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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur
Messung von Teilentladungen.
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Teilentladungen entstehen in Einrichtungen, die
beispielsweise in Hochspannungsanlagen von Netzen zur Übertragung
und Verteilung von elektrischer Energie verwendet werden. In
einer unter Hochspannung stehenden dielektrischen Kette
erfolgt an einem Element ein Überschlag, und die der kapazitiven
Ladung dieses Elementes entsprechende Energie wird in Form
einer hochfrequenten Schwingung abgeführt. Die anderen
Elemente der Kette bleiben unversehrt, so daß die Teilentladung
keinen Durchschlag der gesamten Kette zur Folge hat.
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Die Untersuchung von Teilentladungen ermöglicht es,
die Qualität einer Anlage zu bewerten, und liefert nützliche
Hinweise, wenn die Anlage verbessert werden soll. Es ist daher
wichtig, Messungen in Bezug auf Teilentladungen durchführen zu
können. Hierzu sind spezielle Meßgeräte entwickelt worden. Es
sei beispielsweise das Meßsystem 9100 der Firma Tettex AG
erwähnt, dessen Beschreibung in der Veröffentlichung "Tettex
Instruments - Information", Nr. 21, April 1987, wiedergegeben
ist. Ein solches Gerät führt Messungen an Strom- und
Spannungsimpulsen aus, die von Teilentladungen stammen, und es
zeigt die erfaßten Maximalwerte an. Einzelne Impulse können
ebenfalls mit Hilfe eines Oszilloskops beobachtet werden. Im
übrigen ist auch die Wiederholung der Teilentladungen von
Bedeutung. In der Mitteilung Nr. 15 - 12 mit der Überschrift
"Recherche d'une correlation entre l'energie des décharges
partielles et la dégradation d'une islation papier/huile" von
F. Viale et al., vorgetragen auf der Conférence Internationale
des Grands Réseaux Electriques", Sitzung von 1982, wird eine
Integration der Teilentladungsenergie während einer gegebenen
Zeitdauer erwähnt.
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Weiter wird in dem Aufsatz "Simultane Erfassung und
Verarbeitung von Teilentladungs-Kenngrößen zur Beurteilung
elektrischer Isolierungen" von F.H. Kreuger et al.,
veröffentlicht in "Technisches Messen", Vol.55 Nr.1, 1988, Seiten 17
bis 22, ein System beschrieben, bei dem ein Mikrocomputer die
verschiedenen digitalen Werte erfaßt, die sich in jedem
Zeitpunkt auf eine gleiche Teilentladung beziehen. In dem Aufsatz
werden Maßnahmen behandelt, die ergriffen werden müssen, um
das zu speichernde Informationsvolumen zu verringern, und es
wird sogar das Festhalten des zeitlichen Ablaufs der
gespeicherten Signale angesprochen, ohne jedoch eine Lösung
vorzuschlagen.
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Das Patentdokument DE-A-36 12 234 beschreibt ein
System gleichen Typs.
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Das Patent US-A-4 757 263 beschreibt ein Gerät zur
Überwachung verschiedener elektrischer Größen in einer
gemeinsamen Anlage; doch haben diese Größen mehr einen
gleichförmigen Charakter, zum Unterschied von Signalen, die durch
Teilentladungen erzeugt werden und impulsförmig und unvorhersehbar
sind.
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Nun wirft aber die Beobachtung von Teilentladungen an
mehreren Punkten das Problem der kontinuierlichen oder
quasikontinuierlichen Registrierung einer sehr großen
Informationsmenge auf, es sei denn, daß man willkürlich
Beobachtungsperioden auswählt und Gefahr läuft, nützliche Beobachtungen zu
verpassen, oder auch daß Beobachtungsergebnisse aufgearbeitet
werden, was wegen des Verarbeitungsaufwandes kostspielig ist.
Keine dieser Lösungen ist befriedigend. Praktisch hindert dies
den Untersuchenden an der Gewinnung einer vollständigen
Übersicht über die Entladungsaktivität und überläßt die Auswahl
besonders signifikanter Entladungen seiner Erfahrung oder
seiner Geschicklichkeit. Dennoch gibt es zahlreiche Fälle, in
denen es wünschenswert wäre, über die Teilentladungen
vollständigere Informationen zu erhalten, insbesondere im Falle
von Studien über den Zusammenhang zwischen den Entladungen und
der Beschädigung der Einrichtungen, von denen diese
Entladungen ausgehen. Die Energie einer Teilentladung ist nämlich
ein Maß für ihre Schädlichkeit, wobei man jedoch erst wissen
muß, um welchen Entladungstyp es sich handelt, d.h. von wo die
Entladung ausgegangen ist. Dies kann beispielsweise aus
Beobachtungen abgeleitet werden, die gleichzeitig an mehreren
Punkten gemacht werden.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein
System zur Messung von Teilentladungen, das diesem Bedürfnis
entspricht.
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Das System zur Messung von Teilentladungen der
vorliegenden Erfindung enthält erste und zweite
Erfassungseinrichtungen, die je einen Signaleingang und eine einen
Signalwert liefernden Signalformungseinrichtung besitzen, und einen
Multiplexer, der es ermöglicht, über einen gemeinsamen Kanal
nacheinander Signalwerte, die von den verschiedenen
Erfassungseinrichtungen geliefert werden, an ein System zu
Speicherung und Verarbeitung von Signalen zu liefern. Das Meßsystem
ist dadurch gekennzeichnet, daß die ersten
Erfassungseinrichtungen verschiedene Teilentladungssignale empfangen, die von
verschiedenen Punkten einer Anlage ausgehen, und daß eine
Erfassungsauslöseeinrichtung vorgesehen ist, die auf das
Vorliegen eines von einem Komparator gelieferten
Teilentladungssignals anspricht, wenn der Eingangspegel mindestens einer der
Erfassungseinrichtungen einen definierten Schwellenwert
überschreitet, und die ein Signal zur Erfassungssteuerung liefert,
wobei das System zur Speicherung und Verarbeitung von Signalen
auf das Signal zur Erfassungssteuerung anspricht und dann
einen Erfassungszyklus durchführt, in dessen Verlauf es über
den Multiplexer die von den verschiedenen
Erfassungseinrichtung gelieferten Signale speichert.
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Ein solches System ermöglicht die asynchrone
Aufzeichnung von Gruppen von Signalwerten, die je einer der
aufeinanderfolgenden Teilentladungen entsprechen. Die Teilentladungen
müssen jedoch noch zeitlich lokalisiert werden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung liefert
eine der zweiten Erfassungseinrichtungen,
Spannungserfassungseinrichtung
genannt, den momentanen Meßwert der
Wechselspannung des Verteilernetzes.
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Dies ermöglicht die Lokalisierung einer Gruppe von
Signalwerten relativ zur Halbperiode der Wechselspannung.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält die
Spannungserfassungseinrichtung Mittel, die die Lieferung des
Meßwertes der Wechselspannung des Verteilernetzes vom
Vorhandensein des Signals zur Erfassungssteuerung abhängig machen.
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Gemäß noch einem weiteren Merkmal der Erfindung weist
die Spannungserfassungeinrichtung Mittel auf, die auf das
Auftreten eines maximalen Spannungswertes am Eingang der
Spannungserfassungeinrichtung ansprechen und dann ein zusätzliches
Signal zur Erfassungssteuerung liefern, wobei das System zur
Speicherung und Verarbeitung von Signalen auf das zusätzliche
Signal zur Erfassungssteuerung anspricht und so einen
Erfassungszyklus durchführt.
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Dies ermöglicht es dann, die relativ zu den
Halbperioden der Spannung des Netzes registrierten Wertegruppen
aufzufinden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das System
zur Speicherung und Verarbeitung von Signalen ein passend
programmierter, handelsüblicher Rechner. Die Signalwerte
werden in Digitalform umgesetzt, vorzugsweise nach dem
Multiplexieren.
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Die verschiedenen Ziele, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden,
beispielshalber und ohne Beschränkungsabsicht abgefaßten Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild der Stromkreise,
die die Gewinnung der durch das System gemäß der Erfindung zu
messenden Signale ermöglichen;
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Fig. 2 zeigt das Anschlußschaltbild des Systems gemäß
der Erfindung im Falle von auf einen Transformator bezogenen
Messungen;
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Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung zur
Erfassung der Teilentladungen;
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Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung zur
Erfassung der Speisewechselspannung;
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Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild einer
Erfassungsbefehlseinrichtung; und
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Fig. 6 zeigt die allgemeine Schaltungsanordnung eines
Systems zur Messung von Teilentladungen gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, die
folgende Komponenten zeigt: eine Testeinrichtung Z, die zwischen
eine Hochspannungsspeiseleitung HT und Masse geschaltet ist;
einen kapazitiven Spannungsteiler zur Gewinnung der
Spannungsmeßsignale, der aus den Kondensatoren C1 und C2 besteht, wobei
im gemeinsamen Verbindungspunkt derselben am Ausgang st ein
Spannungssignal in Form einer Wechselspannung verfügbar ist,
deren Wert einen Bruchteil der Hochspannung ausmacht; einen
Spannungsteiler zur Gewinnung der Teilentladungsmeßsignale,
der in bekannter Weise einen Kondensator C3 und eine Impedanz
zm aufweist, wobei im gemeinsamen Verbindungspunkt derselben,
am Ausgang sd, bei jeder in der Einrichtung Z stattfindenden
Teilentladung ein Teilentladungsimpulssignal erzeugt wird, das
die allgemeine Form einer gedämpften Sinusschwingung besitzt.
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Fig. 2 stellt als Testeinrichtung einen
Dreiphasentransformator TR dar, dessen drei im Dreieck geschaltete
Primärwicklungen ep1, ep2, ep3 an die drei Drähte d einer
Niederspannungsleitung a, b, c angeschlossen sind, während seine
drei im Stern geschalteten Sekundärwicklungen es1, es2, es3 an
vier Drähte A, B, C, N einer Verteilungsleitung angeschlossen
sind.
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Zum Messen sind gemäß der Schaltung der Fig. 1
wiederum Kondensatoren c3p1, c3p2, c3p3, c3s1, c3s2, c3s3 und c3n,
die die Funktion des Kondensators C3 wahrnehmen, und
Impedanzen zmp1, zmp2, zmp3, zms1, zms2, zms3 und zmn vorgesehen, die
die Funktion der Impedanz zm wahrnehmen, jeweils in Bezug auf
die Teilentladungssignalausgänge sdp1, sdp2, sdp3 bzw. sds1,
sds2, sds3 und sdn. Desgleichen haben die Kondensatoren c1p
und c2p in Bezug auf einen Spannungssignalausgang die Funktion
der Kondensatoren C1, C2.
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Die Teilentladungserfassungseinrichtung MAD der Fig. 3
behandelt ein beliebiges der Teilentladungssignale und bringt
es in Form. Darüber hinaus trägt sie zur Erzeugung eines
Signals zur Erfassungssteuerung bei. Ab einem Eingang EN, an den
beispielsweise der Ausgang sds1 der Fig. 2 angeschlossen ist,
enthält diese Einrichtung einen ersten invertierenden
Verstärker ai1, der eine Pegelanpassung bewirkt. Das am Ausgang des
Verstärkers ai1 erscheinende resultieren Signal wird an je
einen Eingang von zwei Komparatoren ce1 und ce2 angelegt, die
außerdem zwei Bezugsspannungen V+ und V- empfangen. Wenn das
Ausgangssignal des Verstärkers ai1 die Spannung V+
überschreitet, liefert der Komparator ce1 ein Signal, das das Tor pt1
durchläuft und den Zustand der Kippschaltung bs1 ändert. Diese
liefert dann ein Signal vd1, das einen Spitzendetektor DC1
aktiviert. Gleichzeitig blockiert ein komplementäres Signal
vr1 das Tor pt1. Ab diesem Zeitpunkt hält der Spitzendetektor
DC1, der das Ausgangssignal des Verstärkers ai1 über einen
zusätzlichen, invertierenden Verstärker ai2 mit
Einheitsverstärkung empfängt, an einem Ausgang sd1 einen Signalpegel, der
dem vom Eingangssignal erreichten maximalen positiven Pegel
entspricht. Gleichzeitig liefert die Einrichtung durch ein
ODER-Tor po ein Signal DP, das die Erfassung einer
Teilentladung anzeigt. Die Erfassung des durch die Teilentladung
erreichten Pegels erfolgt durch die Lieferung eines Signal AC.
Zusammen mit dem Signal vdi gibt das Signal AC das Tor pt3
frei und löst den Betrieb eines Schalters cm1 aus, der einen
Kontakt ct1 schließt, derart, daß der am Ausgang sd1 des
Spitzendetektors DC1 liegende Signalpegel an den Ausgang ST
der Einrichtung gelegt wird.
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Wenn das Eingangs signal negativ ist und den
Schwellenwert V- unterschreitet, ist die über den Komparator ce2, das
Tor pt2, die Kippschaltung bs2, das Tor pt4 und den den
Kontakt
ct2 schließenden Schalter cm2 ablaufende Funktionsweise
die gleiche. Der Spitzendetektor DC2 empfängt das
Ausgangsignal des Verstärkers ai1 direkt und behandelt
dementsprechend ein Signal der gleichen Polarität wie der
Spitzendetektor DC1, während der Hilfsverstärker ai3 mit
Einheitsverstärkung das Ausgangssignal st2 des Spitzendetektors DC2
invertiert, um ein Signal sd2' mit der Polarität des
Eingangssignals an den Ausgang ST zu liefern. Das Signal DP wird, wie
zuvor, vom Tor po geliefert.
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Mit dem Auftreten eines Teilentladungssignals wählt
also die Einrichtung MAD der Fig. 3 die Polarität der ersten
Halbwelle des Signals und hält für diese polarität den
erreichten Spitzenspannungswert fest, der als Signalwert
vorbereitet wird, während ein Signal über das Vorliegen einer
Teilentladung geliefert wird, um eine Erfassung zu verlangen.
Die Erfassung führt zur Registrierung des Signalwertes am
Ausgang ST. Anschließend bringt ein Signal RT die
Kippschaltung bs1 oder bs2 in den Ruhezustand zurück, während der
Spitzendetektor DC1 oder DC2 und die Einrichtung jeweils in
ihren Ausgangszustand zurückkehren.
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Die Einrichtung zur Erfassung der
Speisewechselspannung MAT der Fig. 4 bringt die beispielsweise vom Ausgang st
der Schaltung der Fig. 2 kommenden Spannungssignale in Form
und löst beim Durchgang der Spannung durch ein positives oder
negatives Maximum die Erfassung aus. Diese beiden Aspekte
werden aber getrennt behandelt.
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Die Formung des Spannungssignals erfolgt hauptsächlich
mit Hilfe einer Tastschaltung ECH, die das an den Eingang ENT
der Einrichtung gelieferte Signal über einen
Impedanzreduktionsverstärker ae mit Einheitsverstärkung empfängt. Das
bei Meldung einer Teilentladung von einer beliebigen
Einrichtung gemäß der Fig. 3 gelieferte Signal DP ändert den Zustand
der Kippschaltung be, die die Abtastschaltung ECH freigibt.
Diese registriert den Spannungswert, der ihr in diesem Moment
vom Verstärker ae geliefert wird, und hält den Wert an ihrem
Eingang se fest. Im Moment der Erfassung läßt das
Ausgangssignal der Kippschaltung be das Signal AC das Tor pe
durchlaufen, um die Betätigung des Schalters ce auszulösen, der
dann seinen Kontakt ce1 schließt und den abgetasteten
Spannungswert an den Eingang STT liefert.
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Auf diese Weise arbeitet der Teil VT der Einrichtung
der Fig. 4 komplementär zu den Einrichtungen MAD, wie etwa
derjenigen der Fig. 3, und liefert bei jeder Teilentladung
einen Wert der Wechselspannung, der auf einem der Leiter der
Hochspannungsleitung zur Versorgung der Testeinrichtung erfaßt
wird. Dies ermöglicht die Lokalisierung der Teilentladung
innerhalb einer Halbperiode dieser Wechselspannung.
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Die Erfindung sieht weiter vor, die positiven und
negativen Maxima der Wechselspannung zu erfassen und zu
registrieren, um eine Lokalisierung während der Zeitdauer der
Teilentladungen in Bezug auf die Halbperioden der
Wechselspannung zu ermöglichen.
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Hierzu wird bei der Einrichtung MAT der Fig. 4 die
Eingangspannung über einen Impedanzreduktionsverstärker at1
mit Einheitsverstärkung an einen Komparator cmt1 gelegt, der
weiter eine Spannung Vr+ empfängt. Diese Spannung ist relativ
niedrig und ermöglicht die Weiterleitung der positiven und
negativen Halbwellen der Wechselspannung an die Schaltungen,
die zu ihrer Verarbeitung bestimmt sind. Wenn die Spannung
überschritten wird, liefert der Komparator cmt1 ein Signal
ve1, das die Einrichtung zur Erfassung des Maximums DM1
freigibt. Ein Gerät dieses Typs wird von der Firma "Precision
Monolithics, Inc." unter der Bezeichnung PKD-01 geliefert.
Diese Einrichtung überwacht das ihr vom Verstärker at1
gelieferte Signal mit den geeigneten Zeitkonstanten und liefert ein
Signal mx1, wenn die Amplitude des Signals abzunehmen beginnt.
Durch ein Tor pm liefert dieses Signal mx1 ein Signal MAX, das
ein Maximum (in diesem Falle ein positives) der bewerteten
Wechselspannung anzeigt und eine Erfassung verlangt. Weiter
tastet die Einrichtung DM1 das Wechselsignal ab und hält an
seinem Ausgang sm1 die in demjenigen Moment erhaltene Probe
fest, in dem sie das Signal mx1 liefert. Das Signal mx1 gibt
über das Tor px1 das Tor py1 frei. Bei der Erfassung wird über
das Tor py1 ein Signal CR an die Einrichtung der Fig. 4
geliefert und betätigt den Schalter cx1, der den Kontakt tx1
schließt. Auf diese Weise wird der positive Maximalwert der
Wechselspannung an den Ausgang STT übertragen.
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Die am Ausgang des Verstärkers at1 reproduzierte
Eingangsspannung wird auch an einen Komparator cmt2 gelegt, der
die Unterschreitung einer Schwelle Vr- feststellt und
entsprechend ein Signal ve2 liefert, das die mit der Einrichtung
DM1 identische Einrichtung DM2 freigibt. Die Einrichtung DM2
empfängt die Eingangsspannung über einen invertierenden
Verstärker at2 mit Einheitsverstärkung. Die Wirkungsweise der
Einrichtung ist somit die gleiche wie die der Einrichtung DM1.
Sie liefert daher ein Signal mx2, wenn die Eintrittsspannung
das negative Maximum durchläuft und das Tor pm dann das
Erfassungsanforderungssignal MAX ausgibt. Der am Ausgang sm2 der
Einrichtung DM2 festgehaltene Tastwert wird durch den
invertierenden Verstärker at3 umgepolt. Bei der Erfassung gibt das
durch die Signale ve1 und max1 freigegebene Tor px2
seinerseits das Tor pv2 frei, das das Signal CR an den Schalter CX2
überträgt, der den Kontakt tx2 schließt, woraufhin der
negative Maximalwert der Eingangsspannung der Einrichtung der Fig. 4
an deren Ausgang SST übertragen wird.
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Die Einrichtung MAT der Fig. 4 verursacht somit bei
jeder Halbperiode der Speisespannung eine Erfassung der
Maximalspannung. Die Zählung dieser Halbperioden ermöglicht die
Verfolgung des Zeitablaufes bis zum Auftreten einer
Teilentladungserfassung, um diese Teilentladung in einer definierten
Halbperiode zu lokalisieren. Wie erinnerlich, resultiert die
Lokalisierung innerhalb der Halbperiode aus dem von der
Abtasteinrichtung ECH ausgegebenen, mit den benachbarten
Maximalspannungswerten verglichenen Spannungswert.
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Die logische Einrichtung zur Erfassungssteuerung LA
der Fig. 5 dient als Schnittstelle zwischen den Einrichtungen
MAD und MAT der Figuren 3 und 4 und einem in geeigneter Weise
programmierten Universalrechner ORD. Wenn sich die
Kippschaltung b2 im Ruhezustand befindet, ändert ein von einer
Einrichtung, wie etwa derjenigen der Fig. 3, kommendes Signal DP über
das Tor pc1 der Zustand der Kippschaltung bc1, die ein Tor pc2
blockiert. Die Kippschaltung bc1 liefert dann das vorerwähnte
Signal AC, durch das jede Einrichtung MAD, wie etwa diejenige
der Fig. 3, an ihrem Ausgang ST ein Teilentladungssignal
entsprechend einer Spitzenamplitude der ersten Halbwelle des
Impulssignals ausgibt, das durch die Teilentladung verursacht
wurde, während die Einrichtung MAT der Fig. 4 in diesem Moment
den Wert der Wechselspannung liefert, der von der
Abtastschaltung ECH festgehalten wird.
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Das Signal AC wird auch an den Rechner ORD geliefert,
um die Durchführung eines Erfassungszyklus auszulösen, durch
den die so dargestellten Werte registriert werden. Die
Einrichtung LA gibt das Signal RZ aus, das die Kippschaltung bc1
gleichzeitig mit den Einrichtungen MAD und MAT der Figuren 3
und 4 in den Ruhezustand zurückversetzt.
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Falls das Signal MAX von der Einrichtung der Fig. 4
geliefert wird, und falls bzw. sobald sich die Kippschaltung
bt1 im Ruhezustand befindet, wird das Tor pc2 leitend und die
Kippschaltung bc2 ändert den Zustand, wodurch das Tor pc1
blockiert und das Signal CR geliefert wird. Damit ist ein
Erfassungszyklus entsprechend dem vorherigen Zyklus beendet.
Er endet mit der Lieferung eines Signals RZ durch die
Verzögerungsschaltung ER' des Moduls LA selber, das die
Kippschaltung bc2 und den Maximumsdetektor DM1 oder DM2 der
Einrichtung der Fig. 4 in den Anfangszustand zurückstellt.
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Fig. 6 zeigt schließlich ein Blockschaltbild mit einem
Rechner ORD, der mit einer Schnittstelle INT versehen ist, die
einen Multiplexer MTX und einen Analog-Digital-Wandler CAN
enthält. Die Erfassungseinrichtungen MAD und MAT der Figuren 3
und 4, und die Logik zur Erfassungssteuerung LA der Fig. 5
sind mit der Schnittstelle INT verbunden. Die Schnittstelle
INT setzt die Signal CR und AC der Logikschaltung LA in
Unterbrechungsaufforderungen um, und der Rechner ORD adressiert im
Gegenzug über den Multiplexer MTX die Einrichtungen MAD/MAT
und erhält mit Hilfe des zwischengeschalteten Wandlers CAN
digitale Werte entsprechend den an den Ausgängen ST und STT
verfügbaren Analoggrößen. Die Signale CR und AC können weiter
identische Erfassungszyklen auslösen, bei denen, rückgreifend
auf die in Fig. 2 dargestellte Konfiguration, acht, von sieben
Einrichtungen MAD und einer Einrichtung MAT bediente Kanäle
Gegenstand eines Registrierzyklus sind. Falls der
Registrierzyklus durch das Auftreten einer Teilentladung verursacht
wird, liefern die acht Kanäle von null verschiedene
signifikante Daten. Falls der Registrierzyklus durch das Auftreten
eines Maximums der Speisewechselspannung verursacht wird,
liefern die ersten sieben Kanäle Nullwerte (weil das Signal AC
nicht vorhanden ist), und nur der der Einrichtung MAT
zugeordnete Kanal liefert ein von null verschiedenes Signal (es
handelt sich um die beobachtete negative oder positive
Maximalamplitude der Wechselspannung). Derartige Registrierungen werden
so ohne weiteres für das Zählen der Halbperioden der
Wechselspannung und damit für das zeitliche Lokalisieren der
Aufzeichnungen bezüglich der Teilentladungen wiedererkannt.