DE3910610A1 - Device for measuring surface resistance - Google Patents

Device for measuring surface resistance

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Abstract

The device for measuring the surface resistance of a voltage-loaded (stress-loaded) insulator (1) contains two electrodes (2, 3) which make contact with the insulator (1) on the surface. These electrodes (2, 3) are arranged substantially coaxially with respect to one another and delimit on the surface of the insulator (1) a measurement area exposed to a test voltage. In this measurement device, the intention is to prevent partial discharges across the electrodes (2, 3) as far as possible, even in the case of high test voltages. This is achieved by providing the electrodes (2, 3) in each case with a screening (4, 6) which relieves their contact points during testing with AC voltage from the effective electric field, and by making the electrodes (2, 3) in each case deformable in the region of their contact points. <IMAGE>

Description

Technisches GebietTechnical field

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Vorrichtung zur Messung des Oberflächenwiderstandes gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention is based on a device for Measurement of surface resistance according to the generic term of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Hierbei nimmt die Erfindung Bezug auf eine Vorrichtung zur Messung des Oberflächenwiderstandes, wie sie etwa aus der deutschen Norm DIN 53 482, insbesondere Bilder 12 und 13, be­ kannt ist. Die bekannte Meßvorrichtung enthält zwei zueinan­ der koaxial angeordnete Elektroden. Diese Elektroden kontak­ tieren unter Bildung eines Ringspaltes die Oberfläche einer Probe aus isolierendem Material. Zur Ermittlung des Oberflä­ chenwiderstandes dieser Probe im Ringspalt werden die Elek­ troden mit einer Prüfspannung beaufschlagt und hierbei der zwischen den Elektroden fließende Strom ermittelt.Here, the invention relates to a device for Measurement of the surface resistance, such as from the German standard DIN 53 482, especially pictures 12 and 13, be is known. The known measuring device contains two to each other of the coaxially arranged electrodes. Contact these electrodes animals form an annular gap on the surface of a Insulating material sample. To determine the surface Chen resistance of this sample in the annular gap, the elec a test voltage and the current flowing between the electrodes is determined.

In Isolationssystemen, bei denen sowohl ein Feststoffisolator als auch eine Gasstrecke hohen elektrischen Feldstärken aus­ gesetzt sind, stellt die Grenzschicht Gas- Feststoffisolator häufig einen besonders kritischen Bereich dar. Dies beruht darauf, daß sich hier durch Korrosion, Verschmutzung oder Tracking eine hochohmige Oberflächenleitschicht ausbildet, die Isolationsversager auslösen kann. Solche Oberflächenleit­ schichten besitzen im allgemeinen eine stark feldstärkeabhän­ gige Leitfähigkeit und können daher nur zureichend charakte­ risiert werden, wenn ihre Leitfähigkeit bei Feldstärken von der Größenordnung der Belastungsfeldstärke gemessen wird. In insulation systems where both a solid insulator as well as a gas route with high electric field strengths are set, the boundary layer provides gas-solid insulator often a particularly critical area. This is based on the fact that corrosion, pollution or Tracking forms a high-resistance surface conductive layer, the insulation failure can trigger. Such surface guidance Layers generally have a strong field strength dependency Conductivity and can therefore only have sufficient character be standardized if their conductivity at field strengths of the magnitude of the load field strength is measured.  

Die Meßvorrichtung nach dem Stand der Technik arbeitet mit wesentlich niedrigeren Feldstärken und liefert bei höheren Prüfspannungen durch Teilentladungen verfälschte Stromwerte.The measuring device according to the prior art works with much lower field strengths and delivers at higher ones Test voltages falsified current values due to partial discharges.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, löst die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Messung des Oberflä­ chenwiderstandes zu schaffen, bei der auch bei hohen bela­ stenden Feldstärken Teilentladungen an den Elektroden weitge­ hend vermieden werden.The invention as set out in claim 1 solves the task of a device for measuring the surface to create resistance, even at high loads constant field strengths partial discharges at the electrodes be avoided.

Die Prüfvorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß gegenüber Prüfvorrichtungen nach dem Stand der Technik die Prüfspannung wesentlich erhöht werden kann, ohne daß der Wert des zwischen den Elektroden fließenden Stromes verfälscht wird. Daher ist diese Prüfvorrichtung besonders geeignet, um den Oberflächenwiderstand hochbelasteter Fest­ stoffisolatoren von gemischten Gas-Feststoff-Isolationssyste­ men zu bestimmen. Zugleich zeichnet sich die Prüfvorrichtung nach der Erfindung dadurch aus, daß die durch die Elektroden auf der Oberfläche des zu vermessenden Feststoffisolators be­ stimmten Kontaktstellen reversibel sind und eine Verletzung der Oberfläche des Feststoffisolators praktisch ausgeschlos­ sen ist. Zudem ermöglicht es die Prüfvorrichtung nach der Er­ findung, auch gekrümmte Oberflächen problemlos zu vermessen.The test device according to the invention is characterized by this from that compared to test devices according to the state of the Technology the test voltage can be increased significantly without that the value of the current flowing between the electrodes is falsified. Therefore this test device is special suitable to the surface resistance of highly stressed hard insulators of mixed gas-solid insulation systems to determine. At the same time, the test device stands out according to the invention in that by the electrodes be on the surface of the solid insulator to be measured agreed contact points are reversible and an injury practically excluded the surface of the solid insulator is. It also enables the test device according to the Er finding that even curved surfaces can be easily measured.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigtThe invention is described below with reference to a drawing illustrated embodiment explained in more detail. Here shows

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch eine Ausführungsform einer Prüfvorrichtung nach der Erfindung, und Fig. 1 is a plan view of an axially guided section through an embodiment of a test device according to the invention, and

Fig. 2 einen vergrößert dargestellten Teil der Prüfvorrich­ tung gemäß Fig. 1. Fig. 2 shows a part of the enlarged Prüfvorrich tung shown in FIG. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Prüfvorrichtung weist zwei gegen eine Oberfläche einer zu vermessenden Probe, wie etwa eines Isolators 1, gepreßte, im wesentlich koaxial zueinander an­ geordnete und im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebil­ dete Elektroden 2 und 3 auf. Die Elektrode 2 enthält eine im wesentlichen kugelförmig ausgebildete metallische Abschirmung 4 sowie ein ringförmig ausgebildetes Kontaktelement 5 aus ei­ nem elektrisch leitenden, elastomeren Material, wie etwa elektrisch leitfähigem Gummi. Der äußere Radius des Kontakt­ elements 5 beträgt R (Fig. 2). Das Kontaktelement 5 ist in eine ringförmige Ausnehmung der Abschirmung 4 eingesetzt. Die Ausnehmung weist eine gegenüber der Dicke des Kontaktelements 5 geringe Tiefe auf. Daher ragt das Kontaktelement 5 mit ei­ ner Höhe h (Fig. 2) über die Abschirmung 4 hervor. Die die Elektrode 2 koaxial umgebende Elektrode 3 enthält eine im we­ sentlichen torusförmig ausgebildete metallische Abschirmung 6 sowie ein ringförmig ausgebildetes Kontaktelement 7 aus einem elektrisch leitenden, elastomeren Material, wie etwa elek­ trisch leitfähigem Gummi. Dieses Kontaktelement ist in eine ringförmige Ausnehmung der Abschirmung 6 eingesetzt und ragt entsprechend dem Kontaktelement 5 über die Abschirmung 6 her­ vor. Beide Kontaktelemente 5 und 7 begrenzen auf der Oberflä­ che des Isolators 1 eine ringförmige Meßfläche der Breite D (Fig. 2).The test device shown in Fig. 1 has two against a surface of a sample to be measured, such as an insulator 1 , pressed, substantially coaxially to each other on ordered and substantially rotationally symmetrical electrodes 2 and 3 . The electrode 2 contains a substantially spherical metallic shield 4 and an annular contact element 5 made of an electrically conductive, elastomeric material, such as electrically conductive rubber. The outer radius of the contact element 5 is R ( Fig. 2). The contact element 5 is inserted into an annular recess in the shield 4 . The recess has a small depth compared to the thickness of the contact element 5 . Therefore, the contact element 5 protrudes with egg ner height h ( Fig. 2) over the shield 4 . The electrode 2 coaxially surrounding the electrode 3 contains a substantially toroidal metal shield 6 and an annular contact element 7 made of an electrically conductive, elastomeric material, such as electrically conductive rubber. This contact element is inserted into an annular recess in the shield 6 and projects beyond the shield 6 in accordance with the contact element 5 . Both contact elements 5 and 7 limit the surface of the insulator 1 to an annular measuring surface of width D ( FIG. 2).

Die Abschirmungen 4 und 6 sind an einem rotationssymmetri­ schen Isolierkörper gehalten mittels Ansätzen 9 und 10, deren Oberflächen zur Herabsetzung des Einflußes eines zwischen den Elektroden 2, 3 wirkenden elektrischen Feldes im wesentli­ chen senkrecht an die Oberflächen der Abschirmungen 4, 6 ge­ führt sind. Der Isolierkörper 8 ist in einer zylinderförmig ausgebildeten, geerdeten Metallhülse 11 abgestützt. Diese Me­ tallhülse ist an ihrer oberen Stirnseite abgeschlossen und weist dort eine Durchführung 12 für die aus einer Wechsel­ spannungsquelle 13 über eine Abschirmelektrode 14 an die Elektrode 2 geführte Prüfspannung auf sowie einen Einlaß 15 für Isoliergas aus einem Speichergefäß 16. Die Metallhüse ist mit einer Öffnung zur gasdichten Aufnahme eines abge­ schirmten Meßkabels 17 versehen, dessen Meßleitung einer­ seits über ein Strommeßgerät 18 an einen geerdeten Pol der Wechselspannungsquelle 13 geführt ist und andererseits mit der Abschirmung 6 der Elektrode 3 elektrisch verbunden ist. Der Isolierkörper 8 enthält Öffnungen 19, durch welche Isoliergas aus dem oberhalb des Isolierkörpers befindlichen Teilraum der Metallhülse 11 in einen von den Elektroden 2, 3 und der ringförmigen Meßfläche des Isolators 1 begrenzten Raum geführt wird.The shields 4 and 6 are held on a rotationally symmetrical insulating body by means of lugs 9 and 10 , the surfaces of which reduce the influence of an electric field acting between the electrodes 2 , 3 in a substantially perpendicular manner to the surfaces of the shields 4 , 6 . The insulating body 8 is supported in a cylindrical, grounded metal sleeve 11 . This Me tallhülse is completed at its upper end and there has a bushing 12 for the voltage source from an AC voltage 13 via a shielding electrode 14 to the electrode 2 and an inlet 15 for insulating gas from a storage vessel 16th The metal sleeve is provided with an opening for gas-tight reception of a shielded measuring cable 17 , the measuring line of which is guided on the one hand via a current measuring device 18 to a grounded pole of the AC voltage source 13 and on the other hand is electrically connected to the shield 6 of the electrode 3 . The insulating body 8 contains openings 19 through which insulating gas is guided from the subspace of the metal sleeve 11 located above the insulating body into a space delimited by the electrodes 2 , 3 and the annular measuring surface of the insulator 1 .

Zur Messung des Oberflächenwiderstandes des Isolators 1 wird die Prüfvorrichtung nach der Erfindung wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt auf die Oberfläche des Isolators 1 ge­ preßt. Hierbei können die elastomeren Kontaktelemente 5 und 7 in reversibler Weise die Isolatoroberfläche kontaktieren, ohne daß eine Verletzung des Isolators 1 zu befürchten ist. Zugleich schmiegen sich die Kontaktelemente 5 und 7 infolge elastischer Verformung nahezu spaltfrei auch an gekrümmt aus­ gebildete Oberflächen des Isolators 1 an. Da die Abschirmun­ gen 4 und 6 beider Elektroden 2 und 3 zueinander gegensinnig geneigt sind und jeweils eine mit zunehmendem Abstand von der ringförmigen Meßfläche der Breite D zunehmende Neigung ge­ genüber dieser Meßfläche aufweisen, wird zugleich eine Ent­ lastung der Kontaktstellen der Kontaktelemente 5 und 7 auf der Isolatoroberfläche von der Wirkung des elektrischen Fel­ des erreicht. Das über die Öffnungen 19 aus der Metallhülse 11 zugeführte Isoliergas, wie etwa Schwefelhexafluorid, ver­ bessert das Isoliervermögen der ringförmigen Meßfläche zu­ sätzlich, so daß Gasentladungen an den Elektroden 2, 3 bis zu sehr hohen elektrischen Feldstärken unterdrückt werden kön­ nen.To measure the surface resistance of the insulator 1 , the test device according to the invention as shown in FIGS. 1 and 2 is pressed onto the surface of the insulator 1 . Here, the elastomeric contact elements 5 and 7 can contact the insulator surface in a reversible manner without fear of injury to the insulator 1 . At the same time, the contact elements 5 and 7 nestle due to elastic deformation almost without a gap, even on curved surfaces of the insulator 1 . Since the shielding conditions 4 and 6 of both electrodes 2 and 3 are inclined in opposite directions to one another and each have an increasing inclination with increasing distance from the annular measuring surface of the width D compared to this measuring surface, at the same time a relief of the contact points of the contact elements 5 and 7 the insulator surface is achieved by the action of the electric field. The insulating gas supplied via the openings 19 from the metal sleeve 11 , such as sulfur hexafluoride, improves the insulating capacity of the annular measuring surface additionally, so that gas discharges at the electrodes 2 , 3 can be suppressed up to very high electrical field strengths.

Die mittlere Grenzfeldstärke Egr, bis zu der gemessen werden kann, wird durch geeignete Wahl der Breite D der ringförmigen Meßfläche so eingestellt, daß trotz Feldüberhöhung an den Kontaktelementen 5 und 7 keine Teilentladung in der durch den geringsten Abstand d beider Abschirmungen 4 und 6 bestimmten Gasstrecke auftreten kann. Diese Grenzfeldstärke ist durch folgende Beziehung bestimmt
E gr=U/D=E cr×d/D, wobei
U die Prüfspannung und
E cr die kritische elektrische Feldstärke zwischen den Ab­ schirmungen 4 und 6 bedeuten.The mean limit field strength Egr , up to which can be measured, is set by a suitable choice of the width D of the ring-shaped measuring surface so that, despite the field increase at the contact elements 5 and 7, no partial discharge in the gas path determined by the smallest distance d between the shields 4 and 6 can occur. This limit field strength is determined by the following relationship
E gr = U / D = E cr × d / D , where
U the test voltage and
E cr mean the critical electric field strength between shields 4 and 6 .

Bei vorgegebener geometrischer und elektrischer Bemessung der Prüfvorrichtng nach der Erfindung, d.h. bei Vorgabe von Aus­ senradius R des Kontaktelements 5, Breite D der Meßfläche, Durchmesser und minimalem Abstand d der Abschirmungen 4 und 6, Höhe h der Kontaktelemente 5 und 7, Prüfspannung U, Grenz­ feldstärke Egr und kritischer Feldstärke Ecr zwischen den Ab­ schirmungen 4 und 6 muß der Grenzwinkel α einen Wert aufwei­ sen, der durch die folgende Beziehung bestimmt ist:
tg α < U/(D×E cr)=d/D.Given a given geometric and electrical dimensioning of the test device according to the invention, that is to say given the sen radius R of the contact element 5 , width D of the measuring surface, diameter and minimum distance d of the shields 4 and 6 , height h of the contact elements 5 and 7 , test voltage U , Limit field strength Egr and critical field strength Ecr between shields 4 and 6 , the limit angle α must have a value which is determined by the following relationship:
tg α < U / (D × E cr ) = d / D.

Dann ist sichergestellt, daß die Prüfvorrichtung nach der Erfindung auch bei kleinen Oberflächenwiderständen des Isola­ tors 1 ohne Gasentladungen arbeitet. Der Grenzwinkel α ist hierbei gemäß Fig. 2 bestimmt durch eine in einer senkrecht auf der Meßfläche stehenden Ebene verlaufende und an die Ab­ schirmung 4 gelegte Tangente, welche durch eine den Abstand der beiden Kontaktelemente 5 und 7 bzw. die Breite D der Meßfläche bestimmende Kontaktstelle geführt ist.Then it is ensured that the test device according to the invention works even with small surface resistances of the isolator 1 without gas discharges. Α is the critical angle is in this case of FIG. 2 determined by an axis extending in a direction perpendicular to the measured surface level and in the Ab shielding 4 Laid tangent passing through a the distance of the two contact elements 5 and 7, and the width D of the measurement surface defining contact point is led.

Wie in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist, kann die Elektrode 3 statt ringförmig geschlossen auch segmentiert aufgebaut sein. Sie weist dann azimutal auf einem Ring verteilte und gegeneinander elektrisch isolierte Kontaktelemente 20, 21, 22 und Abschirmungsteile 23, 24 und 25 auf. Hierdurch wird eine winkelaufgelöste Messung des Oberflächenwiderstandes in der nunmehr segmentierten ringförmigen Meßfläche ermöglicht.As shown in dashed lines in FIG. 2, the electrode 3 can also be constructed segmented instead of closed in a ring. It then has azimuthally distributed on a ring and electrically insulated from each other contact elements 20 , 21 , 22 and shielding parts 23 , 24 and 25 . This enables an angle-resolved measurement of the surface resistance in the now segmented annular measuring surface.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Messen des Oberflächenwiderstandes eines spannungsbelasteten Isolators (1) mit zwei im wesentli­ chen koaxial zueinander angeordneten, die Isolatorober­ fläche unter Bildung einer Meßfläche kontaktierenden und mit Prüfspannung beaufschlagenden Elektroden (2, 3) da­ durch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) jeweils eine ihre Kontaktstellen beim Prüfen mit Wechselspannung vom wirksamen elektrischen Feld entlastende Abschirmung (4, 6) aufweisen und jeweils im Bereich der Kontaktstellen deformierbar ausgebildet sind.1. Apparatus for measuring the surface resistance of a voltage-loaded insulator ( 1 ) with two coaxially arranged in wesentli chen, the insulator surface forming a measuring surface and contacting with test voltage electrodes ( 2 , 3 ) since characterized in that the electrodes ( 2 , 3 ) each have a shield ( 4 , 6 ) which relieves their contact points when testing with AC voltage from the effective electrical field and are each designed to be deformable in the region of the contact points. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Elektroden (2, 3) jeweils mindestens ein in die zuge­ ordnete Abschirmung (4, 6) eingesetztes Kontaktelement (5, 7) aus einem elektrisch leitenden, elastomeren Mate­ rial aufweisen.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the electrodes ( 2 , 3 ) each have at least one in the associated shield ( 4 , 6 ) inserted contact element ( 5 , 7 ) made of an electrically conductive, elastomeric material. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Elektroden (z.B. 3) azimutal auf einem Ring verteilte Segmente als Kontaktelemente (20, 21, 22) aufweist.3. Device according to claim 2, characterized in that at least one of the two electrodes (eg 3) has segments distributed azimuthally on a ring as contact elements ( 20 , 21 , 22 ). 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abschirmungen beider Elektroden (2, 3) gegensinnig geneigt sind und jeweils eine mit zunehmendem Abstand von der Meßfläche zunehmende Neigung aufweisen mit einem Grenzwinkel (α) dessen Tangens größer ist als das Verhältnis des minimalen Abstandes (d) beider Ab­ schirmungen (4, 6) zum minimalen Abstand (D) beider Kon­ taktelemente (5, 7), wobei der Grenzwinkel (a) bestimmt ist durch eine in einer senkrecht auf der Meßfläche ste­ henden Ebene verlaufende und an eine beider Abschirmungen (4,6) geführte Tangente, welche durch eine den minimalen Abstand (D) der beiden Kontaktelemente (2, 3) bestimmende Kontaktstelle gelegt ist. 4. Device according to one of claims 2-3, characterized in that the shields of both electrodes ( 2 , 3 ) are inclined in opposite directions and each have an increasing inclination with increasing distance from the measuring surface with a critical angle ( α ) whose tangent is larger than the ratio of the minimum distance ( d ) from both shields ( 4 , 6 ) to the minimum distance ( D ) of the two contact elements ( 5 , 7 ), the critical angle ( a ) being determined by one standing vertically on the measuring surface A plane tangent to one of the two shields ( 4,6 ), which is placed through a contact point that determines the minimum distance ( D ) of the two contact elements ( 2 , 3 ). 5. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet daß die beiden Elektroden (2, 3) an einem in ei­ ner Metallhülse (11) abgestützten Isolierkörper (8) ge­ halten sind mittels Ansätzen (9, 10), deren Oberflächen im wesentlichen senkrecht an die Oberflächen der Abschirmun­ gen (4, 6) der gehaltenen Elektroden (2, 3) geführt sind.5. Device according to one of claims 1-4, characterized in that the two electrodes ( 2 , 3 ) on a in egg ner metal sleeve ( 11 ) supported insulating body ( 8 ) ge hold by means of approaches ( 9 , 10 ) whose surfaces substantially perpendicular to the surfaces of the Abschirmun gene ( 4 , 6 ) of the electrodes ( 2 , 3 ) held out. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (6) Öffnungen (19) zur Zufuhr eines Isoliergases aus der Metallhülse (11) in einen von den Elektroden (2, 3) und der Meßfläche begrenzten Raum auf­ weist.6. The device according to claim 5, characterized in that the insulating body ( 6 ) has openings ( 19 ) for supplying an insulating gas from the metal sleeve ( 11 ) into a space limited by the electrodes ( 2 , 3 ) and the measuring surface. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (8) auf der von den Elektroden (2, 3) abgewandten Seite eine mit Prüfwech­ selspannung beaufschlagte Abschirmelektrode (14) trägt.7. Device according to one of claims 5 or 6, characterized in that the insulating body ( 8 ) on the side facing away from the electrodes ( 2 , 3 ) carries a shielding electrode ( 14 ) acted upon by test voltage.
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