Teilentladungen TE in Isolationsmedien Partial Discharge PD in dielectric material,Dielektrische Defekte in Isolationen dielectric defects in insulation materials

Die hier dargestellten Defekte können bei der Montage und Fabrikation entstehen. Die bei erhöhterPrüf-Wechselspannung entstehenden Teil-Entladungen können mit der TE-Messung detektiert werden.

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 1 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Defekte in Öl-Isolationen

Die Teil-Entladungen können in Öl recht großwerden.

Durch die TE wird das Öl zersetzt, esentstehen Gase, hauptsächlich Wasserstoff.Die Gase werden vom Buchholzschutzerkannt. Desweiteren werden Meßsystemefür die Gas-in-Öl-Anlyse eingesetzt.

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 2 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Defekte in Feststoff-Isolationen

Aus den Entladungen in den Fehlstellenkönnen sich im Laufe der Zeitverzweigte Entladungs-Kanäle (Treeing)entwickeln,die zu eine Durchschlag führen.GFK-Elemente, Glas-FaserverstärkteKunststoffe,werden vielfach für Schalterantriebeverwendet.

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 3 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Das Ersatzschaltbild der TE Equivalent Circuit of Partial Discharge PD

In dem festen Isolierstoff befindet sichein Hohlraum, ein Lunker (void).

Bei anliegender Wechselspannungzünden Teilentladungen im Hohlraum.

Die Ladung im Lunker gleicht sich aus.

Die Spannung in dem Hohlraum brichtzusammen.

Ch Kapazität des HohlraumesCS Kapazität zwischen Lunker und

ElektrodeC0 Kapazität der gesamten Anordnung

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 4 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Zündung der TE in Lunkern PD-inception in voids

Literatur:Ingo Wolf Maxwell'sche Theorie I, Seite 112Kind, Feser, Hochspannungsversuchstechnik, Seite 93, 177

Gegeben Feldstärke im Isolierstoff, z.B. Epoxidharz Ea = 5 kV/mm, εa = 4Gesucht Feldstärke im Lunker

Ei = ? kV/mm, εi = 1

Das Feld im Inneren des Lunkers in homogen.Die Feldstärke im Innern des Lunkers ist höher,sie beträgt:

Ei = Ea $3$ a

2 a+ i= 10kV/mm $ 3$4

2$4+1 = 13, 33kV/mm

Bei dieser Feldstärke gibt es in den Lunker eine elektrodenlose Entladung.Die Entladung ist ein sehr kurzer Stromimpuls.Dabei wird eine betimmte Ladungsmenge verschoben, die tatsächliche Ladung Qt (real charge).Das Feld im Innern des Lunkers wird durch die Ladungsverteilung zu Null.Dieser Entladungsimpuls ist die sogenannte Teilentladung.Diese ist an den äußeren Elektroden meßbar, als scheinbare Ladung Qs (appearent charge).Die Teilentladungsintensität wird als Ladung gemessen, ein typischer Grenzwert für den Qualitätstestist Q < 5 pC.

In einigen Ländern mißt man die Wirkung der Umladung als Spannungspuls in µV.

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 5 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Berechnung des TE-Ladungsimpulses ∆Q calculation of the PD impulse, charge quantity

v vor der EntladungQ1 = U1v $C1 = U3 $

C1$C2C1+C2

Q2 = U2v $C2 = U3 $C1$C2C1+C2

Q3 = U3v $C3

Teilentladung, d.h. Q1 verschwindet.

n nach der EntladungQg = Q2 +Q3 U2n = U3n =

Q2+Q3C2+C3

= U2v$C2+U3v$C3C2+C3

Meßbarer Spannungssprung U3 = U3n −U3v

Meßbarer Ladungsimpuls Q = U3 $ (C2 +C3)

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 6 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Meßaufbau für TE-Signale measurement setup for PD-signals

Minovic, Hochspannungstechnik, Seite 227Der kleine Spannungssprung wird gemessen am Widerstand Zm = 150 Ω. Der Meßwiderstand liegt entweder inReihe zum Prüling oder in Reihe zu einem Koppelkondensator 1000 pF. Ein koaxiales Meßkabel mit 150 ΩWellenwiderstand geht zum TE-Detektor. Der Detektor ist meist kalibriert in pC ... nC. Zur Unterdrückung der50Hz-Spannung liegt eine Induktivität parallel zu Zm . Die TE-Impulse haben meist kleine Spannungs-amplituden. Die Koaxialkabel werden zur Störabschirmung in Metallrohre verlegt. Die TE-Messung wird ingeschirmten Kabinen durchgeführt. Bei SF6-Anlagen benutzt man integrierte SF6-isolierte Prüftransformatoren.Ein weitgebräuchlicher Grenzwert für die Bewertung der Prüflinge liegt bei 5 pC.

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 7 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Am Ankoppelvierpol AKV werden das Meßsignal für die 50Hz-Spannungsmessung u(t)und das Meßsignal des TE-Pulses getrennt.

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 8 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Teilentladungsbilder PD characteristics,typical figures of PD-impulses

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 9 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

TE in Abhängigkeit von derPrüfspannung PD as a function of AC test voltage

Der Prüfling im HochspannungstechnischenPraktikum,d.h. der Spannungswandler für 20kV,hat vermutlich mehrere recht großeHohlräume.

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 10 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Anwendung der TE-Messung Application of PD-measurement

Typen-Test Proto-Type TestDie Schwachstellen der Konstruktion werden ermittelt.Elektroden mit zu geringem Krümmungsradius erzeugen TE.

Qualtätstest Quality TestFehler in der Fabrikation und Herstellung sollen aufgedeckt werden.Dabei kann z.B. der Gießprozeß von Epxoydharz-Isolatorenwährend der Fabrikation verbessert werden.Schlecht kontaktierte Elektroden werden erkannt.Leitfähige Partikel und Schmutz in SF6-Anlagen werden gefunden.

Vort-Ort-Test, Inbetriebnahme On-Site Test, CommissioningFehler und Verschmutzung bei der Montage auf der Baustellesollen gefunden werden.

Überwachung von in Betrieb befindlichen Komponenten Measuring during service, on-line monitoringIsolationsdefekte sollen im Anfangsstadium erkannt werden,sodaß rechtzeitig Maßnahmen getroffen werden können.Derzeit neue Entwicklungen bei teuren Leistungstransformatoren.

Alterungs-Überprüfung Aging TestBei Eindringen von Feuchte in PE-Kabelnenstehen Wasserbäumchen (Water-Trees),die durch TE-Messung detektiert werden können.

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 11 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Schaltung zur Messung der Teielentladungen im Praktikumsversuch 3

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 12 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 13 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Beispiel einer TE-Messung mit Omicron MPD

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 14 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

Aufgabe

Teilentladung in einer Feststoffisolation, innere TE in LunkernPartial Discharge PD in solid dielectric material, internal PD in voids

TEDIELME.PCX

C1 = 0,009 pF U1z = 10 kVC2 = 0,001 pFC3 = 100 pF U3 = 100 kVCK = 1000 pF KoppelkondensatorRM = 150 Ω Meßwiderstand

1. Berechnung der Ladungsbilanz

1.1 Berechnen Sie alle Spannungen Uv vor der Entladung !1.2 Berechnen Sie alle Ladungen Qv vor der Entladung TE ?1.3 Berechnen Sie alle Spannungen Un nach der Entladung !1.4 Berechnen Sie alle Ladungen Qn nach der Entladung TE ?1.5 Spannungen und Ladungen nach Ausgleich (Index a)1.6 Berechnen Sie die scheinbare Ladung ∆QK 1.7 Berechnen Sie den Spannungsprung am 150 Ω- Widerstand !

Literatur: Kind, Feser, Hochspannungsversuchstechnik, Seite 93, 177

23 Mai 20112011_SS_HT_09_Teilentladungen_Partial_DischargeProf. Dr.-Ing. K.-J. DiederichSeite 15 von 15FB3 Informations- und ElektrotechnikFachhochschule Dortmund

C1 .009 pF⋅:= C2 .001 pF⋅:= C3 100 pF⋅:=

CK 1000 pF⋅:= RM 150Ω⋅:= U3 100 kV⋅:=

Q1 10 9− C:= U1z 10 kV⋅:=