DE4128395A1 - Verlustwinkel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Verlustfaktors, vorzugsweise für die Analyse des Alterungszustandes von Hochspannungsisolierungen.

Die bekannteste Methode zur Beurteilung der Volumeneigenschaften elektrischer Isolierungen ist die Messung des Verlustfaktors. Dieser entspricht dem Tangens des Verlustwinkels und ist demzufolge definiert als das Verhältnis von Wirk- und Blindleistung, wenn das Meßobjekt mit sinusförmiger Prüfspannung UP belastet wird. In der üblichen Ersatzschaltung, bestehend aus der Parallelschaltung von Kapazität CH und Verlustwiderstand RH des Meßobjektes, entspricht der Verlustfaktor auch dem Verhältnis von ohmschen Wirkstrom IR durch den Verlustwiderstand und kapazitivem Blindstrom IC durch den Prüfling.

tan d = PW/PC = UP _* IR/(UP _* IC) = IR/IC (1)
(Mit dem Verlustwinkel d)

Die Ermittlung des Verlustfaktors erfolgt bisher stets auf der Grundlage der klassischen Brückenschaltung nach Schering bzw. daraus abgeleiteter modifizierter Brückenschaltungen. Um die Phasenverschiebung des Wirkstromes IR gegenüber dem Blindstrom IC des Meßobjektes zu ermitteln, wird der Scheinstrom durch den Prüfling, der die geometrische Addition von Blind- und Wirkstrom darstellt, zunächst über einen Niederspannungs- Meßwiderstand RM in eine proportionale Spannung umgewandelt. Außerdem wird eine Referenzspannung aus einem Referenzzweig abgeleitet, und mittels Nullabgleich bei Verwendung eines Nullindikators bezüglich Phase und Betrag mit dem Meßsignal in Übereinstimmung gebracht.

Der Referenzzweig besteht hochspannungsseitig aus einer Normalkapazität CN und niederspannungsseitig aus einer Parallelschaltung von Referenzwiderstand RR und Referenzkapazität CR. Um den Phasen- und Betragsabgleich mit ausreichender Genauigkeit vornehmen zu können, sind Referenzwiderstand RR und Referenzkapazität CR als Zusammenschaltung mehrerer Dekaden ausgeführt. Die dazu erforderliche Vielzahl von Präzisionsbauelementen muß insbesondere auch den Anforderungen einen sehr guten Langzeitstabilität genügen. Hinzu kommen erhebliche Anforderungen an die zahlreichen erforderlichen Umschaltkontakte, die auch bei sehr hoher Schalthäufigkeit eine äußerst zuverlässige Kontaktgruppe ohne inneren Spannungsabfall garantieren müssen. Derartige Referenzbauteile können daher nur im Rahmen einer Spezialfertigung hergestellt werden und sind folglich äußerst teuer.

Ein weiterer Nachteil der klassischen Verlustfaktor-Messung ist außerdem, daß sie nur für exakt sinusförmige Prüfspannungen definiert ist. Bei oberwellenhaltiger Prüfspannung können sich unerkannte Meßfehler einschleichen, die dann zur Fehlinterpretation führen.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß der Verlustfaktor nur für eine ständige anliegende Prüfspannung definiert ist, so daß eine Beurteilung der dielektrischen Eigenschaften des Meßobjekts innerhalb eines Zeitintervalls, das kürzer als die Periodendauer der Wechselspannung ist, durch die klassische Verlustfaktormessung nicht möglich ist. Dadurch scheidet auch die Anwendung dieser Methode bei einmaligen transienten Prüfspannungen, wie z. B. bei Impulsspannungen aus. Entwicklungen der letzten Jahre zeigen jedoch, daß gerade die Analyse dielektrische Eigenschaften bei derartigen Spannungen von besonderem Interesse ist, wie auch aus zahlreichen Arbeiten zur Beurteilung des Alterungsverhaltens verlegter Starkstromkabel mit Kunststoffisolation hervorgeht (VDE-Tagung der Ruhr-Universität Bochum 1991: Prüfspannungen zur Beurteilung von Kabelanlagen in Mittelspannungsnetzen.)

Aufgabe der Erfindung ist es, den Verlustfaktor mit reduziertem Aufwand hinreichend genau zu ermitteln, und zwar auch für Analysen bei oberwellenhaltigen oder einmalig transienten Prüfspannungen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine, vom Prüfling abgesehen, sonst rein kapazitive Brückenschaltung verwendet, das Produkt aus der Differenz ΔU der beiden niederspannungsseitig in der Brückendiagonalen gemessenen Spannung mit der Spannung UR über dem Referenzkondensator CR minimiert, die Restdifferenzspannung ΔU und die Spannung UR über dem Referenzkondensator CR gemessen und hieraus der Verlustfaktor ermittelt wird.

Wie im Ausführungsbeispiel näher gezeigt wird, können nach Einstellung des Minimums durch den üblichen Wechsel der Meßkondensatoren alle für die Ermittlung des Verlustfaktors notwendigen Parameter exakt gemessen werden.

Besonders vorteilhaft ist die Durchführung des Verfahrens mit einer in den Ansprüchen näher genannten und im Ausführungsbeispiel erläuterten Schaltung, bei der die über den Kondensator niederspannungsseitig abfallenden Spannung in ihrem zeitlichen Verlauf direkt bzw. über einen 90°-Phasendreher an den orthogonalen Ablenkungen eines Sichtgerätes anliegen. Das Sichtgerät wird hier quasi zur Multipliziereinheit. Die Minimierung kann unter visueller Kontrolle vorgenommen werden.

Die Darstellung des zeitlichen Verlaufs ermöglicht bei nicht rein sinusförmigen Prüfspannungen eine wesentlich weitgehende qualitative Analyse des Alterungszustandes elektrischer Isolierungen als mit den bisherigen klassischen Schering-Brücken.

Die Anforderung an die Genauigkeit und Zahl der Impedanzen sind dabei geringer als bisher.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung

Fig. 2 charakteristische Signalverläufe auf dem Bildschirm des Sichtgerätes.

Im Meßzweig der Brückenschaltung liegen in Reihe das Meßobjekt MO und wahlweise mit dem Stufenschalter SS zuschaltbare Meßkapazitäten CM in der Abstufung:  1  2  5  10  20  50  100  200  500  nF. Als Meßobjekt wird die Stabisolierung eines Hochspannungsmotors angenommen. Das Meßobjekt ist durch sein Ersatzschaltbild, d. h., der Parallelschaltung seiner Kapazität CH und seines Verlustwiderstandes RH, dargestellt. Im Referenzzweig liegen ein verlustfreier Normalkondensator CN = 0,1 nF und eine Referenzkapazität CR = 100 nF in Reihe. Sie teilen die Prüfspannung UP im Verhältnis von 1000 : 1.

Die in beiden Zweigen niederspannungsseitig zum einen über den Referenzkondensator CR und zum anderen über den eingeschalteten Meßkondensator CM abfallenden Spannungen sind über je einen Impedanzwandler VR (Verstärkung 1) bzw. VM (Verstärkung V2 zwischen 1 . . . 5 einstellbar) an einen Differenzverstärker DV (Verstärkung V3=5) angeschlossen.

Der Ausgang des Differenzverstärkers DV ist auf den Y1-Eingang (Kanal 1) eines Sichtgerätes SG (2-Kanal-Oszilloskop) geschaltet. Der Ausgang des Impedanzwandlers VR liegt über einen 90°-Phasendreher PD am X-Eingang (Horizontalablenkung) des Sichtgerätes SG an. Außerdem ist dieser Impedanzwandler mit dem Y2-Eingang (Kanal 2) des Sichtgerätes SG verbunden.

Der Meßvorgang läuft wie folgt ab:
Nach dem Zuschalten der Prüfspannung UP wird diese zunächst nur auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert von z. B. 100 V eingestellt. Auf dem Sichtgerät SG erscheint dann zunächst eine Ellipse mit im allgemeinen stark unterschiedlichem Achsenverhältnis (Fig. 2a). Die Horizontalauslenkung (in der X-Richtung) ist dabei der Prüfstand UP direkt proportional. Zur Ermittlung des Proportionalitätsfaktors wird die von X und Y2 aufgespannte Kurve durch Variation der Verstärkung V1 am Balanceregler BR des Phasendrehers BR zu einem Kreis geformt (Fig. 4a). in diesem Fall entspricht unter den o. g. Meßbedingungen eine Horizontalablenkung von 1 V/div einer anliegenden Hochspannung von 1 kV/Div.

Die beim eigentlichen Meßvorgang auftretende Vertikalablenkung des Y1-Kanals wird vom Differenzverstärker DV verursacht und entspricht somit der Spannungsdifferenz ΔU in der Brückendiagonale des Differenzverstärkers DV multipliziert mit seiner Verstärkung V3.

Durch stetige Verringerung von CM, ausgehend zum Beispiel vom Anfangswert CM=500 nF, verringert sich die vertikale Achse der Ellipse (Fig. 4b) und erreicht bei einer bestimmten Stellung, z. B. bei CM=50 nF, ein relatives Minimum. Die Schärfe des Minimums kann weiter verbessert werden, indem mittels des Wendepotentiometers WM eine stetige Änderung der Verstärkung V2 des Impedanzwandlers VM erfolgt.

Zum bestmöglichen Minimumabgleich wird nun die Empfindlichkeit der Y-Auslenkung des Sichtgerätes SG von z. B. 1 V/Div auf schließlich 0,01 V/Div weiter erhöht und auch die Prüfspannung von anfänglich 100 V auf den geforderten Prüfwert von UP=5 kV gesteigert.

Beim endgültigen Abgleich, der z. B. bei einer Verstärkung von V2=1,65 erzielt wurde, ergibt sich unter idealen Bedingungen auf dem Bildschirm eine schräg liegende Gerade (Fig. 4c).

Die beim Minimumabgleich vorliegenden Verhältnisse sind wie folgt zu interpretieren:
Über dem Referenzzweig teilt sich die Spannung entsprechend dem Teilerverhältnis der wirksamen Kapazität CN und CR streng proportional zur Prüfspannung UP auf, d. h., ohne Phasendrehung. Demzufolge ist auch die Spannung UR, die über dem niederspannungsseitigen Referenzkondensator abfällt, ein genaues Abbild der anliegenden Prüfspannung UP, d. h., sie ist exakt in Phase mit UP. Beim Minimumabgleich sind nur Teilspannungen am Eingang des Differenzverstärkers zu jedem Zeitpunkt identisch, die miteinander in Phase liegen. Daraus folgt, daß mit dem Minimumabgleich zunächst die Komponente der Teilspannung über CM ermittelt wird, die mit dem kapazitiven Stromanteil IC im Meßzweig in Phase liegt und als virtuelle Spannung UC aufgefaßt werden kann, wobei die Bedingung UC=UR gilt. Unter Beachtung der eingestellten Verstärkung V2 folgt dann:

UC = UR = V2 _* IC/w _* CM (2)

IC = w _* CM _* UR/V2 (3)
(mit der Kreisfrequenz w).

Werden die o. g. Werte CM=50 nF, UR=5V und V2=1,65 eingesetzt, dann folgt IC=48 mA.

Da der Strom IC dem kapazitiven Zweig des Meßobjektes MO zugeordnet ist und die Spannung über der Niederspannungs-Meßkapazität CM im Vergleich zur Prüfspannung UP i. a. vernachlässigbar ist, folgt aus Gl. (3) für die Kapazität CH des Meßobjekts MO:

CH = IC/(w _* UP) = CM _* UR/(V2 _* UP) (4).

Unter Verwendung der gegebenen Zahlenwerte folgt für das betrachtete Beispiel CH=30 pF.

Auf der Basis dieser Betrachtungen ist es somit auch möglich, die interessierende Kapazität des Meßobjektes MO mittels einer Kalibrierung zu bestimmen. Da UR/UP das Teilerverhältnis des Referenzzweiges repräsentiert, das genau bekannt ist, muß nur das Verhältnis CM/V2 bestimmt werden. Das ist in einfacher Weise möglich, wenn in CM eine definierte Ladung über einen im Vergleich zu CM sehr kleinen Kalibrierkondensator CK genau bekannter Kapazität eingespeist wird, indem diese an eine genau bekannte Kalibrierspannung UK gelegt wird. Die Auswertung der dann über CM auftretende Spannung kann mit der zuvor genutzten Meßschaltung selbst erfolgen, indem der Eingang des Referenzzweiges kurzgeschlossen wird, so daß die ursprünglich für die Messung des ohmschen Anteils verwendete Anzeige nunmehr der kapazitiven Spannung über CM genau proportional ist, wobei der Proportionalitätsfaktor in einfacher Weise durch das Produkt V2 _* V3 gegeben ist.

Die für die Messung genutzte Fehlspannung, die beim Minumumabgleich verbleibt, ist auf die ohmsche Komponente des Stromes IR durch das Meßobjekt MO zurückzuführen. Wie oben ausgeführt, erfolgt die Horizontalablenkung auf dem Sichtgerät SG mit einer Spannung, die aus der Prüfspannung UP abgeleitet, gegenüber dieser jedoch um genau 90° elektrisch mit Hilfe des Phasendrehers PD gedreht wurde. Die für die Horizontalablenkung genutzte Spannung liegt damit genau in Phase mit der Komponente, die der ohmsche Stromanteil IR im Meßzweig über dem Meßkondensator CM hervorruft und somit als virtueller ohmscher Spannungsabfall UR aufgefaßt werden kann. Folglich entsteht bei der X-Y- Darstellung dieser beiden gleichphasigen Signale eine Gerade (Fig. 4c). Die Neigung wird bestimmt durch das Amplitudenverhältnis beider Teilspannungen. Im vorliegenden Beispiel betrage der Spitze-Spitze-Wert der Vertikalauslenkung UR=0,28 V. Unter der stets gegebenen Bedingung, daß die Impedanz des Meßobjektes MO wesentlich größer ist, als die der Meßkapazität CM, ist der Gesamtstrom im Meßzweig und damit auch die ohmsche Komponente IR als eingeprägt zu betrachten. Somit folgt unter Beachtung der Verstärkung des Impedanzwandlers V2 und des Differenzverstärkers V3:

UR = V2 _* V3 _* IR/w _* CM (5)

IR = w _* CM _* UR/V2 _* V3 (6).

Mit den o. g. Werten CM=50 nF, UR=0,28 V, V2=1,65 und V3=5 ergibt sich dann der ohmsche Anteil zu IR=0,54 mA.

Im vorliegenden Meßbeispiel folgt aus den obigen Gln. (2) bis (6) unter Verwendung von Gl. (1):

tan d = IR/IC = UR/UC (7).

Demzufolge kann der Tangens des Verlustwinkels in einfacher Weise aus der bildlichen X-Y-Darstellung (vergl. Fig. 4c) ermittelt werden.

Mit UR=0,28 V und UC=5 V wird im Beispiel tan d=0,056 bzw. 56%.

Genügt die bildliche Auswertung der Darstellung auf dem Sichtgerät SG nicht den Genauigkeitsanforderungen, dann können natürlich die mittels der Spitzenwertdetektoren SM und SR angezeigten Werte für UR und UC zugrunde gelegt werden. Außerdem kann die Genauigkeit weiter erhöht werden, indem der exakte Wert der jeweils eingestellten Meßkapazität CM und der Verstärkung V2 durch eine Kalibrierung ermittelt werden. Dazu wird der Prüfling durch einen in seinem Kapazitätswert genau bekannten und verlustfreien Kalibrierkondensator ausgetauscht. Auf diesem Wege ist auch eine Ermittlung der Prüflingskapazität CH mit noch höherer Genauigkeit als oben angegeben möglich. Damit wird nochmals deutlich, daß an die genaue Kenntnis der Kapazität des jeweils eingestellten Meßkondensators CM keine Präzisionsanforderungen gestellt werden.

Die Genauigkeit kann auch durch einen Rechnereinsatz erhöht werden. Wie oben geschildert, ist das Minimum dann erreicht, wenn der Bildschirm anstelle der ursprünglichen Ellipse (angenähert) eine Gerade zeigt (Fig. 4c). Dieser Zustand ist mathematisch u. a. dann erreicht, wenn das Produkt aus den an den Kanälen X und Y1 anliegenden Spannungen ein Minimum erreicht. Damit existiert eine vom Bildschirm und individuellen Fehlinterpretationen unabhängige Einstellvorschrift, so daß der gesamte Meßvorgang in relativ einfacher Weise weiter präzisiert und automatisiert werden kann.

Es sei betont, daß die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung natürlich nicht nur in dem vergleichsweise einfachen Schaltungsaufbau zur Ermittlung des Verlustfaktors und der Prüflingskapazität liegen. Vorteilhaft ist insbesondere der zusätzliche Informationsgehalt, der aus der zeitlich aufgelösten Signaldarstellung gewonnen werden kann.

So wird bei zahlreichen Meßobjekten kein idealer Abgleich erzielt, d. h., es erscheinen auf dem Bildschirm keine idealen Geraden, sondern mehr oder weniger verzerrte elliptische Figuren (Fig. 4c). Ursache dafür können nichtlineare Spannungsabhängigkeiten des Dielektrikums sein, die vorteilhaft zur Zustandsbeurteilung geeignet sind. Außerdem bestehen im Gegensatz zur klassischen Verlustfaktormessung keine prinzipiellen Einwände gegen die Verwendung oberwellenhaltiger Prüfwechselspannungen. Auch das Auftreten von Teilentladungen führt zu charakteristischen Signalverläufen, die somit informative Rückschlüsse auf das Verhalten der Dielektrika zulassen, wie z. B. aus Fig. 4c ersichtlich. Schließlich sei auch auf die bereits genannte Möglichkeit der Analyse des Prüflingsstroms bei transienten Prüfspannungen hingewiesen, die zukünftig für eine Beurteilung des Alterungszustandes immer mehr an Bedeutung gewinnen dürfte.

Claims (8)

1. Verfahren zur Ermittlung des Verlustfaktors unter Verwendung einer Brückenschaltung und Differenzbildung der beiden niederspannungsseitig gemessenen Spannungen, gekennzeichnet dadurch, daß eine vom Prüfling abgesehen, sonst rein kapazitive Brückenschaltung verwendet, das Produkt aus einerseits der Differenz (ΔU) der beiden niederspannungsseitig in der Brückendiagonalen gemessenen Spannung und andererseits der Spannung (UR) über dem Referenzkondensator (CR) minimiert, die Restdifferenzspannung (ΔU) und die Spannung (UR) über dem Referenzkondensator (CR) gemessen und hieraus der Verlustfaktor ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spannungen über der Zeit gemessen und ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spitzenwerte der Spannungen gemessen werden.

4. Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Verlustfaktors, bestehend aus einer Brückenschaltung mit einem Meß- und einem Referenzzweig sowie Mitteln zur Messung und zum Vergleich der niederspannungsseitig gemessenen Spannungen, gekennzeichnet dadurch, daß im Referenzzweig und im Niederspannungsteil des Meßzweiges kapazitive Impedanzen (CN, CR und CM) geschaltet, die Differenz (ΔU) der niederspannungsseitig gemessenen Spannungen und die über dem Referenzkondensator (CR) gemessene Spannung (UR) gemeinsam an einen Schaltungsteil zur Produktbildung und getrennt an je eine Meßstelle angeschlossen sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Differenz (ΔU) der beiden niederspannungsseitig gemessenen Spannungen auf einen Koordinateneingang, z. B. X, eines Sichtgerätes (SG) und die über dem Referenzkondensator (CR) gemessene Spannung (UR) über einen 90°-Phasendreher (PD) auf einen zweiten, orthogonal zum ersten liegenden Koordinateneingang, z. B. Y, des Sichtgerätes (SG) gelegt sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Spannungen über A/D-Wandler an einen Rechner angeschlossen sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Meßkondensator und Erde ein Ableitelement (AE) geschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 4 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Differenzspannung (ΔU) auf einen dem Ableitungselement (AE) zugeordneten Schwellwertschalter (SW) gelegt ist.