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Power Waveform Generator
Im Bereich der elektrischen Energieübertragung werden im Mittelspannungsbereich von ca. 10kV bis 45kV hauptsächlich kunststoffisolierte Kabel eingesetzt. Diese sind zum grössten Teil direkt im Erdreich vergraben. Hierbei handelt es sich um Koaxialkabel, deren Mantel nicht nur die Funktion einer elektrischen Isolation übernimmt, sondern auch Schutz gegen eindringende Feuchtigkeit bieten muss.
Oft gibt es Beschädigungen, die einerseits elektrische aber auch mechanische Ursachen haben können, wie z.B. ein Bagger, der bei Grabungsarbeiten die äussere Schicht - den Mantel - verletzt. Ist dies der Fall, kann Wasser eindringen und das Kabel nachhaltig schädigen. Der Schirm des Kabels kann hierbei eine elektrische Verbindung zum umgebenden Erdreich haben, was eine Lokalisierung ermöglicht.
Um solche Fehler zu finden, hat sich in der Praxis der Einsatz verschiedener Methoden (z.B. Messbrücke mit einigen Kilovolt) bewährt. Je nach vorhandenem Fehler und Beschaffenheit des über dem Kabel liegenden Erdreichs/Strassenaufbau etc. kommt unter anderem die Tonfrequenzmethode zum Einsatz. Hierbei wird um den Fehler möglichst punktgenau orten zu können ein Signal mit definierter Frequenz (von 1kHz bis 20 kHz) am Kabelschirm gegenüber Erde eingespeist und mittels eines abgestimmten Empfängers kapazitiv oder direkt abgegriffen (über Erdspiesse bzw. Metallplatten).
Durch den Fehlerstrom, der vom Kabelschirm ins Erdreich fliesst, entsteht ein Spannungstrichter, der vermessen werden kann. Aufgrund der hohen Kapazität der teilweise kilometerlangen Kabel (0.1 - 2 μF) muss eine Leistungsanpassung an die Lastkapazität erfolgen um eine möglichst hohe Amplitude zu erhalten (Amplituden variieren im Bereich von 100 - 500 VRMS).
Ziel der Arbeit ist es einen Leistungsverstärker zu entwickeln, mit welchem die Fehlerortung möglich ist. Dazu erfolgt eine Dimensionierung, um die automatische Anpassung an die Lastkapazität zu erreichen. Aus den Resultaten von durchgeführten Simulationen und Berechnungen entsteht dazu ein Konzept. Dieses Konzept wurde schliesslich umgesetzt und an einem Prototyp getestet.
Der Leistungsverstärker wurde so dimensioniert, dass ein Signal mit Frequenzen von 1 - 20 kHz erzeugt werden kann. Dabei wurden bei Scheinleistungen bis zu 300 VA Wirkungsgrade bis zu 92 % erreicht. Neben der Signalerzeugung enthält die entwickelte Firmware einen Ablauf, um den Strom an der Fehlerstelle zu maximieren. Hierfür dient das, aus den Simulationen, gewonnene Konzept.
Der Prototyp wurde in einen Leistungsteil und einen Digitalteil unterteilt, um eventuellen Störungen entgegenzuwirken. Diese Aufteilung ermöglichte es, die Aufgaben im Team aufzugliedern. Die entwickelte Schaltung kann als Basis für weitere Entwicklungen des Auftraggebers b2 electronic GmbH in diesem Bereich verwendet werden.