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Hintergrund
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Die
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Erfassen eines
zeitlich variierenden Stroms. Insbesondere erfasst die Erfindung
einen vorübergehenden
Strom, wie er durch eine Anzahl physikalischer Mechanismen erzeugt
wird, z. B. einen auf einem elektrischen Leiter geführten Stromimpuls, mit
einem besseren Signal/Rauschsignal-Verhältnis als bei existierenden
Stromsensoren.
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Eine
wichtige Anwendung betrifft die Erfassung einer plötzlichen,
lokalisierten Ladungsumverteilung an einem fehlerhaften Isolationspunkt
unter hoher elektrischer Belastung, z. B. elektrischen Spannungskabeln,
Hochspannungstransformatoren. Eine derartige Ladungsumverteilung
führt zu
intermittierender Bogenbildung, die das Vorliegen eines Fehlers
signalisiert. Der Begriff Fehler, wie hier verwendet, betrifft sowohl
einen beginnenden Fehler, der nicht zu einem unmittelbaren Ausfall
führen muss,
aber schließlich
zu einem Ausfall führen
kann, als auch einen vollständigen
Systemausfall. Es ist gut bekannt, dass Teilentladungsereignisse übliche Vorläufer vieler
wesentlicher Ausfallmodi bei einer Anzahl von Hochspannungsvorrichtungen
sind.
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Die
frühe Erfassung
eines beginnenden Fehlers, der zu beträchtlichen Unannehmlichkeiten
und finanziellen Verlusten führen
kann, durch Überwachen
von Teilentladungsereignissen kann das Auftreten eines vollständigen Ausfalls
verhindern. Zum Beispiel kann der Ausfall von Hochspannungsvorrichtungen
eines Stromversorgers, wie Transformatoren und Hochspannungs-Verteilungskabeln,
insbesondere während
einer kritischen Periode, zu enormen Unannehmlichkeiten für die Kunden
und finanziellen Verlusten der Firma führen.
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Die
Energie in Zusammenhang mit einem Teilentladungsereignis ist typischerweise
extrem klein. Diese Energie ist dann besonders klein, wenn der Effekt,
der zur Teilentladung führt,
in einem frühen
Stadium seiner Entwicklung auftritt. Angesichts des Wunschs, Effekte
in derartig frühen
Stadien zu erkennen, ist es ersichtlich, dass es extrem wünschenswert
ist, über
einen Sensor zu verfügen,
der einen Stromimpuls mit hohem Signal/Rauschsignal-Verhältnis erkennt.
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US-A-5,075,629
offenbart eine Vorrichtung zum Erkennen einer Teilentladung in einem
Transformator. Insbesondere offenbart dieses Patent eine Antenne,
die aus einem einzelnen, massiven Kern mit einem darum gewickelten
leitenden Draht besteht, die innerhalb des Transformators platziert
ist, um die Emission einer elektromagnetischen Welle zu erfassen,
die von ihm als Ergebnis des Auftretens einer Teilentladung erzeugt
wird. Das Zentrum des um den einzelnen Kern gewickelten leitenden
Drahts ist geerdet, um zwei Spulen zu erzeugen. Das zeitlich variierende
Magnetfeld der elektromagnetischen Welle induziert in den Spulen
zwei Spannungen, die die Eingangssignale für einen Differenzverstärker bilden. Das
Ausgangssignal des Verstärkers
signalisiert das Auftreten einer Teilentladung.
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Die
in US-A-5,075,629 offenbarte Antenne verfügt über einen massiven Kern, der
es nicht ermöglicht,
ein Kabel durch ihn zu führen.
So kann die Vorrichtung nicht direkt durch ein Kabel mit dem Transformator
verbunden werden, um einen durch eine Teilentladung erzeugten Stromimpuls
zu empfangen. Demgemäß stützt man
sich auf eine schwächere
Kopplungsart, d. h. die Erfassung der vom Transformator abgegebenen
elektromagnetischen Welle. Dieser Kopplungsmodus hat die weitere
Einschränkung
zur Folge, dass die Vorrichtung nicht außerhalb des Transformators
genutzt werden kann, da Hochspannungstransformatoren typischerweise durch
Ummantelungen abgeschirmt sind.
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Einige
bekannte Techniken betreffen das Auffinden der Stelle eines Teilentladungsereignisses, um
die Korrektur des zur Entladung führenden Fehlers zu ermöglichen.
Zum Beispiel offenbart US-A-5,530,364 eine Vorrichtung zum Erkennen
der Stelle eines beginnenden Fehlers in einem isolierten Kabel.
Insbesondere scannt die Vorrichtung die Oberfläche des Kabels durch körperliches
Verstellen zweier separater, axial beabstandeter Sensoren, die angrenzend
an die Oberfläche
angeordnet werden, über
das Kabel ab. Ein Teilentladungsereignis erzeugt einen Stromimpuls
durch das Kabel, der wiederum an jedem der zwei Sensoren elektrische
Impulse erzeugt. Diese zwei Impulse werden addiert, um ein resultierendes
Signal zu erzeugen, dessen Stärke
dann ein Maximum erreicht, wenn die Teilentladung an einem Punkt
in der Mitte zwischen den zwei Sensoren auftritt, um so die Stelle
der Entladung anzuzeigen.
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Die
Energie, wie sie durch ein Teilentladungsereignis in einer Hochspannungsvorrichtung erzeugt
wird, ist typischerweise extrem klein. Demgemäß ist es zwingend, dass das
zum Erfassen derartiger Ereignisse konzipierte System eine Maßnahme für Kopplung
an die Vorrichtung bietet, die über
minimale Verluste verfügt,
und auch eine Maßnahme
zur Erfassung bietet, die für
ein hohes Signal/Rauschsignal-Verhältnis sorgt. Außerdem ist
für die
periodische Überwachung
einer Vorrichtung auf Teilentladungen ein System erforderlich, das
leicht an die Vorrichtung angeschlossen und von ihr getrennt werden
kann. Viele bekannte Systeme leiden unter einer Anzahl von Einschränkungen
in Zusammenhang mit den oben genannten wünschenswerten Merkmalen. Zum Beispiel
wird bei Anwendung der Vorrichtung gemäß US-A-5,075,629 nicht nur
ein Modus einer schwachen Kopplung an den Transformator verwendet, sondern
es ist auch ein Öffnen
des Transformators erforderlich, um die Antenne in ihm zu platzieren.
Die Vorrichtung gemäß US-A-5,530,364
ist typischerweise ein Zeitmesssystem zum Signalisieren des Eintreffens
zweier Impulse an den Sensoren, und es sind keine neue Techniken
bereitgestellt, um das Signal/Rauschsignal-Verhältnis der erfassten Impulse zu
verbessern.
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Es
ist zu beachten, dass die Wünschbarkeit des
Erkennens vorübergehender
Ströme
mit hohem Signal/Rauschsignal-Verhältnis nicht auf das Überwachen
von Teilentladungen beschränkt
ist. Eine andere mögliche
Anwendung betrifft z. B. die Überwachung
eines in Implantationssystemen verwendeten Elektronen- oder Ionenstrahls.
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JP 01 187465 offenbart
eine Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 dargelegten Merkmalen
zum Erfassen eines Stroms ohne Beeinflussung durch eine Leitungsspannung
und die Temperatur. Die Impedanz zweier Spulen, die direkt um einen
Strom führenden
Draht gewunden sind, ändert sich
aufgrund einer Änderung
der magnetischen Permeabilität
zweier amorpher, magnetischer, metallischer Bänder mit uniaxialer magnetischer
Anisotropie, mit einem Winkel zu einem axialen Kern eines Spulenhalters.
Eine Signalverarbeitung überwacht die
Spulenimpedanzen und erzeugt eine der Stromstärke entsprechende Ausgangsspannung.
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der Erfindung, einen durch einen Leiter geführten vorübergehenden
Strom mit verbessertem Signal/Rauschsignal-Verhältnis zu erfassen.
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Es
ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Stromsensor zu
schaffen, der einfach kalibriert werden kann.
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Es
ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Stromsensor mit
einem breitbandigen und/oder auswählbaren Frequenzgang zu schaffen.
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Es
ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Überwachen
von Teilentladungen in Hochspannungsvorrichtungen mit verbessertem
Signal/Rauschsignal-Verhältnis
zu schaffen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
obigen Aufgaben sind durch die im Anspruch 1 definierte erfindungsgemäße Vorrichtung und
das im Anspruch 17 definierte Verfahren gelöst.
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Bei
einer Ausführungsform
wird ein zeitlich variierender Strom unter Verwendung mehrerer im Wesentlichen
toroidförmiger
Spulen mit getrennten Wicklungen erfasst, die eng beieinander platziert sind,
so dass sie im Wesentlichen gleichzeitig auf ein Stromsignal reagieren,
das durch die mittlere Öffnung
der Toroide läuft.
Insbesondere induziert der Strom mehrere Spannungen an diesen Spulen,
wobei jede induzierte Spannung die Erfassung des Stroms anzeigt.
Die induzierten Spannungen können kombiniert
werden, d. h. summiert und/oder subtrahiert werden, um ein resultierendes
Signal zu erzeugen, das die Existenz des zeitlich variierenden Stroms
anzeigt. Eine Einzelspule mit toroidförmigem Aufbau wird manchmal
als Rogowski-Spule bezeichnet. Designüberlegungen für Rogowski-Spulen
sind z. B. in A.J. Schwab, High Voltage Measurement Techniques (1972)
beschrieben.
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Es
ist in der Physik gut bekannt, dass ein sich ändernder Magnetfluss innerhalb
einer Spule an dieser eine Spannung induziert. Demgemäß induziert
ein sich ändernder
Magnetfluss, in Zusammenhang mit einem Stromimpuls, durch die eng
beabstandeten Spulen mehrere Spannungen an diesen. Die Abstände zwischen
den Spulen werden so ausgewählt,
dass jede Spule im Wesentlichen auf dasselbe Magnetfeld reagiert.
Außerdem
wird jede Spule elektrisch gegen die anderen isoliert, so dass jede
induzierte Spannung eine unabhängige
Reaktion auf denselben Strom repräsentiert. Die induzierten Spannungen
können
entweder individuell genutzt werden, oder sie können auf verschiedene Arten kombiniert
werden, wie es unten vollständiger
beschrieben wird, um ein kombiniertes Signal zu erzeugen.
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Mindestens
eine Spule kann so ausgewählt werden,
dass sie entweder über
eine Wicklung mit entgegengesetzter Polarität zu der einer anderen Spule verfügt, oder über eine
Wicklung ähnlicher
Polarität,
jedoch umgekehrten Ausgangsanschlüssen in Bezug auf die andere
Spule, verfügt.
Zwei derartige Spulen werden hier dahingehend bezeichnet, dass sie
zueinander entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Die induzierten
Spannungen an zwei Spulen mit entgegengesetzten Polaritäten haben
zueinander entgegengesetzte Phasen. Außerdem gewährleistet die enge Nachbarschaft
zweier derartiger Spulen, dass die Störsignalcharakteristik der an
einer Spule induzierten Spannung im Wesentlichen derjenigen der
an der anderen Spule induzierten Spannung ähnlich ist. Demgemäß führt die
Subtraktion der an zwei Spulen mit entgegengesetzten Polaritäten induzierten
Spannungen zur Addition der zwei induzierten Spannungen und einer
Verringerung der Störsignale, d.
h. zu einem verbesserten Signal/Rauschsignal-Verhältnis.
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Ferner
kann mindestens eine Spule der mehreren eng beabstandeten Spulen
als Kalibrierspule ausgewählt
werden. Die Einspeisung eines bekannten Treiberstroms in eine derartige
Kalibrierspule induziert einen Strom in einem elektrischen Leiter,
der in der Mitte des Sensors angeordnet ist, was wiederum in den
anderen Spulen einen zeitlich variierenden Magnetfluss erzeugt.
Das zeitlich variierende Magnetfeld induziert mehrere Spannungen
an diesen Spulen. Da die Stärke
des in die Kalibrierspule eingespeisten Stroms bekannt ist, kann
der Wert der durch den eingespeisten Strom in den anderen Spulen
induzierten Reaktion leicht berechnet werden. So sorgt eine Messung
der induzierten Spannungen aufgrund des eingespeisten Stroms für eine Kalibrierung
der Spulen.
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Die
eng beabstandeten Spulen können
zur Erfassung eines zeitlich variierenden Magnetfelds angepasst
sein, das über
verschiedene ausgewählte Frequenzbereiche,
einschließlich
einer großen
Frequenzbandbreite, verfügt.
Insbesondere wird mindestens eine Spule so ausgewählt, dass
sie von den anderen verschieden ist, d. h., es wird mindestens eine
Spule so ausgewhält,
dass sie über
eine andere Anzahl von Windungen und/oder ein anderes Kernmaterial
verfügt.
Die Reaktion einer derartigen Spule ist bei einer speziellen Frequenz
optimal, die von den Frequenzen verschieden ist, bei denen die anderen Spulen
ihre optimalen Reaktionen zeigen. Dies führt zu einem Stromsensor mit
größerer Bandbreite und/oder
mit ähnlichen
optimalen Reaktionen in verschiedenen Frequenzbereichen. Zum Beispiel
kann ein breitbandiger Sensor über
eine Spule mit einem Frequenzgang verfügen, der auf 60 Hz zentriert
ist, und eine andere Spule kann über
einen auf 1 MHz zentrierten Frequenzgang verfügen. Vorzugsweise werden die
Spulen so ausgewählt,
dass die zusammengesetzte Reaktion der Spulen die interessierende
Frequenzbandbreite des zeitlich variierenden Magnetfelds überspannt.
Bei einigen Ausführungsformen
der Erfindung werden die an den Spulen eines derartigen breitbandigen
Magnetsensors induzierten Spannungen aufsummiert, um ein resultierendes
Signal zu erhalten, das das Vorliegen des zeitlich variierenden
Stroms anzeigt.
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Eine
gewichtige Anwendung eines breitbandigen Stromsensors betrifft die
Erkennung eines vorübergehenden
Stroms mit kurzer Zeitdauer, der auf einem elektrischer Leiter geführt wird.
Dies ist zu verstehen, wenn beachtet wird, dass ein derartiger Stromimpuls
innerhalb seiner Frequenzbandbreite viele Frequenzkomponenten enthält. Die
Spulen können so
konzipiert werden, dass jede Spule optimal auf eine ausgewählte Anzahl
dieser Frequenzkomponenten reagiert. So ist die zusammengesetzte
Reaktion aller Spulen auf einen vorübergehenden Strom effektiver
als die Reaktion jeder einzelnen Spule.
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Es
ist zu beachten, dass der Stromsensor alle oben beschriebenen verschiedenen
Merkmale enthalten kann. Insbesondere enthält ein Sensor mit mehreren
Spulen in solcher Weise, dass mindestens zwei Spulen zueinander
entgegengesetzte Polaritäten
liefern, oder mit mindestens einer Spule als Kalibrierspule, oder
mit mindestens einer Spule mit einem Frequenzgang, der vom Frequenzgang
der anderen Spulen enthalten ist, alle oben genannten Merkmale.
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Es
können
mehrere Spulen auf einer Anzahl von Kernen so angeordnet sein, dass
jede Spulen einem zeitlich variierenden Strom im Wesentlichen zum
selben Zeitpunkt entspricht. Die Spulen werden auf gesonderten Kernen
angebracht. Das Material der Kerne wird so ausgewählt, dass
es über
hohlmagnetische Permeabilität
verfügt,
z. B. Ferritmaterial oder Luft, um das Eindringen eines Magnetfelds
in den Körper
der Kerne zu ermöglichen.
Das Eindringen des Magnetfelds in die Kerne führt zu einem sich ändernden
Magnetfluss innerhalb der auf den Kernen angebrachten Spulen, wodurch
wiederum mehrere Spannungen an den Spulen induziert werden. Die
Aufbauten der Kerne können
so ausgewählt
werden, z. B. toroidförmig
oder im Wesentlichen toroidförmig,
dass Sensoren geschaffen werden, die für eine Anzahl von Anwendungen
geeignet sind. Die Verwendung separater Kerne erlaubt das Erzielen separater,
unabhängiger
Signale von jeder der mehreren Spulen in Reaktion auf dasselbe Magnetfeld.
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Es
ist typischerweise wünschenswert,
einen Magnetkern, auf dem eine Spule zur Erkennung eines zeitlich
variierenden Stroms angebracht wird, so groß wie möglich zu wählen. Der Vorteil der Verwendung
eines großen
Kerns ist dann erkennbar, wenn beachtet wird, dass dann, wenn die
Kerngröße zunimmt,
von diesem eine größere Anzahl
magnetischer Feldlinien eines zeitlich variierenden Magnetfelds
geschnitten werden, was. zu einem größeren Magnetfluss innerhalb
des Kerns führt.
Der größere Magnetfluss
führt wiederum
zu einer größeren induzierten
Spannung an der auf dem Kern angebrachten Spulen, d. h. einem besseren
Signal/Rauschsignal-Verhältnis.
Große
Magnetkerne sind jedoch teuer und schwierig herzustellen. Unter
Verwendung mehrerer Kerne werden die Vorteile der Verwendung eines
einzelnen großen
Kerns erzielt, z. B. ein besseres Signal/Rauschsignal-Verhältnis, ohne
dessen Nachteile, z. B. höhere
Kosten und schwierige Herstellung.
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Die
toroidförmigen
und quasi-toroidförmigen Aufbauten
sind insbesondere dazu geeignet, einen auf einem elektrischen Leiter
geführten
Stromimpuls zu erfassen. Eine bedeutende Anwendung einer derartigen
Stromimpulserfassung betrifft das Signalisieren des Auftretens eines
Fehlers in einer Hochspannungsvorrichtung, z. B. einem Hochspannungstransformator
oder einem elektrischen Hochspannungskabel. Zum Beispiel werden
durch das Auftreten einer Teilentladung in einer derartigen Hochspannungsvorrichtung
Stromimpulse erzeugt, die durch einen Magnetsensor erfasst werden
können.
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Es
ist möglich,
die mehreren eng beabstandeten Spulen in Verbindung mit einem Netzwerk
von Kapazitäten,
Induktivitäten
und Widerständen
zu verwenden, um einen elektronischen LCR-Resonanzkreis zu erzeugen.
Die Verwendung eines derartigen Resonanzkreises verstärkt Ströme mit ausgewählten Frequenzen
und erhöht
demgemäß die induzierten Spannungen,
wodurch die Erfassung schwacher zeitlich variierender Magnetfelder
möglich
wird. Wie bereits angegeben, besteht eine wichtige Anwendung des
Sensors in der Erkennung von Teilentladungen in Hochspannungsvorrichtungen.
Da derartige PD(Partial Discharge = Teilentladung)-Ereignisse typischerweise
von kurzer Dauer sind, z. B. weniger als eine Mikrosekunde, werden
die Werte der Induktivität,
der Kapazität
und des Widerstands eines LCR-Resonanzkreises, wie er in einem zur
Erkennung derartiger Ereignisse konzipierten Sensor verwendet wird,
typischerweise so ausgewählt,
dass eine Resonanzfrequenz im Bereich von 30 kHz bis 5 MHz erzeugt
wird.
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Der
gemäße Sensor
kann mit einer Hochspannungstransformator-Durchführung verwendet werden. Der
Sensor verfügt über einen
ersten und einen zweiten Kern mit jeweiligen Spulen, die mit einem
Bauteil, wie einem Differenzverstärker, gekoppelt werden, und
wahlweise einen dritten Kern mit einer Spu le, die an einen Spannungsverlaufsmonitor gekoppelt
wird. Ein elektrischer Leiter, der kapazitiv mit einem in der Transformatordurchführung enthaltenen
Hochspannungsleiter gekoppelt ist, kann dazu verwendet werden, ein
Signal zu entnehmen, das für die
in den Transformator oder aus ihm fließende elektrische Leistung
repräsentativ
ist. Dieses Signal kann durch die erfindungsgemäßen Doppelspulensysteme bestimmt
werden, die typischerweise so abgestimmt sind, dass sie die Grundfrequenz
des Wechselstroms von 60 Hz (oder 50 Hz) dämpfen. Falls erwünscht, kann
der Wechselspannungeverlauf auch unter Verwendung einer dritten
Spule überwacht
werden, die mit einem Spannungs-/Signalverlaufsmonitor gekoppelt
ist.
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So
ist eine Differenzerfassung eines vorübergehenden Magnetfelds möglich, und
es können
die oben genannten Vorteile einschließlich eines besseren Signal/Rauschsignal-Verhältnisses,
einer auswählbaren
Bandbreite, einfacher Kalibrierung und einer möglichen Kostensenkung erzielt
werden.
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Als
Nächstes
wird eine Ausführungsform
der Erfindung in Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Für den Fachmann
ist es ersichtlich, dass an der Ausführungsform verschiedene Modifizierungen
vorgenommen werden können.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines Sensors mit einer Umhüllung zum Aufnehmen mehrerer toroidförmiger Kerne,
von denen jeder eine Spule trägt,
die den Durchgang eines elektrischen Leiters durch ihre mitteleren
Löcher
erlauben, um einen durch den Leiter geführten Stromimpuls zu erfassen, und
wobei die Ausgangssignale jeder Spule nach Bedarf verfügbar gemacht
werden;
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2 ist
eine detailliertere Darstellung der Komponenten einer Ausführungsform
der in der 1 dargestellten Vorrichtung,
wobei ein Differenzverstärker
ein Signal proportional zur Differenz zweier elektrischer Spannungen
mit entgegengesetzten Phasen erzeugt, die ein Stromimpuls an zwei
Toroidspulen mit entgegengesetzten Wicklungen, jedoch ähnlichen
Ausgangsanschlüssen
induziert, wobei der Deutlichkeit halber der Abstand zwischen den
zwei Spulen übertrieben
ist und keinerlei Umhüllung
dargestellt ist;
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2A zeigt
einen Sensor, der dem in der 2 dargestellten ähnlich ist,
jedoch mit der Ausnahme, dass die zwei Spulen über ähnliche Wicklungen und umgekehrte
Ausgangsanschlüsse
verfügen, um
so zwei induzierte Spannungen mit entgegengesetzten Phasen zu liefern,
die in einen Differenzverstär ker
eingegeben werden;
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2B ist
eine Schnittansicht der 2;
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2C ist
eine Schnittansicht der 2A;
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3 zeigt
einen Sensor unter Verwendung zweier separater Kerne mit zwei Spulen
entgegengesetzter Polaritäten
sowie eines Netzwerks von Induktivitäten, Kapazitäten und
Widerständen,
um eine Differenzerfassung eines vorübergehenden Magnetfelds auszuführen;
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4 veranschaulicht
einen Sensor, der auf einen vorübergehenden
Strom hin für
eine Antwort mit selektiver Bandbreite unter Verwendung zweier verschiedener,
auf zwei gesonderten Kernen angeordneten Spulen sorgt;
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5 ist
eine Darstellung eines Magnetsensors mit zwei separaten Kernen,
von denen jeder über
eine Spule verfügt,
wobei eine der Spulen zur Kalibrierung der anderen verwendet wird;
und
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6 ist
eine Darstellung eines Magnetsensors mit drei Kernen mit jeweils
einer Spule, wobei eine Kopplung mit einer Energiebereitstellvorrichtung über eine
Hochspannungsdurchführung
vorliegt.
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Detaillierte
Beschreibung
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Die 1 zeigt
eine Schnittansicht einer Vorrichtung, bei der eine abschirmende
Metallumhüllung 10 eine
Anzahl von Kernen 12 aufnimmt, auf denen jeweils eine leitende
Spule angebracht ist. Die Umhüllung
verfügt über eine Öffnung,
die den Durchgang eines elektrischen Kabels 14 durch sie
ermöglicht.
Ausgangsverbindungen 16 und 16A sorgen für Zugriff
auf die Spannungen, wie sie an den Anschlüssen der leitenden Spulen induziert
werden. In der Umhüllung
vorhandene Spalte 18 erlauben das Eindringen eines Magnetfelds
in die Spulen, das durch einen durch das Kabel geführten Strom
erzeugt wird.
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Die 2 ist
eine detailliertere Darstellung der Kerne und der Spulen der Vorrichtung
der 1 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform,
und sie veranschaulicht zwei separate Kerne, nämlich einen Kern 20 mit
einer auf ihm angebrachten Spule 22 mit Anschlüssen 24 und 26,
und einen Kern 28 mit einer auf ihm angeordneten Spule 30 mit
Anschlüssen 32 und 34.
Die Kerne verfügen über Toroidaufbauten
mit mittleren Löchern,
die den Durchgang eines elektrischen Leiters 36 ermöglichen.
Der Abstand zwischen den zwei Spulen in der Figur ist der Deutlichkeit
halber übertrieben
dargestellt, und die Umhüllung
ist nicht dargestellt. In der Praxis sind die zwei Spulen eng benachbart
zueinander angeordnet, so dass sie beide dasselbe Magnetfeld in
Zusammenhang mit dem Strom im Leiter 36 erfassen.
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Wie
hier verwendet, sind eng beabstandete Spulen solche Spulen, die
im Wesentlichen gleichzeitig durch ein Signal beeinflusst werden,
das sich über den
elektrischen Leiter ausbreitet. Wie es der Fachmann erkennt, kann
der maximale Abstand zwischen eng beabstandeten Spulen von der für eine spezielle Messung
benötigten
Auflösung
abhängen.
Zum Beispiel sollten, um eine Auflösung von ungefähr einem Fuß die Orte
von Teilentladungen zu erzielen, zeitliche Messungen auf dem Niveau
von Nanosekunden genau sein. Es ist jedoch ersichtlich, dass dieser
Genauigkeitsgrad für
andere Messtypen nicht erforderlich ist. Bei einer Ausführungsform
ist es bevorzugt, dass die zeitliche Verzögerung, die das Signal auf dem
elektrischen Leiter benötigt,
um von der ersten zur zweiten Spule zu laufen, kleiner als 100 ns,
bevorzugter kleiner als ungefähr
10 ns, ist. Eng beabstandete Spulen können auch durch den maximalen Impedanzwert,
der dem elektrischen Leiter zugeordnet ist, zwischen benachbarten
Spulen definiert werden. Bei einer Ausführungsform ist es bevorzugt, dass
die Leitungsimpedanz zwischen benachbarten Spulen kleiner als ungefähr 10 %
der gesamten Leitungsimpedanz, bevorzugter weniger als ungefähr 10 %
ist.
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Bei
einer Anwendung dieser Ausführungsform,
z. B. bei der Überwachung
von Teilentladungen, induziert ein durch den Leiter laufender Strom an
den zwei Spulen zwei Spannungen. Die Polarität der Wicklung der einen Spule
wird entgegengesetzt zur anderen ausgewählt. Die Anschlüsse 26 und 32 werden
geerdet, und die an den anderen beiden Anschlüssen, d. h. den Anschlüssen 24 und 34,
induzierten Spannungen zeigen zueinander entgegengesetzte Phasen.
Zwischen die Ausgangsanschlüsse der
Spulen 22 und 30 sind zwei Widerstände 38 bzw. 40 geschaltet.
Die Widerstandswerte dieser Widerstände werden so ausgewählt, dass
der Frequenzgang der Vorrichtung beeinflusst wird. Ein Differenzverstärker 42 empfängt an seinen
Eingangsanschlüssen
die an den Anschlüssen 24 und 34 induzierten
Spannungen, und er erzeugt eine Ausgangsspannung proportional zur
Differenz der zwei Eingangsspannungen.
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Die 2A veranschaulicht
eine Ausführungsform,
die ähnlich
wie die Ausführungsform
der 2 zwei separate Toroidkerne verwendet, auf denen
je weils eine Spule angebracht ist. Abweichung von der vorigen Ausführungsform
sind jedoch die Polaritäten
der Wicklungen der zwei Spulen so ausgewählt, dass sie gleich sind,
jedoch sind die Polaritäten
der Ausgangsanschlüsse
umgekehrt. Wenn z. B. ein vorübergehendes
Magnetfeld am Anschluss 24A der Spule 22A eine
positive Spannung induziert, induziert es am Anschluss 34A der
Spule 30A eine negative Spannung. Ein Differenzverstärker 42A empfängt an einem
Eingangsanschluss die an einem Anschluss einer der Spulen induzierte
positive Spannung, und an seinem anderen Eingangsanschluss er empfängt die
am entgegengesetzten Anschluss der anderen Spule induzierte negative
Spannung, und er erzeugt eine Spannung proportional zu deren Differenz.
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Die 2B und 2C sind
Schnittansichten der Kerne und der Spulen der in den 2 bzw. 2A dargestellten
Sensoren, die gezeigt werden, um weiter zu veranschaulichen, dass
induzierte Spannungen mit entgegengesetzten Phasen in Reaktion auf
dasselbe zeitlich variierende Magnetfeld auf zwei verschiedene Weisen
erzeugt werden können.
Insbesondere sind die Spulen der 2B so ausgewählt, dass
sie über
entgegengesetzte Wicklungen, jedoch ähnliche Ausgangsanschlüsse verfügen, so
dass die an ihnen induzierten Spannungen entgegengesetzte Phasen
aufweisen. Beim Sensor der 2C wird
jedoch dasselbe Ergebnis dadurch erzielt, dass die zwei Spulen so
ausgewählt
werden, dass sie über ähnliche
Wicklungen, jedoch entgegengesetzte Ausgangsanschlüsse verfügen.
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Die 3 veranschaulicht
eine Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung eines Netzwerks von Induktivitäten, Kondensatoren
und Widerständen
zum Verstärken
der Spannung, wie sie an mehreren Spulen, die auf separaten Toroidkernen angebracht
sind, als Ergebnis des Durchgangs eines Stromimpulses durch das
mittlere Loch der Toroide induziert wird. Insbesondere sind zwei
Spulen 44 und 46 auf zwei Kernen 48 bzw. 50 angebracht.
Die Spulen verfügen über entgegengesetzte
Wicklungen zum Erzeugen zweier Spannungen mit entgegengesetzten
Polaritäten
auf dasselbe vorübergehende Magnetfeld
hin.
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Ein
elektrischer Leiter 52 läuft durch den Hohlraum im Zentrum
der Kerne, und er führt
einen Stromimpuls. Bei einer Anwendung dieser Ausführungsform
ist der Leiter mit einer Hochspannungsvorrichtung verbunden, die
als Ergebnis des Auftretens einer Teilentladung einen Stromimpuls
erzeugt. Dieser Stromimpuls erzeugt ein Magnetfeld, das in die Kerne
eindringt und in jeder Spule einen zeitlich variierenden Fluss erzeugt,
wodurch an jeder Spule eine Spannung induziert wird. Da die zwei
Spulen über entgegengesetzte Wicklungen
verfügen,
verfügen die
an den zwei Spulen induzierten Spannungen über zwei einander entgegengesetzte
Phasen. So wird am nicht geerdeten Anschluss einer Spule eine positive Spannung
induziert, und am entsprechenden Anschluss der anderen Spule wird
eine negative Spannung induziert.
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Es
wird weiter auf die 3 Bezug genommen, die zwei identische
Kapazitäten 54 und 56 zeigt,
die jeweils elektrisch parallel zu einer der Spulen geschaltet sind.
Zwei identische Widerstände 58 und 60 sind
elektrisch parallel zu den Kapazitäten 54 bzw. 56 geschaltet.
Ferner sind zwei identische Induktivitäten 62 und 64 elektrisch
parallel zu den Widerständen 58 bzw. 60 geschaltet.
Der Kapazitätswert,
der Induktivitätswert
und der Widerstandswert der Kapazitäten, Widerstände und
Induktivitäten
sind auf in der Technik bekannte Weise so gewählt, dass die Kombination jeder
Spule mit der zugehörigen
Kapazität,
dem Widerstand und der Induktivität einen Resonanzkreis mit einer
Resonanzfrequenz im Bereich von 30 kHz bis 5 MHz bildet. Die in
den Spulen induzierten Spannungen erzeugen an den Anschlüssen 66 und 68 zwei
Spannungen.
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Es
wird erneut auf die 3 Bezug genommen, gemäß der ein
Differenzverstärker 70 die
an den Anschlüssen 66 und 68 induzierten
Spannungen an seinen Eingangsanschlüssen empfängt, wobei er ein Ausgangssignal
proportional zur Differenz zwischen den zwei Eingangsspannungen
erzeugt. Da die zwei Eingangsspannungen um 180° phasenverschoben sind, ist
die Stärke
des Aufgangssignals proportional zur Summe der Stärken der
zwei Eingangssignale, wobei der Effektivwert des auf dem Ausgangssignal
mitgeführten
Störsignals
kleiner als die Summe der Effektivwerte der Störsignale auf jedem der zwei
Eingangssignale ist. Demgemäß ist das
Signal/Rauschsignal-Verhältnis
höher als
das der Eingangssignale. Der Differenzverstärker kann durch einen abgeglichenen
Mittelabgriffs-Transformator ersetzt werden, um dasselbe Ergebnis
zu erzielen.
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Wenn
die Vorrichtung dazu verwendet wird, eine Teilentladung zu überwachen,
empfängt
ein Signalverlaufsanalysator 72 das Ausgangssignal des Differenzverstärkers, und
er analysiert den Signalverlauf in Zusammenhang mit den Stromimpulsen,
wenn auf in der Technik gut bekannte Weise nach Spulen eines Teilentladungsereignisses
gesucht wird. Wenn einmal ein derartiges Signal aufgefunden ist,
signalisiert der Signalverlaufsanalysator das Auftreten des Ereignisses.
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Wie
bereits beschrieben, betrifft ein Gesichtspunkt das Herstellen eines Sensors
mit breitbandigem Frequenzgang und/oder einem Frequenzgang, der
in speziellen Bandbreiten ausgewählt
ist. Die 4 veranschaulicht einen breitbandigen
Sensor, bei dem ein Toroidkern 94 mit einer auf ihm angebrachten
Spule 96 in enger Nachbarschaft eines anderen Toroidkerns 98 platziert
ist, auf dem eine Spule 100 angebracht ist. Die zwei Kerne
sind eng beabstandet, so dass beide Spulen im Wesentlichen gleichzeitig
auf ein magnetisches Signal reagieren. Die Wicklungen der zwei Spulen
verfügen über dieselbe
Polarität,
jedoch sind sie absichtlich verschieden gemacht. Zum Beispiel können die
zwei Spulen so ausgewählt
sein, dass sie über
verschiedene Windungszahlen verfügen.
Dies führt
dazu, dass die beiden Spulen über
eine Bandbreite in Reaktion auf ein vorübergehendes Magnetfeld verfügen, die
voneinander verschieden sind. So verfügt der Sensor insgesamt über eine
Bandbreite, die größer als
die jeder Spule ist.
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Eine
Anwendung eines derartigen Sensors ist die Erkennung eines kurzen
Stromimpulses, der auf einem elektrischen Leiter geführt wird.
Gemäß erneuter
Bezugnahme auf die 4 erzeugt ein derartiger Stromimpuls,
der auf einem Leiter 102 geführt wird, der in den mittleren
Löchern
der Kerne angebracht ist, innerhalb jeder Spule einen zeitlich variierenden
Magnetfluss. Der zeitlich variierende Fluss wiederum induziert zwei
Spannungen an den zwei Spulen. Ein summierender Verstärker 104 addiert diese
zwei induzierten Spannungen, um eine resultierende Spannung zu erzeugen.
Die Fourier-Transformierte des zeitlichen Profils des Impulses verfügt über eine
Anzahl von Komponenten. Da die zwei Spulen verschieden gewählt sind,
reagiert jede vorzugsweise auf einen speziellen Satz dieser Komponenten.
So reagieren die zwei Spulen gemeinsam effektiver auf den Stromimpuls
als ein Sensor mit zwei identischen Spulen.
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Es
ist zu beachten, dass die Spulen jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen
verschieden gemacht werden können,
um einen magnetischen Sensor mit breitem Band und/oder auswählbarer
Bandbreite zu konstruieren. So können
Toroid- und Quasi-Toroidaufbauten verwendet werden, um einen Breitbandsensor
für zeitlich
variierende Magnetfelder aufzubauen.
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Die 5 zeigt
noch eine andere Ausführungsform
der Erfindung, um einen magnetischen Sensor mit einer Maßnahme für einfache
Kalibrierung zu veranschaulichen. Insbesondere zeigt die 5 zwei
separate Toroidkerne 106 und 108, die eng benachbart
zueinander angeordnet sind und auf denen Spulen 110 und 112 angeordnet
sind. Die auf den Kern 106 gewickelte Spule wird zu Kalibrierzwecken
verwendet. Insbesondere ist, gemäß weiterer Bezugnahme
auf die 5, ein Signalgenerator 114 veranschaulicht,
der einen bekannten Treiberstrom in die Kalibrierspule einspeist.
Der Strom erzeugt innerhalb des Kerns ein Magnetfeld, das wiederum
einen Strom durch einen Leiter 116 erzeugt, der in den
mittleren Löchern
der zwei Kerne angeordnet ist. Dieser Strom erzeugt einen bekannten
Magnetfluss durch den anderen Kern, der eine Spannung an der Spule 112 induziert.
Eine Messung dieser induzierten Spannung durch ein Voltmeter 118 führt zu einer
Kalibrierung des Sensors.
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Die 6 zeigt
einen Sensor 120, der mit einer Durchführung 122 eines Hochspannungstransformators 124 gekoppelt
ist. Innerhalb der Durchführung 122 befindet
sich ein Leiter 126 für
eine hohe Spannung, z. B. 500 kV, um einen Eingang (oder Ausgang)
für den
Transformator zu bilden. Innerhalb der Durchführungsisolation ist auch ein
konzentrischer, leitender Ring 127 angebracht, der kapazitiv mit
dem Hochspannungsleiter 126 gekoppelt ist und als Abgriff
dient, um zur Analyse durch die Sensoren ein Signal niedrigerer
Spannung zu entnehmen. Der Sensor 120 kann über einen
ersten und einen zweiten Kern 128, 130 verfügen, die
eng beabstandet sind und auf denen eine erste bzw. eine zweite Spule 132, 134 entgegengesetzter
Polarität
angebracht sind. Die erste und die zweite Spule 132, 134 können mit
einem Bauteil, wie dem in der 2 dargestellten Differenzverstärker 42 verbunden
sein. Der Sensor 120 verfügt ferner über einen dritten Kern 136 mit
einer dritten Spule 138, die mit einem Spannungs-/Signalverlaufsmonitor 140 verbunden
ist. In diesem Fall kann die Spule so abgestimmt werden, dass sie
den Wechselspannungsverlauf von 60 Hz (oder einen anderen) erfasst.
Ausgehend vom Leiter 127 erstreckt sich ein elektrischer
Leiter 142 durch die Kerne 128, 130, 136.
Der Leiter 142 kann mit einer Isolierung 144 umgeben
sein, die dazu von Nutzen ist, die Spulen gegen jegliche Spannung
auf dem Leiter 142 zu isolieren. Der Leiter 142 kann
geerdet sein, oder er kann, wie dargestellt, über einen Kondensator 139 mit
Masse verbunden sein. Unter Verwendung des Kondensators 139 kann
auf dem Leiter 142 eine Spannung aufrecht erhalten werden,
während
auch für
durch den Sensor erfasste Stromimpulse für einen Strompfad nach Masse
gesorgt ist. In der Praxis erlaubt es diese Anordnung, andere Messgeräte gemeinsam
mit z. B. Überwachungsvorrichtungen
zum Messen von Spannungen am Kondensator 139 zu verwenden.
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Alternativ
kann der Spannungs-/Signalverlaufsmonitor als Kalibriersignalgenerator
dienen, der auf dem elektrischen Leiter 142 über die
dritte Spule 138 ein relativ hochfrequentes Signal erzeugen
kann. Das resultierende Signal auf dem Leiter 142 erzeugt entsprechende
Signale an der ersten und der zweiten Spule 132, 134,
die am Differenzverstärker
auftreten. Diese Anord nung ermöglicht
es, die Eigenschaften des Eingangssignals zu verifizieren.
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Die
obige Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen ist in veranschaulichendem
und nicht beschränkendem
Sinn. zu interpretieren. Für den
Fachmann ist es ersichtlich, dass an den oben beschriebenen Ausführungsformen
zahlreiche Variationen vorgenommen werden können. Insbesondere ist es zu
beachten, dass zwar viele der beschriebenen Ausführungsformen mit zwei Spulen
angegeben wurden, dass jedoch mehrere Spulen mit separaten Wicklungen,
die auf separaten Kernen angebracht sind, verwendet werden können.