-
Schaltungsanordnung zur Messung der Ladung von Teilentladungen Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung der Ladung von Deilentladungen,bei
der eine dem Teilentladungsstrom proportionale- Größe zu einem Integrationsglied
zum Zwecke der Messung bzw. Auswertung geführt wird.
-
Um das Isoliervermögen von Isolierstoffen und Isolierungen für Hochspannungsgeräte
und Bauteile zu beurteilen, ist es notwendig, die Teilentladungsvorgänge zu beurteilen.
-
Die verschiedenen Arten vonTeilentladungen lassen sich in drei grundlegende
Entladungsarten an jeweils charakteristischen Anortdnungen aufteilen.
-
Entladungen an Spitzen und dünnen Drähten in Zuluft werden als Korona-Entladungen
bezeichnet0 Entladungen, die sich auf der Oberfläche von Isolierstoffen unter der
Wirkung einer beträchtlichen Tangential- oder Normalfeldstärke ausbilden, tragen
den Namen Gleit-Entladungen. Schließlich werden Entladungen, die in gasförmigen
Einschlüssen, in festen oder flSssigen Isolierstoffen entstehen, als Hohlraum-Entladungen
bezeichnet. Der Mechanismus dieser genannten Entladungen ist einander sehr ähnliche
Nach dem Erreichen der Einsatzfeldstärke setzt eine sprunghafte Ladungsträgerproduktion
ein, Die erzeugten Ladungsträger.
-
schwächen in Enorm von Raum- oder Oberflächenladungen das elektrische
Feld im Bereich der erhöhten Feldstärke,
so daß die Trägererzeugung
wieder unterbrechen wird. Erst nach dem Abfluß der gebildeten Ladungen bzw. nach
dem Erhöhen der angelegten Spannung können weitere Entladungen auftreten. Diese
Teilentladungen verursachen in der Regel im äußeren Stromkreis kurze Stromimpulse.
Die zeitliche Dauer und die Form dieser Stromimpulse ist für die bestimmten Grundisolieranordnungen
charakteristisch. Die Stromimpulse können auch als Störspannung oder S-törfeldstärke
in einem bestimmten Frequenzbereich gemessen werden. Aussagekräftiger als die Messung
der Störspannung oder Störfeldstarke von Teilentladungen mit selektiven Verfahren
ist die breitbandige Messung der Teilentladungsgrößen, wie z.B. der Ladung von einzelnen
Impulsen oder von Impulsfolgen.
-
Es sind nur wendige Verfahren bekannt, mit denen es möglich ist, die
Teilentladungsimpulse zu bewerten.
-
Grundsätzlich kann z.B. die Beobachtung uld Registrierung der entladungen
mit einem Zweistrabioszilloskop erfolgen, mit dem Strom und Spannung gleichzeitig
aufgezeichnet werden0 Bei der Auswertung des vom Oszilloskop gelieferten Bildes
kann auch eine Zuordnung der Teilentladungsimpulse- zu der bestimmten Phasenlage
der Wechselspannung erfolgen. Die Auswertung des Auftretens der Teilentladungsimpulse
unter Berücksichtigung der Phasenlage der Wechselspannung ist von Bedeutung, da
dadurch die einzelnen Teilentladungsarten unterschieden werden können. Die Auswertung
der Ladung der Teilentladungsimpulse ist jedoch nur mit der Einstel-lung eines bestimmten
Schwellwertes der Hellsteweinrichtung möglich und damit nur umständlich oder nicht
eakt auswertbar.
-
Es ist eine weitere Lösung dieses Meßproblems bekannt, die von einer
Einrichtung zur Summierung von ladungsproportionalen Spannungsimpulsen über einen
vorgebbaren
Zeitbereich und einer Katodenstrahloszillographenröhre
zur Sichtbarmachung der Teilentladungsvorgänge ausgeht. Dazu wird an das iblenksystem
des Kitodenstrahloszillographen eine die Teilentladungsimpulse hervorrufende Prüfspannung,
also die 50 Hz Wechselspannung gelegt, während das andere ,rblenksystem des Katodenstråhlosz'illographen
mit einer Spannung beaufschlagt wird, die durch Summierung von Spannungsimpulsen,
die den Ladungen der Teilentladung impulse entsprechen, gewonnen wird. Das erhaltene
Oszillogramm enthält zwar alle Informationen über die zu analysierenden Teilentladungsimpulse,
wie z.B.
-
diePhasenlage zur Prüfspannung. Die Impulsladung kann aus der jeweiligen
Stufenhöhe und die Impulshäufigkeit aus der anzahl der Stufen ermittelt werden0
Die Gesamtladung, d.h. die Intensität des Sntladungsprozesses während eines bestimmten
Zeitintervalles, z0B0 einer Periode der lrüfwechselspannung, kann durch die maximale
Aus lenkung des Oszillographenstrahles in vertikaler Richtung ermittelt werden.
Das bedeutet.
-
jedoch, daß die Auswertung entweder direkt am Oszillographenschirm
vorgenommen werden muß oder erst über den Umweg über photochemische Verfahren. Die
Auswertung ist damit nicht frei von subjektiven Fehlern.
-
Bei den bisher gebräuchlichen breitbandigen Meßverfahren wird eine
aus dem Teilentladungskreis abgeleitete Spannung breitbandig verstärkt und der Spitzenwert
dieser Spannung gelangt zur anzeige. Nach,vorausgegangener ,ichXung mit Impulsen
bekannter Ladung kann auf'die Impulsladung geschlossen-werden. Die gemessene Spannungsamplitude
entspricht jedoch nur dann der Iapulsladung, wenn die Formen der Eichimpulse und
Teilentladungsimpulse übereinstimmen Anderenfalls kann es zu erheblichen Meßfehlern
kommen. Ein weiterer
Nachteil ist, daß bei der Bewertung nach diesem
Verfahren Entladungsimpulse mit geringer Häufigkeit und hoher Amplitude stärker
bewertet werden können als kleine Impulsamplituden mit großer Häufigkeit. Obwohl
im zuletzt genannten Fall die je Zeiteinheit erzeugte Ladungsmenge, also die Intensität,
wesentlich größ'er sein kann als im ersten Fall, Es ist daher wichtig, daß neben
der Erfassung der maximalen Impulsladung sämtliche auStretender zntladungsimpulse
mit erfaßt und entsprechand ihres zeitlichen Verlaufes ausgewertet werden.
-
Es ist Zweck der Erfindung, eine direkte Ludungsmessung zu ermöglichen,
wobei das Meßergebnis unabhängig von der Form der Teilentladungsimpulse sein soll.
-
Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Messung der Ladung von reilentladungen anzugeben, mit Hilfe derer die Ermittlung
der Imjulsladung von einzelnen Impulsen sowie der Summenladung von Impulsen über
einen bestimmten Zeitintervall nach einem integrierenden Meßverfahren und somit
eine vollstandige Beurteilung ermöglicht ist.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine dem Teilentladungsstrom
proportionale Spannung an einem steuerbaren elektronischen Bauelement anliegt, das
parallel zu einem Integrationsglied liegt, wobei das Integrationsglied aus einem
Kondensator besteht, der auf einen konstanten Spannungspegel aufgeladen ist und
die der abgeleiteten Ladung des Xondensators proportionale Differenz des Spannungspegels
zur Anzeige an eine an sich bekannte Scheitelwertmeßeinrichtung gelangt.
-
Die Steuerung des elektronischen Bauelementes, welches parallel zu
dem Integrationsglied liegt, erfolgt durch
einen Strom, der dem
Teilentladungsstrom direkt proportional ist und der die Bolge eines iSpannungssignales
ist, welches in an sich bekannter V"eise über einen Vrid'erstand, der erdseitig
im Teilentladungsprüfkreis eingeschaltet- ist, ausgekoppelt wird.
-
Es liegt im Rahmen der üblichen Technik, nach Bedarf Verstärkerbausteine
zwischenzuschalten.
-
Der dem ursprünglichen Teilentladungsstrom direkt proportionale Steuerstrom
für das elektronische Bauelement bewirkt die Entladung des zuvor auf den definierte-n
Spannungspegel aufgeladenen Kondensator, womit die Spannungsänderung über dem Kondensator
direkt der Ladung der Teilentladungen entspricht. Damit ist es auch möglich, z.B.
die Ladung eines Teilentladungsimpulses zu messen.
-
Wird die pannung über dem Kondensator intermittierend auf einen Konstanten
Spannungspegel aufgeladen, so ist es möglich, die Ladung der Teilentladungen kontinuierlich
zu messen. Dazu wird im zweckmäßigerweise zwischen dem steuerbaren elektronis-chen
Bauelement und den Kondensator ein weiteres Bauelement eingeschaltet, welches eine
Schaltfunktion ausübt.
-
Dieses Bauelement wird durch ein Steuerteil, das Rechteckspannungen
liefert, angesteuert, wodurch bei den einen Schaltzustand die Entladung des Kondensators
ermöglicht ist, und bei dem anderen Schaltzustand die Auf ladung des Kondensators
auf den konstanten Spannungspegel erfolgen kann. Die Zuführung dieser Ladespannung
erfolgt zweckmäßigerweise über eine Diode.
-
Damit auch eine genaue Beurteilung des Auftretens von Teilentladungen
in Bezug auf die jeweilige Phasenlage der Wechselspannung an Prüfling erfolgen kanns
sind die vom Steuerteil abgegebenen Rechteckspannungsimpulse zeitlich verschiebbar
und/oder in ihre-r Dauer veränderbar und/oder periodisch mit der die Teilentladungen
verursachenden Prüfspannung erzeugbar. Bs ist auch vorgesehen, daß das Steuerteil
einmalig Impulse erzeugt, also extern triggerbar ist. Die St'euerung
des
Prozesses, Laden des Kondensators und Entladen durch die Teilentladungsimpulse erfolgt
vorteilhaft mit Hilfe des Steuerteils, dadurch daß dieses zwei Rechteckspannungen
abgibt, die entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, wobei die eine Rechteckspaiinung
die Basis eines Transistors steuert, der die Schaltfunktion ausfahrt und die andere
Rechteckspannung an der Diode anliegt, über die die intermittierende Aufladung des
Kondensators erfolgt. ;t dieser Anordnung ist es auch möglich, impulslose Teilentladungen
zu messen. Dazu ist es notwendig, daß die Ankopplung an den im Hochspannungskreis
liegenden Widerstand galvanisch erfolgt. Die wirksame Stromverstärkung der Eingangsstufe
kann dabei z.3. durch mehrere Transistoren, die in Darlingtonschaltung angeordnet
sind, entsprechend der geforderten Meßempfindlichkeit erhöht werden. IIit der Schaltungsanordnung
ist es auch möglich, die Ladung von Einzelimpulsen zu messen, indem anstelle der
gesteuerten Aufladung des Meßkondensators über die Diode eine Auf ladung über einen
Widerstand erfolgt, der zweckmäßigerweise mit der 3etriebsspannungsquelle für die
Schaltungsanordnung verbunden ist.
-
Die Erfinduig soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles
und einer Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 Grundschaltung
zur Entladung eines Kondensators mit Hilfe eines steuerbaren elettronischen Bauelementes,
Big, 2 Prinzipschaltung der Teilentladungsmeßeinrichtung, Fig. 3 Schaltungsanordnung
zur gesteuerten Auf- und Entladung des Meßkondensators, Fig. 4 Spannungszeitverläufe
an markanten Punkten der Schaltung nach Fig. 30
In der Fig. 1 ist
eine Schaltungsanordnung dargestellt, die einen Meßkondensator Cm enthalt, der über
einen Schalter S an eine Betriebsspannungsquelle Ub anschaltbar ist. Der Meßkondensator
Cm wird bei geschlossenem Schalter S somit auf den Betrag der Spannung der Betriebsspannungsquelle
Ub aufgeladen. Parallel zu dem Ließ kondensator Cm liegt die Kollektor-Emitter-Strecke
eines Transistors T1. Die Basis des Transistors T1 ist über einen vliderstand RV
an eine Spannung ue anschaltbar, die einen Basisstrom iB hervorruft. Betragt die
Spannung ue= O, so ist die Emitter-Kolektorstrecke des Transistors T1 nichtleitend,
somit kann keine Ladung von dem Meßkondensator Cnl entnommen werden, der damit auf
der Spannung der Betriebsspannungsquelle Ub aufgeladen bleibt. Ist die Spannung
ue 0, fließt durch den Vorvjiderstand RV ein Basisstrom iBs der der Spannung ue
und dainit auch dem Teilentladungsstrom direkt proportional ist, da sich die Basis-Emitter-Spannung
des Transistors T1 bei der Ansteuerung nur unwesentlich ändert. IlSolge der Stromverstärkung
des Transistors T1 ruft der Basisstrom iB einen ihm proportionalen Kollektorstrom.
i0 hervor, der einen Spannungsabfall Uc entsprechend dem Stromintegral am Meßkondensator
Cm bewirkt. Dieser Spannungsabfall wird der weiteren Auswertung zugeführt. Durch
Einschaltung eines Widerstandes RE in den Emitterkreis des Transistors T1 kann die
Schaltung entsprechend den Anforderungenweiter linearisiert werden0 In der Fig.
2 ist die prinzipielle Verarbeitung der aus einem Hochspannungsprüfkreis 1 ausgekoppelten
Teilentladungsimpulsein Blockschatbildern gezeigt. Der Hochspannungsprüfkreis 1
besteht aus der Hochspannungsprüfanlage HA, dem Erafling Pr, einer Koppelkapazität
Ck, einer Meßimpedanz Ra. Die Ließimpedanz Ra liegt gt im erdseitigen Ende des Prüflinge
Pr und über ihr wird eine Spannung uT abgenommen, die gemäß uT=RaxiT dem
Teilentladungsstrom iT direkt proportional ist.
-
Nach der Verstärkung dieser Spannung mittels eines Breitbandverstärkers
2 auf V x uT und der ev. erforderlichen Polaritätsumkehr in einer Polaritätswahlstufe
3 erfolgt in einem Integrator 4 die Umwandlung der Spannung in einen ihr proportionalen
Strom. Dieser Strom entlädt den.in dieser Figur nicht dargestellten Meßkondensator
C0 Dieser Meßkondensator wird in den Meßpausen durch ein Steuerteil 5 stets wieder
auf den gleichen Ausgangspegel aufgeladen. Die Spannungsänderung am Meßkondensator
Cm wird mittels einer Bewertungsstufe 6 bewertet und danach zu einer Anzeigeeinrichtung
7 geführt, an der die Ladung abgelesen werden kann.
-
In der Fig. 3 ist eine mögliche Ausfahrung des Integrators dargestellt.
Im Hinblick auf eine hohe Strom verstärkung können im Eingangskreis auch mehrere
Transistoren T'1, T1 in Darlingtonschaltung eingesetzt werden.
-
Nach der Entladung des Meßkondensators Cm muß wieder seine Aufladung
auf- einen bestimmten Spannungspegel erfolgen. Das geschieht durch das Steuerteil
5, das entweder periodisch mit der Frequenz der Prüfspannung (z.B. 50 Hz) oder auch
einmalig (z.B. extern) getriggert wird. Die Auf ladung des Meßkondensators Cm erfolgt
während der Meßpause mit einer positiven Steuerspannung.
-
In der Fig. 4a ist die Eingangsspa£nung ue, die an dem Vorwiderstand
Rv anliegt, dargestellt. Dabei sind die Teilent ladungsimpulse als nadelförmige
Spitzen dargestellt.' In der Fig. 4b ist der Verlauf der Rechteckspannungsiinpulse
dargestellt, die den Meßkondensator Cm während der Meßpausen periodisch auf den
konstanten Wert aufladen. In diesen Aufladezeiten wird gleichzeitig die Entladung
des Meßkondensators Cm infolge des Fließens eines Kollektorstromes im Transistor
T1 bei eventuell
auftretendem Teilladungsstrom verhindert, indem
ein als Schalter wirkender Transistor T2 durch eine negative Steuerspannung c in
der Fig. 4 dargestellt, gesperrt wird. Während des Meßintervalls wird die in der
Kurve b dargestellte Steuerspannung negativ und der Meßkondensator Cm wird über
eine Diode D, die einen extrem hohen Sperrwiderstand besitzt, von der Steuerspannung
aus dem Steuerteil 5 eptkoppelt. Gleichzeitig wird die in der Fig. 4 c dargestellt3
an der Basis des Transistors T2 anliegende Rechteckspannung positiv, so daß seine
Kollektor-Emitter-Streckeleitend wirdg Beim Auftreten von Teilentladungen wird somit
der Meßkondensator Cm allmählich entladen. Durch eine entsprechende Wahl des Meßkondensators
Cm kann die Entladegeschwindigkeit und damit die Empfindlichkeit den jeweiligen
Meßaufgaben angepaßt werden. In der Kurve in Fig0 4d list die Summenladung der Teilentladungsimpulse
und in Fig. e ist die Ladung der einzelnen Impulse dargestellt. Zur Vermeidung von
unerwünschten Entladungen infolge des Auftretens von Leckströmen erfolgt die Messung
der Spannungsänderung u0 über den Meßkondensator Cm mit Hilfe eines Impedanzwandlers
IW' der einen hohen Eingangswiderstand besitzt. Zur Einstellung der Arbeitspunkte
der Transistoren T1 und T2 ist ein gewisser Ruhestrom erforderlich. Durch Einsatz
eines Kompensationsnetzwerkes, bestehend aus einem Hilfswiderstand Rh wird die dabei
auftretende Spannungsabsenkung am Meßkondensator Cm kompensiert.
-
Soll nicht das Stromintegral während eines längeren Meßintervallles,
also die Summenladung z.B. während einer Periode der 50 Hz Prüfspannung gemessen
werden, sondern das Strómintegral während der Dauer nur eines Teilentladungsimpulses,
also in der Größenordnung von kleiner 1 s, also die Ladung eines Impulses, so ist
die in der Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung in der Weise abz4 andern, daß ein
Widerstand Rms in der Fig.3 gestrichelt dargestellt, eingeschaltet und die Verbindung
des
Meßkondensators Cm über die Diode D zum Steuerteil getrennt wird. Dabei ist zu beachten,
daß die durch den ';Jiderst-and E und den Meßkondensator Cm gebildete Zeitkonstante
wesentlich größer sein muß als die Dauer eines Teilentladungsstromimpilses. In diesem
Fall erfolgt beim Auftreten des Impulses eine Absenkung der Spannung über den Meßkondensator
entsprechend der Ladung dieses Teilentladungsimpulses.
-
Danach wird wieder eine ruf ladung auf den Ausgangspegel mit der Zeitkonstante
Cm X X erfolgen.
-
Die in der Fig. 3 dargestellte Schaltung ist ohne Abänderung auch
zur Messung der Ladung von nicht impulsförmigen Teilentladungen geeignet. Voraussetzung
ist eine Gleichspannungskopplung sämtlicher Übertragungsglieder. Auf einen Meßverstärker
kann verzichtet werden, wenn in'der Eingangsstufe Transistoren mit hoher Stromverstärkung
eingesetzt werden.