DE10226615B4 - Teilentladungsmessvorrichtung und Verfahren zur Messung von Teilentladungen an Motorwicklungen mit einer Pulsspannung variabler Amplitude und variabler Anstiegszeit - Google Patents

Abstract

Teilentladungsmessvorrichtung mit
– einer Spannungserzeugungseinrichtung (1, 2, 3) zum Erzeugen eines elektrischen Spannungsimpulses,
– einer Abgreifeinrichtung (5), die an die Spannungserzeugungseinrichtung (1, 2, 3) angeschlossen ist und mit der der elektrische Spannungsimpuls an einen Prüfling (4) übertragbar ist, zum Abgreifen einer Teilentladungen betreffenden elektrischen Größe in und/oder an dem Prüfling (4) und
– einer Messeinrichtung (6 bis 9), die an die Abgreifeinrichtung (5) angeschlossen ist, zur Messung der elektrischen Größe,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit der Spannungserzeugungseinrichtung (1, 2, 3) der elektrische Spannungsimpuls in seiner Amplitude und Steilheit derart variiert wird, dass er an der Haupt-, Phasen- und Windungsisolation des Prüflings (4) jeweils eine vorgegebene maximale Spannungsbeanspruchung verursacht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Teilentladungsmessvorrichtung mit einer Spannungserzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Spannung, einer Abgreifeinrichtung, die an die Spannungserzeugungseinrichtung angeschlossen ist und mit der die elektrische Spannung an einen Prüfling übertragbar ist, zum Abgreifen einer eine Teilentladung betreffenden elektrischen Größe in und/oder an dem Prüfling und einer Messeinrichtung, die an die Abgreifeinrichtung angeschlossen ist, zur Messung der elektrischen Größe. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Messung von Teilentladungen, insbesondere an Motorwicklungen.
• Teilentladungen sind Spannungsdurchschläge in Teilbereichen von elektrischen Isolierungen. Es kommt dabei aber nicht sofort zu einem vollständigen Durchschlag. Ursache hierfür können Inhomogenitäten im Isolationsmaterial aber auch Freiräume zwischen den elektrischen Leitern, die nicht mit Isoliermaterial ausgefüllt sind, sein. Ein Beispiel hierfür wären Hohlräume beim Verlegen von runden Leitern in Nuten mit rechteckförmigem Querschnitt.
• Die Teilentladungen wirken sich dadurch aus, dass der Isolationswerkstoff geschädigt wird. Beispielsweise vergrößern sich durch die Materialzerstörung aufgrund von Durchschlägen die Luftbläschen in einem Isolierwerkstoff, so dass das verbleibende Isoliermaterial abnimmt und es schließlich zu einem Versagen der Isolation und zum kompletten Durchschlag kommt. Dies bedeutet, dass es durch die Teilentladungen zu einer Beschleunigung des Alterungsprozesses kommt.
• Teilentladungen treten zwar schon bei relativ geringen Spannungen auf, dennoch liegt das Hauptaugenmerk bei Anlagen, bei denen sehr hohe Spannungen auftreten. Dies ist beispielsweise bei Motorwicklungen im Umrichterbetrieb der Fall, so dass die dort eingesetzten Isoliersysteme eine sehr hohe Güte aufweisen sollten. Daher werden entsprechende Monitoring- und Diagnoseverfahren für Isoliersysteme eingesetzt. Neben der chemischen Isolationsdiagnose finden elektrische Diagnoseverfahren Anwendung, die insbesondere für die Isoliersysteme von Motorwicklungen eingesetzt werden.
• Bei Motorwicklungen sind mehrere Isolationen voneinander zu unterscheiden und einzeln zu prüfen. So sind die Haupt-, Phasen- und Windungsisolation, d.h. die Isolation zwischen Wicklung und Blechpaket, zwischen einzelnen Strängen und zwischen einzelnen Windungen, jeweils selektiv einer Diagnose zu unterziehen.
• Die Güte einer Isolation zwischen galvanisch getrennten Wicklungen oder den Wicklungen und dem Blechpaket kann durch handelsübliche Teilentladungsmessgeräte überprüft werden. Wegen der Störempfindlichkeit dieser Messgeräte ist für die Teilentladungsmessung ein elektrisch abgeschirmter Raum notwendig, womit eine Serienprüfung nicht möglich oder zumindest sehr erschwert ist. Die Ursache für die Störungen in Werkhallen sind elektrische Geräte, deren Bürstenfeuer elektromagnetische Abstrahlungen im Bereich von etwa 50 bis 250 MHz hervorrufen. Der Messbereich, in dem die Teilentladungen registriert werden, liegt etwa im gleichen Frequenzbereich.
• Zur Reduzierung der Störempfindlichkeit wurde bereits von der Anmelderin ein weiterentwickeltes Verfahren zur Messung von Teilentladungen vorgestellt, mit dem nun auch Serienmessungen ermöglicht werden. Hierbei werden die Verschiebeströme zwischen dem Spannungsgenerator und dem Prüfling über einen Hochfrequenzstromwandler mit nachgeschaltetem Verstärker und einstellbarem Pegel vor einem Impulszähler erfasst und somit Teilentladungen an der Haupt- und Phasenisolation störunempfindlich festgestellt. Die Prüfung der Isoliersysteme erfolgt hierbei durch Anlegen einer sinusförmigen Wechselspannung, wie dies beispielsweise in der Druckschrift US 6 345 236 beschrieben ist. Gemessen wird schließlich die Teilentladeeinsetzspannung, so dass Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Isolation erfolgen können. Es hat sich gezeigt, dass derartige Messungen, insbesondere beim Umrichterbetrieb, bei dem durch Reflexionen ausgeprägte Spannungsüberhöhungen auftreten, nicht zielführend sind.
• Da die Spannungsverteilung über den Wicklungssträngen extrem nichtlinear ist, werden gemäß dem Dokument DE 199 32 611 Impulsspannungen zur Messung von Teilentladungen eingesetzt, so dass nicht nur zwischen den Phasen, sondern auch zwischen einzelnen Windungen desselben Stranges Teilentladungen gemessen werden können, was bei Sinusbetrieb nicht möglich ist. Die Werte der Teilentladungen unterscheiden sich in Abhängigkeit von der Spannungsform der Versorgungsspannung (Sinus oder Impuls) auf Grund der genannten unterschiedlichen Spannungsverteilung innerhalb der Maschine oder des Geräts. Mit dieser Anordnung ist es jedoch nur möglich, die gesamte Isolation einer elektrischen Maschine einheitlich zu beurteilen. Ob die Teilentladungen in den Hauptisolationen oder Windungsisolationen stattfinden, ist damit jedoch nicht möglich zu beurteilen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Messvorrichtung und ein Messverfahren bereitzustellen, mit denen auch die Spannungsbeanspruchbarkeit beispielsweise von Windungsisolationen beim Umrichterbetrieb ermittelt werden kann.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Teilentladungsmessvorrichtung nach Anspruch 1.
• Ferner wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Messung von Teilentladungen nach Anspruch 11.
• Erfindungsgemäß kann mit den Spannungsimpulsen ein Spannungsabfall an den Spulen erzeugt werden, wie er bei Umrichterimpulsen auftritt. Demzufolge ist eine Prüfung der Spannungsbeanspruchbarkeit der Windungsisolation möglich. Die Stirnzeit beziehungsweise Steilheit der Impulse sowie deren Amplitude lassen sich individuell an den Prüfungsfall anpassen. Somit können die flachen Anstiege der Spannung beim Umrichterbetrieb zwischen den Strangwicklungen beziehungsweise zwischen einer Wicklung und dem Blechpaket aber auch die steilen Anstiege der Spannungen zwischen den Windungen simuliert und entspreche Teilentladeeinsetzspannungen auch für die Windungsisolation (vor allem Drahtlack) gemessen werden. Dies bedeutet, dass durch Anlegen von Impulsen mit reduzierter Impulssteilheit zwischen Wicklung und Blechpaket an der Hauptisolierung und zwischen den Klemmen an der Phasenisolierung Teilentladeeinsetzspannungen messbar sind. Außerdem ist mit steilen Impulsen die Teilentladeeinsetzspannung der Windungsisolation in den bei Umrichterbetrieb gefährdeten Eingangsspulen beziehungsweise Spulengruppen messbar.
• Falls die Motorwicklung zu einem Sternpunkt geschaltet ist, kann der für die Messung der Teilentladeeinsetzspannung verwendete Impuls an einer Stromgrenze abgeschaltet werden. Dies ist erforderlich, um den jeweiligen Wicklungsdraht nicht aufzuheizen. Der reduzierte Stromanstieg durch die Spuleninduktivität ermöglicht dadurch auch eine Messung der Teilentladeeinsetzspannung.
• Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die ein Schaltungsdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt.
• Das nachfolgend im Zusammenhang mit der Figur näher beschriebene Ausführungsbeispiel stellt lediglich eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
• Die in der Figur dargestellte Prinzipschaltung für eine Teilentladungsmessung mit Pulsspannung besitzt ein Hochspannungsgerät 1. Dieses Hochspannungsgerät 1 wandelt die übliche Versorgungsspannung mit 230 V und 50 Hz in eine Gleichspannung von beispielsweise 2.500 V. Am Ausgang des Hochspannungsgeräts ist an die (+)- und (–)-Klemme ein Kondensator 2 geschaltet, der die für die Impulserzeugung notwendige Energie speichert.
• Parallel zu dem Kondensator 2 ist der Eingang eines Impulsmoduls 3 geschaltet. Dieses umfasst einen Polwender, so dass an seinem Ausgang beispielsweise rechteckförmige Impulse mit + 2.500 V oder – 2.500 V anliegen. Die Amplitude der jeweiligen Impulse ist individuell einstellbar. Ferner kann auch die Steilheit beziehungsweise Stirnzeit der Impulse individuell für die jeweilige Messung justiert werden. Ein typischer Wert für die Stirnzeit wäre beispielsweise 1,2 μs und für die Steilheit 5 kV/μs.
• Die vom Impulsmodul 3 erzeugten Impulse beziehungsweise Pulse werden an die gewünschten Komponenten des Prüflings 4 angelegt. Im vorliegenden Fall besteht der Prüfling 4 aus den Komponenten Wicklungen 41, 42 und 43 sowie dem Blechpaket 44. Damit der Impuls an zwei dieser Komponenten 41 bis 44 angelegt werden kann, müssen zwei von ihnen durch einen Multiplexer, der in Form eines Relaiskoppelfelds 5 realisiert ist, ausgewählt werden. Somit kann beispielsweise ein Impuls zwischen die Wicklung 41 und die Wicklung 42 angelegt werden. Alternativ kann auch ein Impuls zwischen der Wicklung 41 und dem Blechpaket 44 angelegt werden.
• Die Komponenten des Prüflings 4 sind im gewählten Beispiel sternförmig geschaltet, was eine Strombegrenzung durch den Spannungsimpuls erforderlich macht. Diese Strombegrenzung gewährleistet, dass sich – wie bereits erwähnt- der jeweilige Wicklungsdraht nicht aufheizt, womit eine aussagekräftige Messung der Teilentladeeinsetzspannung möglich wird. Eine Strombegrenzungsschaltung ist in der Figur nicht dargestellt, sie kann jedoch in das Impulsmodul 3 integriert werden.
• Die Registrierung der Teilentladungen erfolgt durch Erfassen des Verschiebestroms mittels eines Stromwandlers 6, der eine Stromleitung zwischen dem Impulsmodul 3 und dem Relaiskoppelfeld 5 abgreift. Das durch den Stromwandler 6 induktiv abgegriffene Signal wird mittels eines Filters 7 von den durch das Impulsmodul 3 erzeugten Störsignalen befreit. Am Ausgang des Filters 7 liegen folglich Impulse an, die ausschließlich durch Teilentladungen im Isoliersystem des Prüflings 4 hervorgerufen werden. Diese Teilentladungsimpulse werden durch einen Verstärker 8 verstärkt und in einem Zähler 9 gezählt. Anhand des Zählergebnisses kann die Amplitude des Spannungsimpulses vom Impulsmodul 3, d.h. die Teilentladeeinsetzspannung, ermittelt werden.
• Die einzelnen Einrichtungen der in der Figur dargestellten Messvorrichtung für die Teilentladeeinsetzspannung werden mit Hilfe eines PCs 10 gesteuert. Hierzu ist der PC 10, das Hochspannungsgerät 1, das Impulsmodul 3, der Zähler 9 und das Relaiskoppelfeld 5 an einen gemeinsamen Bus 11 angeschlossen.
• Für die Messung wird nun zunächst eine Gleichspannung mit vorbestimmter Amplitude erzeugt und daraus ein alternierendes Impulssignal geformt. Dieses Impulssignal wird an zwei Komponenten des Prüflings 4, z.B. einer Motorwicklung, angelegt. Die Steilheit der Impulse wird dabei so eingestellt, dass sie zwischen den jeweiligen Komponenten die bei Umrichterbetrieb maximale Spannungsbeanspruchung verursacht. Durch die Teilentladungen im Prüfling wird das Stromsignal vom Impulsmodul zum Prüfling beeinflusst. Die hierdurch entstehenden Stromschwankungen werden zu Zählereignissen verarbeitet. Falls bei einer bestimmten Impulsamplitude noch keine Teilentladungen im Prüfling 4 aufgetreten sind oder eine gewisse Zählschwelle noch nicht überschritten wurde, kann die Amplitude des Impulses solange erhöht werden, bis diese Schwelle erreicht ist.
• Die gefundene Amplitude der Spannungsimpulse entspricht dann der Teilentladeeinsetzspannung. Durch ein spezielles Prüfprogramm kann damit die Haupt-, Phasen- und Windungsisolation beispielsweise einer Motorwicklung PC-gesteuert automatisch überprüft werden.

Claims (18)

1. Teilentladungsmessvorrichtung mit – einer Spannungserzeugungseinrichtung (1, 2, 3) zum Erzeugen eines elektrischen Spannungsimpulses, – einer Abgreifeinrichtung (5), die an die Spannungserzeugungseinrichtung (1, 2, 3) angeschlossen ist und mit der der elektrische Spannungsimpuls an einen Prüfling (4) übertragbar ist, zum Abgreifen einer Teilentladungen betreffenden elektrischen Größe in und/oder an dem Prüfling (4) und – einer Messeinrichtung (6 bis 9), die an die Abgreifeinrichtung (5) angeschlossen ist, zur Messung der elektrischen Größe, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Spannungserzeugungseinrichtung (1, 2, 3) der elektrische Spannungsimpuls in seiner Amplitude und Steilheit derart variiert wird, dass er an der Haupt-, Phasen- und Windungsisolation des Prüflings (4) jeweils eine vorgegebene maximale Spannungsbeanspruchung verursacht.
2. Teilentladungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der elektrische Spannungsimpuls durch die Spannungserzeugungseinrichtung periodisch wiederholbar ist.
3. Teilentladungsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abgreifeinrichtung (5) eine Multiplexeinrichtung zum selektiven Abgreifen verschiedener Komponenten des Prüflings umfasst.
4. Teilentladungsmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Multiplexeinrichtung ein Relaiskoppelfeld umfasst.
5. Teilentladungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abgreifeinrichtung (5) Anschlüsse für mindestens drei Stränge (41, 42, 43) und ein Blechpaket (44) einer elektrischen Maschine umfasst.
6. Teilentladungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mit der Abgreifeinrichtung (5) ein Strom, insbesondere ein Verschiebestrom, der zwischen der Spannungserzeugungseinrichtung und dem Prüfling fließt, abgreifbar ist.
7. Teilentladungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die eine Zählereinrichtung (9), welche an die Abgreifeinrichtung (5) angeschlossen ist, zum Zählen von Teilentladungen aufweist.
8. Teilentladungsmessvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Zähleinrichtung (9) eine Filtereinrichtung (7), die den Spannungsimpuls im Wesentlichen ausfiltert, umfasst.
9. Teilentladungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Spannungserzeugungseinrichtung (1, 2, 3) ein Gleichspannungsgerät (1) zum Bereitstellen einer Gleichspannung und ein Impulsmodul (3) zum Formen von Impulsen aus der Gleichspannung umfasst.
10. Teilentladungsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Abgreifeinrichtung (5) eine Strombegrenzungsschaltung zur Begrenzung des Stroms zum Prüfling umfasst.
11. Verfahren zur Messung von Teilentladungen durch – Erzeugen eines elektrischen Spannungsimpulses, – Anlegen des elektrischen Spannungsimpulses an einen Prüfling (4) und – Messen einer elektrischen Größe, die sich durch eine Teilentladung im Prüfling (4) ändert, dadurch gekennzeichnet, dass – der elektrische Spannungsimpuls in seiner Amplitude und Steilheit derart variiert wird, dass er an der Haupt-, Phasen- und Windungsisolation des Prüflings (4) jeweils eine vorgegebene maximale Spannungsbeanspruchung verursacht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Spannungsimpuls periodisch wiederholt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der elektrische Spannungsimpuls selektiv an verschiedene Komponenten des Prüflings angelegt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die elektrische Größe der Strom, insbesondere der Verschiebestrom ist, der zum Prüfling fließt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Messen der elektrischen Größe ein Zählen von Teilentladungen umfasst.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei zum Zählen der Teilentladungen der Spannungsimpuls im Wesentlichen ausgefiltert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Erzeugen des elektrischen Spannungsimpulses das Bereitstellen einer Gleichspannung und das Formen des Spannungsimpulses aus der Gleichspannung umfasst.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei der Strom zu dem Prüfling begrenzt wird.