DE69919723T2 - Induktiver magnetischer Sensor mit mehreren enggekoppelten Wicklungen - Google Patents

Induktiver magnetischer Sensor mit mehreren enggekoppelten Wicklungen Download PDF

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Description

  • Hintergrund
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen durch einen Leiter geführten vorübergehenden Strom mit verbessertem Signal/Rauschsignal-Verhältnis zu erfassen.
  • Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Stromsensor zu schaffen, der einfach kalibriert werden kann.
  • Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Stromsensor mit einem breitbandigen und/oder auswählbaren Frequenzgang zu schaffen.
  • Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Überwachen von Teilentladungen in Hochspannungsvorrichtungen mit verbessertem Signal/Rauschsignal-Verhältnis zu schaffen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen Aufgaben sind durch die im Anspruch 1 definierte erfindungsgemäße Vorrichtung und das im Anspruch 17 definierte Verfahren gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 2B ist eine Schnittansicht der 2;
  • 2C ist eine Schnittansicht der 2A;
  • 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;
  • 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;
  • 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
  • 6 ist eine Darstellung eines Magnetsensors mit drei Kernen mit jeweils einer Spule, wobei eine Kopplung mit einer Energiebereitstellvorrichtung über eine Hochspannungsdurchführung vorliegt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (19)

  1. Vorrichtung zum Erfassen eines von einem elektrischen Leiter (36; 52; 102; 116; 142) geführten Stromimpulses, mit mehreren elektrisch leitenden Spulen (22, 30; 44, 46; 96, 98; 110, 112; 132, 134, 138), deren jede von den anderen elektrisch isoliert ist, wobei die Spulen auf einem Kern (20, 28; 48, 50; 94, 100; 106, 108; 128, 130, 136) vorgesehen und dicht beieinander angeordnet sind, so daß sämtliche Spulen im wesentlichen gleichzeitig auf den Stromimpuls ansprechen, wobei der Stromimpuls an den Spulen mehrere Spannungen induziert, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Spulen (22, 30; 44, 46; 96, 98; 110, 112; 132, 134, 138) auf einem separaten Kern (20, 28; 48, 50; 94, 100; 106, 108; 128, 130, 136) vorgesehen ist, der einen im wesentlichen toroidförmigen Aufbau mit einem mittleren Loch aufweist, durch das sich der elektrische Leiter (36; 52; 102; 116; 142) hindurchführen läßt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kerne (20, 28; 48, 50; 94, 100; 106, 108; 128, 130, 136) aus einem Ferritmaterial bestehen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kerne (20, 28; 48, 50; 94, 100; 106, 108; 128, 130, 136) und die Spulen (22, 30; 44, 46; 96, 98; 110, 112; 132, 134, 138) in einer leitenden Umhüllung angeordnet sind, die mindestens einen Bereich aufweist, der das Eindringen von Magnetfluss in die Kerne und Spulen gestattet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine erste der Spulen (22, 30; 44, 46; 96, 98; 110, 112; 132, 134, 138) eine bezüglich einer zweiten Spule entgegengesetzte Polarität aufweist, so daß die an der ersten Spule induzierte Spannung eine erste Phase und die an der zweiten Spule induzierte Spannung eine zu der ersten Phase entgegengesetzte zweite Phase aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Spulen (22, 30; 44, 46; 96, 98; 110, 112; 132, 134, 138) einen Frequenzgang bezüglich des Stromimpulses aufweist, der von dem anderer Spulen verschieden ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, mit einer Kombinierstufe (42; 70, 72; 104) zum Kombinieren der induzierten Spannungen unter Erzeugung eines resultierenden Signals und damit zur Anzeige des Durchgang des Stromimpulses.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, soweit dieser auf Anspruch 4 rückbezogen ist, wobei die Signal-Kombinierstufe (42; 70, 72; 104) aufweist: eine Summierstufe (42; 70; 104) zum Aufsummieren der Spannungen mit der ersten Phase unter Bildung eines ersten Signals und Aufsummieren der Spannungen mit der zweiten Phase unter Bildung eines zweiten Signals und einen Differenzdetektor (72; 140) zum Erfassen von Differenzen zwischen dem ersten und dem zweiten Signal.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Differenzdetektor (72; 140) einen Transformator mit abgeglichenem Mittelabgriffs-Eingang und nicht abgeglichenem Ausgang aufweist, der an seinen Eingangsklemmen das erste und das zweite Signal empfängt und ein zur Differenz zwischen diesen beiden Signalen proportionales Ausgangssignal erzeugt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Differenzdetektor (72; 140) einen Differenzverstärker aufweist, der an seinen Eingangsklemmen das erste und das zweite Signal empfängt und ein zur Differenz zwischen diesen beiden Signalen proportionales Ausgangssignal erzeugt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Spulen (22, 30; 44, 46; 96, 98; 110, 112; 132, 134, 138) eine Eichspule (110, 138) ist, die mit einem vorgegebenen Strom ansteuerbar ist, wobei die Messung einer induzierten Spannung an mindestens einer weiteren Spule (22, 30; 44, 46; 96, 98; 110, 112; 132, 134, 138) eine Empfindlichkeitseichung dieser weiteren Spule ergibt.
  11. System mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem Hochspannungsgerät, wobei ein Fehler in dem Hochspannungsgerät den besagten Strom erzeugt.
  12. System nach Anspruch 11, wobei das Hochspannungsgerät ein elektrisches Hochspannungskabel aufweist.
  13. System nach Anspruch 11, wobei das Hochspannungsgerät einen Transformator aufweist.
  14. System mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem den besagten Strom führenden elektrischen Leiter (36; 52; 102; 116; 142), der von elektrisch isolierendem Material (144) umgeben ist.
  15. Verfahren zum Erfassen eines von einem elektrischen Leiter (36; 52; 102; 116; 142) geführten Stromimpuls, wobei mehrere elektrisch leitende Spulen (22, 30; 44, 46; 96, 98; 110, 112; 132, 134, 138) auf einem Kern (20, 28; 48, 50; 94, 100; 106, 108; 128, 130, 136) vorgesehen und dicht beieinander angeordnet werden, so daß sämtliche Spulen im wesentlichen gleichzeitig auf den Impuls ansprechen, wobei der Impuls an den Spulen mehrere Spannungen induziert und jede der induzierten Spannungen den Durchgang des Stromimpulses anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen auf einem separaten Kern (20, 28; 48, 50; 94, 100; 106, 108; 128, 130, 136) angeordnet wird und einen im wesentlichen toroidförmigen Aufbau mit einem mittleren Loch aufweist, durch das der elektrische Leiter (36; 52; 102; 116; 142) hindurchführbar ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die induzierten Spannungen unter Erzeugung einer resultierenden Spannung kombiniert werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei von den Spulen (22, 30; 44, 46; 96, 98; 110, 112; 132, 134, 138) mindestens eine erste ausgewählt wird, die eine bezüglich einer zweiten der Spulen entgegengesetzte Polarität aufweist, und wobei die an der ersten Spule induzierte Spannung eine erste Phase und die an der zweiten Spule induzierte Spannung eine zu der ersten Phase entgegengesetzte zweite Phase aufweist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Spannungen mit der ersten Phase unter Bildung eines ersten Signals und die Spannungen mit der zweiten Phase der Bildung eines zweiten Signals aufsummiert werden und das erste Signal von dem zweiten Signal subtrahiert wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Stromimpuls durch eine Teilentladung in einem Hochspannungsgerät erzeugt wird.
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