NL9201944A - Werkwijze voor het meten van partiële ontladingen in kabels. - Google Patents

Description

WERKWIJZE VOOR HET METEN VAN PARTIËLE ONTLADINGEN IN KABELS

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het meten van partiële ontladingen in kabels.

Partiële ontladingen zijn ontladingen die optreden in het tussen de binnengeleider en het aardscherm van een hoogspanningskabel gelegen diëlectricura, waarbij geen volledige doorslag plaatsvindt.

Het optreden van dergelijke partiële ontladingen verslechtert de kwaliteit van een kabel. Tevens zijn partiële ontladingen veelal de initiator van volledige onladingen (doorslag).

Bij de afname van dergelijke hoogspanningskabels wordt door de afnemer veelal een onderzoek geëist naar het optreden van partiële ontladingen. Verder bestaat er in het gebied van research en ontwikkeling behoefte aan het bestuderen van partiële ontladingen.

Zo is een werkwijze bekend voor het bepalen van de plaats en de hoedanigheid van partiële ontladingen, waarbij de kabel een aardscherm met een helische structuur heeft, omvattende de volgende stappen: het aanbrengen van ten minste één detectiewikkeling om de kabel voor het inductief detecteren van zich langs de kabel voortplantende elektro-magnetische pulsen; het aanleggen van een in de tijd toenemend potentiaalverschil tussen de kern en het aardscherm van de kabel, totdat ten minste één partiële ontlading is gedetecteerd; en het analyseren van de aldus gedetecteerde pulsen voor het bepalen van de plaats en de hoedanigheid van de de puls veroorzaakt hebbende partiële ontlading.

Deze werkwijze is bekend uit het afstudeerverslag "Onderzoek naar de detectie van partiële ontladingssyste-men over een XLPE-kabel" ten name van E.J. Bresser, Eindhoven, januari 1984, en het proefschrift "The develop- ment of high-voltage measuring techniques" ten name van G.G. Wolzak, Eindhoven, december 1983.

Deze bekende werkwijze maakt gebruik van het feit dat de door een partiële ontlading veroorzaakte elektromagnetische puls zich in de kabel naar weerszijden voortplant. Bij een kabel, die van een massief aardscherm is voorzien, zijn dergelijke pulsen aan de buitenzijde van de kabel op deze wijze niet detecteerbaar zonder een lokale destructieve ingreep.

Bij kabels die voorzien zijn van een aardscherm, bestaande uit afzonderlijke geleiders met een helische structuur veroorzaken zich voortplantende pulsen in de geleiders van het aardscherm stromen in zowel een axiale als ook een tangentiële richting. Hierbij zij opgemerkt dat, mede als gevolg van de hoge frequentie van de hierboven beschreven fenomenen, de aldus geïnduceerde stromen de oorspronkelijke geleider blijven volgen en niet oversteken naar een volgende geleider.

Deze tangentieel vloeiende stromen veroorzaken een axiaal magneetveld dat buiten de kabel waarneembaar is.

Voor wat betreft de theoretische onderbouwing van bovengenoemde verschijnselen wordt verwezen naar genoemde literatuurplaats.

De uit deze literatuurplaats bekende werkwijze maakt gebruik van een meer windingen omvattende wikkeling, waarmee het desbetreffende magneetveld gedetecteerd kan worden, en bijvoorbeeld met een geheugen-oscilloscoop kan worden vastgelegd.

Bij deze bekende werkwijze levert de detectiewik-keling een signaal dat zodanig vervormd is, dat het een in tijd versmeerde weergave is van de zich langs de kabel voortplantende puls. Dit bemoeilijkt de bestudering van de bij partiële ontladingen optredende fysische verschijnselen, en maakt de plaatsbepaling van de partiële ontlading onnauwkeurig.

Het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een werkwijze, waarbij bovengenoemde problemen worden vermeden.

Dit doel wordt bereikt, doordat elk van de detec-tiewikkelingen slechts ten hoogste vijf windingen omvatten. Het zal duidelijk zijn, dat detectiewikkelingen met vier, drie, twee of zelfs één winding kunnen worden toegepast. De keuze van het aantal windingen is mede afhankelijk van de gekozen toepassing.

Er is gebleken dat bij slechts een dergelijk beperkt aantal windingen omvattende wikkelingen het door de wikkeling gedetecteerde signaal een veel betere afspiegeling is van de vorm van de zich langs de kabel voort- plantende elektro-magnetische puls. Dit effect is te wijten aan het feit dat een meer windingen omvattende wikkeling een grotere zelfinductie heeft, zodat de flank-steilheden van het gedetecteerde signaal sterk afnemen.

Het beste resultaat bleek verkregen te worden met slechts één winding.

Uiteraard genereert een dergelijk beperkt aantal windingen omvattende wikkeling een signaal met een in principe relatief geringe amplitude; echter, vanwege de zelfintegrerende werking van een spoel met een hoge zelf-inductie (meer windingen) is de winst aan amplitude voor een spoel met meer windingen beperkt voor de zeer hoogfrequente signalen van lokale, partiële ontladingen. Eventueel kan nog gebruik gemaakt worden van breedbandige versterkers.

Volgens een eerste voorkeursuitvoeringsvorm is het signaal met hoogfrequente apparatuur te verwerken. Deze bewerking kan gevormd worden door het tot in digitale vorm omzetten van het hoogfrequente meetsignaal of door het signaal met electronica te bewerken, zodanig dat het door laagfrequente apparatuur verder kan worden bewerkt.

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm van de bij deze werkwijze toegepaste detectiewikkeling is de detectiewikkeling bandvormig. Ook deze maatregel leidt tot een afname van de zelfinductie van de detectiewikkeling.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm zijn beide einden van de winding door middel van een condensator met elkaar verbonden. Deze maatregel leidt tot een tweemaal differentiërend gedrag van de wikkeling, zodat snelle verschijnselen gemakkelijker onderscheiden kunnen worden van de laagfrequentere stoorsignalen. Het differentiërende gedrag leidt tot een vervorming van de golfvorm.

Volgens een andere uitvoeringsvorm omvat een detectiespoel twee parallel geschakelde windingen. Deze maatregel leidt eveneens tot verlaging van de zelfinduc-tie.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van bijgaande figuren, waarin voorstellen; fig. 1; gedeeltelijk weggebroken, gedeeltelijk schematisch weergegeven aanzicht van een meetopstelling ten gebruike bij de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding; fig. 2: een perspectivisch aanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van een detectiewikkeling ten gebruike bij de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding; fig. 3; een tweede uitvoeringsvorm van de in fig.

2 afgebeelde detectiewikkeling; en fig. 4: een derde uitvoeringsvorm van de in fig. 2 weergegeven detectiewikkeling.

Zoals in de inleiding reeds vermeld is, wordt de werkwijze volgens de uitvinding toegepast voor het onderzoeken van een hoogspanningskabel 1 of daarmee verbonden andere componenten, in het bijzonder kabelaccessoires, maar ook transformatoren (etcetera). De hoogspanningskabel 1 wordt gevormd door een binnengeleider 2, waaromheen een diëlectricum 3 is aangebracht aan de buitenzijde waarvan zich een aardscherm 4 bevindt. Om het scherm 4 is een mantel 5 aangebracht. De binnenste en buitenste laag van het diëlectricum 3 zijn voorzien van een voor spannings-sturing gebruikte halfgeleidende laag. Deze is in de tekening niet weergegeven, omdat deze voor de uitvinding verder niet relevant is.

Hierbij zij opgemerkt dat het aardscherm 4 een schroeflijnvormige structuur heeft, dat wil zeggen dat het aardscherm samengesteld is uit afzonderlijke geleiders die schroeflijnvormig rondom het diëlectricum zijn aangebracht.

Bij het uitvoeren van de meting volgens de onderhavige uitvinding wordt rondom de mantel 5 een meetspoel 6 aangebracht die door middel van een meetkabel 7 en een daarmee verbonden connector 8 wordt aangesloten. De meetkabel leidt eventueel na versterking naar een snelle digitizer 10 en het signaal wordt vervolgens met een computer 11 opgeslagen. Ook is een uitvoeringsvorm mogelijk waarbij het signaal in de meetkabel 7, eventueel na versterking, naar snelle electronica (discriminator en tijd amplitude converter) wordt gevoerd, zodat met relatief eenvoudige middelen het looptijdverschil van de puls tussen twee meetspoelen wordt bepaald. Voor toepassing van bewaking van HV-garnituren is slechts niveaudiscriminatie nodig.

De kabel wordt, bijvoorbeeld zoals in fig. 1 weergegeven is, aangesloten aan een hoogspanningsbron 12. Deze bron kan een regelbare amplitude hebben (zoals in het laboratorium) of een vaste amplitude (zoals in het elektriciteitsnet) .

De positie van de sensor is vrij te kiezen en te wijzigen al naar gelang het resultaat van een eerdere meting.

Vervolgens wordt door middel van het verhogen van de door de generator 12 opgewekte spanning de spanning tussen de binnengeleider 2 en het aardscherm 4 van de hoogspanningskabel verhoogd. Dit proces wordt voortgezet, totdat partiële ontladingen boven de detectiedrempel optreden.

De meetmethode kan worden aangevuld met een afzonderlijke detectieinrichting 13, welke het optreden van de ontladingen detecteert, teneinde door middel van relais 14 de hoogspanningsbron 12 uit te schakelen. Dit geschiedt om te voorkomen dat bij het handhaven van de aangelegde spanning, dan wel het verder opvoeren van de spanning een volledige doorslag optreedt, hetgeen de kabel zou vernielen.

Dankzij het feit dat de spoel 6 slechts één of enkele windingen omvat, wordt op de spoel 6 een signaal verkregen dat weliswaar een kleine amplitude heeft, eventueel door de versterker 9 wordt gecorrigeerd, doch waarvan vanwege de hoge tijdsresolutie de vorm een getrouwe afspiegeling is van de zich langs de hoogspanningskabel 1 voortplantende, door de partiële ontlading veroorzaakte elektro-magnetische puls.

Door middel van de digitizer 10 is het mogelijk het door de elektro-magnetische puls opgewekte signaal om te zetten in digitale vorm, zodat dit gemakkelijk in het (computer)geheugen 11 kan worden opgeslagen, dan wel in digitale vorm kan worden geanalyseerd.

Hierbij zij opgemerkt dat de door de puls opgewekte signalen een zeer hoge frequentie hebben, zodat de digitizer 10 een zeer hoge bemonsterfrequentie moet hebben; hierbij moet gedacht worden in de grootteorde van één GHz. Omdat de spoelen eenvoudig van opbouw zijn, is het goed mogelijk identieke signalen van verscheidene meet-spoelen te verkrijgen.

Dit voordeel, gekoppeld aan een hoge tijdsresolutie, levert de mogelijkheid om zeer nauwkeurig partiële ontladingen te lokaliseren, tot ± 1 cm.

Een verder voordeel van het feit dat.de signalen van twee verschillende spoelen nagenoeg identiek zijn, is gelegen in het feit dat daardoor op eenvoudige wijze kan worden bepaald uit welke richting de partiële ontladings-puls komt. Daartoe worden de signalen van de twee spoelen opgeteld, waarvan één signaal na een vertraging (door middel van een vertragingslijn) welke gelijk is aan de loopafstand tussen de spoelen. Van één zijde komend doven de signalen elkaar uit, van de andere zijde komend arriveren zij na elkaar en worden zij gedetecteerd. Hierdoor is het totaal signaal richtingsafhankelijk geworden.

Een aanvullend kenmerk van een één windingsspoel is dat het makkelijk is te monteren rond een kabel.

Aldus is het mogelijk de tot nu toe beschreven werkwijze optredende partiële ontladingen te bestuderen.

De onderhavige werkwijze kan daarmee gebruikt worden voor het lokaliseren van partiële ontladingen.

In eerste instantie is het mogelijk door middel van een meting, waarbij één enkele spoel gebruikt wordt, een schatting te maken van de lokatie van de;partiële ontlading; er wordt dan gebruik gemaakt van de aan de einden van de kabel optredende reflecties van de door de partiële ontlading opgewekte pulsen, waarbij uit het looptijdverschil de lokatie kan worden geschat. Het is evenzeer mogelijk een meting uit te voeren met twee spoelen, en aldus de lokatie te bepalen.

Vervolgens kan de spoel aangebracht worden op de plaats, waar - volgens berekening uit een eerdere meting-de ontlading heeft plaatsgevonden; uit de polariteit van het signaal valt dan af te leiden, aan welke zijde van de spoel de ontlading heeft plaatsgevonden.

Vervolgens zullen enkele uitvoeringsvormen van bij de uitvinding toe te passen spoelen worden besproken; specifieke uitvoeringen van de meetspoel al naar gelang de toepassing vergroten de toepasbaarheid van de meettechniek.

In fig. 2 is een eerste uitvoeringsvorm van een spoel getoond; deze wordt gevormd door een van metaal, bijvoorbeeld messing, vervaardigde band 15 die hoofdzakelijk tot een ringvorm is gebogen, en waarvan twee einden gevormd zijn tot vlakke platen 16,17 die zich parallel aan elkaar uitstrekken. De platen 16,17 zijn uiteraard van isolerend materiaal vervaardigde schroeven 18 en daarop geschroefde, niet in de tekening weergegeven, moeren met elkaar verbonden, waarbij beide platen 16,17 op afstand van elkaar worden gehouden door isolerende bussen 19.

Op de bovenste plaat 16 is een met de plaat 16 i verbonden connector 20 aangebracht. De centrale geleider 21 is met de onderste plaat 17 verbonden.

De in fig. 3 weergegeven spoel wijkt van de in fig. 2 weergegeven spoel af door het feit dat op de onderste plaat 17 een condensator is aangebracht.

Bij deze uitvoeringsvorm is op de onderste plaat 17 een diëlectricum 22 aangebracht, waarop een tussenplaat 23 is bevestigd. De tussenplaat 23 van geleidend materiaal wordt door middel van isolerende bussen 24 op afstand van de plaat 16 gehouden en vormt samen met de onderste plaat 17 een condensator.

In deze situatie is de centrale geleider 21 van de connector verbonden met plaat 23. Zoals reeds is beschreven, vindt deze spoel toepassing bij metingen, waarbij laagfrequente storing (en ook 50 Hz signaal)'onderdrukt moet worden (12 dB/oct in plaats van 6 dB/oct) en de vorm van de signalen minder relevant is.

Ten slotte toont de in fig. 4 afgeheelde uitvoeringsvorm een spoel die van twee, parallel geschakelde windingen is voorzien. De onderdelen van deze spoel komen verder overeen met de spoel, zoals in fig. 2 getoond is.

Het zal duidelijk zijn dat de hierboven beschreven uitvoeringsvormen van de spoel slechts als voorbeeld dienen? het is mogelijk andere spoelen toe te passen, bijvoorbeeld met opstaande rand (U-profiel), zodat de zelfinductie verder verlaagd wordt, zonder van de uitvinding af te wijken.

Claims (10)

1. Werkwijze voor het bepalen van dekplaats en de hoedanigheid van in een kabel optredende partiële ontladingen, waarbij de kabel een aardscherm met een helische structuur heeft, omvattende de volgende stappen: - het aanbrengen van ten minste één detectiewikke-ling om de kabel voor het detecteren van zich langs de kabel voortplantende elektro-magnetische pulsen; - het aanleggen van een potentiaalverschil tussen de kern en het aardscherm van de kabel, totdat ten minste één partiële ontlading wordt gedetecteerd; en - het analyseren van de aldus gedetecteerde pulsen voor het bepalen van de plaats en de hoedanigheid van de de puls veroorzaakt hebbende partiële ontlading, met het kenmerk, dat elk van de detectiewikke-lingen slechts ten hoogste vijf windingen omvat.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat elk van de detectiewikkelingen slechts één winding omvat.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat twee, op afstand van elkaar geplaatste detectiewikkelingen worden gebruikt, en dat de lokatie van de partiële ontlading afgeleid wordt van de tijdsduur tussen de op beide detectiewikkelingen gedetecteerdè pulsen.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3 met het kenmerk, dat na het detecteren van een eerste partiële ontlading ten minste één detectiewikkeling verplaatst wordt naar de lokatie waar volgens berekening de partiële ontlading plaatsvindt, en dat vervolgens de meting wordt herhaald en de lokatie wordt afgeleid uit de polariteit van het signaal.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2, 3 of 4 met het kenmerk, dat het van de detectiewikkelingen afkomstige signaal met een digitizer wordt vastgelegd en daarna geanalyseerd, of door middel van snelle electronica (TAC-discriminator) op amplitude en looptijd geanalyseerd wordt.

6. Detectiewikkeling voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een van de voorafgaande conclusies met het kenmerk, dat de detectiewikkeling ten hopgste vijf wikkelingen omvat.

7. Detectiewikkeling volgens conclusie 6 met het kenmerk, dat de detectiewikkeling één winding omvat.

8. Detectiewikkeling volgens conclusie 6 of 7 met het kenmerk, dat de spoel van bandvormig metaal is.

9. Detectiespoel, gekenmerkt door twee 2 parallel geschakelde wikkelingen volgens conclusie 6, 7 of 8.

10. Detectiespoel volgens een van de conclusies 6-9 met het kenmerk, dat een capaciteit in serie is opgenomen.