DE19711990C2 - Hochspannungsanlage mit einer Vorrichtung zur Übertragung von Signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochspannungsanlage mit einem metallischen Kapselungsgehäuse, das wenigstens einen Hochspannungsleiter umschließt und mit einer Vorrichtung zur Übertragung von elektromagnetischen Signalen, insbesondere zur Kommunikation und/oder zur Überwachung der Hochspannungs­ anlage, die eine im Innenraum des Kapselungsgehäuses angeord­ nete Sonde aufweist.

Eine derartige Hochspannungsanlage ist beispielsweise aus dem Fachartikel "PD Signal Propagation in GIS Considering Fre­ quencies up to GHz", 8th Int. Symp. High Voltage Eng., Yoko­ hama, Japan, Seite 93ff sowie aus dem Fachartikel "A Con­ tinous UHF-Monitor for Gas-insulated Substations", IEEE Trans. El. Vol. 26-3, June 1991, S. 469ff., sowie aus dem Artikel "Broadband Couplers for UHF detection of partial discharge in gas-insulated substations", IEE Proc. Meas. Technol., Vol. 142, No. 3, May 1995, Seite 237ff. bekannt.

Aus der WO 95/29553 ist eine Netzleitung bekannt, mit einem von der Kabelummantelung umschlossenen Sensor. Dort sollen verschiedene Kabeleigenschaften, wie der Spannungsabfall, die Temperatur oder der Druck durch den Sensor überwacht werden.

Aus der DE 31 30 643 A1 ist eine Kopplungsanordnung zum Ankoppeln von Trägerfrequenz-Nachrichtenanlagen an Hochspannungspotential bekannt.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Übertragung von elektro­ magnetischen Signalen werden in den meisten Fällen scheiben­ förmige Sonden als Antennen oder als kapazitive Spannungs­ teiler eingesetzt.

Da solche scheibenförmigen Sonden aus Gründen der Feldgestal­ tung möglichst flach an der Innenwand des Kapselungsgehäuses anliegen müssen, ergibt sich eine Sende-/Empfangs-Charakte­ ristik, die einerseits in bezug auf den erwünschten Fre­ quenzbereich nicht breitbandig genug ist, bzw. im Bereich der hohen Frequenzen ergeben sich nur schmale Nutzbänder, ande­ rerseits stellt die Symmetrieachse der Scheibe die Richtung der größten Sendestärke bzw. Empfangsempfindlichkeit dar, so daß seitlich bzw. radial in bezug auf die Scheibe sich aus­ breitende Signale relativ schwach angekoppelt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hochspannungsanlage der eingangs genannten Art mit einer Vorrichtung zur Übertragung von elektromagnetischen Signalen zu schaffen, mit einer Sonde, die möglichst breitbandig ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sonde einen eine Kegelantenne bildenden kegelförmigen Körper aufweist, dessen Grundfläche dem Hochspannungsleiter zugewandt und des­ sen Kegelspitze der Innenwand des Kapselungsgehäuses zuge­ wandt ist.

Der kegelförmige Körper bildet innerhalb des Kapselungsgehäu­ ses eine an sich bekannte Kegelantenne, mit der von dieser bekannten breitbandigen Frequenzcharakteristik. Es handelt sich hierbei (vgl. Meinke Gundlach, "Taschenbuch der Hoch­ frequenztechnik", Springer-Verlag, 5. Auflage, Kapitel 4, Seite N 15, 1992) um eine unsymmetrisch erregte Konusleitung, so daß zum Anschluß an eine Koaxialleitung, deren Außenleiter geerdet ist, keine Symmetrierglieder erforderlich sind.

Die Anpassung des Fußpunktwiderstandes des kegelförmigen Kör­ pers an den Wellenwiderstand eines anzuschließenden Kabels erfolgt über den Öffnungswinkel des Kegels.

Die geometrische Abstrahlungscharakteristik der Kegelantenne begünstigt eine Abstrahlung über die Kegelmantelfläche, d. h. im gegebenen Fall entlang der Kapselungsgehäusewände. Ist die Kegelantenne innerhalb eines zylindrischen rohrförmigen Kap­ selungsgehäuses angeordnet, so findet die Ausbreitung von durch die Kegelantenne ausgesendeten Signalen vorwiegend in Axialrichtung des Rohres statt. In dieser Richtung sich aus­ breitende Signale von anderen Quellen werden durch die Ke­ gelantenne mit hoher Breitbandigkeit und hoher Empfindlich­ keit aufgenommen.

Durch die breitbandige Ankopplung an ausbreitungsfähige Hohl­ leitermoden ist mittels der Kegelantenne eine effektive Über­ wachung der Hochspannungsanlage beispielsweise in bezug auf Signale von Teilentladungsvorgängen möglich.

Bei der Anordnung gemäß der Erfindung ist auch die kapazitive Ankopplung der Kegelantenne über die Kegelgrundfläche an den Hochspannungsleiter besonders effektiv. Kapazitiver Span­ nungsabgriff (Betrieb als kapazitiver Spannungsteiler) und Antennenbetrieb können je nach der Beschaltung alternativ oder auch gleichzeitig erfolgen.

Es ist aber auch möglich, mittels der Kegelantenne Kommunika­ tionssignale auszusenden bzw. zu empfangen, so daß eine Kom­ munikation innerhalb des Kapselungsgehäuses über große Ent­ fernungen von beispielsweise einigen Hundert Metern möglich ist. Auch die Abfrage von Oberflächenwellenelementen mittels durch die Kegelantenne ausgesendeter Signale ist denkbar.

Für den Fall, daß die Kegelantenne in einem an den Umfang des Kapselungsgehäuses angesetzten Gehäusestutzen angeordnet ist, kann auch eine Anordnung vorteilhaft sein, bei der die Ke­ gelachse der Kegelantenne parallel zu der Ebene der Kapse­ lungsgehäusewand und somit senkrecht zur Verlaufsrichtung des Gehäusestutzens angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der kegelförmige Körper einen Kegelöffnungswinkel von etwa 90° aufweist.

Ein Kegelöffnungswinkel von ca. 90° führt zu einem Fußpunkt­ widerstand im Bereich von 50 Ohm, der dann dem Wellenwider­ stand der üblicherweise eingesetzten Koaxialleitung ent­ spricht. Hierdurch ist eine verlustfreie Ankopplung der Ke­ gelantenne an eine Koaxialleitung möglich.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der kegelförmige Körper in einer radialen Ausbuchtung des Kapse­ lungsgehäuses derart angeordnet ist, daß die Grundfläche des kegelförmigen Körpers in die gedachte Fortsetzung der Innen­ kontur der Ausbuchtung benachbarten Bereiche des Kapselungs­ gehäuses eingepaßt ist.

Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Abstrahlung und den Empfang elektromagnetischer Signale in radialer Rich­ tung in bezug auf die Kegelantenne, ohne daß der kegelförmige Körper zu weit in das Innere des Kapselungsgehäuses hinein­ ragt. Dadurch wird das Risiko eines elektrischen Überschlags von dem Hochspannungsleiter zu der Kegelantenne verringert. Der kegelförmige Körper kann beispielsweise in einem An­ schlußstutzen des Kapselungsgehäuses angeordnet sein. Das erleichtert sowohl die Wartung der Kegelantenne als auch die gasdichte Durchführung des Koaxialkabels.

Aus Gründen der Feldgestaltung und zur Vermeidung von Teilentladungen kann es vorteilhaft sein, daß der kegelför­ mige Körper am Umfang seiner Grundfläche abgerundet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der kegelförmige Körper durch mehrere Isolierstützer im Bereich seiner Mantelfläche abgestützt ist.

Durch diese Konstruktion ist eine sichere Befestigung des ke­ gelförmigen Körpers möglich, ohne die Abstrahlcharakteristik zu beeinträchtigen. Die sichere Befestigung ist insofern not­ wendig, als beim Transport oder im Falle eines Erdbebens oder bei einer Schalthandlung starke Erschütterungen auf die Hoch­ spannungsanlage wirken können.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der kegelförmige Körper hohl und parallel zu seiner Grundfläche teilbar ausgebildet ist.

Durch die teilbare Ausbildung des kegelförmigen Körpers wird die Befestigung an der Kapselungsgehäusewand besonders ver­ einfacht. Der Körper kann auch als einstückiges, hohles Guß­ teil ausgebildet sein, bei dem die Grundfläche offengelassen ist. Dies erlaubt eine kostengünstige Herstellung.

Es kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, daß der kegelför­ mige Körper im Bereich seiner Kegelspitze in einem an dem Kapselungsgehäuse befestigten Isolierkörper gefaßt ist.

Eine solche Befestigung des kegelförmigen Körpers stellt ei­ nen besonders geringen Konstruktions- und Montageaufwand dar.

Die Kegelspitze des kegelförmigen Körpers kann vorteilhaft unmittelbar mit dem Innenleiter einer Koaxialleitung verbun­ den sein.

Es sind keine elektrischen Anpassungsglieder bzw. Symme­ trierlemente für die Verbindung zwischen der Antenne und der Koaxialleitung notwendig. Es kann lediglich vorgesehen sein, daß für die mechanische Ankopplung ein mit der Spitze des ke­ gelförmigen Körpers verbundener Stecker vorgesehen ist, der in eine gasdicht in der Kapselungsgehäusewand eingepaßte Buchse einsteckbar ist, welche an der Außenseite des Kapse­ lungsgehäuses mit der Koaxialleitung verbunden ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung ge­ zeigt und nachfolgend näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch das Innere eines Kapselungsgehäuses einer Hochspannungsanlage mit einem kegelförmigen Körper,

Fig. 2 den kegelförmigen Körper im Querschnitt.

In dem zylindrischen Kapselungsgehäuse 1 einer Hochspannungs­ anlage 2, welches einen Hochspannungsleiter 3 koaxial um­ schließt, ist ein kegelförmiger Körper 4 angeordnet, dessen Grundfläche 5 dem Hochspannungsleiter 3 zugewandt ist, wäh­ rend die Spitze 6 der Kapselungsgehäusewand 7 zugewandt ist.

Das Kapselungsgehäuse 1 weist hierzu eine Ausbuchtung 8 auf, in der der kegelförmige Körper 4 derart angeordnet ist, daß seine Grundfläche 5 etwa in die fortgesetzt gedachte, gestri­ chelt dargestellte Innenkontur 9 des Kapselungsgehäuses 1 eingepaßt ist. Der kegelförmige Körper 4 ist am Umfang seiner Grundfläche 5 aus Gründen der Feldgestaltung und der Über­ schlagssicherheit abgerundet. Der Winkel zwischen der Ke­ gelmantelfläche 10 und der Kapselungsgehäusewand 7 beträgt rundum etwa 45°. Der Kegelwinkel 11 des kegelförmigen Körpers 4 liegt bei etwa 90°.

In der Fig. 1 ist die geometrische Abstrahlcharakteristik des eine Kegelantenne bildenden kegelförmigen Körpers 4 durch die Wellenfronten 12, 13, 14, 15 angedeutet. Diese Wellen­ fronten breiten sich in einiger Entfernung von der Kegelan­ tenne in axialer Richtung des zylindrischen Kapselungsgehäu­ ses 1 aus. In der in Fig. 1 gezeigten Darstellung sind die Wellenfronten bei einem Sendebetrieb der Antenne dargestellt. Jedoch können ebenso gut durch die Kegelantenne entsprechend sich ausbreitende elektromagnetische Signale empfangen wer­ den, die beispielsweise von Teilentladungen in einem entfern­ ten Isolierstoffstützer 16 ausgesendet werden können, wenn sich an dessen Oberfläche beispielsweise ein Partikel 17 an­ gelagert hat. Die dann entstehenden ausgesendeten TE-Signale sind durch die Wellenfronten 18 beispielhaft dargestellt. Diese werden von der Kegelantenne 4 mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen.

In der Fig. 2 ist dargestellt, daß der kegelförmige Körper 4 in einen oberen Teil 19 und einen unteren Teil 20 geteilt ist. Der untere Teil 20 ist mittels Isolierstützern 21, 22 an der Kapselungsgehäusewand 1 abgestützt und befestigt. Der un­ tere Teil 20 des kegelförmigen Körpers 4 ist hierzu mittels Schrauben 23 mit den Isolierstützern 21, 22 verschraubt.

Danach kann der obere Teil 19 des kegelförmigen Körpers 4 beispielsweise mittels einer Preßpassung oder einer Schraub­ verbindung aufgesetzt und fixiert werden. Die Spitze 6 des kegelförmigen Körpers 4 läuft in einem Stift 24 aus, der in eine entsprechende Aufnahme 25 in einer Durchführungsbuchse der Kapselungsgehäusewand 1 gehalten ist. Von dort besteht eine leitende Verbindung zu der Koaxialleitung 26, deren Au­ ßenleiter mit dem Kapselungsgehäuse 1 verbunden ist, während der Innenleiter mit dem kegelförmigen Körper 4 leitend ver­ bunden ist. Der Wellenwiderstand dieser Koaxialleitung 26 be­ trägt 50 Ohm. An diese Koaxialleitung 26 ist die Nach­ weiselektronik für zu empfangende Teilentladungsmeßsignale oder die Sende- und Empfangselektronik für die Anlagenkom­ munikation der Hochspannungsanlage anzuschließen.

Claims (8)

1. Hochspannungsanlage (2) mit einem metallischen Kapselungs­ gehäuse (1), das wenigstens einen Hochspannungsleiter (3) umschließt und mit einer Vorrichtung zur Übertragung von elektromagnetischen Signalen, insbesondere zur Kommunikation und/oder zur Überwachung der Hochspannungsanlage, die eine im Innenraum des Kapselungsgehäuses (1) angeordnete Sonde aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde einen eine Kegelantenne bildenden kegelförmigen Körper (4) auf­ weist, dessen Grundfläche (5) dem Hochspannungsleiter (3) zu­ gewandt und dessen Kegelspitze (6) der Innenwand (7) des Kapselungsgehäuses (1) zugewandt ist.

2. Hochspannungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Körper (4) einen Kegelöffnungswinkel (11) von etwa 90° aufweist.

3. Hochspannungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Körper (4) in einer radialen Ausbuchtung (8) des Kapselungsgehäuses (1) derart angeordnet ist, daß die Grundfläche (5) des kegelförmigen Körpers (4) in die gedachte Fortsetzung der Innenkontur (9) der der Ausbuchtung benach­ barten Bereiche des Kapselungsgehäuses (1) eingepaßt ist.

4. Hochspannungsanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgen­ den, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Körper (4) am Umfang seiner Grundfläche (5) abgerundet ist.

5. Hochspannungsanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgen­ den, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Körper (4) durch mehrere Isolierstützer (21, 22) im Bereich seiner Mantelfläche (10) an der Innenwand (7) des Kapselungsgehäuses (1) abgestützt ist.

6. Hochspannungsanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgen­ den, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Körper (4) hohl und parallel zu seiner Grundfläche (5) teilbar ausgebildet ist.

7. Hochspannungsanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgen­ den, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Körper (4) im Bereich seiner Kegelspitze (6) in einem an dem Kapselungsgehäuse (1) befestigten Isolierkör­ per (27) gefaßt ist.

8. Hochspannungsanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgen­ den, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelspitze des kegelförmigen Körpers unmittelbar mit dem Innenleiter einer Koaxialleitung (26) verbunden ist.