DE4012445C2 - Verfahren zur Teilentladungsmessung und/oder -fehlerortung in Hochspannungsisolierungen unter Vor-Ort-Bedingungen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Teilentladungsmessung und/oder -fehlerortung in Hochspannungsisolierungen unter Vor-Ort-Bedingungen an elektrotechnischen Anlagen und Hochspannungskabeln und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Die Messung von TE als wichtigste zerstörungsfreie Prüfmethode dient dazu, Fehlerstellen in der Isolation frühzeitig zu erkennen. Das gewinnt insbesondere bei elektrotechnischen Anlagen und Hochspannungskabeln an Bedeutung, welche sich schon längere Zeit in Betrieb befinden. Durch gezielte TE-Messungen unter Vor-Ort-Bedingungen kann die TE-Intensitätsentwicklung von Isolationen verfolgt und gefährliche Situationen erkannt werden. Das ermöglicht eine Auswechslung beschädigter elektrotechnischer Anlagenteile und bei Feststellung des TE- Fehlerortes an Hochspannungskabeln die prophylaktische Auswechslung hochgradig durchschlaggefährdeter Kabelabschnitte zu einem für den Betreiber günstigen Zeitpunkt.

TE-Messung findet als Prüfmethode vor allem in der Endprüfung von plastisolierten Hochspannungskabeln und elektrotechnischen Anlagen seine Anwendung. Die dabei erzielten Ergebnisse ermöglichen die Betriebszuverlässigkeit und das Langzeitverhalten konkret einzuschätzen. Des weiteren ist es von außerordentlicher Wichtigkeit, mit Hilfe der TE-Meßtechnik den Alterungszustand der Hochspannungsisolierungen von elektrotechnischen Anlagen und plastisolierten Hochspannungskabeln zu beurteilen, welche sich bereits über einen längeren Zeitraum im Betrieb befinden. Damit ergibt sich die Möglichkeit, Schädigungen an Hochspannungsisolierungen zu erkennen, Reparaturen zu planen und gezielt durchzuführen. Eine Prüfung mit Wechselspannung ist besonders dann problematisch, wenn der Prüfling eine große Eigenkapazität besitzt, wie es z. B. bei plastisolierten Hochspannungskabeln der Fall ist, weil eine sehr hohe Ladeleistung aufgebracht werden muß, was sehr leistungsstarke und schwere Prüfanlagen erfordert. Die klassische Art der Vor-Ort-Prüfung von plastisolierten Hochspannungskabeln besteht in der Prüfung mit erhöhter Gleichspannung.

In "Elektrizitätswirtschaft" Jahrgang 84. Juni 1985, Heft 13 wird besonders darauf Bezug genommen, daß die dabei auftretenden Raumladungseffekte zum einen zwar zum Zünden einiger, jedoch nicht aller TE und damit zur Falschinformation führen. Zum anderen entstehen z. B. bei Kabeldurchschlägen Wanderwellen, welche im Zusammenwirken mit den akkumulierten Raumladungen maximal die doppelte Amplitude der ursprünglichen Prüfgleichspannung besitzen und somit Ausgangspunkt für weitere Vorschädigungen des Isolationsmaterials sind.

Die im Beitrag H3-01 der "Wissenschaftlichen Konferenz der Sektion Elektrotechnik der TU Dresden", 1987 vorgestellte Möglichkeit der Prüfung elektrotechnischer Isoliersysteme basiert auf dem Einsatz infrafrequenter Spannungen. Aus plus 50 kV und minus 50 kV werden mittels mikrorechnergesteuerter Hochspannungsventile Infrafrequenzen zwischen 0,5 Hz und 0,001 Hz hergestellt. Die zur Prüfung von plastisolierten Hochspannungskabeln notwendige Ladeleistungen sind entsprechend gering. Diesem scheinbaren Vorteil stehen aber entgegen, daß es trotz Umpolvorgängen ebenfalls zu Raumladungakkumulationseffekten und damit beim Kabeldurchschlag zu oben genannten Wechselwirkungen mit Bildung von Wanderwellen kommt und es keinen wissenschaftlich begründeten Zusammenhang zwischen den bei Einsatz infrafrequenter Prüfspannung gemessenen TE-Kennwerten und denen bei 50 Hz Prüfspannung gemessenen gibt.

Die in der "Elektrizitätswirtschaft", Jg. 87 (1988), Heft 4 vorgestellte Methode zur Messung und Ortung von TE in verlegten Mittelspannungskabeln verwendet 50 Hz Betriebsspannung. Es wird zwischen Mittelspannungskabel und Speiseanschluß eine Sperrimpedanz zur Unterdrückung von aus dem Speisenetz einlaufenden Störungen geschaltet. Die Auskopplung der TE-Signale erfolgt über ein steckbares TE-freies Mittelspannungskabel mit angeschlossenen Koppelkondensator. Die Auswertung der TE-Signale erfolgt rechnergestützt. Da hierbei die maximale Prüflingskapazität 100 nF beträgt, was etwa der Kabellänge von 150 m bis 300 m (je nach Kabeltyp) entspricht, ist es für den Einsatz für Vor-Ort- Bedingungen mit Kabellängen weit über 1000 m nicht geeignet. Eine weitere Möglichkeit besteht im Einsatz von externen 50 Hz Prüfspannungsquellen. Jedoch haben derartige TE-freie Hochspannungstransformatoren den Nachteil eines großen Volumens und hohen Gewichts, was zu bedeutenden Transportproblemen führt.

Invers betriebene Spannungswandler werden, wie in DE 28 56 354 A1 vorgestellt, als Prüfspannungserzeuger bei gasisolierten Schaltanlagen eingesetzt. Damit bleibt die TE-Messung auf bestimmte Anlagenteile eingeschränkt und setzt einen fest eingebauten Auskoppelkondensator voraus. Das in DE 27 21 353 A1 vorgestellte Verfahren basiert auf den Einsatz von 50 Hz Wechselspannung als Prüfspannung und dient zur Erfassung von inneren TE-Impulsen von elektrischen Isolierungen. Störungen, z. B. äußere Entladungen welche im Bereich des Maximum der Prüfspannung auftreten, werden durch einen speziellen elektronischen Kurzschließer unterdrückt und damit nicht zur Auswertung mit herangezogen. Im Beitrag 21-06 zur "International Conference on Large High Voltage Electric Systems", Paris 8/1988 wird eine einfache Prüfspannungsanlage zur Erzeugung von oszillierender Spannung auf der Grundlage eines über eine Funkenstrecke getriggerten Resonanzschwingkreises erzeugt. Diese oszillierende Prüfspannung soll als Alternativlösung zur Gleichspannungsprüfung von plastisolierten Hochspannungskabeln eingesetzt werden mit dem Ziel, die nachweislich bei Gleichspannungsprüfung entstehenden Vorschädigungen zu vermeiden, aber die gleichen Aussagen zu eventuell bereits vorhandenen Fehlern in Kabeln zu liefern. Eine TE-Messung bei oszillierender Prüfspannung wird nicht durchgeführt. In der DD 2 43 355 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Hochspannungsprüfimpulsen vorgestellt. Diese Prüfimpulse werden durch Stoßentladungen von Kondensatoren erzeugt und betragen ein Mehrfaches des Spitzenwertes der Betriebsspannung. Das Ziel besteht in der Störfestigkeitsprüfung von elektrotechnischen oder elektronischen Geräten und nicht in der TE-Messung.

Im "Taschenbuch Elektrotechnik", Bd. 6, Seite 390-393, 2. Auflage ist eine Anlage zur Erzeugung hoher Schaltspannungen zur Prüfung elektrotechnischer Anlagen dargestellt. Diese dient zum Nachweis entsprechender Isolationskennwerte und dem Langzeitverhalten des Isolierstoffes. Eine TE-Messung wird nicht durchgeführt.

In einem Gastvortrag "Teilentladungsmessung bei Schaltimpulsspannungen an PE-Kabeln" zum 31. Intern. Wiss. Koll. TH Ilmenau, 1986 sowie im Beitrag 1020-02 des CIGRE-Symposiums 05-87 Wien, 1987 wurde durch die TU Dresden eine TE- Meßanordnung mit Schaltimpulsspannung vorgestellt. Dabei wurde insbesondere die Problematik der im Hochspannungsprüfkreis entstehenden internen Störungen betrachtet. Dominierend ist dabei der auf Grund der großen Spannungsänderungsgeschwindigkeit der Prüfspannung vom kapazitiven Strom über den Koppelkondensator am Ausgang der Meßimpedanz hervorgerufene Störimpuls mit einer äquivalenten Ladung von bis zu 50 000 nC.

Mit einem speziellen Leitungsübertrager in der Meßimpedanz (DE 28 06 592 A1) sowie einer sehr breitbandigen TE-Signalverarbeitung gelang es, die hinsichtlich ihrer Form sehr unterschiedlichen TE- und Störimpulse wirksam zu trennen, wobei eine fiktive Verbesserung des Nutz-Störsignals-Verhältnisses um einen Faktor von über 10.000 erreicht wurde. Dieser spezielle Leitungsübertrager hat jedoch den für die TE-Fehlerortung entscheidenden Nachteil, daß seine untere Grenzfrequenz auf Grund seines Aufbaues stark heraufgesetzt ist und damit nur TE-Impulse nahe ihrer Entstehungsquelle, d. h. ungedämpft, übertragen werden können. TE-Impulse bzw. dessen Reflexionen, welche zum Ausmessen des Fehlerortes bei Hochspannungskabeln mittels Laufzeitverfahren notwendig sind, sind nach Durchlaufen eines gewöhnlich mehrere hundert Meter langen Hochspannungskabels in ihrem zeitlichen Verlauf so abgeflacht, das sie nicht mehr ausgekoppelt werden. Das zur Bewertung der TE-Signale verfügbare kommerzielle TE- Meßgerät ist jedoch von der Betriebsart und seinen technischen Parametern nur bedingt für TE-Messungen mit Schaltimpuls geeignet. Der dem Eingangsverstärker des TE-Meßgerätes zusätzlich vorgeschaltete elektronische Schalter diente dazu, langandauernde Übersteuerungen, die durch dynamische Ausgleichsvorgänge beim Durchschlag der Zündfunkenstrecke ausgelöst wurden, zu beseitigen.

Zur Befreiung der TE-Signale von HF-Störungen durch örtliche HF-Sender ist eine Lösung gemäß DD 2 53 333 A1 bekannt. Die offenbarte TE-Meßanordnung mit Unterdrückung überlagerter HF-Störspannung sichert bei TE-Fehlstellenortung an Kabeln ein sauberes Abtrennen der den elektrischen TE-Impulse überlagerten HF-Störspannung, ohne daß dabei die Polaritätsinformation der elektrischen TE-Impulse verloren geht. Mittels eines in der Zeit variierbaren, z. B. aus einer periodischen Grundwelle einer Prüfwechselspannung oder eines einmaligen Vorganges (Impulsspannung) gewonnenen Steuerimpulses kann die Signalübertragung in einem Zeitfenster erfolgen. Dadurch wird es ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand möglich, z. B. die bei 50 Hz Prüfwechselspannung an einem plastisolierten Hochspannungskabel entstehenden TE-Impulse in Gruppen getrennt und polaritätsgetreu zu erfassen und zu bewerten. Die Lösung besteht im wesentlichen aus einer Gegentakttransistorschaltung mit Dioden und einem steuerbaren Widerstand zwischen den beiden Basen zur Erzeugung eines Ruhestromes. An die Steuerelektrode des steuerbaren Widerstandes ist über einen Trennkondensator und einer Gleichrichterschaltung mit optimalen Zeitverhalten und Grundpegeleinstellung der Ausgang eines das Nutz-Störsignalgemisch verstärkenden Steuerverstärker und über eine Entkopplungsdiode der Steuerimpuls so gelegt, daß bei aktiven Steuersignal nur die elektrischen TE-Impulse über die Gegentakttransistoren übertragen werden. Anordnungen zur Messung von TE sind in der IEC 270 (1981) und abgeleitet davon in der TGL 20 625 festgelegt und bekanntgemacht. Zum einen werden direkt mittels eines Koppelkondensators und einer Meßimpedanz parallel zum Prüfling und zum anderen die Meßimpedanz in Reihe mit den Prüfling, jedoch beides parallel zum Koppelkondensator, TE ausgekoppelt. Erstere Variante ist dabei die gebräuchlichste, da beim Durchschlag des Prüflings keine Gefahr für die an die Meßimpedanz angeschlossenen Meßgeräte besteht. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, daß zwischen der Reihenschaltung von Prüfling und Meßimpedanz, sowie Koppelkondensator und Meßimpedanz, in Form einer Brückenschaltung die entsprechenden Meßgeräte eingebaut sind. Damit lassen sich Störsignale, welche aus dem Prüfkreis herrühren, wirkungsvoll unterdrücken.

Die hierbei verwendeten Meßimpedanzen bestehen im wesentlichen aus einer Filterschaltung, deren Frequenzgang so gewählt ist, daß die Frequenz der Prüfspannung von den Meßgeräten ferngehalten wird, die TE-Signale jedoch ausgekoppelt werden können.

Die Kalibrierung der Meßgeräte im vollständigen Prüfkreis mit angeschlossenen Prüfling erfolgt mit dem Ziel den Maßstabsfaktor und die kleinste meßbare Entladungsstärke, welche im wesentlichen durch den Grundstörpegel und den Kennwerten des Meßkreises, wie z. B. das Eigenrauschen des Meßgerätes begrenzt ist, zu ermitteln (DD 1 50 802). Die Kalibrierung von Meßgeräten im vollständigen Prüfkreis erfolgt dadurch, daß kurze Stromimpulse in die Klemmen des Prüflings geleitet werden. Diese Impulse werden erzeugt, indem ein Rechteckimpuls einer bestimmten Spannungsamplitude auf einen Kalibrierkondensator gegeben wird. Dieser Kalibrierkondensator sollte nicht größer als etwa 0,1mal der Summe von Koppelkapazität und Prüflingskapazität sein, um nach Anlegen der Prüfspannung und entfernen des Kalibrierkondensators die Gültigkeit der Kalibrierung zu erhalten.

Eine zweite Möglichkeit der Auskopplung und Verarbeitung von TE wird in DE 34 08 256 C2 offenbart. Es wird eine TE-Sonde zur Erfassung des beim Zünden von TE entstehenden elektromagnetischen Strahlungsfeldes mit Frequenzanteilen weit über 100 MHz mittels einer Breitbandantenne vorgestellt. Es ist Ziel, die Erfassung von TE an elektrotechnischen Betriebsmitteln zu ermöglichen, ohne diese Anlagen freischalten zu müssen. Sie dient vor allem zu prophylaktischen Untersuchungen unter Vor-Ort-Bedingungen zur Erkennung von Vorschädigungen, also elektrisch gefährlicher Situationen. Die Sonde besteht im wesentlichen aus einem über ein Netzwerk verbundenes Dreielektrodensystem, bei dem an der dem Prüfling zugewandten Seite zwischen einer Meßelektrode und einer umfassenden gehäuseartig ausgestalteten, mit einem Fenster versehenen Bezugselektrode eine rahmenförmige Kompensationselektrode angeordnet ist. Innerhalb der Bezugselektrode sind dabei zwei Differenzverstärker integriert, deren Anstiegszeit im Vergleich zur Dauer der TE-Signale sehr klein ist und im ns-Zeitbereich liegt. Durch die Anordnung der Elektroden ergibt sich eine Richtcharakteristik und durch ihre Zusammenschaltung eine erhöhte Störsignalreduzierung von Fernfeldern.

Es ist Ziel der Erfindung, ein einfach realisierbares Verfahren und eine Einrichtung zur Messung von Teilentladungen (TE) in Hochspannungsisolierung und bildlichen Darstellung der TE-Signale zu schaffen, welches im Gegensatz zu bestehenden TE-Meßverfahren sowohl im Prüflabor, als auch unter Vor-Ort-Bedingungen einsetzbar ist, weil kein leistungsstarker TE-freier Hochspannungserzeuger benötigt wird und das Verfahren mit einer modulartigen Einrichtung realisiert werden kann, die problemlos demontierbar und transportierbar ist.

Ausgehend von der vorstehenden Zielstellung besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren und eine Anordnung zur Teilentladungsmessung und -fehlerortung in Hochspannungsisolierungen vorzuschlagen, das die Verfahrensschritte: Kondensatoraufladung, Zündung, Auskopplung, Bearbeitung und bildliche Darstellung eines Übersichtbildes der TE-Signale in Korrelation zur anregenden Impulsspannung, als auch eines Laufzeitdiagramms von TE-Signalen bei langgestreckten Hochspannungsisolierungen zwecks Fehlerortung realisiert, wobei vergleichbare TE-Signale, wie sie bei normalen Betriebsverhältnissen mit 50 Hz Wechselspannung zu erwarten sind, gezündet werden, jedoch die Nachteile einer Wechselspannungsprüfung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des PA 6 gelöst.

Nähere Ausgestaltungen des Verfahrens entsprechen den kennzeichnenden Merkmalen des weiteren Ansprüche.

Die Anordnung enthält eine Nachladesperre, welche aus einem mechanischen Schalter oder aus einem elektrisch oder optisch gesteuerten Thyristor besteht. Diese dient zum Schalten der Versorgungsspannung an den an sich bekannten Hochspannungstransformator mit umschaltbaren Gleichrichtern, wobei die Umschaltung durch Drehen beweglich gelagerter Gleichrichter, durch Umschalten fest montierter Gleichrichter, durch Zünden selbst- oder fremdgelöschter Thyristoren, als auch durch Steuerung entsprechender Hochspannungsvakuumventile erfolgen kann. Anstelle der primärseitigen Nachladesperre ist es auch möglich den Hochspannungspolaritätsumschalter mit einer Trennstellung zu versehen.

Über einen nachfolgenden Ladewiderstand ist ein Gleichspannungsteiler zum Messen der Ladespannung des dem Gleichspannungsteilers parallelgeschalteten Stoßkondensators angeordnet. Die Nachladesperre gestattet beim Entladen des Stoßkondensators mittels eines bekannten Entladeschalters über eine an sich bekannte Dämpfungs- und Entladeimpedanz auf den zu untersuchenden Prüfling, den Hochspannungstransformator vom Netz oder vom Stoßkondensator abzuschalten, so daß weder im Hochspannungstransformator entstehende elektrische Entladungen noch aus dem speisenden Netz herrührende Störungen im TE-Verarbeitungsblock fälschlich wie TE-Signale verarbeitet und angezeigt werden. Der Entladeschalter kann durch eine extern getriggerte Funkenstrecke oder durch einen mechanisch betätigten Hochspannungsschalter realisiert werden. Auch solche Störungen, welche durch das schnelle Nachladen der Stoßkapazität beim Einsatz einer Funkenstrecke infolge des Nachzündens der Funkenstrecke nach Entladung der Stoßkapazität über einen vorzugsweise kapazitiven Spannungsindikator mit integrierter Meßimpedanz, welcher gleichzeitig als Belastungskapazität und als Koppelkondensator fungiert, ausgekoppelt werden, bleiben wirkungslos.

Eine der Stoßkapazität parallelgeschaltete an sich bekannte Restentladeeinrichtung entlädt die Stoßkapazität vollständig, wenn als Schalter zum Entladen der Stoßkapazität eine Funkenstrecke verwendet wird und dementsprechend nach Unterschreitung der Aussetzspannung der gezündeten Entladung eine Restladung in der Stoßkapazität verbleiben würde. So wird verhindert, daß bei Umpolung des Hochspannungsgleichrichters die Stoßkapazität über den Hochspannungstransformator entladen wird bzw. bei Abschaltung der Einrichtung eine Restladung im Stoßkondensator verbleibt. Bei Einsatz eines mechanischen Hochspannungsschalters entfällt die Restentladeeinrichtung, da die Entladung der Stoßkapazität über die Entladeimpedanz, welche für die Festlegung der Rückenhalbwertzeit des Impulses verantwortlich ist, vollständig erfolgt. Dämpfungs- und Entladeimpedanz sind so zu dimensionieren, daß beim Entladen der Stoßkapazität über den Entladeschalter Scheitelzeiten des Impulses von 1 ms-10 ms und Rückenhalbwertzeiten vom 5-20fachen der Scheitelzeit erreicht werden.

Abweichend von der international standardisierten Form (250/2500) einer Schaltspannung sind die Werte so gewählt, daß die erzielten Meßergebnisse über die TE-Intensität in einem entsprechenden Prüfling vergleichbar mit denen bei 50 Hz Prüfwechselspannung sind. Nachladesperre, Polaritätsumschalter, Restentladeeinrichtung und Entladeschalter sind in Verbindung mit den Werten des Ladezustandes des Stoßkondensators und des Wertes der Scheitelspannung, sowie deren zeitlichen Verlaufs vorzugsweise mit einem Mikrorechner zu steuern.

Die zeitlichen Abläufe sind entsprechend der gewählten Betriebsart zu steuern:

Wechselnde Polarität des Impulses

Die Nachladesperre wird durchgeschaltet und die Stoßkapazität lädt sich über die Gleichrichter auf einen durch den Steuerblock vorgegebenen Wert auf. Danach öffnet die Nachladesperre und der Entladeschalter wird geschlossen. Nach dem Abklingen der Schaltspannung auf den Wert Null und dem Öffnen des Entladeschalters bzw. nach Unterschreitung der Aussetzspannung der gezündeten Entladung der als Entladeschalter eingesetzten getriggerten Funkenstrecke wird getestet, ob sich noch eine Restladung in der Stoßkapazität befindet. Ist dies der Fall, schaltet der Schalter der Restentladeeinrichtung ein und entlädt die Stoßkapazität vollständig. Danach öffnet sich der Schalter der Restentladeeinrichtung wieder und der Polaritätsschalter schaltet in die andere Polarität um und die Nachladesperre schaltet wieder ein, womit der Zyklus von vorn beginnt.

Festeingestellte Polarität des Impulses

Es erfolgt die Vielzahl der gewünschten Polarität mit dem Polaritätsschalter für die Ladespannung. Nach dem Schließen der Nachladesperre erfolgt die Aufladung der Stoßkapazität bis zu einem eingestellten Wert. Ist dieser Wert erreicht, öffnet die Nachladesperre und der Entladeschalter schließt. Nach Öffnen des Entladeschalters bzw. nach Unterschreitung der Aussetzspannung der gezündeten Entladung der getriggerten Funkenstrecke beginnt mit dem Schließen der Nachladesperre der Zyklus von vorn. Beim Abschalten der Einrichtung wird die Stoßkapazität automatisch geerdet.

Dämpfungs- und Entladeimpedanz, vorzugsweise jedoch die Entladeimpedanz können ohmisch (zur Bildung nicht durchschwingender Impulse), induktiv oder gemischt zur Erzielung oszillierender Impulse mit frei wählbarer Schwingfrequenz ausgeführt sein. Dadurch besteht weiterhin der Vorteil, daß hochfrequente Störimpuls aus der Spannungsaufbereitung die induktiv oder gemischt ausgeführte Dämpfungsimpedanz nicht passieren können, d. h. eine Hf-mäßige Entkopplung von der Spannungsaufbereitung erfolgt.

Ein der Prüflingskapazität parallel geschalteter, kapazitiver Spannungsindikator wirkt gleichzeitig als Auskoppeleinheit für eine integrierte Meßimpedanz aber auch als Belastungskapazität und gestattet sowohl den entsprechenden zeitlich proportionalen Signalverlauf des erzeugten Impulses als auch die vorzugsweise über der Meßimpedanz ausgekoppelten TE-Signale Hf-mäßig an den Meßeingang des TE-Verarbeitungsblockes weiterzuleiten.

Die Proportionalspannung wird im TE-Verarbeitungsblock mittels einer Zweiweggleichrichtung gleichgerichtet. Zu einem Zeitpunkt erreicht diese Spannung eine Schwelle und ein dem Zweiweggleichrichter nachgeschalteter Komparator bildet einen Impuls, dessen Zeitdauer davon abhängt, wann die abklingende Proportionalspannung die Schwelle wieder unterschreitet. Dieser so gebildete Impuls wird mit seiner Vorderflanke einmal als Triggerimpuls zur Darstellung des Übersichtsbildes in einem als Auswertegerät fungierenden Digitaloszillograf oder ähnliches genutzt und zum anderen wird mittels logischer Bausteine in den nachfolgenden Verarbeitungsstufen ein Meßfenster gebildet, wobei die Meßfensterdauer, als auch die zeitliche Verschiebung des Meßfensters vom Startzeitpunkt aus verändert werden können. Dieser, das Meßfenster bildende Steuerimpuls, steuert einen elektronischen Schalter auf, welcher aus einem Dioden- oder FET-Schalter bestehen kann. Dieser läßt die für die Zeitdauer anliegenden TE-Signale einmal zu einem nachfolgenden Breitbandverstärker, dessen Ausgang aus dem TE-Verarbeitungsblock herausgeführt wird und zum anderen auf eine Verarbeitungsstufe zur Befreiung der TE-Signale von überlagerten HF-Störspannungen durch. Auf einen Steuereingang dieser Stufe wird ebenfalls das Steuersignal des Meßfensters gelegt, was zu einer Verbesserung der Störunterdrückung im Zusammenhang mit den am Eingang befindlichen elektronischen Schalter führt. Die von periodischen HF-Störsignalen befreiten TE-Signale werden von an den sich aus der klassischen TE-Meßtechnik bekannten Verarbeitungsstufen Verstärker, HF-Gleichrichter, Integrator und Spritzenwertgleichrichter bewertet, umgeformt und angezeigt. Durch Überlagerung umgeformter TE-Impulse, Steuersignal des Meßfensters und originalen zeitlichen Verlauf des Entladeimpulses wird ein Übersichtsbild zur optischen Auswertung auf einen dem TE- Verarbeitungsblock angeschlossenen Digitaloszillografen oder ähnliches gebildet.

In einer Gleichrichterstufe werden die TE-Signale mit negativer Polarität in Signale positiver Polarität umgewandelt und in einer nachfolgenden Komparatorstufe Triggerimpulse für den Oszillografen daraus gebildet. Das Gleiche geschieht allerdings auch mit Störsignalen, welche herrührend vom Steuerimpuls des Meßfensters über die bestehenden Schaltkapazitäten des elektronischen Schalters dem TE-Signal überlagert werden. Durch die logische Verknüpfung eines um mehrere zehn Micro-Sekunden verschobenen Steuerimpulses gegenüber den Triggerimpulsen wird erreicht, daß der 1. Triggerimpuls, welcher aus der übergekoppelten Schaltflanke des Steuerimpulses entstehen kann, unterdrückt wird und nur der nächste aus einem echten TE-Signal herrührenden Triggerimpuls am Ausgang der Triggerleitung anliegt. Aus Triggersignal und TE- Breitbandsignal kann bei Anschluß eines schnellen Digitaloszillografen der originale TE-Signalverlauf dargestellt und vorzugsweise bei TE-Messung an plastisolierten Hochspannungskabeln die Zeitdifferenz zwischen Beginn des originalen TE-Signales und dessen Reflexion von dem der Einrichtung fernen Kabelende gemessen und damit auf den TE-Entstehungsort geschlossen werden.

Die Kalibrierung der gesamten Anordnung ohne Entladeimpuls mittels eines an dem Prüfling angeschlossenen Kalibriergenerators wird dadurch ermöglicht, daß vorzugsweise per Tastendruck ein Testmeßfensterimpuls, welcher etwa die Dauer des Impulses hat, erzeugt und direkt auf den dem Zweiweggleichrichter nachgeschalteten Komparator gegeben wird. Das somit zur Kalibrierung erzeugte Meßfenster öffnet den elektronischen Schalter, wobei dieser über den Prüfling eingespeiste und durch den Koppelkondensator und Meßimpedanz ausgekoppelte Kalibriersignale zur weiteren Verarbeitung und Darstellung durchläßt. Damit kann sowohl das Anzeigeteil, als auch der an den TE-Verarbeitungsblock angeschlossene Digitaloszillograf auf einen genauen, vom Kalibriergenerator vorgegebenen Ladungswert geeicht werden.

Mittels der eingespeisten Kalibrierimpulse ist es bei langen Prüflingen, wie sie Hochspannungskabel darstellen, möglich ein Testreflektogramm mittels Digitaloszillografen aufzunehmen. Dies gibt Auskunft über die Länge des Hochspannungskabels, den Aufbau (eingefügte Muffen) und die Dämpfungseigenschaften.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung mit Steuer- und TE-Verarbeitungsblock als Blockschaltbild,

Fig. 2A das Zeitdiagramm für den Steuerblock der Einrichtung bei programmierten Polaritätswechsel,

Fig. 2B das Zeitdiagramm für den Steuerblock der Einrichtung bei festeingestellter Polarität,

Fig. 3 das Blockschaltbild des TE-Verarbeitungsblockes,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Bildung geformter TE-Signale und des Übersichtsbildes,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Bildung der TE-Triggerimpulse und die Darstellung des originalen TE-Signalverlaufes.

Eine erste Variante der Nachladesperre 1 (Fig. 1), besteht aus einem herkömmlichen Schalter oder einen elektrisch oder optisch gesteuerten Leistungsthyristor, welche dem Hochspannungstrafo 2 mit einer Gleichrichterschaltung 3 und einem Polaritätsumschalter 4 vorangeschaltet ist. Eine zweite Variante der Nachladesperre sieht vor, daß der Polaritätsumschalter 4 mit einer Trennschaltstellung die Verbindung zwischen Hochspannungsgleichrichter 3 und Stoßkapazität 7 zu unterbrechen gestattet. Sie verhindert durch die Abtrennung des Hochspannungstransformators 2 von der an den Eingangsklemmen anliegenden Netzspannung U_E oder der Trennung der Gleichrichter 3 vom Stoßkondensator 7, daß weder beim Entladen der Stoßkapazität 7 (C_S) über den Entladeschalter 10, der ohmischen Entladeimpedanz 11 (R_E) und ohmischen Dämpfungsimpedanz 12 (R_D) auf die Prüflingskapazität 15 (C_p) aus dem speisenden Netz herrührende Störungen, noch die durch das Nachladen der Stoßkapazität 7 über den Ladewiderstand 5, beim Einsatz einer getriggerten Funkenstrecke als Entladeschalter 10, infolge des Nachzündens dieser Funkenstrecke entstehenden Störungen den originalen TE-Signalen überlagert werden und zu falschen Ergebnissen führen. Über eine Meßimpedanz 14, welche in einem kapazitiven Spannungsindikator 13 (C_I) integriert ist, werden die TE-Signale ausgekoppelt und im TE-Verarbeitungsblock 17 weiterverarbeitet. Die Schaltzeit t_S des Impulses berechnet sich nährungsweise aus der Formel

t_S = R_D * (C_p//C_I)

und die Rückenhalbwertzeit

t_R = C_S * R_E.

Die ohmische Entladeimpedanz 11 und Dämpfungsimpedanz 12 sind konstruktiv so ausgeführt, daß sie leicht in Abhängigkeit der Kapazität des Prüflings ausgetauscht werden können, mit der Zielstellung Scheitelzeiten t_s von 1-10 ms und Rückenhalbwertzeiten t_R von

t_R = 5-20 * t_S

zu realisieren. In diesem angegebenen Bereich entspricht die gemessene TE-Intensität etwa der bei 50 Hz Prüfwechselspannung.

Die Steuerung der Einrichtung durch den Steuerblock erfolgt vorzugsweise mit einem Mikrorechner.

Der zeitliche Ablauf der Ausführung der einzelnen Steuersignale ist in Fig. 2A für programmierten Polaritätswechsel dargestellt. Zu einem Startzeitpunkt t₁ (Diagramm 1) erfolgt die Zuschaltung der Eingangsspannung U_E durch die Nachladesperre 1 und die Aufladung der Stoßkapazität 7 beginnt. Erreicht die Ladespannung U₁ (Diagramm 2) den vorgegebenen Spannungswert -U_soll, welcher über den Gleichspannungsteiler 6 gemessen wird, schaltet die Nachladesperre 1 den Hochspannungstransformator 2 zum Abschaltzeitpunkt t₂ wieder ab. Zum Entladezeitpunkt t₃ wird die Stoßkapazität 7 über den Entladeschalter 10 entladen und ist zum Endzeitpunkt t₄ (Diagramm 5 und 6) beendet. Befindet sich noch eine Restladung auf der Stoßkapazität 7, wird durch die Restentladeeinrichtung 8; 9 zum Restentladezeitpunkt t₅ (Diagramm 4) die Stoßkapazität 7 völlig entladen, mit dem Ziel, bei Polaritätswechsel die Stoßkapazität 7 nicht über den Hochspannungstransformator zu entladen bzw. bei Anlagenabschaltung keine Restladung auf der Stoßkapazität zu hinterlassen, was zum Nullzeitpunkt t₆ realisiert ist. Zum Polaritätsschaltzeitpunkt t₇ schaltet der Polaritätsschalter 4 (Diagramm 3) um, und zum Zykluswiederholzeitpunkt t₈ beginnt der Zyklus von neuem. Dabei stellt t_Z die Zykluszeit dar.

Wird mit einem Impuls konstanter Polarität gearbeitet, so gestaltet sich der zeitliche Ablauf wie in Fig. 2B dargestellt. Zu einem Anlagenstartzeitpunkt t₀ wird die entsprechende Polarität der Ladespannung U₁ (Diagramm 3) vorgewählt und zu dem Startzeitpunkt t₁ erfolgt die Zuschaltung der Spannung U_E (Diagramm 2) an den Hochspannungstransformator 2 durch die Nachladesperre 1 (Diagramm 1). Der Verlauf der Ladespannung ist im Diagramm 2 dargestellt. Bei Erreichen einer Spannung U_soll zum Abschaltzeitpunkt t₂ schaltet die Nachladesperre 1 den Hochspannungstransformator 2 von der Spannung U_E ab. Zu einem vorgegebenen Entladezeitpunkt t₃ (Diagramm 5) entlädt der Entladeschalter 10 den Stoßkondensator 7. Die Entladeeinrichtung 8; 9 (Diagramm 4) wird nicht wirksam, da die bei Einsatz einer getriggerten Funkenstrecke als Entladeschalter 10 verbleibende Restladung der Stoßkapazität 7 keine Auswirkung hat, weil im weiteren mit einer Ladespannung gleichbleibender Polarität gearbeitet wird.

Bei Einsatz eines mechanisch betätigten Entladeschalters 10 wird ohnehin jedesmal die Stoßkapazität 7 völlig entladen. Zum Wiederholzeitpunkt t_W beginnt der gesamte Zyklus von neuem.

Die gesamte Einrichtung ist in einzelne Module aufgegliedert, welche mechanisch schnell unter Vor-Ort-Bedingungen montiert und an den entsprechenden Prüfling angeschlossen werden können.

Bevor ein Meßzyklus beginnt, muß sich die Einrichtung selbst auf TE-Freiheit testen. Dabei ist die ohmische Dämpfungsimpedanz 12 so zu bemessen, daß in Verbindung mit der Kapazität des kapazitiven Spannungsindikator 13 Impulse mit den angegebenen Parametern realisiert werden.

Die beim Test von Prüflingen mittels Impulsspannung entstehenden TE-Signale werden im TE-Verarbeitungsblock 17 (Fig. 3), welche eine Kompakteinheit darstellt, wie folgt ausgewertet:

Die Proportionalspannung U₂ wird im TE-Verarbeitungsblock 17 mittels einer Zweiweggleichrichtung 18 gleichgerichtet. Zu einem Zeitpunkt t_b erreicht die Proportionalspannung U₂ eine Schwellspannung U_a und ein dem Zweiweggleichrichter 18 nachgeschalteter Komparator 19 bildet einen Impuls (Fig. 4, Diagramm 1 und 2), dessen Zeitdauer t_k davon abhängt, wann die abklingende Proportionalspannung U₂ die Schwellspannung U_a wieder unterschreitet. Die Forderflanke des so gebildeten Impulses wird im weiteren zum einen als Triggerimpuls TP1 zur Darstellung des Übersichtbildes in einem als Auswertegerät 17a fungierenden Digitaloszillografen oder ähnlichen genutzt und zum anderen wird mittels logischer Bausteine 20 und 21 in den nachfolgenden Verarbeitungsstufen ein Meßfenster (Diagramm 3) gebildet, wobei die Meßfensterdauer t_m, als auch die zeitliche Verschiebung t_v des Meßfensters vom Zeitpunkt t_b aus veränderbar ist. Dieser, das Meßfenster bildende Stuerimpuls, steuert den elektronischen Schalter 22 auf, welcher aus einem Dioden- oder FET-Schalter bestehen kann und läßt von den TE-Signalen (Diagramm 4) die für die Zeitdauer t_m anliegenden TE-Signale (Diagramm 5) einmal zu einem nachfolgenden Breitbandverstärker 30, dessen Ausgang aus dem TE-Verarbeitungsblock herausgeführt wird und zum anderen auf eine Verarbeitungsstufe 23 zur Befreiung der TE-Signale von überlagerten HF-Störspannungen durch. Auf einen Steuereingang E_st der Verarbeitungsstufe 23 wird ebenfalls das Steuersignal des Meßfensters gelegt, was zu einer Verbesserung der Störunterdrückung im Zusammenhang mit den am Eingang befindlichen elektronischen Schalter 22 führt. Die von periodischen HF-Störsignalen befreiten TE-Signale (Diagramm 6) werden entsprechend den an sich aus der klassischen TE-Meßtechnik bekannten Verarbeitungsstufen Verstärker 24, HF-Gleichrichter 25, Integrator 26 und Spitzenwertgleichrichter 27 bewertet, umgeformt und im Anzeigeteil 28 (Diagramm 7) angezeigt. Durch Überlagerung 29 umgeformter TE-Impulse (Diagramm 7), Steuersignal des Meßfensters (Diagramm 3) und originalen zeitlichen Verlauf der Proportionalspannung (Diagramm 1) wird ein Übersichtsbild B (Diagramm 8 und 9) zur optischen Auswertung auf einem dem TE-Verarbeitungsblock angeschlossenen Digitaloszillografen 17a oder ähnlichen gebildet. In einer Gleichrichterstufe 32 werden die TE-Signale mit negativer Polarität in Signale positiver Polarität umgewandelt (Diagramm 5 und 6, Fig. 5) und in einer nachfolgenden Komparatorstufe 33 (Diagramm 7) Triggerimpulse für den Oszillografen 17a daraus gebildet. Verfälschend geschieht das auch mit Störsignalen, welche herrührend vom Steuerimpuls des Meßfensters (Diagramm 3) über die bestehenden Schaltkapazitäten des elektronischen Schalters 22 dem TE-Signal überlagert werden. Durch die logische Verknüpfung 34 eines um eine Entstörzeit t_e verschobenen Steuerimpulses 31 (Diagramm 4) gegenüber den Triggerimpulsen wird erreicht, daß der 1. Triggerimpuls, welcher aus der übergekoppelten Schaltflanke des Steuerimpulses entstehen kann, unterdrückt wird und nur der nächste aus einem echten TE- Signal herrührender Triggerimpulse am Ausgang der Triggerleitung TP2 anliegt (Diagramm 8). Aus Triggersignal TP1 und TE-Breitbandsignal T kann bei Anschluß eines schnellen Digitaloszillografen 17a der originale TE-Signalverlauf dargestellt und vorzugsweise bei TE-Messung an plastisolierten Hochspannungkabeln die Zeitdifferenz zwischen Beginn des originalen TE-Signales t_o und dessen Reflexion t_r von der der Einrichtung fernen Kabelende gemessen und damit auf den TE-Entstehungsort geschlossen werden (Diagramm 9, gedehnter Zeitmaßstab).

Die Kalibrierung der gesamten Anordnung ohne Entladeimpuls mittels eines an dem Prüfling angeschlossenen Kalibriergenerators 15a wird dadurch ermöglicht, daß per Tastendruck ein Testmeßfensterimpuls 18b, welcher etwa die Dauer des Entladeimpulses hat, erzeugt und direkt auf den dem Zweiweggleichrichter 18 nachgeschalteten Komperator 19 gegeben wird. Das somit zur Kalibrierung erzeugte Meßfenster öffnet den elektronischen Schalter 22, wobei dieser über den Prüfling 15 eingespeiste und durch den Koppelkondensator 13 und Meßimpedanz 14 ausgekoppelte Kalibriersignale zur weiteren Verarbeitung und Darstellung durchläßt. Damit kann sowohl das Anzeigeteil 28 als auch der an den TE-Verarbeitungsblock 17 angeschlossene Digitaloszillograf 17a auf einen genauen, vom Kalibriergenerator vorgegebenen, Ladungswert geeicht werden.

Mittels der eingespeisten Kalibrierimpulse ist es bei langen Prüflingen, wie sie Hochspannungskabel darstellen, möglich ein Testreflektogramm mittels Digitaloszillografen aufzunehmen. Dies gibt Auskunft über die Länge des Hochspannungskabels, den Aufbau (eingefügte Muffen) und die Dämpfungseigenschaften.

Claims (6)

1. Verfahren zur Teilentladungsmessung und/oder -fehlerortung in Hochspannungsisolierungen unter Vor-Ort-Bedingungen, vorzugsweise zur Ermittlung des Entstehungsortes von Teilentladungen mittels der Impuls-Echo-Methode in langgestreckten Hochspannungsisolierungen z. B. Hochspannungskabeln mit den Schritten: Kondensatoraufladung, Zündung, Auskopplung, Bearbeitung und bildlichen Darstellung von Teilentladungssignalen sowie Kalibrierung durch Einkopplung von Impulsen definierter Ladung in den Prüfling, wobei die Zündung der Teilentladungen durch die Entladung des Kondensators in den Prüfling mit parallel geschalteter Auskoppeleinheit erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine gesteuerte Nachladesperre (1) der Kondensator (7) nur bis zu einer bestimmten Sollspannung (U_soll) aufgeladen wird und die gesteuerte Entladung des Kondensators über eine dem Prüfling entsprechend dimensionierte Entladeimpedanz (11) und Dämpfungsimpedanz (12) erfolgt, so daß über dem Prüfling eine bestimmte Impulsform entsteht, daß aus einer diesem Impuls proportionalen Spannung (U2) mit Erreichen eines Schwellwertes (U_a) verzögert ein Meßfenstersignal (MF) gebildet wird, das die Bearbeitungs- und Auswertezeit festlegt, während der die Teilentladungsignale (TE) von symmetrischen Störungen befreit werden und zum einen so geformt werden, daß sie mit dem Meßfenstersignal (MF) und der dem Impuls proportionalen Spannung (U2) überlagert, eine oszillografische Darstellung eines Übersichtsbildes gestatten und/oder zum zweiten die Bildung eines weiteren zeitlich verzögerten Triggerimpulses (TP2) zur oszillografischen Darstellung der ungeformten Teilentladungssignale unter Ausblendung von Schaltstörungen erfolgt und daß eine zyklische Wiederholung mit einer Zykluszeit (tz) im Sekundenbereich, dieser Verfahrensschritte beginnend mit der Kondensatoraufladung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeimpedanz (11) und Dämpfungsimpedanz (12) ohmisch sind und so dimensioniert werden, daß der entstehende Entladeimpuls über dem Prüfling eine Scheitelzeit (tS) von 1 ms - 10 ms und eine Rückenhalbwertzeit (tR) von dem 5-20fachen der Scheitelzeit aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Entladeimpedanz (11) und/oder Dämpfungsimpedanz (12) induktiv oder ohmisch-induktiv gemischt so dimensioniert werden, daß der entstehende Entladeimpuls über dem Prüfling einen gedämpften oszillierenden Verlauf aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mit den Zyklen alternierend eine Umkehrung der Polarität des TE- zündenden Impulses erfolgt, wobei jeweils vor der Wiederaufladung des Kondensators (7) eine restlose Entladung (8; 9) vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei einem Kalibrierungsvorgang das Meßfenstersignal (MF) durch einen extern gesteuerten Impuls (18a; 18b) ausgelöst wird.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, bestehend aus einer gesteuerten Speiseschaltung zur Aufladung eines Kondensators und einem gesteuerten Entladeschalter, der den Kondensator über Entlade- und Dämpfungsimpedanz gesteuert in den Prüfling mit parallel dazu geschalteter Auskoppeleinheit entlädt, gekennzeichnet dadurch, daß die Speiseschaltung (2; 3; 4; 5) über eine gesteuerte Nachladesperre (1) mit dem speisenden Netz (UE) verbunden ist, daß der Proportionalspannungsausgang (U2) der Auskoppeleinheit (13; 14) mit dem Eingang eines Meßfenstersignalbildners (18; 19; 20; 21) verbunden ist, dessen Ausgang (MF) einmal mit den Steuereingängen eines elektronischen Schalters (22) und einer Störbefreiungsbaugruppe (23) verbunden ist, die beide im Teilentladungssignalweg (TE) liegen und zum dritten an einen Eingang eines Überlagerers (29), an dessen beiden anderen Eingängen einmal die Proportionalitätsspannung (U2) und zum anderen der Ausgang einer TE-Impulsformerstufe (24; 25; 26), deren Eingang am Ausgang der Störbefreiungsbaugruppe (23) liegt, angeschaltet sind, daß der Ausgang des Überlagerers (29) mit dem Signaleingang (B) eines Digitaloszillografen (17a) verbunden ist, dessen Triggereingang (TP1) am Meßfenstersignalbildner (18; 19) angeschlossen ist und/oder daß der Ausgang des elektronischen Schalters (22) über einen Breitbandverstärker (30) auf den Signaleingang (T) eines weiteren Digitaloszillografen (17a) geschaltet ist, dessen Triggereingang (TP2) am Ausgang einer Koinzidenzstufe (34) liegt, die eingangsseitig über eine Verzögerungsstufe (31) am Meßfenstersignal (MF) und über Gleichrichterstufe (32) und Komparator (33) an den entstörten Teilentladungssignalen angeschaltet ist.