Laborbericht zum Labor Teilentladungsmessung PDF

Preview

Summary

Laborbericht für das Labor Teilentladungsmessung
Sommersemester 2018...

Description

TEILENTLADUNGSMESSUNG

HS2-Laborbericht durchgeführt an der

Technischen Universität Graz am 20.04.2018

Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement

Betreuer: Gruppenteilnehmer:

Dipl.-Ing. Alexander Pirker Dantendorfer Simon Geisler Robert Hirsch Maximilian Ratheiser Patrik

Inhaltsverzeichnis 1

2

Einleitung ................................................................................................................................................... 1 1.1

Allgemeines ....................................................................................................................................... 1

1.2

Wichtige Kenngrößen und Effekte .................................................................................................... 4

Teilentladungsmessungen ......................................................................................................................... 6 2.1

Kalibrierung des Teilentladungsmesskreises ..................................................................................... 6

2.2

Teilentladungsmessung einer Nadel-Platte-Anordnung ................................................................... 6

2.2.1 2.3

Teilentladungsmessung eines Generatorstabes................................................................................ 9

2.3.1 2.4

Diskussion ................................................................................................................................ 12

Graphische Darstellung der Messergebnisse .................................................................................. 13

2.5.1 2.6

Diskussion ................................................................................................................................ 10

Vergessenes Werkzeug im Prüfkreis ............................................................................................... 12

2.4.1 2.5

Diskussion .................................................................................................................................. 7

Diskussion ................................................................................................................................ 14

Geräteverzeichnis ............................................................................................................................ 14

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

1 Einleitung 1.1 Allgemeines Werden Isoliersysteme in der Hochspannungstechnik hergestellt, so lassen sich Fehlstellen oder Inhomogenitäten im Dielektrikum kaum vermeiden. Im Inneren dieser Fehlstellen kann die Durchschlagfeldstärke auch bei Betriebsspannung erreicht werden, wodurch Teilentladungen auftreten. Diese Teilentladungen schädigen das verwendete Isoliermaterial und können zu einem frühzeitigen Ausfall des Betriebsmittels führen. Um innere beziehungsweise äußere Teilentladungen zu bestimmen, wird in dieser Laborübung die im Bild 1-1 dargestellte Schaltung verwendet. Die dargestellte Schaltung beinhaltet den Vorteil, dass der Prüfling nicht isoliert aufgestellt werden muss. Sie weist jedoch eine geringere Empfindlichkeit auf, da die Nähe zum Prüfling fehlt. Der Prüfling der nachfolgenden Schaltung ist als Ca gekennzeichnet. Der erzeugte Kreisstrom, welcher über die Koppelkapazität Ck fließt, wird mithilfe eines Ankoppelvierpols und eines Messgerätes bestimmt.

Bild 1-1: Verwendete Messschaltung [1] Während der Messung können verschiedene Störquellen das Messergebnis verfälschen. Darunter zählen netzgebundene Störungen, elektromagnetische Strahlung, schmalbandige Störer, Leiter auf freiem Potential, schlecht verschraubte Kontaktstellen und andere Teilentladungen des Messaufbaus durch z.B. Spitzen oder Kanten, die sich vor allem bei sehr hohen Spannungen störend auswirken. Um diese Störquellen zu reduzieren ist es wichtig den Messaufbau teilentladungsfrei aufzubauen, alle leitenden Gegenstände entweder weit entfernen oder definierte Kontaktierung herstellen und Spitzen und Kanten durch Verrundungen zu vermeiden. Weiters ist es von Vorteil eine allseitig geschirmte Umgebung zu haben und die netzgebundene Zuleitung mit Filter auszustatten. Weil bei einer Vor-OrtMessung eine Abschirmung kaum möglich ist, versucht man Störer aus anderen Frequenzbereichen durch einen Bandpassfilter zu unterdrücken. Weil Teilentladungsimpulse in festen Isolierstoffen eine Stirnzeit von ein paar Nanosekunden und eine Rückenhalbwertszeit von einigen 10ns haben, liegt im Frequenzbereich die Grenzfrequenz bei einigen 100 MHz (siehe Bild 1-2 und Bild 1-3). Damit wir aber nicht die Netzspannung (50 Hz) oder andere störende Frequenzen messen, ist im Ankoppelvierpol ein Bandpassfilter aus R, C und L-Bausteinen eingebaut. Zusätzlich dazu ist ein Verstärker integriert, weil die kleinen Stromamplituden nur ein paar Mikroampere oder weniger betragen.

1 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

Bild 1-2: Teilentladungsimpuls im Zeitbereich [2]

Bandpass

Bild 1-3:Teilentladungsimpuls im Frequenzbereich und Bandpassfilter [2] Transformiert man den Bandpassfilter wieder zurück in den Zeitbereich, so entspricht der zeitliche Verlauf einer sinc-Funktion, wie sie in Bild 1-4 dargestellt ist. [1] … LV 433.131 Hochspannungstechnik 2 Labor Skript SS2018 [2] … Prof. Dr.-Ing. Andreas F.X. Welsch: „Praktikum Hochspannungstechnik PHS“, Fachbereich Elektro- und Informationstechnik an der Fachhochschule Regensburg

2 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3 A

t

Bild 1-4:Zeitlicher Verlauf des Bandpassfilters Wichtig für das Verständnis ist, dass die Fläche unter der Kurve immer noch proportional zu der Ladung des ursprünglichen Teilentladungspulses ist. Wie in Kapitel 2.2.1 erkannt wurde, kann es bei schnell hintereinander folgenden Teilentladungen zur Überlappung der sincFunktionen kommen, wodurch sich die Summe der Fläche unter den Kurven aufheben kann, wodurch eine geringere Ladung angezeigt wird (siehe Bild 1-5). A

t

Bild 1-5: Teilentladungsüberlagerung nach Bandpassfilterung

3 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

1.2 Wichtige Kenngrößen und Effekte Für die klassische Interpretation der Messergebnisse sind die nachfolgenden Kenngrößen sowie die erklärten Effekte ausschlaggebend. • Grundrauschen: Der Grundrauschpegel stellt den Wert dar, der auf dem Teilentladungsmessgerät angezeigt wird, wenn die Spannung noch auf null Volt eingestellt ist. Er kommt von Störungen, welche von benachbarten Geräten oder durch andere Umwelteinflüssen erzeugt werden. Der Wert des Grundrauschens muss aufgenommen werden, da Teilentladungen im Bereich unter diesem Grundrauschpegel nicht erkannt werden können und dadurch Messfehler entstehen können. Zusätzlich dazu ist er ein Maß für die Qualität des Messaufbaus. • Teilentladungsintensität Die Teilentladungsintensität gibt die Größe der scheinbaren Ladung an, welche durch die Teilentladungen entstehen. Sie ist ein sehr wichtiges Maß für die TE-Messung, da diese Ladung der in der Fehlstelle umgesetzten Ladung entspricht Bei modernen digitalen Messeinrichtungen werden die auftretenden Teilentladungen durch die Häufigkeit des Auftretens gewichtet. • Ein- und Aussetzspannung Die Einsetzspannung gibt die Höhe der Spannung an bei der das erste Mal Teilentladungen wiederkehrend auftreten. Anschließend wird die Spannung weiter erhöht, um die Teilentladungsintensität bei verschiedenen Spannungen zu bestimmen. Die Aussetzspannung wird anschließend beim Verringern der Spannung bestimmt. Sie gibt jenen Wert der Spannung an bei dem die wiederholten Teilentladungen aussetzten. • PRPD-Pattern Durch den Phasenbezug der einzelnen Teilentladungen ist es möglich auf innere beziehungsweiße äußere Teilentladungen rückzuschließen. Innere Teilentladungen treten im Spannungsnulldurchgang (größte Spannungsänderung du/dt) und äußere Teilentladungen im Spannungsmaximum beziehungsweiße im Spannungsminimum auf. Durch bekannte Muster ist es möglich spezifischere Aussagen über die Art der Fehlerstelle, die die Teilentladungen verursachen, zu treffen.

4 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

• Polaritätseffekt Der Polaritätseffekt gibt an, dass bei einer positiven Spitze der Durchschlag schneller eintritt als bei einer negativen Spitze. Die negative Spitze verursacht jedoch schneller Teilentladungen: Positive Spitze: Die Elektronen, welche vor der Spitze vorhanden sind, werden von der positiv geladenen Spitze abgesaugt. Die trägen positiven Ionen bleiben zurück und bilden eine Raumladungswolke vor der Spitze. Dadurch entsteht sozusagen eine Verlängerung der verwendeten Spitze. Weil das elektrische Feld dadurch geschwächt wird, treten Teilentladungen später ein, da die nötigen Elektronen nicht vorhanden si nd. Die Schlagweite der Elektrodenanordnung wird somit verringert, wodurch der Durchschlag schneller eintritt. Negative Spitze: Die Elektronen vor der Spitze werden durch die negativ geladene Nadel abgestoßen. Die trägen positiven Ladungsträger verbleiben vor der Spitze und schirmen die Spitze ab wodurch die Durchschläge später eintreten. Die Elektronen, welche von der positiv geladenen Platte angezogen werden, bilden durch Stoßionisation (→ Lawineneffekt) Teilentladung aus wodurch diese bei einer negativen Spitze schneller eintreten.

5 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

2 Teilentladungsmessungen 2.1 Kalibrierung des Teilentladungsmesskreises Weil der Koppelkondensator Ck nicht die gesamte scheinbare Ladung ausgleichen kann, muss ein Zusammenhang zwischen messbarer Ladung und scheinbarer Ladung erstellt werden. Dieser Zusammenhang wird bei der Kalibrierung ermittelt, indem ein definierter Impuls immer parallel zur Prüfkapazität Ca eingespeist wird. Dabei ist es wichtig die Spannungsquelle abzuschalten, damit nur der Kalibrierimpuls wirkt. In dieser Laborübung wurde ein Impuls mit der Ladung 100 pC eingespeist, auf die dann der Anzeiger eingestellt wurde. Neuere TE-Messgeräte zeigen stattdessen den Kalibrierfaktor am Display an. Die Kalibrierung wurde bei jedem Messaufbau erneut durchgeführt, weil sich jedes Mal die Prüfkapazität änderte. Nach der Kalibrierung wurde der Kalibriergenerator abgeschaltet und die Leitungen von der Prüfkapazität Ca entfernt.

2.2 Teilentladungsmessung einer Nadel-Platte-Anordnung In der ersten Teilübung wurde eine Nadel-Platte-Anordnung näher untersucht. Diese Anordnung ist gut dafür geeignet äußere Teilentladungen zu beschreiben und messtechnisch zu ermitteln. Ebenso können die Auswirkungen des Polaritätseffektes durch die dargestellte Elektrodenanordnung überprüft werden. Im Bild 2-1 ist die verwendete Nadel-Platte-Anordnung dargestellt.

Bild 2-1: Nadel-Platte-Anordnung

6 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

Die nachfolgende Tabelle 2-1 zeigt alle durchgeführten Messungen sowie die dazu eingestellten Spannungen, welche bei dieser Teilentladungsmessung bestimmt wurden. Tabelle 2-1: Messwerttabelle der Nadel-Platte-Anordnung Messung Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8

Eingestellt

Gemessen

U

Q

kV

pC

Mittelwert

0,0 4,5 7,5 10,1 15,1 20,0 26,8 4,48

0,2 1 - 10 20 19 - 21 25 - 30 25 1800 0

0,2 4 20 20 27 25 1800 0

Aus den Messungen der Tabelle 2-1 wurden anschließend die nachfolgenden Parameter, welche in Tabelle 2-2 dargestellt sind, ermittelt. Tabelle 2-2: Teilentladungsparameter der Nadel-Platte-Anordnung Grundrauschen 0,2 pC Einsetzspannung 4,50 kV Aussetzspannung 4,48 kV

2.2.1 Diskussion Die auftretenden äußeren Teilentladungen bis zur Messung Nr. 6 von Tabelle 2-1 werden mit dem nachfolgenden Bild veranschaulicht (Bild 2-2). Erkennbar ist, dass das vorliegende Muster dem Teilentladungsmuster einer negativen Spitze und einer Platte auf Erdpotential entspricht. Der Einbruch der Teilentladungen ist auf den Effekt der Teilentladungsüberlagerung zurückzuführen, welcher in Kapitel 2.1 näher erläutert wurde. Ebenso ist der Polaritätseffekt gut erkennbar. Es treten bei diesen Spannungshöhen somit nur Entladungen während der negativen Halbwelle der Spannung auf. Die positive Halbwelle der Spannung zeigt noch keine Teilentladungen.

7 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

Bild 2-2: Oszillogramm der Nadel-Platte-Anordnung TE nur im negativen Scheitel

In der Tabelle 2-1 ist ein plötzlicher Anstieg der Teilentladungsintensität von Messung Nr. 6 auf 7 ersichtlich. Diese starke Steigerung ist darauf zurückzuführen, dass hier ebenfalls während der positiven Halbwelle Teilentladungen auftreten. In der negativen Halbwelle treten bei geringeren Spannungen Teilentladungen auf, welche sich mit steigender Spannungshöhe steigern. Die positive Halbwelle weißt hierbei keine Teilentladungen auf. Wird die Spannung weiter erhöht, so treten ebenfalls in der positiven Halbwelle Teilentladungen auf, welche eine viel stärkere Intensität aufweisen als die Teilentladungen der negativen Halbwelle. Die höhere Intensität ist wiederum auf den wirkenden Polaritätseffekt zurückzuführen. Im Bild 2-3 ist ein Oszillogramm dargestellt, worin sowohl die Entladungen in der positiven Halbwelle, als auch die Entladungen in der negativen Halbwelle dargestellt sind. Gut erkennbar ist, dass die Höhe der Teilentladungen der positiven Halbwelle deutlich größer ist, als die Höhe der Teilentladungen der negativen Halbwelle.

Bild 2-3: Oszillogramm der Nadel-Platte-Anordnung TE auch im positiven Scheitel

8 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

2.3 Teilentladungsmessung eines Generatorstabes In dieser Teilübung wurde ein Generatorstab als Prüfling verwendet. Wie im Kapitel 2.1 beschrieben wurde, muss bei jedem Prüflingswechsel eine neue Kalibrierung des Teilentladungsmessgerätes erfolgen. Hierzu wurde die Kalibrierungsanleitung wie in den vorherigen Versuchen durchgeführt, da sich die Prüflingskapazität stark von den letzten unterscheidet. Im Bild 2-4 ist die verwendete Prüfschaltung mit dem verwendeten Generatorstab als Prüfling dargestellt.

Bild 2-4: Messaufbau zur TE-Messung am Generatorstab

In Tabelle 2-3 sind alle eingestellten und gemessenen Werte dargestellt, welche sich in dieser Übung ergaben. Tabelle 2-3: Messwerttabelle der TE-Messung am Generatorstab Messung Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8

Eingestellt

Gemessen

U

Q

kV

pC

Mittelwert

0,0 1,7 2,5 5,1 10,0 15,2 20,5 2,6

0,25 - 0,30 2-3 3-5 35 - 45 50 - 80 300 - 500 200 - 300 0,30

0,28 2,80 4 40 70 450 250 0,30

9 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

Die nachfolgende Tabelle 2-4 zeigt die wichtigsten Parameter, welche aus den durchgeführten Messungen resultierten. Tabelle 2-4: Teilentladungsparameter der Messung am Generatorstab Grundrauschen 0,25-0,3 pC Einsetzspannung 1,7 kV Aussetzspannung 2,6 kV

2.3.1 Diskussion Wie im Bild 2-5 erkennbar ist, treten bei den durchgeführten Messungen im Inneren des Generatorstabes Teilentladungen auf. Die inneren Teilentladungen werden daran erkannt, dass sie sich in der Nähe des Nulldurchgangs der gemessenen Spannung befinden.

Bild 2-5: Oszillogramm der Teilentladungen am Generatorstab

In Tabelle 2-3 ist ein plötzlicher hoher Anstieg der Teilentladungsintensität des Generatorstabes auffällig. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ebenso Teilentladungen an den Spitzen des Generatorbleches auftreten, welche in den Oszillogrammen durch den Phasenbezug Oberflächenentladungen zugewiesen werden konnten. In Bild 2-6 wurde der Verlauf um die sinusförmige Wechselspannung bereinigt und nur das Muster der Teilentladungen dargestellt. Leider ist es in diesem Oszillogramm nicht genau erkennbar, jedoch ist das Muster der Teilentladungen sichelförmig. Im englischsprachigen Raum spricht man auch oft vom rabbit-like-pattern oder rabbit-ear like PRDP pattern, weil das es aussieht, als würde ein Hase mit langen Ohren abgebildet sein.

10 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

Bild 2-6: Oszillogramm am Generatorstab ohne den Sinusverlauf mit rabbit-like-pattern

Weiters ist ersichtlich, dass Generatorstäbe (mit Graphitschicht auf der Wicklung) die Eigenschaft besitzen über einen weiten Spannungsbereich die Teilentladungen konstant in einem niedrigeren Bereich zu halten. Das Diagramm, welches durch die aufgenommenen Messungen erstellt wurde, ist im Kapitel 2.5 dargestellt und wird dort näher erläutert. Ein wesentlicher Unterschied zur vorherigen Messung und der Theorie ist, dass die Aussetzspannung größer ist als die Einsetzspannung. Es wurde in der Laborübung nach der konkreten Ursache für dieses Phänomen gefragt und mit einer eventuellen Temperaturveränderung im Aufbau begründet.

11 Hochspannungstechnik 2, Labor

Sommersemester 2018

Übung 1: Teilentladungsmessung

Gruppe 3

2.4 Vergessenes Werkzeug im Prüfkreis Für den letzten Versuch wurde der Prüfling aus der Schaltung genommen und stattdessen eine Zange auf dem Koppelkondensator platziert. Das soll die Auswirkungen auf ein vergessenes Werkzeug im Prüfkreis demonstrieren. Auf eine erneute Kalibrierung wurde aus Zeitgründen verzichtet. Es wurden insgesamt 7 Messpunkte aufgenommen, die ermittelten Werte sind in Tabelle 2-5 angeführt. Tabelle 2-5: Messwerttabelle bei freiem Potential Messung Nr.

Eingestellt

Gemessen

U

Q

kV

pC

Mittelwert

1

0

0,3

0,3

2 3 4 5 6 7

31 41 59 77 29,5 16

0 - 2000 3500 - 4000 3500 - 4000 5000 - 10000 1 0,3

1000 3750 3750 7500 1 0,3

Tabelle 2-6 beinhaltet erneut die wichtigsten Kenngrößen - Grundrauschen sowie Ein- und Aussetzspannung. Tabelle 2-6: Teilentladungsparameter bei freiem Potential Grundrauschen Einsetzspannung

0,3 pC 31 kV

Aussetzspannung

16 kV

2.4.1 Diskussion Wie zu erwarten setzten bei diesem Versuch die Teilentladungen erst bei einer deutlich höheren Spannung ein, da sich das Werkzeug prinzipiell auf freiem Potential befindet. Ebenso ist die Intensität der Entladungen von Beginn an sehr hoch (im nC-Bereich). Es konnte eine ständige Bewegung des Phasenbezuges beobachtet werden. Dies lässt sich dadurch erklären, dass ein ständiges Umladen der Kapazität von Hochspannung auf das freie Potential stattfindet. Aus diesem Grund ist hier kein Oszillogramm angeführt. Die Spannung wurde bis 77 kV erhöht, ab diesem Punkt war das Ende der Skala erreicht. Die Aussetzspannung beträgt hier nur knapp die Hälfte der Einsetzspannung. Der Grund dafür ist die höhere Zahl an Ladungsträgern, die sich durch die vorhergehenden Entladungen noch im betreffenden Bereich befinden und somit länger die Teilentladung...