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Dokumentenidentifikation DE19536254C1 17.04.1997
Titel Schaltanlage
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Branston, David Walter, Dr., 91090 Effeltrich, DE;
Seeböck, Robert, Dr., 91088 Bubenreuth, DE
DE-Anmeldedatum 28.09.1995
DE-Aktenzeichen 19536254
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 17.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.04.1997
IPC-Hauptklasse H02B 13/065
IPC-Nebenklasse G01N 25/66   
Zusammenfassung Insbesondere gekapselte Schaltanlagen, die aus wenigstens einer mit Isoliergas gefüllten Kammer bestehen, sollen regelmäßig auf Luftfeuchtigkeit überwacht werden. Gemäß der Erfindung wird zur Feuchtebestimmung die Veränderung der optischen Reflexionseigenschaften einer freien Oberfläche innerhalb der Schaltanlage bei Niederschlag von festem und/oder flüssigem Wasser verwendet, wozu ein Kühlelement in die Schaltanlage eingebracht wird, das sich in thermischem Kontakt zur Oberfläche befindet, die optisch abgetastet wird. Bei der zugehörigen Anordnung ist ein Feuchtesensor (1) nach dem optischen Prinzip innerhalb der Schaltanlage (10) und eine zugehörige Sende-/Empfangseinheit (20) für optische Strahlung sowie zugehörige Steuereinheiten (30) außerhalb der Schaltanlage (10) vorhanden. Der dabei vorhandene Feuchtesensor (1) ist durch einen Kühler (2) und ein damit thermisch gekoppeltes Element (4), dessen Oberfläche (4a) von einem optischen System (6) abtastbar ist, gekennzeichnet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanlage mit einer mit Isoliergas gefüllten Kammer und wenigstens einem darin befindlichen Schaltgerät.

In der elektrotechnischen Praxis werden häufig Schaltanlagen eingesetzt, bei denen die eigentlichen Schalter, insbesondere Vakuumschalter, sowie auch die zugehörigen Sammelschienen, in abgeschlossenen Kammern angeordnet sind, die mit einem Isoliergas, insbesondere SF&sub6;, gefüllt sind. Bei solchen gasisolierten Schaltanlagen kann es vorkommen - insbesondere beim Einsatz in tropischen und subtropischen Gebieten -, daß nach längeren Betriebsdauern, beispielsweise zwischen einem und zehn Jahren, der Feuchtigkeitsgehalt des Isoliergases SF&sub6; ansteigt. Letzteres wird dadurch erklärt, daß ein unvermeidlicher Feuchteeintrag üblicherweise durch Leckagen in Dichtringen, aber auch durch Ausdünsten von Gießharzteilen vorhanden ist.

Schaltanlagen werden im allgemeinen mit einer hinreichenden Menge an einem Trockenmittel, beispielsweise Zeolith, beschickt, um die Feuchtigkeit über einen längeren Zeitraum zu binden. Ein Anstieg der relativen Feuchte (RF) erfolgt aber deshalb nicht linear mit der Zeit, sondern hängt von der Aufnahmekennlinie des Trockenmittels ab, welche den Zusammenhang zwischen herrschendem Wasserpartialdruck und gebundener Menge Wasser im Trockenmittel angibt. Besonders nach näherungsweise vollständiger Sättigung des Trockenmittels kann dann die Feuchte sehr rasch ansteigen.

Ein Anstieg des Taupunktes im Isoliergas kann dazu führen, daß zunächst bei nächtlicher Abkühlung der Anlage der Taupunkt unterschritten wird und sich auf Isolatoren ein Wasserfilm abscheidet. Dies bringt eine Beeinträchtigung der Spannungsfestigkeit mit sich und kann schließlich zur Entstehung von Teilentladungen in der Anlage führen. Wenn aber Teilentladungen über einen längeren Zeitraum auftreten, können die betroffenen Isolatoroberflächen geschädigt werden, so daß unter Umständen ein Überschlag mit negativen Auswirkungen auf das Netz auftritt.

Üblicherweise wird daher die Gasfüllung von Schaltanlagen ständig und in regelmäßigen Abständen auf Luftfeuchtigkeit überwacht. Beispielsweise wird gelegentlich eine Probe des Isoliergases aus der Schaltanlage herausgepumpt und extern in einem Meßvolumen auf den Feuchtegehalt hin untersucht. Ein solches Verfahren ist allerdings zeitaufwendig und erfordert die vorübergehende Stillegung der Schaltanlage.

Vom Stand der Technik sind beispielsweise kapazitive Feuchtesensoren bekannt und auch kommerziell erhältlich. Derartige Feuchtesensoren sind allerdings für den oben angegebenen Zweck nicht geeignet, da sie für relative Luftfeuchten unter 10% nicht empfindlich sind. Auch bei solchen geringen Feuchtegehalten muß aber eine Messung bereits erfolgen, damit eine Tendenz zum Ansteigen der Feuchte frühzeitig erkannt werden kann. Insbesondere soll vermieden werden, daß es nach Sättigung des Trockenmittels zu einem relativ steilen Anstieg der relativen Feuchte kommt.

Aus der WO 92/01927 A1 ist eine Anordnung zur Bestimmung des Taupunktes bekannt, die nach optischen Prinzipien arbeitet und bei der optische Strahlung über einen ersten Lichtleiter zur eigentlichen Meßanordnung geführt und über einen zweiten Lichtleiter zur Auswertung weggeführt wird. Weiterhin ist aus der DE-OS 22 14 736 der apparatetechnische Aufbau eines optischen Taupunkt-Hygrometers bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Schaltanlage zu schaffen, bei der nicht in regelmäßigen Abständen Proben zur Bestimmung des Feuchtegehaltes entnommen werden müssen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Schaltanlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in der Kammer auf einem austauschbaren Flansch ein Feuchtesensor nach dem optischen Prinzip angeordnet ist und daß eine zugehörige Sende/Empfangseinheit für optische Strahlung sowie zugehörige Steuereinheiten außerhalb der Kammer vorhanden sind.

Mit der JP 05/126773 A (Chemical Abstracts, Vol. 119, 1993, No. 173237M) wird zwar bereits vorgeschlagen, einen Kondensationssensor zur Wassergehaltbestimmung innerhalb einer Instrumentenkammer anzuordnen. Schaltanlagen sind dabei aber nicht angesprochen.

Demgegenüber wird mit der Erfindung speziell eine Schaltanlage mit einem Feuchtesensor komplettiert, der im wesentlichen durch einen Kühler mit einem thermisch gekoppelten Element, dessen Oberfläche von einem optischen System abtastbar ist, gekennzeichnet ist. Der Kühler kann dabei vorteilhafterweise ein elektrisches Peltier-Element sein, das in an sich bekannter Weise ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Oberfläche des mit dem Kühler thermisch gekoppelten Elementes zumindest bereichsweise durch einen Spiegel gebildet, der vom optischen System abtastbar ist. Vorzugsweise weist das optische System wenigstens einen Lichtleiter auf, mit dem optische Strahlung von einer externen Lichtquelle zur Oberfläche bzw. dem Spiegel gelangt und von dem die reflektierte Strahlung zu einem externen Lichtempfänger geleitet wird. Gegebenenfalls kann das optische System auch einen Laserstrahl beinhalten, der über lichtdurchlässige Fenster in die Kammer mit Isoliergas geleitet wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zur Erfassung der Feuchte einer abgeschlossenen Schaltanlage,

Fig. 2 den bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 verwendeten Lichtsender und Lichtempfänger,

Fig. 3 die dabei verwendete Temperatursteuerung,

Fig. 4 den Aufbau des in Fig. 1 vorhandenen Feuchtesensors und die

Fig. 5 bis 9 alternative Ausführungsformen zum Feuchtesensor gemäß Fig. 4.

In Fig. 1 ist ein Feuchtesensor 1, dessen Aufbau und Funktionsweise weiter unten im einzelnen beschrieben wird, innerhalb einer Schaltanlage angeordnet. Im einzelnen bedeutet 10 eine Isoliergaskammer mit SF&sub6;-Füllung, die beidseitig von Isolatoren 13 und 14 abgeschlossen ist, in der eine Schaltröhre 15, insbesondere ein Vakuumschalter, angeordnet ist. Von der Schaltröhre 15 führen Stromleiter 16 und 17 durch die Isolatoren 13 und 14. Seitlich ist ein Flansch 11 vorhanden, auf dessen Innenseite der Feuchtesensor 1 angeordnet ist. Vom Feuchtesensor 1 führen Lichtleiterfasern 6a und 6b zu einem Lichtsender und -empfänger 20 und wenigstens eine elektrische Leitung zu einem Gerät 30 zur Temperaturerfassung bzw. Temperatursteuerung 30.

In Fig. 2 ist der Aufbau von Lichtsender und Lichtempfänger dargestellt, wie er im Prinzip vom Stand der Technik bekannt ist. In Fig. 2 ist speziell der Fall gewählt, daß auf einer einzigen Lichtleitfaser 6 im Pulsbetrieb Licht zum Sensor 1 hin und vom Sensor 1 zurückgeschickt werden. Für diesen Fall ist am Eingang der Einheit 20 ein Koppler 21 vorhanden, in dem die Lichtleitfaser 6 aufgespleißt ist, wobei eine Teilfaser in eine LED 22 als Lichtsender und der andere Teil in eine Photodiode 23 als Lichtempfänger geht.

Wenn zwei getrennte Lichtleitfasern 6a und 6b verwendet werden, entfällt der Koppler 21 und beide Fasern 6a und 6b werden direkt mit dem Ausgang der Leuchtdiode 22 bzw. einer Laserdiode und dem Eingang der Photodiode 23 verbunden. Die Leuchtdiode LED 22 wird von einer gepulsten oder Gleichstromversorgungseinheit 24 angesteuert. Das Signal der Photodiode 23 gelangt auf eine Auswerteeinheit 25.

Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit zum temperaturgeregelten Betrieb des Feuchtesensors und zwar speziell für den Fall, daß eine genaue Messung des Taupunktes gefordert wird. Dazu wird das Signal eines Temperatursensors 5, beispielsweise eines Thermoelementes, eines PT 100-Widerstandes od. dgl., als Eingangsgröße für die Einheit 30 benutzt. Das Eingangssignal gelangt zu einem Regler 31, dessen Sollwert aus der Einheit 32 die einzustellende Temperatur wiedergibt. Vom Regler 31 wird ein Signal auf eine Stromversorgungseinheit 33 für den thermoelektrischen Kühler erzeugt. Das Ausgangssignal der Einheit 33 gelangt über eine Leitung zum Kühlelement im Feuchtesensor 1.

Bei der Ausführungsform des Feuchtesensors 1 gemäß Fig. 4 ist ein erster Kühlblock 2a direkt auf den Flansch 11 der Isoliergaskammer 10 der in Fig. 1 dargestellten Schaltanlage aufgesetzt. Die Warmseite des Kühlblockes 2a ist daher in thermischem Kontakt mit dem Flansch 11. Der Flansch 11 ist vorteilhafterweise aus Kupfer oder Aluminium ausgeführt, um eine gute Wärmeleitung zu gewährleisten. Zur besseren thermischen Ankopplung an die Umgebungsluft können außen am Flansch 11 Kühlrippen 12 aufgebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann gegebenenfalls auch ein Kühlgebläse benutzt werden.

Der Kühlblock 2a ist Teil eines zweistufigen Peltierkühlers 2 mit einem zweiten Kühlblock 2b, der in Reihe geschaltet ist. Beide Kühlblöcke 2a und 2b sind mit einer dichten Kapselung 3 gegen Feuchte od. dgl. versehen und lassen nur die Kaltseite des Blockes 2b frei.

Auf der Kaltseite des Kühlblockes 2b befinden sich Elemente 4a und 4b, welche die zu betauende Oberfläche sowie die Lichtleitfasern 6a und 6b zum Auslesen des Betauungszustandes der freien Oberfläche und den wahlweise vorhandenen Temperaturfühler 5 tragen. Die Elemente 4a und 4b bestehen aus Kupfer oder anderem gut temperaturleitendem Material und sind gleichzeitig thermisch an die Kaltseite des Kühlblockes 2b ankoppelt. Beispielhaft bildet das Element 4a eine Halterung für das Thermoelement 5 und einen Spiegel 40 bzw. eine freie Oberfläche mit spiegelnder Funktion, während das Element 4b eine Halterung für den Sendelichtleiter 6a und den Empfangslichtleiter 6b bildet, die beide auf den Spiegel 40 ausgerichtet sind. Somit kann mit den Lichtleitfasern 6a und 6b der Betauungszustand einer freien Fläche innerhalb der Isolierkammer 10 ausgelesen werden.

Anhand der Alternativen zum Aufbau des Feuchtesensors gemäß Fig. 4 entsprechend den Fig. 5 bis 9 werden verschiedene Methoden verdeutlicht, mit denen die Betauung bzw. die Vereisung einer Fläche optisch ausgelesen werden kann. Dabei werden je entweder zwei Lichtleiter 6a und 6b oder aber nur ein Lichtleiter 6 verwendet. Bei einer besonderen Ausbildung des Flansches, bei dem ein optischer Strahl seitlich eingestrahlt und nach Reflexion an der freien Oberfläche des Kühlelementes seitlich ausgestrahlt wird, kann ggfs. auch ohne Lichtleiter gearbeitet werden.

Speziell in den Fig. 5 und 6 ist die betaute Fläche jeweils ein mit dem Element 4b in thermischem Kontakt stehender Spiegel 40, wobei gemäß Fig. 5 mit zwei getrennten Lichtleitern 6a und 6b gearbeitet wird, während in Fig. 6 ein einziger Lichtleiter 6 vorhanden ist. Wenn nur ein Lichtleiter 6 zur Hin- und Rückführung des Lichtes benutzt wird, wird die Leuchtdiode 23 aus Fig. 2 vorteilhafterweise mit impulsförmiger Spannung betrieben. Aber auch im Fall von zwei getrennten Lichtleitern 6a und 6b kann ein gepulster Betrieb zur Erhöhung des Signal/Rausch-Verhältnisses vorteilhaft sein.

In Fig. 7 wird mit Transmission und Reflexion speziell der Lichtübertritt von einem ersten Lichtleiter 6a in einen zweiten Lichtleiter 6b gemessen, wobei hier aufgrund der in einer Flucht liegenden Endflächen 60a bzw. 60b der Lichtleiter 6 und 6b ein Spiegel überflüssig ist. In diesem Fall wird als gekühlte Oberfläche die Endfläche wenigstens eines der Lichtleiter 6a bzw. 6b benutzt.

In Fig. 8 wird die Änderung der Reflexion der planen Endfläche 60 des Lichtleiters 6 durch die Betauung derselben ausgenutzt, so daß nur ein Halterungselement 4 notwendig ist. Findet eine Betauung der Endfläche 60 statt, wird an dieser Endfläche 60 das Licht teilweise reflektiert.

In Fig. 9 ist das Ende des Lichtleiters 6 als Spitze 61 ausgeformt, die eine konische Form hat. Durch eine solche Ausformung wird der Einfluß einer Änderung des Betauungszustandes vergrößert. Im einzelnen ist dazu die Spitze 61 in einem Hohlraum 7 untergebracht, welcher sich auf der Temperatur des Kühlers und des damit thermisch gekoppelten Halterungselementes 4 befindet.

In allen Fällen der Fig. 4 bis 9 ist es möglich, den Betauungszustand einer freien, in der Schaltanlage befindlichen Oberfläche, beispielsweise Kühlers bzw. des damit in thermischen Kontakt stehenden Elementes 4 zu detektieren, um dadurch zu entscheiden, ob der Taupunkt unterschritten ist oder nicht. Für gasgekapselte Schaltanlagen ergibt sich somit die Möglichkeit, ohne großen Aufwand die Anlage auf Luftfeuchtigkeit zu überwachen.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltanlage mit einer mit Isoliergas gefüllten Kammer und wenigstens einem darin befindlichen Schaltgerät, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (10) auf einem austauschbaren Flansch (11) ein Feuchtesensor (1) nach dem optischen Prinzip angeordnet ist und daß eine zugehörige Sende-/Empfangseinheit (20) für optische Strahlung sowie zugehörige Steuereinheiten (30) außerhalb der Kammer (10) vorhanden sind.
  2. 2. Schaltanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-/Empfangseinheit (20) für optische Strahlung und der Feuchtesensor (1) über Lichtleiter (6, 7) miteinander verbunden sind.
  3. 3. Schaltanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheiten (30) und der Feuchtesensor (1) drahtgebunden oder drahtlos miteinander verbunden sind.
  4. 4. Schaltanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sendelichtleiter (6) und ein Empfangslichtleiter (7) für optische Strahlung vorhanden sind.
  5. 5. Schaltanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Lichtleiter (6, 6a) vorhanden ist, der im Sende-/Empfangsbetrieb arbeitet.
  6. 6. Schaltanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtesensor (3) aus einem Kühler (2) und wenigstens einem damit thermisch gekoppeltes Element (4a, 4b), dessen Oberfläche (4) von einem optischen System (6) abtastbar ist, besteht.
  7. 7. Schaltanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (2) nach dem elektrischen Peltier-Prinzip arbeitet und vorzugsweise zweistufig (2a, 2b) aufgebaut ist.
  8. 8. Feuchtesensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch mit dem Kühler (2a, 2b) gekoppelte Element (4a, 4b) gleichermaßen eine Halterung für die Meßmittel bildet.
  9. 9. Feuchtesensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (4) des Elementes (4a, 4b) zumindest bereichsweise durch einen Spiegel (40) gebildet ist, der vom optischen System abtastbar ist.
  10. 10. Feuchtesensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (5) vorhanden ist, der die Temperatur des Kühlers (2) unmittelbar an der Oberfläche (4) des thermisch angekoppelten Elementes (4a, 4b) bzw. am Spiegel (40) erfaßt.
  11. 11. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch eine Kapselung (3) der elektrischen Teile des Feuchtesensors (1).






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