DE60307639T2

DE60307639T2 - Verfahren und system zur übermittlung eines informationssignals über ein stromleitungskabel

Info

Publication number: DE60307639T2
Application number: DE60307639T
Authority: DE
Inventors: Frederik Evert STEENNIS; Arnoldus Petrus WOUTERS; Carolina Petrus VAN DER WIELEN; Jeroen Veen
Original assignee: Stichting voor de Technische Wetenschappen STW
Current assignee: Stichting voor de Technische Wetenschappen STW
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: ATE336726T1; WO2004013642A3; CA2490620A1; CA2490620C; CY1105222T1; DE60307639D1; NL1020925C2; DK1516194T3; AU2003248157A1; EP1516194A2; WO2004013642A2; AU2003248157A8; EP1516194B1; US7372280B2; ES2266867T3; US20060164099A1; PT1516194E

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Eingeben und Übertragen eines elektrischen Informationssignals in und über ein spannungstragendes Stromkabel, welches zumindest einen oder mehrere Leiter, ein Dielektrikum, welches um die Leiter herum vorgesehen ist, und eine leitfähige Erdhülle umfasst, welche um das Dielektrikum herum angeordnet ist.
Erdverlegte Stromkabel oder Stromleitungen werden verwendet, um elektrische Energie von einem Kraftwerk zu einem Punkt der Verwendung zu transportieren. Dies findet mit diversen Spannungen statt, z.B. bei ungefähr 400 Kilovolt für Hochspannungskabel bis ungefähr 200 Volt für Niederspannungskabel. Wegen der hohen Spannungen, welche auf dem Leiter oder den Leitern in den Stromkabeln auftreten, sind die Leiter durch ein elektrisch isolierendes Material eingeschlossen, welches auch als Dielektrikum bezeichnet wird. Das isolierende Gehäuse der Leiter ist auch vollständig oder teilweise durch eine Metallerdhülle oder Erdabschirmung eingeschlossen. Zusätzliche Schutzgehäuse, wie beispielsweise zur Wasserdichtigkeit, mechanischem Schutz usw., können in und um das Kabel herum angeordnet sein.
Nicht nur, wenn ein Stromkabel nicht in Betrieb ist, sondern auch, wenn das Stromkabel in Betrieb ist, d.h., wenn einer oder mehrere der Leiter in einem spannungstragenden Modus sind, kann es nützlich sein, informationstragende Signale von dem einen Ende des Stromkabels zu dem anderen Ende des Kabels zu senden. Die Informationssignale können zu diagnostischen Zwecken des Stromkabels selbst angewandt werden, z.B. zum Bestimmen der Qualität des Dielektrikums, um die spannungstragenden Leiter herum oder zum Hin- und Zurücksenden anderer Daten.
Der Nachteil der bekannten Systeme ist derjenige, dass Informationssignale durch Einrichtungen eingegeben werden, welche direkt an den spannungstragenden Leiter/die spannungstragenden Leiter des Stromkabels gekoppelt sind. Hinsichtlich der relativ hohen Spannungen, welche auftreten, stellt dies hohe Anforderungen an die Einrichtungen, welche zur Übertragung verwendet werden.
Der Nachteil der anderen bekannten Systeme ist derjenige, dass die Informationssignale über die Erdabschirmung oder die Erdhülle mit der Erde (dem Erdboden) zwischen den Endpunkten des Kabels als Rückleitung eingegeben werden. In diesem Fall sind diese Informationssignale nicht von der Umgebung abgeschirmt und können dadurch die Umgebung stören (EMC Management). Bei einigen Stromkabeln wird die Erdabschirmung oder die Erdhülle weiter über die größere, wenn nicht sogar die gesamte Länge des Kabels geerdet, wodurch die Signalübertragung bei diesen bekannten Systemen nicht möglich oder nahezu nicht möglich ist.
GB-A-2 091 976 offenbart ein Verfahren zum Injizieren von Signalen in ein Stromkabel. Dieses System benötigt einen Rückpfad für das Signal durch die elektrische Erde. Eine Detektion des Signals tritt über einen Kondensator auf, welcher zwischen einem Leiter des Kabels (der Erdschirm in diesem Fall) und der Erde angeschlossen ist. Durch Signalinjektion wird eine Spannungsdifferenz zwischen dem Erdschirm und der elektrischen Erde erzeugt.
US-A-4 570 231 offenbart ein Leitungsprüfsystem zum Lokalisieren von Störungen entlang einer Hochspannungsübertragungsleitung. Das System ist kapazitiv an die Übertragungsleitung gekoppelt.
US-A-6 161 077 offenbart ein Verfahren der Handhabung von Zeitbereichtsreflektometrie (TDR).
EP 0 978 952 A2 offenbart ein Verfahren zum Eingeben von Signalen in ein Stromkabel, wobei das Stromkabel einen zentralen Leiter, eine XLPE-Hülle, eine Anzahl von neutralen Erdleitern und eine äußere Hülle umfasst. Bei dem bekannten Verfahren tritt die Eingabe des Informationssignals entweder zwischen den einzelnen neutralen Erdleitern oder zwischen der Hülle der neutralen Leiter in der Stahldrahtarmierten äußeren Hülle auf.
Der Nachteil des bekannten Systems ist derjenige, dass man unter anderem eine Stahldraht-armierte äußere Hülle in Kombination mit einer neutralen Leiterhülle (Erdhülle) benötigt, um das Informationssignal von einer Position zu einer anderen zu übertragen. Bei dieser Konfiguration muss daher die SWA äußere Hülle über die gesamte Länge des Kabels vorgesehen sein und ein Unterbrechungssignal wird die Übertragung des Informationssignals verhindern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und System vorzusehen, bei welchem zumindest einer der Nachteile, welche oben dargelegt wurden, verhindert wird.
Diese Aufgabe wird in einem Verfahren und System gemäß der Ansprüche 1 bzw. 14 erreicht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und System vorzusehen, bei welchem die oben dargelegten Nachteile und andere bisher nicht dargelegte Nachteile des Standes der Technik verhindert werden, und bei welchen Signale über das Stromkabel übertragen werden, ohne dass ein direkter Kontakt mit den spannungstragenden Leitern gemacht wird, und ohne dass die Signale die Umgebung stören, und ohne dass die Signale in dem Fall einer (praktisch) permanenten Erdung von der Erdhülle oder der Erdabschirmung des Stromkabels gedämpft werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zu diesem Zweck ein Verfahren zum Eingeben eines Informationssignals in ein Stromkabel vorgesehen, welches mit einer Spannungsquelle verbunden werden kann, und welches zumindest einen oder mehrere Leiter, ein Dielektrikum, welches um die Leiter herum vorgesehen ist, und eine leitende Erdhülle umfasst, welche vollständig oder teilweise um das Dielektrikum herum angeordnet ist, wobei das Verfahren ein Eingeben eines impulsartiges Informationssignals an einer ersten Position in der Erdhülle umfasst, um ein entsprechendes impulsartiges Informationssignal über dem Dielektrikum zwischen den Leitern und der Erdhülle herzustellen. Durch Injizieren eines Stromimpulses in die Erdhülle an einer ersten Position, z.B. ein erstes Kabelende, wird ein Spannungsimpuls an der Position über der Isolierung (das Dielektrikum) des Stromkabels erzeugt. Der Strompfad wird hier über andere Komponenten in der Hochspannungsverbindung (in dem Ausmaß, wie sie vorhanden sind) geschlossen. Der somit hergestellte Spannungsimpuls in dem Stromkabel verschiebt sich zu einer zweiten Position, z.B. an einem weiteren Kabelende, wo der Spannungsimpuls auf einer per se bekannte Art und Weise detektiert werden kann.
Das Informationssignal wird eingegeben unter Verwendung von einer oder mehrerer Spulen, und wird direkt in die Erdhülle und/oder in ein Erdkabel zwischen der Erdhülle und der Erde und/oder in einen Erddraht zwischen der Spannungsquelle und der Erde eingegeben, vorzugsweise durch Verwenden von einer oder mehrerer Spulen, welche an einer Position zwischen der Spannungsquelle und der Erde vorgesehen sind.
In der oben angegebenen Weise können Daten zwischen den Positionen auf einfache Weise über die Erdhülle übertragen werden, ohne dass die Anlage, welche zu diesem Zweck erforderlich ist, hohen elektrischen Spannungen der Stromzufuhr ausgesetzt ist, ohne dass die übertragenen Signale die Umgebung stören und ohne dass die übertragenen Signale in dem Fall einer (praktisch) permanenten Erdung der Erdhülle oder der Erdabschirmung des Stromkabels gedämpft werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die Daten Informationen, welche zur allgemeinen Datenkommunikation zwischen den Kabelenden verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Daten Informationen, welche verwendet werden, um die Zeit zwischen der ersten Position und der Stelle zu synchronisieren, wo die Daten empfangen werden, was die zweite Position ist. Ein stufenartiger Impuls (mit einer maximal realisierbaren Anstiegszeit, wobei die Realisierbarkeit davon von den Systemvariablen abhängt) wird hier an der ersten Position eingegeben, wonach diese Spannungsstufe in einen stufenartigen Impuls umgewandelt wird, welcher an der zweiten Position zu etwas späterer Zeit ankommt. Der Zeitunterschied zwischen der Pulsinjektion an der ersten Position und einem Empfangen des Impulses an der zweiten Position entspricht der Laufzeit des Impulses durch das Stromkabel (plus der Zeit, welche zur Impulsinjektion an der ersten Position und Impulsdetektion an der zweiten Position benötigt wird). Hierdurch ist es möglich, Takte miteinander an der ersten und zweiten Position zu synchronisieren, wobei dieser Laufzeitunterschied einbezogen wird.
Die erforderliche Genauigkeit der Zeitsynchronisierung bestimmt, wie oft die Zeitsynchronisationsimpulse wiederholt werden müssen. Mit dem vorliegenden Kristalloszillatoren ist eine Zeitsynchronisierung von mehreren zehn Nanosekunden möglich bei einer Wiederholungsfrequenz von ungefähr einem Zeitsynchronisierungsimpuls pro Sekunde. Dies sieht die Option des Lokalisierens von Defekten vor, welche in dem Kabel auftreten, mit einer Genauigkeit von ungefähr 1 % der Kabellänge. Dies ist, weil diese Defekte selbst Spannungsimpulse erzeugen, wobei der Unterschied in deren Ankunftszeit an der ersten und zweiten Position zusammen mit den Taktzeiten, welche bis zu einer bestimmten Genauigkeit durch Zeitsynchronisierung bekannt sind, für die Stelle des Defekts charakteristisch sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Daten Informationen, welche an der ersten Position gesendet werden, nachdem eine festgelegte Zeit nach der Ankunft des Spannungsimpulses an dieser ersten Position vergangen ist, wobei der Impuls von einem Fehler in dem Stromkabel selbst kommt. Dieser Fehler weist auch einen gegebenen Spannungsimpuls an der zweiten Position auf. Die Ankunftszeit dieses Spannungsimpulses an der zweiten Position zusammen mit der Ankunftszeit von dieser übertragenen Information von der ersten Position sieht die Möglichkeit des Berechnens der Stelle des Fehlers vor.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Eingeben eines elektrischen Informationssignals in ein Stromkabel vorgesehen, welches mit einer Spannungsquelle verbunden werden kann, und welches zumindest einen oder mehrere Leiter, ein Dielektrikum, welches um die Leiter herum vorgesehen ist, und eine leitende Erdhülle umfasst, welche vollständig oder teilweise um das Dielektrikum herum angeordnet ist, umfassend:

– Eingabemittel zum Eingeben eines impulsartigen Informationssignals an einer ersten Position in dem Stromkabel, wobei hierin ein entsprechendes impulsartiges Informationssignal über dem Dielektrikum zwischen den Leitern und der Erdhülle produziert wird, wobei sich das Signal zu einer zweiten Position ausbreitet.

Die Eingabemittel umfassen vorzugsweise eine oder mehrere Spulen, welche nahe der Erdhülle, des Erdkabels und/oder der Leitung zwischen der Spannungsquelle und der Erde positioniert sind, und mit welchen ein Stromimpuls eingegeben werden kann. Dieser Stromimpuls bewirkt einen entsprechenden Spannungsimpuls über dem Dielektrikum des Stromkabels, ohne hierin einen Kontakt mit spannungstragenden Teilen des Stromkabels herzustellen.
In besonderen Ausführungsformen sind Impedanz-erhöhende Mittel, vorzugsweise eines oder mehrere Ferrit-enthaltende Elemente vorgesehen, wodurch die Impedanz in einem oder mehreren Erddrähten lokal erhöht werden kann, so dass der Stromimpuls in der Erdhülle in einem entsprechenden und messbarem Spannungsimpuls über dem Dielektrikum des Stromkabels resultiert. Ohne diese Impedanz-erhöhenden Mittel könnte der Stromimpuls in dem falschen Stromkreis erzeugt werden, ohne dass hierin ein entsprechender Spannungsimpuls in dem Dielektrikum erzeugt wird.
Für die oben genannte Bestimmung von z.B. der Position von Unregelmäßigkeiten in einem Leiter, wobei die Unregelmäßigkeiten in einer partiellen Entladung in dem Stromkabel resultieren, umfasst in einer weiteren Ausführungsform das System auch Detektionsmittel zum Detektieren der Spannungsimpulse, welche sich entlang des Stromkabels ausbreiten. Diese Spannungsimpulse können das Ergebnis von Stromimpulsen sein, welche durch die Eingabemittel eingegeben wurden, können aber auch das Ergebnis der oben erwähnten partiellen Entladungen sein.
Für eine genaue Bestimmung der Position einer Unregelmäßigkeit umfasst das System in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erste bzw. zweite Zeitregistrierungsmittel und Zeitsynchronisierungsmittel, welche an der ersten und zweiten Position positioniert sind, um die Zeitregistrierungsmittel relativ zueinander zu synchronisieren, wobei ein Informationssignal verwendet wird, welches in die Erdhülle eingegeben wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer Anzahl von bevorzugten Ausführungsformen davon ersichtlich werden. In der Beschreibung wird auf die Figuren Bezug genommen, in welchen:
1 eine teilweise ausgeschnittene Ansicht eines Stromkabels zeigt;
2 eine schematische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Systems gemäß der Erfindung zeigt;
3 eine schematische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Systems gemäß der Erfindung zeigt;
4 eine schematische Ansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines Systems gemäß der Erfindung zeigt;
5 eine schematische Ansicht einer vierten bevorzugten Ausführungsform eines Systems gemäß der Erfindung zeigt;
6 eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines multilateralen Messsystems gemäß der Erfindung in einem verzweigten Kabel zeigt; und
7 eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines multilateralen Messsystems gemäß der Erfindung in einem verzweigten Kabel zeigt.
1 zeigt beispielhaft ein Hochspannungskabel 1. In der gezeigten Ausführungsform sind drei Leiter 2 in der Mitte des Hochspannungskabels 1 vorgesehen. Eine häufig auftretende Alternative (nicht gezeigt) ist ein Kabel mit einem Leiter. Das Kabel kann allgemein ein oder mehrere Leiter enthalten. Die Leiter sind mit einem Hochspannungs- oder Niederspannungsnetz verbunden. Um die Leiter herum sind eine oder zwei zentrierte isolierende Materialschichten 3 und/oder 4 vorgesehen. Die isolierenden Materialschichten 3 und 4 bilden das Dielektrikum des Kabels. Um die äußere isolierende Schicht herum ist eine Erdhülle oder Erdabschirmung 5 vorgesehen, welche mit einem Erddraht 7 des elektrischen Netzes verbunden ist. Die elektrische Abschirmung kann vollständig um die Isolierung herum angeordnet sein. Es tritt auch ein teilweises Einschließen der Isolierung durch eine Erdabschirmung 5 auf. Es sei angemerkt, dass der Begriff "Erdabschirmung" so verstanden werden soll, dass alle möglichen Ausführungsformen eines Erdkabels, wie beispielsweise ein Erddraht, eine Erdhülle, welche die Isolierung vollständig oder nur partiell einschließt, und welche aus verwebten Drähten (z.B. Kupferdrähten) oder einer festen Metallschicht usw. besteht, damit gemeint sind.
Zusätzliche Schutzschichten 6 sind um die Erdabschirmung 5 angeordnet, um das Kabel gegen ungünstige chemische oder mechanische Effekte von außen zu schützen. Diese zusätzlichen Schichten sind denkbar, sind aber nicht in allen Fällen angewandt. Ein Stromkabel 1 weist eine Länge von mehreren zehn Metern oder von mehreren zehn Kilometern auf.
2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform des Systems. Auf dem Leiter/den Leitern des Stromkabels 1 ist eine Wechselspannung zwischen 200 V und 400 kV vorgesehen. Die Frequenz dieser Wechselspannung ist entweder die Netzfrequenz (Beispiele: 50 Hz in Europa, 60 Hz in den USA) oder die typische Frequenz, welche mit einer Spannungsquelle assoziiert ist, welche angeordnet ist, um das Kabel zu testen (z.B. 0,1 Hz oder eine oszillierende Spannung). Wie in 2 gesehen werden kann, ist das Kabel mit einer Netzkomponente 10 verbunden. Netzkomponente 10 kann ein Transformator und/oder ein anderes Stromkabel oder jegliche andere spannungstragende Netzkomponente sein.
Die Erdhüllen der Stromkabel sind gewöhnlich an ihren Enden mit einem Erddraht geerdet. In dem Fall, dass ein Kabel nicht von dem elektrischen Netz getrennt ist, und es daher eine Online-Situation gibt, ist es möglich, diesen Erddraht und die Erdhülle des Kabels, welche damit verbunden ist, für diverse Zwecke zu verwenden, einschließlich einer Datenkommunikation und einer Zeitsynchronisierung, wie unten beschrieben werden wird.
2 zeigt, dass eine Spule SP um einen Erddraht 7 herum positioniert ist, wobei der Erddraht elektrisch an eine Erdhülle 5 angeschlossen ist. Die Spule SP injiziert einen kurzen Stromimpuls in den Erddraht 7, was einen dementsprechenden Spannungsimpuls (Pfeil V) über dem Dielektrikum das Stromkabels 1 hervorruft, da der Strompfad über andere Komponenten (Netzkomponente 10 und Ähnliches) in der Hochspannungsverbindung (bis zu dem Ausmaß, soweit sie vorhanden sind) geschlossen wird. Der somit hergestellte Spannungsimpuls wird zu einer zweiten Position verschoben, z.B. auf einem weiteren Kabelende, wo der Spannungsimpuls in einer per se bekannten Art und Weise detektiert werden kann.
Dies bedeutet, dass ein Impuls durch das Stromkabel übertragen werden kann, wobei das Stromkabel optional unter Hochspannung steht, ohne dass ein direkter Kontakt hier zwischen den hochspannungstragenden Teilen und den Teilen, welche den Impuls in das Stromkabel eingeben, besteht. Zum Eingeben des Impulses ist es daher nicht per se erforderlich (in Abhängigkeit der lokalen Bedingungen hinsichtlich der Ausführungsform des Kabelendes und der anderen Hochspannungskomponenten und in Abhängigkeit von den lokalen Sicherheitsbestimmungen ist es denkbar, dass während eines Anordnens und nach der Verwendung während eines Entfernens der Spule die Zufuhrspannung abgeschaltet werden muss), dass die Leiter des Stromkabels von der Spannung getrennt werden müssen.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform, in welcher Spule SP um die Leitung 12 zwischen Spannungsquelle 10 und der Erde positioniert ist. In Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen, kann ein Stromimpuls eingegeben werden unter Verwendung der Spule SP, wobei der Impuls einen Spannungsimpuls (V) über dem Dielektrikum des Stromkabels produziert.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform. Zusätzlich zu Erddraht 7 wird ein zusätzlicher (zweiter, dritter usw.) Erddraht 9 angelegt. Wenn Spule SP nun um Erddraht 7 herum positioniert ist, wird ein Stromkreis über Erddraht 9 (gestrichelte Linie) gebildet, da die Impedanz der Komponenten, wie beispielsweise Netzkomponente 10, gewöhnlich größer ist als die Impedanz des Strompfades über Erddraht 9. Um dennoch einen ausreichend großen Spannungsimpuls über dem Dielektrikum herzustellen, kann der Stromkreis durch sein Öffnen auf der rechten Seite unterbrochen werden. Es ist auch möglich, Impedanz-erhöhende Elemente 11 anzuordnen, vorzugsweise in der Form von einem oder mehreren Ferritkernen. Diese bewirken, dass der Stromimpuls, welcher in Erddraht 7 injiziert wurde, einen Hochspannungsimpuls in Stromkabel 1 über Leitung 12 produziert, so dass er an dem anderen Ende gemessen werden kann.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform, in welche Spule SP um eine Erdhülle 5 herum angeordnet ist, während Erdhülle 5 auf der Nicht-Netzkomponenten-(10)-Seite von dieser Spule SP geerdet wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft die Diagnose des Dielektrikums, wobei Gebrauch gemacht wird von einer Übertragung des Informationssignals zwischen den Positionen. Als Folge von möglichen Unregelmäßigkeiten in dem Dielektrikum des Stromkabels, z.B. an der Position eines Defekts in dem Dielektrikum des Stromkabels, ein Defekt in dem Dielektrikum der Kabelverbindungsstellen oder ein Defekt in dem Dielektrikum der Kabelenden und der relativ hohen Spannungen, welche auf dem Leiter auftreten, können so genannte partielle Entladungen in jedem Fall resultieren. Partielle Entladungen können letztendlich im Verlust der Qualität des Kabels resultieren. Partielle Entladungen sind oft ein Vorgänger von vollständigen Entladungen oder Ausfällen, wodurch das Kabel versagt und bis zur Reparatur aus dem Betrieb herausgenommen werden muss.
Jede partielle Entladung produziert einen kleinen Spannungsimpuls (oder Stromimpuls) in dem Bereich von mehreren Millivolt bis zu mehreren Volt, charakteristischer Weise zwischen 10 mV und 10000 mV. Die Dauer des Spannungsimpulses ist sehr kurz, weniger als eine Mikrosekunde, charakteristischerweise zwischen 10 und 1000 ns.
Die Spannungsimpulse oder Spannungsänderungen, welche durch die partiellen Entladungen erzeugt werden, werden gewöhnlich in beide Richtungen des Leiters von der Position der partiellen Entladung propagiert. Die Hälfte der Spannungsimpulse wird zu einem ersten Kabelende propagiert und die andere Hälfte wird zu dem anderen Kabelende propagiert. Beide Spannungsimpulse werden durch den Leiter mit einer Geschwindigkeit verschoben, welche praktisch gleich der Geschwindigkeit des Lichts (um 50 % bis 80 % von 300000 km/sec) beträgt. Der Unterschied in der Ankunftszeit der zwei Impulssignale an einer ersten und einer zweiten Position, z.B. an beiden Kabelenden, kann verwendet werden, um die Position der Unregelmäßigkeit zu bestimmen, welche diese partielle Entladung bewirkt. In dem Fall einer doppelseitigen Messung werden zwei Impulssignale, welche durch die gleiche Unregelmäßigkeit verursacht werden, gemessen, wobei ein erstes Impulssignal an einer ersten Position gemessen wird, wobei ein Sensor verwendet wird, und der zweite Impuls an den zweiten Positionen gemessen wird, wobei ein Sensor verwendet wird. Basierend auf dem Unterschied in der Ankunftszeit der zwei Impulssignale, der bereits bekannten Propagierungscharakteristika des Kabels (beispielsweise die Propagierungsgeschwindigkeit der Impulssignale) und der bereits bekannten oder unbekannten Länge des Kabels kann die Position der Unregelmäßigkeit absolut bzw. relativ bestimmt werden.
Entscheidend für die präzise Bestimmung der Positionen der Unregelmäßigkeiten in dem Dielektrikum oder Isolationsmaterial der Stromkabel, Kabelverbindungen und Kabelenden ist die Genauigkeit der Zeitregistrierung, mit welcher die Ankunftszeiten der Impulssignale registriert werden, welche durch eine partielle Entladung bewirkt werden. Bekannt ist die Verwendung der Zeitdaten (Universal Time Coordinates), welche durch das Global Positioning System (GPS) verfügbar gemacht werden oder von sehr genauen Atomuhren, um eine Zeitregistrierung mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von mehreren (zehn) Nanosekunden zu ermöglichen. Eine Anwendung der GPS-Zeitsynchronisation ist jedoch teuer und eine Außenantenne ist an jedem Kabelende notwendig, um die erforderlichen GPS-Taktsignale, die zu empfangen sind, zu ermöglichen. Die Verwendung von Atomuhren wurde auch als zu teuer angesehen, und dies hat die Verwendung in großem Maßstab verhindert.
6 zeigt, dass ein Detektor 8 (welcher z.B. aus einer impulsempfangenen Spule SP-O besteht, welche, wie gezeigt, vor einer Spule SP in 2, 3, 4 oder 5 platziert werden kann, und einer Registriereinrichtung, wie beispielsweise ein Digitalisierer, welcher daran angeschlossen ist) dicht an der ersten Position A an eine Zeitregistriereinheit 11 angeschlossen ist, und dass ein Detektor 13 dicht an der zweiten Position B an eine Zeitregistriereinheit 14 angeschlossen ist. Diese Einheiten registrieren die Ankunftszeiten die Impulssignale, welche jeweils an Positionen A und B ankommen.
Ein Bestimmen der Positionen von Unregelmäßigkeiten findet statt, wie folgt. Als ein Ergebnis einer partiellen Entladung P in Kabel 1 verschiebt sich ein erstes Impulssignal S_A nach links in die Richtung der ersten Position A und ein zweites Impulssignal S_B verschiebt sich nach rechts in die Richtung der zweiten Position B. Beide Impulssignale verschieben sich mit einer bekannten Geschwindigkeit. Sobald sie an Positionen A und B angekommen sind, werden Impulssignale S_A und S_B durch jeweilige Detektoren 8 und 13 detektiert, Die Zeiten, mit welchen die Impulssignale S_A und S_B detektiert werden, werden dann durch jeweilige zweite Registriereinheiten 11 und 14 registriert. Zu diesem Zweck versehen die Zeitregistriereinheiten die detektierten Impulssignale mit einem Zeitlabel oder Zeitstempel, mit welchem die Ankunftszeit und das Fortschreiten der Signale in der Zeit bestimmt werden können. Das Signal, welches mit einem Zeitlabel versehen worden ist, kann auf einem wahlfreien Medium gespeichert werden oder unter Verwenden des Kommunikationsverfahrens, welches unten beschrieben werden wird, kann es als Informationsimpuls in das Dielektrikum des Stromkabels eingegeben werden und über die Erdhülle des Kabels zu einer zentralen Speichereinheit übertragen werden. Die Zeitdifferenz DT kann aus den Differenzen in den somit registrierten Ankunftszeiten der zwei Impulssignale bestimmt werden. Aus der Zeitdifferenz DT kann die bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit der Impulssignale in dem Leiter und der bereits bekannten Länge l des Kabels, die Position der Unregelmäßigkeit P bis zu einer Genauigkeit von 1–100 m (in Abhängigkeit der Gesamtlänge l des Kabels 1) bestimmt werden. Falls die Kabellänge nicht bekannt ist, kann dann die Position der Unregelmäßigkeit in einem relativen Sinne bestimmt werden.
Das Obige zeigt, dass die Detektion und Zeitregistrierung der Impulssignale durch unabhängig arbeitende Detektions- und Registrierungssysteme durchgeführt werden kann. Zum genauen Bestimmen der Zeiten, an welchen die Impulssignale an den unterschiedlichen Positionen ankommen, müssen die Zeitregistriereinheiten relativ zueinander synchronisiert werden. Diese Synchronisation kann vollkommen unabhängig von der Positionsbestimmung ausgeführt werden, z.B. durch Ausführen der Zeitregistrierung bevor oder nach der Positionsbestimmung. Eine Synchronisierung kann jedoch auch während der Positionsbestimmung ausgeführt werden.
Eine Synchronisierung findet statt durch Injizieren eines Zeitsynchronisationsspannungsimpulses an Kabelende A mittels einer Spule SP, wie oben beschrieben. Dieser Zeitsynchronisierungsspannungsimpuls TP bewegt sich zu dem entgegengesetztem Kabelende B, gerade wie der oben genannte Spannungsimpuls, welcher aus der partiellen Entladung resultiert. Der Zeitsynchronisierungsspannungsimpuls TP kann an Kabelende B mit dem gleichen Detektor 13 gemessen werden, mit welchem Impulssignal S_b gemessen wird. Wenn die Impulsinjektion an Position A mit einem bestimmten vorbestimmten Intervall wiederholt wird, wird der Synchronisierungsimpuls an Position B mit dem gleichen Intervall detektiert werden. Dies macht es möglich, die Zeitregistriereinheit 14 an Position B mit Zeitregistriereinheit 11 an Position A zu synchronisieren. Es wird hier angenommen, dass die Zeitregistriereinheiten während des Intervalls der Zeit zwischen zwei Synchronisierungsimpulsen stabil sind, so dass die Zeitregistrierung mit ausreichender Präzision durchgeführt werden kann. Nachdem die Zeitregistriereinheiten somit relativ zueinander synchronisiert worden sind und die Zeitlabel der empfangenen oder noch zu empfangenden Impulssignale S_A und S_B daher miteinander verglichen werden können, können die Unterschiede in Ankunftszeit der Impulssignale präzise bestimmt werden. Durch Synchronisieren der Zeitregistriereinheiten und somit Ermöglichen einer ausreichend genauen Bestimmung der Unterschiede in der Ankunftszeit, kann auf spezielle sehr genaue Uhren, wie beispielsweise diejenigen des oben erwähnten GPS-Systems, verzichtet werden. Es ist möglich, dass relativ einfache Uhren, die in der Technik bekannt sind, oder sogar Zähler, die in der Technik bekannt sind, ausreichend sind, da es nicht die absolute Zeit sondern nur die relative Zeit in Relation zu den Synchronisierungszeiten ist, welche wichtig ist.
7 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform sind ein Detektor 13 und eine Zeitregistriereinheit 14 an dem rechten Ende B des Kabels 1 vorgesehen. Detektor 13 detektiert das Impulssignal S_B, welches nach rechts verschoben worden ist, zu einem Zeitpunkt Tc, und die Zeitregistriereinheit 14 versieht dieses Impulssignal S_B mit einem Zeitlabel, mit welchem die Ankunftszeit Tc des Impulssignals S_B abgeleitet werden kann. Das Impulssignal S_A, welches nach links verschoben wird, wird durch einen Detektor 8 empfangen. Der Detektor betreibt dann einen Responder 15, welcher einen Synchronisationsimpuls TP zu Position B über Spule SP zum Zeitpunkt Tb zurücksendet. Detektor 13 detektiert dann die Ankunft des Synchronisationsimpulses TP, woraufhin ein Zeitregistrierelement 14 den empfangenen Synchronisationsimpuls TP mit einem Zeitlabel versieht. Zeitregistriereinheit 14 wird an einem Computer (nicht gezeigt) (wobei mit Computer jegliche elektronische Verarbeitungsvorrichtung gemeint ist) angeschlossen. Der Computer bestimmt die Ankunftszeit Ta des ersten Spannungsimpulssignals S_A auf der Basis der Laufzeit des Synchronisationsimpulses TP, wobei die Ankunftszeit des ersten Impulssignals S_A an Position A die gleiche ist wie die Ankunftszeit des Synchronisationsimpulses TP an Position B minus der Laufzeit des Synchronisationsimpulses (gleich der vorbestimmten Kabellänge l geteilt durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses durch das Kabel) und minus einer voreingestellten Zeitlaufzeit (Dt), welche gleich der Zeit ist, welche zwischen einem Empfangen des ersten Spannungssignals an Position A und Senden des Synchronisationsimpulses mit Transponder 15 vergeht. Sobald die Ankunftszeiten der ersten und zweiten Impulssignale bekannt sind, kann die Position der Unregelmäßigkeit, welche die partielle Entladung bewirkt, auf die oben beschriebene Art und Weise bestimmt werden.
Die Zeitsynchronisierungsimpulse können also zur Datenkommunikation zwischen den zwei Kabelenden verwendet werden, z.B. durch Senden und Empfangen weiterer Impulse in einem spezifischen Rhythmus nach dem Synchronisierungsimpuls. Diese Daten können z.B. für weitere Einstellungen der Messausrüstung auf beiden Enden der Stromkabel verwendet werden, oder um die Ergebnisse des Zeitlabelingprozesses zu einem bestimmten Kabelende zu senden, wo die Ergebnisse weiterverarbeitet werden können.
Es ist auch möglich, Steuerdaten in die Informationssignale zum Steuern der Unterstationen, an welchen das Stromkabel angeschlossen ist, oder Daten über das Stromkabel selbst hinzuzufügen. Wenn z.B. eine Störung in einer Unterstation des externen Elektrizitätsnetzes auftritt, können Daten, welche die Art, Größe und ähnliches dieser Störung betreffen, über die Erdhülle des Stromkabels gesendet werden, ohne dass die Spannung darin von dem Stromkabel entfernt werden muss. Diese Daten können dann bewirken, dass ein Betreiber die fragliche Unterstation reparieren lässt. Es ist auch möglich, Daten zurück zu der Unterstation mit dem Zweck des Steuerns der Unterstation zu schicken, so dass die Störung behoben wird. Die festen Telefonverbindungen zu den Unterstationen, welche in der Praxis zu diesem Zweck oft verwendet werden, können hierdurch weggelassen werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen davon beschränkt. Die nachgesuchten Rechte sind in den folgenden Ansprüchen definiert, in deren Umfang viele Modifikationen vorgesehen werden können.

Claims

Verfahren zum Eingeben eines Informationssignals in ein Stromkabel (1), welches verbunden ist mit einer Spannungsversorgung (10), und welches zumindest einen oder mehrere Leiter (2) umfasst, ein Dielektrikum (3, 4), welches um die Leiter vorgesehen ist, und eine leitfähige Erdhülle (5), die ganz oder teilweise um das Dielektrikum angeordnet ist, wobei das Verfahren das Eingeben eines Informationssignals an einer ersten Position (A) in dem Stromkabel umfasst, um ein entsprechendes Informationssignal, welches sich zu einer zweiten Position (B) des Stromkabels ausbreitet, zu produzieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Eingebens eines Informationssignals in das Stromkabel das Eingeben eines impulsförmigen Informationssignals (TP) an der ersten Position in der Erdhülle (15) umfasst, um ein entsprechendes impulsförmiges Informationssignal über dem Dielektrikum (3, 4) zwischen dem einen oder mehreren Leitern und der Erdhülle des Stromkabels zu produzieren, wobei sich das entsprechende Informationssignal in dem Dielektrikum des Stromkabels zu einer zweiten Position (B) ausbreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Eingebens eines Informationssignals in die Erdhülle (5) das Injizieren eines Stromimpulses in die Erdhülle umfasst, wobei ein Spannungsimpuls (V) über dem Dielektrikum des Stromkabels produziert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei Injizieren des Stromimpulses in die Erdhülle und Schließen des Strompfades über andere Komponenten in der Spannungsversorgung den Stromimpuls über dem Dielektrikum produziert.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1–3, wobei Eingeben eines impulsförmigen Informationssignals in das Stromkabel das Eingeben des Informationssignals direkt in die Erdhülle (5) umfasst, in einen Erddraht (7) zwischen der Erdhülle und der Erde und/oder in eine Leitung zwischen der Spannungsquelle und der Erde.
Verfahren gemäß Anspruch 4, welches die Schritte umfasst des Vorsehens einer oder mehrerer Spulen (5p) an einer Position nahe der Erdhülle (5), dem Erddraht (7) und/oder der Leitung zwischen der Spannungsquelle und der Erde, um einen Stromimpuls zu injizieren, der einen Spannungsimpuls über dem Dielektrikum bewirkt ohne Kontakt mit den einen oder mehreren Leitern des Stromkabels.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1–5, welches das Übertragen von Daten zwischen den Positionen über das Stromkabel umfasst.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, wobei allgemeine Daten Steuerdaten oder Daten über das Stromkabel selbst umfassen.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1–7, welches das Synchronisieren der Zeit zwischen der ersten und der zweiten Position umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8, welches das periodische Übertragen eines Synchronisationsinformationssignals zu einem vorbestimmten Zeitintervall und periodisch synchronisierende Zeitregistrierungsmittel umfasst, angeordnet nahe der ersten und zweiten Position unter Verwendung des periodisch übertragenen Synchronisationssignals.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, umfassend das Diagnostizieren des Dielektrikums auf der Basis des Übertragens des Informationssignals zwischen den Positionen.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, wobei das Stromkabel einen oder mehrere Zweige umfasst.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, umfassend das Eingeben des Informationssignals, wenn einer oder mehrere der Leiter in einem spannungsführenden Modus sind.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spannungsquelle (10) eine Station eines externen Elektrizitätsnetzes ist.
System zum Eingeben eines elektrischen Informationssignals in ein Stromkabel (1), welches verbunden ist mit einer Spannungsversorgung (10) mit einer Spannungsquelle und welches zumindest einen oder mehrere Leiter (2) umfasst, ein Dielektrikum (3, 4), das um die Leiter vorgesehen ist und eine leitfähige Erdhülle (5), angeordnet ganz oder teilweise um das Dielektrikum, umfassend: – Eingabemittel (5p) zum Eingeben eines Informationssignals an einer ersten Position (A) in dem Stromkabel (1), hierin produzierend ein entsprechendes Informationssignal, welches sich zu einer zweiten Position in dem Dielektrikum des Stromkabels (1) ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabemittel angeordnet sind, um ein impulsförmiges Informationssignal an der ersten Position (A) in der Erdhülle (5) einzugeben, um ein entsprechendes impulsförmiges Informationssignal über das Dielektrikum zwischen den einen oder mehreren Leitern (2) und der Erdhülle (5) des Stromkabels (1) zu produzieren, wobei sich das entsprechende Informationssignal in dem Dielektrikum des Stromkabels zu der zweiten Position ausbreitet.
System gemäß Anspruch 14, wobei die Eingabemittel angeordnet sind, um einen Stromimpuls in die Erdhülle zu injizieren, wobei ein Spannungsimpuls (V) über dem Dielektrikum des Stromkabels produziert wird.
System gemäß Anspruch 15, wobei die Spannungsversorgung (10) einen Erddraht umfasst zwischen der Erdhülle und der Erde und/oder eine Leitung zwischen der Spannungsquelle und der Erde und wobei die Eingabemittel ausgeführt sind, um den Stromimpuls direkt in die Erdhülle, in den Erddraht und/oder die Leitung zu injizieren.
System gemäß den Ansprüchen 14–16, wobei die Eingabemittel eine oder mehrere Spulen (5p) umfassen, die positioniert sind nahe der Erdhülle, dem Erddraht und/oder der Leitung zwischen der Spannungsquelle und der Erde, um einen Stromimpuls einzugeben, der einen Spannungsimpuls über dem Dielektrikum veranlasst, ohne Kontakt mit dem einen oder mehreren Leitern des Stromkabels.
System gemäß irgendeinem der Ansprüche 14–17, umfassend impedanzerhöhende Mittel (11), wobei die Impedanz in einem oder mehreren Erddrähten lokal erhöht werden kann, derart, dass das Informationssignal, welches einzugeben ist, ein entsprechendes impulsförmiges Informationssignal insbesondere in dem Dielektrikum des Stromkabels verursacht.
System gemäß Anspruch 18, wobei die impedanzerhöhenden Mittel eines oder mehrere Ferritelemente (11) umfasst, die in dem/den relevanten Erddraht/-drähten angeordnet sind.
System gemäß irgendeinem der Ansprüche 14–19, auch umfassend Detektionsmittel (8) zum Detektieren der Spannungsimpulse, die sich entlang des Stromkabels ausbreiten.
System gemäß irgendeinem der Ansprüche 14–20, umfassend erste bzw. zweite Zeitregistrierungsmittel (14) und Zeitsynchronisierungsmittel, positioniert an der ersten und zweiten Position, zu dem Zweck des Synchronisierens der Zeitregistrierungsmittel relativ zueinander unter Verwendung eines Informationssignals, welches in die Erdhülle eingegeben wird.
System gemäß Anspruch 21, wobei die Eingabemittel angepasst sind, um das Informationssignal periodisch zu einem vorbestimmten Zeitintervall einzugeben, und die Synchronisierungsmittel angepasst sind, um die ersten und zweiten Zeitregistrierungsmittel periodisch zu synchronisieren.
System gemäß Anspruch 21 oder 22, wobei die Eingabemittel (5p), Detektionsmittel (8) und die Zeitregistrierungsmittel (14) angepasst sind, um die Positionen von Irregularitäten, welche partielle Entladungen in dem Dielektrikum des Stromkabels verursachen, zu bestimmen.
System gemäß irgendeinem der Ansprüche 14–23, wobei die Spannungsquelle eine Station eines externen Elektrizitätsnetzes ist.
System oder Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spannung auf den spannungsführenden Kabeln in dem Bereich von 200 V–400 kV liegt.