DE10211763A1 - Verfahren zum Bestimmen von Spannungseinkopplungen in Signalkabel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Längsspannungen in einem Signalkabel (2). Solche Längsspannungen U werden von Strömen verursacht, die durch den Einschlag eines Blitzes (6) oder durch Kurzschlüsse in elektrischen Leitern (3) erzeugt werden, welche parallel und nahe bei einem Signalkabel (2) verlaufen. Erfindungsgemäß werden diese eingekoppelten Längsspannungen U aus dem Produkt der Teilströme in den elektrischen Leitern (3) und der frequenzabhängigen Koppelimpedanz zwischen den Leitern (3) und dem Signalkabel (2) ermittelt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Spannungseinkopplungen in Signalkabel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Ein solches Verfahren kommt bei Erdungs- und Blitzschutzeinrichtungen zur Anwendung, die zum Schutz von Kraftwerken, Industrieanlagen, Häusern und anderen Anlagen genutzt werden.
• Mit Hilfe von Blitzschutzeinrichtungen werden Ströme, die beispielsweise bei den Einschlägen von Blitzen auftreten, möglichst effektiv abgeleitet, ohne daß sie Störungen in elektronischen Einrichtungen wie Computern, der Sensorik, der Leittechnik oder der Telekommunikation auslösen. Die Wirksamkeit solcher Schutzeinrichtungen muß häufig nachgewiesen werden, bevor hierfür eine Betriebsgenehmigung erteilt wird, wie das beispielsweise bei Kernkraftwerken der Fall ist.
• Die von Kurzschlüssen oder Blitzschlägen verursachten Ströme bewirken die Einkopplung von elektrischen Spannungen in Kabel, unter anderem in Signalkabel der oben erwähnten elektronischen Einrichtungen. Hierbei wird unterschieden zwischen Querspannung und Längsspannung. Die Längsspannung wird zwischen den Signalkabeln und dem Erdpotential eingekoppelt. Sie hebt das Potential parallel geführter Signalkabel gemeinsam an. Querspannung entsteht durch einen magnetischen Fluß, der zwischen zwei Signalkabeln eingekoppelt wird. Die Querspannungen können unter ein kritisches Maß reduziert werden, im dem die parallel geführten Signalkabel gegeneinander verdrillt werden. Längsspannungen lassen sich jedoch auf diese Weise nicht reduzieren.
• Für Geräte der Leittechnik, der Telekommunikation und für Computer werden von den Herstellern dieser Geräte Informationen geliefert, die besagen wie groß diese Spannungen sein dürfen, damit noch ein fehlerfreier Betrieb möglich ist. Mit Hilfe von kleineren Störströmen, die beispielsweise in Blitzschutz- und Erdungsnetze eingespeist werden, lassen sich eingekoppelte Längsspannungen an Signalleitungen messtechnisch nachzuweisen. Diese Ergebnisse werden dann ausgehend von diesen verringerten Stromamplituden der Störstrome auf realistische Stromwerte hochgerechnet. Diese Methode wird von Kraftwerksbetreibern oftsmals abgelehnt, da hierbei während des Betriebes Fehlströme eingekoppelt werden können, was den Sicherheitsvorschriften für Kraftwerke entgegen steht. Außerdem kann es bei entsprechender Reduktion der Stromamplitude äußerst schwierig sein, Spannungseinkopplungen nachzuweisen, die über Grundstörpegel und Messgrenze hinausragen.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Größe von Längsspannungen bestimmt werden kann, die in Signalkabel eingekoppelt werden, wenn auf Grund von Blitzschlägen oder Kurzschlüssen sehr große Ströme in benachbarten Leitern fließen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der sogenannten Koppelimpedanz. Sie gibt an, welche Längsspannungen aufgrund von Strömen in ein Signalkabel eingekoppelt werden, die in einem oder mehreren elektrischen Leitern fließen. Es werden dabei nur Leiter betrachtet, die in einem geringen Abstand von dem jeweiligen Signalkabel geführt sind. Die Größe dieser Längsspannungen ist abhängig von der Geometrie dieser Leiter und den Materialen, aus denen diese Leiter und das Signalkabel gefertigt sind. Die Koppelimpedanzen werden mit Hilfe von Messungen an der Geometrie der Leiter, den Materialen dieser Leitern und den Anordnungen der Signalkabel ermittelt.
• Sie können, falls erforderlich, auch durch Berechnung und Simulation aus Geometrie- und Materialdaten gewonnen werden.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Tatsache genutzt, dass die in ein Signalkabel eingekoppelten Längsspannungen aus der Summe der induktiven und galvanischen Einkopplungen der Teilströme ermittelt werden können, welche von Blitzströmen oder Kurzschlüssen in die leitfähigen Strukturen in der Umgebung eines jeden Signalkabels abgeleitet werden. Dabei bestimmen vor allem die Ströme die Größe der eingekoppelten Längsspannungen, die in unmittelbarer Nähe des Signalkabels auf dessen längs laufenden Kabelträgern fließen. Hierbei werden die Einkopplungen von dem jeweiligen Strom dominieren, der auf dem Kabelträger fließt, und als Bezugsleiter für die Längsspannungen dient. Die in einem Signalkabel auftretenden Längsspannungen sind das Produkt der oben erwähnten Teilströme entlang des Kabelträgers und der frequenzabhängigen Koppelimpedanz zwischen dem Kabelträger und dem Signalkabel. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden diese Teilströme und Koppelimpedanzen in den relevanten Kabelabschnitten bestimmt und den daraus resultierenden Längsspannung überlagert. Die Koppelimpedanzen können für die in einem Gebäude installierten Signalkabel messtechnisch oder durch Simulation ermittelt werden.
• Hierbei wird von einer Verteilung von Störströmen im Erdungsnetz des zu untersuchenden Gebäudes ausgegangen. Diese Verteilung kann beispielsweise messtechnisch durch Einspeisen eines Prüfstromes und das Messen der Teilströme in verschiedenen Leitern bestimmt werden. Ferner ist eine Modellierung des Erdungsnetzes und eine Simulation der Teilströme bei Blitzeinschlag oder Kurzschluss möglich. Wichtig ist bei diesen Verfahrensschritten, dass die Gebäudedämpfung durch Reduktion eines in ein Gebäude eindringenden Stromes berücksichtigt wird, und Teilströme auf allen leitenden Bauelementen in Form von metallischen Rohren, Kabelträgern und Erdungsseilen ermittelt werden. Bei der Durchführung der Verfahrensschritte, die zur Bestimmung der Längsspannung erforderlich sind, wird immer sichergestellt, dass bei allen Annahmen, die zu ihrer Berechnung vorgenommen werden, der Ergebniswert immer gleich oder größer ist, als eine wirklich auftretende Längsspannung.
• Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
• Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt zwei elektrische Geräte 1, die über mehre Signalkabel 2 miteinander verbunden sind. Die Signalkabel 2 sind von Bauelementen 3 in Form von Kabeltrassen, Kabelleitern, Kabelwannen, Beiseilen und Rohren (hier nicht dargestellt) umgeben, die ganz oder teilweise elektrisch leitend sind. Jedes der Geräte 1 ist über eine Potentialausgleichsschiene 4 an einen Erder 5 angeschlossen. Durch den Einschlag eines Blitzes 6 beispielsweise kommt es zur Einkopplung von Längsspannungen U_l und Querspannung in jedes der Signalkabel 2. Die Querspannungen können unter ein kritisches Maß reduziert werden, indem die Signalkabel 2 gegeneinander verdrillt werden (hier nicht dargestellt). Die Größe der Längsspannungen U_l müssen ermittelt werden, die durch Kurzschlüsse oder die Einschläge von Blitzen in die Signalkabel 2 eingekoppelt werden, um entsprechende Schutzmaßnahmen für die Signalkabel 2 und die elektrischen Geräte 1 zu treffen.
• Bei der Überprüfung eines Signalkabels 2 werden im wesentlichen die Strom tragenden Leiter 3 berücksichtigt, die in einem geringen Abstand parallel zu dem Signalkabel 2 verlaufen. Für alle diese Strom tragenden Leiter 3 in der Umgebung des Signalkabels 2 und einen Abschnitt n der Signalkabel 2 wird die Spannung U_i,n ermittelt, die aufgrund eines Stromes auf diesen Leitern 3 in den Abschnitt n eingekoppelt wird. Anschließend wird jedes Signalkabel 2 in eine beliebige Anzahl von Abschnitten n unterteilt. Für alle diese Abschnitte n eines jeden Signalkabels 2 werden die zugehörigen Spannungen U_n aus den ermittelten Größen der Ströme der Leitern und der geometrieabhängigen Koppelimpedanz Z_n gemäß der Gleichung U_n = I_n.Z_n bestimmt. Die Längsspannung U des gesamten Signalkabels 2 ergibt sich aus der Summe der Spannungsbeiträge aller Abschnitte n eines Signalkabels 2 gemäß U = Σ_nU_n.
• Wenn die Geometrie der elektrischen Leiter 3 und des Signalkabels 2 bekannt ist, und genaue Kenntnisse über die Materialen vorliegen, aus den das Signalkabel 2 und die Leiter 3 gefertigt sind, kann die Größe der Längsspannungen U auch mit Hilfe des nach stehenden Algorithmus berechnet werden. Hierfür wird zunächst für einen Strom tragenden Leiter Ln (hier nicht dargestellt) und einen parallelen Signalleiter-Abschnitt S_n (hier nicht dargestellt) die Spannung U_n berechnet, die aufgrund eines Stromes in dem Leiter Ln in den Signalleiter-Abschnitt S_n eingekoppelt wird. Für jeden Signalleiter- Abschnitt n werden die verschiedenen Spannungsbeiträge U = Σ_iU_n zur Längsspannung U aufaddiert, die sich für den gesamten Signalleiter ergibt. Das Verfahren basiert, wie bereits oben erwähnt, auf der sogenannten Koppelimpedanz, die in Abhängigkeit von der Geometrie und dem Material der Leiter die Transferfunktion angibt, welche die Spannung U = f(Z, I) aufgrund eines entfernten Stromflusses einkoppelt. Die verwendeten Koppelimpedanzen ergeben sich aus Messungen, die an der Geometrie der Leiter, den Leitermaterialien und Kabelanordnungen durchgeführt wurden. Alternativ kann die Koppelimpedanz auch durch Berechnung und Simulation aus den Geometrie- und Materialdaten gewonnen werden. In einem zweiten Rechenschritt wird nur der nächste Strom tragende Leiter (hier nicht dargestellt) berücksichtigt. Dieses ist im Allgemeinen der die Kabeltrassen tragende Aufbau. Bei den erwähnten Rechenschritten, die zur Bestimmung der Längsspannung U durchgeführt werden, wird sichergestellt, dass bei sämtlichen Näherungen, die zur Berechnung der Längsspannung U durchgeführt werden, der berechnete Wert immer gleich oder größer ist als der tatsächliche Wert ist.
  
  

Claims (5)

1. Verfahren zum Bestimmen von Spannungseinkopplungen in Signalkabel (2), dadurch gekennzeichnet, dass die in ein Signalkabel (2) eingekoppelte Längsspannung (U_i) aus dem Produkt der Teilströme entlang wenigstens eines nahe bei dem Signalkabel (2) parallel geführten elektrischen Leiters (3) und der frequenzabhängigen Koppelimpedanz zwischen dem Leiter (3) und dem Signalkabel (2) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in ein Signalkabel (2) eingekoppelte Längsspannung (U_l) aus der Summe der induktiven und galvanischen Teilströme ermittelt wird, die durch den Einschlag eines Blitzes (6) oder durch Kurzschlüsse in wenigstens einen nahe bei dem Signalkabel (2) parallel geführten elektrisch Leiter (3) eingekoppelt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst für alle Strom tragenden Leiter (3) in der Umgebung eines jeden Signalkabels 2, und einen Abschnitt (n) eines jeden Signalkabels (2) die Spannung (U_i,n) ermittelt wird, die aufgrund eines Stromes auf dem Leiter (3) in den Abschnitt (n) eingekoppelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Signalkabel (2) in eine beliebige Anzahl von Abschnitten (n) unterteilt und für alle diese Abschnitte (n) eines jeden Signalkabels (2) die zugehörigen Spannungen (U_n) ermittelt und die maximale Längsspannung des Signalkabels (2) als Summe U = Σ_nU_n der Spannungen (U_n) aller Abschnitte (n) ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kenntnis von Geometrie und Material eines Signalkabels (2) und der parallel dazu geführten der Strom tragenden Leiter (3) die Größe der Längsspannungen (U_l) auch mit Hilfe eines Algorithmus berechnet werden kann.