DE4437355A1 - Measuring polarisation characteristics of insulation esp. for characterising ageing conditions of cable insulation - Google Patents

Measuring polarisation characteristics of insulation esp. for characterising ageing conditions of cable insulation

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Abstract

The polarisation characteristic measurement method involves charging a test object (1), then short circuiting the clamp. Finally the reverse voltage is measured. The main charge flowing from the charged test object during the short circuit via a measuring capacitor (4) and a polarisation capacitor (6) in parallel with the measuring capacitor, is measured. The max. polarisation charge collected at the polarisation capacitor after disconnecting the measuring capacitor from the test object is also measured. The ratio of the max. polarisation charge to the main charge is used as a measurement of the dielectric characteristic of the test piece. The capacitance of the measurement capacitor is preferably at least 100 times greater than that of the test object, and the capacitance of the polarisation capacitor is at the most equal to that of the measurement capacitor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Polarisationseigenschaften von Isolierungen, insbesondere zur Charakterisierung des Alterungszustandes von von Kabelisolierungen.The invention relates to a method and an apparatus for Measurement of the polarization properties of insulation, in particular to characterize the state of aging of of cable insulation.

Zur besseren Bewertung der dielektrischen Eigenschaften von Isolierungen wird unter anderem die Rückkehrspannung (return voltage, recovery voltage) gemessen. Der Prüfling wird aufgeladen, kurzgeschlossen und die danach erfolgende Spannungserhöhung über der Zeit gemessen und ausgewertet. Nach dem Kurzschluß steigt die Spannung im Prüfling wieder an und nähert sich im Verlauf der sogenannten Relaxationszeit asymptotisch einem Grenzwert. Auf den Verlauf und die Höhe der Rückkehrspannung haben sowohl die Stoffeigenschaften als auch das Volumen des Prüflings Einfluß. Gute Isoliereigenschaften sind an kurzen Relaxationszeiten erkennbar. Bei gleichen Isoliereigenschaften vergrößert sich die Rückkehrspannung mit dem Volumen.For better evaluation of the dielectric properties of Insulations include the return voltage (return voltage, recovery voltage) measured. The candidate is charged, short-circuited and the subsequent one Voltage increase measured over time and evaluated. To the short circuit, the voltage in the test object rises again and approaches in the course of the so-called relaxation time asymptotically a limit. On the course and amount of Return tension have both the fabric properties as well influence the volume of the test object. Good insulation properties are recognizable by short relaxation times. At same The insulating properties also increase the return voltage the volume.

Um die Volumenbezogenheit zu berücksichtigen wird nach Nemeth (Nemeth, E.: Proposed fundamental characteristics describing dielectric processes in dielectries. Periodica Polytechnica, Budapest 15 (1971), Nr. 4, S. 305-322) die Steilheit des Anstiegs der Rückkehrspannung zu Beginn der Relaxationszeit und die maximale Rückkehrspannung gemessen und ausgewertet. Diese Methode führt zu sicheren und vergleichbaren Aussagen über die dielektrischen Eigenschaften der Isolierungen, sie ist aber relativ aufwendig und insofern in der Genauigkeit begrenzt, als der Anstieg nur bei hoher Auflösung des Kurvenverlaufs ausreichend genau gemessen werden kann und im übrigen die Rückkehrspannung nicht streng nach einer e-Funktion ansteigt.According to Nemeth (Nemeth, E .: Proposed fundamental characteristics describing dielectric processes in dielectries. Periodica Polytechnica, Budapest 15 (1971), No. 4, pp. 305-322) the steepness of the climb the return voltage at the beginning of the relaxation time and the maximum return voltage measured and evaluated. These The method leads to reliable and comparable statements about the dielectric properties of the insulation, but it is relatively complex and limited in accuracy in that the increase only with high resolution of the curve  can be measured with sufficient accuracy and otherwise the Return voltage does not rise strictly after an e-function.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gut reproduzierbares Meßverfahren zur Charakterisierung der dielektrischen Eigenschaften von Isolierungen anzugeben, das mit geringem Schaltungsaufwand realisierbar ist.The object of the invention is to provide a reproducible Measuring method for the characterization of the dielectric Insulation properties indicate that with low Circuit effort is feasible.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Ansprüchen genannten und in den Ausführungsbeispielen näher erläuterten Mitteln gelöst.According to the invention the task with the in the claims mentioned and explained in more detail in the exemplary embodiments Means solved.

Es wurde gefunden, daß das Verhältnis der maximalen Polarisationsladung, die sich vom Prüfobjekt nach dem Kurzschließen auf einem Polarisationskondensator ansammelt, zu der beim Kurzschluß des Prüfobjekts auf einen Meßkondensator und den Polarisationskondensator abfließenden Hauptladung die dielektrischen Eigenschaften der Isolierungen ebenso gut charakterisiert, wie die nach Nemeth gemessenen Parameter der Rückkehrspannung, wobei nur noch eine Kennzahl angegeben werden muß. Diese Kennzahl kann in Analogie zum Verlustfaktor mit Polarisationsfaktor bezeichnet werden. Sie ist, wie im nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher gezeigt wird, in einfacher Weise meßbar. Beim Einsatz von Elektrometerverstärkern zum Messen der Spannungen und einer relativ hohen Kapazität des Meßkondensators gegenüber der des Prüfobjekts kann der Meßfehler sehr klein gehalten werden.It was found that the ratio of the maximum Polarization charge, which differs from the test object after the Short circuit accumulates on a polarization capacitor, too the short circuit of the test object on a measuring capacitor and the main charge flowing off the polarization capacitor dielectric properties of the insulation as well characterizes how the parameters of the Return voltage, whereby only one key figure is given got to. This key figure can be used in analogy to the loss factor Polarization factor can be called. It is like in the the following embodiment is shown in more detail in easy to measure. When using electrometer amplifiers for measuring the voltages and a relatively high capacity of the Measuring capacitor compared to that of the test object, the measurement error be kept very small.

In den Zeichnungen zeigenShow in the drawings

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und Fig. 1 shows a circuit arrangement according to the invention and

Fig. 2 den Spannungsverlauf über der Zeit. Fig. 2 shows the voltage curve over time.

Das Prüfobjekt 1 ist über einen Umschalter 2 zum einen mit einem Prüfspannungsgenerator 3 und zum anderen mit einer Meßeinrichtung verbindbar. Die Meßeinrichtung besteht aus zwei parallel zum Prüfobjekt 1 geschalteten Kondensatoren, einem Meßkondensator 4 mit der Kapazität CM und einem Polarisationskondensator 6 mit der Kapazität CP. Der Meßkondensator 4 kann mit einem Betriebsartenschalter zu- bzw. abgeschaltet und mit einem Resetschalter 10 kurzgeschlossen werden. Die Spannung UM des Meßkondensators 4 liegt über einem Elektrometerverstärker 7 und die Spannung UP des Polarisationskondensators 6 liegt in Differenz zur Spannung UM des Meßkondensators 4 über einem Differenzelektrometer­ verstärker 9 an Eingängen einer Rechenschaltung 8, in der die Spannungen in Ladungen umgerechnet werden.The test object 1 can be connected via a changeover switch 2 on the one hand to a test voltage generator 3 and on the other hand to a measuring device. The measuring device consists of two capacitors connected in parallel to the test object 1 , a measuring capacitor 4 with the capacitance C M and a polarization capacitor 6 with the capacitance C P. The measuring capacitor 4 can be switched on or off with a mode switch and short-circuited with a reset switch 10 . The voltage U M of the measuring capacitor 4 is above an electrometer amplifier 7 and the voltage U P of the polarizing capacitor 6 is different from the voltage U M of the measuring capacitor 4 via a differential electrometer amplifier 9 at the inputs of a computing circuit 8 in which the voltages are converted into charges.

Das Ersatzschaltbild des Prüfobjekts 1 zeigt in einfacher Form die Parallelschaltung einer Kapazität C′O mit einer Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand R′P und einer weiteren Kapazität C′P mit der Zeitkonstante τP.The equivalent circuit diagram of the test object 1 shows in simple form the parallel connection of a capacitance C ' O with a series connection of an ohmic resistor R' P and a further capacitance C ' P with the time constant τ P.

Zum Zeitpunkt t₀ wird das Meßobjekt über eine Zeit T₁ auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen (Spannungsverlauf u₁(t) . In dieser Zeit liegt der Umschalter 2 am Pol P₁ an. Das Meßobjekt ist mit dem Generator 3 verbunden. Nach Erreichen der vorgewählten Prüfspannung wird die Entladephase (Zeitintervalle T₂ und T₃) eingeleitet. Während T₂ liegt der Umschalter 2 an P₂ und der Betriebsartenschalter 5 an P₁, d. h., das Prüfobjekt 1 ist sowohl mit dem Meßkondensator 4 als auch mit dem Polarisationskondensator 6 verbunden. Mit dem Elektrometerverstärker 7 wird die Spannung UM gemessen. Sie ist der bis zum Zeitpunkt t₂ aus dem Prüfobjekt 1 abgefließenden Hauptladung QM proportional. Die wird in der Rechenschaltung 8 ermittelt gemäß:At the time t das, the test object is charged to a predetermined voltage over a time T 1 (voltage curve u 1 (t). During this time, the changeover switch 2 is connected to the pole P 1. The test object is connected to the generator 3. After reaching the preselected test voltage, the discharging phase (time intervals T₂ and T₃) initiated. During T₂ is located the switch 2 to P₂ and the mode selector switch 5 to P₁, ie, the test object 1 is connected both to the measuring capacitor 4 and connected to the polarization capacitor 6. with the electrometer amplifier 7, the voltage U M. It is proportional to the main charge Q M flowing out of the test object 1 up to the time t 2. This is determined in the computing circuit 8 according to:

QM = (CM + CP) * UM (1)Q M = (C M + C P ) * U M (1)

Unmittelbar nach dem Zeitpunkt t₂ erfolgt die Freischaltung des Meßkondensators 4, indem der Betriebsartenschalter 5 in die Position P₂ gebracht wird, so daß nunmehr nur noch der Polarisationskondensator 6 mit dem Prüfobjekt 1 verbunden ist. Der Differenzelektrometerverstärker 9 erfaßt während der Zeit T₃ den Verlauf der Rückkehrspannung UP. Zum Zeitpunkt t₃ ist der Ladungsausgleich zwischen Prüfobjekt 1 und Polarisationskondensator 6 nahezu abgeschlossen. Die maximale Polarisationsladung QP wird in der Rechenschaltung ermittelt:Immediately after the time t₂, the measuring capacitor 4 is activated by moving the mode switch 5 to the position P₂, so that now only the polarization capacitor 6 is connected to the test object 1 . The differential electrometer amplifier 9 detects the course of the return voltage U P during the time T₃. At time t₃, the charge equalization between test object 1 and polarization capacitor 6 is almost complete. The maximum polarization charge Q P is determined in the arithmetic circuit:

QP = CP * UP (2)Q P = C P * U P (2)

Das die Isolierstoffalterung charakterisierende Verhältnis von Polarisationsladung QP zur Hauptladung QM wird in der Rechenschaltung 8 unter Berücksichtigung der Gleichungen (1) und (2) wie folgt berechnet:The ratio of polarization charge Q P to main charge Q M characterizing the aging of the insulating material is calculated in the arithmetic circuit 8 , taking into account equations (1) and (2), as follows:

Vor der nächsten Messung müssen die sowohl auf dem Meßkondensator 4 als auch auf dem Polarisationskondensator 6 gespeicherten Ladungen abgeleitet werden. Dazu wird der Resetschalter 10 geschlossen.Before the next measurement, the charges stored both on the measuring capacitor 4 and on the polarization capacitor 6 must be derived. For this purpose, the reset switch 10 is closed.

Claims (5)

1. Verfahren zur Messung der Polarisationseigenschaften von Isolierungen durch Aufladen des Prüfobjekts, Kurzschließen der Klemmen und anschließendes Messen der Rückkehrspannung, gekennzeichnet dadurch, daß die vom geladenen Prüfobjekt (1) während des Kurzschließens über einen Meßkondensator (4) und einem zu diesem parallelgeschalteten Polarisations­ kondensator (6) abfließende Hauptladung QM und die nach Abtrennen des Meßkondensators 4 sich vom Prüfobjekt (1) auf dem Polarisationskondensator (6) ansammelnde maximale Polarisationsladung QP gemessen bzw. ermittelt werden und das Verhältnis der maximalen Polarisationsladung QP zur Hauptladung QM als Maß für die dielektrische Charakterisierung des Prüflings verwendet wird.1. A method for measuring the polarization properties of insulation by charging the test object, short-circuiting the terminals and then measuring the return voltage, characterized in that the loaded test object ( 1 ) during the short-circuiting via a measuring capacitor ( 4 ) and a polarization capacitor connected in parallel with this (6) flowing off the main charge QM and which can be measured by separating the measuring capacitor 4 from the test object (1) on the polarization capacitor (6) accumulating maximum polarization charge Q P or determined and the ratio of maximum polarization charge Q P to the main charge Q M as a measure of the dielectric characterization of the device under test is used. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kapazität des Meßkondensators (4) wenigstens 100fach größer als die Kapazität des Prüfobjekts (1) ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the capacitance of the measuring capacitor ( 4 ) is at least 100 times larger than the capacitance of the test object ( 1 ). 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kapazität des Polarisationskondensators (6) höchstens gleich der des Meßkondensators (4) ist.3. The method according to claim 1, characterized in that the capacitance of the polarization capacitor ( 6 ) is at most equal to that of the measuring capacitor ( 4 ). 4. Schaltungsanordnung zur Messung der Polarisations­ eigenschaften von Isolierungen mit einem Generator zum Aufladen des Prüfobjekts und Mitteln zum Kurzschließen, gekennzeichnet dadurch, daß parallel und einzeln zum Prüfobjekt (1) ein Meßkondensator (4) und ein Polarisationskondensator (6) zuschaltbar und Mittel zur Messung der Ladungen bzw. Ladungsänderungen über den beiden Kondensatoren vorgesehen sind. 4. A circuit arrangement for measuring the polarization properties of insulation with a generator for charging the test object, and means for short-circuiting, characterized in that parallel and separately to the test object (1) a measuring capacitor (4) and a polarization condenser (6) can be activated, and means for measuring the charges or charge changes are provided over the two capacitors. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß parallel zum Meßkondensator (4) und über dem Polarisationskondensator (6) in Differenz zum Meßkondensator (4) Voltmeter (7 und 9) geschaltet sind, deren Ausgänge an einer Rechenschaltung (8) zur Ermittlung der Ladungen (QP bzw. QM) anliegen.5. A circuit arrangement according to claim 4, characterized in that voltmeters ( 7 and 9 ) are connected in parallel to the measuring capacitor ( 4 ) and above the polarization capacitor ( 6 ) in difference to the measuring capacitor ( 4 ), the outputs of which are connected to a computing circuit ( 8 ) for determination the charges (Q P or Q M ) are present.
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