Teminova, Renata (2007)
Einsatz von passiven funkabfragbaren OFW-Sensoren in der elektrischen Energietechnik.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Mit passiven funkabfragbaren Oberflächenwellen-Sensoren (FOFW-Sensoren) lassen sich physikalische Größen wie Temperatur, Druck oder Moment messen. Ihre wesentlichen Vorteile gegenüber herkömmlichen Messaufnehmern oder Sensoren sind die völlig passive Wirkungsweise, die einen Betrieb ohne eigene Energieversorgung ermöglicht, sowie die drahtlose Hochfrequenz-Messsignalübertragung über Entfernungen bis zu etwa 10-15 Metern auch durch (nicht-metallische) Gehäuse hindurch. Diese Eigenschaften prädestinieren FOFW-Sensoren ganz besonders für den Einsatz in Hochspannungsbetriebsmitteln der elektrischen Energieversorgung. Nachdem bereits ein Temperaturmonitoringsystem für Überspannungsableiter auf Basis von FOFW-Sensoren über mehrere Jahre erfolgreich in Feldversuchen erprobt worden ist, befasst sich dieses an der TU Darmstadt durchgeführte Projekt mit dem Einsatz von FOFW-Sensoren für die Temperaturüberwachung von Freileitungs-Leiterseilen und die Zustandsbewertung von Trennschalterkontakten durch Temperaturmonitoring mit Hilfe fest installierter und mobiler Abfragesysteme. Um die Betriebsfestigkeit und die Einsatzfähigkeit der FOFW-Sensoren sicherzustellen, wurden unterschiedliche Hochspannungs-, Hochstrom-, thermische und Lichtbogenbeanspruchungsprüfungen im Labor durchgeführt, um sie für die geplanten Anwendungen zu qualifizieren. Alle Laboruntersuchungen bestätigten, dass FOFW-Sensoren, wie es ihr Wirkungsprinzip auch erwarten lässt, eine äußerst robuste und störunanfällige Technik darstellen. Ein FOFW-Sensor besteht allgemein aus einem FOFW-Sensorchip, einer Sensorantenne (zum Senden und Empfangen des HF-Signals) und einem Gehäuse (Schutz gegen klimatische Bedingungen). Man muss hierbei einen Kompromiss zwischen den thermischen, dielektrischen und HF-technischen Eigenschaften finden. Gleichzeitig muss er sich leicht installieren lassen. Diese Anforderungen an den FOFW-Sensor haben sich als sehr schwer koordinierbar herausgestellt. Besonders schwierig ist, es eine hohe Messunsicherheit zu erreichen. Es wurde zunächst ein FOFW-Sensor für die Leiterseiltemperaturmessung entwickelt. Dieser ist HF-technisch und dielektrisch optimiert. Alle derzeit laufenden Feldversuche wurden mit diesem Sensor gestartet. Seine thermischen Eigenschaften sind jedoch, wie sich im Laufe der Zeit herausstellte, noch nicht optimal. Zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften der FOFW-Sensoren bieten sich grundsätzlich zwei Möglichkeiten an. Man kann entweder das Gehäuse so gestalten, dass es praktisch keinen Einfluss auf die gemessene Temperatur hat, oder man kann die verfälschte Temperatur mit einer Korrelationsrechnung korrigieren. Beide Möglichkeiten wurden parallel verfolgt. Als erstes wurde ein thermisch optimierter Sensor für die Leiterseiltemperaturmessung entwickelt. Die zweite Möglichkeit, die thermischen Eigenschaften der FOFW-Sensoren zu verbessern, ist die Korrekturrechnung. Mit Hilfe von Entfaltung und Faltung lässt sich aus einer bekannten Sensortemperatur die Leiterseiltemperatur bestimmen. Im Labor wurde die Korrekturrechnung für den nicht thermisch-optimierten FOFW-Leiterseiltemperatursensor getestet. Es wurde festgestellt, dass eine Korrekturrechung im Prinzip möglich ist. In Feldversuchen wurden mehrere Sensoren in Freileitungen eingebaut, um das gesamte Messsystem unter realen Betriebs¬bedingungen zu erproben und zu optimieren. Dabei wurden sowohl fest installierte als auch mobile Abfragesysteme vorgesehen. In Feldversuchen konnte gezeigt werden, dass die FOFW-Technik grundsätzlich einsatzreif für das Leiterseiltemperaturmonitoring ist. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Dissertation läuft der erste dieser Feldversuche bereits seit über 3 Jahren. Der zweite Teil des Projektes beschäftigt sich mit der Zustandsbewertung von Trennschalterkontakten. Für diese Zwecke wurde ein nach dem gleichen Prinzip arbeitender FOFW-Sensor entwickelt. Dieser Sensor ist HF-technisch, dielektrisch und thermisch optimiert. Verschiedene Trennschalterarten wurden im Labor untersucht: ein 420-kV-Einsäulentrennschalter (im gebrauchten Zustand) und ein neuer 245-kV-Drehtrennschalter. Als erstes wurde die Position des Trennschaltersensors für diese zwei Trennschalterarten bestimmt. Für die Wahl der Position wurden dabei verschiedene Gesichtspunkte berücksichtigt. Zum einen soll der Sensor nicht durch Lichtbögen beschädigt werden, und zum anderen soll eine sichere Abfrage der Sensoren und eine Erkennung von Fehlern möglich sein. Danach wurden die thermischen Eigenschaften des FOFW-Sensors an der gewählten Position und die Möglichkeit, Fehler zu erkennen untersucht. Anschließend wurden zwei Feldversuche gestartet.

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