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Einrichtung zur betriebsmäßigen Überwachung des Isolationszustandes
von elektrischen Maschinen und Apparaten Man hatte sich früher bei der Beurteilung
des Isolationszustandes von Maschinen und Apparaten mit der Messung des Isolationswiderstandes
bzw. dem Anlegen derPrüfspannung begnügt. Beide Verfahren geben jedoch kein einwandfreies
Bild über den - wirklichen Isolationszustand. Das wiederholte Anlegen der vollen
Prüfspannung kann im Gegenteil die Isolation so stark verschlechtern, daß bei der
normalen Betriebsspannung ein Durchschlag nach gewisser Zeit erfolgt. Nach neueren
Untersuchungen kann man sich ein einwandfreies Bild über die Isolation dadurch machen,
daß man die dielektrischen Verlustwinkel des betreffenden Isoliermaterials mißt.
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Die hierzu bisher bekannten Einrichtungen, insbesondere die Scheringsche
Hochspannungsbrücke, weisen jedoch hinsichtlich der Erdungsmöglichkeiten verschiedene
Nachteile auf, so daß diese Messungen in ihrer Anwendung auf die Laboratorien und
Prüffelder beschränkt blieben.
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Es ist auch eine Einrichtung bekanntgeworden, bei der eine Fehlwinkelnressung
an verlegten Hochspannungskabeln mit Hilfe einer Brückenschaltung vorgenommen wird,
deren einer Zweig über einen Spannungswandler an die Hochspannung angeschlossen
ist. Diese bekannte Anordnung benötigt indessen einstellbare Blindwiderstände, insbesondere
einstellbare Drosselspulen, die die Anordnung verhältnismäßig teuer und unübersichtlich
gestalten und nur bei Verwendung von Blindwiderständen einer Sonderbauart eine genaue
Messung ergeben.
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Ferner ist eine nach dem Prinzip der Schering-Brücke arbeitende Schaltung
für die Fehlwinkelmessung bei Spannungswandlern bekannt. Es wird auch hier eine
einstellbare Induktivität zur Abgleichung der Brücke verwendet. Für die betriebsmäßige
Überwachung isolierter Leiter in Apparaten und Maschinen ist aber gerade die Verwendung
von einstellbaren Wechselstromwiderständen nachteilig, da ihre Beschaffung mit erheblichen
Kosten verbunden ist.
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Die Erfindung betrifft eine Verbesserung dieser bekannten Einrichtungen.
Sie besteht darin, daß in die Isolationsschicht des zu überwachenden Leiters in
an sich bekannter
Weise in der Nähe des Erdpotentials ein Meßbelag
eingebettet wird, dessen Potential mittels einer herausgeführten Leitung mit eine*
an einem Ohmschen Spannungsteiler abge-: griffenen Potential verglichen wird, wobei
der Spannungsteiler über einen Spannungswandler von der an der zu überwachenden
Isolation liegenden Hochspannung gespeist wird.
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Für die Anwendung auf die Nutisolation einer elektrischen Maschine
ergibt sich beispielsweise das in Abb. I dargestellte Querschnittsbild. Nilit a
ist die Wicklung, mit c das Eisen bezeichnet. Dazwischen liegt die Isolation, beispielsweise
ein Mikanitrohr. Bei der Herstellung dieses Rohres wird kurz vor der Fertigstellung
ein leitender Belag b eingewickelt und eine Anschlußleitung herausgeführt, zweckmäßig
am Rohrende. Die vom Leiter a und dein Eisen c gebildete Kapazität Cat wird dadurch
in die beiden in Reihe geschalteten Kapazitäten Cab und Cc unterteilt, und an der
Kapazität CbÜ tritt ein Teil der Spannung Uae des Leiters a gegen Erde von der Größe
Utc Ua Cab Cab + Cbc auf. Diese Spannung wird in der in Abb. 2 dargestellten Schaltung
mit der von einem Spannungsteiler R abgegriffenen verglichen, wobei der Spannungsteiler
von der Sekundärwicklung eines Spannungswandlers W gespeist wird, dessen Hochspannungswicklung
einerseits an den zu überwachenden Leiter, andererseits an Erde angeschlossen ist.
Wird das Übersetzungsverhältnis des Wandlers mit ü, der an Erde liegende Teil des
Spannungsteilers mit Rl, sein Gesamtw derstand mit R bezeichnet, so ist die Teilspannung
zwischen Erde und dem Abgriff des Spannungsteilers U1 = Uac . 1 . R1 . ü R Die Gleichgewichtsbedingung
ist dann Utc UgoC oder Cab I R1 Uac Cab + Cbc = Uae u R Cab ~ R1 Cab + Cbc ü R Da
der Meßbelag in der Nähe des Erdpotentionals angeordnet werden soll, damit seine
Spannung gegen Erde klein bleibt, wird die Kapazität Ca klein gegen CZ,e, so daß
in Annäherung gilt Cab ~ R1 Cbc - üR R Die abgeleiteten Bedingungen gelten unter
der Voraussetzung, daß die Kapazitäten Ca und Cbc gleiche Verlustwinkel haben. Da
beide den gleichen Isolierstoff enthalten und gleichartig aufgebaut sind, ist diese
Bedingung im allgemeinen erfüllt. Kleine Unterschiede können durch einen sehr kleinen
Kondensator, zu zu dem Teil R1 des Spannungsteilers R parallel geschaltet wird,
ausgeglichen werden.
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Wenn der Verlustwinkel der Teilkapazität Cab größer ist als der von
Cbr, kann auch zu Cbc ein Ohmscher Widerstand parallel geschaltet werden. Wenn aber
an irgendeiner schwachen Stelle im Laufe der Zeit eine Zerstörung des Isolierstoffes
einsetzt,sowird die Abgleichung der Schaltung gestört, und das im Nullzweig eingeschaltete
Instrument zeigt einen Ausschlag.
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Wird als Nullinstrument ein Relais eingeschaltet, so erhält man auf
diese Weise einen äußerst empfindlichen und selektiv wirkenden Erdschlußschutz.
Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß er nicht erst bei bereits zerstörter Isolation,
also bei Erdschluß anspricht, sondern schon dann, wenn die Isolation angefressen
ist, also der tatsächliche Durchschlag in einiger Zeit zu erwarten ist.
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Aus mechanischen Gründen muß der Zwischenbelag b (Abb.I) einen gewissen
Abstand von der äußeren Oberfläche haben. Da die Gesamtstärke der Isolation bei
hochwertigen Materialien nicht sehr groß zu sein braucht, ergibt sich unter Umständen,
daß die Spannun des eingebetteten Meßbelages gegen Erde verhältnismäßig hoch ist.
In diesem Falle kann man durch Parallelschaltung eines weiteren Kondensators zu
Cbr die Spannung be liebig herabsetzen. Die Abgleichmöglichkeit bleibt gewahrt,
wenn dieser Kondensator den gleichen Verlustwinkel hat wie Cab und Cbc.
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Ist dies nicht der Fall, so muß man einen Kondensator mit kleinerem
Verlustwinkel als die zu überwachende Isolation wählen und diesem einen kleinen
Widerstand vorschalten.
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Unter Umständen kann auch ein großer Widerstand parallel geschaltet
werden. Man erzielt mit dieser Anordnung den weiteren Vorteil, daß auch etwaige
gleichmäßige Veränderungen der zu überwachenden Isolation in beiden Teilkapazitäten
sich in einer Störung des Nullabgleiches bemerkbar machen.
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Die Erfindung ist keineswegs auf die beschriebene Anordnung zur Überwachung
der Nutenisolation von Maschinen beschränkt, sie kann sinngemäß auch für den Schutz
von Transformatoren und anderen Hochspannungsapparaten angewendet werden.