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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Untersuchen des Zustandes eines Isoliersystems,
bei denen das Isoliersystem über elektrisch leitende,
voneinander isolierte Teile mit einer Lade-Gleichspannung
aufgeladen und dann entladen wird und der Zustand des
Isoliersystems aus Parametern der Wiederkehrspannung
(Erholungsspannung) bestiinmt wird.
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Daten, die aus der Ermittlung des Zustands oder der
Verfassung einer Isolation gewonnen werden, sind bei der
Beurteilung der Betriebszuverlässigkeit elektrischer Maschinen,
insbesondere elektrischer Hochspannungs-(HV-)Ausrüstungen, von
großer Wichtigkeit. Der Zustand der elektrischen Isolation kann
durch Messung verschiedener physikalischer (elektrischer) und
chemischer Kennwerte ermittelt werden. Diese Kennwerte ändern
sich mit den Betriebsanforderungen und -belastungen, und aus
einer Messung der Änderungen können Schlußfolgerungen über den
Grad der Verschlechterung der elektrischen Isolation gezogen
werden.
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Die japanische Zeitschrift für angewandte Physik (Japanese
Journal of Applied Physics), Band 21 (1982), Nr.9, Teil 1,
Seiten 1333-1336 offenbart eine Untersuchung der
Verschlechterung von zur Isolierung eines Leistungskabels
dienender Polyethylenfolie mittels eines vergleichsweise
einfachen Meßverfahrens. Eine Spannung Va wird für eine
Zeitdauer Ta an eine Probe der Folie gelegt, wonach das System
für eine Zeitdauer Ts kurzgeschlossen wird. Dadurch entsteht
nach einer Zeit T eine Restspannung Vr. Damit wird untersucht,
welche Wirkungen eine Veränderung der angelegten Spannung Va,
der Spannungsanlegezeit Ta bzw. der Kurzschlußzeit Ts auf die
Restspannung Vr hat. In jedem Fall wird für frisch hergestellte
Polyethylenfolie eine einfache Funktionskurve aufgezeichnet, um
eine Computersimulation als Vergleich für Messungenl die an
möglicherweise schlechter gewordener Polyethylenfolie
durchgeführt werden, bereitzustellen.
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Im folgenden bezieht sich der Ausdruck "Isoliersystem" auf
eine Isolierung für elektrisches Gerät, die aus mehreren
Schichten isolierenden Materials besteht. Die Verschlechterung
der Isolierung kann von zwei verschiedenen Klassen sein:
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1. örtliche Verschlechterung oder örtlicher Zusammenbruch;
und
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2. allgemeine Verschlechterung eines Großteils des
Isoliersystems.
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Nachstehend werden wir hauptsächlich die Möglichkeiten der
Erfassung einer allgemeinen Verschlechterung von
Isoliersystemen unter Verwendung zerstörungsfreier Tests
erörtern. Hinsichtlich des Zustands einer elektrischen
Isolierung ist die Erfassung zweier Kategorien von
Veränderungen von Bedeutung:
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a) zunehmende Feuchte der Isolierung; und
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b) Ansammlung von Abbau-Nebenprodukten infolge
Verschlechterung bei hohen Temperaturen.
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Von diesen beiden Kategorien ist das Phänomen a) besonders
wichtig. Gemäß Forschungsergebnissen (IEE Proceedings, Bd.132,
Teil C, Nr.6, November 1985, Seiten 312-319, Aufsatz mit dem
Titel "A review of paper aging in power transformers" ["Eine
Darstellung des Alterns von Papier in
Leistungstransformatoren"]) sinkt die Lebensdauer eines Öl-
Papier-Isoliersystems auf ein zwanzigstel der trockenen
Isolierung, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Isolierpapiers auf
2% steigt.
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Die bekannten Verfahren zum Untersuchen von
Isoliersystemen schließen eine Bestimmung des
Isolationswiderstands, des Absorptionsfaktors und des
Verlustfaktors ein. Die theoretische Grundlage und die erste
Testvorrichtung wurden vor mehr als 70 Jahren entwickelt.
Obwohl es seither Verbesserungen in der Konstruktion von
Testvorrichtungen - einschließlich elektronischer Schaltungen
- gab, sind die Daten, die aus solchen Testverfahren gewonnen
werden, von beschränktem Nutzen.
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Die Isolationswiderstandsmessung ist eine der ältesten
Methoden zum Untersuchen von Isolierungen. Ihr Vorteil liegt in
ihrer einfachen Durchführung, aber ihr Mangel besteht in einem
ziemlich niedrigen Informationsgehalt. Der Wert des
Isolationswiderstands wird nicht nur durch die beiden oben
genannten Kategorien von Isolationsänderungen, sondern auch
durch viele weitere Parameter, unter anderem die geometrischen
Abmessungen des Untersuchungsgegenstands, beeinflußt. Die
Beziehung des Isolationswiderstands zu den genannten
Änderungskategorien a) und b) ist nicht eindeutig, und eine
nennenswerte Anderung wird im allgemeinen nur durch eine
wesentliche Verschlechterung verursacht. Die
Untersuchungsergebnisse werden durch die Verfassung der äußeren
Isolierung spürbar beeinflußt, was die Einfachheit der
Untersuchung in Frage stellt.
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Die Einführung des Absorptionskoeffizienten (KA=R&sub6;&sub0;/R&sub1;&sub0;)
- wobei die Zahlen die nach dem Anlegen einer Gleichspannung
verstrichenen Zeitspannen angeben, nach denen jeweils der
Isolationswiderstand gemessen wird - wurde durch zwei Faktoren
gefördert:
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1. das Streben nach einem Kennwert, der nicht von den
geometrischen Größen abhängt, und
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2. die Erfahrung, daß der Isolationswiderstand von der
Zeit abhängt, zu der die Spannung während der Messung abgelesen
wird; das heißt, daß der Wert des gemessenen
Isolationswiderstands durch die sich im Isoliersystem
ausbildenden Polarisationserscheinungen beeinflußt wird. Die
Auswertung des Absorptionskoeffizienten folgt einer
Faustformel: Wenn der Wert von KA zwischen 2 und 2,5 liegt,
dann kann die Verfassung des Isoliersystems als gut betrachtet
werden, wenn der Wert ungefähr 1 beträgt, dann ist die
Verfassung des Isoliersystems schlecht.
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Nach den Forschungen der Erfinder kann die Beziehung
zwischen dem Absorptionskoeffizienten und dem Zustand eines
Isoliersystems nicht auf so einfache Weise beurteilt werden.
Dies ist aus Fig. 1 ersichtlich, in welcher der Wert KA=R&sub6;&sub0;/R&sub1;&sub0;
über dem Feuchtegehalt eines Öl-Papier-Isoliersystems für
verschiedene Temperaturen aufgetragen ist. Die Gültigkeit der
oben erwähnten Beurteilung kann stark bestritten werden: Der
Absorptionskoeffizient ist keine monotone Funktion des
Feuchtegehalts. Der Mangel dieses Verfahrens besteht darin, daß
es die Überlagerung von Leitungs- und Polarisationsphänomenen
mißt; mithin ist seine Empfindlichkeit ziemlich beschränkt.
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Die Bestimmung des Verlustfaktors (tan δ) wird seit über
60 Jahren verwendet, um die Verfassung elektrischer
Isolierungen während des Betriebs zu beurteilen. Der Wert des
Verlustfaktors wird sowohl von Leitungs- als auch
Polarisationsverlusten in der Isolierung beeinflußt. Die
Empfindlichkeit der Reaktion des Verlustfaktors auf bestimmte
Arten von Polarisationsphänomerien hängt hauptsächlich von der
Frequenz der Meßspannung ab. Prozesse, die aufgrund der
Alterung eines Isoliersystems ablaufen, haben hauptsächlich auf
die Polarisationserscheinungen mit langer Zeitkonstante einen
starken Einfluß; demnach wären Messungen, die mit einer
Spannung von sehr niedriger Frequenz (VLF: very low freguency)
durchgeführt werden, am empfindlichsten. Eine praktische (für
Messungen vor Ort geeignete) Verwirklichung dieser Art von VLF-
Verlustfaktormessung ist jedoch noch nicht entwickelt worden.
Wenn der tan δ bei 50 Hz gemessen wird, kann eine nennenswerte
Änderung im allgemeinen nur dann ermittelt werden, wenn das
Isoliersystem bereits einen sehr starken Qualitätsabhau
erlitten hat. Es muß auch erwähnt werden, daß eine Vor-Ort-
Messung des tan δ in einer Hochspannungs-Unterstation ein
ziemlich aufwendiger Vorgang ist, da starke elektrische
Streufelder vorhanden sind, die eine Störwirkung haben.
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Die vorstehend genannten herkömmlichen Verfahren zum
Untersuchen von Isolierungen sind von äußerst beschränktem
Nutzen, da sie versuchen, die Verfassung eines sehr
komplizierten Isoliersystems durch eine einzige Zahl oder einen
einzigen Meßparameter zu charakterisieren, was erkennbar nicht
nur unzureichend ist, sondern auch viele innere Widersprüche
birgt.
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Trotz dieser Tatsachen werden zum Untersuchen
elektrischer Ausrüstungen während des Betriebs selbst beim
gegenwärtigen Stand der neuzeitlichen Meßtechnologie nur die
vorgenannten Verfahren verwendet, wie z.B. aus den Ergebnissen
von Untersuchungen an 132kV-Transformatoren in Großbritannien
hervorgeht, siehe Domun-Cornfeld-Hadfield: Prediction of
remaining lives of 132 kV grid transformers (Vorhersage der
Restlebensdauer von l32kV-Netztransformatoren), CIGRE-
Symposium, Abschnitt 10.2, Nr. 1020-08, Mai 1987, Wien.
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Die Erscheinung, daß nach dem Aufladen mit einer
Gleicllspannung nebst anschließendem Entladen eine
Erholungsspannung wiederkehrt, ist unter dem Namen "elektrische
Nachwirkung" seit langem bekannt. Wie in einem ungarischen
Textbuch "Hochspannungstechnik" ("High Voltage Engineering")
von Andr s Csern tonyi Hoffer und Tibor Horv th, Tankönyvkiadó,
1986, Seiten 260-65 beschrieben, ist die praktische Bedeutung
dieses Phänomens folgende: Apparate und Geräte hoher Kapazität,
die mit einer Gleichspannung aufgeladen und dann abgeschaltet
wurden, sollten in der Praxis über eine lange Zeitdauer oder
ständig kurzgeschlossen werden. Die elektrische Nachwirkung,
d.h. die Wiederkehrspannung, enthält offenbar Information über
die Verfassung oder den Zustand einer Isolierung. Darauf wird
in der erwähnten Literaturstelle hingewiesen, außerdem ist dort
auch eine theoretische Erklärung hierfür zu finden.
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Die Wiederkehrspannung, oder besser ihre Kennwerte, kann
erst dann zuverlässigen und vollständigen Aufschluß über den
Zustand einer Isolierung geben, wenn der weite Bereich von
Polarisationsphänomenen mit langer Zeitkonstante bestimmt
werden kann.
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Es ist bekannt, daß vorgegebene Werte der Auf- und
Entladezeiten ein bestimmtes Spektrum von elementaren
Polarisationsvorgängen aktivieren, die durch einen Bereich von
Zeitkonstanten charakterisierbar sind.
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Bisher sind jedoch kein Untersuchungsverfahren und keine
Untersuchungsvorrichtung bekannt, die auf breiter Ebene
einsetzbar wären.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Untersuchungsverfahren und einer Untersuchungsvorrichtung
zum Bestimmen der Polarisationsverteilung im Bereich von
Raumladungs-Polarisationserscheinungen mit langer
Zeitkonstante, die in einer eindeutigen Beziehung zum Zustand
und zur Änderung des Zustands eines Isoliersystems stehen,
durch Auswertung der Parameter der Wiederkehrspannung, die
erscheint, nachdem das Isoliersystem mit einer Gleichspannung
aufgeladen und dann über eine bestimmte Zeitdauer entladen
wurde.
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Die vorliegende Erfindung gibt ein zum Untersuchen des
Zustandes eines Isoliersystems dienendes Verfahren an, bei dem
das Isoliersystem über isolierte, elektrisch leitende Teile mit
einer Lade-Gleichspannung aufgeladen und dann entladen wird und
der Zustand des Isoliersystems aus den Parametern der
Wiederkehrspannung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ladedauer im Bereich von 10&supmin;³ bis 10&sup4; Sekunden und das
Verhältnis der Ladezeit zur Entladezeit im Bereich von 0,1 bis
100 gewählt werden, das Verhältnis des Spitzenwertes der
Wiederkehrspannung zu der Ladespannung gemessen wird, und dann
die Messung mit unterschiedlicher Dauer, jedoch konstantem
Verhältnis der Lade-Entlade-Zeiten wiederholt wird, der Verlauf
der Spannungsverhältnisse in Abhängigkeit von der Ladezeit
bestimmt wird, und der Zustand des Isoliersystems durch
Vergleichen des derart erhaltenen Verlaufs mit einem
Referenzverlauf bestimmt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft,
Messungen im niederen Frequenzbereich durchzuführen, d.h. unter
Verwendung eines breiten Zeitintervalls im gesamten
Polarisationsbereich mit langer Zeitkonstante, und dadurch
aussagekräftige Daten über den Verschlechterungsgrad des
Isoliersystems zu gewinnen. Ein weiterer Vorteil ist, daß durch
zweckmäßige Wahl des Verhältnisses von Lade- zu Entladezeit
auch die gewünschte Auflösung erzielt werden kann. Der Grund
dafür ist, wie wir erkannt haben, daß zwischen der durch den
Spitzenwert der Wiederkehrspannung bestimmten Form des
Polarisationsverlauf s und dem Feuchtigkeitsgehalt des
Isoliersystems ein eindeutiger Zusammenhang besteht.
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Wir erkannten ferner, daß der in der oben beschriebenen
Weise ermittelte Kurvenverlauf für ein neues Isoliersystem als
Referenzverlauf angesehen werden kann und daß dieser Verlauf
sich durch die alterungsbedingten Änderungen der Isolierung
verändert.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des
erf indungsgemäßen Verfahrens kann die Anfangssteilheit der
Wiederkehrspannung als Funktion der Ladezeit bestimmt werden,
und somit kann ein Verlauf aufgebaut werden; der Zustand des
Isoliersystems kann zusätzlich durch Vergleich dieses Verlaufs
mit einem weiteren Referenzverlauf beurteilt werden. Wir
erkannten, daß der Verlauf der Anfangssteilheit ebenfalls gut
geeignet ist, den Zustand des Isoliersystems zu
charakterisieren, und auf die Änderungen, die einen Einfluß auf
die Polarisationsphänomene mit langer Zeitkonstante haben,
empfindlich reagiert.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Anfangssteilheit der Wiederkehrspannung
durch deren Abtastung ermittelt, wobei die Abtastperiode gleich
ist der Periode des Wechselspannungsnetzes oder einem
ganzzahligen Mehrfachen dieser Periode, um durch Unterdrückung
netzfreguenter Störungen eine Messung der Anfangssteilheit mit
kleinem Fehler zu ermöglichen.
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Alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens
können dadurch ergänzt werden, daß nach dem Anlegen einer Lade-
Gleichspannung der Ladestrom als Funktion der Zeit gemessen
wird. Auf diese Weise kann die Zeitabhängigkeit des
Isolationswiderstands ermittelt werden. Der Vorteil dieser
Ausgestaltungsmöglichkeit besteht in der Gewinnung eines
weiteren Isolationskennwerts während desselben Testvorgangs, da
nämlich der Absorptionskoeffizient KA errechnet werden kann,
dessen Bestimmung in mehreren Normen vorgeschrieben ist.
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Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Hochspannungsquelle und
eine Spannungsmeßschaltung auf, wobei ein Pol der
Hochspannungsquelle mit einem ersten Meßanschluß der
Vorrichtung und der zweite Pol der Hochspannungsquelle über
einen ersten Reihenzweig-Schalter mit einem zweiten Meßanschluß
der Vorrichtung verbunden ist, wobei die Spannungsmeßschaltung
eine Wiederkehrspannungs-Meßeinheit aufweist, die über einen
ihrer Anschlüsse mit dem ersten Meßanschluß verbunden ist,
welcher seinerseits an einem ersten isolierten, elektrisch
leitenden Teil des Isoliersystems angeschlossen oder
anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres
isoliertes, elektrisch leitendes Teil des Isoliersystems mit
dem zweiten Meßanschluß verbunden istl wobei der zweite Pol der
Hochspannungsquelle mit dem zweiten Meßanschluß über den ersten
und einen zweiten Reihenzweig-Schalter verbunden ist; daß
hinter dem ersten Reihenzweig-Schalter ein Querzweig-
Kurzschlußschalter zwischen dem ersten Meßanschluß und einem
gemeinsamen Knoten der beiden Reihenzweig-Schalter eingefügt
ist; daß der zweite Anschluß der Meßeinheit mit dem zweiten
Meßanschluß verbunden ist, und zwar vorzugsweise über
wenigstens einen weiteren Reihenzweig-Schalter; daß ein
weiterer Querzweig-Kurzschlußschalter parallel zur Meßeinheit
geschaltet ist; und daß die Schalter vorzugsweise
Festkörperschalter sind.
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Die Vorteile einer solchen Vorrichtung bestehen in einer
kompakten Konstruktion und einer einfachen Handhabung. Der nach
dem ersten Reihenzweig-Schalter eingefügte Querzweig-
Kurzschlußschalter ermöglicht es, den Einfluß gelegentlicher
Leckströme der beiden Reihenzweig-Schalter zu beseitigen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
erf indungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Verbindung des
zweiten Meßanschlusses zu dem weiteren elektrisch leitenden
Teil des Isoliersystems mittels des Innenleiters 18 eines
doppelt abgeschirmten Kabels, und die Meßeinheit besteht aus
einer Elektrometerschaltung mit einem Anschluß, der über einen
Reihenschalter mit der inneren Abschirmung des Kabels verbunden
ist, während die äußere Abschirmung des Kabels geerdet ist.
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Durch diese vorteilhafte Anordnung können Fehler, die auf
die Kapazität und auf Leckströme zwischen dem Meßsystem und dem
Isoliersystem zurückgehen, ausgeschaltet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen dem Innenleiter und
der inneren Abschirmung ein Schalter angeordnet; außerdem kann
vorgesehen werden, daß der Eingangswiderstand der
Wiederkehrspannungs-Meßeinheit wenigstens 2x10¹³ Ohm beträgt.
Durch diese Maßnahmen erfolgt zum einen die Kompensation des
Anschlußleiters nur während der tatsächlichen Meßdauer, und zum
anderen erhöht der große Eingangswiderstand die
Testgenauigkeit.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen der
Hochspannungsguelle und einem der Meßanschlüsse eine
Strommeßeinheit eingefügt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit,
nicht nur die Parameter der Wiederkehrspannung, sondern auch
den Isolationswiderstand als Funktion der Zeit zu messen,
wodurch der Absorptionskoeffizient bestimmt werden kann.
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Die Schalter sind vorzugsweise Festkörperschalter. Dadurch
können die Nachteile mechanischer Schalter (Totzeit,
Kontaktprellen usw.) vermieden werden.
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Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung werden unter Bezug auf die beiliegenden, nur
alsBeispiele zu betrachtenden Zeichnungen näher erläutert;
darin zeigt
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Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Änderung des
Absorptionskoeffizienten KA=R&sub6;&sub0;/R&sub1;&sub0; als Funktion der
Papierfeuchtigkeit und der Temperatur im Fall eines Öl-Papier-
Isoliersystems;
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Fig. 2 die Aufladung mit einer Gleichspannung Uc während
einer Zeitdauer tc, das Entladen während einer Zeitdauer td und
den zeitlichen Verlauf der nachfolgend wiederkehrenden
Erholungs Spannung;
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Fig. 3 die Abhängigkeit des Werts Dr, des
Entwicklungsgrads der elementaren Polarisationsvorgänge,
gekennzeichnet durch eine Zeitkonstante T, die Ladezeit tc und
die Entladezeit td;
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Fig. 4 die Abhängigkeit des Werts Dr, des
Entwicklungsgrads der elementaren Polarisationsvorgänge,
gekennzeichnet durch die Zeitkonstante T und das Lade-
/Entladezeitverhältnis tc/td;
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Fig. 5 die Polarisationsverläufe von Öl-Papier-
Isoliersystemen
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a) in neuem Zustand, und
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b) in gealtertem Zustand;
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Fig. 6 das Verhältnis des Wiederkehrspannungs-Spitzenwerts
(Um) zu der Ladespannung (Uc) als Funktion der Zeit T bei
verschiedenen Feuchtigkeitswerten der Papierisolation für den
Fall von Öl-Papier-Isoliersystemen;
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Fig. 7 den Verlauf des Verhältnisses des gemessenem
Wiederkehrspannungs-Spitzenwerts (Um) zu der Ladespannung (Uc),
gemessen an Hochspannungstransformatoren verschiedenen Alters
mit unterschiedlich alten Öl-Papier-Isoliersystemen;
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Fig. 8 den Verlauf der Anfangssteilheit der
Wiederkehrspannung (Mr = tg αr), gemessen an denselben
Transformatoren wie bei Fig. 7; und
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Fig. 9 den Verlauf des Verhältnisses des gemessenem
Wiederkehrspannungs-Spitzenwerts (Um) zu der Ladespannung (Uc)
für einen Hochspannungstransformator mit einem Öl-Papier-
Isoliersystem nach einem Isolationszusammenbruch.
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Eine Untersuchung des Absorptionskoeffizienten KA, der für
den Fall von Isolierpapier in Fig. 1 als Funktion des
Feuchtegehalts und der Temperatur dargestellt ist, zeigt, daß
die weithin verwendete Messung des Werts KA keine eindeutige
Information über den Zustand des Isoliersystems ergibt. Die
Änderungen des Werts KA als Funktion von Feuchte und Temperatur
sind nicht monoton.
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Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen die Grundprinzipien der
Testmessung von Wiederkehrspannungen. Fig. 2 zeigt
hauptsächlich die Grundlagen.
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Die Kurve "a" in Fig. 3 zeigt das Entwicklungsverhältnis
"Dr" jener durch eine Zeitkonstante T gekennzeichneten
elementaren Polarisationsvorgänge, die während der Aufladephase
tc ausgelöst werden.
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Es ist ersichtlich, daß bei T< tc die Polarisationsvorgänge
sich praktisch vollständig entwickeln, d.h. Dr = 1. Konkretes
Beispiel: bei T=0,45 tc beträgt Dr = 0,9, und bei T> tc ist die
Ausbildung der Polarisationsvorgänge gering, konkretes
Beispiel: bei T=10 tc beträgt Dr = 0,1.
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Die Kurve "b" in Fig. 3 zeigt die wahrscheinliche
Rückbildung während der Kurzschluß- oder Entladungsphase td.
Die Kurve "c" in Fig. 3 zeigt schließlich die Resultierende,
d.h. in welchem Ausmaß - ausgedrückt als Wert Dr - die
elementaren Polarisationsvorgänge sich im aktivierten Zustand
befinden.
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Fig. 4 zeigt für ausgewählte Werte die Beziehung zwischen
dem Verhältnis tc/td und der Aktivierung der elementaren
Polarisationsvorgänge nach dem Laden, d.h. beim Erscheinen der
Wiederkehrspannung. Aus Fig. 4 geht hervor, daß die Wahl von
tc/td durch eine Abwägung zwischen der Empfindlichkeit der
Wiederkehrspannungsmessung und der Selektivitätsanforderung bei
der Bestimmung der einzelnen Polarisationsbereiche bestimmt
wird.
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Der Bereich von tc/td = 0,1 ... 100 schließt die
praktischen Fälle ein.
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Bei Wahl von tc/td = 2 wäre die mittlere Zeitkonstante Tm
gleich groß wie die Ladedauer. Für andere Werte von tc/td
betrüge Tm = ktc, wobei der Wert k durch den "Schwerpunkt" der
Fläche unter der Kurve "c" in Fig. 3 bestimmt ist.
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Fig. 5 zeigt, daß sich der Polarisationsverlauf von Öl-
Papier-Isoliersystemen beim Altern des Isoliersystems in den
Bereich verschiebt, der mittels Gleichspannung und
niederfreguenter Spannung untersucht werden kann. Es läßt sich
sagen, daß das Intervall nahe 50 Hz nur von sehr stark
gealterten Isoliersystemen aktiviert würde.
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Dies ist der Grund für die geringe diagnostische
Empfindlichkeit von tgδ-Messungen bei 50 Hz.
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Fig. 5 zeigt zugleich, daß der Zeitkonstantenbereich von
10&supmin;³ bis 10&sup4; Sekunden mit hoher Zuverlässigkeit alle durch
Alterung ausgelösten Änderungen einschließt.
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Fig. 6 faßt die durch das erfindungsgemäße Testverfahren
ermittelten Untersuchungsergebnisse zusammen. Aus Fig. 6 geht
hervor, daß eine Änderung des Feuchtegehalts von 0,5% bis 4% zu
einer eindeutigen Änderung der Kurvenverläufe führt. Die
dominante Zeitkonstante, die sich auf den Spitzenwert des
Verhältnisses Um/Uc bezieht, ändert sich im
Feuchtegehaltsbereich von 0,5% bis 4% für die einzelnen
Feuchtegehaltswerte um mehr als drei Größenordnungen.
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Dieses Testverfahren reagiert daher sehr empfindlich und
zuverlässig auf die Alterung von Isoliersystemen. Ein
Feuchtegehalt von 0,5% und die zugehörige dominante mittlere
Zeitkonstante von etwa 500s kennzeichnen ein gutes
Isoliersystem. Der Betrieb eines Isoliersystems mit einem
Feuchtegehalt von mehr als 3% - oder mit einer dominanten
mittleren Zeitkonstante von weniger als 1s - ist problematisch,
da die Gefahr eines Zusammenbruchs besteht. Bei einem
Feuchtegehalt unter 1 bis 1,5% - also im Zeitbereich von 0,01
bis 100s - liegt keine erhebliche feuchtigkeitsbedingte
Polarisation vor. Damit kann die Ansammlung von
alterungsbedingten Abbauprodukten aus der Änderung der
mittleren Zeitkonstanten gefolgert werden.
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Fig. 7 zeigt die Nützlichkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Der in Fig. 7 mit "1" bezeichnete Verlauf wurde an
einem neuen 765/410kV-Transformator gemessen. Die mit "2"
bezeichnete Kurve gehört zu einem 15 Jahre alten 120/20kV-
Transformator, wobei die mittlere Zeitkonstante unter
Berücksichtigung der in Fig. 6 gegebenen Information die
Schlußfolgerung erlaubt, daß der Feuchtegehalt 3% beträgt.
Dieser Transformator benötigt eine Ölaufbereitung zum Absenken
des Feuchtegehalts. Die mit "3" bezeichnete Kurve zeigt einen
gealterten Transformator; die herrschende mittlere
Zeitkonstante von weniger als 0,1s läßt auf einen Feuchtegehalt
von über 4% schließen. Die Nennspannung des Transformators
betrug 35/20kV, und die Betriebstemperatur lag meist unter
40ºC; diese Einheit konnte nur noch unter dieser geringen
elektrischen und thermischen Belastung betrieben werden.
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Fig. 8 zeigt die Verläufe der Anfangssteilheit der
Wiederkehrspannungen (Mr = tg αr, vgl. Fig. 2) für die
Transformatoren gemäß Fig. 7. Die Schlußfolgerungen aus Fig. 7
gelten auch für Fig. 8.
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Fig. 9 zeigt die Ergebnisse von Messungen an einem
120/20kV-Transformator, der im Betrieb bei einer Temperatur von
60ºC einen Isolationszusammenbruch erlitt. Die Messungen wurden
bei einer Temperatur von 20ºC durchgeführt. Die herrschende
mittlere Zeitkonstante würde - bei 60ºc gemessen - ungefähr um
eine Größenordnung kleiner sein als bei 20ºC. Sie würde sich
daher der Zeitspanne annähern, welche die dielektrischen
Verluste bei 50 Hz bestimmt.
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Nachstehend wird die Untersuchungsvorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe der in
den bei liegenden Zeichnungsfiguren gezeigten
Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Fig. 10 zeigt den Stromlaufplan der Wiederkehrspannungs-
Meßschaltung.
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Fig. 11 zeigt eine vorteilhafte Schaltungsanordnung
zwischen der Meßschaltung und dem Untersuchungsgegenstand, d.h.
dem zu untersuchenden lsoliersystem.
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Fig. 10 zeigt einen Stromlaufplan, in dem die
Testvorrichtung aus einer Hochspannungsquelle 1,
Spannungsmeßgeräten 2 und 13, einem Strommeßgerät 26 und einem
Schalternetzwerk mit Elementen 3, 4, 5, 11 und 12 besteht,
sowie das zu untersuchende System, welches durch einen
Kondensator 6 nachgebildet ist.
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Ein Pol oder Spannungsanschluß 7 der Hochspannungsguelle 1
ist mit einem (geerdeten) Meßanschluß 9 der Testvorrichtung und
unmittelbar mit einer Elektrode 24 des zu untersuchenden
Isoliersystems 6 verbunden. Der andere Pol oder
Spannungsanschluß 8 der Hochspannungsquelle 1 ist über
wenigstens zwei Reihenzweig-Schalter 3, 5 mit einem weiteren
Meßanschluß 25 verbunden, an dem die andere Elektrode 10 des
Isoliersystems 6 angeschlossen ist. Der erste Reihenzweig-
Schalter 3 wird von einem Schalter 4, der als
Kurzschlußschalter in einem Querzweig zwischen dem Meßanschluß
9 und dem gemeinsamen Knoten 29 der Schalter 3, 5 liegt, auf
Masse geschaltet. Eine Wiederkehrspannungs-Meßeinheit 13 liegt
mit einem Anschluß 14 am Meßanschluß 9, während ihr anderer
Anschluß 15 über wenigstens einen Reihenzweig-Schalter 11 und
einen Lastwiderstand 27 mit dem zweiten Meßanschluß 25
verbunden ist. Ein Querzweigschalter 12 schließt die
Spannungsmeßeinheit 13 kurz. Bei einer möglichen
Ausführungsform werden die Schalter durch Elektromagnete
betätigt und können zum Beispiel als Hochspannungs-Reedrelais
ausgebildet sein, in einer anderen Ausführungsform sind sie
Festkörper-Schalter.
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Die in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform ist eine
schematische Darstellung des Schaltkreises zwischen dem
Meßanschluß 25 und der Elektrode 10 des Isoliersystems 6; diese
Schaltung enthält ein doppelt abgeschirmtes Kabel 17 mit einem
Innenleiter 18. Die Spannungsmeßeinheit 13 besteht aus einer
Elektrometerschaltung. Deren Anschluß 21 ist über einen
Reihenschalter 22 mit der inneren Abschirmung 19 des Kabels 17
verbunden. Die äußere Abschirmung 20 ist geerdet.
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Dieser abgeschirmte Anschluß ist zum einen zur
Ausschaltung externer Interferenzen vorteilhaft, zum anderen
stellt die innere Abschirmung gemäß dieser Ausgestaltung
sicher, daß die durch die Kapazität der Kabelisolation
entstehenden Ströme nicht die Kapazität des Systems 6 aufladen;
dadurch steigt die Genauigkeit der Messung.
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Das in Fig. 10 gezeigte Strommeßgerät 26 erlaubt es, den
während der Ladephase fließenden Strom zu messen und dann den
Isolationswiderstand als solchen und als Funktion der Zeit zu
bestimmen, indem mit Hilfe des Spannungsmeßgeräts 2 das
Verhältnis zwischen Ladespannung und Ladestrom gemessen wird.
Wenn die Ladephase länger als 1 min ist, besteht zusätzlich die
Möglichkeit, mit derselben Testvorrichtung auch den Wert KA
= R&sub6;&sub0;/R&sub1;&sub0; zu bestimmen.
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Die Ausbildung der Spannungsmeßeinrichtung 13 der
Testvorrichtung (Elektrometereingang) ergibt einen
Eingangswiderstand von mehr als 2x10¹³ Ohm. Diese Ausbildung
gewährleistet die Genauigkeit der Messung auch bei einem
Isoliersystem guten Qualitätszustands.