DE4413585A1 - Schaltungsanordnung zur dielektrischen Diagnose elektrischer Isolierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur dielektrischen Diagnose elektrischer Isolierungen von Bauelementen und Betriebsmitteln der Hoch- und Niederspannungstechnik für die zerstörungsfreie Beurteilung des Isolationszustandes.

Standardisierte Verfahren zur Qualitätsprüfung von Isolieranord­ nungen verfolgen einerseits das Ziel der Identifizierung lokaler Schwachstellen im Dielektrikum, wozu sich vor allem die Detektion von Teilentladungen (TE) bewährt hat. Andererseits besteht die Aufgabe der Beurteilung des Alterungszustandes des komplexen Isolierstoffvolumens, wozu sich die Analyse des Isolationsstromes als besonders zweckmäßig erwiesen hat, da dadurch isolationsschä­ digende Verlustmechanismen, ausgedrückt durch den Verlustfaktor Tangens Delta, identifiziert werden können.

Neben der zerstörungsfreien dielektrischen Diagnostik können fehlerhafte Isolierungen natürlich auch durch zerstörende Verfah­ ren ausgeprüft werden, indem Amplitude und Dauer der Prüfspannung bis zu vereinbarten Grenzwerten gesteigert werden und das Krite­ rium "Durchschlag" Über die Aussonderung des Betriebsmittels entscheidet. Beide Vorgehensweisen haben in der Praxis ihre Berechtigung, wobei allerdings aus ökonomischer Sicht die zerstö­ rungsfreie dielektrische Diagnostik zu bevorzugen ist.

Isolationsprüfungen sind für elektrotechnische Betriebsmittel nach nationalen und internationalen Normen vorgeschrieben (IEC-60 High-voltage test technique). So werden z. B. zur Nachbildung der Betriebsbelastung die Prüfungen mit betriebsfrequenter Wechsel­ spannung (50 bzw. 60 Hz) gefordert, wobei sich zur Qualitätsbeur­ teilung vor allem die Messung von Teilentladungen (IEC-270 Partial discharge measurements) und die Ermittlung des Verlustfaktors (IEC-250 Recommended methods for the determination of permittivity and dielectric dissipation factor of electrical insulating materials) bewährt haben.

Zu beachten ist allerdings, daß bei Prüfobjekten hoher Eigenkapazität, wie z. B. im Falle von Kabelanlagen, eine erheblicher kapazitiver Ladestrom aufgebracht werden muß. Dazu werden leistungsstarke Prüfanlagen benötigt, die aufgrund ihres hohen Gewichtes erhebliche Transportprobleme bereiten, so daß unter diesen Bedingungen derartige Prüfungen vor Ort außerordentlich kostenaufwendig sind.

Um den Strombedarf bei hochkapazitiven Prüfobjekten zu vermindern, wird als Alternativlösung die sogen. VLF-Prüftechnik propagiert. Mit Verringerung der Frequenz (VLF = very low frequency) reduziert sich bekanntlich auch die Ladestrom. So beträgt z. B. unter sonst gleichen Prüfbedingungen der erforderliche Abgabestrom einer 0, 1Hz-VLF-Prüfspannungsanlage nur noch 0.2% des Wertes einer 50-Hz-Wechselspannungsprüfanlage.

Zerstörungsfreie Prüfungen bei sinusförmigen VLF-Spannungen sind allerdings nur auf eine Beurteilung des Verlustfaktors beschränkt (Bach u. a.: Verlustfaktormessungen bei 0,1 Hz an PE/VPE-Kabelan­ lagen. Elektrizitätswirtschaft Jg. 92(1993), S. 1076-1080). Die Identifizierung lokaler Schwachstellen mittels standardisierter TE-Messung ist dagegen nicht möglich. Bedingt durch die vergleichsweise lange Periodendauer, die z. B. bei einer VLF-Prüf­ spannung von 0,1 Hz 10 Sekunden beträgt, und die dadurch verursachte langsame Spannungsänderung können in möglicherweise vorhandenen TE-Fehlerstellen nur extrem stromschwache Entladungen, sogen. Mikroentladungen, zünden. Diese Entladungsform ist mit standardisierten TE-Meßmethoden nicht nachweisbar sind.

Bei sinusförmiger VLF-Prüfspannung gelingt daher die Identifizierung lokaler Fehlstellen nur im Durchschlagtest, d. h. durch Anwendung der zerstörenden Prüfung. Dazu ist allerdings ein sehr hoher Prüfspannungspegel erforderlich (Bach u. a.: Untersuchungen zur Vor-Ort-Prüfung von Mittelspannungskabeln.

ETG-Fachtagung Würzburg (1992), S. 317-326), so daß die Gefahr einer Vorschädigung der vor Anlegen der Prüfspannung noch betriebstüchtigen Isolation nicht ausgeschlossen werden kann.

Um das Risiko einer Vorschädigung zu mindern, wird anstelle der Prüfung mit rein sinus-förmiger VLF-Spannung eine 0,1-Hz-cos- Rechteck-Spannung empfohlen (PS DE 36 29 352 C2). Wie Untersuch­ ungen ergaben, wird bei dieser Art der Spannungsbelastung das Wachstum von TE-Kanälen begünstigt, so daß nach einer gewissen Einwirkdauer schließlich die gesamte Isolationsstrecke überbrückt wird und somit der isolationszerzerstörende Kanaldurchschlag erfolgt (Bach u. a.: Spannungsprüfungen zur Beurteilung von Mittelspannungskabelanlagen. Elektrizitätswirtschaft Jg. 92 (1993), S. 1068-1074).

Praktische Erprobungen vor Ort zeigten jedoch, daß das Vorwachsen der TE-Kanäle bis zu den Elektroden des Prüfobjektes nur erzwungen werden kann, wenn die Prüfdauer auf ca. 30 Minuten und darüber hinaus ausgedehnt wird (Krefter: Erfahrungen mit Prüfverfahren für Kunststoffkabel in Mittelspannungsnetzen. Elektrizitätswirtschaft, Jg. 92 (1993), S. 1248-1255). Damit gestalten sich derartige Prüfungen sehr zeit- und daher auch kostenaufwendig. Außerdem kann nicht ausgeschlossen, daß durch die lange Dauer der Spannungsbelastung bereits wieder neue TE- Kanäle initiiert werden, d. h. eine Vorschädigung auftritt. Auch sei bemerkt, daß Anlagen zur Erzeugung von VLF-Prüfspannungen trotz des vergleichsweise geringen Leistungsbedarfs in der Herstellung sehr aufwendig und damit teuer sind.

Um den Strombedarf bei der dielektrischen Diagnose hochkapazitiver Prüfobjekte zu mindern, wird auch die Messung der Wiederkehrspannung empfohlen. Dazu erfolgt zunächst die Aufladung der Prüflingskapazität mit Hilfe einer Gleichspannungsquelle. Nach Abtrennen der Prüfanlage werden die Prüflingsklemmen für eine bestimmte Zeit kurzgeschlossen und dann wieder aufgetrennt. Nunmehr erfolgt die Bewertung der Wiederkehrspannung, bedingt durch Restladungen, die aufgrund innerer Polarisationsmechanismen noch im Isolierstoffvolumen verblieben sind (Nemeth, E.: European Patent 04 27 551 A2). Mit diesem Diagnoseverfahren können aller­ dings nur Rückschlüsse auf die Alterung des Isoliersoffvolumens gewonnen werden, während lokale Fehlerstellen nicht identifizier­ bar sind.

Ein weiteres Verfahren zur Beurteilung von Volumeneigenschaften und damit zur Bewertung des Alterungszustandes von Kunststoffka­ beln basiert auf der Messung des Isolationsstromes bei stufenför­ mig erhöhter Gleichspannungsbelastung. Maßgebender Diagnosekenn­ wert ist hierbei die Grenzspannung, bei der ein Abweichen von der ursprünglich linearen Strom-Spannungs-Charakteristik erfolgt (Wo­ schitz: Discharge current method as a new test procedure for plastic-insulated cables. 8th International Symposium on thig voltage Engeneering. Yokohama, Japan /1993/, paper 67.10). Diese Methode erlaubt aufgrund der integralen Bewertung des Isolierstoffvolumens ebenfalls keine Erkennung lokaler Fehlerstellen. Außerdem ist aufgrund der notwendigen Spannungsstufung und der für jede Stufe erforderlichen Abschaltung der Gleichspannung und Zuschaltung der Bewertungsein­ richtung kein kontinuierlicher Meßablauf gegeben, wodurch der Zeitaufwand erheblich wird.

Zum Fehlstellennachweis in hochkapazitiven Prüflingen bei ver­ gleichsweise geringem Leistungsbedarf wird in der PS DE 40 12 445 C2 ein Verfahren zur Teilentladungsmessung und/oder -fehleror­ tung bei impulsförmiger Prüfspannung vorgeschlagen. Diese Methode hat jedoch folgende zwei entscheidenden Nachteile:
Erstens erfordert die Erzeugung des Prüfspannungsimpulses stets einen separaten Stoßkondensator als Energiezwischenspeicher. Dieser wird zunächst von der Gleichspannungsquelle auf eine Sollspannung aufgeladen und danach auf den Prüfling entladen. Der Umladeprozeß zwischen Stoß- und Prüflingskapazität bedingt, daß die Amplitude der Prüfspannung stets kleiner ist als die Ladespannung des Stoßkondensators. Um die Spannungsabsenkung in technisch vertretbaren Grenzen zu halten, muß ein möglichst großes Verhältnis zwischen Stoß- und Prüflingskapazität realisiert werden. So werden z. B. für die Prüfung von Kabelanlagen, deren Ausdehnung im Bereich von Kilometern liegen kann, Stoßkapazitäten von über 10 µF benötigt, die z. B. im Falle der Prüfung von 20-kV-Mittelspannungskabeln bereits für eine Ladespannung von 100 kV bemessen sein müssen. Da derartige Stoßkapazitäten sehr teuer sind und auch das Gewicht beträchtlich ist, erfordert die praktische Durchführung dieser Prüfmethode ebenfalls einen erheblichen Aufwand.

Zweitens sind die Zündbedingungen für Teilentladungen bei der empfohlenen Form der Spannungsbelastung aus physikalischer Sicht keineswegs optimal. Die vorgesehene Impulsform resultiert nämlich auch aus technisch notwendigen Kompromissen im Hinblick auf eine möglichst ökonomische Dimensionierung der Prüfanlage. Prinzipiell kann es zwar aufgrund der raschen Spannungsänderung bei der empfohlenen Stirnzeit von 1 bis 10 ms zur Ausbildung von TE- Impulsen kommen, wenn die kritische Zündfeldstärke in vorhandenen Fehlstellen und damit auch die minimal mögliche TE-Einsetzspan­ nung an den Prüflingsklemmen überschritten wurde. Voraussetzung ist allerdings die Existenz von Anfangsladungsträgern in den Fehlstellen. Da diese jedoch erst nach einer physikalisch bedingten statistischen Streuzeit bereitstehen, die im Bereich von Sekunden liegen kann und damit die o.g. Stirnzeit der Prüfspannung weit übersteigt, ist auch die Wahrscheinlichkeit für die Zündung von TE-Impulsen während der kurzen Einwirkdauer der Prüfspannung sehr gering. Eine sichere TE-Zündung kann daher nur auf Kosten einer wesentlich höheren Prüfspannung erzwungen werden. Wie praktische Studien zeigten, ist ein zuverlässiger Nachweis von TE-Fehlstellen bei dieser Art der Prüfspannung erst gegeben, wenn die Prüfamplitude mehr als 200% der minimal möglichen TE-Einsetzspannung erreicht (Lemke u. a.: On-site testing of extruded power cables by PD Measurements at SI Voltages. CIGRE Symposium Wien, 1987). Durch die notwendige Höhe der Prüfspannung vergrößert sich nicht nur der prüftechnische Aufwand, sondern es steigt auch das Risiko einer Vorschädigung der noch betriebstüchtigen Isolation.

Aufgabe der Erfindung ist es, einerseits den Aufwand bei der dielektrischen Diagnose von Isolieranordnungen zu reduzieren, und andererseits das Risiko einer Vorschädigung als Folge der Prüfspannungsbelastung auszuschließen. Außerdem wird eine komplexe Diagnose angestrebt, indem ein Prüfzyklus neben einer Identifizierung lokaler Fehlstellen auch die Beurteilung des Alterungszustandes des Isolierstoffvolumens ermöglichen, was einer Verbesserung der Diagnoseschärfe gleichkommt. Die Lösung soll uneingeschränkt auch für Prüfobjekte mit hoher Eigenkapazität anwendbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Ansprüchen genannten und in dem Ausführungsbeispiel näher erläuterten Mitteln gelöst. Die dielektrische Diagnostik wird bei einer transienten Prüfspannung durchgeführt. Dabei wird die Kapazität des Prüfobjektes selbst als Energiespeicher genutzt.

Während einer vergleichsweise langen Anstiegszeit im Bereich von mindestens einer Sekunde bis zu maximal 100 Sekunden zünden in vorhandenen Fehlstellen sogenannte Mikroentladungen, wie zuvor bereits für den Fall der VLF-Prüfung ausgeführt wurde, bei der die Spannung ebenfalls im Sekundenbereich ihren Maximalwert erreicht. Diese sind mit der Standard-Meßtechnik nicht nachweisbar. Folgt nun nach der relativ langdauernden Aufladephase eine kurzdauernde Entladephase, die minimal eine Millisekunde und maximal 100 Millisekunden andauert, dann laufen auch die Entladungsprozesse in entsprechend kürzerer Zeit ab. Die Folge ist, daß die stromschwachen Mikroentladungen in nunmehr stromstarke TE-Impulse umschlagen, die meßtechnisch nachweisbar sind.

Um sie eindeutig nachzuweisen, ist der Entladeschalter besonders störstrahlungsarm ausgeführt und außerdem die Serienschaltung von Entladeimpedanz und Entladeschalter durch einen Rückschlußkondensator überbrückt.

Bemerkenswert ist, daß beim raschen Spannungszusammenbruch der Umschlag in die TE-Impulsentladungen verzögerungsfrei erfolgt, sobald nach der Inversion des elektrischen Feldes in den Fehl­ stellen wieder die kritische Feldstärke erreicht wird, die für den Entladungseinsatz minimal erforderlich ist. Die statistische Streuzeit ist vernachlässigbar klein, da bereits genügend An­ fangsladungsträger durch Mikroentladungen in den Fehlstellen akkumuliert wurden.

Daraus folgt auch, daß für einen sicheren TE-Fehlstellen-Nachweis bereits ein Prüfspannungspegel ausreicht, der die minimal mögli­ che TE-Zündspannung nur noch geringfügig übersteigen muß. Somit besteht auch keine Gefahr einer Vorschädigung der noch betriebstüchtigen Isolation.

Durch den Wegfall des bei der klassischen Impulsspannungs­ erzeugung benötigten separaten Stoßkondensators (DE-PS 40 12 445) wird eine nur geringe Ladeleistung benötigt, die insbesondere im Falle hochkapazitiver Prüfobjekte einen Bruchteil des Lei­ stungsbedarfs ausmacht, für den bisher übliche Impulsspannungs- Prüfanlagen ausgelegt werden müssen. Dadurch reduzieren sich natürlich auch die Kosten für die Erstellung des kompletten Prüfaggregates erheblich. Aufgrund des geringen Gewichts bestehen auch keinerlei Transportprobleme mehr, was insbesondere im Hin­ blick auf Vor-Ort-Prüfungen von Vorteil ist. Es ergeben sich im Gegensatz zur Lösung mit dem Stoßkondensator keine technisch bedingten Kompromisse mehr bezüglich der Wahl des Zeitverlaufs der transienten Prüfspannung. Diese werden entsprechend physikalischer Erkenntnisse so festgelegt, daß auch bei einem vergleichsweise geringem Prüfspannungspegel bereits informative Diagnosekenngrößen erhalten werden und damit das Risiko einer Isolationsschädigung durch die Prüfung ausgeschlossen wird.

Die Schaltungsanordnung ist nicht nur für die Identifikation von TE-Fehlstellen optimal geeignet, sondern auch für die Analyse des Isolationsstromes zwecks Beurteilung des Alterungszustandes. Allerdings ist im Unterschied zur TE-Diagnose, für die sich der Zeitabschnitt der Entladephase besonders vorteilhaft eignet, nunmehr die langdauernde Aufladephase zu bevorzugen. Grund dafür ist, daß eine Isolierstoffalterung vor allem am niederfrequenten Polarisationsspektrum erkennbar ist. Dieses kann natürlich nur nachgewiesen werden, wenn auch die Prüfspannung ein niederfrequentes Frequenzspektrum aufweist, d. h. die mittlere zeitliche Änderung möglichst gering ist.

Die Komponenten zur Bewertung der für die Qualitätsbeurteilung wichtigen dielektrischen Kenngrößen entsprechen im wesentlichen den in der dielektrischen Diagnostik üblichen Auskoppel- und Meßeinrichtungen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher dargestellt. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

Fig. 2 zusätzliche Schaltungselemente zu Fig. 1,

Fig. 3 einen störstrahlungsarmen Entladeschalter,

Fig. 4 charakteristische Signalverläufe der transienten Prüfspannung bei unterschiedlichen Zeitmaßstäben am Beispiel einer zerstörungsfreien Kabelprüfung mittels Teilentladungs-Detektion,

Fig. 5 charakteristische Signalverläufe, die bei der Analyse des Isolationsstromes eines Modellprüfkörpers mit Kunststoffisolation gewonnen wurden.

Gemäß Fig. 1 ist der Prüfling 2 über eine Aufladeimpedanz 3 in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle 1 geschaltet. Außerdem ist er, über den Schalter 5 umschaltbar, mit einer Entladeimpendanz in Reihe geschaltet.

Wie ersichtlich, wirkt das Prüfobjekt 2 selbst als kapazitiver Energiespeicher und ist somit selbst unmittelbarer Bestandteil des Prüfspannungsgenerators. Die Aufladeimpedanz 3 dient zur Begrenzung des Aufladestromes in der Weise, daß sich die Aufladephase vorzugsweise über einen Zeitbereich von minimal einer Sekunde bis maximal 100 Sekunden erstreckt.

Die erforderliche Strombegrenzung während der Aufladephase ist natürlich auch mittels anderer Mittel möglich, z. B. durch Verwen­ dung einer stromgesteuerten Gleichspannungsquelle. Außerdem kann im Hinblick auf die Analyse des Isolationsstromes anstelle der stetigen, aperiodischen Aufladung der Prüflingskapazität auch eine pulsgesteuerte Aufladung von Vorteil sein, wodurch eine stufenförmige Änderung der Prüfspannung bewirkt wird, wie nach­ folgend noch am Beispiel von Fig. 5d näher erläutert wird.

Mit der Entladeimpedanz 4 wird der Entladestrom der Prüflingskapazität so begrenzt, daß sich die Entladephase vorzugsweise über einen Zeitbereich von minimal einer und maximal 100 Millisekunden erstreckt.

Zwecks Signalauskopplung bei dielektrischen Messungen ist es zweckmäßig, nicht nur in der erdseitigen Verbindung, sondern auch in der hochspannungseitigen Verbindung des Prüfobjektes 2 jeweils eine Koppeleinheit 15 und 16 anzuordnen. Dadurch können dem Prüf­ ling zu- und von ihm abfließende Signale differenziert gemessen und somit auch unkontrollierte Ableitströme gegen die Betriebser­ de erkannt werden. Außerdem bieten sich unter Nutzung des Prin­ zips der Differenzmessung zusätzliche Möglichkeiten zur Verbesse­ rung des Nutz-Störsignal-Verhältnisses. Diesem Zweck sowie der Aufgabe der Potentialtrennung dient auch die elektrooptische Übertragungsstrecke zwischen den Koppeleinheiten 15 und 16 und einer zentralen Prozeßverarbeitungseinheit 17.

Parallel zur Serienschaltung von Entladeimpedanz 4 und Entlade­ schalter 5 ist die Anordnung eines Rückschlußkondensators 6 zweckmäßig. Dieser gewährleistet den ungehinderten Rückschluß der TE-Ausgleichsvorgänge, die durch Zeitparameter im Nanosekunden- Zeitbereich gekennzeichnet sind. Außerdem reduziert er den Ein­ fluß elektromagnetischer Störstrahlungen des Entladeschalters auf die sensitiven dielektrischen Messungen. Der Rückschlußkondensa­ tor 6 muß natürlich extrem induktionsarm sein und sollte aufgrund praktischer Erfahrungen mindestens 0,01 µF betragen.

Der Spannungsteiler 13 und 14 dient zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs der transienten Prüfspannung. Er muß einerseits sehr hochohmig sein, damit er den Gleichspannungs­ erzeuger 1 nicht unnötig belastet, wobei ein Teilerstrom von weniger als 1 mA toleriert werden kann. Andererseits muß ein ausreichend linearer Frequenzgang garantiert werden, so daß die Amplituden- und Zeitfehler innerhalb der in der Hochspannungs- Prüftechnik üblichen Toleranzen liegen. Sinnvolle Werte sind eine untere Grenzfrequenz von 0 Hz und eine obere Grenzfrequenz von mindestens 100 kHz.

Wird eine stetige aperiodische Entladung mit exponentiellem Zeitverlauf angestrebt, muß die Entladeimpedanz als ohmscher Widerstand Re ausgeführt werden. Im Vergleich zur aperiodischen Entladung gewährleistet ein oszillierender Spannungsverlauf eine fiktive Erhöhung der maximalen Spannungsdifferenz an den Prüflingsklemmen. Da das Durchschwingen im günstigsten Falle 100% erreichen kann, ist unter diesen Bedingungen eine Spannungs­ ausnutzung von maximal 200% der vom Gleichspannungserzeuger 1 bereitzustellenden Ladespannung möglich. Zur Realisierung der oszillierenden Entladung muß die Entladeimpedanz 4 als Induktivität ausgeführt werden.

Besondere Sorgfalt gilt der Auswahl und Dimensionierung des Entladeschalters 5, um Fremdbeeinflussungen bei den erforderli­ chen empfindlichen dielektrischen Diagnose auszuschließen.

Übliche Kugelfunkenstrecken, wie sie als Schalter in der Hoch­ spannungs- und Hochstromtechnik allgemein Verwendung finden, sind dazu völlig ungeeignet, da der zur Einleitung der Schalthandlung genutzte Durchzündfunke eine extreme hohe Störstrahlung verur­ sacht. Auch die in der DE-OS 41 28 395 vorgeschlagene triggerbare Funkenstrecke, bei der die Elektrodenoberfläche zwecks Reduzierung der Störstrahlung mit einem Flüssigkeitsfilm präpariert wird, ist für den vorliegenden Anwendungszweck nur bedingt geeignet, da es bei oszillierender Entladung zum Funkenabriß und nachfolgender Neuzündung kommen kann, wodurch wiederum eine starke elektromagnetische Störstrahlung emittiert wird. Ziel muß es daher sein, die Existenz des Schaltfunkens während der Dauer TE-Detektion völlig zu eliminieren. Das gelingt nur, wenn ein stabiler galvanischer Kontakt zwischen Entladeimpedanz 4 und Betriebserde hergestellt wird.

Für diesen Zweck eignen sich z. B. Halbleiterschalter, die jedoch für Prüfspannungen von über 10 kV sehr teuer sind. Auch mittels quecksilberbenetzter Kontakte lassen sich störstrahlungsarme Entladeschalter realisieren. Sie sind aber infolge der technisch bedingten kurzen Schaltkontaktabstände in der Anwendung auf Prüfspannungspegel unterhalb von 10 kV begrenzt.

Als ökonomisch vorteilhafte Lösung für einen störstrahlungsarmen Entladeschalter eignet sich ein Dreielektroden-System nach dem in Fig. 3 dargestellten Prinzip. Es besteht im wesentlichen aus zwei parallelen, nach hochspannungstechnischen Gesichtspunkten großflächig ausgestalteten Basiselektroden 7 und 8. Damit wird ein quasihomogenes Grundfeld realisiert, um während der Aufladephase eine möglichst hohe Durchschlagfestigkeit des Elektroden­ zwischenraumes und damit eine hohe Prüfspannung zu gewährleisten. Eine der Basiselektroden ist zwecks Aufnahme des stabförmigen Schaltstiftes 9 aufgebohrt. Bei Auslösung des Antriebs 10 wird der Schaltstift mit hoher Geschwindigkeit in Richtung der anderen Basiselektrode bewegt. Eine Funkenzündung und damit eine elektromagnetische Störstrahlung ist bei Annäherung des Schaltstiftes an diese Basiselektrode unvermeidbar. Der Funke verlöscht erst wieder, wenn der galvanische Kontakt zwischen beiden Basiselektroden durch den Schaltstift hergestellt wurde. Die Annäherungsgeschwindigkeit des Schaltstiftes an die Basiselektrode muß daher so hoch gewählt werden, daß die Funkendauer nur einen Bruchteil der Dauer der Entladephase ausmacht, also möglichst kleiner ist als eine Millisekunde.

Um auch eine Störstrahlungsemission infolge von Abreißfunken, die bei prellender Kontaktgabe entstehen können, auszuschließen, sind die Basiselektroden 7 und 8 vertikal übereinander angeordnet. Während die obere Basiselektrode 8 den Schaltstift 9 aufnimmt, enthält die untere Basiselektrode 7 eine napfförmige Vertiefung, die mit einer galvanisch leitenden Flüssigkeit 11 ausgefüllt ist, und in die der Schaltstift 9 schließlich eintaucht, so daß nunmehr ein prellfreies Schalten erfolgt und Rückzündungen mit Funkenbildung ausgeschlossen werden. Außerdem ist die Elektrodenanordnung abgeschirmt 12.

Charakteristische Zeitverläufe der erfindungsgemäßen transienten Prüfspannung sind aus Fig. 4 ersichtlich. So zeigt Fig. 4a eine Serie aufeinanderfolgender Zyklen der Prüfspannung. Fig. 4b ver­ deutlicht bei nunmehr größerer Zeitdehnung die relativ langsame Aufladephase und die extrem kurze Entladephase, wobei letztere oszillierend verläuft. Im Beispiel beträgt die Zeitdauer der Aufladephase 18 s und die Halbperiodendauer der Entladeschwingung 12 ms, so daß beide charakteristischen Zeitparameter durch einen Zeitunterschied von mehr als 3 Größenordnungen gekennzeichnet sind. Fig. 4c zeigt Details des oszillierenden Spannungsverlaufs in der Entladephase, wobei die Zeitbasis gegenüber Fig. 4b noch weiter gedehnt wurde.

Fig 4d zeigt ein charakteristisches TE-Übersichtsbild bei Zuord­ nung zur Prüfspannung. Gegenüber Fig. 4c wurde die Zeitdehnung nochmals 5-fach gesteigert. Um das TE-Übersichtsbild während der Entladephase deutlich hervorzuheben, erfolgte die Bildung eines Meßfensters, das am sprungartig erhöhten Signalpegel der dem Meßkanal CH2 zugeordneten Aufzeichnungsspur erkennbar ist. Prüfobjekt und damit auch kapazitiver Energiespeicher im vorlie­ genden Meßbeispiel war ein VPE-Kabel von 800 m Länge, dessen Kapazität etwa 0,25 µF betrug. Als lokale Fehlerstelle, die die Ursache der detektierten TE-Impulse war, konnte ein defekter Kabelendverschluß identifiziert werden.

Ergebnisse diagnostischer Isolationsstrommessungen an einer gealterten PVC-Kunststoffisolierung sind in Fig. 5 zusammenge­ stellt. Wie bereits ausgeführt, erweist sich der Vergleich der Meßspannung, die aus dem Integralwert des Isolationsstromes abgeleitet wird, mit einer Referenzspannung, die der Prüfspannung exakt proportional ist und somit vom Spannungsteiler abgegriffen werden kann, als außerordentlich informativ, da dadurch Nichtlin­ earitäten, die ein Maß für den Verluststrom und damit auch für den Isolationszustand sind, sehr gut erkannt werden können.

Um reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten, erfolgte zunächst ein Vorabgleich von Referenz- und Meßspannung während der ersten Halbschwingung der Entladephase. Dazu wurde gem. Fig. 5a die Meß­ spannung (im Oszillogramm Spur CH2) der Referenzspannung (CH1) so gut wie möglich angeglichen.

Aus der Isolierstoffdiagnostik ist bekannt, daß Nichtlinearitäten des Ladestromes, die ein Maß für die Isolierstoffalterung sind, sich bei langsam ändernden Prüfspannungen besonders deutlich ausprägen. Daher ist, wie bereits ausgeführt, der Zeitbereich der Aufladephase besonders gut für die Erkennung von Nichtlinearitä­ ten geeignet, wie auch die Aufzeichnung gem. Fig. 5b bestätigt. Hier ist die in der Aufladephase exponentiell ansteigende Prüfspannung der Aufzeichnungsspur CH1 zugeordnet. In dem Meßbeispiel erreicht die Prüfspannung nach etwa 20 Sekunden ihren Endwert. Die Meßspannung (CH2) unterscheidet sich deutlich vom exponentiellen Verlauf der Prüfspannung. Dieser nichtlineare Zusammenhang wird noch deutlicher durch eine X-Y-Koordinatendar­ stellung, wie in Fig. 5c gezeigt. Hier ist die Referenzspannung der horizontalen Koordinate (X) und die Meßspannung der vertika­ len Koordinate (Y) zugeordnet.

Anstelle eines stetigen aperiodischen Verlaufs der Prüfspannung in der Aufladephase kann, wie bereits ausgeführt, auch ein stu­ fenförmiger Verlauf im Hinblick auf die Gewinnung informativer Diagnosekenngrößen sinnvoll sein. So zeigt Fig. 5d die Meßspannung (CH2) im Vergleich zur Referenzspannung (CH1) erwartungsgemäß ebenfalls Spannungssprünge. Aus der Relation der Sprungamplituden kann unmittelbar auf die Prüflingskapazität geschlossen werden. Dagegen zeigt sich zwischen den Spannungssprüngen ein stetiger Anstieg der Meßspannung, der sich bei erhöhter Prüfspannung progressiv vergrößert. Dieser Verlauf resultiert aus Verlustmechanismen im Isolierstoffvolumen, wobei auch der progressive Anstieg auf stärker werdende Anteile der verlustbehafteten Komponenten hinweist. Auf eine detaillierte physikalische Interpretation der Meßergebnisse sei an dieser Stelle verzichtet.

Nachfolgend sollen die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber dem in der DE-PS 40 12 445 vorgeschlagenen Verfahren zur TE-Messung bei Impulsspannungen nochmals am praktischen Beispiel einer TE-Diagnose vor Ort nochmals verdeutlicht werden. Prüfobjekt sei ein Mittelspannungskabel von 10 km Länge mit einer Kapazität von Cd = 3 µF.

Überschlägig ergeben sich folgende Werte:

Daraus wird deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur bezüglich der Einfachheit der Prüfprozedur, sondern auch hinsichtlich des gerätetechnischen Aufwandes der bisher üblichen Prüfung mit Impulsspannung weit überlegen ist, was sich auch im im Gewicht des kompletten Prüfaggregates und nicht zuletzt im Preis ausdrückt.

Es sei bemerkt, daß die bei Prüfungen mit impulsförmigen Spannun­ gen üblichen Prozeduren, wie z. B. wiederholtes Anlegen der Prüf­ spannung im Hinblick auf statistisch gesicherte Aussagen sowie Variation der Prüfpegel und Polaritätswechsel zwecks Nachbildung kritischer Belastungsfälle, uneingeschränkt auch auf das erfin­ dungsgemäße Verfahren übertragbar sind.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur dielektrischen Diagnose elektrischer Isolierungen von Bauelementen und Betriebsmitteln der Hoch- und Niederspannungstechnik mit einer Gleichspannungsquelle und Mitteln zur Messung von Strom, Spannung und Ladung über der Zeit sowie zu deren Auswertung, gekennzeichnet dadurch, daß der Prüfling (2) über eine Aufladeimpendanz (3) in Reihe mit der Gleichspannungsquelle (1) und, über einen Schalter (5) umschaltbar, über eine Entladeimpendanz (3) mit Betriebserde verbunden ist und die Entladezeit, die der Rückenzeit der transienten Prüfspannung entspricht, zwischen 1 bis 100 Millisekunden beträgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Entladeimpendanz ein induktiver Widerstand ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß parallel zum Prüfling (2) eine Rückschlußkapazität (6) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Schalter (5) elektromagnetisch strahlungsarm ausgeführt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Schalter (5) ein vertikal angeordnetes Dreielektrodensystem ist mit zwei großflächigen, abgerundeten Basiselektroden (7) und (8) und einem mit einem Antrieb (10) verbundenen Schaltstift (9) in der oberen Basiselektrode (8) sowie, in axialer Verlängerung des Schaltstiftes (9), mit einer napfförmigen Vertiefung, die mit galvanischer Flüssig­ keit (11) gefüllt ist, in der unteren Basiselektrode (7).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Aufladezeit zwischen 1 und 100 Sekunden beträgt.