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Verfahren zur Bestimmung der zur rechnerischen Ortsbestimmung von
Undichtigkeiten in Ölkabelanlagen notwendigen und hinreichenden Meßgrößen Es ist
bekannt, tdaß man den Ort einer Undichtigkeit in einer Ölkabelanlage dadurch bestimmen
kann, daß man durch Einfrieren mit flüssiger Luft o. dgl. einzelner Stellen das
Kabel in geeigneter Weise in Abschnitte unterteilt, um so den Fehler allmählich
zu lokalisieren. Das Verfahren ist jedoch umständlich und besonders bei Kabeln,
die in großstädtischen Straßen mit starkem Verkehr verlegt worden sind, kaum anwendbar.
Es ist daher auch schon bekanntgeworden, an deni defekten Kabel eine Druckalbfallmessun,g
durchzuführen um so den Fehierort in analoger Weise zu bestimmen, wie es bei Isolationsfehlern
mit Hilfe einer Spannungsabfallmessung in bekannter Weise gemacht wird. Die bisher
bekannten, auf dieser Grundlage aufgebauten Verfahren lassen sich nun aber nur anwenden,
wenn mindestens zwei getrennte Ölleitungen vorhanden sind, wie es beispielsweisederFall
ist bei mehreren parallel verlegten Einleiterkabeln oder Mehrleiterkabeln - mit
einzeln verbleiten Adern.
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Damit diese Verfahren angewendet werden können, muß also außer dem
defekten Kabel bzw. der defekten Kabelader stets noch ein gesundes Kabel bzw. eine
gesunde Kabelader vorhanden sein. Es wird dann so verfahren, daß an dem einen Ende
die beiden Kabel oder Kabeladern durch eine Ölleitung miteinander verbunden werden
und am anderen Ende aus einem Ölbehälter unter einem für beide Kabel oder Kabeladern
gleichen Druck gespeist werden. Wenn man voraussetzt, daß der auf die Längeneinheit
bezogene Strömungswiderstand der Olleitungskanäle auf der ganzen Kabellänge wenigstens
annähernd überall gleich groß ist, dann verhalten sich die in der Zeiteinheit in
die beiden Kabel hineinflileßenden Ölmengen umgekehrt wie die Entfernungen der Fehlerstelle
von den Speisestellen dieser beiden Kabel.
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Häufig steht aber für die Messung keine besondere Ölleitung zur Verfügung.
Dies ist der Fall bei einem mehrphasigen Ölkabel mit nur einem gemeinsamen Bleimantel
für alle Phasen oder auch, wenn nur ein einzelnes Einleiterkabel vorhanden ist.
Man könnte
daran denken, in diesem Fall eine besondere zusätzliche
Ölleitung in das Kabel hineinzubringen oder neben dem Kabel zu verlegen.
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Diese Ölleitung braucht datei nicht den gleichen Querschnitt oder
die gleiche Form zu haben wie die Hauptölleitung, da man solche Unterschiede durch
Umrechnung berücksichtigen kann. Aber auf jeden Fall bedingt eine solche Leitung
stets einen zusätzlichen Aufwand und zusätzliche Kosten, ganz abgesehen davon, daß
sie bei bestehenden Anlagen zur Zeit nicht vorhanden ist. Eine im Kabel angeordnete
zusätzliche Ölleitung hat zudem noch den Nachteil, daß der Querschnitt für diese
Rückleitung dem eigentlichen Ölkanal verlorengeht, so daß dieser dann einen erhöhten
Strömungswiderstand erhält. Man könnte auch daran denken, daß man eine zusätzliche
Ölleitung nur im Falle eines eingetretenen Fehlers verwendet und diese dann'auf
der Erdoberfläche parallel zum Kabel auslegt. In diesem Falle kann aber durch ungleichmäßige
Erwärmung dieser Leitung, etwa durch örtliche Sonnenbestrahlung o. dgl., die ganze
Messung fragwürdig werden, indem der auf die Längeneinheit bezogene Strömungswiderstand
dieser Leitung infolge der verschieden hohen Temperaturen und der damit verbundenen
sehr verschieden großen Zähiglseiten des Öles an verschiedenen Stellen dieser Leitung
auch nicht annähernd derselbe ist. Weiterhin könnte man daran denken, das Kabel
von beiden Enden her aus getrennten Behältern zu speisen. Ist der Behälterüberdrucl;
zuzüglich des statischen Überdruckes gegenüber der Fehlerstelle infolge etwaiger
Niveauunterschiede an beiden Enden des Kabels der gleiche, so gilt auch in diesem
Falle die obengenannte Beziehung, daß sich die in die beiden Enden des Kabels in
der Zeiteinheit hineinfließenden Ölmengen umgekehrt verhalten wie die Entfernungen
der Fehlerstelle von diesen beilden Kabel enden. Diese so naheliegende Methode stößt
aber bei der praktischen Ausführung auf erhebliche Schwierigkeiten, denn meistens
sind die Niveauunterschiede einer Kabeltrasse und damit der LTnterschied der statischen
Drücke an beiden Kabelenden gegenüber der Fehlerstelle nicht oder nicht genügend
genau bekannt. Ein mit der Meßlatte ausgeführtes Nivellement ist meist zu umständlich
und bei größeren Entfernungen der beiden Kabel enden oder, wenn eine direkte Sicht
von einem zum anderen Ende nicht möglich ist, zu ungenau. Auch müßten dann noch
die Höhenunterschiede zwischen der Erdoberfläche und den Ölstandsmeßgläsern bestimmt
werden, was besonders bei den häufig vorhandenen räumlich engen Verhältnissen in
den Muffenbunkern usw. schwierig ist. Es ist in diesem Falle einfacher, die Niveauunterschiede
aus einer Druckmessung am Ölkabel zu bestimmen, solange dies noch keinen Fehler
besitzt. Aber auch diese Methode hätte den Nachteil der Umständlichkeit. Alle bestehenden
Anlagen müßten zunächst einmal durchgemessen werden, und es müßte die beim Messen
vorhanden gewesene Höhe des Ölspiegels in der Nähe der Endversehlüsse oder der Muffe
durch einen unverrückbaren Festpunkt markiert werden. Diese ganze Arbeit müßte vorbereitenderweise
geleistet werden, unabhängig davon, ob später einmal ein Febler in der Anlage auftritt
oder nicht.
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Gemäß der Erfindung kann die Nfessun2, zur rechnerischen Ermittlung
des Fehlerortes erfolgen, ohne daß eine Ölrückleitnng erforderlich ist und ohne
daß der Niveauuntelschied zwischen den Kabelenden bzw. zwischen den Enden des zu
messenden Kabelabschnitts bekannt zu sein braucht. Beim Meßverfahren nach der Erfindung
wird das defekte Kabel von beiden Enden her aus getrennten Behältern mit Öl gespeist.
Der Druck in diesen Behältern braucht nicht so eingestellt zu werden, daß er zuzüglich
des stati schen Überdruckes gegenüber der Fehlerstelle infolge etwaiger Niveauunterschiede
an bei den Enden des Kabels der gleiche ist; vielmehr können die Behälterdrücke
praktiseli beliebig und unabhängig voneinander eingestellt werden. ITnter dem Einfluß
dieser Drücke wird an beiden Enden 01 in das Kabel hineinfließen. Ist der eine Druck
sehr viel kleiner als der andere, so wird an dem Ende mit dem kleineren Druck unter
Umständeii kein Öl hinein-, sondern statt dessen Öl aus dem Kabel herausfließen.
Gegebenenfalls kann der Druck an einem Ende auch so eingestellt werden, daß an diesem
Ende das Öl weder zu- noch abfließt. Zur Messung werden auf beiden Seiten die Drücke
sowie die zu- oder abfließenden Ölmengen abgelesen. Sodanr werden die Drücke in
voneinander unabhängiger Weise geändert und wiederum die Drücke selbst sowie die
fließenden Ölmengen abgelesen. Dieselbe Messung wird dann noch mehrmals mit jeweils
geänderten Drücken durchgeführt. Aus dem Ergebnis dieser Messungen kann der Fehlerort
berechnet werden.
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Ist der Niveauunterschied zwischen beiden Kabelenden genügend genau
bekannt, so benötigt man nach dieser Methode im allgemeinen mindestens zwei Messungen
mit verschiedenen Drücken. Ist der Niveauunterschied zwischen beiden Kabelenden
nicht bekannt, so sind im allgemeinen mindestens drei Messungen mit verschiedenen
Drücken erforderlich.
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Wie im einzelnen die zur Messung erforderliche Apparatur beispielsweise
aufgebaut
sein kann, zeigt Fig. 1. K ist das zu messende Kabel bzw.
der zu messende Kabelabschnitt.
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M1 und M2 sind als Beispiel angenommene Muffen. Solche können natürlich
im Meßabschnitt auch fehlen. F ist die Fehlerstelle, welche das Kabel in zwei Abschnitte
mit den Gesamtströmungswiderständen R1 und R2 zerteilt. Der Übergangsströmungswiderstand
an der Fehlerstelle vom Kabelinnern bis nach außen sei mit R0 bezeichnet. 10 und
20 sind die normal in der Ölkabelanlage vorhandenen Ölspeisetanks mit den Absperrhähnen
9 und 19. Während der Fehlermessung müssen die Hähne g und 19 geschlossen bleiben.
Die geeichten Gefäße 1 und 2 sowie 11 und 12 enthalten das für die Messung erforderliche
Öl.
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Über dem Ölspiegel im Gefäß 1 kann mit Hilfe der Druckflasche 5 über
den Hahn 7 zunächst grob ein bestimmter Druck eingestellt werden, der nach Schließen
des Hahnes 7 mit Hilfe einer an sich bekannten Vorrichtung 4 zur Feineinstellung
genauer eingestellt wird.
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Abgelesen wird der Druck am Manometer 3.
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Hahn 6 ist zunächst geschlossen. Hahn 6 wird nur vorübergehend geöffnet,
wenn man den Druck im Gefäß I nachträglich niedriger einstellen will, als der Flaschendruck
beträgt Der Ölspiegel soll während der Messung im Gefäß I konstant gehalten werden.
Um dies, trotzdem während der Messung Öl zu- oder abfließt, zu ermöglichen, ist
das Gefäß 2 angeordnet. In diesem herrscht der Flaschendruck, den man geeignet einstellen
muß. Die Menge des zu- oder abfließenden Oles wird mit dem Hahn 8 geregelt. Gefäß
I dient also dazu, daß man die Konstanz des Ölspiegels und des Druckes kontrollieren
kann, und Gefäß 2 dient dazu, die erforderlichen Ölmengen zu liefern oder aufzunehmen.
Entsprechendes gilt für die Gefäße In und I2. Die vorstehende Beschreibung gilt
in analoger Weise auch für die übrigen Apparate auf der rechten Seite von Fig. I.
Dabei hat beispielsweise I3 dieselbe Bedeutung wie 3, 14 wie 4 usw.
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Die Vorrichtung 4 oder 14 zur Feineinstellung des Drucks kann in
bekannter Weise folgendermaßen ausgeführt sein. Eine oder mehrere gegen die Außenluft
dichte Dosen oder Zellen mit je einer oder zwei elastischen Wandungen sind derart
zusammengesetzt, daß die von geeigneter Größe gewählten Innenräume aller Dosen miteinander
in Verbindung stehen. Die Gesamtheit aller Dosen kann dann durch eine Schraubenspindel
oder einen Hebel 0. dgl. zusammengedrückt oder auseinandergezogen werden, wodurch
das Gesamtvolumen und damit der Druck geändert wird.
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Selbstverständlich ist die in Fig. 1 dargestellte Anordnung der Meßapparatur
nur eine beispielhafte, und es können auch davon abweichende Anordnungen gewählt
werden.
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Wesentlich ist nur, daß man an beiden Enden des Kabels oder des zu
messenden Kabelabschnitts die Gesamtdrücke, also die auf den Gefäßen 1 und 11 lastenden
Drücke p1 und p2 sowie die Höhe der Ölspiegel in diesen Gefäden, hinreichend bein
einstellen und auf einem konstanten Wert halten kann und ferner, daß man diese Drücke
sowie die Öl-' mengen, die in der Zeiteinheit in das Kabel hinein- oder aus ihm
herausfließen, genügend genau messen kann.
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Dem Meßverfahren nach der Erfindung liegen folgende Erwägungen zugrunde.
Es sei zunächst angenommen, daß an beiden Enden Öl in das Kabel hineinfließt. Unter
dem Einfluß des Druckes Pi und der Druclçhöhe hl sowie unter dem Einfluß des Druckes
P2 und der Druckhöhe h2 ist die in der Zeiteinheit in das Kabel hineinfließende
Ölmenge auf der einen Seite, und auf der anderen Seite q2 (vgl.
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Fig. 1). An der Fehlerstelle F fließt die Summe dieser Ölmengen q0
= q1 + q2 (1) aus dem Kabel heraus. Der Gesamtdruck auf jeder Seite (p1+h1 bzw.
p2+h2) muß gleich sein dem Druckabfall, den die Ölströmungen ql, q2 und q0 zusammen
mit den Strömungswiderständen Rt, R2 und R0 bedingen. Es muß sein p1 + h1 = q1#R1
+ q0#R0 (2) und p2 + h2 = q2#R2 + q0#R0. (3) Zieht man Gleichung (3) von Gleichung
(2) ab und berücksichtigt, daß h1-h2=h3 (4) ist, so erhält man p1+h3-p2=q1R1-q2R2.
(5) In Gleichung (5) lassen sich Pt, P2 qf und q2 durch Messung ermitteln. Unbekannt
sind R1 und R2 sowie meist auch die Niveauunterschiedshöhe h3. Führt man mehrere
Messungen mit verschiedenen voneinander unabhängig veränderten Drücken p1 und P2
sowie den jeweils zugehörigen Ölflußmengen q1 und q2 aus, so gewinnt man mehrere
voneinander unabhängige Gleichungen von der Form der Gleichung (5). Ist h3 bekannt,
so genügen zwei Gleichungen bzw. zwei Messungen; ist h3 nicht bekannt, sd sind mindestens
drei Gleichungen bzw. drei Messungen erforderlich, um alle Unbekannten ausrechnen
zu können. Vorteilhaft ist es natürlich, wenn man noch mehr als zwei bzw. drei Messungen
ausführt, da man dann eine Kontrolle der Ergebnisse hat oder auch aus mehreren voneinander
abweichenden Ergebnissen das Mittel
bilden kann, welches eine größere
Genauigkeit besitzt als die Einzelmessung.
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Wie man an Hand der vorstehenden Darlegungen erkennt, muß h3 bei
allen Messungen den gleichen Wert haben. Dies ist oft schwierig einzurichten. Beim
Einregeln der Drücke p1 und p2 können sich zunächst die Ölspiegel in den Gefäßen
1 und 11 noch verändern, und es würde umständlich sein, wollte man sie nicht nur
während der eigentlichen Messung konstant halten, sondern auch stets auf den alten
Wert wieder zurückbringen.
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Man kann diese Schwierigkeit vermeiden, wenn man sich an den Gefäßen
I und 11 oder in ihrer unmittelbaren Nähe feste Bezugspunkte B, und B2 markiert.
Diese haben den unter allen Umständen unveränderlichen Höhenunterschied H3, welcher
normalerweise natürlich zunächst nicht bekannt ist. Für die jeweilige Höhe h3 gilt
dann nach Fig. I die Beziehung h3=H3+dh1-dh2. (6) Setzt man Gleidmng (6) in Gleichung
(5) ein, so erhält man nach einer kleinen Umordnung q1R1-q2R2-H3 (7) = (p1+dh1)-(p2+dh2)
= dp.
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Gleichung (7) gilt ganz allgemein, auch wenn nicht auf beiden Seiten
Öl in das Kabel hineinfließt, wie es zunächst angenommen wurde, sondern wenn an
einern Ende Öl aus dem Kabel herausfließt. Man hat dann nur q1 oder q2, je nachdem
auf welcher Seite das Öl herausfließt, mit negativem Vorzeichen einzusetzen. Gleichung
(7) gilt auch, wenn auf einer Seite des Kabels Öl weder zu- noch abfließt. Es ist
dann q1 oder q2 gleich Null zu setzen. Gleichung (7) gilt auch, wenn die Ölspiegel
nicht, wie in Fig. 1 gezeichnet, über den festen Bezugspunkten B1 oder B2, sondern
unter ihnen stehen. Es ist dann lediglich dh1 oder dh2 oder beides mit negativen
Vorzeichen einzusetzen. Selbstverständlich können eventuell dh1 oder dh2 oder auch
beide gleich Null sein, wenn man einen oder beide Ölspiegel auf B1 und/oder B2 festhält.
Schließlich gilt Gleichung (7) auch für den Fall, daß die Marke B2, entgegen der
Darstellung in Fig. 1, höher liegt als die Marke B1 bzw. auch genau so hoch wie
diese. Dann erhält man nur für Hß-einen negativen Wert bzw. den Wert Null.
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In Gleichung (7) sind die Ölflußmengen q1 und q2 sowie die Drücke
p1 und p2 und schließlich die Ölspiegelunterschiede dh1 und dh2 durch Messung bzw.
Ablesung bekannt. Aus p1, p2, dh1 und dh2 kann die Druckdifferenz dp berechnet werden.
Macht man (bei unbekannten H3) mindestens drei Messungen mit verschiedenen Drücken,
so erhält man die folgenden drei Gleichungen q1'R1-q2'#R2-H3=dp', (8) q1"R1-q2"#R2-H3=dp"
(9) und q1"'R1-q2"'#R2-H3=dp"', (10) aus denen man R1, R2 und H3 ausrechnen kann.
Die Lösung dieser Gleichungen macht grundsätzlich keine Schwierigkeiten, jedoch
ist sie, vor allem, wenn man noch mehr als drei Messungen auswerten will, etwas
umständlich. Man kann die Ausrechnung stark vereinfachen, wenn man bei der Messung
die Ölflußmengen q1', q1" und q1"' sowiek q2', q2" und q2"' geeignet wählt. Besonders
kommt in Frage, einzelne dieser Ölflußmengen gleich Null zu wählen. Hierzu braucht
man den Druck in dem betreffenden Gefäß I oder 71 nur so einzustellen, daß bei geschlossenem
Hahn 8 oder 18 der Ölspiegel im Gefäß 1 oder 11 weder steigt noch fällt. Selbstverständlich
kann die Ölflußmenge zur gleichen Zeit nur an einem einzigen Kabelende gleich Null
gemacht werden. Der gesamte ölfluß zur Fehlerstelle hin wird dann jeweils vom anderen
Kabelende her aufrechterhalten. Macht man beispielsweise q2' = 0 und q2" = 0, so
erhält man sofort aus Gleichungen (8) und (9) dp'-dp" R1 = (11) q1'-q1" und dp'#q1"-dp"#q1'
H3 = . (12) q1'-q1" Durch Einsetzen dieser Werte in Gleichung (10) ergibt sich dann
sogleich auch R2. Die Berechnung von R2 wird dann ganz besonders einfach, wenn man
auch q1,,, = 0 gewählt hatte durch Einstellen entsprechender Drücke bei dieser Messung.
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Wie man sieht, ergibt sich aus der Messung auch die Größe von H3.
Man kann mit dem nunmehr bekannten H3 leicht eine Kontrollmessung ausführen, bei
der man die Drücke so einstellt, daß (p1+dh1)-(p2+dh2)+H3=0 (13) wird. Nach Gleichung
(7) muß sidl dann verhalten q1/q1 = R2/R1. (14) An sich hat natürlich die Kenntnis
von Ha keine Bedeutung. Vielmehr genügt es völlig, wenn man R1 und R2 genügend genau
kennt.
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Man kann R1 und R2 ohne Zuhilfenahme von Ha in noch einfacherer Weise
als bisher bestimmen, wenn man vier Messungen ausführt
und wiederum
bei den ersten beiden Messungen q2 = 0, d. h. also q2' = 0 und q2" = 0, dagegen
bei der dritten und vierten Messung qj, = 0, d. h. q1,,, = 0 und q,"" = o macht.
Für R1 ergibt sich dann wieder Gleichung (11), und für R2 erhält man eine analoge
Gleichung dp"'-dp"" = . (15) q2"'-q2"" Führt man mehr als vier Messungen aus, so
hat man wieder Kontrollen oder kann Mittel-Werte bilden mit erhöhter Genauigkeit.
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Enthält der Meßabschnitt des Kabels keine Verbindungsmuffen, so ist
das Verhältnis der Widerstände R1 zu R2 ohne weiteres gleichzusetzen dem Verhältnis
der Abstände des Fehlers F von den entsprechenden Enden des Kabelabschnitts. Sind
Muffen im gemessenen Kabel abschnitt vorhanden, so sind deren Strömungswiderstände
zunächst von R1 bzw.
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R2 abzuziehen, ehe das Abstandsverhältnis daraus ausgerechnet wird.
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Ist die Summe Rt + R2, also der Strömungswiderstand der gesamten
Meßlänge bekannt, so genügt nach dem Verfahren der Erfindung bei bekanntem Niveauunterschied
H3 eine einzige Messung zur Bestimmung des Fehlerortes. Bei unbekanntem Niveauunterschied
sind dann mindestens zwei Messungen erforderlich. Es ist also jeweils eine Messung
weniger erforderlich, als wenn R1+ R2 nicht bekannt ist. Praktisch ist allerdings
dfe Kenntnis von R1 + R2 an eine sehr genaue Temperaturmessung des Kabels gebunden,
insofern als die Zähigkeit des Öles sehr stark von der Temperatur abhängt. Es ist
darum im allgemeinen einfacher, die Messung ohne Zugrundelegung von R1+R2 auszuführen.
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Das Meßverfahren nach der Erfindung ist natürlich nicht auf solche.
Kabel beschränkt, bei denen eine Ölrückleitung nicht zur Verfügung steht. Vielmehr
kann es auch dort-mit Vorteil angewendet werden, wo zwar eine solche Rückleitung
vorhanden ist, aber aus bestimmten Gründen nicht oder nur schwierig zu benutzen
ist. Dies ist der Fall bei einzeln verbleiten Mehrphasenkabeln, bei denen mehrere
oder alle Phasen defekt sind. Weiterhin kommt dies beispielsweise auch in Frage
bei drei Einleiterkabeln mit einem Einleiterreservekabel. Hat die Strecke eine so
große Bedeutung, daß es unmöglich ist, sie während der Fehlermessung für einige
Zeit abzuschalten, so müßte man bei Anwendung der bekannten Verfahren mit Rückleitung
die Messung unter Last durchführen. Diese Messung wird dann aber wegen der Belastungsschwankungen
schwierig und unter Umständen auch ungenau. Hier ist es dann vorteilhaft, das Meßverfahren
nach der Erfindung anzuwenden, trotzdem grundsätzlich eine Rückleitung für das Öl
vorhanden ist. Man schaltet dann an Stelle der defekten Phase das Reservekabel ein,
läßt die defekte Phase genügend lange abkühlen und kann dann ohne Störung durch
Belastungsschwankungen die Messung durchführen.
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PATENTANSPRtSCHE: I. Verfahren zur Bestimmung der zur rechnerischen
Ortsbestimmung von Undichtigkeiten in Olkabelanlagen notwendigen und hinreichenden
Meßgrößen, bei welchem das defekte Kabel oder der defekte Kabelabschnitt ohne Benutzung
einer zweiten Ölleitung von beiden Enden her aus getrennten Behältern unter Druck
mit 01 gespeist wird,- dadurch gekennzeichnet, daß die Drücke in den Behältern ohne
Rücksichtnahme auf den Niveauunterschied zwischen den Olspiegeln in beiden Behältern
innerhalb der für die Kabelanlage zulässigen Grenzen beliebig und unabhängig voneinander
eingestellt werden und daß bei konstant gehaltenen Drücken und Ölspiegelhöhen in
den Behältern an beiden Enden die in der Zeiteinheit in das Kabel hinein- oder aus
ihm herausfließenden Ölmengen gemessen werden.