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Verfahren zur elektrischen Prüfung der Isolation von Transformatoren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Prüfung der Isolation von Transformatoren und Spannungswandlern.
In den Programmen für die Abnahmeprüfung von Hochspannungstransformatoren sind stets auch Prüfungen mit erhöhten Spannungen enthalten. Üblich ist heute im wesentlichen die sogenannte Wicklungsprüfung, bei der eine Wicklung mit dem Pol einer geerdeten Hochspannungsquelle verbunden wird, während die ändern Wicklungen mit dem Eisenkern bzw. dem Kasten des Transformators und über diesen mit Erde verbunden sind. Weiter wird noch eine sogenannte Windungsprüfung durchgeführt, bei der der Transformator in einer entsprechenden Schaltung mit Spannungen von etwa der doppelten bis etwa der fünffachen Netzfrequenz und auf etwa das doppelte der Nennspannung erhöhten Amplitude erregt wird.
In vielen Fällen werden die Transformatoren auch noch einer Stossspannungsprüfung mit voller und abgeschnitteuer Stosswelle unterzogen, wobei die volle Stosswelle im allgemeinen eine Stirn von etwa 1 bis 2 its Dauer aufweist und die Halbwertzeit etwa 50 J. ls beträgt. Die abgeschnittene Stosswelle entsteht aus der
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schen Hochspannungsnetzen eine zunehmende Bedeutung, was sich darin äussert, dass das Verhalten von Hochspannungseinrichtungen und Geräten schon in grösserem Umfang in bezug auf ihr Verhalten gegenüber solchen Schaltüberspannungen untersucht wurde. Eine solche Schaltüberspannung besteht dabei etwa aus einer einseitig verlagerten Spannungswelle mit einer Schwingungsfrequenz von 5 kHz, deren Mittellinie etwa nach einer Exponentialfunktion abklingt.
Erzeugt wird eine solche Prüfspannung nach Fig. 1 dadurch, dass ein Stosskondensator 1 in der üblichen Weise über einen Hochspannungstransformator 2 und einen
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und Dämpfungswiderstand 4 soentsprechend eingestellte Funkenstrecke 5 anspricht. Über den Dämpfungswiderstand 6, die Induktivität 7. wird dann der Belastungskondensator 8 in schwingendem Stoss aufgeladen, wobei die Prüfspannung über diesem Belastungskondensator 8 auf den Prüfling 9 gegeben werden kann. Der Entladewiderstand 10 gibt die exponentielle Abnahme der Mittellinie der einseitig verlagerten Spannungswelle.
Der Aufwand an Hochspannungsgeräten für die Erzeugung einer derartigen Prüfspannung ist also ganz beachtlich, bei hohen Prüfspannungen ergibt sich ausserdem noch ein erheblicher Raumbedarf.
Besonders grosse Schwierigkeiten bei der Prüfung von Transformatoren ergeben sich aber dann, wenn diese Transformatoren eine solche Grösse aufweisen, dass sie nicht mehr im betriebsfertigen Zustand nach der Abnahmeprüfung in der Fabrik zum Aufstellungsort versandt werden können. (Die Abnahme von Hochspannungsdurchführungen und ähnlichem Transformatorzubehör kann dabei nicht als Einschränkung des Begriffs betriebsfähig betrachtet werden.) Handelt es sich also um einen Transformator solcher Grösse, dass nach der Fertigprüfung in der Fabrik zum Zweck des Versands eine solch weitgehende Demontage erforderlich ist, dass nach dem Wiederaufbau an Ort und Stelle der Transformator einer erneuten Behandlung zur Sicherung seines Isolationszustandes unterzogen werden muss,
dann erfordert es die bei solch grossen Objekten unbedingt anzustrebende Betriebssicherheit, dass auch der Transformator am Ort seiner Aufstellung nochmals entsprechender Hochspannungsprafungen unterzogen werden muss. Die Prüfung mit erhöhter
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Frequenz, wie sie etwa zur Wicklungsprüfung erforderlich ist, oder auch eine Stossspannungsprüfung ist aber an dem Einsatzort der Transformatoren nur unter al1ergrössten Schwierigkeiten durchzuführen, da die Prüfeinrichtungen hiefür ausserordentlich umfangreich und aufwendig sind.
Die Schwierigkeiten bei der Prüfung von Hochspannungstransformatoren mit Schaltüberspannungen und bei der Prüfung von Transformatoren, die am Aufstellungsort mit hohen Spannungen zu prüfen sind, lassen sich erfindungsgemäss durch die Anwendung eines Verfahrens zur Isolationsprüfung von Transformatoren und Spannungswandlern beheben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Wicklung des Prilfobjektes, vorzugsweise die Wicklung mit niedrigster Betriebsspannung, mit einem Gleichstrom solcher Höhe erregt wird, dass beim raschen Unterbrechen dieses Gleichstromes eine Schaltüberspannung in einer Höhe entsteht, die einer entsprechenden Prüfspannung entspricht.
In Fig. 2 ist ein grundsätzliches Schaltbild einer Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens schematisch dargestellt. Mit 11 ist dabei die Unterspannungswicklung des zu prüfenden Transformators bezeichnet, die über die Durchführungen 12 und 13 nach aussen geführt ist. 14 ist die Hochspannungswicklung dieses Transformators, die über die Hochspannungsdurchführung 15 und eine als Stempunktsdurchführung gedachte Durchführung relativ niedriger Betriebsspannung 16 ausgeleitet ist. Die Niederspannungswicklung 11 kann nun über den Schalter 17 auf die Gleichspannungsquelle 18 geschaltet werden, die ihrerseits mit Erde 19 verbunden ist.
Wird der Schalter 17, nachdem der Strom durch die Niederspannungswicklung auf eine bestimmte Hohe angestiegen ist, so rasch geöffnet, dass an 17 praktisch kein Öffnungslichtbogen entsteht, dann muss sich die in dem magnetischen Kreis des Transformators gespeicherte magnetische Energie in elektrische Energie umsetzen u. zw. so, dass die resultierende Erdkapazität derNiederspannungswick- lung und die resultierende Erdkapazität der Hochspannungswicklung den gesamten Energieinhalt aufnehmen. Vorausgesetzt ist dabei, dass das Ende der Hochspannungswicklung 14 an der Erde 20 liegt. Die in Fig. 2 dargestellte Einschaltung einer Messimpedanz 21 stört dabei diese Voraussetzung nicht.
Wie die theoretischen Überlegungen und auch praktischen Versuche bestätigen, kann mit relativ kleinem Aufwand die Höhe der bei diesem Verfahren an den einzelnen Wicklungen auftretenden Abschaltüberspannungen so hoch gemacht werden, dass sich eine wirkungsvolle Isolationsprüfung erreichen lässt.
In Fig. 2 ist mit 22 und 23 ein kapazitiver Spannungsteiler zur Kontrolle der Abschaltüberspannung dargestellt, die mittels eines Kathodenstrahl-Oszillographen 24 über dem Niederspannungskondensator 23 erfolgen soll, das Verhalten des Prüflinge kans dabei mittels dieses Oszillographen 25 überwacht werden, wobei der letztere an der in die Erdleitung der Hochspannungswicklung eingeschalteten Impedanz 21 angeschlossen ist.
Der Verlauf einer Abscb-1ltilberspannung, wie er sich nach dem oben geschilderten Verfahren ergibt,
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am Schalter sehr klein gehalten werden kann und der den Zeitabschnitt 28 - 29 umfasst, steigt die Spannung relativ steil an, um dann verzögert über einen Ausschlag in entgegengesetzter Richtung nach Null abzuklingen. Bei einem praktisch durchgeführten Versuch betrug die Zeit bis zum Erreichen des Scheitelwerts zwischen den Punkten 29 und 30 etwa 2 ms, die Zeit bis zum ersten Nulldurchgang etwa 8 ms.
Voraussetzung für den Erfolg des vorgeschlagenen Verfahrens ist ein Schalter für die Unterbrechung des Gleichstromes, dessen Spannungsfestigkeit zwischen den sich trennenden Kontakten rascher ansteigt als die erzeugte Abschaltspannung. Der Verlauf der Abschaltaberspannung kann nun durch zusätzliche Schaltelemente beeinflusst werden. Wird etwa der in Fig. 2 mit 22 bezeichnete, über der Hochspannungwicklung angeschlossene Kondensator vergrössert, so läuft die Abschaltüberspannung langsamer ab ; wird, wie mit Teil 27 in Fig. 2 gestrichelt dargestellt, parallel zum Schalter 17 eine Drosselspule vorgesehen, deren Induktivität etwa gleich oder kleiner jener des Prüflings ist, so wird die Ersatzfrequenz für den Abschaltvorgang merkbar vergrössert werden.
Wird weiterhin zum Schalter 17 eine Funkenstrecke parallel geschaltet, die bei einer bestimmten Spannung anspricht, dann ergibt sich für die Wicklung 11 eine Ab- schaltüberspannung, die nach dem Ansprechen der Funkenstrecke einer abgeschnittenen Stossspannung entspricht, während die OberspannungsWicklung, in'Fig. 2 mit 14 bezeichnet, mit einer Spannung beansprucht wird, die bis zum Ansprechen der Funkenstrecke genau verläuft wie in Fig. 3, die dann aber mit relativ hoher Frequenz ausklingt, da für diesen Ausschwingvorgang nur noch die Kurzschlussinduktivität des Transformators wirksam ist.
Soll die Hochspannungswicklung 14 mit einer abgeschnittenen Stosswelle beansprucht werden, dann ist über dieser Wicklung eine Funkenstrecke, zweckmässigerwei e eineKugelfunkenstrecke26 einzuschalten und so einzustellen, dass sie bei der vorgesehenen Spannung anspricht und die Prüfspannung abschneidet.
Zum Prüfen des Abschaltvermögens von Wechselstromunterbrechern ist schon eine Einrichtung be- kanntgeworden, bei der das Wesentliche darin zu sehen ist, dass durch geeignete Massnahmen eine Fort-
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zündung des LichtDogens am betreffenden Prüfling erreicht wird. Die Fortzündung des Lichtbogens am Prüfling wird dabei angestrebt, um den Lichtbogen gegebenenfalls über mehrere Stromnulldurchgänge hinweg zu helfen, wie es bei solchen Wechselstromunterbrechern in der Praxis, also betriebsmässig tatsächlich der Fall ist.
Bei der besagten Einrichtung wird durch eine dem Prüfling parallelschaltbare Sicherung, die dem Prüfling im Nulldurchgang des Lichtbogenstroms durch einen Synchronschalter zugeschaltet wird und über die nach Erlöschen des Abschaltlichtbogens im Nulldurchgang des Stromes ein Strom fliesst, der von der Sicherung selbst kurze Zeit später wieder unterbrochen wird, eine hohe Abschaltüberspannung erreicht u. zw. an einer hiefür vorgesehenen Drosselspule. Die Schaltüberspannung ist dabei so hoch, dass der Lichtbogen am Prüfling fortgezündet wird. Wie sich hieraus ergibt, wird bei der bekannten Prüfeinrichtung lediglich von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass beim plötzlichen Unterbrechen stromdurchflossener induktiver Stromkreise an der Induktivität entsprechende Überspannungen auftreten.
Die eigentliche Prüfspannung wird dabei aber von einer besonderen, zusätzlichen Einrichtung erzeugt.
Dies gilt auch für ein bekanntes Verfahren zur Fortzündung eines Lichtbogens bei in Prüfanordnungen mit getrennten Energiequellen zu prüfenden Stromunterbrechern, denn auch hiebei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass beim plötzlichen Abschalten induktiver Stromkreise an der Induktivität hohe Spannungen entstehen.. Diese Spannung wird bei der Prüfanordnung zur Durchführung des inRedestehen- den Prüfverfahren, die einen Hochstromkreis und einen gesonderten Prüfspannungskreis umfasst, durch einen besonderen, zusätzlichen Gleichstromkreis erzeugt, der eine Induktivität enthält, an welcher durch Öffnen entsprechender Schalter eine Schaltüberspannung entsteht, die ein vorzeitiges Erlöschen des Lichtbogens am Prüfling verhindert.
Auch hiebei wird erst wieder zu einem sinngemäss späteren Zeitpunkt die eigentliche, dem gesonderten Prüfkreis entnommene Prüfspannung auf den Prüfling gegeben.
Bei den im vorstehenden erwähnten Einrichtungen bzw. Anordnungen zur Prüfung von Stromunterbrechern ist somit jeweils eine getrennte Prüfspannung erforderlich, da nämlich die Stromkreise mit induktiven Gliedern lediglich als Zwischenglieder zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens dienen. Demgegen- über wird bei der Erfindung, die sich auf ein Verfahren zur Isolationsprüfung von Transformatoren bezieht, die Prüfspannung unmittelbar im Prüfling selbst erzeugt.
Nach dem ooen beschriebenen erfindungsgemässen Verfahren wird die Höhe der höchstmöglichen Prüf- spannungen, die ja an allen auf dem gleichen Transformatorkern befindlichen Wicklungen entsprechend ihrer Windungszahl auftreten, durch die Wicklung festgelegt, die, bezogen auf die Windungszahl, die niedrigste Prüfspannung besitzt. Das würde heissen, dass Unterspannungswicklungen, die, bezogen auf die Nennspannung, wesentlich höher geprüft werden als Oberspannungswicklungen, nicht voll geprüft werden können.
Um diesen Nachteil abzuhelfen, wird nach einer weiteren Erfindungsidee in Serie mit dem eigentlichen Prüfling ein weiterer, dem Prüfling ähnlicher induktiver Kreis geschaltet, der also durch den durch den Prüfling fliessenden Gleichstrom ebenfalls erregt wird und der eine zusätzliche Abschaltüberspannung ergibt, die bei Verlegung der Erdung des Erregerkreises auf die eine Seite des zusätzlichen induktiven Kreises die in Frage kommende Prüflingswicklung gegen Erde zusätzlich vorspannt.
Das obenstehend beschriebene Verfahren ist in seiner Anwendung nicht nur auf Leistungstransformatoren beschränkt, sondern kann natürlich auch auf Prüftransformatoren und Spannungswandler angewendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur elektrischen Prüfung der Isolation von Transformatoren, Prüftransformatoren und Spannungswandlern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wicklung, vorzugsweise die Wicklung mit niedrigster Betriebsspannung (11), mit Gleichstrom solcher Höhe erregt wird, dass beim raschen Unterbrechen dieses Gleichstromes eine Schaltilberspannung in einer Höhe entsteht, die einer entsprechenden Prüfspannung entspricht.