Verlustfaktor 0.1Hz

Messplatz für
Laborleiter: Prof. Dr.-Ing. h. R. Haller
Laboring.: Dipl.- Ing.(FH) Günther Schmidt
Verlustfaktormessung
Hochspannungslabor
bei 0,1Hz
Da an die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von
Mittelspannungskabeln sehr hohe Anforderungen gestellt
werden, erfährt die Beurteilung des Alterung- bzw.
Schädigungszustandes in Mittelspannungsanlagen durch
Prüfungen vor Ort eine große Bedeutung. Ein spontanes
Versagen der Isolierung im Betrieb würde zu größeren
Problemen für Versorger und Abnehmer führen.
In Kabelanlagen der Mittelspannungsebene werden heute in
erster Linie Isolierungen aus vernetzten Polyethylen (VPE) und
vereinzelt noch aus Masse-Papier eingesetzt. Bei der Prüfung
der verschiedenen Kabeltypen interessiert vor allem die
Aufdeckung von betriebsgefährdenden Fehlstellen sowohl in
Kabeln als auch in den dazugehörigen Garnituren
(Endverschlüsse und Verbindungsmuffen).
Bei Kabeln mit PE/VPE-Isolierungen sind die häufigsten
Ursachen für betriebsgefährdende Schwachstellen in der vor
allem in älteren Kabelanlagen auftretenden water tree-Bildung
zu suchen. Im unten stehenden Bild 1 sind die Voraussetzungen
und Auswirkungen eines "inneren Fehlers" durch water trees
schematisch dargestellt.
Der dielektrische Verlustfaktor tan δ ist eine wichtige Größe zur
Beurteilung eines Isoliermediums. Die Höhe des Verlustfaktors
und seine Abhängigkeit von der Temperatur, der Frequenz und
der Spannung sind maßgebend für den Einsatz eines
Dielektrikums und gelten als Kriterium für Güte und
Reinheitsgrad sowie für den Alterungszustand.
Durchschlag
A
M
H
T
+
H
DM
0,1 H
z
Sinus
H
DM
U
DV
M
U
I
I
U
tan δ =
Wirkleistung U ⋅ I ⋅ cos ϕ I w
=
=
Blindleistung U ⋅ I ⋅ sin ϕ
Ib
I
I

Ib
U
U
I
Iw
Ib
angelegte Spannung
Gesamtstrom
Wirkstrom
Blindstrom
ϕ
Phasenverschiebungswinkel zwischen
Strom und Spannung
Verlustwinkel (900-ϕ )

δ
Bild 3:
U
Definition des Verlustfaktors
H
T
-
ST
Der dielektrische Verlustfaktor tan δ ist definiert als das
Verhältnis aus Wirkleistung zu Blindleistung einer an Spannung
liegenden Kapazität:
Iw
e le ctrical
tre e
Das folgende Bild 6 zeigt das komplette VLF-0,1 Hz-Testsystem
mit Peripheriegeräten:
K
Fe ldstärke
Z
e it
wate r tre e
Funktionsweise
Grundlagen
Allgemeines
Wasse r
Labormeister: Harry Sigler
tan
De l.
Bild 6: Blockschaltbild des 0,1 Hz-Testsystems mit
Perpheriegeräten
AM
ST
U
DVM
Elektronischer Amplitudenmodulator
Steuerung
Spannungseinstellung
Scheitelspannungsmeßgerät
HT Hochspannungstransformator
HDM
Hochspannungsdemodulator
K Kabel (Prüfling)
tan δ
Verlustfaktormeßgerät
Zur Erzeugung der 0,1 Hz-Sinusspannung dient im wesentlichen
das Steuerteil mit Regeleinrichtung, der Frequenzumrichter 50
Hz / 1000 Hz, 2 Hochspannungstransformatoren (1000 Hz), die
Gleichrichterkaskaden sowie die beiden VDR Widerstände. Im
Bild 7 ist die Schaltung zur Erzeugung der Prüfspannung
dargestellt.
Verluste eines Kabeldielektrikums
Störste lle
+
Bild 1: Vereinfachte Darstellung eines "inneren
Fehlers" durch water tree-Bildung
Leitungsverluste
Polarisationsverluste
Iw
Iw
RL
RP
Zusatzverluste
Ib
Cdiel
RZ
CZ
Iw
Ib
Kapazität des
idealen Dielektrikums
Water trees bilden sich an Störstellen (z. B.
Mikrohohlräumen, Verunreinigungen) innerhalb der
Isolierung oder an den Grenzschichten zwischen Isolierung
und Leitschichten. Nach ihrer Lage und Form werden sie in
bow-tie-trees und vented-trees unterteilt. In Bild 1 sind die
verschiedenen water tree-Arten schematisch dargestellt.
Widerstand durch Leitungsverluste
Widerst. durch Polarisationsverluste
Kabelkapazität
Zusatstzverluste durch water tree Alterung
Zusatzkapazität Wasseraufnahme des
Dielektrikums
Wirkstrom
Blindstrom
Aus dem obigen Ersatzschaltbild (Bild 4) kann der dielektrische
Verlustfaktor tan δ eines Kabeldielektrikums errechnet werden.
äußere Leitschicht
Isolierung
innere Leitschicht
Bild 1: Schematische Darstellung von water trees in
einer Kabelisolierung
Eine andere Ursache für den Ausfall von PE/VPE Kabeln im
Betrieb ist in der geringen Resistenz des Polyethylens
gegenüber Teilentladungen (TE) bzw. dem
Zerstörungsmechanismus electrical treeing zu suchen. Das
electrical treeing wird durch Fehlstellen initiiert, an denen
die Isolierung bereits mechanisch aufgebrochen ist (z. B.
eingedrückter Nagel, Hohlräume in der Isolierung durch
mangelnde Fertigung, schlecht verschweißte Leitschichten).
Außerdem kann es durch die Beanspruchung mit hohen
Feldstärken (an der Spitze leitfähiger Störstellen z. B.
vented-trees) zu Teilentladungen kommen. Wegen der im
Vergleich zum umgebenden PE bzw. VPE geringeren
elektrischen Festigkeit der gasgefüllten Hohlräume kommt es
bereits bei relativ geringen Spannungspegeln zum
elektrischen Durchschlag in den Hohlräumen. Diese
Entladungen bewirken eine Erosion des Isoliermaterials und
ein stetiges Vorwachsen der Kanäle. Electrical treeing kann
wegen des schnellen Voranwachsens von
Teilentladungskanälen bei Wechselspannung im Betrieb in
verhältnismäßig kurzer Zeit - verglichen mit water treeing zu einem Durchschlag des Kabels führen.
u
u
Der Verlustfaktor lässt sich in zwei Komponenten aufspalten,
wobei der tanδ L den Verlustfaktoranteil durch Trägerleitung,
(vorwiegend Ionen- und Elektronenleitung) und der tanδ P den
Verlustfaktoranteil durch Umpolarisation von Molekülen im
Dielektrikum beschreibt. Eine mögliche dritte Komponente tanδ I
ist der Verlustfaktoranteil der durch Ionisation im Dielektrikum
auftritt. Bei Kabeldielektrika wird dieser Anteil im Allgemeinen
vernachlässigt.
1kHz
DC
DC
Uact
+
50Hz
Uref
Die Schaltung zur Messung des Verlustwinkels ist in Bild 8
dargestellt. Der hochohmige Spannungsteiler wird auch zur
Ermittlung des Verlustwinkels δ verwendet. Der Verlustwinkel δ
wird durch die Abstandsmessung der Nulldurchgänge von
Kabelstrom und 0,1 Hz-Spannung ermittelt. Die störenden
Oberwellen der beiden Signale werden durch eine diskrete
Fourieranalyse dadurch eliminiert, daß nur die Grundwellen
berücksichtigt werden.
Sinus
0,1Hz
Cx
tan δ
u(t)
R1
~
tan δ = tan δ L + tan δ P + tan δ I
Gesamtverlustfaktor
Verlustfaktor durch Leitungsverluste
tan δ P
Verlustfaktor durch Polarisationsverluste
tan δ I
Verlustfaktor durch Ionsiationsverluste (bei Kabeln vernachlässigbar)
0,1Hz
Oszillator
Bild 7: Schaltbild des 0,1 Hz-Testsystems für die
Erzeugung der VLF-Sinusspannung
Filter
R2
MUX
i(t)
tan δ
tan δ L
-
Sinus
0,1Hz
220V ~
U
I
1
R
tan δ = w =
=
Ib ω ⋅ C ⋅ U ω ⋅ R ⋅ C
Leiter
VDR2
Bild 4: Ersatzschaltung zur Nachbildung der
Verluste eines Kabeldielektrikums
bow - tie tree
vented tree
RL
RP
Cdiel
RZ
CZ
VDR1
Co
BE
Bild 8:
SE
ADC
Filter
Optokoppler
PC
Schaltung zur Messung des Verlustfaktors für
das 0,1 Hz-Testsystem
BE
SE
R1,R2
Cx
Betriebserde
Schutzerde
hochohmiger Spannungsteiler
Kabel (Prüfling)
MUX
Multiplexer
ADC
Analog/Digital-Wandler
PC Personalcomputer
Anschluss der Prüfanlage „Vor- Ort“
Für Vor-Ort-Prüfungen wird die Prüfanlage nach
untenstehendem Schema (Bild 9) angeschlossen.
Verbindung VSE
Verbindung VSE
0,1Hz Meßw agenkabel
Schutzring
blaue Ader
VSE
SE-Meßw agenkabel gelb/grün
Vor- Ort-Prüfspannung
Im untenstehenden Bild 1 ist der zeitliche Verlauf der Prüfspannung mit 0,1 Hz dargestellt.
0s
5s
t
1 0s
Bild 1: Zeitlicher Verlauf einer VLF 0,1 Hz
Sinusspannung
SE
SE
SE = Schutzerde
BE = Betriebserde
VSE= Virtuelle Schutzerde
Achtung:
Schutzring bzw.VSE darf SE nicht berühren, ansonsten Fehlmessung! Zwischen Schutzring und
Schrim sollten ca. 3 cm Abstand sein!
Bild9:
U
Schutzring
Anschlußschema der Spannungsprüfanlage für
Vor-Ort-Prüfungen