Faseroptische Sensoren ermöglichen eine galvanisch getrennte Temperaturmessung mit hoher elektromagnetischer Störfestigkeit. Eine Sonde kann einen definierten Punkt nahe spannungsführenden Komponenten erfassen, während das elektronische Auswertegerät außerhalb dieses Bereichs angeordnet wird. Die Eignung muss für den konkreten Sondenaufbau und Einbau geprüft werden.
Dies ist besonders nützlich in Transformatoren, Schaltanlagen, Sammelschienen, Generatoren, Leistungselektronik, Hochspannungsprüfgeräten, HF-Systemen und anderen Umgebungen, in denen leitende Sensorverkabelungen zu Isolierungs-, Erdungs-, Interferenz- oder Verlegungsproblemen führen können. Bei der fluoreszenzbasierten punktuellen faseroptischen Temperaturmessung misst eine Sonde einen definierten physikalischen Temperaturpunkt und die optische Faser überträgt kein elektrisches Messsignal.
Der Hauptvorteil der faseroptischen Temperaturmessung in diesen Umgebungen liegt nicht nur in der höheren Genauigkeit. Die Hauptvorteile sind elektrische Isolierung, ein nichtleitender optischer Pfad, Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen, direkte Punkterkennung und die Möglichkeit, Sensorsonden an elektrisch schwierigen Stellen zu platzieren.
Warum ist die Temperaturmessung in der Nähe von Hochspannung schwierig?
Die Temperaturmessung in der Nähe von Hochspannungsgeräten bringt praktische Herausforderungen mit sich, wie z. B. große elektrische Potenzialunterschiede, Isolationsanforderungen, elektromagnetische Felder, Schalttransienten, Erdungsaspekte, leitende Verdrahtungswege und eingeschränkte Sensorplatzierung.
Hochspannung macht die Temperaturmessung nicht unmöglich – herkömmliche Sensoren können weiterhin verwendet werden, aber ihre Konstruktion und Installation erfordern zusätzliche Überlegungen. Die Herausforderung ist nicht die Temperatur selbst. Die Herausforderung besteht darin, ein zuverlässiges Temperatursignal zu erhalten und gleichzeitig die erforderliche elektrische Isolierung und Messintegrität aufrechtzuerhalten.
Wie hilft die elektrische Isolierung bei der Hochspannungs-Temperaturmessung?
Eine faseroptische Sonde nutzt eine optische Übertragung anstelle einer leitenden elektrischen Messverkabelung. Dies bedeutet, dass kein elektrischer Messleiter vom Messpunkt zum Instrument verläuft, das elektrische Potenzial am Messpunkt nicht über die optische Faser zurückgeleitet wird und die Überwachungselektronik an einer anderen physischen Position angebracht werden kann.
Dies bedeutet nicht, dass kein elektrisches Risiko besteht oder dass alle Gefahren durch Hochspannung beseitigt sind. Dies bedeutet, dass der optische Erfassungspfad dazu beiträgt, die elektrische Isolierung der Temperaturmessung selbst zu vereinfachen.
Warum ist EMI-Störfestigkeit wichtig?
Hochspannungsgeräte können starke elektromagnetische Felder und Schaltstörungen erzeugen. Elektrische Sensorschaltkreise erfordern möglicherweise Abschirmung, Erdung, sorgfältige Kabelführung und Signalaufbereitung, um in dieser Umgebung ein sauberes Messsignal aufrechtzuerhalten.
Ein faseroptischer Sensorpfad wird nicht wie eine leitende elektrische Signalverkabelung von elektromagnetischen Störungen beeinflusst. Diese Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen gilt für den optischen Messpfad – sie bedeutet nicht, dass elektromagnetische Störungen die tatsächlich gemessene Temperatur verändern; Dies bedeutet, dass die Verkabelung elektrischer Signale stärker Störungen ausgesetzt ist als ein optischer Pfad.
Wie misst ein faseroptischer Temperatursensor in der Nähe von unter Spannung stehenden Geräten?
Der Messablauf ist unkompliziert: Die Sondenspitze wird am ausgewählten Messpunkt platziert, die Temperatur beeinflusst das fluoreszierende Sensormaterial, das optische Signal wandert durch die Faser und das Auswertegerät wandelt die optische Reaktion in Temperaturdaten um.
Dies ist eine Punkttemperaturmessung. Eine Sonde entspricht einem definierten Erfassungspunkt, nicht der umgebenden Ausrüstung als Ganzes.
Glasfaser vs. PT100 vs. Thermoelement in Hochspannungsumgebungen
| Messmethode | Signalpfad | Elektrische Isolierung | EMI-Überlegungen | Typische Hochspannungsnutzung |
|---|---|---|---|---|
| Faseroptischer Temperatursensor | Optisch | Inhärente optische Isolierung | Hohe Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen | Direkte Punktmessung in der Nähe von unter Spannung stehenden Geräten |
| PT100 / RTD | Elektrisches Widerstandssignal | Erfordert eine entsprechende Isolierung und Verkabelungskonstruktion | Abschirmung/Erdung kann erforderlich sein | Üblich in konventionellen Industrie- und Transformatoranwendungen |
| Thermoelement | Elektrisches Spannungssignal | Erfordert entsprechende Isolierung | Kann je nach Installation durch elektrisches Rauschen beeinträchtigt werden | Weit verbreitet bei der industriellen Prozesstemperaturmessung |
| Infrarot | Berührungslos optisch | Kein Kabelkontakt mit Messpunkt | Nicht durch leitende Verkabelung beeinträchtigt | Nützlich für sichtbare/zugängliche Oberflächen |
Wann ist die faseroptische Temperaturmessung praktischer?
Die faseroptische Sensorik ist in der Regel praktischer, wenn sich der Sensor in der Nähe eines spannungsführenden Leiters befinden muss, wenn eine elektrische Isolierung mit leitender Verkabelung schwer zu erreichen ist, wenn starke EMI- oder HF-Felder vorhanden sind, wenn eine direkte Innentemperatur erforderlich ist, wenn die Überwachungselektronik weiter entfernt bleiben muss, wenn mehrere isolierte Temperaturpunkte überwacht werden müssen oder wenn die Verkabelung herkömmlicher elektrischer Sensoren schwierig ist.
Die Wahl fiel auf die Messumgebung und nicht nur darauf, dass es sich um eine neuere Sensortechnologie handelt.
Wicklungstemperaturmessung von Hochspannungstransformatoren
Transformatorwicklungen sind eine der wichtigsten Anwendungen für die faseroptische Temperaturmessung. Während der Transformatorherstellung können Sonden zur direkten Messung der Wicklungstemperatur an ausgewählten Stellen der Wicklungstemperatur eingebettet werden. Sie decken ausgewählte Heißstellen, mehrere Wicklungshöhen und bei Bedarf die Überwachung der HV-/LV-Wicklung ab.
Die Sonde misst nur den ausgewählten physischen Punkt – sie findet den Transformator-Hotspot nicht automatisch. Platzierungslogik und Kanalplanung für diese Anwendung werden ausführlicher in verwandten Artikeln behandelt, in denen es darum geht, wo faseroptische Temperatursensoren in Transformatorwicklungen platziert werden und wie die Temperatur der Transformatorwicklung gemessen wird.
Hochspannungsschaltanlagen und Sammelschienentemperaturmessung
Zu den typischen Messpunkten von Schaltanlagen gehören Sammelschienenverbindungen, Kabelanschlüsse, Kontakte, Verbindungspunkte und andere ausgewählte spannungsführende Leiter. Optische Temperatursonden können dort eingesetzt werden, wo elektrische Isolierung wichtig ist und der Messpunkt mit herkömmlichen elektrischen Messkabeln nur schwer anzuschließen ist.
Nicht jede Schaltanlageninstallation erfordert eine Glasfasererkennung – die Entscheidung hängt vom spezifischen Verbindungspunkt und den elektrischen Isolationsanforderungen dieser Installation ab.
Messung der Generator- und Motorwicklungstemperatur
Große Generatoren und Motoren weisen starke elektromagnetische Felder, einen erheblichen Wicklungsstrom und besondere Anforderungen an die elektrische Isolierung auf. Die faseroptische Erfassung kann eine isolierte Punkttemperaturmessung an ausgewählten Wicklungs- oder Statorpositionen ermöglichen, ohne dass leitende Leitungen in die elektromagnetische Umgebung eingeführt werden müssen.
Die Auswahl des Messpunkts hängt immer noch von der spezifischen Maschinenkonstruktion ab und nicht von einem festen Ort, der für jeden Generator oder Motor gilt.
Hochspannungsprüfgeräte und Labormessung
Bei Hochspannungsprüfungen kann die Sonde nahe am Prüfobjekt bleiben, während das Auswertegerät physisch weiter entfernt positioniert ist. Dies ist nützlich bei Isolationstests, Tests elektrischer Geräte, Hochspannungsforschung, Prüfständen und dielektrischen Testumgebungen.
Spezifische Sicherheitsabstände und Prüfspannungsstandards sollten gemäß den geltenden Prüfverfahren und Anlagenanforderungen definiert werden und nicht aus einer allgemeinen Referenz übernommen werden.
Leistungselektronik, IGBT- und SiC-Temperaturmessung
Leistungselektroniktests können hohe Schaltspannungen, schnelle elektrische Transienten, starke elektromagnetische Störungen und elektrisch aktive Geräte umfassen. Ein faseroptischer Temperaturfühler kann zur direkten Punkttemperaturmessung an einer Geräteoberfläche, einem Modul oder einem ausgewählten Testpunkt auf einer Leistungshalbleiterbaugruppe verwendet werden, wo eine elektrische Isolierung erforderlich ist.
Die Messung ist auf den Ort beschränkt, an dem die Sondenspitze physisch installiert ist. Es sollte nicht davon ausgegangen werden, dass sie eine interne Sperrschichttemperatur darstellt, es sei denn, die Platzierung des Sensors unterstützt diesen Messpunkt ausdrücklich.
HF- und Mikrowellen-Temperaturmessung
HF- und Mikrowellenumgebungen werden nicht immer als herkömmliche Hochspannungsnetze klassifiziert, sie weisen jedoch dieselben relevanten Merkmale der elektrischen Isolierung und Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen auf. Eine faseroptische Sonde kann die Temperatur innerhalb oder in der Nähe von HF-/Mikrowellenfeldern messen, während das Auswertegerät bei Bedarf außerhalb des aktiven Feldes bleibt.
Typische Hochspannungs-Temperaturmessanwendungen
| Anwendung | Typischer Messpunkt | Warum faseroptische Sensoren verwendet werden können |
|---|---|---|
| Transformer | Wicklung / ausgewählter Hotspot | Direkte interne Messung und elektrische Isolierung |
| Schaltanlage | Sammelschiene/Kabelabschluss/Kontakt | Isolierte Messung in der Nähe von unter Spannung stehenden Bauteilen |
| Generator | Wicklung / Stator | Starkes elektromagnetisches Feld |
| Hochspannungsprüfstand | Testobjekt | Das Instrument kann vom spannungsführenden Bereich ferngehalten werden |
| Leistungselektronik | Modul / ausgewählter Gerätestandort | Schnelles Umschalten und EMI-Umgebung |
| HF-/Mikrowellenausrüstung | Interner Testpunkt | Optische Erfassung in starkem HF-Feld |
| Laborausrüstung | Ausgewählter elektrisch aktiver Testpunkt | Flexible elektrisch isolierte Messung |
Dies sind Anwendungsbeispiele und keine obligatorischen Sensorkonfigurationen.
Wie weit darf das Auswertegerät vom Hochspannungsmesspunkt entfernt sein?
Die Faserlänge bestimmt die physische Verlegungsentfernung zwischen dem Erfassungspunkt und dem Auswertegerät. Typische faseroptische Sondenkonfigurationen unterstützen je nach Sondenstruktur und Projektanforderungen etwa 0–20 m, und 3–5 m können für viele Geräteanwendungen ein praktischer Ausgangspunkt sein. Hochspannungsprüfungen können je nach Layout eine längere Streckenführung erfordern.
Eine längere Faser ist nicht grundsätzlich sicherer – die Länge der Faser sollte sich an den tatsächlichen Verlegungsanforderungen und dem Standort des Instruments orientieren. Auswahlüberlegungen werden in einem speziellen Leitfaden zur Auswahl der richtigen Faserlänge für einen faseroptischen Temperatursensor behandelt.
Können mehrere Hochspannungstemperaturpunkte überwacht werden?
Ja. Eine Punktsonde entspricht normalerweise einem Messkanal, und ein Mehrkanalsystem kann für mehrere Transformatorwicklungspunkte, mehrere Schaltanlagenanschlüsse, mehrere Prüfobjekte oder mehrere Leistungselektronik-Prüfpunkte verwendet werden.
Einige Auswertegeräte unterstützen je nach Instrumentendesign und Projektanforderungen spezielle Konfigurationen von etwa 1 bis 64 Kanälen, obwohl nicht jedes Modell den gleichen Kanalbereich unterstützt. Die Kanalplanung wird in einem verwandten Artikel darüber, wie viele Kanäle für die faseroptische Temperaturüberwachung benötigt werden, näher erläutert.
Beeinflusst Hochspannung die Genauigkeit der faseroptische Temperaturmessung?
Hochspannung selbst ist normalerweise nicht der Parameter, der zur Bestimmung der Temperaturmessgenauigkeit in einem optischen Punktmessungssystem verwendet wird. Die Genauigkeit hängt in erster Linie vom Sondendesign, dem Sensorelement, dem Auswertegerät, der Kalibrierung und Systemkonfiguration, dem thermischen Kontakt und den Anwendungsbedingungen ab.
Der Vorteil der faseroptischen Sensorik in Hochspannungsumgebungen liegt hauptsächlich in der elektrischen Isolierung und der hohen Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen und nicht in einem direkten Einfluss der Spannung auf die Genauigkeit.
Beeinflusst EMI faseroptische Temperatursensoren?
Der optische Erfassungspfad ist von Natur aus äußerst resistent gegen elektromagnetische Störungen. Das Gesamtsystem umfasst jedoch weiterhin elektronische Komponenten wie das Auswertegerät, die Stromversorgung und die Kommunikationsverkabelung, die gemäß der üblichen technischen Praxis für Stromversorgung, Erdung und Kommunikation installiert werden sollten.
Das bedeutet, dass der optische Messpfad selbst elektromagnetischen Störungen widersteht, aber das bedeutet nicht, dass die gesamte Installation an jedem Punkt des Systems gegen jede Form von Interferenz immun ist.
Welche Ausgänge kann ein Hochspannungs-Temperaturüberwachungssystem bieten?
Abhängig vom ausgewählten Auswertegerät können die verfügbaren Ausgänge lokale Temperaturanzeige, RS485, Modbus RTU, 4–20 mA, Alarmrelaisausgang und Integration mit SPS- oder SCADA-Systemen umfassen.
Verfügbare Schnittstellen hängen vom jeweils ausgewählten Auswertegerät ab – nicht jedes Modell unterstützt jeden Ausgang und unabhängige 4–20 mA pro Kanal sollten nur dort angenommen werden, wo das Produkt dies ausdrücklich bietet.
So wählen Sie einen faseroptischen Temperatursensor für die Hochspannungsmessung aus
Zu den praktischen Auswahlfaktoren gehören:
- Temperaturbereich
- Standort des Messpunkts
- Sondendurchmesser/-struktur
- Faserlänge
- Anzahl der Erfassungspunkte
- Anzahl der Überwachungskanäle
- Elektrische Umgebung
- Auswertegerät
- Erforderliche Kommunikationsausgabe
- Installationsroute
Typische Sondenkonfigurationen bieten einen Temperaturbereich von etwa -40 bis 260 °C, eine Genauigkeit von etwa +/-0,5 bis +/-1 °C, eine Reaktionszeit von weniger als 1 Sekunde, einen Sondendurchmesser von etwa 2–3 mm und eine Faserlänge von etwa 0–20 m, je nach Konfiguration. Hierbei handelt es sich um typische Richtwerte und nicht um feste Spezifikationen für jedes Produkt.
Glasfaser- vs. berührungslose Infrarotmessung in der Nähe von Hochspannung
Die Infrarotmessung erfolgt berührungslos, eignet sich für zugängliche Oberflächen, erfordert keine Sensorverkabelung am Messpunkt und hängt von der Sichtlinie und den Oberflächenmessbedingungen ab. Die faseroptische Messung nutzt direkte Kontakt- oder eingebettete Punktmessung, kann interne oder geschlossene Stellen messen, an denen Sondenzugang möglich ist, ist für die kontinuierliche Punktüberwachung geeignet und bietet elektrisch isolierte optische Erfassung.
Infrarot ist nicht ungenau – es dient einem anderen Messzweck, insbesondere für zugängliche Oberflächen, bei denen eine kontinuierliche eingebettete Messung nicht praktikabel ist.
Welche Informationen sind vor der Auswahl eines Hochspannungs-Temperatursensors erforderlich?
- Gerätetyp
- Spannungsumgebung
- Messpunkt
- Oberflächen- oder Innenmessung
- Erforderlicher Temperaturbereich
- Erwartete Betriebstemperatur
- Sondenabmessungen
- Faserlänge
- Anzahl der Erfassungspunkte
- Anzahl der Überwachungskanäle
- Überwachung des Gerätestandorts
- EMI-/HF-Umgebung
- Erforderliche Kommunikationsschnittstelle
- SPS-/SCADA-Anforderung
- Alarmausgabeanforderung
- Installationsraum
- Connector-Anforderung
Häufige Missverständnisse bei der Hochspannungs-Temperaturmessung
Hochspannung selbst verändert den Temperaturmesswert. Hochspannung und EMI stellen vor allem Herausforderungen für das Messsystem dar; Sie verändern die gemessene physikalische Temperatur nicht direkt.
Faseroptische Sensoren werden nur ausgewählt, weil sie genauer sind. Elektrische Isolierung und Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen sind häufig die Hauptgründe, nicht nur die Genauigkeit.
PT100 und Thermoelemente können nicht in der Nähe von Hochspannung verwendet werden. Sie können erfolgreich eingesetzt werden, wenn Isolierung, Abschirmung, Erdung und Systemdesign angemessen sind.
Eine einzelne faseroptische Sonde kann ein gesamtes Transformator- oder Sammelschienensystem messen. Eine Punktsonde misst einen definierten Ort, nicht das gesamte System.
Das Auswertegerät muss neben dem Erfassungspunkt installiert werden. Der Lichtwellenleiter ermöglicht eine separate Positionierung des Instruments entsprechend der erforderlichen Leitungsführung und dem Systemdesign.