(12) Oversettelse av europeisk patentskrift

(12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP 229789 B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. G01R 31/12 (06.01) Patentstyret (21) Oversettelse publisert 14.02.03 (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet 13.09.04 (86) Europeisk søknadsnr 0976214.4 (86) Europeisk innleveringsdag 09.06.11 (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato 11.03.23 () Prioritet 08.06.11, IT, RM0804 (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR (73) Innehaver Prysmian S.p.A., Viale Sarca 222, 126 Milano, IT-Italia (72) Oppfinner DI STEFANO, Antonio, Largo Calatafimi, 9, 90129 Palermo, IT-Italia CANDELA, Roberto, Via Torricelli, 3, 9014 Palermo, IT-Italia GIACONIA, Giuseppe, Constantino, Corso Pisami, 6, 90129 Palermo, IT-Italia FISCELLI, Giuseppe, Viale Racemus s.n.c., 90048 San Giuseppe Jato, IT-Italia (74) Fullmektig Tandbergs Patentkontor AS, Postboks 170 Vika, 0118 OSLO, Norge (4) Benevnelse Bærbar partiell utladningsdeteksjonsenhet (6) Anførte publikasjoner EP-A1-0 9 0 FR-A- 2 81 82 US-A- 903 19 US-A1-08 061 997

1 Beskrivelse 1 Oppfinnelsesområde [0001] Den foreliggende oppfinnelse vedrører en bærbar partiell utladningsdeteksjonsenhet, som spesielt brukes til å detektere og måle partielle utladninger i elektriske komponenter og apparater, for eksempel: middels- eller høyspente kabler, kabelskjøter, luftledningsisolatorer, middels- og høy-spente svitsjebokser høyspente- og ekstra høyspente-kabler som bruker GIS («Gas Isolated Switch-gear» - Gassisolerte bryteranlegg). Kjent teknikk [0002] Begrepet partielle utladninger er ment å indikere en uønsket rekombinasjon av elektriske ladninger som forekommer i det dielektriske (isolerende) materialet i elektriske komponenter, når sistnevnte har defekter av forskjellige typer. Her genereres en strømpuls i deler av det dielektriske materialet, og fører til en elektromagnetisk bølge som forplanter seg gjennom strøm- eller jord-kabler til det aktuelle elektriske system, og utstråles gjennom de forskjellige media som denne bølgen passerer gjennom (dielektrisk materiale, metall, luft, etc.). 2 3 [0003] Partielle utladninger blir vanligvis målt ved å detektere signaler generert av slike utladninger ved hjelp av spesielle sensorer og analyse av slike signaler ved hjelp av passende programvare. Disse sensorene oppdager vanligvis utladninger på grunn av sin forplantning ved ledning, og derfor skal de monteres på kablene eller plasseres i nærheten av komponentene som måles, og krever ofte midlertidig avstenging av systemet. Slike sensorer er: dipol eller dipol gruppe-antenner, "Rogowsky" eller "coupler transformator" -type magnetiske sensorer, elektriske eller magnetiske feltsensorer, som opererer noen centimeter fra kilden, akustiske eller piezoelektriske sensorer. Alle disse sensorene er karakterisert ved høy effekt i visse situasjoner, men er ikke fleksibel nok til å bli brukt i en hvilken som helst tilstand. En ytterligere ulempe er at ved bruk av slike sensorer krever direkte eller formidlet kopling til det elektriske nettet for vurdering av driftsspenningens fase ved utladningen. [0004] Kjent teknologi for utstrålt støydeteksjon, som ikke krever direkte tilkobling til systemet, omfatter elektriske eller magnetiske feltsensorer som utnytter prinsippet om resonans for å plukke opp signaler med høyeste amplitude, selv uten å kreve noen forsterker. Ulempen med denne typen sensorer ligger i deres problemer med signalbehandling, som følge av resonans, angående formen til innhentede pulser.

2 [000] Dokumentet FR 28182beskriver en antenne for deteksjon av partielle utladninger i et kammer til et elektrisk instrument. [0006] Derfor er behovet til stede for en partiell utladningsdeteksjonsenhet som kan overvinne de ovennevnte ulemper. Oppsummering av oppfinnelsen 1 2 [0007] Et primært formål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en partiell utladningsdeteksjonsenhet for detektering og måling av partielle utladninger i kilde-objekter som genererer slike utladninger, slik som elektriske systemer eller komponenter, som leverer signaler med en form som ligner på den utstrålte puls, for bedre identifisering og analyse. [0008] Et ytterligere formål er å tilveiebringe en enhet av liten størrelse, helt isolert og selvforsynt med strøm, som tillater at målinger kan utføres med den høyeste sikkerhet uten behov for direkte tilkobling til systemet som undersøkes, og dermed gjøre det mulig for operatørene å stå på avstand uten behov for å koble ut systemet for deteksjon. [0009] Derfor tar oppfinnelsen sikte på å oppfylle de ovenfor nevnte formål ved å tilveiebringe en bærbar enhet for detektering av partielle utladninger til en utladningskilde objekt som definert i krav 1. En bredbånds-antenne innrettet til å fungere som en elektrisk felt sensor og inkluderer en første plan leder som samarbeider med en andre leder som har en profil som konvergerer mot den første plane leder ved ett punkt eller en linje, der den andre lederen er mindre med omtrent to størrelsesordener enn feltets bølgelengde som skal detekteres, slik at bred-bånd-antennen er ikke-resonant i et band fra 0,1 MHz til omtrent 0 MHz. 3 [00] Med fordel er enheten ifølge oppfinnelsen elektrisk uavhengige og bærbar og tillater ekstern måling av komponentene som skal testes, uten galvanisk forbindelse, og på en helhetlig sikker måte. [0011] Dette unngår direkte tilkobling av sensorer, noe som ville kreve at systemet skal deaktiveres og senere reaktiveres for deteksjon, deaktiveres for å fjerne sensorer og deaktivert igjen. [0012] Signalene som kan innhentes ved nevnte enhet har økt amplitude på grunn av bruk av en serie av forsterkertrinn.

3 [0013] De spesielle utførelsesformer av antennen til enheten ifølge oppfinnelsen er funnet å være svært fordelaktig i oppnåelse av tilfredsstillende resultater. [0014] En ekstra fordel med enheten ifølge foreliggende oppfinnelse består i muligheten for kapasitivt å heve driftsspenningen, og dermed gi en ekstern fase referanse, uten å kreve noen direkte forbindelse til spenning. Derfor kan den også detektere og levere synk-signal, som oppnås ved å plukke opp forsyningsspenningen til det utladningsgenererende kildeobjektet. Dette gjør enheten elektrisk uavhengig og bærbare, og gjør at målingene gjøres uten galvanisk forbindelse, ved å synkronisere de innhentede pulser med spenningen som genereres dem. [001] Enheten kan kobles til eksisterende innhentings- og analyse-instrumenter, slik som konvensjonelle sensorer. 1 [0016] Enheten kan valgfritt omfatte en elektronisk del for digital anskaffelse, analyse, display og lagring og / eller overføring av detekterte pulser. I dette tilfelle kan enheten anvendes som et komplett bærbart instrument. Dermed, hvis enheten er utstyrt med et innhentings- og lagrings-system, kan den håndtere all informasjon for tradisjonell partiell utladnings-måling. [0017] Form og størrelse av komponentene er designet for på avstand å ta opp og gjengi pulsene som genereres av partielle utladninger. 2 [0018] Enheten ifølge oppfinnelsen kan også benyttes med mellomspenningssystemer på områder som vindkraft, jernbane trekkraft osv. [0019] Til tross for fordelaktige lave produksjonskostnader, er ytelsene høyere enn tidligere kjente enheter, og partiell utladningsdeteksjonstider er kortere. [00] De uselvstendige kravene beskriver foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen. 3 Kort beskrivelse av figurene [0021] Ytterligere karakteristiske trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil bli mer tydelig fra den detaljerte beskrivelsen av en foretrukket, men ikke-eksklusiv utførelse av en partiell utladningsdeteksjonsenhet som er beskrevet som et ikke-begrensende eksempel med hjelp av de vedføyde tegninger, der:

4 Fig. 1 er et riss av en partiell utladningsdeteksjonsenhet i henhold til oppfinnelsen; Fig. 2a, 2b, 2c og 2d viser to snitt og grunnriss henholdsvis av utførelsesformer av den elektriske feltsensorkomponenten til enheten ifølge oppfinnelsen; Figurer 3A og 3B viser deler av de elektroniske kretser av enheten ifølge oppfinnelsen. Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen [0022] Under henvisning til fig. 1 er det vist en partiell utladningsdeteksjonsenhet, generelt betegnet med henvisningstallet, som omfatter: 1 en ikke-resonant bredbåndet antenne, som er optimalisert for mottak av pulssignaler som genereres av partielle utladninger, en ekstra magnetfelt sensor 2, en elektronisk bredband-forsterker 3, en synkroniseringskrets 4 for registrering av tilført spenning fra systemet eller komponenten som undersøkes ved kapasitiv kopling, batterier 8 for å levere strøm til kretsene til utstyret, kontrollmidler for å regulere dets drift. 2 [0023] Alle disse komponentene er holdt i en bærbar beholder 7, med for eksempel, to BNC-kontakter 6, eller andre kontakter som egner seg for å plukke opp de detekterte signaler, rager ut fra denne for mulig tilknytning til eksisterende innhentings- eller analyse-instrumenter. [0024] Bredbånds-antennen 1 er konstruert for å være ikke-resonant i det aktuelle bånd fra 0,1 MHz til omtrent 0 MHz. Dette sikrer naturtro gjengivelse av de detekterte pulser. 3 [002] Denne funksjonen oppnås ved bruk av en bestemt bredbånds-antenne 1 (en "Ultra-Wide Band"-antenne) med spesiell form- og størrelses-karakteristikker. Spesielt innbefatter antennen 1 en første plan leder 22, det vil si et jordplan, med en andre leder 21 som er plassert over den med kort avstand, som har slik form at dens profil konvergerer ved ett punkt eller en linje mot grunnplanet 22. [0026] I henhold til den valgte form, kan den andre leder 21 være to eller tredimensjonal. Tre-dimensjonale former oppnås fra den todimensjonale profil ved rotasjon.

[0027] Jordplanet 22, som fortrinnsvis har et kvadratisk eller rektangulær form, har en slik størrelse at det inneholder i det minste projeksjonen av den andre leder 21 over den. De første og andre ledere 21, 22 er fortrinnsvis dannet av et ledende metall eller polymermateriale. [0028] Signalet tas opp mellom jordplanet 22 og punktet til den andre leder 21 som er nærmere planet 22. 1 [0029] På grunn av denne konfigurasjon, er antennen en ikke-resonant, og samtidig opprettholdes en tilstrekkelig følsomhet, hvis den totale størrelsen av en antenne, og særlig den andre leder 21, er mindre med omtrent to størrelsesordener enn bølgelengden av de aktuelle fenomener, som er, for eksempel, omtrent 3- m. En slik konstruert antenne er spesielt følsomme for elektromagnetiske felt som har en frekvens på rekkefølgen av noen titalls MHz og, på grunn av sine ikke-resonante egenskaper, sikrer en svært naturtro gjengivelse av formen til de mottatte pulsene. [00] Foretrukne utførelsesformer av en antenne, basert på bruk av en sirkulær eller spiss-formet profil, er vist i fig. 2. [0031] Fig. 2a viser en antenne med den andre leder 21 som har form av en hul kule som har en diameter varierende mellom, for eksempel, 3- cm. 2 [0032] Fig. 2b viser en antenne med den andre leder 21 som har form av en hul halv sylinder eller, alternativt, en hul sylinder (se den del som er skissert med stiplede linjer), dannet ved ekstrudering. I dette tilfellet varierer diameteren på bunnen av sylinderen mellom, for eksempel, 3- cm. [0033] Fig. 2c viser en antenne med den andre leder 21 som har form av en plate som har en diameter varierende mellom, for eksempel, 3- cm. 3 [0034] Fig. 2d viser en antenne med den andre leder 21 som har form av en flat trakt (høyre side i planriss) eller en roterende sådan (venstre side i planriss), som har en motsatt krumning i forhold til profilene til de andre variantene. I disse varianter, varierer høyden av trakten, for eksempel, 3- cm. I tilfellet med trakt-formen, er diameteren av lederen 21 i sin seksjon parallelt med og distalt til jordplanet 22 også i det samme området. [003] Ifølge en foretrukket variant er diameteren til den andre leder 21, i

6 utførelsesformene i figurene 2a, 2b og 2c i et område fra ca. til cm. Den andre lederen 21 er plassert ved omtrent 1 mm fra jordplanet 22 som er minst like stort som den andre leder 21. 1 2 3 [0036] Den totale størrelsen på bredbånd-antennen er fortrinnsvis inkludert innenfor et volum på ca. X X cm. [0037] Den andre lederen 21 er mekanisk støttet i en posisjon relativt til jordplanet 22 ved hjelp av en isolert støtte 23 med et tilstrekkelig snitt, for eksempel omtrent 2-3 mm 2,som også gjør det mulig å ta opp signalet av den andre leder fra siden av overflaten 24 av jordplanet 22, dvs. den motsatte side av nevnte andre leder. Forsterkerkretsen kan befinne seg på nevnte overflate 24. [0038] Antennen 1, som fungerer som en elektrisk feltsensor, kan være koblet i serie med en ekstra magnetfelt-sensor 2 som omfatter, for eksempel, i det minste én vikling 2' viklet rundt en høyfrekvent ferritt-stang 11 langs sin langsgående utstrekning. viklingen 2' kan være dannet av en kobbertråd og ferritt-stangen 11 som den er viklet rundt har, for eksempel, en langsgående utstrekning på ca. - cm. [0039] Denne bestemte konfigurasjonen gjør at antennen 1 kan motta elektromagnetiske puls-felt, selv med svak styrke, og nøyaktig å gjengi dets form, i motsetning til konvensjonelle antenner som er berørt av resonans og forvrengning. [0040] Det utvendige magnetfelt 2 ved overflaten 24 av grunnplanet 22 til en antenne, kan anvendes i kombinasjon med, eller som et alternativ til, antennen 1 i den utstrekning den magnetiske komponenten kan eller bør være bedre evaluert. Således kan terminalene på antennen 1 eller sensoren 2 kort-sluttes etter behov ved hjelp av kontrollmidlene. Hver av antennen eller den elektriske feltsensoren 1 og magnetfeltsensoren 2 har en bryter som er koblet i parallell med denne, noe som kan virke som en kortslutning for å omgå én av dem, som vist i diagrammet i figur 3a, som viser en del av den elektroniske forsterker-kretsen til sensorene 1 og 2. [0041] Den utvendige magnetfelt-sensoren 2 kan benyttes til å detektere langsommere fenomener, som har et band lavere enn MHz, eller for magnetisk kobling til ledede signaler som går i kabler eller metallfolier, ved å gå nærmere til dem. [0042] Den elektroniske bredbånd-forsterkeren 3 opererer ved å regulere impedansen av sensorene 1 og 2 og forsterkning av signalene som er plukket opp av dem for detektering av svake signaler.

7 1 2 3 [0043] Utgangen fra forsterkeren føres til en BNC-kontakt 6 på en av sidene av beholderen 7. Forsterkeren 3 har en høy inngangsimpedans, dvs. noen få Kohm, og en lav utgangsimpedans, typisk 0 ohm. Det øker signalnivået passende med omtrent - 40 db i det aktuelle bånd, eventuelt begrenset av filtre. Amplifikasjon kan styres ved hjelp av et potensiometer som inngår i kontrollmidlene. [0044] Den elektroniske bredbåndforsterkeren 3 benytter høyfrekvente operative transistorer og / eller forsterkere, og er fortrinnsvis kjennetegnet ved en - db forsterkning og et minimum bånd som fortrinnsvis er i et område fra 0, MHz til 60 MHz. Off-band filtrering er utført av første- og andre-ordens filtre, med en cut-off frekvens på noen titalls MHz, og maksimal forsterkning kan justeres av brukeren. [004] Synkroniseringskretsen 4 er en elektronisk høy-impedanskrets i stand til å detektere kapasitivt, eksternt og uten galvanisk kopling, vekselspenningen som tilføres den elektroniske komponenten som måles, som genererer puls-fenomener. Dette tillater synkronisering av de detekterte pulser med spenningen som genererer dem. [0046] Denne synkroniserings-kretsen 4 omfatter en del laget av ledende materiale, som brukes for kapasitiv kobling til feltet, og er dannet av en av strømlederne 21, 22 av antennen 1 eller fra beholderen eller containeren 7 til enheten, hvis den er dannet av et ledende materiale. Denne del er forbundet med en ekstra høy impedans (>1 Mohm) og en kraftig forsterker, etterfulgt av et lavfrekvent filter (som har en frekvens på 0, 60 Hz, eller den første harmoniske derav) og / eller et faselåst sløyfe, som for eksempel en PLL-krets, som er synkronisert med det detekterte elektromagnetiske feltet. [0047] Felt-signalet således tatt opp og forsterket kan bli filtrert for støy eller forstyrrelsesreduksjon. Til dette formål er filteret og PLL-kretsene konstruert ved hjelp av analoge eller digitale kretser. I det siste tilfelle kan kretsen også gi indikasjoner om tilstanden eller kvaliteten på synkroniseringen. Synkroniserings-signalet som således ble oppnådd på utgangen av synkroniserings-kretsen 4 er eksternt levert via en andre BNC-kontakt 6 på en side av containeren 7. [0048] I en foretrukket variant anvender synkroniseringens-kretsen 4 to operasjonsforsterkere 13, 14 for å oppnå kraftig forsterkning og høy inngangsimpedans, som vist i figur 3B, som illustrerer en del av den elektroniske synkroniseringskretsen. [0049] Signalet behandles av en mikrokontroller-basert digital krets 1 som

8 implementerer en digital PLL der brukeren kan sette oscillasjonsfrekvensen, bandet og fasen til utgangsbølgen. 1 2 [000] Beholderen 7, som kan være fremstilt av et metall- eller plast-materiale, og har en total størrelse som gjør at den skal være lett transportabel og også omfatter: et rom for batteriene 8 som leverer strøm til kretsene, kontrollmidler for å velge ønsket drift, et håndtak 12 for å lette transport og orientering under målingene. [001] Batteriene 8 kan være oppladbare AA-batterier, som har en ekstern ladekontakt 9 for å unngå åpning av beholderen 7 for utskifting, samtidig som det sikrer bedre beskyttelse av enheten fra eksterne aktører. Kontrollmidlene inkluderer en strømbryter, potensiometre som kontrollerer forsterkningen, en bryter for å omgå de elektriske og magnetiske feltsensorer, LED for å indikere tilstanden og synkroniseringsnivået som er oppnådd. Den detekterte elektromagnetiske puls og synkroniserings-signalet, som kan sendes videre til alle innhentnings- eller analyseinstrumenter, leveres på utgangen via spesielle kontakter, slik som BNC-kontakter 6. Enheten således fremkommet kan kobles til en hvilken som helst innhentingssystem som har et tilstrekkelig passbånd, slik som et oscilloskop, innhentingskrets, partielle utladnings-overvåkingssystemer, etc. Eventuelt kan enheten ifølge oppfinnelsen omfatte en elektronisk krets for innsamling, prosessering, lagring og / eller overføring, som inneholder en analog-til-digital omformer, en mikroprosessor og / eller en programmerbar logikk, et flash-minne for lagring av data, en dataskjerm og et grensesnitt (for eksempel USB, Ethernet, Bluetooth, WiFi, etc.) for tilkobling til en PC. I dette tilfelle kan apparatet prosessere ferdig, lagre de detekterte data, og tilby sanntids og eventuelt eksterne signaler om slike data, og kan brukes som et selvstendig bærbart instrument, innrettet for in-situ målinger og kontinuerlig overvåking av de elektriske systemer eller komponenter som undersøkes.

9 1 PATENTKRAV 1. En bærbar enhet for å detektere partielle utladninger i et utladningskildeobjekt som omfatter en bredbånds-antenne (1) egnet for å fungere som en elektrisk feltsensor og omfattende en første plan leder (22) som samvirker med en andre leder (21) hvis profil konvergerer mot den første plane leder (22) på ett punkt eller langs en linje, der nevnte første plane leder (22) er et jord-plan (22) hvor nevnte andre leder (21) er mindre med omtrent to størrelsesordener enn feltbølgelengden som skal detekteres, slik at bredbånds-antennen (1) er ikke-resonant i et bånd fra 0,1 MHz til omtrent 0 MHz, der den andre leder (21) er mekanisk understøttet i en posisjon relativ til grunnplanet (22) med en isolert støtte (23) av tilstrekkelig snitt, som gjør det mulig at signalet fra den andre leder (21) hentes opp fra en flate (24) i jordplanet (22) som er motsatt til nevnte andre leder (21). 2. Enhet ifølge krav 1, der den første, plane leder (22) har en størrelse slik at den kan inneholde minst en projeksjon av den andre leder (21) over den 3. Enhet ifølge krav 1 eller 2, der den andre leder (21) har en tredimensjonal form. 4. Enhet ifølge krav 3, der den andre leder (21) har form av en hul kule eller en hul halv sylinder eller en hul sylinder eller en trakt.. Enhet ifølge krav 1 eller 2, der den andre leder (21) har en to-dimensjonal form. 6. Enhet ifølge krav, der den andre leder (21) har form av en disk eller en flat trakt. 2 7. Enhet ifølge krav 4 eller 6, der den andre leder (21) har en diameter eller en høyde mellom 3 til cm. 8. Enhet ifølge ethvert av de foregående krav, der en ekstra magnetfelt-sensor (2) er forbundet i serie med nevnte bredbånd-antenne (1). 9. Enhet ifølge krav 8, der en bredbånds-forsterker (3) er anordnet for justering av impedansen av bredbånds-antennen (1) og / eller den ekstra magnetfelt-sensoren (2) og for dermed å forsterke det mottatte signal. 3. Enhet ifølge krav 9, der bredbånds-forsterkeren (3) er utstyrt med høyfrekvente operative transistorer og / eller forsterkere.

11. Enhet ifølge krav 9, der kontrollmidler () er tilveiebragt som omfatter et potensiometer for regulering av forsterkning av nevnte elektroniske bredbåndsforsterker (3). 12. Enhet ifølge krav 11, der kontrollmidlene () også er egnet for kortslutning av polene på bredbånds-antennen (1) eller den ekstra magnetfelt-sensoren (2). 13. Enhet ifølge krav 9, der en synkroniserings-krets (4) er anbrakt for detektering av tilført spenning fra kildeobjektet ved kapasitiv kopling, for å synkronisere de detekterte signaler med spenningen som genererer dem. 14. Enhet ifølge krav 13, der to BNC-kontakter (6) er anbrakt for å levere utgangssignalet fra bredbåndsforsterkeren (3) og utgangssignalet fra synkroniseringskretsen (4) hhv på utsiden. 1 1. Enhet ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 13, der en elektronisk krets er anbrakt for innhenting, prosessering og lagring og / eller overføring av det / de innhentede signal(er). 16. Enhet ifølge ethvert av de foregående krav, der alle komponentene er anordnet i en bærbar beholder (7), videre omfattende et kammer for batteriene (8) som leverer effekt til kretsene.

11 NO/EP229789

12 NO/EP229789

13 NO/EP229789