Verfahren zur Isolationsprüfung von Transformatoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Prüfung der Isolation von Transformato ren, Prüftransformatoren und Spannungswandlern.
In den Programmen für die Abnahmeprüfung von Hochspannungstransformatoren sind stets auch Prü fungen mit erhöhten. Spannungen enthalten. üblich ist heute im wesentlichen die sogenannte Wicklungs- prüfung, bei der eine Wicklung mit dem Pal einer geerdeten Hochspannungsquelle verbunden wird, während die anderen. Wicklungen mit dem Eisen kern 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 Schal tung mit Spannungen von etwa der doppelten bis etwa der fünffachen Netzfrequenz und auf etwa das doppelte der Nennspannung erhöhten Amplitude er regt wird.
In vielen Fällen werden die Transformato ren auch noch einer Stossspanuungsprüfung mit voller und abgeschnittener Stosswelle unterzogen, wobei die volle Stosswelle im allgemeinen eine Stirn von etwa 1-2 /Äs Dauer aufweist und die Halbwertzeit etwa 50 ,us beträgt.
Die abgeschnittene Stosswelle entsteht aus der Vollwelle meist dadurch, d'ass nach 3 ,us, gezählt von Nennbeginn der Stossspannung aus, die Stossspannung mittels einer Funkenstrecke zum Zur sammenbruch gebracht wird.
In der letzten Zeit gewinnen nun die sogenannten Schaltüberspannungen in den ausgedehnten eIektri- schen Hochspannungsnetzen eine zunehmende Be deutung, was sich darin. äussert, dass das Verhalten von Hochspannungseinrichtungen und Geräten schon in grösserem Umfang in bezug auf ihr Verhalten ge genüber 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 Expon.entialfunktion ab klingt.
Erzeugt wird eine solche Prüfspannung nach Fig. 1 dadurch, dass ein Stosskondensator 1 in der üblichen Weise über einen Hochspannungstransfor mator 2 und einen Gleichrichter 3 und Dämpfungs- widerstand 4 so lange auf eine hohe Gleichspannung aufgeladen wird, bis die entsprechend eingestellte Funkenstrecke 5 anspricht.
über den Dämpfungs- widerstand 6, die Induktivität 7 wird dann der Be lastungskondensator 8 in schwingendem Stoss auf geladen, wobei die Prüfspannung über diesem Be lastungskondensator 8 auf den Prüffing 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 Aufstel lungsort versandt werden können.
(Die Abnahme vors Hochspannungsdurchführungen und ähnlichem Trans- formatorzubehör kann dabei nicht als Einschränkung des Begriffes betriebsfähig betrachtet werden.) Han delt es sich also um einen Transformator solcher Grösse, dass nach der Feetigprüfung in der Fabrik zum Zweck des Versandes eine solch weitgehende Demontage erforderlich ist,
dass nach dem Wieder- aufbau an Ort und Stelle der Transformator einer erneuten Behandlung zur Sicherung seines Isolations- zustandes unterzogen werden muss,- dann erfordiert es die bei solch grossen Objekten unbedingt anzustre bende Betriebssicherheit, dass auch der Transfor.- mator am Ort seiner Aufstellung nochmals entspre chenden Hochspannungsprüfungen unterzogen wer den muss.
Die Prüfung mit erhöhter Frequenz, wie sie etwa zur Wicklungsprüfung erforderlich ist, oder auch eine Stossspannungsprüfung ist aber an dem Einsatzort der Transformatoren nur unter allergröss- ten Schwierigkeiten durchzuführen, da die Prüfein- richtungen hierfür ausserordentlich umfangreich und aufwendig sind.
Die Schwierigkeiten bei der Prüfung von Hoch- spannungstransforma#toren mit Schaltüberspannun gen und bei der Prüfung von Transformatoren, die am Aufstellungsort mit hohen Spannungen zu prüfen sind, lassen sich erfindungsgemäss durch die Anwen dung eines Verfahrens zur Isolationsprüfung von Transformatoren, Prüftransformatoren und Span- nungswandlern beheben, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass eine Wicklung des Prüfobjektes, vorzugsweise die Wicklung mit niedrigster Betriebsspannung, mit einem Gleichstrom solcher Höhe erregt wird, dass beim Unterbrechen dieses Gleichstromes in der zu prüfenden Wicklung eine Schaltüberspannung in einer Höhe entsteht, die der Prüfspannung entspricht.
In Fig.2 ist das Schaltbild eines Ausfü'hrungs- beispieles einer Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens schematisch dargestellt. Mit 11 ist dabei die Unterspannungswicklung des zu prüfendien Trans formators bezeichnet, die über die Durchführungen 12 und 13 nach aussen geführt ist.
14 ist die Hoch- spannungswicklung dieses Transformators, die über die Hochspannungsdurchführung <B>15</B> und eine als Sternpunktdurchführung gedachte Durchführung rela- tiv niedriger Betriebsspannung 16 nach aussen ge leitet ist.
Die Niederspannungswicklung 11 kann nun über den S'chal'ter 17 auf die Gleichspannungsquelle 18 geschalitet werden, die ihrerseits mit Erde 19 ver bunden ist.
Wird der Schalter 17, nachdem der Strom durch die Niederspannungswicklung auf eine<B>be-</B> stimmte- Höhe angestiegen ist, so rasch geöffnet, d'ass an 17 praktisch kein Öffnungslichtbogen entsteht, dann muss sich die in dem magnetischen Kreis des Transformators bespeicherte hmagnetische Enelrgie in elektrische Energie umsetzen, und zwar so,
dass die resultierende Erdkapazitäro der- Nied'erspannungs- wicklung 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 Fg. 2 dargestellte Einschaltung einer Mess- impedanz 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 Verfah- ren an den einzelnen Wicklungen auftretenden Ab- schaftüberspannungen so hoch gemacht werden, dass sich eine. wirkungsvolle Isolationsprüfung erreichen lässt.
In Fig. 2 ist mit 22 und 23 ein kapazitiver Span- nungsteiler zur Kontrolle der Abschal'tüberspannung dargestellt, die mittels eines Kathodenstrahl-Oszillo- graphen 24 über dem Niederspannungskondensator 23 erfolgen soll, das Verhalten des Prüflings kann dabei mittels eines Oszillographen 25 überwacht wer den,
wobei der letztere an der in die Erdleitung der Hochspannungswicklung eingeschalteten Impedanz 21 angeschlossen ist.
Der Verlauf einer Abschaltübezspannung, wie er sich nach dem oben geschilderten Verfahren ergibt, ist in Fig. 3 dargestellt. Nach einem ersten Anlauf, der in seiner Amplitude durch geeignete Massnahmen am Schalter sehr klein gehalten werden kann und d r den Zeitabschnitt 28-29 umfasst, steigt die Spannung relativ steil an,
um dann verzögert über einen Aus- schlag in entgegengesetzter Richtung nach NuR ab- zuklingen. Bei einem praktisch durchgeführten Ver such betrug die Zeit bis zum Erreichen des Scheitel wertes zwischen den Punkten 29 und 30 etwa 2 ms, die Zeit bis zum ersten Nulldurchgang etwa 8 ms.
Voraussetzung für den Erfolg des. vorgeschlage nen Verfahrens ist ein Schalter für die Unterbrechung des Gleichstromes, dessen Spannungsfestigkeit zwi- schen den ,sich trennenden Kontakten rascher an steigt als die erzeugte Abschal@tspannung. Der Verlauf der Abschaltüberspannung kann nun durch zusätz liche Schakelemente beeinflusst werden.
Wird etwa der in Fig. 2 mit 22 bezeichnete, über der Hochspan- nungswicklung angeschlossene Kondensator vergrö ssert, so läuft die Abschaltüberspannung langsamer ab;
wird, wie mit Teil 27 in Fig. 2 gestrichelt dar- gestellt, parallel zum Schalter 17 eine Drosselspule vorgesehen, deren Induktivität etwa gleich oder klei ner jener des Prüflings ist, so wird die Frequenz für dhen Abschaltvorgang merkbar vergrössert werden.
Wird weiterhin zum Schalter 17 eine Funkenstrecke parallel geschaltet, die bei eiirrer bestimmten Span nung anspricht, dann ergibt sich für d:
e Wicklung 11 eine Abschaltüberspannung, die nach dem Anspre chen der Funkenstrecke einer abgeschnittenen Stoss spannung entspricht, während die Oberspannungs- wicklung, in Fig.2 mit 14 bezeichnet, mit einer Spannung beansprucht wird, die bis zum Anspre chen der Funkenstrecke genau verläuft wie in Fig. 3, die dann aber mit -relativ hoher Frequenz ausklingt,
da für diesen Ausschwingvorgang nur noch die Kurz- sIchlussinduktivität des Transformators wirksam ist.
Soll die Hochspannungswicklung 14 mi:t einer abgeschnittenen Stosswelle beansprucht werden, dann ist über dieser Wicklung eine Funkenstrecke, zweck mässigerweise eine Kugeifunkens.trecke 26 einzuschal ten und so einzustellen, dass sie bei der vorgesehe nen Spannung anspricht und die Prüfspannung ab schneidet.
Zum Prüfen des Abschaltvermögens von Wech- selstromunterbrechern ist schon eine Einrichtung be kanntgeworden, bei der das Wesentliche darin zu sehen isst, dass durch geeignete Massnahmen eine Fortzündung des Lichtbogens am betreffenden Prüf ling erreicht wird.
Die Fortzündung des Lichtbogens am Prüfling wird dabei. angestrebt, um dem Licht- bogen gegebenenfalls über mehrere Stromnulldurch- gänge hinwegzuhelfen, wie es bei ,solchen Wechsel stromunterbrechern in der Praxis, also betriebsmässig tatsächlich der Fall ist.
Blei der besagten Einrichtung wird durch .eine dem Prüfling parallel schaltbare Sicherung, die dem Prüfling im Nullt durchgang des Lichtbogenstromes durch einen Synchronschalter zu geschaltet wird und über die nach Erlöschen des Ab schaltlichtbogens im Nulldurchgang des Stromes ein Strom fliesst, der von der Sicherung .selbst kurze Zeit später wieder unterbrochen wird, eine hohe Abschalt- überspannung erreicht, und,
zwar an einer hierfür vorgesehenen Drosselspule. Die Schältüberspannu ng ist dabei so hoch, d'ass der Lichtbogen am Prüfling fort,- gezündet wird'. Wie sich hieraus ergibt, wird bei der bekannten Prüfeinrichtung lediglich von der Tat sache Gebrauch gemacht,
dass beim plötzlichen Un- terbrechen stromdurchflossener induktiver Strom- kreise an der Induktivität entsprechende überspan- nungen auftreten. Die eigentliche Prüfspannung wird dabei aber von einer besonderen, zusätzlichen Ein richtung erzeugt.
Dies gilt auch für ein bekanntes Verfahren zur Fortzündung eines Lichtbogens bei in Prüfanordnun gen mit getrennten Energiequellen zu prüfenden Stromunterbrechern, denn auch hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, d'ass beim plötzlichen Abschalten induktiver Stromkreise an der Induktivität hohe Spannungen entstehen.
Diese Spannung wird bei der Prüfanordnung zur Durchführung des in Rede stehenden Prüfverfahrens, die einen Hochstromkreis und einen gesonderten Prüfspannungskreis umfasst, durch einen.
besonderen, zusätzlichen Gleichstrom kreis erzeugt, der eine Induktivität enthält, an wel cher durch öffnen entsprechender Schalter eine Schaltüberspannung entsteht, die ein vorzeitiges Er löschen des Lichtbogens am Prüfling verhindert. Auch hierbei wird erst wieder zu einem sinngemäss späteren Zeitpunkt die eigentliche, dem gesonderten Prüfkreis entnommene Prüfspannung auf den Prüf ling gegeben.
Bei den im vorstehenden erwähnten Einrichtun- gen bzw. Anordnungen zur Prüfung von Stromunter brechern isst somit jeweils eine getrennte Prüfspan- nung erforderlich, da nämlich die Stromkreise mit induktiven Gliedern lediglich als Zwischenglieder zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens dienen.
Dem gegenüber wird bei der Erfindung, die sich auf ein Verfahren zur Isolationsprüfung von Transformato ren bezieht, die Prüfspannung unmittelbar :im Prüf ling selbst erzeugt.
Nach dem oben beschriebenen Verfahren wird die Höhe der höchstmöglichen Prüfspannungen, die ja an allen auf dem gleichen Transformatorkern be findächen Wicklungen entsprechend ihrer Windungs- zahl auftreten, durch die Wicklung festgelegt, die, bezogen auf die Windungszahl, die niedrigste Prüf spannung besitzt.
Das würde heissen, dass Unterspan- nungswicklungen, die, bezogen auf die Nennspan nung, wesentlich höher geprüft werden als Oberspan- nungswicklungen, nicht voll geprüft werden können.
Um diesem Nachteil abzuhelfen, kann in Serie mwt dem eigentlichen Prüfling ein weiterer, dem Prüf ling ähnlicher induktiver Kreis geschaltet werden, der also durch den durch den Prüfling fliessenden Gleich strom ebenfalls erregt wird und der eine zusätzliche Abschaltüberspannung ergibt, die bei Verlegung der Erdung des Erregerkreises auf die eine Seite des zu sätzlichen induktiven Kreises die in Frage kommen den Prüfungswicklung gegen Erde zusätzlich vor spannt.
Das obenstehend beschriebene Verfahren ist auch auf Prüftransformatoren und Spannungswandler an wendbar.
Method for the insulation test of transformers The invention relates to a method for the electrical test of the insulation of transformers, test transformers and voltage converters.
The programs for the acceptance test of high-voltage transformers always include tests with increased. Tensions included. What is common today is essentially the so-called winding test, in which one winding is connected to the Pal of an earthed high-voltage source while the other. Windings with the iron core or the box of the transformer and connected to earth via this.
A so-called winding test is also carried out, in which the transformer is excited in a corresponding circuit with voltages from about twice to about five times the mains frequency and amplitude increased to about twice the nominal voltage.
In many cases, the transformers are also subjected to a shock voltage test with full and cut shock waves, the full shock wave generally having a forehead of about 1-2 / Ås duration and the half-life being about 50 μs.
The cut shock wave usually arises from the solid wave because after 3, us, counting from the start of the nominal surge voltage, the surge voltage is brought to collapse by means of a spark gap.
Recently, the so-called switching overvoltages in the extensive electrical high-voltage networks have become increasingly important. expresses that the behavior of high-voltage equipment and devices has already been investigated on a large scale with regard to their behavior towards such switching overvoltages.
Such a switching overvoltage consists, for example, of a voltage wave that is shifted on one side and has an oscillation frequency of 5 kHz, the center line of which sounds like an exponential function.
Such a test voltage according to FIG. 1 is generated in that a surge capacitor 1 is charged to a high DC voltage in the usual way via a high-voltage transformer 2 and a rectifier 3 and damping resistor 4 until the correspondingly set spark gap 5 responds.
Via the damping resistor 6, the inductance 7, the loading capacitor 8 is then charged with an oscillating surge, and the test voltage can be applied to the test element 9 via this loading capacitor 8. The discharge resistor 10 gives the exponential decrease in the center line of the voltage wave displaced on one side.
The expenditure on high-voltage devices for generating such a test voltage is therefore quite considerable, and with high test voltages there is also a considerable space requirement.
Particularly great difficulties in the testing of transformers arise, however, when these transformers are of such a size that they can no longer be sent to the installation site in the operational state after the acceptance test in the factory.
(The acceptance in front of the high-voltage bushings and similar transformer accessories cannot be regarded as a restriction of the term operable.) So if the transformer is of such a size that after the final inspection in the factory, such extensive dismantling is necessary for the purpose of shipping ,
that after the on-site reconstruction, the transformer must be subjected to another treatment to ensure its insulation condition - then the operational reliability, which is essential for such large objects, requires that the transformer is also at the place of its installation must be subjected to corresponding high-voltage tests again.
The test with increased frequency, such as is required for winding tests, or even a surge voltage test can only be carried out at the place of use of the transformers with great difficulty, since the test equipment for this is extremely extensive and complex.
The difficulties encountered when testing high-voltage transformers with switching overvoltages and when testing transformers that are to be tested with high voltages at the installation site can be resolved according to the invention by using a method for testing the insulation of transformers, test transformers and voltage converters fix, which is characterized by
that a winding of the test object, preferably the winding with the lowest operating voltage, is excited with a direct current of such a level that when this direct current is interrupted in the winding to be tested, a switching overvoltage occurs at a level that corresponds to the test voltage.
In FIG. 2, the circuit diagram of an exemplary embodiment of an arrangement for carrying out this method is shown schematically. With 11 the low voltage winding of the transformer to be tested is referred to, which is led through the bushings 12 and 13 to the outside.
14 is the high-voltage winding of this transformer, which is conducted to the outside via the high-voltage bushing <B> 15 </B> and a bushing, which is intended as a star point bushing, of a relatively low operating voltage 16.
The low-voltage winding 11 can now be switched via the switch 17 to the DC voltage source 18, which in turn is connected to earth 19 a related party.
If the switch 17, after the current through the low-voltage winding has risen to a certain level, is opened so quickly that practically no opening arc occurs at 17, then it must be in the magnetic circuit Convert the stored magnetic energy of the transformer into electrical energy, as follows:
that the resulting earth capacitance of the low voltage winding and the resulting earth capacitance of the high voltage winding absorb the entire energy content. The prerequisite here is that the end of the high-voltage winding 14 is connected to earth 20. The inclusion of a measuring impedance 21 shown in FIG. 2 does not interfere with this requirement.
As the theoretical considerations and also practical tests confirm, the level of the stripping overvoltages occurring on the individual windings during this process can be made so high that a. effective insulation test can be achieved.
In FIG. 2, a capacitive voltage divider for checking the shutdown overvoltage is shown at 22 and 23, which is to take place by means of a cathode ray oscilloscope 24 over the low voltage capacitor 23. The behavior of the test object can be monitored by means of an oscilloscope 25 the,
the latter being connected to the impedance 21 connected to the earth line of the high voltage winding.
The course of a shutdown voltage, as it results from the method described above, is shown in FIG. After a first start-up, the amplitude of which can be kept very small by suitable measures on the switch and which covers the period 28-29, the voltage rises relatively steeply,
only to decay after a delay via a deflection in the opposite direction towards NuR. In a practical test, the time to reaching the peak value between points 29 and 30 was about 2 ms, the time to the first zero crossing was about 8 ms.
The prerequisite for the success of the proposed method is a switch for the interruption of the direct current, the dielectric strength of which between the separating contacts rises faster than the disconnection voltage generated. The course of the switch-off overvoltage can now be influenced by additional Schak elements.
If, for example, the capacitor, denoted by 22 in FIG. 2 and connected across the high-voltage winding, is enlarged, the cut-off overvoltage declines more slowly;
If, as shown in dashed lines in part 27 in FIG. 2, a choke coil is provided parallel to switch 17, the inductance of which is approximately equal to or less than that of the test object, then the frequency for the switch-off process will be increased noticeably.
If a spark gap is also connected in parallel to switch 17, which responds to a certain voltage, then the following results for d:
e winding 11 has a cut-off overvoltage which, after the spark gap has responded, corresponds to a cut surge voltage, while the high-voltage winding, denoted by 14 in FIG. 2, is subjected to a voltage that runs exactly as in Fig. 3, which then ends with -relatively high frequency,
since only the short-circuit inductance of the transformer is effective for this decay process.
If the high-voltage winding 14 is to be subjected to a cut shock wave, a spark gap, expediently a ball spark gap 26, must be switched on over this winding and set so that it responds at the intended voltage and cuts off the test voltage.
A device has already become known for testing the disconnection capacity of AC circuit breakers in which the essential thing is to ensure that the arc on the test specimen is ignited by suitable measures.
The ignition of the arc on the test object is thereby. aimed to help the arc over several current zero crossings, if necessary, as is actually the case with such alternating current breakers in practice, ie operationally.
A fuse that can be switched in parallel with the device under test, which is switched to the device under test in the zero passage of the arc current by a synchronous switch, and through which a current flows from the fuse itself after the switching off arc has been extinguished in the zero passage of the current flows through is interrupted again a short time later, a high cut-off overvoltage is reached, and,
although on a choke coil provided for this purpose. The peeling overvoltage is so high that the arc continues on the test object - it is ignited. As can be seen from this, only the fact is used in the known testing device,
that in the event of a sudden interruption in current-carrying inductive circuits, corresponding overvoltages occur at the inductance. The actual test voltage is generated by a special, additional device.
This also applies to a known method for igniting an arc in the case of circuit breakers to be tested in test arrangements with separate energy sources, because here too use is made of the fact that high voltages arise at the inductance when inductive circuits are suddenly switched off.
This voltage is in the test arrangement for performing the test method in question, which comprises a high-current circuit and a separate test voltage circuit, by a.
A special, additional direct current circuit is generated that contains an inductance, at wel cher a switching overvoltage is created by opening the corresponding switch, which prevents premature erasing of the arc on the test object. Here, too, the actual test voltage taken from the separate test circuit is only applied to the test object at a later point in time.
In the above-mentioned devices or arrangements for testing circuit breakers, a separate test voltage is therefore required in each case, since the circuits with inductive members only serve as intermediate members to maintain an arc.
In contrast, in the invention, which relates to a method for insulation testing of transformers, the test voltage is generated directly in the test object itself.
According to the procedure described above, the level of the highest possible test voltages, which occur on all windings on the same transformer core according to their number of turns, is determined by the winding that has the lowest test voltage in relation to the number of turns.
That would mean that low-voltage windings, which, in relation to the nominal voltage, are tested at a much higher level than high-voltage windings, cannot be fully tested.
In order to remedy this disadvantage, another inductive circuit similar to the test object can be connected in series with the test object, which is also excited by the direct current flowing through the test object and which results in an additional disconnection overvoltage that is generated when the grounding of the Excitation circuit on one side of the additional inductive circuit that comes into question additionally biases the test winding against earth.
The procedure described above can also be applied to test transformers and voltage converters.