-
Verfahren zum Feststellen und Messen von Vorentladungen bei Stoßspannungsprüfungen
Bei der Prüfung von Hochspannungsgeräten, wie Transformatoren, Meßwandlern u. dgl.,
mit hohen Spannungsstößen ist es oftmals von Interesse, das Auftreten von Vorentladungen
festzustellen. Dasselbe gilt noch mehr bei Laborversuchen, die zur Ermittlung der
elektrischen Festigkeit von Isoliermaterialien und Isolieranordnungen durchgeführt
werden.
-
Die bisher üblichen Verfahren zur Feststellung von Vorentladungen
sind hauptsächlich die visuelle Beobachtung und die Registrierung mittels Oszillograph.
In vielen Fällen ist das erstere Verfahren zu unempfindlich, außerdem ist eine Beobachtung
der inneren Isolation bei Hochspannungsgeräten usw. meist nicht möglich. Beim zweiten
Verfahren wird gewöhnlich der Strom in der Erdleitung oszillographiert. Hierzu wird
vom Oszillograph der vom Erdstrom an einem ohmschen Widerstand erzeugte Spannungsabfall
registriert. Handelt es sich um einen rein kapazitiven Prüfling, so überlagern sich
dem kapazitiven Strom beim Auftreten von Vorentladungen relativ hochfrequente Impulse.
In vielen Fällen weist aber der Strom durch den Prüfling, auch wenn keine Vorentladungen
auftreten, schon hochfrequente Schwingungen auf, die z. B. von Schwingungen zwischen
Kapazitäten und Induktivitäten innerhalb des Prüflings oder auch im äußeren Prüf-
und Meßkreis entstehen können. Durch diese Schwingungen wird eine exakte Feststellung
von Vorentladungen oft sehr erschwert oder unmöglich gemacht. Bei sehr hohen Spannungsstößen
ist es darüber hinaus vielfach nicht möglich, den äußeren Prüfkreis, insbesondere
die Verbindungsleitung zwischen Spannungsquelle und Prüfling, sprühfrei zu gestalten.
In den Oszillogrammen treten dann oft auch diese äußeren Entladungen als Stromstöße
auf, die sich vielfach nicht von den durch innere Entladungen im Prüfling verursachten
Stromstößen unterscheiden lassen. Soll bei einem Prüfling durch allmähliche Steigerung
der Spannung von Stoß zu Stoß die Stoßanfangsspannung ermittelt werden, so ist außerdem
eine große Zahl von Oszillogrammen aufzunehmen und auszuwerten so daß die Prüfung
recht aufwendig wird. Außerdem läßt sich die Stoßanfangsspannung dann erst nach
dem Entwickeln und Auswerten der Oszillogramme feststellen.
-
Zum Nachweis innerer Entladungen bei Wechselspannungsprüfungen werden
vielfach auch Hochfrequenzindikatoren, bestehend aus breitbandigen oder selektiven
Hochfrequenzverstärkern, benutzt.
-
Ihr Frequenzbereich ist so gewählt, daß die netz frequenten Vorgänge
ausgefiltert und nur die von den Entladungen verursachten Hochfrequenzschwin-
gungen
verstärkt und zur Anzeige gebracht werden.
-
Diese Meßeinrichtungen sind jedoch bei Stoßspannungsprüfungen mit
den genormten Stoßspannungen mit 1 Fs Stirnzeit und 50 ,as Rückenhalbwertzeit nicht
geeignet, da das Frequenzspektrum dieser sehr kurzen Prüfungsimpulse sehr breit
ist und das Frequenzspektrum der von inneren Entladungen verursachten Impulse zu
einem erheblichen Teil überstreicht. Da naturgemäß die Höhe der Prüfspannungsimpulse
ein Vielfaches der durch innere Entladungen verursachten Störimpulse ist, liefern
derartige Meßgeräte bei Prüfspannungsimpulsen, die zu keinen inneren Entladungen
führen, schon Anzeigen, die weit höher sind als diejenigen, die von inneren Entladungen
allein verursacht würden.
-
Das nachfolgend beschriebene Prüfverfahren, das es gestattet, unmittelbar
nach jedem Stoß das Auftreten von Vorentladungen festzustellen, bringt bei derartigen
Prüfungen wesentliche Erleichterungen, Verbilligungen sowie eine Steigerung der
Empfindlichkeit und hat darüber hinaus noch den Vorteil, daß nur die Entladungen
angezeigt werden, die zwischen Hochspannungselektrode des Prüflings und der an die
Meßeinrichtung angeschlossenen Erdelektrode des Prüflings auftreten. Entladungen
zwischen Hochspannungselektrode und anderen Erdelektroden werden dagegen nicht angezeigt.
Das Verfahren benutzt die nach dem Abklingen einer Stoßspannung, die zu Vorentladungen
führte, im Prüfling zurückbleibenden Ladungen zur Feststellung der Entladungen.
-
Für einen Prüfling, in dem Teilentladungen auftreten, kann allgemein
die Ersatzschaltung nach F i g. 1 zugrunde gelegt werden. Hierbei sei mit 1 die
Kapazität des elektrisch überbeanspruchten Bereichs der Isolierung, mit 2 die hierzu
in Reihe liegende gesunde Kapazität bezeichnet. 3 ist die hierzu parallelliegende
übrige entladungsfreie Kapazität des Prüflings.
Schlägt z. B. bei
der Spannung U0 der Teilkondensator 1 durch, dann liegt anschließend die gesamte
Spannung U0 an der Teilkapazität 2. Die Ladung dieser Teilkapazität ist dann Q2=
U0-C2, (1) wobei C2 = Kapazität des Kondensators 2.
-
Es ist nun bekannt, daß eine derartige Teilentladung, sobald die
betreffende Teilkapazität - im erfindungsgemäßen Fall also der Kondensator 1 mit
seiner Kapazität C1 - entladen ist, in kürzester Zeit wieder verlöscht. Geht daher
die angelegte Stoßspannung nach der Entladung von Cl allmählich wieder auf den Wert
Null zurück, so liegt für die Rückladung wiederum die Reihenschaltung von Cl und
C, vor, d. h. aber, daß über den Kondensator 2 die Ladung Q'= UO. C1. C (2) zurückfließt.
Diese Ladung ist kleiner als Q2, d. h. aber nach Abklingen der Prüfspannung verbleibt
auf dem Prüfling eine Ladung Qr = Q2Q2' = UO-C2- = +C . (3) C1QC Der Vorgang wird
leichter verständlich, wenn man sich in Fig. 3 die parallel zur Kapazität 1 liegende
Funkenstrecke durch einen Schalter ersetzt denkt.
-
Wird dieser Schalter in dem Moment, in dem die angelegte Stoßspannung
ihren Scheitelwert erreicht hat, für einen kurzen Moment geschlossen, so liegt für
diesen Augenblick die Kapazität 2 direkt parallel zur Kapazität 3 an der vollen
Stoßspannung. Die Ladung Ub, ist dann gleich U0 C,. Nimmt man an, daß der Schalter
sofort nach der Aufladung von C2 wieder öffnet, dann liegt beim anschließenden Rückgang
der angelegten Spannung auf den Wert Null in Reihe zur Kapazität 2 die zunächst
entladene Kapazität 1. Über den Kondensator 2 fließt dann nur die Ladung Q2' gemäß
Gleichung 2 zurück, d. h., daß auf diesem Kondensator, wenn die angelegte Spannung
auf Null zurückgegangen ist, noch eine Restladung gemäß Gleichung 3 zurückbleibt.
Die Annahme, daß der Schalter sofort nach der Aufladung von C. auf U0 wieder als
geöffnet gedacht werden kann, ist daher berechtigt, weil der bei einem Teildurchschlag
innerhalb des Dielektrikums entstehende Lichtbogen tatsächlich sofort nach der Entladung
der betreffenden Teilkapazität wieder verlöscht.
-
Ist dann der Prüfling nicht direkt geerdet, sondern schaltet man
zwischen Prüfling 3 und Erde einen Kondensator 4 (F i g. 2), so verbleibt an diesem
nach dem Abklingen der Stoßspannung noch eine Restspannung U = Qr 3 4 Solange im
Prüfling keine Vorentladungen auftreten, wird der Kondensator 4 über den Prüfling
3 nur kapazitiv aufgeladen, und diese Ladung wird auch wieder zu Null, wenn die
angelegte Spannung auf Null abgeklungen ist. Sobald jedoch während des Stoßes im
Prüfling Vorentladungen auftreten, verbleibt auf dem Kondensator 4 die oben berechnete
Restspannung. Erfindungsgemäß wird die auf einem in Reihe zum Prüfling geschalteten
Kondensator nach einem Vorentladungen verursachenden Spannungs-
stoß verbleibende
Restspannung zur Feststellung des Auftretens von Vorentladungen herangezogen. Die
im linken Teil von F i g. 2 eingezeichneten Kondensatoren und Widerstände bilden
die bekannte Grundschaltung eines Stoßspannungsgenerators. Da der Kondensator 4
während des Stoßes in Reihe zum Prüfling 3 liegt, bildet er mit diesem zusammen
einen kapazitiven Spannungsteiler. Die Kapazität des Kondensators 4 muß daher so
groß gewählt werden, daß an diesem während des Stoßes keine unzulässig hohe Spannung
auftritt. Trotzdem ist natürlich die beim Stoß am Kondensator 4 entstehende Spannung
stets um Größenordnungen höher als die nach dem Abklingen der Stoßspannung durch
Vorentladungen verbleibende Restspannung. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, das
zur Feststellung dieser Restspannung verwendete Meßgerät 6 erst nach dem Abklingen
der Stoßspannung dem Kondensator 4 über den Schalter 5 parallel zu schalten. Der
Kondensator 4 muß daher einen sehr hohen Isolationswiderstand aufweisen, damit seine
Entladezeitkonstante größer ist als die Zeit vom Moment des Auftretens der Stoßspannung
bis zum Schließen des Schalters 5 und der Ablesung des Meßinstrumentes 6.
-
Wählt man den Isolationswiderstand des Kondensators 4 sehr hoch,
dann ist es allerdings möglich, daß die nach einem Stoß mit Vorentladungen aufgetretene
Restspannung nur außerordentlich langsam wieder verschwindet und damit eine sehr
lange Wartezeit bis zum nächsten Stoß notwendig wäre.
-
Es ist daher zweckmäßig, dem Kondensator 4 zur Erzielung einer geeigneten
Entladezeitkonstante einen Ableitwiderstand 7 (F i g. 3) parallel zu schalten. Entladezeitkonstanten
zwischen 10 und etwa 100 Sekunden dürften hierbei besonders vorteilhaft sein.
-
Infolge der hohen im Stoßmoment am Kondensator 4 auftretenden Spannung
kann über die Kapazität des Schalters 5 auf das Meßgerät 6 schon eine Spannung übertragen
werden, die zu einem störenden momentanen Ausschlag führt. Dieser Spannungsstoß
wird durch das Verzögerungsglied aus dem Widerstand 8 und der Kapazität 9 nach F
i g. 3 vom Instrument 6 ferngehalten. Ist der Schalter 5 geschIossen, dann können
durch anderweitige Spannungsquellen - z. B. weitere Stoßspannungsgeneratoren oder
Prüftransformatoren im Prüfraum, aber auch durch Schaltvorgänge - Spannungen, die
kapazitiv oder induktiv auf den Prüfling oder Prüfkreis übertragen werden, zu störenden
Ausschlägen am Anzeigeinstrument führen. Auch derartige Störspannungen können durch
den Widerstand 8 und die Kapazität 9 beseitigt oder zumindest stark reduziert werden.
Wird vor dem nächsten Stoß der Schalter 5 schon geöffnet, bevor die Restspannung
ganz abgeklungen ist, dann würde das Instrument 6, das ja ebenfalls eine sehr hohe
Entladezeitkonstante aufweisen muß, nur sehr langsam in die Nullstellung zurückgehen.
Dem Instrument 6 wird daher ein hochohmiger Widerstand 10 parallel geschaltet. Um
bei Durchschlägen des Prüflings die gesamte Meßeinrichtung vor Überspannungen zu
schützen, wird dem Kondensator 4 eine Funkenstrecke 11 parallel geschaltet.
-
Weist ein Prüfling sehr kräftige Vorentladungen auf und ist die angelegte
Stoß spannung relativ kurz, dann kann der Schalter 5 gemäß F i g. 4 auch durch den
hochohmigen Widerstand 8 ersetzt werden. Der
Widerstand 8 und der
Kondensator 9 müssen dann so gewählt werden, daß der über dem Kondensator 4 auftretende
Anteil der Stoßspannung vom Meßgerät weitgehend ferngehalten wird, d. h. aber, die
Zeitkonstante R C9 muß gegenüber der Stoßspannung sehr groß sein.
-
Voraussetzung für die Anwendbarkeit des geschilderten Meßprinzips
ist ein genügend hoher Isolationswiderstand des Prüflings. Ist nämlich dieser Isolationswiderstand
zu gering, dann gleichen sich die Restladungen nach Abklingen der Stoß spannung
so rasch aus, daß eine vorherige Messung nicht möglich ist. In solchen Fällen kann
es vorteilhaft sein, gemäß F i g. 5 den Kondensator 4 sofort nach Abklingen der
Stoßspannung mittels des Schalters 1 vom Prüfling abzutrennen. Dann bleiben die
im Moment der Auftrennung des Schalters 1 im Kondensator 4 gespeicherten Ladungen
in diesem Kondensator für eine ausreichend lange Zeit verfügbar.
-
Bei großen Prüflingskapazitäten und hohen Prüfspannungen muß der
Kondensator 4 eine große Kapazität haben, damit die an ihr abfallende Stoßspannung
ausreichend klein bleibt. Je größer aber die Kapazität 4 ist, um so geringer wird
die durch eine bestimmte Restladung hervorgerufene Restspannung an diesem Kondensator
und um so geringer ist somit die Meßempfindlichkeit. Bei Prüflingen größter Kapazität
kann es daher günstiger sein, statt der Restladung die Rückentladung der Restladung
zu messen. Hierzu wird nach Fig. 6 in Reihe zum Prüfling 3 ein Kondensator 4 relativ
kleiner Kapazität geschaltet. Dieser Kondensator 4 ist während des Spannungsstoßes
durch den Schalter 1 kurzgeschlossen.
-
Nach dem Abklingen der Stoßspannung wird der Schalter 1 sofort geöffnet.
Da sich die im Prüfling durch Vorentladungen verursachten Raumladungen zum Teil
innerhalb des Prüflings selbst, zum Teil aber auch über die Prüflingsklemmen ausgleichen,
erfolgt durch den letzteren Ausgleichsstrom, der über den Kondensator 4 fließen
muß, eine allmähliche Aufladung des Kondensators 4. Diese durch die Rückentladung
verursachte Spannung am Kondensator 4 kann durch geeignete Meßgeräte ebenfalls zur
Feststellung von Vorentladungen dienen.
-
Vielfach ist es vorteilhaft, gleichzeitig zu dem bisher beschriebenen
Meßverfahren stärkere Vorentladungen mittels Oszillograph zu registrieren. Hierzu
kann in bekannter Weise in Reihe zum Prüfling ein Meßwiderstand geschaltet werden,
dessen Spannungsabfall oszillographiert wird. Dieser Widerstand kann entweder zwischen
dem Kondensator 4 und Erde oder zwischen dem Prüfling 3 und dem Kondensator 4 angeordnet
sein. Im letzteren Fall wird allerdings die Restladung des Kondensators 4 in vielen
Fällen über den Eingangswiderstand des Oszillographen (Größenordnung 1 mm) zu rasch
abgeführt.
-
Dies läßt sich vermeiden, indem in die Zuleitung zum Oszillographen
ein genügend hochohmiger Kondensator geschaltet wird.
-
Neben einem ausreichend hohen Isolationswiderstand zwischen Hochspannungs-
und Erdelektrode des Prüflings ist weiter auch ein entsprechend hoher Isolationswiderstand
zwischen der Erdelektrode und Erde notwendig. Dieser Widerstand liegt nämlich parallel
zu dem Meßkondensator 4. Ist er zu klein, dann wird der Kondensator 4 über diesen
Widerstand zu rasch entladen. Läßt sich zwischen Erdelektrode und Erde des Prüflings
kein ausreichend hoher Iso-
lationswiderstand erreichen, oder aber wenn der Prüfling
direkt geerdet ist, kann der Kondensator 4 auch zwischen Störgenerator und Prüfling,
also auf der Hochspannungsseite, angeordnet werden. In diesem Fall muß das Meßgerät
6 entweder ebenfalls gegen Erde für die volle Spannung isoliert sein, oder aber
es wird erst nach dem Stoß entweder von Hand oder über einen entsprechend spannungsfesten
Schalter zugeschaltet. Da die Hochspannungszuleitungen zum Prüfling bei höheren
Stoßspannungen meist sprühen, muß der Kondensator 4 direkt an der Hochspannungsklemme
des Prüflings angeordnet werden, und es ist durch geeignete Abschirmungen dafür
zu sorgen, daß an der Verbindung zwischen Kondensator 4 und der Hochspannungsklemme
sowie an der Hochspannungsklemme selbst keine Vorentladungen auftreten.
-
Bei Prüflingen kleiner Kapazität können bei geeigneter Dimensionierung
des Kondensators 4 durch Vorentladungen Restspannungen in der Größenordnung von
etwa 1 bis 100 V entstehen. Diese lassen sich in einfacher Weise durch elektrostatische
Voltmeter bestimmen. Bei Prüflingen größerer Kapazität ist die Meßempfindlichkeit
dagegen kleiner. Es ist dann zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit zweckmäßig, die
Restspannung mittels eines elektronischen Voltmeters mit ausreichend hohem Eingangswiderstand
(Größenordnung 1010 bis 10t4 Q) auszumessen.