes Abschalten der
Stromversorgung überprüft. Bei diesem Verfahren kann die Prüfung z.B.
durch Anlegen einer Gleichspannung an die Stromleitung durchgeführt
werden. Was zur Bestimmung des Isolationsvermögens des Systems zu
messen ist, ist erstens die Teilentladung, zweitens die Restspannung,
der Entladestrom oder die Restladung, die die Verminderung der
dielektrischen Stärke zeigt, oder die Spannungsabschwächung und der
Leckstrom.
-
Zum anderen gibt es ein Verfahren zur Bestimmung des
Isolationsvermögens einer Stromleitung durch Anlegen einer Wechselspannung an die
betroffene Stromleitung. Was zu messen ist, ist die Teilentladung
oder die dielektrische Relaxation, die über den dielektrischen
Verlustwinkel bestimmt werden kann.
-
Patent Abstracts of Japan, Vol. 7, Nr. 64 (P-183) [1209] 17.03.1983,
offenbart ein Verfahren zum Nachweisen einer Verschlechterung in der
Isolation eines Stromkabels durch Ermitteln eines Koronaimpulsstroms
-
Daneben gibt es ein Verfahren, bei dem durch Verwendung einer
tragbaren Meßvorrichtung ein Stromversorgungssystem im "heißen"
Betriebszustand untersucht wird.
-
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Bestummung des
Isolationsvermögens eines Stromversorgungssystems durch periodisches Abschalten
der Stromversorgung müssen die Stromleitungen, die das System bilden,
eine nach der anderen untersucht werden, so daß es eine erhebliche
Zeit in Anspruch nimmt, um die Messung durchzuführen. Weiter besteht
eine Begrenzung in der Zahl der Orte, die während einer einzigen
Abschaltung der Stromversorgung gemessen werden können, so daß, wenn
sich die Isolation eines Teils allmählich verschlechtert hat, man
dessen Trend nicht kennt. Folglich können gegen eine Verschlechterung
dieser Art keine präventiven Maßnahmen ergriffen werden.
-
Andererseits besteht bei dem Verfahren, bei dem ein
Stromversorgungssystem mit einer tragbaren Meßvorrichtung im heilen Betriebszustand
untersucht wird, das Problem darin, dar wegen der Schwierigkeit bei
der Sicherstellung der Betriebssicherheit nur ein erfahrener Ingenieur
die Messung durchführen kann, nicht zu reden von der
Arbeitsintensität bei den vorbereitenden Tätigkeiten und der Messung.
-
Folglich ist es eine Absicht dieser Erfindung, ein Verfahren zur
Untersuchung des Isolationszustands von elektrischen Anlagen und
Stromkabeln zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, deren
Isolationszustand in einem heißen Betriebszustand fortlaufend zu überwachen.
Erfindungsgemäß wird eine Beurteilung vorgenommen, ob ein durch
irgendeine Verschlechterung in der Isolation von Anlagen oder Kabeln
erzeugtes Verschlechterungssignal dem durch das Meßobjekt fließenden
Strom überlagert ist.
-
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung des
Isolationszustandes eines Stromversorgungssystems bereitgestellt, das aus zwei
oder mehr Stromversorgungsleitungen, die von einer gemeinsamen
Hauptleitung abzweigen, besteht, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt
um, wenn sich das Isolationsvermögen einer Versorgungsleitung
verschlechtert hat, eine durch die Koronaentladung oder die
Teilentladung in dem defekten Teil einer der Versorgungsleitungen erzeugte
fortschreitende Welle zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die
Richtung der fortschreitenden Welle durch Vergleichen der Phase der
fortschreitenden Welle an einem in der gemeinsamen Hauptleitung
vorgesehenen Bezugspunkt mit der Phase der fortschreitenden Welle in
jeder der von der gemeinsamen Hauptleitung abzweigenden
Stromversorgungsleitungen ermittelt wird, und um
-
die eine der Stromversorgungsleitungen, deren Isolation sich
verschlechtert hat, und die Stelle der Verschlechterung aus der
ermittelten Richtung der fortschreitenden Welle zu lokalisieren.
-
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Verweis auf die
folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen und die begleitenden
Zeichnungen weiter beschrieben.
-
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die das Prinzip einer
Vorrichtung zur Verwendung mit dieser Erfindung veranschaulicht.
-
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die eine Vorrichtung gemäß
Fig. 1 zeigt.
-
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
Hauptkreisstrom i&sub1;, einer Ermittlungssignalspannung eE infolge eines
niederfrequenten Stroms iE und einer Ermittlungssignalspannung ep
infolge eines hochfrequenten Stroms ip zeigt.
-
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der in Fig. 2 gezeigten
Vorrichtung zeigt, wie er auf eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Überwachung des Isolationszustandes eines Hochspannungskabels
angewandt wird.
-
Fig. 5-1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau zeigt, wie
er auf einen DC-Hochspannungstest oder einen
AC-Spannungsfestigkeitstest angewandt wird.
-
Fig. 5-2 ist eine der Fig. 5-1 ähnliche schematische Darstellung, die
sich davon unterscheidet, daß die Vorrichtung auf der
Hochspannungsseite installiert ist.
-
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, das die gesamte Anordnung gemäß einer
zweiten Vorrichtung zur Verwendung mit dieser Erfindung zeigt.
-
Fig. 7 ist eine schematische Zeichnung, die die Kreise in dem
Sensorabschnitt zeigt.
-
Fig. 8A und 8B sind Vorderansichten, die den Sensor veranschaulichen.
-
Fig. 9 ist eine Graphik, die die BH-Kennlinle des in dem Sensor
verwendeten Kerns zeigt.
-
Fig. 10 ist eine Graphik, die den Frequenzgang des in dem Sensor
verwendeten Kerns zeigt.
-
Fig. 11 ist eine Graphik, die ein Ermittlungsergebnis der
fortschreitenden Welle zeigt.
-
Fig. 12 ist ein Blockschaltbild, das die Signalverarbeitungsschaltung
zeigt.
-
Fig. 13 und 14 sind Graphiken, die ein Meßergebnis zeigen.
-
Exemplarische Beispiele dieser Erfindung werden nun mit Verweis auf
die anliegenden Zeichnungen spezifisch beschrieben.
-
Fig. 1 bis 5-2 zeigen eine Vorrichtung zum Nachweisen einer
Verschlechterung in der Isolation von elektrischen Anlagen und Kabeln
zur erfindungsgemäßen Verwendung.
-
Das Prinzip dieser Vorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt.
-
Diese Vorrichtung umfaßt die Spulen 1 und 2, die mit den Kernen 1A
bzw. 2A versehen sind. Diese Kerne haben eine hohe magnetische
Permeabilität, die über dem gesamten Frequenzbereich von niedrigen bis
zu hohen Bereichen ungefähr konstant ist. Ihr Restmagnetismus und
ihre Koerzitivkraft sind jeweils klein, und ihre magnetische
Eigenschaft ist so, daß sie durch eine lineare BH-Kurve ausgedrückt werden
kann.
-
Die Vorrichtung umfaßt weiter eine Impedanzschaltung 3, die aus
Kondensatoren, Widerständen, Drosselspulen, Halbleiterelementen usw.
besteht, die einzeln oder in Kombination angeordnet sind.
-
Ein Hauptkreis, der vorgesehen ist, den Strom zu leiten, der die
Verschlechterungssignale enthält, ist bei 4 dargestellt.
-
Die Spule 1 umfaßt die Primärwicklungen 11 und 12, die auf den Kern
1A mit der gleichen Windungszahl und in der gleichen Richtung
gewikkelt sind.
-
Die Spule 1 umfaßt weiter eine Sekundärwicklung 13.
-
Die Spule 2 umfaßt eine Primärwicklung 21 und eine Sekundärwicklung 22.
-
Die Primärwicklung 11 der Spule 1 umfaßt eine Wicklungsanfangklemme
11-a und eine Wicklungsendeklemme 11-b.
-
Die Primärwicklung 12 der Spule 1 umfaßt eine Wicklungsanfangklemme
12-a und eine Wicklungsendeklemme 12-b.
-
Die Primärwicklung 21 der Spule 2 umfaßt die Klemmen 21-a und 21-b.
-
Die Sekundärwicklung 22 der Spule 2 umfaßt die Klemmen 22-a und 22-b.
-
Die Klemmen 11-b und 12-b sind mittels einer Verdrahtung mit den
Klemmen 21-a bzw. 21-b verbunden, und die Impedanzschaltung 3 ist mit den
Klemmen 11-b und 12-a verbunden.
-
Die Klemmen 11-a und 12-a sind mit dem Hauptkreis 4 verbunden, so daß
der zu prüfende Strom, der die Signale der Isolationsverschlechterung
enthält, durch den Hauptkreis geleitet werden kann.
-
Der Ausgang der Signale der Isolationsverschlechterung kann sowohl an
den Klemmen 13-a und 13-b der Sekundärwicklung der Spule 1 als auch an
den Klemmen 22-a und 22-b der Sekundärwicklung der Spule 2 erhalten
werden. Dem Prüfzweck gemäß können ein oder beide Klemmenpaare benutzt
werden.
-
Wenn ein zusammengesetzter Strom, der aus einer Mehrzahl überlagerter
Stromanteile nämlich einem Ladestromanteil des Isolators, der
Grundwelle eines Leckstroms und ihrer höheren Harmonischen, und denjenigen
Stromanteilen, die die Verschlechterung des Isolators anzeigen, d.h.
ein hochfrequenter Koronaentladungsstrom, ein Teilentladungsstrom,
ein stoßartiger Impulsstrom usw. besteht, durch den Hauptkreis 4
geleitet wird, fließt der gesamte Strom des Hauptkreises 4 durch die
Primärwicklung 11 der Spule 1. Andererseits fließt ein Strom, der der
Vektordifferenz zwischen dem Gesamtstrom und dem Strom entspricht,
der durch den Impedanzkreis 3 geflossen ist, durch die
Primärwicklung
12 der Spule 1. Dieser Strom flieht in Reihe durch die
Primärwicklung 21 der Spule 2.
-
Die magnetische Spannung des Kerns 1 entspricht der
Vektorzusammensetzung der durch den Strom in der Primärwicklung 11 erzeugten
magnetischen Spannung und der, die durch den Strom in der Primärwicklung
12 erzeugt wird. Da die Wicklungen 11 und 12 in der gleichen Richtung
gewickelt sind und die Stromrichtungen in den Wicklungen 11 und 12 in
bezug auf den Anfang und das Ende der Wicklungen einander
entgegengesetzt sind, entspricht die magnetische Spannung von Kern 1A der
Vektordifferenz zwischen der durch die Primärwicklung 11 erzeugten
magnetischen Spannung und derjenigen infolge der Primärwicklung 12. Die
Anderung in der magnetischen Spannung des Kerns 1A erzeugt eine
Spannung in der Sekundärwicklung 13 der Spule 1.
-
Die magnetische Spannung des Kerns 2A ist einem Strom zuzuschreiben,
der der Vektordifferenz zwischen dem Gesamtstrom in dem Hauptkreis
und dem Strom, der durch die Impedanzschaltung 3 fließt, entspricht,
wobei die Änderung in der magnetischen Spannung eine Spannung in der
Sekundärwicklung 22 der Spule 2 erzeugt.
-
Folglich ist es möglich, das Element des Signals der
Isolationsverschlechterung, das aus einem dem Hauptkreisstrom überlagerten
hochfrequenten Signal oder einem impulsartigen Signal besteht, von der
Sekundärwicklung 13 der Spule 1 oder der Sekundärwicklung 22 der Spule
2 in der Form eines diskriminierten Spannungssignals durch geeignete
Wahl des magnetischen Kreises hinsichtlich der Größe und Anordnung der
Kerne 1A und 2A, der Windungszahl der Spulen usw., der Impedanzart
oder des Wellenwiderstands der Impedanzschaltung 3 usw., zu erhalten.
-
Eine Ausführung der ersten Art der Vorrichtung zur Verwendung mit
dieser Erfindung wird nun beschrieben.
-
Fig 2 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zum Ermitteln der
Verschlechterung in der Isolation von Elektrischen Anlagen und Kabeln zur
Verwendung mit dieser Erfindung, wie sie bei einem Hochspannungsskabel,
das sich im betriebsmäßigen Zustand befindet, angewandt wird. Die
Vorrichtung umfaßt die Kerne 100 und 200 aus einer strukturlosen
Legierung auf Kobaltbasis mit einer hohen magnetischen Permeabilität,
die über dem gesamten Frequenzbereich von niedrigen bis zu hohen
Bereichen ungefähr konstant ist, als auch einer flachen Hysteresiskurve.
Als ein Beispiel eines solchen Materials kann hier das VITROVAC-6025F
(TM), hergestellt von Vakuumschmelze GmbH, erwähnt werden. Die
Primärwicklungen 101 und 102 sind durch den Kern 100 mit einer Windung
in der gleichen Richtung geführt. Weiter ist eine Sekundärwicklung 103
zur Signalermittlung auf den Kern 200 gewickelt, um eine Spule 104 zu
bilden. Eine Primärwicklung 201 und eine Sekundärwicklung 202 sind auf
den Kern 200 gewickelt, um eine Spule 203 zu bilden. Ein
Kondensatorelement, das den Impedanzkreis bildet, ist bei C dargestellt, und ein
magnetisch abschirmendes Gehäuse ist bei 300 eingerichtet, um das
Eindringen von Störsignalen von außen zu verhindern. Ein Stromkabel 400,
das das zu prüfende Objekt ist, besteht aus einem Leiter 401, einem
Isolator 402, der den Leiter bedeckt, einer Abschirmung 403, die den
Isolator bedeckt, und einer Bewehrung 404, die die Abschirmung
bedeckt. In diesem Fall wird der Hauptkreisstrom i&sub1;, der zur
Durchführung der Messung benötigt wird, aus der Abschirmung 403 entnommen.
Die Messung wird ausgeführt, indem die Spannung gegen Erde an einem
Kabelendverschluß 405 gemessen wird.
-
Angenommen, der Hauptkreisstrom Ii ist ein zusammengesetzter Strom,
der aus dem Ladestrom in dem Isolator, der Grundwelle des Leckstroms
sowie einem niederfrequenten Strom iE, der die höhere Harmonische
davon ist, und Signalen der Isolationsverschlechterung, wie z.B. der
Koronaentladungsstrom, der Teilentladungsstrom und ein hochfrequenter
Strom ip, der ein stoßartiger Impulsstrom ist, besteht, so fließt
der Hauptstrom i&sub1; durch die Primärwicklung 101 der Spule 104. Die
Primärwicklung 201 der Spule 203 hat eine hohe Induktanz für einen
hochfrequenten Strom und eine niedrige Induktanz für einen
niederfrequenten Strom. Der Kondensator C hat eine niedrige Kapazitanz für
einen hochfrequenten Strom und eine hohe Kapazitanz für einen
niederfrequenten Strom. Als Folge fließt der hochfrequente Strom ip durch
den Kondensator C, und der niederfrequente Strom iE fließt über die
Primärwicklung 201 der Spule 203 durch die Primarwicklung 102 der
Spule 104.
-
Folglich wird das Element der magnetischen Spannung des Kerns 100,
das dem niederfrequenten Strom iE zuzuschreiben ist, aufgehoben, und
nur das Element, das dem hochfrequenten Strom ip zuzuschreiben ist,
bleibt übrig. Als Folge kann die Signalspannung ep infolge des
hochfrequenten
Stroms ip von der Sekundärwicklung 103 der Spule 104
erhalten werden.
-
Ähnlich kann die Signalspannung eE infolge des niederfrequenten Stroms
iE von der Sekundärwicklung 202 der Spule 203 erhalten werden.
-
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Hautkreisstrom I&sub1;, der
Ermittlungssignalspannung eE infolge des niederfrequenten Stroms iE und der
Ermittlungssignalspannung ep infolge des hochfrequenten Stroms ip als
Funktion der Zeit.
-
Fig. 4 zeigt die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung wie bei einer
Vorrichtung zur fortlaufenden Überwachung des Isolationszustandes eines
Hochspannungskabels angewandt. Diese Zeichnung zeigt einen
Ermittlungsteil 500, der eingerichtet ist, um eine Verschlechterung in der
Isolation des betroffenen Kabels zu ermitteln. Dieser
Ermittlungsteil umfaßt die Klemmen 501 und 502, um die durch den hochfrequenten
Strom ip erzeugte Signalspannung ep zu erhalten, und die Klemmen 503
und 504, um die Signalspannung eE infolge des niederfrequenten Stroms
iE zu erhalten (die Ströme ip und IE sind die gleichen wie in der
Ausführung von Fig. 2). In Fig. 4 sind die Primärwicklungen 101 und 102
durch ein Koaxialkabel 505 ersetzt. Ein bei Z dargestellter
Impedanzkreis dient der Verhinderung einer magnetischen Sättigung des Kerns,
wenn der niederfrequente Strom, z.B. der Ladestrom, erhöht wird.
Dieser Impedanzkreis Z ist mit einer um den Kern 200 gewickelten
Tertiärwicklung 204 verbunden. Ein Signalempfänger ist bei 600 dargestellt.
Dieser Signalempfänger besteht aus einer
Impulswelleneingangangsschaltung 601, einer Grundwelleneingangsschaltung 602, den Verstärkern 603,
604, einem Phasenkomparator 605, einem Impulszahler 606, einer
Zeitgeberschaltung 607, einer Zeiteinstellschaltung 608 und einem
Ausgangskreis 609.
-
Wenn sich das Isolationsvermögen des Isolators 402 des Stromkabels 400
wegen eines Wasserbaums oder der Erscheinung eines elektrischen Baums
oder wegen eines Kratzers auf dem Isolator des Kabels usw.
verschlechtert hat, wird ein die Verschlechterung in der Isolation anzeigendes
Signal, das aus einem Koronaentladungsstrom, einem Teilentladungsstrom
oder einem stoßartigen Entladungsstrom besteht, dem Ladestrom des
Isolators 402 durch die Spannung gegen Erde der normalerweise gelieferten
Spannung überlagert und kann durch die Abschirmung 403 nach der Erde
abfließen. Der Ermittlungsteil 500 dient dazu, das aus einem Signal
des Isolationsverschlechterungsstroms bestehende Signalelement von
demjenigen, das aus dem Ladestrom besteht, durch die
Impulswelleneingangsschaltung 601 und die Grundwelleneingangsschaltung 602 zu
unterscheiden, und um die so unterschiedenen Signalelemente in den
Signalempfänger 600 einzugeben.
-
Der Ausgang der Impulswelleneingangsschaltung 601 und der der
Grundwelleneingangsschaltung 602 werden durch die Verstärker 603 bzw. 604
verstärkt und an den Phasenkomparator 605 angelegt, wo das
Vorhandensein der Impulswelle eines Signals der Isolationsverschlechterung in
bezug auf die Phasen des Ladestroms, d.h. der Grundwelle, untersucht
wird. Das Ergebnis wird durch den Impulszähler 606 gezählt. Der
Impulszähler 606 dient dazu, die Zahl der Impulse des
Verschlechterungssignals zu zählen, die während einer vorbestimmten Zeitdauer erzeugt
werden, die durch Zählen des von der Zeitgeberschaltung 607 erzeugten
Referenztakts mit der Zeiteinstellschaltung 608 festgelegt wird. Wenn
die Zählung einen vorbestimmten Wert überschritten hat, wird ein
Ausgabesignal für die Ausgangsschaltung 609 erzeugt.
-
Dies veranlaßt die Ausgangsschaltung 609, einen Alarm auszugeben, der
die Ermittlung eines Verschlechterungssignals anzeigt. Die
Ausgangsschaltung 609 sendet auch ein Abschaltsignal an einen Ausschalter
(nicht gezeigt), um, wenn nötig, das beeinträchtigte Stromkabel 400
von der Stromquelle zu trennen. Ferner erzeugt sie eine Ausgabe für
einen Datenprozessor (nicht gezeigt), mit dem Daten, wie z.B. die
Häufigkeit des Auftretens des Signals der
Isolationsverschlechterungsimpulse, in bezug auf die Phasen des Ladestroms, d.h. der Grundwelle,
untersucht werden, um den Grad und die Ursache der Verschlechterung
zu beurteilen.
-
Wenn die Anordnung in Fig. 4 so abgeändert wird, daß die
Nullphasenspannung von einem Potentialerdungstransformator (nicht gezeigt) an
die Eingangsklemmen der Grundwelleneingangsschaltung 602 angelegt
wird, kann eine schwache Erdverbindung ermittelt werden.
-
Auf diese Weise macht es die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung möglich,
mit einem einfachen Aufbau den Isolationszustand eines
Hochspannungskabels mit hoher Zuverlässigkeit ständig zu überwachen, um dadurch
Unfälle infolge Verschlechterung in der Isolation zu verhindern.
-
Fig. 5-1 zeigt die Vorrichtung von Fig. 4 wie bei einer
DC-Hochspannungsprüfung oder einer AC-Spannungsfestigkeitsprüfung angewandt. Fig.
5-2 zeigt eine für den gleichen Zweck verwendete Anordnung. Sie
unterscheidet sich von der in Fig. 5-1 nur dadurch, daß die
erfindungsgemäße Vorrichtung auf der Hochspannungsseite angeordnet ist, wodurch
der Einfluß eines Leckstroms in der Prüfvorrichtung beseitigt wird.
Beide Anordnungen umfassen einen Ermittlungsteil 500, der zum
Ermitteln einer Verschlechterung in der Isolation vorgesehen ist, einen
Signalempfänger 600, eine Spannungsanlegevorrichtung 700 für die
Spannungsfestigkeitsprüfung und ein zu prüfendes Objekt 800. Durch
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einer
Spannungsanlegevorrichtung wird es möglich gemacht, eine
Verschlechterung des Isolators zu ermitteln, so daß man solche Schritte wie
Anhalten der Prüfung, wenn das Anlegen der Hochspannung gefährlich
ist, vornehmen kann, um dadurch einen dielektrischen Durchbruch des
Isolators während der Spannungsfestigkeitsprüfung zu verhindern.
-
Wenn die Kerne 100 und 200 bei der in Fig. 2 gezeigten Konstruktion
aus VATROVAC-6025F, hergestellt von Vakuumschmelze GmbH, das eine
strukturlose Legierung auf Kobaltbasis ist, hergestellt werden, kann
ein S/N-Verhältnis von 120 dB leicht erzielt werden (S bezeichnet den
Pegel des Verschlechterungssignals und N den Pegel des Signals, der
der Summe des Ladestroms in dem Isolator und des Leckstroms
entspricht).
-
Auf diese Weise kann eine Vorrichtung zum Ermitteln der
Verschlechterung in der Isolation von elektrischen Anlagen und Kabeln in Form
einer Vorrichtung verwirklicht werden, die wirtschaftlich, kompakt
und leicht ist, und die bei einfachem Aufbau ein hohes
S/N-Verhältnis liefert.
-
Die strukturlose Legierung auf Kobaltbasis besteht aus Kobalt (Co),
Eisen (Fe). Silizium (Si), Bor (B), Molybdän (Mo) und Nickel (Ni) und
kann formuliert werden als:
-
Co a Fe b Si c B d Mo e Ni f
-
wo bis den Atomprozentsatz der Bestandselemente darstellen. Hier
ist a = 50 bis 90, b = 1 bis 10, c = 5 bis 20 d = 0 bis 20, e = 0 bis
20 und f = 1 bis 5, wobei die Summe von bis 100 ist.
-
Die Kerne 100 und 200 bestehen aus ringförmigen Kernen mit z.B. einer
ringartigen Konfiguration, die durch mehrmaliges Aufwickeln eines
Bandes aus einer strukturlosen Kobaltlegierung gebildet werden.
Nachdem sie zu Ringen geformt sind, werden diese ringförmigen Kerne aus
einer strukturlosen Kobaltlegierung mit einer gewünschten magnetischen
Permeabilität durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von
150 bis 450ºC für 5 bis 180 Minuten versehen. Es ist wünschenswert,
die Wärmebehandlung in einem DC- oder AC-Magnetfeld durchzuführen, so
daß eine gleichmäßige Funktion erhalten werden kann. Eine stabilere
Funktion wird durch Ausführen der Wärmebehandlung in einer
Stickstoffatmosphäre erzielt werden.
-
Wie oben beschrieben ermöglicht es die erste Art der Vorrichtung zur
Verwendung mit dieser Erfindung, eine Verschlechterung der Isolatoren
von elektrischen Anlagen und Kabeln, die in Betrieb sind, mit hoher
Empfindlichkeit zu ermitteln. Auf eine Einrichtung zur ständigen
Überwachung des Isolationszustands angewandt, hilft die erste Art der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, Unfälle zu verhindern, die von einem
dielektrischen Durchbruch herrühren. Ferner kann sie in Form einer
wirtschaftlichen, kompakten und leichten Vorrichtung realisiert werden.
-
Ein Verfahren zum Feststellen der Stromleitung, deren
Isolationsvermögen sich verschlechtert hat, wenn ein Stromversorgungssystem mit
zwei oder mehr Stromleitungen unter einer verschlechterten Isolation
leidet, durch Ermitteln einer durch die Koronaentladung oder die
Teilentladung in dem betroffenen Abschnitt hervorgerufenen
fortschreitenden Welle wird nun beschrieben.
-
Wenn ein Isolationsschaden in einer Stromleitung auftritt, wird eine
Koronaentladung oder eine Teilentladung in dem betroffenen Abschnitt
erzeugt.
-
Diese Entladung hat zur Folge, daß eine fortschreitende Welle erzeugt
wird, die von dem betroffenen Abschnitt aus in beide Richtungen der
Leitung wandert. Folglich ist es durch Ermitteln dieser
fortschreitenden Welle möglich, die Stromleitung, deren Isolation sich
verschlechtert hat, aus einer Mehrzahl von Leitungen, die ein
Stromversorgungssystem bilden, festzustellen.
-
Weiter ist es durch Erfassen der Laufrichtung dieser fortschreitenden
Welle
möglich, die Stelle, wo die Unregelmäßigkeit aufgetreten ist, zu
bestimmen. Dies wird durch Vergleichen der Phase der fortschreitenden
Welle an einem spezifischen (Bezugs) Punkt in einer gemeinsamen
Hauptleitung, der ein elektrischer Bezugspunkt ist, mit deren Phase in
jeder von der gemeinsamen Hauptleitung abzweigenden
Stromversorgungsleitung ermöglicht. Mit anderen Worten, der Punkt, an dem die
fortschreitende Welle erzeugt worden ist (der beeinträchtigte Punkt) kann durch
Messen der Laufrichtung der fortschreitenden Welle an einer Mehrzahl
von Stellen lokalisiert werden.
-
Dieses Verfahren wird nun mit Verweis auf Fig. 6 beschrieben. Zunächst
läuft die durch die Verschlechterung der Isolation an dem Punkt P
erzeugte fortschreitende Welle durch alle Sensoren. Angenommen, daß die
Richtung der fortschreitenden Welle, die durch den Sensor SF in der
Nähe des in der ersten gemeinsamen Hauptleitung LF vorgesehenen
Kondensators C läuft, als Referenz anzusehen ist, so ist einzusehen, daß
die Laufrichtung der durch den Sensor S1 des Kabels L1, dessen
Isolation sich verschlechtert hat, ermittelten fortschreitenden Welle
entgegengesetzt zu der Referenz, d.h. zur Laufrichtung der von den
Sensoren S der anderen Kabel L ermittelten fortschreitenden Welle ist.
-
Gleichermaßen angenommen, daß die Laufrichtung der fortschreitenden
Welle, die durch den Sensor SG läuft, der zwischen der zweiten
gemeinsamen Hauptleitung und der Erde GND angebracht ist, als die
Referenz anzusehen ist, ist die Laufrichtung der fortschreitenden
Welle, die durch den Sensor S4 des Kabels L1, dessen Isolation sich
verschlechtert hat, ermittelt wird, entgegengesetzt zu der Richtung
der fortschreitenden Welle, die durch die in den anderen Kabeln L
angebrachten Sensoren S ermittelt wird.
-
Folglich ist es möglich, die Stelle, wo die Verschlechterung in der
Isolation ihren Ursprung hatte, durch Messen des durch die Sensoren
S ermittelten Signals in einem Meßteil 53 zu lokalisieren.
-
Als Sensor zum Ermitteln der fortschreitenden Welle kann ein unten
beschriebener Sensor verwendet werden:
-
Dieser Sensor (Signaldiskriminator) besteht aus einer ersten Wicklung
M1 mit kurzgeschlossenen Enden und einer zweiten Wicklung M2 zur
Signalermittlung, wobei die erste und zweite Wicklung M1 und M2 auf
einen
ringförmigen Kern K gewickelt sind, der eine ungefähr lineare BH-
Charakteristik besitzt, d.h. dessen magnetische Spannung und
magnetische Flußdichte einander ungefähr proportional sind, und dessen
magnetische Permeabilität über dem gesamten Frequenzbereich von niedrigen
bis zu hohen Bereichen in etwa konstant ist.
-
Der ringförmige Kern K kann z.B. aus einem strukturlosen Metall, das
Kobalt als Hauptbestandteil enthält, bestehen.
-
Wie Fig. 8A zeigt, ist das Kabel L, die Leitung, von der Signale zu
ermitteln sind, auf den ringförmigen Kern K gewickelt. Ein
niederfrequenter und ein hochfrequenter Strom fließen durch das Kabel L,
wodurch eine magnetische Spannung in dem Kern K erzeugt wird.
-
Die erste und zweite Wlcklung M1 und M2 wirken in bezug auf das
Kabel L (Primärspule) als eine Sekundärspule, so daß in der ersten
Wicklung M1 eine elektromotorische Kraft erzeugt wird. Da die Enden der
ersten Wicklung M1 kurzgeschlossen sind, fließt ein Strom, der die
Magnetflußänderung in dem ringförmigen Kern K aufhebt, durch diese
erste Wicklung M1. Der ringförmige Kern K hat hier eine hohe
magnetische Permeabilität, die über dem gesamten Frequenzbereich von
niedrigen bis zu hohen Bereichen in etwa konstant ist. Weiter sind sein
Restmagnetismus und seine Koerzitivkraft klein, und er zeigt eine
unyefähr lineare BH-Charakteristik, d.h. seine magnetische Spannung und
seine magnetische Flußdichte sind einander ungefähr proportional.
Folglich ist die Induktanz der ersten Wicklung M1 für eine niedrige
Frequenz niedrig und für eine hohe Frequenz hoch.
-
Deshalb kann nur der hochfrequente Anteil von der Sekundärwicklung M2
erhalten werden, wobei der niederfrequente Anteil aufgehoben wird.
-
In der Praxis kann die Leitung L, von der Signale zu ermittlen sind,
so angeordnet werden, daß sie, wie Fig. 8B zeigt, einfach durch den
Kern K geführt wird.
-
Dieser Kern kann z.B. aus einer strukturlosen Legierung auf
Kobaltbasis hergestellt werden, die aus Kobalt (Co), Eisen (Fe), Silizium
(Si), Bor (B), Molybdän (Mo) und Nickel (Ni) besteht und formuliert
werden kann als:
-
(Co) a (Fe) b (Si) c (B) d (Mo) e (Ni) f
-
wo bis den Atomprozentsatz der Bestandselemente darstellen. Hier
ist a = 50 bis 90, b = 1 bis 10, c = 5 bis 20 d = 0 bis 20, e = 0 bis
20 und f = 1 bis 5, wobei die Summe von bis 100 ist.
-
Der Kern K kann z.B. als ein ringförmiger Kern aus einem Band aus
einer strukturlosen Kobaltlegierung gebildet werden. Nachdem er
gebildet ist, wird dieser ringförnige Kern mit einer gewünschten
magnetischen Permeabilität durch eine Wärmebehandlung bei einer
Temperatur von 150 bis 450ºC für 5 bis 180 Minuten versehen. Es ist
wünschenswert, die Wärmebehandlung in einem DC- oder AC-Magnetfeld
durchzuführen, so daß eine gleichmäßige Funktion erhalten werden kann.
Eine stabilere Funktion wird durch Ausführen der Wärmebehandlung in
einer Stickstoffatmosphäre erzielt werden.
-
Obwohl die erste und zweite Wicklung M1 und M2 getrennt gewickelt
werden können, können sie auch einen Teil gemeinsam benutzen.
-
Als Material für den Kern K kann das 6025F, das ein von Vakuumschmelze
GmbH hergestelltes Band aus einer strukturlosen Legierung ist,
verwendet werden. Wenn es zu einem ringförmigen Kern geformt wird, kann
dieses Material eine gewünschte magnetische Permeabilität liefern.
-
Eine weitere Vorrichtung zur Verwendung mit dieser Erfindung wird nun
mit Verweis auf Fig. 6 bis 14 beschrieben.
-
Der Anmelder hat fürs erste nachgewiesen, daß eine Verschlechterung
in der Isolation einer Stromversorgungsleitung in dem betroffenen
Abschnitt eine Koronaentladung oder eine Teilentladung verursacht, und
daß eine solche Entladung eine fortschreitende Welle in der
Stromversorgungsleitung erzeugt.
-
Eine Vorrichtung, die diese fortschreitende Welle ausnutzt, um den
Abschnitt, wo die Verschlechterung in der Isolation hervorgerufen
wird, zu lokalisieren, wird zuerst beschrieben.
-
In einer Unterstation 51, die von einer Wechselstromquelle A mit Strom
versorgt wird, sind ein Tranformator T1 und ein Ausschalter B1 in der
Übertragungsleitung angebracht, um eine erste gemeinsame Hauptleitung
LF zu bilden, die über einen dazwischen befindlichen Kondensator C mit
der Erde GND verbunden ist.
-
In dem Abschnitt zwischen dem Kondensator C und der Erde ist ein
ringförmiger Sensor SF angebracht, der die Leitung umgibt. Das
Ausgangssignal von diesem Sensor SF wirkt als das Signal des in der
gemeinsamen Hauptleitung vorgesehenen Bezugspunkts.
-
Die Übertragungskabel L1, L2 und L3 sind über die Ausschalter B2, B3
und B4 mit der gemeinsamen Hauptleitung LF verbunden. Ringförmige
Sensoren S1, S2 und S3 sind an diesen Kabeln so befestigt, daß sie diese
umgeben. Das Kabel L1 verläuft zu einer Stelle 52, wo der Strom
verbraucht werden soll.
-
In der Stelle 52 ist ein Sensor S4 an dem Kabel L1 angebracht, das
über einen dazwischen befindlichen Ausschalter B5 mit einer zweiten
gemeinsamnen Hauptleitung LG verbunden ist.
-
Die zweite gemeinsame Hauptleitung LG ist über einen dazwischen
befindlichen Kondensator C mit der Erde GND verbunden. Ein ringförmiger
Sensor SG ist an der Stelle zwischen dem Kondensator C und der Erde
GND an der Leitung so angebracht, daß er diese umgibt. Das
Ausgangssignal von diesem Sensor SG wirkt als das Signal an dem Bezugspunkt
in der zweiten gemeinsamen Hauptleitung LG.
-
Die Stromübertragungskabel L4 und L5 sind über die dazwischen
befindlichen Ausschalter B6 und B7 mit der zweiten gemeinsamen
Hauptleitung LG verbunden. Ringförmige Sensoren S5 und S6 sind an diesen
Kabeln L4 und L5 so befestigt, daß sie diese umgeben.
-
Das Kabel L4 ist mit einem Motor M verbunden, und das Kabel L5 ist
mit einem Transformator T2 verbunden.
-
Die Ausgangssignale der Sensoren S1, S2 und S3 werden an eine
Abtastschaltung 60 übertragen, wo sie ein Zeitmultiplex erfahren. Sie werden
dann an eine Richtungsvergleichsschaltung 61 übermittelt und mit dem
Signal des Sensors SF verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird
einer Datenübertragungsschaltung 62 übermittelt.
-
Zum anderen werden die Ausgangssignale der Sensoren 55 und 56 an eine
Abtastschaltung 70 übertragen, wo sie ein Zeitmultiplex erfahren. Dann
werden sie einer Richtungsvergleichsschaltung 71 eingegeben und mit
dem Signal von dem Sensor SG verglichen. Das Ergebnis dieses
Vergleichs wird einer Datenübertragungsschaltung 72 übermittelt.
-
Die Signale von den Datenübertragungsschaltungen 62 und 72 werden
einem Meßteil 53 eingegeben. Zuerst werden sie einer Abtastschaltung 81
eingegeben, wo sie ein Zeitmultiplex erfahren. Dann werden sie einer
Hochgeschwindigkeits-Datenspeicherschaltung 82 und einer
Alarmanzeigeschaltung 83 eingegeben. Die
Hochgeschwindigkeits-Datenspeicherschaltung 82 ist mit einem Personalcomputer 84 verbunden, so daß Daten
ausgetauscht werden können. Ein Bildschirm 86 und ein Drucker 85 sind mit
dem Personalcomputer 84 verbunden, so daß das Prüfungsergebnis
angezeigt werden kann. Fig. 12 zeigt ein spezifisches Beispiel der
Hardware der Hochgeschwindigkeits-Datenspeicherschaltung 82. Diese
Hardware umfaßt einen Sensor S, einen mit dem Ausgang des Sensors S
verbundenen Puffer BU, einen zum Verstärken des Signals von dem Puffer Bu
eingerichteten Verstärker AP, eine Spitzenermittlungsschaltung PS,
verbunden mit dem Ausgang des Verstärkers AP und eingerichtet, um den
Maximalwert des Ausgangssignals zu ermitteln, einen 20 MHz A/DWandler,
der parallel zu der Spitzenermittlungsschaltung PS geschaltet ist,
eine Speicherplatine MB zu Speichern der jeweiligen Ausgangssignale
von der Spitzenermittlungsschaltung PS und dem A/D-Umsetzer AD und
mit einer Kapazität von 2 kB, einen Personalcomputer 84,
eingerichtet um Signale mit der Speicherplatine MB auszutauschen, sowie einen
Drucker 85 als Ausgabegerät.
-
Das Funktionsprinzip des Sensors S und der Schaltkreise wird nun
erklärt.
-
Der Sensor S besteht aus einem Kern K und darauf gewickelten Spulen.
Der Kern K ist aus einem strukturlosen Metall auf Kobaltbasis
hergestellt, dessen magnetische Permeabilität von tiefen bis zu hohen
Frequenzbereichen ungefähr konstant ist, wie Fig. 10 zeigt. Sein
Restmagnetismus und seine Koerzitivkraft sind beide klein, und seine BH-
Charakteristik ist ungefähr linear, d.h. seine magnetische Spannung
und seine magnetische Flußdichte sind in etwa proportional, wie Fig.
9 zeigt. Auf diesen Kern K sind eine erste Wicklung M1 mit
kurzgeschlossenen Enden und eine zweiten Wicklung M2 mit offenen Enden
gewickelt, wie in Fig. 8 dargestellt. Der Kern K hat eine Breite von
10 mm, einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Höhe von 3 mm. Die
Windungszahl für die erste Wicklung M1 beträgt drei und für die
zweite Wicklung M2 zehn.
-
Diese Konstruktion ermöglicht es, die durch die Koronaentladung oder
die Teilentladung erzeugte fortschreitende Welle von der Frequenz
der Stromquelle und dem niederfrequenten Strom, der eine höhere
Harmonische davon ist, zu unterscheiden. Eine Koronaentladungsmenge von
20 pC wurde bei einem Experiment der Empfindlichkeit des Sensors S
mit der obigen Konstruktion nachgewiesen.
-
Fig. 7 zeigt diesen Aufbau wie er bei einer Stromversorgungsleitung
für Dreiphasen-Wechselstrom angewandt wird. Die Laufgeschwindigkeit
V der fortschreitenden Welle kann ausgedrückt werden als:
-
V = [(magnetische Permeabilität x Dielektrizitäskonstante)½]&supmin;¹
-
Hier ist die Dielektrizitätskonstante eines Polyethylens 4mal so groß
wie die von Luft, so daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der
übertragungsleitung etwa die Häfte der Lichtgeschwindigkeit beträgt.
Demnach ist V ca. 150 m/us. Die fortschreitende Welle durchläuft daher
den Kern mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, was eine magnetische
Spannung mit einem scharfen Impuls zu Folge hat. Ein niederfrequenter
Strom, der die Stromquelle und deren Oberwellen darstellt, und ein
Strom der fortschreitenden Welle infolge der Koronaentladung oder der
Teilentladung werden in jeder Wicklung erzeugt, und die Induktanz der
ersten Wicklung M1 ist für eine niedrige Frequenz niedrig und für
einen Impuls hoch. Folglich kann die Magnetflußänderung infolge der
magnetischen Spannung des Niederfrequenzstroms iE fast ganz
vernachlässigt werden, aber die Magnetflußänderung, die durch die magnetische
Spannung des Impulstroms verursacht wird, der durch den Durchlauf der
fortschreitenden Welle erzeugt wird, bleibt erhalten.
-
Folglich wird nur das vom Durchgang der fortschreitenden Welle
verursachte Signal an den Klemmen der zweiten Wicklung M2 erhalten.
-
Weiter ist es mit Hilfe eines in jeder Phase angebrachten Sensors SR
möglich, zu erfahren, durch welche Phase des Kondensators CT die
fortschreitende Welle läuft, um dadurch ein Unterscheidungssignal zum
Bestimmen der beeinträchtigten Phase zu gewinnen. Ferner es ist mit
Hilfe eines Sensors SF, der in der gemeinsamen Leitung des
Kondensators CT, die mit der Hauptleitung LF verbunden ist, angebracht ist,
möglich, ein Signal zu erhalten, das als Bezug für die Laufrichtung
der fortschreitenden Welle dient, da die fortschreitende Welle den
Sensor in der gleichen Richtung durchläuft, ungeachtet, welche Phase
oder welcher Abschnitt des Systems beeinträchtigt sein kann.
-
Obwohl die Signale von diesen Ermittlungsspulen wie in der oben
beschriebenen Ausführung auf einer Zeitmultiplexbasis übertragen
werden können, können sie auch parallel übertragen werden, wenn etwas
Spielraum in der Signalübertragungskapazität vorhanden ist.
-
Die fortschreitende Welle liefert ein Frequenzspektrum, das dem eines
Entladungsstörsignals ähnlich ist und besitzt Energie über einem
weiten Frequenzbereich. Manchmal kann sie jedoch eine Frequenzverteilung
liefern, die der durch die Verschlechterung in der Isolation
verursachten Koronaentladung eigen ist und ihr S/N-Verhältnis gegen
äußere Störsignale durch Begrenzen der unnötigen Bänder verbessert, so
daß ein Bandpaßfilter zur Einschränkung des Bandes wirksam verwendet
werden kann.
-
Bei einem Versuch mit einem Bandpaßfilter wurde ein
zufriedenstellendes Ergebnis erhalten, wenn der zu erfassende Frequenzbereich auf
20 kHz bis 200 MHz, besser auf 300 kHz bis 50 MHz oder noch besser auf
300 kHz bis 5 MHz eingestellt wurde. Das tätsächliche Frequenzband
muß im Einzelfall mit Hilfe eines Spektrumanalysators usw. angepaßt
werden. Als Filter kann natürlich ein Tandem-Verbundfilter mit
Mehrpunktabstimmung anstelle des oben beschriebenen Typs mit einfacher
Abstimmung verwendet werden.
-
Als nächstes wird mit Verweis auf Fig. 11 das Ergebnis eines Versuchs
beschrieben, bei dem die durch die Koronaentladung infolge der
Verschlechterung eines Isolators eines Kabels erzeugte fortschreitende
Welle unter Verwendung der Schaltung von Fig. 6, die den Sensor von
Fig. 8 verwendet, ermittelt wurde. In der graphischen Darstellung
bezeichnet J die charakteristische Slgnalkurve des an dem Kabel
angebrachten Sensors S1, und Q bezeichnet die charakteristische
Signalkurve des an der Hauptleitung angebrachten Sensors SF. Wenn in dem
Kabel ein Isolationsfehler vorhanden ist, läuft die fortschreitende
Welle in beide Richtungen des Kabels. Da die Richtungen der Ströme
der fortlaufenden Welle, die die Sensoren SF und S1 durchlaufen,
einander entgegengesetzt sind, sind die Phasen J und Q in etwa umgekehrt
zueinander. Dies zeigt das Vorhandensein der fortschreitenden Welle,
d.h. das Vorhandensein des Defekts in dem Kabel deutlich an.
-
Die tatsächlich gemessene Wellenform wird nun mit Verweis auf Fig. 13
und 14 beschrieben.
-
Fig. 13 zeigt die Wellenform, wenn die fortlaufende Welle an einer
von dem Punkt der Messung entfernt liegenden Stelle erzeugt wird. Eine
an der Abschlußlast, z.B. an einem Motor, reflektierte fortschreitende
Welle erscheint periodisch mit abnehmender Stärke.
-
Der Impuls infolge der Koronaentladung kann wie er ist beobachtet
werden. Er wird jedoch innerhalb einer sehr kurzen Zeitdauer erzeugt, so
daß es manchmal schwer ist, ihn einzufangen. Deshalb kann ein
Resonanzkreis in der Impulsermittlungsschaltung vorgesehen werden, so daß
der Impuls leicht eingefangen werden kann. Fig. 14 zeigt die
Wellenform, wenn eine solche Schaltung verwendet wird. In dieser Zeichnung
bezeichnet J1 den Impuls infolge der Koronaentladung. Danach erregt
der Impuls den Resonanzkreis und liefert eine gedämpfte Schwingung J2
mit einer spezifischen Frequenz.
-
Die Größe, die Konfiguration und das Material des Kerns K sind nicht
auf diejenigen der oben beschriebenen Ausführungen beschränkt. Sie
können selbstverständlich entsprechend den Ermittlungsbedingungen
modifiziert werden.
-
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es demnach, den
Isolationszustand von elektrischen Anlagen und Kabeln in einem betriebsmäßigen
Zustand fortlaufend zu überwachen.
-
Wenn eine Unregelmäßigkeit in der Isolation von elektrischen Anlagen
oder Kabeln aufgetreten ist, kann außerdem deren Stelle lokalisiert
werden.
-
Ein Isolationsschaden kann folglich entdeckt werden, bevor er
gefährlich wird, wodurch es möglich gemacht wird, Unfälle, die von
unzureichender Isolation herrühren, zu verhindern.