DE3408256C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßapparatur zur De­ tektion von impulsförmigen Teilentladungen (TE) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Schaltungsanordnungen bekannt (DD-PS 1 39 958 und 1 41 868), bei denen die durch Teilentladungs(TE)-Vorgänge verursachten elektrischen Ausgleichsvorgänge in elektrischen Betriebsmitteln, die im Nanosekunden-Zeitbereich ablaufen, mittels TE-freier Hochspannungskoppelkondensatoren ausgekop­ pelt und der TE -Meßeinrichtung zugeführt werden. Obwohl in der DD-PS 1 41 868 Maßnahmen zur Reduzierung der Kapazität des Hochspannungskoppelkondensators vorgeschlagen wurden, konnte dennoch auf diesen nicht verzichtet werden. Daran ändert auch die Tatsache nichts, daß der Hochspannungskoppelkondensator nach der bekannten DD-PS 1 59 216 in einem Prüfendverschluß integriert ist.

Es sind außerdem Vorschriften und Standards bekannt (VDE- Vorschriften 0472 - Ausgabe 1982 und 0434 - Ausgabe 1983 sowie IEC Publikation 270 - Ausgabe 1981 und Entwurf der IEC- Publikation 20 A (Secr.) 97), in denen entsprechende Festle­ gungen für die Teilentladungsbewertung elektrischer Betriebs­ mittel enthalten sind.

Die vorgenannten Teilentladungsmeßverfahren sind nur für die Qualitätskontrolle als Abnahmeprüfung anwendbar. Sie eignen sich im allgemeinen jedoch nicht für Betriebsmes­ sungen und prophylaktische Untersuchungen an Betriebsmit­ teln der Energieübertragungstechnik, weil diese unter Span­ nung stehen und aus Gründen der sicheren Versorgung der Ab­ nehmer nicht ständig freigeschaltet werden können. Außerdem sind die zur Ankopplung benötigten teilentladungsfreien Hochspannungskondensatoren sehr teuer und verursachen auf Grund ihrer großen Masse spezielle Transportprobleme. Schließlich muß für den Anschluß der Hochspannungskoppel­ kondensatoren der Hochspannung führende Pol des Betriebs­ mittels zugänglich sein, wozu geeignete teilentladungsfreie Hochspannungsdurchführungen und Endenabschlüsse notwendig sind.

("Elektrizitätswirtschaft", 1982, Heft 1/2, S. 27 bis 30; "Electrical Review", 1982, Heft 2; S. 36 bis 37 "IEEE-Trans. Power App. Systems", New York, 1982, Heft 7, S. 1935 bis 1941).

Die darin angegebenen Möglichkeiten sind nur anwendbar, wenn die Betriebsmittel bereits beim Herstellungsprozeß mit inte­ grierten Hochspannungskoppelkondensatoren ausgerüstet werden. Eine nachträgliche Installation unter Betriebsbedingungen ist nicht akzeptabel und kaum realisierbar.

Aus vorstehenden Darlegungen folgt, daß im praktischen Fall die Teilentladungsmessung unter Betriebsbedingungen auf speziell dafür ausgestattete Betriebsmittel beschränkt ist.

Schließlich ist eine Meßsonde zur Bestimmung der elektro­ statischen Ladungsverteilung auf der Oberfläche fester Kör­ per bekannt (CH-PS 4 29 935), die im wesentlichen aus einer Meßelektrode und einer plan dazu angeordneten Abschirmelek­ trode besteht. Diese Meßsonde ist durch eine sehr kleine Meßfläche von weniger als einem mm² und durch sehr kleine Abmessungen zwischen der Meßelektrode und Abschirmelektrode gekennzeichnet. Außerdem muß die Meßelektrode extrem klein ausgestaltet sein, damit das Schutzringprinzip zur Anwendung gelangen kann. In der dem Prüfling zugewandten Fläche ist sowohl die Meßelektrode als auch die Abschirmelektrode in einer Ebene angeordnet.

Die Funktionsfähigkeit der Meßsonde ist aber nur dann gegeben, wenn die Abschirmelektrode galvanisch mit der Bezugselektrode verbunden ist. Die Meßsonde kann durch ein abgeschirmtes Spezialkabel mit einem Gleichspannungs­ verstärker und einem Gleichspannungs-Meßinstrument ver­ bunden werden. Ein potentialfreier Betrieb der Meßsonde ist auf Grund der elektrostatischen Messung nicht gegeben. Die Meßsonde dient zur Messung von elektrostatischen La­ dungsverteilungen an Plastfolien, Papieren und aufgetra­ genen Halbleiterschichten. Es handelt sich dabei um die Messung von Feldstärkeeinheiten, die zeitlich relativ un­ veränderlich, d. h. stationär, vorliegen und ein Maß für die Beschichtungsgüte darstellen.

Sowohl aus dem konstruktiven Aufbau der Meßsonde als auch aus dem Verwendungszweck derselben ist eindeutig erkenn­ bar, daß sie nicht für die elektromagnetische Detektion von impulsförmigen Teilentladungen mit Zeitparametern im Nanosekunden-Zeitbereich in Isolierungen von unter Hoch­ spannung stehenden elektrischen Betriebsmitteln und Ener­ gieübertragungssystemen verwendbar ist.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßapparatur zur elektromagnetischen Detek­ tion von impulsförmigen Teilentladungen in Isolierungen von unter Hochspannung stehenden elektrischen Betriebsmit­ teln zu schaffen, die die elektromagnetische Erfassung der impulsförmigen Signale ohne zusätzliche Hochspannungskop­ pelkondensatoren, Hochspannungsdurchführungen und ohne Freischaltung von Anlageteilen sowie im Sinne von einfach handhabbarer Betriebsmeßtechnik ermöglicht.

Mit der Meßapparatur nach der Erfindung wird eine erheb­ liche Vereinfachung der TE-Messung und TE-Fehlerortung an allen elektrischen Anlagen unter Betriebsbedingungen er­ reicht.

In vielen Fällen waren bisher derartige Messungen an elektrischen Anlagen im Betriebszustand überhaupt nicht möglich, weil die Integration von Hochspannungs-Koppel­ kondensatoren in Anlagen Sonderfällen darstellen und kaum praxiswirksam geworden sind. Bekanntlich spielen aber TE- Vorgänge für die Beurteilung der Lebensdauer eine große Rolle. Die erfindungsgemäße Meßapparatur gestattet bei­ spielsweise prophylaktische Prüfungen an Kabelnetzen und anderen elektrischen Betriebsmitteln vorzunehmen, so daß TE-Fehlstellen und Glimmentladungen, die in der Folge zur Zerstörung der Anlage führen, gemessen und geortet werden können. Durch die Integration von Übertragungsgliedern und Verstärkereinrichtungen in einer gehäuseartigen Bezugselek­ trode wird bei der erfindungsgemäßen Meßapparatur eine Kompaktbauweise mit kleinen geometrischen Abmessungen er­ möglicht.

Die weitere zweckentsprechende Ausbildung der Erfindung ist in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 verdeutlicht den prinzipiellen Aufbau der Meß­ apparatur;

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Ablauf der Impulsfolge der durch TE-Vorgänge verursachten Signale, die durch die Meß­ apparatur bewertet werden.

Die Erfassung der im Betriebsmittel 1 entstehenden TE-Sig­ nale erfolgt auf elektromagnetischem Wege durch die Meßelek­ trode 2. Die Meßelektrode 2 ist so angeordnet, daß sie in ihrer aktiven Zone mit dem Betriebsmittel 1 in engem elektromagnetischen Kontakt steht. Das wird durch einen sehr kleinen Abstand zum Betriebsmittel 1 erreicht. Dabei ist jedoch zu beachten, daß ein galvanischer Kontakt zum Betriebsmittel 1 nicht erfolgt. Außerdem ist die Meß­ elektrode 2 von der Bezugselektrode 3 und Kompensations­ elektrode 4 elektromagnetisch eingeschirmt.

Daraus ergibt sich eine solche geometrische Anordnung, daß die Meßelektrode 2 hinter der Öffnung der Bezugselektrode 3 angebracht ist, und sich die Kompensationselektrode 4 zwischen diesen beiden befindet. Aus der Sicht des Betriebsmittels 1 wird die Meßelektrode 2 feldmäßig sowohl durch die Bezugs­ elektrode 3 als auch durch die Kompensationselektrode 4 teilweise abgedeckt. Der Anteil der Abdeckung wird bestimmt von der angestrebten Meßempfindlichkeit und dem zu eliminier­ enden Störsignal. Der Abstand und die Flächenbedeckung sind so zu dimensionieren, daß die Kapazität der Meßelektrode 2 gegenüber der Kompensationselektrode 4 und Bezugselektrode 3 wenige pF nicht übersteigt.

Die Kompensationselektrode 4 ist so angeordnet, daß sie zur Bezugselektrode 3 eine Kapazität von über 10 pF aufweist. Eine universelle Anwendbarkeit der potentialfreien Meß­ apparatur ist gewährleistet, wenn das Dreielektrodensystem, bestehend aus der Meßelektrode 2, Bezugselektrode 3 und Kom­ pensationselektrode 4 in der konstruktiven Ausgestaltung den Prüflingen bzw. Betriebsmitteln 1 weitestgehend ange­ paßt, sowie trag- und aufklappbar ausgeführt ist.

Die innerhalb der Bezugselektrode 3 untergebrachte elektro­ nische Verarbeitungseinheit besteht im wesentlichen aus den Differenzverstärkern 5; 10, mit einer Anstiegszeit im Nano­ sekunden-Zeitbereich.

Da die erfaßbare Signalamplitude aufgrund der "losen" An­ kopplung an das Betriebsmittel 1 um Größenordnungen gegen­ über dem Original-TE -Signal geschwächt wird, kann das Meß­ signal nicht ohne zusätzliche Maßnahmen vom Störpegel der Umgebung unterschieden werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der TE -Signalpegel ohnehin nur im Mikrovolt-Bereich liegt. In der erfindungsgemäßen Meßapparatur wird daher im Hinblick auf eine Störsignalreduzierung die Bezugselektrode 3 poten­ tialfrei betrieben, wodurch sie stets das Störsignal des Ortes empfängt, wo sie angeordnet ist. Ein Teil des Stör­ signales wird auch in der Kompensationselektrode 4 wirksam. Das wird durch die Kapazität zwischen der Bezugselektrode 3 und der Kompensationselektrode 4 gewährleistet.

Somit gelingt es mit Hilfe des Differenzverstärkers 5, der mit dem nicht invertierenden Eingang 6 an die Meßelektrode 2 und mit dem invertierenden Eingang 7 an die Kompensations­ elektrode 4 angeschlossen ist, das Störsignal zu kompensie­ ren. Diese Kompensation ist möglich, weil das Störsignal in­ folge des unvermeidbaren elektromagnetischen Durchgriffs auch an der Meßelektrode 2 und damit am Eingang 6 des Meßver­ stärkers 5 in analoger Weise erscheint wie über die Kompen­ sationselektrode 4 am Eingang 7. Ein Abgleich auf ein optima­ les Verhältnis zwischen Nutzsignal und Störsignal erfolgt mittels des Kompensationsnetzwerkes 8, durch das die elek­ tromagnetischen Kopplungen zwischen Betriebsmittel 1, Be­ zugselektrode 3, Kompensationselektrode 4 und Meßelektrode 2 auf ein Optimum eingestellt wird.

Im einfachsten Fall besteht das Kompensationsnetzwerk 8 aus einem einstellbaren ohmschen Widerstand. Es kann aber auch kapazitive und induktive Elemente enthalten.

Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 5 gelangt an den nicht invertierenden Eingang 9 des Differenzverstär­ kers 10, während der invertierende Eingang 11 über ein Im­ pulsformernetzwerk 12 mit der Bezugselektrode 3 verbunden ist. Durch das Impulsformernetzwerk 12 wird gewährleistet, daß einerseits nur unipolare Signale kurzer Anstiegszeit und Dauer, also TE-Impulse, weiterverarbeitet werden, und andererseits Störsignale, die von der Bezugselektrode 3 aufgefangen wurden, zur Eliminierung der ebenfalls an der Meßelektrode 2 erscheinenden Störungen beitragen.

Auch das Impulsformernetzwerk 12 besteht im einfachsten Fall aus einem einstellbaren ohmschen Widerstand. Es kann aber ebenfalls wie das Kompensationsnetzwerk 8 auch kapa­ zitive und induktive Elemente enthalten.

Es ist noch zu erwähnen, daß die erfindungsgemäße Meßap­ paratur auch funktioniert, wenn die Anschlüsse der Ein­ gänge 6; 7 am Differenzverstärker 5 und in analoger Weise die Eingänge 9; 11 am Differenzverstärker 10 vertauscht werden.

Die Differenzverstärker 5; 10 sind so ausgestaltet, daß ihre Anstiegszeit im Nanosekunden-Zeitbereich liegt.

Dadurch wird gesichert, daß die Bezugselektrode 3 während der kurzen Dauer der TE-Signale infolge ihrer Raumkapa­ zität ein festes Bezugspotential beibehält, während sie bei Betrachtung längerer Zeitabstände dem "schwimmenden" Potential der Umgebung nahezu unverzögert folgt.

Somit kann für die kurze Dauer der TE-Signale das Potential der Bezugselektrode 3 als Masse-Bezugs-Potential angesehen werden, wodurch eine Verstärkung der TE-Signale mittels der Differenzverstärker 5; 10 überhaupt erst ermöglicht wird. Zur qualitativen und quantitativen Bewertung der TE-Sig­ nale wird die Signaldifferenz zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 10 und der Bezugselektrode 3 einer ebenfalls potentialfrei betriebenen Bewertungseinheit 13 zugeführt.

An die Bewertungseinheit 13 ist zweckmäßigerweise ein Os­ zilloskop 14 angeschlossen, das natürlich ebenfalls po­ tentialfrei betrieben werden muß.

In Fig. 2 sind typische Kurvenverläufe dargestellt, wie sie am Oszilloskop 14 sichtbar gemacht werden können. Während in der Kurve A ein vom Betriebsmittel 1 ausgekop­ peltes TE-Signal gezeigt ist, verdeutlicht die Kurve B das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 5 und die Kurve C das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 10. Der Verlauf des Ausgangssignales der Bewertungseinheit 13 ist aus der Kurve D erkennbar.

Claims (6)

1. Meßapparatur zur elektrischen Detektion von impulsför­ migen Teilentladungen (TE) in elektrischen Isolierungen von unter Hochspannung stehenden elektrotechnischen Betriebs­ mitteln, wobei die Meßapparatur eine Meß- und Abschirmelektrode aufweist und die TE-Messung breitbandig erfolgt, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß innerhalb einer gehäuseartig gestal­ teten und galvanisch vom Betriebsmittel (1) entkoppelten Bezugselektrode (3) eine Meßelektrode (2), eine Kompensationselektrode (4) sowie zwei nachgeschaltete Dif­ ferenzverstärker (5; 10) mit Anstiegszeiten im Nanosekunden- Zeitbereich angeordnet sind, die mit einem Kompensationsnetz­ werk (8) und einem Impulsformernetzwerk (12) beschaltet sind,
• - daß die Bezugselektrode (3) mit einer dem Betriebsmittel (1) zugewandte Öffnung versehen ist, die durch die dahinter­ liegende Meßelektrode (2) abgedeckt ist
• - und daß zwischen der Be­ zugselektrode (3) und der Meßelektrode (2) die Kompensations­ elektrode (4) angeordnet ist.

2. Meßapparatur nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßelektrode (2) und die Kompensations­ elektrode (4) einerseits mit den beiden Eingängen des Dif­ ferenzverstärkers (5) verbunden und andererseits über das Kom­ pensationsnetzwerk (8) mit der Bezugselektrode (3) gekoppelt sind.

3. Meßapparatur nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des Differenzverstärkers (5) mit dem ersten Eingang des Differenzverstärkers (10) verbunden ist, während der zweite Eingang des Differenzverstärkers (10) über ein Impulsformnetzwerk (12) mit der Bezugselektrode (3) verbunden ist.

4. Meßapparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ausgang des zweiten Dif­ ferenzverstärkers (10) und die Bezugselektrode (3) mit einer an sich bekannten Bewertungseinheit (13) für TE-Signale ver­ bunden sind.

5. Meßapparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreielektroden­ system, bestehend aus Meßelektroden (2), Bezugselektrode (3) und Kompensationselektrode (4) der Geometrie des zu unter­ suchenden Betriebsmittels (1) angepaßt ist.

6. Meßapparatur nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei zylindrischen elektrischen Betriebsmitteln (1) die Meßelektrode (2), Bezugselektrode (3) und Kompensationselektrode (4) ko­ axial angeordnet und in Form von aufklappbaren Segmenten ausgeführt sind.