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Untersuchungen zur Zündfähigkeit von Teilentladungen an Wicklungen von Hochspannungsmaschinen

20.10.2010

Mit elektrischen Entladungen muss gerechnet werden, wenn die kritische Feldstärke überschritten wird. In inhomogenen Feldern treten erste Teilentladungen bei geringer Spannung auf, so dass eine Hochspannungsmaschine bei Bemessungsspannung Teilentladungen erzeugt. Die Bestimmung der Ladungsmenge einzelner Entladungen bei der Prüfung der Ständerwicklung ermöglicht eine messtechnische Aussage im Gegensatz zu einer einfachen Ja/Nein-Aussage hinsichtlich einer möglichen Zündung.  Die Elektrostatik definiert sicherheitstechnische Grenzwerte für die übertragene Ladung von z.B. 10 nC für die Gruppe IIC (Wasserstoff/Luft). Da die Entladungsformen der Elektrostatik und bei der Ständerwicklung prinzipiell vergleichbar sind, ist ein messtechnischer Ansatz auch für die Untersuchung der Ständerwicklung sinnvoll.

Versuchsaufbau und –Durchführung

Zur Untersuchung der Ladungsmenge der Entladungen bei 50 Hz Wechselspannung wird über einen Stelltransformator (0...230V) der Hochspannungstransformator gespeist. Über eine Induktivität ist der Prüfkreis von der Versorgungsspannung entkoppelt. Die Teilentladungsmesseinheit (MI) ist über einen Koppelkondensator mit der Hochspannung verbunden (Bild 1). Der Entladungsverlauf wird mit dem Oszilloskop aufgezeichnet, abgespeichert sowie über die Schnittstelle mit dem PC ausgelesen und ausgewertet. Die Spannung des Prüflings (P) wird über einen Teiler (ST) oszillografiert. Als Prüfling wurden Spitze/Platteanordnungen, unterschiedliche Isolationsmodelle und komplette Hochspannungswicklungen eingesetzt. Vor der eigentlichen Messung wird der Versuchsaufbau mit einem Kalibrator für Entladungspulse von 200pC...20nC abgeglichen.

Schematischer Versuchsaufbau zur Bestimmung der Ladungsmenge in Abhängigkeit der Spannung (50 Hz)

Bild1: Schematischer Versuchsaufbau zur Bestimmung der Ladungsmenge in Abhängigkeit der Spannung (50 Hz)

In Bild 2 ist die Ladungsmenge in Abhängigkeit der Scheitelwertspannung
(50 Hz) einer Spitze/Platteanordnung für verschiedene Schlagweiten dargestellt. Für die jeweilige Schlagweite beginnen erste Entladungen oberhalb der kritischen Feldstärke, dabei nimmt die Einsetzspannung mit der Schlagweite zu. Zunächst bleibt die Ladungsmenge mit zunehmender Spannung konstant, um im weiteren Verlauf stark proportional mit der Spannung zuzunehmen. Die Spannung für den “Knickpunkt” nimmt mit zunehmender Schlagweite zu. Schließlich geht die Entladung in einen Funkendurchschlag über, der in jedem Fall zündfähig ist.

Ladungsmenge in Abhängigkeit der Scheitelspannung (50 Hz), Spitze-Platte-Anordnung unterschiedlicher Schlagweiten (inhomogenes Feld)

Bild 2: Ladungsmenge in Abhängigkeit der Scheitelspannung (50 Hz), Spitze-Platte-Anordnung unterschiedlicher Schlagweiten (inhomogenes Feld)


Die Ladungsmenge eines Wicklungsmodells einer 11 kV HS-Maschine ist in Bild 3 in Abhängigkeit der Prüfspannung dargestellt. Der Verlauf der Phase U zeigt einen steilen Anstieg der Ladungsmenge, während die Phase V ab einer kritischen Spannung eher proportional ansteigend ist. Die Ladungsmenge für beide Phasen verläuft nahezu konstant deutlich unterhalb der Verläufe für die einzelnen Phasen. Hieraus folgt, dass die Isolation zwischen den Phasen kritischer als zwischen den Phasen und dem geerdeten Gehäuse ist. Die Prüfspannung nach Norm beträgt 16,5 kV. Die bestimmten Ladungsmengen sind bis einschließlich der Prüfspannung geringer als der Grenzwert von 10 nC für Wasserstoff/Luftgemische. Die Wicklung hat die Typprüfung bestanden.

Ladungsmenge in Abhängigkeit der Effektivspannung einer Hochspannungswicklung (Phasen U, V und U-V gegen Erde)

Bild 3: Ladungsmenge in Abhängigkeit der Effektivspannung einer Hochspannungswicklung (Phasen U, V und U-V gegen Erde)

Die Prüfung der Isolationssysteme für Bemessungsspannungen > 1kV in explosionsfähiger Atmosphäre ist aufwendig und liefert lediglich eine Ja/Nein-Information. Die Messung der Ladungsmenge liefert auch eine Information, ohne dass der Prüfling sich in explosionsfähiger Atmosphäre befinden muss. So lassen sich im Vorfeld wichtige Aussagen über das Isolationssystem und dessen Schwachstellen bestimmen. Entscheidende Aussagen sind z.B. die Einsetzspannung oder ein sprunghafter Anstieg der Ladungsmenge oberhalb kritischer Werte.

Ansprechpartner:

F. Lienesch, AG 3.72, frank.lienesch(at)ptb.de