Versuch 017 - Universität Stuttgart
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Grundlagenpraktikum Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik Versuch 017 Erzeugung und Messung von Stossspannungen Versuchsort: IEH, Pfaffenwaldring 47, ETI 2, Raum 0.310 Inhalt des Versuchs Mit Stossspannungen werden Überspannungen nachgebildet sowie deren Auswirkungen auf Geräte und Betriebsmittel untersucht. Auch für die experimentelle Arbeit an Durchschlagsvorgängen werden sie eingesetzt. Im Versuch werden Aufbau und Wirkungsweise eines einstufigen Stossspannungsgenerators untersucht. Einflüsse der Parameter wie die Höhe der Ladespannung, die Schlagweite der Zündfunkenstrecke, die Größe der Prüfkapazität sowie der Zusammenhang zwischen den Bauteilen des Generators und der erzeugten Impulsform werden experimentell ermittelt und diskutiert. Abschließend wird das Verhalten von Ableitern, die zur Spannungsbegrenzung in Mittelspannungsnetzen eingesetzt werden, untersucht. Für die Messungen und Auswertungen wird ein modernes digitales Speicheroszilloskop eingesetzt. ! IEH Lesen Sie zur Vorbereitung den ganzen Umdruck durch. Die Fragen (auch diejenigen im Abschnitt Versuchsdurchführung) sind als Vorbereitung zu beantworten. Die Aufgaben sollen während der Versuchsdurchführung gelöst werden. Universität Stuttgart IEH Universität Stuttgart 1 Inhalt: Inhaltsverzeichnis ........................................................................................... 1 Einleitung ........................................................................................................ 1 1 Definition von Stoßspannungen (VDE 0432) ............................................... 2 1.1 Volle Blitzstoßspannung .................................................................................. 2 1.2 Schaltstoßspannung .......................................................................................... 3 1.3 Abgeschnittene Blitzstoßspannung .................................................................. 3 2 Erzeugung von Stoßspannungen ......................................................... 4 2.1 Aufbau eines einstufigen Stoßgenerators ......................................................... 4 2.2 Funktionsweise ................................................................................................. 4 2.3 Wirkungsgrad des Stoßgenerators .................................................................... 5 2.4 Stoßenergie des Stoßgenerators........................................................................ 5 2.5 Die Kugelfunkenstrecke als Zündfunkenstrecke .............................................. 6 2.5.1 Der Triggerbereich der Zündfunkenstrecke ..................................................... 6 2.6 Vervielfacherschaltung nach Marx................................................................... 6 2.7 Die Stoßkennlinie ............................................................................................. 7 2.8 Berechnung einstufiger Stoßspannungsgeneratoren......................................... 8 2.8.1 Näherungsgleichungen ..................................................................................... 9 3 Spannungsmessung ...................................................................................... 10 4 Überspannungsschutz durch Ableiter .................................................11 4.1 Die wichtigsten Kenngrößen eines Ventilableiters ........................................ 11 4.2 Funktionsweise eines SiC-Ventilableiters ...................................................... 12 4.3 Metalloxid-Ableiter und seine Funktionsweise ............................................. 13 5 Versuchsdurchführung .....................................................................14 Einleitung Für die Bemessung der Isolierungen von Betriebsmitteln, die in der Hochspannungstechnik und in der elektrischen Energieversorgung eingesetzt werden (z.B. Transformatoren, Kabel, Hochspannungskondensatoren, Kompensationsdrosseln, Wandler usw.), ist nicht die höchste, dauernd zulässige Betriebswechselspannung maßgebend. Wichtiger sind meist die kurzzeitig wirkenden Überspannungen, denen die Isolierungen während des Betriebs ausgesetzt sein können. Sie weisen oft einen hohen Scheitelwert auf, der für den Durchschlag fast sämtlicher Isoliermittel maßgebend ist. Man unterscheidet zwischen "inneren" und "äußeren" Überspannungen. Unter äußeren Überspannungen versteht man atmosphärische Überspannungen, die auftreten, wenn ein Blitz in Maste, Leiter bzw. Erdseile einschlägt oder wenn eine Blitzentladung in Leitungsnähe erfolgt und dadurch Spannungen in elektrischen Leitern induziert werden. Innere Überspannungen entstehen bei gewollten oder ungewollten Schaltvorgängen, z. B. durch Zu- oder Abschalten von Maschinen, Transformatoren oder Leitungen, aber auch durch Betriebsstörungen wie Kurz- oder Erdschlüsse, Bruch eines Leiters usw.. Zur Überprüfung, ob die Isolierungen von Betriebsmitteln den im Betrieb möglichen Beanspruchungen standhalten, sind Hochspannungsprüfungen erforderlich. Dabei werden die Betriebsmittel mit Prüfwechsel- bzw. mit Stoßspannungen beaufschlagt. Die Prüflinge müssen dabei den in den VDE 0111 festgelegten Nenn-StehSpannungen standhalten (s. Tabelle 1). Für die Spannungsebene bis 300 kV wird mit Wechselspannung und Blitzstoßspannung, für Spannungen über 300 kV mit Blitz- und Schaltstoßspannung geprüft. Höchste Spannung für Betriebsmittel Ua (Effektivwert) kV IEH Nenn-Steh-Blitzstoßspannung UrB (Scheitelwert) KV Nenn-StehWechselspannung Urw (Effektivwert) kV Universität Stuttgart 2 Liste 1 20 40 60 75 95 145 3,6 7,2 12 17,5 24 36 Tabelle 1: 1 Liste 2 40 60 75 95 125 170 10 20 28 38 50 70 genormte Leiter-Leiter-Isolationspegel für 1 kV < Um < 52 kV Liste 2: Freileitungsnetz; Liste 1: Kabelnetz mit Ableiterschutz (verminderte Stoßspannung) Definition von Stoßspannungen (VDE 0432) Stoßspannungen sind impulsförmige Spannungen, die schnell auf ihren Scheitelwert û ansteigen und dann langsamer wieder auf den Wert 0 abfallen. Sie lassen sich näherungsweise als Summe zweier Exponentialfunktionen darstellen. (siehe 2.8 - Die Berechnung des einstufigen Stoßgenerators) Äußere oder atmosphärische Überspannungen, die z. B. in Folge von Blitzeinschlägen auftreten, werden durch Blitzstoßspannungen mit Anstiegszeiten von ca. 1 µs nachgebildet. Innere Überspannungen, meist ausgelöst durch Schalthandlungen, werden durch Schaltstoßspannungen mit ca. 100 – 500 µs Anstiegszeit nachgebildet. Die in der Hochspannungsprüftechnik verwendeten genormten Prüf-Stoßspannungen (PrüfBlitzstoßspannungen und Prüf-Schaltstoßspannungen) werden in der Norm VDE 0432 Teil 2 beschrieben. 1.1 Volle Blitzstoßspannung Eine volle Stoßspannung ist dadurch gekennzeichnet, dass weder ein gewollter (z. B. durch eine Abschneidfunkenstrecke) noch ein ungewollter Durchschlag (z. B. durch einen Isolationsdurchschlag im Prüfling) auftritt. Die volle Blitzstoßspannung mit der Stirnzeit T1 = 1,2 µs und der Rückenhalbwertszeit T2 = 50 µs (Blitzstoßspannung 1,2/50) nennt man auch Vorzugs-Blitzstoßspannung. 1 B 0,9 u = u(t)/û 0,5 A 0,3 T 0 T1 01 Bild 1 IEH T2 t Verlauf einer vollen Blitzstoßspannung Universität Stuttgart 3 T T1 T2 û 01 Zeitspanne, in der die Stoßspannung von 30% auf 90% ihres Scheitelwertes ansteigt. Stirnzeit, festgelegt als 1,67 . T Rückenhalbwertszeit Scheitelwert Stoßbeginn, der Zeitpunkt 0,3 . T1 vor A Zulässige Abweichungen +/- 30 % +/- 20 % +/- 3 % für die Stirnzeit T1 für die Rückenhalbwertszeit T2 für den Scheitelwert û Meist ist der Stirnverlauf der Blitzstoßspannung messtechnisch nur schwer erfassbar (siehe dazu 2.8.1). Deshalb wird als Hilfskonstruktion zur Bestimmung der Stirnzeit eine Gerade durch die Punkte A und B eingeführt. Die Stirnzeit T1 ist dann die Zeitspanne, in der diese Gerade von 0 auf den Scheitelwert û der Blitzstoßspannung ansteigt. Der (theoretische) Stoßbeginn 01 ist durch den Schnittpunkt der Stirngerade mit der Zeitachse festgelegt. 1.2 Schaltstoßspannung Die in der Regel verwendete volle Schaltstoßspannung mit einer Scheitelzeit Tcr = 250 µs und einer Rückenhalbwertszeit T2 = 2500 µs wird Vorzugs-Schaltstoßspannung oder auch Schaltstoßspannung 250/2500 genannt. 1 0,9 Td u = u(t)/û 0,5 0 T cr T2 0 Bild 2 û Tcr t Schaltstoßspannung Scheitelwert Scheitelzeit (time to crest) T2 Td Rückenhalbwertszeit Scheiteldauer Bei der Messung des im Vergleich zur Blitzstoßspannung wesentlich längeren Impulses der Schaltstoßspannung ist die Scheitelzeit Tcr die Zeitspanne zwischen dem tatsächlichen Beginn der Stoßspannung und dem Augenblick, in dem die Spannung ihren Höchstwert erreicht. Die Rückenhalbwertszeit T2 ist die Zeitspanne zwischen dem tatsächlichen Beginn und dem Augenblick im Rücken, in dem sich die Spannung auf den halben Scheitelwert vermindert hat. Die Scheiteldauer Td ist die Zeitspanne, während der die Schaltstoßspannung 90 % ihres Scheitelwertes übersteigt. 1.3 Abgeschnittene Blitzstoßspannung Tritt im Prüfkreis während einer Hochspannungsprüfung mit Blitzstoßspannung ein Durchschlag am Prüfling auf, der einen steilen Zusammenbruch der Spannung bewirkt, spricht man von einer IEH Universität Stuttgart 4 abgeschnittenen Blitzstoßspannung. Der Zusammenbruch kann in der Stirn, im Scheitel oder im Rücken auftreten. u = u(t)/û u = u(t)/û 0 Tc 0 t 01 Tc t 01 Bild 3 Abgeschnittene Blitzstoßspannung mit Durchbruch in der Stirn und im Rücken der Blitzstoßspannung Die Abschneidezeit Tc ist die Zeitspanne zwischen Stoßbeginn 01 und dem Augenblick der ersten Unstetigkeit. Die genormte Spannung ergibt sich aus der Höhe der Blitzstoßspannung in diesem Moment. 2 Erzeugung von Stoßspannungen Stoßspannungen werden von einem Stoßspannungsgenerator erzeugt, der in der Regel aus einer Anzahl von Kondensatoren besteht, die mit Gleichspannung parallel aufgeladen und dann in Reihe in den Prüfkreis entladen werden. Die Impulsform hängt von den Dämpfungs- und Entladewiderständen sowie von den Stoß- und Belastungskapazitäten ab. Die einfachste Form eines Stoßspannungsgenerators ist der einstufige Stoßgenerator, dessen Aufbau Bild 4 zeigt. 2.1 Aufbau eines einstufigen Stoßgenerators RL us Rd ZF Rv U0 Cs Re Cb u up Bild 4 up us U0 u 2.2 Stoßspannungsschaltung Primärwechselspannung Sekundärwechselspannung Ladegleichspannung Stoßspannung RL Rd Re ZF Ladewiderstand Dämpfungswiderstand Entladewiderstand Zündfunkenstrecke Rv Cs Cb Entladewiderstand für Cs Stoßkapazität Belastungskapazität Funktionsweise Zunächst wird die Stoßkapazität Cs über den Ladewiderstand RL auf ihren Endwert (die Ladegleichspannung U0) aufgeladen. RL ist dabei so hochohmig gewählt, dass der speisende Transformator nach dem Aufladen von Cs für schnelle Vorgänge als vom Stoßgenerator abgetrennt angesehen werden kann. Der ebenfalls hochohmige, zu Cs parallel geschaltete Widerstand Rv dient zur Entladung von Cs für IEH Universität Stuttgart 5 den Fall, dass die Ladespannung gesenkt werden soll. Nach dem Zünden der Zündfunkenstrecke ZF (entweder durch Erhöhung von U0 bis über die Durchschlagspannung der ZF oder durch Triggerung) wird die Belastungskapazität Cb über den Dämpfungswiderstand Rd soweit aufgeladen, bis Cs und Cb dasselbe Potential besitzen. Näherungsweise lässt sich dieser Anstieg auf den Scheitelwert û (die Stirn der Blitzstoßspannung) als eine e-Funktion mit der Zeitkonstanten Rd.Cb darstellen. Cs und Cb entladen sich nun über Re bzw. Rd und Re. Hierbei ist zu beachten, dass der Lichtbogen an der Zündfunkenstrecke weiterhin besteht. Die dazu nötige Energie stammt aus der Ladung von Cs. Dieser Entladevorgang (Rücken) kann durch eine Exponentialfunktion mit der Zeitkonstanten (C +C ).R angenähert werden. s Frage: 2.3 b e Erläutern Sie den Begriff „Zeitkonstante“ bei einem einfachen RC-Glied? Nach welcher Zeit t0,5 ist bei einem Entladevorgang die Spannung auf die Hälfte gesunken? Wirkungsgrad des Stoßgenerators Der Wirkungsgrad des Stoßspannungsgenerators ist festgelegt als û U0 (1) Da sich zu Beginn die in der Stoßkapazität Cs gespeicherte Ladung Q = U0.Cs nach dem Zünden von ZF auf die Kapazität Cs + Cb aufteilt, ist der erreichbare Scheitelwert û der Stoßspannung stets kleiner als die Ladespannung U0. Wie leicht ersichtlich ist, gilt somit für die obige Schaltung. Cs C s Cb (2) Da der Scheitelwert û der Stoßspannung bei gegebener Ladespannung U0 möglichst hoch sein soll, fordert man einen großen Wirkungsgrad . Deswegen gilt in der Praxis: Cs 5 Cb (3a) bzw. Cs 5 CB (3b) Bei einer bekannten Gesamtbelastungskapazität CB lässt sich aus (3b) die erforderliche Größe der Stoßkapazität Cs abschätzen. Die Gesamtbelastungskapazität setzt sich aus der Kapazität Cb des Stoßgenerators, der Prüflingskapazität Cp und allen zusätzlich im Prüfkreis angeschlossenen Kapazitäten zusammen (z.B. ist auch die Kapazität eines zu Messzwecken angeschlossenen kapazitiven Spannungswandlers zu berücksichtigen). 2.4 Stoßenergie des Stoßgenerators Beim Zünden der Zündfunkenstrecke ZF ist der Stoßkondensator Cs auf die Spannung U0 aufgeladen. Für die bei der Entladung umgesetzte Stoßenergie ergibt sich damit W 1 2 Cs U 0 2 (4a) Setzt man in diese Beziehung für U0 die höchstmögliche Ladespannung U0max ein, so erhält man eine wichtige, charakteristische Größe des Stoßgenerators, die maximale Stoßenergie Wmax IEH 1 2 Cs U 0 max 2 (4b) Universität Stuttgart 6 Frage: IEH Wie groß ist die Stoßenergie des im Versuch verwendeten Stoßgenerators (Cs = 6000 pF) bei einer Ladespannung von U0 = 120 kV? Universität Stuttgart 7 2.5 Die Kugelfunkenstrecke als Zündfunkenstrecke Bei gegebenem Durchmesser der Kugeln einer Zündfunkenstrecke (ZF) sowie bei bekannter Temperatur, absoluter Luftfeuchtigkeit und bekanntem Luftdruck ist die Durchschlagsspannung Ud der Funkenstrecke durch den Kugelabstand d festgelegt. Dadurch kann eine Erhöhung des Scheitelwerts û einer Stoßspannung nur durch die Vergrößerung der Schlagweite der ZF erreicht werden. Eine Erhöhung der Sekundärwechselspannung us vor dem Ladewiderstand RL hat zur Folge, dass sich Cs schneller auf die Durchschlagsspannung auflädt und die ZF in kürzeren Zeitabständen durchzündet. Es wird also die Stoßfolge, nicht jedoch die Amplitude der erzeugten Stoßspannung vergrößert. 2.5.1 Der Triggerbereich der Zündfunkenstrecke Bei fest eingestelltem Kugelabstand d der Zündfunkenstrecke muss die Spannung U0 an der Stoßkapazität auf die Durchschlagsspannung der ZF eingestellt werden, damit ein selbständiger Durchschlag stattfindet. Durch Triggerung wird schon bei wesentlich kleineren Ladespannungen ein Durchschlag erreicht. Dabei wird an der Oberfläche der Kugel, die an der Ladespannung der Stoßkapazität Cs liegt, ein HilfsZündfunken erzeugt, dessen Funkenenergie bei jeder Triggerung gleich groß ist. Werden die Spannungswerte, bei denen selbständige Durchschläge erfolgen, und die Spannungswerte, bei denen durch Triggerung bei möglichst kleiner Ladespannung gerade noch Durchschläge erreicht werden, über dem Kugelabstand d in einem Diagramm aufgetragen, erhält man die obere und untere Triggergrenze der Zündfunkenstrecke (s. Bild 5). U0 Triggerbereich Kugelabstand d Bild 5 Frage: 2.6 Triggerbereich einer Kugelfunkenstrecke Welche Funktion erfüllt die Zündfunkenstrecke in dieser Schaltung und welchem anderen Bauelement der Elektrotechnik entspricht sie damit? Vervielfacherschaltung nach Marx (zur Hintergrundinformation; diese Schaltung wird im Versuch nicht verwendet) Die Höhe der Stoßspannungen, die sich mit einem einfachen Stoßspannungsgenerator erzeugen lassen, ist im wesentlichen durch die Spannungsfestigkeit der Bauelemente des Spannungsgenerators begrenzt. Sie liegt bei etwa 200 kV. Zur Erzeugung sehr hoher Stoßspannungen (bis ca. 6 MV) werden daher Vervielfacherschaltungen nach Marx eingesetzt. IEH Universität Stuttgart 8 n=3 R´d ZF R´e C´s U´0 R´d R´L ZF u(t) R´e C´b C´s U´0 R´d R´L ZF R´L R´e C´s U´0 Bild 6 Vervielfacherschaltung nach Marx zur Erzeugung hoher Stoßspannungen Dabei werden n Stoßkapazitäten Cs´ über n Ladewiderstände RL´ parallel jeweils auf die Stufenladespannung U0´ aufgeladen und durch das Zünden von n Zündfunkenstrecken ZF in Reihe geschaltet und in den Prüfkreis entladen. Dadurch ergibt sich die Stoßspannungsamplitude û = .n.U0´ (5) Die wirksame Stoßkapazität errechnet sich aus der Reihenschaltung der Stoßkapazitäten Cs´ der einzelnen Stufen. Die Dämpfungs- und Entladewiderstände sind bei mehrstufigen Generatoren auf die einzelnen Stufen verteilt. 2.7 Die Stoßkennlinie Wird bei einer Hochspannungsprüfung ein Betriebsmittel mit Stoßspannungen einer bestimmten Form (z.B. 1,2/50) und einem höheren Scheitelwert als für einen Durchschlag erforderlich beansprucht, so spricht man von überschießenden Stoßspannungen. Je höher der Scheitelwert û der vollen Blitzstoßspannung ist, um so kürzer wird die Zeit Tc bis zum Durchschlag eines angeschlossenen Prüflings. Bei mehreren Messungen mit verschiedenen Scheitelwerten der vollen Blitzstoßspannung erhält man so verschiedene Durchschlagszeiten mit dazugehörigen normierten Spannungswerten im Augenblick vor dem Durchschlag. Bei ausreichender Messpunktzahl lässt sich die Stoßkennlinie des Prüflings interpolieren. U volle Blitzstoßspannung Stoßkennlinie abgeschnittene Blitzstoßspannung T Bild 7 IEH c Stoßkennlinie aus der Interpolation mehrerer Messwerte Universität Stuttgart 9 Frage: 2.8 Was könnte der Grund für die zu kürzeren Zeiten Tc hin leicht ansteigende Stoßkennlinie sein? Berechnung einstufiger Stoßspannungsgeneratoren Zur Bemessung von Schaltungen zur Erzeugung von Stoßspannungen sind Beziehungen zwischen den Werten der Schaltelemente und den Kenngrößen der Spannungsform der gewünschten Stoßspannung erforderlich. Die etwas längere Rechnung soll hier nicht durchgeführt werden. Es werden lediglich die maßgeblichen Gleichungen und die sich daraus ergebenden Ergebnisse sowie deren Vereinfachung angegeben. Die Schaltung nach Bild 4 enthält unter der Annahme, dass die Induktivitäten im Prüfkreis vernachlässigbar sind, zwei Energiespeicher. Der Stoßspannungskreis kann daher durch eine homogene Differentialgleichung 2. Ordnung beschrieben werden. d 2u t du t B B0 u t 0 1 dt dt 2 (6) Die konstanten Koeffizienten B1 und B0 werden durch die Bauelemente Re, Rd, Cb, Cs bestimmt. B0 1 Re Rd Cb Cs Durch den Ansatz u t B1 (7) 1 t u t k1 e U0 Rd Cb 1 2 2 t k2 e 1 t e 2 t e 1 Rd Cb 1 Rd Cs 1 Re Cs (8) erhält man die Lösung: (9a) 2 mit und 1 1 1 , 2 B1 B1 B0 2 2 1 1 1 2 Ta Tb (9b) Damit erhält man die vollständige Lösung: U0 u t 1 1 Rd C b Tb Ta t Tt Tb a e e (10) Ta und Tb sind die Zeitkonstanten der beiden Exponentialfunktionen, die Stirn, bzw. Rücken der Blitzstoßspannung vorwiegend bestimmen. Durch sie ist der Verlauf der Stoßspannung eindeutig beschrieben. Folglich sind auch die Kenngrößen T1 und T2 Funktionen von Ta und Tb. T1 IEH 2 Tb b (11) T2 2 a Ta (12) Universität Stuttgart 10 u(t) û Exponentialfunktion für die Stirn resultierende Blitzstoßspannung 0.5 û t 0 10 20 30 40 50 60 µs Exponentialfunktion für den Rücken -0.5 û Bild 8 Zeitlicher Verlauf der Exponentialfunktionen und deren Überlagerung zur resultierenden Stoßspannung Damit lässt sich die Blitzstoßspannung als Überlagerung zweier e-Funktionen verstehen, wobei die Stirn, d.h. das Aufladen der Belastungskapazität Cb, von einer e-Funktion mit einer kleinen Zeitkonstante dominiert wird und der Rücken der Stoßspannung, d.h. das Entladen der Belastungskapazität und der Stoßkapazität über Re, von einer e-Funktion mit größerer Zeitkonstante. 2.8.1 Näherungsgleichungen Mit Re.Cs >> Rd.Cb ergeben sich für die Berechnung von Stoßspannungsschaltungen die folgenden Näherungsgleichungen (13) bis (15) für die im Versuch aufgebaute Schaltung. Cs Cb 2 C s Cb b Cs T1 Rd (13) (15) Cs Cb T2 Re Cs Cb 1 a (14) wobei für die Blitzstoßspannung 1,2/50 gilt: a = 1,37 und b = 0,67 Mit der Annahme Cs >> Cb und Rd << Re erhält man als weitere Vereinfachung T1 Rd Cb Cs Cs Cb 2 b (16) T2 Re Cs 1 a (17) (18) Bei realen Blitzstoßspannungen weicht die Spannungsform vor allem in der Stirn und im Scheitel oft erheblich vom theoretischen Verlauf ab. Ursache hierfür sind die unvermeidlichen Induktivitäten der Bauelemente, aber auch der räumliche Aufbau des Stoßgenerators und des Prüflings. Als Folge davon kann es zu der Stoßspannung überlagerten Schwingungen kommen. Am stärksten tritt dieser Effekt bei hohen, mit einer Vervielfacherschaltung erzeugten Blitzstoßspannungen auf, da dort mehrere Zündfunkenstrecken "gleichzeitig" gezündet werden sollten, was aber nicht genügend genau machbar ist. Durch diese geringe zeitliche Verschiebung der einzelnen Zündzeitpunkte zueinander kommt es besonders im unteren Teil der Stirn zu Schwingungen. Dies ist auch der Grund, weshalb zur Messung der Blitzstoßspannung die Anstiegsflanke durch eine Gerade angenähert wird. IEH Universität Stuttgart 11 3 Spannungsmessung Um eine Blitzstoßspannung messen oder aufzeichnen zu können, muss die Hochspannung auf kleine Pegel umgesetzt werden. Hierzu werden Spannungsteiler eingesetzt, die je nach Anwendungsfall als ohmscher, kapazitiver oder gemischter Teiler ausgeführt sein können. So werden zur Messung von Gleichspannungen in der Regel hochohmige Widerstandsteiler und zur Messung von Wechselspannungen meist kapazitive Spannungsteiler eingesetzt. Bei dem aufgebauten Stoßgenerator im Versuch wird die Ladespannung über einen ohmschen Teiler gemessen und der Verlauf der Stoßspannung über einen kapazitiven Teiler aufgezeichnet. 1/2 R 1 2 C1 1/2 R 1 U1 CE CE U2 R2 Bild 9 2 C1 U1 C2 U2 Vereinfachte Ersatzschaltbilder eines ohmschen und eines kapazitiven Spannungsteilers zur Messung von Stoßspannungen Vernachlässigt man zunächst die Erdkapazität CE , wird das Teilerverhältnis sowohl des ohmschen als auch des kapazitiven Spannungsteilers frequenzunabhängig. Es ergibt sich zu U2 U1 R2 (19) R1 R2 bzw. U2 U1 C1 C1 C2 (20) Bei kurzen Stirnzeiten (d.h. hohen Frequenzanteilen) sind die immer vorhandenen Erdkapazitäten der Hochspannungswiderstände jedoch nicht vernachlässigbar. Bei zylindrischen Bauteilen kann für Ce’ mit einem Wert von 12 bis 20 pF je Meter Bauhöhe gerechnet werden. In Bild 9 ist diese verteilte Erdkapazität summarisch durch CE berücksichtigt. Unter Annahme einer homogenen Verteilung der Erdkapazität C entlang R gilt dabei C = 2/3.C . e 1 E e Beim kapazitiven Teiler haben die auftretenden Streukapazitäten keinen Einfluss auf das Übertragungsverhalten, wenn sie im Teilerverhältnis berücksichtigt werden. Dies ergibt dann C C C1eff 1 1 e U1 C2 6 C1 C2 U2 (21) Kapazitive Teiler werden vorteilhaft für die Messung von Schaltstoßspannungen und niedrigen Blitzstoßspannungen eingesetzt. Bei Messungen von hohen Blitzstoßspannungen machen sich die bislang vernachlässigten Induktivitäten der Zuleitung und des Spannungsteilers bemerkbar, durch die Schwingungen im Messkreis angeregt werden. Frage: IEH Wie muss das Teilerverhältnis eines kapazitiven Spannungsteilers gewählt werden, damit die Messspannung bei einer Stoßspannungsamplitude bis zu 150 kV einen Wert von 10 V nicht übersteigt? Welche Kapazität muss dann C1 haben, wenn CE = 8 pF und C2 = 6 nF ist? (verwenden Sie bitte Gleichung 21) Universität Stuttgart 12 4 Überspannungsschutz durch Ableiter In den Anlagen der elektrischen Energieversorgung müssen folgenschwere Isolationsdurchschläge durch innere und äußere Überspannungen vermieden werden. Zum Schutz der Anlagen, vor allem der Transformatoren, werden zur Begrenzung transienter Überspannungen sogenannte Überspannungsableiter eingesetzt. Eine in Mittelspannungsnetzen noch häufiger anzutreffende Bauaurt ist der sogenannte Ventilableiter. Er besteht aus elektrisch nichtlinearen Ableitwiderständen (z. B. Siliciumcarbid) mit in Reihe geschalteten Löschfunkenstrecken. Am einfachsten lässt sich der SiC-Ableiter als „Stapel“ aus abwechselnd aufeinandergeschichteten Ableitwiderständen und Funkenstrecken verstehen. Die Ansprechspannung, bei der der Ableiter durchzündet, ergibt sich dabei aus dem Gesamtabstand der einzelnen Funkenstrecken. Inzwischen werden bei Neuinstallationen allerdings fast nur noch Metalloxid-Ableiter (MO-Ableiter) eingesetzt (siehe dazu Kapitel 4.3). 1 Ableitwiderstand 2 Isolierteil 3 Flansch mit Gasumlenkung 1 8 4 Überdruckmembran 6 Isolierkörper 7 Blasspule und Bypass 8 Löschfunkenstrecke Prinzipieller Aufbau mit Ableitwiderständen und Löschfunkenstrecken Bild 8 4.1 Der Ventilableiter Die wichtigsten Kenngrößen eines Ventilableiters UL Löschspannung, höchste Spannung mit Betriebsfrequenz am Ableiter, bei der der Folgestrom nach einem Ansprechen noch unterbrochen wird Uaw Ansprechwechselspannung, Effektivwert der Wechselspannung, bei der der Ableiter anspricht UaB100 Scheitelwert der Blitzstoßspannung (Schaltstoß), bei der der Ableiter mit einer (UaS100) Wahrscheinlichkeit von 100% anspricht. Ur Restspannung, Höchstwert der Spannung am Ableiter nach dem Ansprechen ia Strom, der im Ableitwiderstand bei Restspannung Ur fließt Die Löschspannung UL muss im Hinblick auf ein einwandfreies Löschverhalten so gewählt werden, dass sie größer ist als die höchste im Betrieb auftretende Spannung. Daher werden die Ableiter nach ihrer Löschspannung benannt. IEH Universität Stuttgart 13 4.2 Funktionsweise eines SiC-Ventilableiters Bei Erreichen der Ansprechspannung Uan zünden die Funkenstrecken, wodurch die nichtlinearen Ableitwiderstände wirksam werden. Der durch die Funkenstrecken fließende Strom entlädt die Leitungskapazität. Die nichtlinearen Widerstände haben einerseits eine geringe Restspannung Ur bei den zur raschen Entladung der Leitungskapazität erforderlichen großen Ableitströmen, andererseits ist der nach dem Abbau der Überspannungen bei Betriebsspannung nachfließende Reststrom so klein, dass die Lichtbögen in den Funkenstrecken erlöschen können. Die Löschfunkenstrecken verhindern außerdem bei normaler Betriebsspannung jeglichen Stromfluß durch den Ableiter. Bei einem linearen Ableitwiderstand würden sich weit ungünstigere Verhältnisse (siehe Bild 9) ergeben. Isolationsdurchschläge werden vermieden, wenn sowohl die Ansprechspannung Ua als auch die Restspannung Ur unterhalb der Stoßspannungskennlinien der zu schützenden Betriebsmittel liegen (siehe dazu Bild 10). u linear nichtlinear Ur u(t) ir ia i Bild 9 Kennlinie eines linearen und eines nichtlinearen (SiC) Widerstandes ia Ur u(t) ir Ableitstrom Restspannung Betriebsfrequente Spannung nach der Entladung zu u(t) zugehöriger Reststrom u Überspannungsimpuls Ur Spannungsverlauf am Ableiter U an U A (t) Stoßkennlinie der Ableiterfunkenstrecke t an Bild 10 IEH t Spannungsverlauf an einem Ventilableiter Universität Stuttgart 14 4.3 Der Metalloxid-Ableiter und seine Funktionsweise Der MO-Ableiter besteht aus gestapelten nichtlinearen Widerstandsblöcken (z. B. Zinkoxid - ZnO) und einem isolierenden Gehäuse. Funkenstrecken werden im Gegensatz zum Ventilableiter nicht gebraucht, weil das ZnO-Material ein viel stärker nichtlineares Verhalten zeigt als SiC und der Ableiterstrom bei normaler Betriebsspannung sehr klein ist. Der MO-Ableiter begrenzt die an seinen Klemmen anliegende Spannung, indem er zusammen mit der Impedanz der Überspannungsquelle bzw. dem Wellenwiderstand der Zuleitung einen Spannungsteiler bildet. Aufgrund der fehlenden Funkenstrecken geht der MO-Ableiter entsprechend seiner U-I-Kennlinie nahezu verzögerungsfrei in den „leitenden“ Zustand über. Das bei Ventilableitern mit Löschfunkenstrecken auftretende „Ansprechen“ des Ableiters findet praktisch nicht statt. Beim Abklingen der Überspannung nimmt der Ableitstrom entsprechend der Kennlinie der MOWiderstandsblöcke ab, ein Netzfolgestrom tritt nicht auf. Die Vorteile eines MO-Ableiters sind daher zum einen ein höheres Schutzniveau bei sehr steilen Überspannungen, zum anderen eine höhere Zuverlässigkeit und eine größere Lebensdauer, da im Ableiter keine „alternden“ Funkenstrecken benötigt werden. 4 3 2 1 Bild 11 1 Isolator 2 Metalloxidwiderstandsstapel 3 Druckentlastungsvorrichtung mit Umlenkung 4 Primäranschluss Aufbau eines Metalloxid-Ableiters u Idealisierte Kennlinie i Bild 12 IEH Arbeitskennlinie und idealisierte Kennlinie eines MO-Ableiters Universität Stuttgart 15 5 Versuchsdurchführung 5.1 Aufbau des Stoßgenerators Der Aufbau des im Versuch verwendeten Blitzstoßspannungsgenerators ist in Bild 13 dargestellt. RL U sek U prim Bild 13 ZF U0 Cs Rd Re u(t) Cb Versuchsaufbau Werte der Elemente: 5.2 D Cs = 6000 pF Cb = 1200 pF Re = 9,5 k Rd = 400 Abhängigkeit der Impulsform von der Größe der Bauelemente Im ersten Teil der Versuchsdurchführung soll untersucht werden, ob der hier aufgebaute Stoßspannungsgenerator eine Blitzstoßspannung erzeugt, die der Norm VDE 0432 entspricht, d.h. ob Stirnund Scheitelzeit der Blitzstoßspannung innerhalb der erlaubten Toleranzen liegen und in welchem Maße diese Größen von den Bauelementen des Blitzstoßspannungsgenerators abhängig sind. Frage: Welche Werte ergeben sich für die Größen T1, T2 und , wenn man sie mit den Näherungsgleichungen 13), 14), 15) berechnet? Dabei gilt für Blitzstoßspannungen 1,2/50: a = 1,37 b = 0,67 T1 = T2 = = Nun wird eine Blitzstoßspannung bei einer Ladespannung der Stoßkapazität von etwa U0 = 85 kV erzeugt. Der Verlauf der Stoßspannung wird ausgedruckt, und Sie sollen ihn grafisch auswerten. Aufgabe: Bestimmen Sie mit Hilfe des Ausdruckes der Blitzstoßspannung und der Skalierung des Oszilloskops die Stirnzeit T1, die Rückenhalbwertszeit T2, sowie den Scheitelwert û der erzeugten Blitzstoßspannung und damit bei bekannter Ladespannung auch den Wirkungsfaktor . T1 = T2 = U0 = û= = IEH Universität Stuttgart 16 Im folgenden Versuchsabschnitt sollen Sie untersuchen, wie sich eine Änderung der Widerstandswerte und Kapazitäten des Blitzstoßspannungsgenerators auf die Form der erzeugten Stoßspannung auswirkt. Dazu wird die Belastungskapazität Cb auf den doppelten Wert vergrößert und gleichzeitig der Dämpfungswiderstand Rd um ca. 50% erhöht. Die neuen Werte sind Cb = 2400 pF und Rd = 595 Frage: Welche prinzipiellen Änderungen erwarten Sie beim Verlauf und bei der Höhe der Blitzstoßspannung? Frage: Welche Werte T1, T2 und sind bei gleicher Ladespannung U0 wie im ersten Teil der Versuchsdurchführung zu erwarten (nach Gleichungen 13-15)? T1 = T2 = û= = Aufgabe: Die berechneten Werte sind durch grafische Auswertung zu überprüfen. T1 = T2 = û= = Was fällt beim Vergleich der grafisch ermittelten Werte mit den über die Näherungsformel berechneten auf? Wie ist diese Diskrepanz zu erklären? 5.3 Ermittlung des Triggerbereichs der Zündfunkenstrecke Zur Bestimmung des Triggerbereichs der Kugelfunkenstrecke muss bei vorgegebenen Werten des Kugelabstandes d jeweils die obere und die untere Triggergrenze bestimmt werden. Frage: IEH Was versteht man unter dem Triggerbereich bzw. der oberen und unteren Triggergrenze einer Kugelfunkenstrecke? Universität Stuttgart 17 Aufgabe: Für fünf vorgegebene Werte des Kugelabstandes d soll nun die obere Triggergrenze durch langsames Steigern der Ladespannung U0 bis zum selbständigen Zünden der Kugelfunkenstrecke und die untere Triggergrenze durch Senken der Ladespannung unter ständigem Triggern, solange bis nicht mehr alle Triggerimpulse zünden, bestimmt werden. Kugelabstand d in mm obere Triggergrenze U0 in kV untere Triggergrenze U0 in kV 10 20 30 40 50 Tabelle 2 Messung der oberen und unteren Triggergrenze U0 140 kV 120 100 80 60 40 20 0 d 0 1 2 3 4 5 6 cm Bild 14 Triggerbereich der Kugelfunkenstrecke IEH Universität Stuttgart 18 5.4 Die Stoßkennlinie und die Schutzwirkung eines Ableiters Es soll nun überprüft werden, ob ein „Betriebsmittel“, dargestellt durch eine Platte-Platte-Funkenstrecke mit dem Abstand d = 2 cm, mit dem zur Verfügung stehendem Zinkoxid-Ableiter (drei Elemente zu je 5 kV Nennspannung in Reihe geschaltet) ausreichend vor einem Durchschlag geschützt werden kann. Dazu wird unabhängig voneinander zuerst die Stoßkennlinie der Platte-Platte-Funkenstrecke und anschließend die des Ableiters ermittelt. Bei vorgegebener Ladespannung des Generators und bei konstantem Abstand der Kugelfunkenstrecke wird durch Triggerung ein Durchschlag erzeugt und der Verlauf der Spannung an der Platte-PlatteFunkenstrecke bzw. am Ableiter auf dem Oszilloskop ausgegeben. Aus dem aufgezeichneten Spannungsverlauf können die Spannung , bei der die Funkenstrecke durchschlägt bzw. der Ableiter anspricht, und der dazugehörige Abschneidezeitpunkt Tc der Funkenstrecke bzw. die Ansprechzeit tp des Ableiters am Oszilloskop abgelesen werden. Aufgabe: Bestimmen sie die Stoßkennlinien der Platte-Platte-Funkenstrecke und des Ableiters. Tragen sie beide Stoßkennlinien in das vorbereitete Diagramm ein und diskutieren Sie das Ergebnis. Zum Vergleich können Sie statt des MO-Ableiters den Ventilableiter anschließen und vermessen. Platte-PlatteFunkenstrecke U0 in kV in kV Tc in µs MO-Ableiter in kV tp in µs Ventil-Ableiter in kV tp in µs 70 80 90 100 110 Tabelle 3 IEH Messung der Stoßkennlinien einer Platte-Platte-Funkenstrecke und eines MO-Ableiters Universität Stuttgart 19 u 100 kV 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,0 0,2 Bild 15 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4µs t Stoßkennlinien der Platte-Platte-Funkenstrecke und des Ableiters Was für eine Stoßkennlinie erhält man, wenn nun der Ableiter und die Platte-Platte-Funkenstrecke parallel an den Blitzstoßspannungsgenerator angeschlossen werden? Wie lassen sich demnach anhand der Stoßkennlinie eines elektrischen Betriebsmittels Schutzeinrichtungen dimensionieren? IEH Universität Stuttgart
