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Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes einer zwischen leitenden
Metallteilen angeordneten Isolationsschicht In Hochstromanlagen, die in wachsendem
Maße für verschiedene technische Zwecke Verwendung finden, in denen Stoßströme mit
steilen Flanken erzeugt werden, ist die Induktivität des Entladungsstromkreises
möglichst klein zu halten, d. h. aber unter anderem, daß die Hin- und Rückleiter
des Stoßstromes möglichst nahe beieinander anzuordnen sind. An den Stellen, an denen
die Leiter als Platten ausgebildet sind, beispielsweise bei den Kollektorplatten
einer derartigen Hochstromstoßanlage, soll deshalb die Isolation zwischen den Platten
wegen der klein zu haltenden Induktivität möglichst dünn sein. Sie muß aber doch
eine ausreichende elektrische Spannungsfestigkeit für die bei den extrem hohen Stoßströmen
benötigten, hohen Spannungen aufweisen. Die zur Entladung kommenden Energien sind
so groß, daß bei einem Durchschlag der Isolation zwischen zwei Platten der Kollektor
zerstört würde. Um einen derartigen Durchschlag unter allen Umständen zu verhindern,
wird die Isolation mit vielfacher Sicherheit ausgeführt. Das bedingt jedoch einen
größeren Abstand zwischen den Platten, wodurch die Induktivität unerwünscht wächst.
Um mit einer dünneren und damit elektrisch schwächeren Isolationsschicht an diesen
Stellen auskommen zu können, ist es notwendig, den Zustand der Isolation dauernd
zu überwachen, so daß etwaige Fehler schon im Entstehen erkannt und beseitigt werden
können.
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Es ist bekannt, die Isolation elektrischer Kabel mit leitenden Einlagen,
die in die Leiterisolation eingelegt sind und deren Spannungsverteilung durch geeignete
Vorrichtungen kontrolliert wird, zu überwachen. Bei diesen Isolationsüberwachungseinrichtungen
liegen die Verhältnisse jedoch wesentlich anders. Alle derartigen bekanntgewordenen
Anordnungen dienen der Überwachung der Isolation bei einer Beanspruchung, die durch
normale Wechselstrom bzw.
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Wechselspannung auftritt. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt,
daß auch bei den Beanspruchungen, die in den Stoßstromanlagen auftreten, solche
Überwachungseinrichtungen anwendbar sind.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung des
Zustandes einer zwischen leitenden Metallteilen angeordneten Isolationsschicht mit
Hilfe einer oder mehrerer in die Isolationsschicht eingebetteter leitender Folien,
die mit einer Vorrichtung zur Überwachung der Potentialverteilung zwischen den Metallteilen
und den leitenden obere wachungsfolien verbunden ist. Die Erfindung besteht in der
Anwendung solcher Vorrichtung zur Kontrolle der Isolation zwischen den bei kleinstem
gegenseitigen Abstand zeitweilig gegeneinander unter
Hochspannung stehenden Platten
des Kollektors einer Hochstromstoßanlage, bei der die Isolationsschicht aus zwei
oder mehr Isolierfolien höchster dielektrischer Festigkeit besteht, zwischen welchen
sich die leitenden Oberwachungsfolien befinden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 6 dargestellt.
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In der F i g. 1 sind zwei Metallplatten 1 und 2 des Kollektors einer
Hochstromstoßanlage, die der Fortleitung von Stoßströmen dienen, dargestellt. Die
Kollektorplatten 1 und 2 sind durch Isolierfolien 3, 4 gegeneinander elektrisch
isoliert. Zwischen die Isolierfolien 3, 4 ist eine elektrisch leitende Überwachungsfolie
5 eingelegt und mit einer nicht dargestellten Überwachungsvorrichtung für die Potentialverteilung
zwischen der leitenden Folie und den Platten oder einer sonstigen Meßvorrichtung
verbunden.
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Die an die Überwachungsfolien 5 anliegenden Flächen der Isolierfolien
3, 4 können einen lückenlos anliegenden, elektrisch leitenden Überzug aufweisen.
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Dieser Überzug kann z. B. aus aufgedampftem MetalI oder aus einer
aufkaschierten Metallfolie bestehen.
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Dadurch wird erreicht, daß im Dielektrikum bzw. zwischen Dielektrikum
und Oberwachungsfolie keine unerwünschten Lufteinschlüsse auftreten, wodurch das
Auftreten von Glimmentladungen, welche die Isolation beschädigen, vermieden wird.
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Zu dem vorgenannten erfindungsgemäßen Merkmal gehört folgerichtig,
daß an beiden Begrenzungsflächen jeder Isolationsschicht, vorzugsweise also jeder
Isolationsfolie, je eine leitende Schicht vorgesehen ist und daß zumindest für den
Fall, daß diese leitende Schicht auf dem Isolationsstoff selbst erzeugt, z. B. aufgedampft,
ist, gesonderte leitende Zwischenfolien 8 als Anschlußteile zwischen die leitenden
Oberflächenschichten eingelegt wird.
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Zwischenfolien können sich auch über den ganzen Bereich der leitenden,
insbesondere aufgedampften Schichten erstrecken.
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Für die Anschlüsse der Überwachungsgeräte an die Überwachungsfolien
können im übrigen die bei der Herstellung der Anschlüsse von Kondensatorwickeln
üblichen Methoden angewendet werden.
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Werden zwei durch eine elektrisch leitende obere wachungsfolie getrennte
Isolierfolien 3 und 4 als Isolationsschicht zwischen zwei Platten 1 und 2 vorgesehen
und weist eine der Isolierfolien bereits die volle benötigte Durchschlagsfestigkeit
auf, so kann die Anlage rechtzeitig außer Betrieb genommen werden, bevor die Gefahr
eines vollständigen Durchbruches der Isolation entsteht, sobald nämlich die eine
Isolierfolie durchschlagen ist und sich somit die Potentialverteilung zwischen der
Überwachungsfolie und den Platten verändert hat.
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Es können aber auch mehr als zwei, beispielsweise wie in Fig. 3 gezeigt,
drei Isolierfolien 10, 11, 12 mit zwei dazwischenliegenden leitenden tJberwachungsfolien
13, 14 und gesonderte leitende Zwischenfolien 15, 16 als Anschlußteile vorgesehen
werden, wobei die Isolierfolien so gewählt sein können, daß bereits zwei von ihnen
zusammen die volle benötigte Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Wird dabei eine Isolierfolie
durchschIagen und hierdurch die Potentialverteilung geändert, so besteht nach dem
Durchschlag immer noch eine Durchschlagsfestigkeit für die Betriebsspannung. In
gleicher Weise können auch die drei Isolierfolien so bemessen sein, daß sie zusammen
die doppelte benötigte elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Nach dem Durchschlag
einer Isolierfolie weist in diesem Fall die gesamte Isolierschichtung noch eine
Durchschlagsfestigkeit für die eineindrittelfache Spannung auf.
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Als Vorrichtung zur Uberwachung der Potentialverteilung zwischen
den Metallplatten und den Überwachungsfolien können Elektrometerröhren oder mit
Röhren bzw. Transistoren arbeitende bistabile Kippstufen mit hochohmigem Eingang
dienen, die auf eine Veränderung der Potentiale der einzelnen leitenden Folien entweder
ein Signal oder einen Schaltbefehl auslösen.
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Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Messung zwecks Überwachung
des Isolationszustandes entweder während jedes betriebsmäßigen Hochspannungs-Hochstrom-Impulses,
also während des StoK vorganges oder während einer Betriebspause, dann aber unter
Verwendung von einer oder mehreren Hilfsspannungsquellen erfolgen. Erfindungsgemäß
soll im letzteren Falle vorzugsweise eine Hilfsspannungsquelle Anwendung finden,
die einerseits in der Wirkung der Betriebsspannung ähnlich ist, andererseits aber
einen wesentlich geringeren Energieinhalt als diese besitzt. Mit der Hilfsspannung
soll mög-Iichst mindestens die volle Spannungsbeanspruchung der Isolationsschichten
erreichbar sein. Die Verwendung von Hilfsspannungsquellen nebst den erforder-
lichen
Meßgeräten ist in mehreren Schaltungsanord nungen zu verwirklichen, denen gemeinsam
ist, däß die an die Kollektorplatten angeschlossene Betriebslast, z. B. eine Arbeitsspule,
während der Überwachungsmessung die Spannungsquelle nicht belastet.
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Zur erfindungsgemäßen Erfassung der durch leitende Überwachungszwischenlagen
unterteilten Isolation können alle passenden bekannten Meßverfahren angewendet werden.
Bei Hochstromanlagen, die aus Gründen der Sicherheit nicht bis an die Grenzen der
Spannungsfestigkeit beansprucht werden sollen, genügt meist die Beobachtung der
relativen geometrischen Potential- oder Spannungsverteilung, also z. B. auch die
des Scheinwiderstandsverhältnisses der einzelnen Isolationsstrecken, weil man annehmen
kann, daß Durchschläge zunächst vereinzelt auftreten, aber allmählich zu einer Verkohlung
des Isoliermaterials führen. Der Spannungsvergleich an den Gliedern einer Reihenschaltung
mehrerer heiler hochisolierender Schichten, die je fast reine kapazitive Widerstände
1 darstellen, und einer einen nahezu reinen Wirkwiderstand R darstellenden Schicht,
mit einer Verkohlungszone wird somit ein signifikantes Ergebnis bringen. Zur Feststellung
derselben kann eine Schaltungsanordnung dienen, bei der an eine der Kollektorplatten
und eine dieser nicht benachbarten Uberwachungsfolie eine Hilft spannungsquelle
und eine Meßvorrichtung zur Ermittlung der Potentialverteilung auf die dazwischenliegende
Isolierfolie wahlweise anschaltbar sind.
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In den F i g. 4 und 5 sind Prinzipschaltbilder für die sich dabei
ergebenden Anordnungen dargestellt.
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Die zwischen den Kollektorplatten und den Überwachungsfolien liegenden
Isolierfolien sind dabei durch die Kapazitäten C1, C.2, C3 dargestellt. Mit R ist
eine angenommene, sich als Widerstand darsteIlende, verkohlte Zone in der unteren
Isolierfolie angedeutet. Mit H ist eine Hilfsspannungsquelle und mit V und V2 sind
zwei Potentiafmeßgeräte bezeichnet. Wie ersichtlich, ist die Hilfsspannungsquelle
H jeweils nicht durch die Betriebslast RL belastet, sondern liegt stets nur in einem
Meßkreis verhältnismäßig niedriger Energie. Im Falle einer Verkohlung in der untersten
Isolationsschicht wird das Meßergebnis V: V2 in der Schaltung nach Fig.4 von dem
Verhältnis V: Vy in der Schaltung gemäß Fig.5 wesentlich abweichen und damit einen
eindeutigen Hinweis auf den Defekt geben.
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Es ist bekannt, daß sich aus dem relativen zeitlichen Gang gewisser
Meßgrößen Rückschlüsse auf eine eventuell bevorstehende erhöhte Durchschlagswahrscheinlichkeit
ziehen lassen; ebenso lassen sich aus gewissen Merkmalen der kurvenmäßigen Abhängigkeit
(Wendepunkt, Knie, Schwellwerte usw.) dieser Meßgrößen von der Meßspannung Rückschlüsse
auf die Durchschlagswahrscheinlichkeit ziehen. Solche Meßgrößen sind: der Scheinwiderstand
der Isolationsstrecke Z = UXl; der Wirkwiderstand bzw. der Verlustfaktor tg sowie
die zugehörigen Leistungswerte; ferner die elektrische Dämpfung, die durch mehrere
miteinander verwandte Formel- bzw. Meßwerte ausgedrückt werden kann.
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Zur nahezu sicheren Vermeidung von Durchschlägen während des Betriebes
können erfindungsgemäß schon bei Inbetriebnahme Höchstwerte für die einzelnen Meßgrößen,
insbesondere für den Verlustfaktor, festgelegt werden. Wird bei den ständigen
Nachmessungen
in den Betriebspausen eine obere schreitung festgestellt, so wird ein Alarm- oder
Abschaltbefehl gegeben. Ein Beispiel für eine derartige Überwachungsvorrichtung
zeigt das Ersatzschaltbild nach Fig. 6.
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Dabei können nacheinander an jeweils zwei benachbarten Überwachungsfolien
bzw. an eine Überwachungsfolie und einer Kollektorplatte ein empfindliches Strommeßgerät
bzw. Verlustfaktormeßgerät und eine in Reihe dazu geschaltete Hilfswechselspannungsquelle
angelegt werden. Aus dem Ergebnis kann auf den Zustand der jeweils gemessenen Isolationsfolie
geschlossen werden. Wenn als Spannungsquelle ein geschlossenes Mehrphasensystem
verwendet wird, dessen Zahl der Phasen gleich ist der Zahl von Isolationsschichten,
so kann unter Verwendung einer gleich großen Zahl von Meßinstrumenten der Isolationswert
aller Folien gleichzeitig bestimmt werden. Im Beispiel der F i g. 6 können die Überwachungsfolien
mit einer Dreiphasenhilfsspannungsquelle über eine entsprechende Zahl von Meßgeräten
verbunden sein. An den Meßgeräten kann dann sofort die fehlerhafte Folie erkannt
werden.
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Eine Verfeinerung der beschriebenen obere wachungsvorrichtungen mit
einer oder mehreren Hilfsspannungsquellen kann erfindungsgemäß dadurch erreicht
werden, daß die Kapazität zwischen einer Kollektorplatte und der folgenden Überwachungsfolie
oder zwischen zwei tJberwachungswachungsfolien Bestandteil eines durch eine hochfrequente
Spannungsquelle angeregten Schwingungskreises ist, an dem eine Meßanordnung die
durch Isolationsschäden oder Glimmvorgänge entstehende elektrische Dämpfung feststellt.
Aus der so ermittelten zusätzlichen Schwingungsdämpfung können genauere Rückschlüsse
auf den Zustand der betreffenden Isolation gezogen werden. Auch kann das Aussetzen
der Schwingung infolge der zusätzlichen Dämpfung zur Signalabgabe ausgenutzt werden.
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Es läßt sich dadurch, um den Betrieb einer Anlage nicht sofort zu
stören, zunächst eine Warnung und nachfolgend bei vermehrten Glimmentladungen eine
zweite Warnung oder eine Ausschaltung der Anlage einleiten.