Energieübertragung und Hochspannungstechnik 370.028

Ausgearbeiteter Fragenkatalog
Energieübertragung und
Hochspannungstechnik 370.028
Version 1
von
Martin FEISCHL, BSc
Wien, am 19. Januar 2016
Wie lauten die fünf Sicherheitsregeln?
1. allpolig und allseitig abschalten bzw. freischalten
2. gegen Wiedereinschalten sichern
3. auf Spannungsfreiheit prüfen
4. erden und kurzschlieÿen
5. benachbarte, unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken
Wie ist der Ausnutzungsfaktor nach Schwaiger deniert,
und welche Wertebereiche hat er im stark inhomogenen Feld?
Beschreibung der Homogenität des elektrischen Feldes durch den Ausnutzungsfaktor
(a...Abstand der Elektroden):
η=
U
a · Emax
(1)
Der Inhomogenitätsgrad wird durch den Kehrwert des Ausnutzungsfaktors nach Schwaiger
berechnet:
f=
1
η
(2)
Der Wertebereich lautet:
• η = 1: homogenes Feld (Plattenkondensator)
• 0 ≤ η ≤ 1: Inhomogenes Feld
• η = 0, 2... < 1: schwach inhomogenes Feld
• η < 0, 02: stark inhomogenes Feld
In einer Hochspannungshalle soll eine Wechselspannungsanlage für ein maximale Betriebsspannung von Um = 800 kV
aufgestellt werden
1. Wie groÿ ist der Radius der Kugel der Hochspannungselektrode mindestens zu wählen?
r1 =
√
2·
√ 800kV
U
= 2·
= 45, 255cm
Emax
25 kV
cm
(3)
2. Wie groÿ ist der Abstand zur Wand mindestens zu wählen?
r2 = 2 · r1 = 2 · 45, 255cm = 90, 51cm
1
(4)
Abbildung 1: Dimensionierung Hochspannungshalle
Erklären Sie den Polaritätseekt bei stark inhomogenen Elektrodenanordnungen!
Bei unsymmetrischen Elektrodenanordnungen kommt es zu Raumladungswolken, die das Gesamtfeld beeinussen.
•
Wann ist eine Elektrodenanordnung stark inhomogen?
•
Bei welcher Polarität einer Spitze- Platte- Anordnung tritt ein Durchschlag
bei Wechselspannungs - Beanspruchung bevorzugt auf?
Wenn die Elektrode eine Spitze aufweist, da es zu Feldüberhöhungen an Spitzen und
unebenen Oberächen kommt.
Der im stark inhomogenen Feld zu beobachtende Unterschied zwischen Koronaeinsetzspannung und Durchschlagspannung wirkt sich bei positiver und bei negativer Spitze
unterschiedlich aus:
D.h. bei negativer Spitze ist der Entladungseinsatz begünstigt, der Durchschlag ndet
aber erst bei vergleichsweise hohen Spannungen statt.
Bei positiver Spitze ist der Einsatz von Entladungen erschwert, der Durchschlag ndet
aber bei relativ niedrigen Spannungen statt.
Bei positiver Spitze müssen die Lawinen im Gasvolumen starten, da die Feldstärke vor
der Kathode viel zu niedrig ist.
Bei negativer Spitze muss ein Startelektron in einem sehr kleinen Bereich direkt an der
Spitze zur Verfügung stehen. Es kann deshalb zu einem erheblichen Zündverzug aufgrund
der statistischen Streuzeit bis zur Entstehung eines Startelektrons kommen.
Bei Wechselspannung ist dementsprechend mit dem Durchschlag im Scheitel der positiven
Halbwelle zu rechnen.
2
Abbildung 2: Spitze-Platte-Anordnung
Welche Durchschlagmechanismen gibt es in üssigen Isolierstoen?
•
Verschleierte Gasentladung
1. Elektronisches Stadium:
Ladungsträgererzeugung an den Elektroden oder durch Ionisation
2. Elektrothermisches Stadium:
Zwischen Molekülen sind Leerstellen, die durch leichtüchtige Komponenten (Eigendampf) oder gelöste Gase gefüllt sind. Bei elektrischer Beanspruchung erfolgt
eine lokale Erhöhung der Flüssigkeitstemperatur mit Ionisationsvorgängen in diesen
Leerstellen (→ Gasbildung, Dissoziation und Ionisation)
3. Gasentladungsstadium:
Lawinenartige Ladungsträgervermehrung in Gasblasen, Bildung neuer Gasblasen
und Gasentladungskanal. (→ Thermoionisation und Durchschlag)
•
Faserbrückendurchschlag
Isolierüssigkeiten werden vor Imprägnierung der Geräte geltert, getrocknet und entgast. Durch Alterung der Isolierung können sich Fasern oder andere Verunreinigungen
herauslösen oder durch Zersetzung des Isolierstoes kann Wasser gebildet werden.
Im elektrischen Feld werden die Fasern polarisiert. Orientierung der Fasern im Bereich
maximaler Feldstärke, lagern sich aneinander und bilden leitende Brücke zwischen Elektroden.
Hohe Leitfähigkeit der Faserbrücken führt zu Joulescher Wärmeentwicklung und zum Verdampfen von Feuchtigkeit und niedrig siedenden Flüssigkeitskomponenten. In den entstehenden Gasblasen wird der Durchschlag eingeleitet.
3
Welche Durchschlagsprozesse gibt es in festen Isolierstoen
und in welchen zeitlichen Beanspruchungsbereichen entstehen diese?
Abbildung 3: Durchschlagsprozesse in festen Isolierstoen
4
Skizzieren und erläutern Sie die Kaskadenschaltung nach
Marx zur Erzeugung hoher Stoÿspannungen.
Abbildung 4: Kaskadenschaltung nach Marx
Marx-Generatoren basieren auf der Idee, eine groÿe Anzahl an Kondensatoren parallel mit
Gleichspannung auf die sogenannte Stufenspannung aufzuladen und diese Kondensatoren schlagartig in Reihe zu schalten. Bei dem Auaden der parallelgeschalteten Kondensatoren addieren
sich die einzelnen Ladeströme, bei der anschlieÿenden Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der einzelnen Kondensatoren. Dieser Trick ermöglicht es, die Betriebsmittel (Ladetransformator, Gleichrichter) für deutlich geringere Spannungen zu dimensionieren als die gewünschte
Impulsspannung. Der Marx-Generator sammelt also Ladung über eine lange Zeit bei geringer
Spannung, und gibt die Ladung in kurzer Zeit und bei hoher Spannung wieder ab.
5
In einem Prüeld soll die 50%-Stoÿdurchschlagsfestigkeit eines Isolators ermittelt werden. Wie kann dies durch Versuche mit Spannungssteigerung und Auswertung mit dem
Wahrscheinlichkeitsnetz erfolgen (Skizze und Erläuterung)?
Mit dem Wahrscheinlichkeitsnetz wird die Annahme einer Normalverteilung bei den Durchschlagvorgängen veriziert. Sie gilt für normale Voraussetzungen der Isolieranordnungen (nicht
sehr inhomogen, geringe Vorentladungen, geringe Streuung = ausreichende natürliche Ionisation).
Die Ordinate wird durch die Umkehrfunktion der Verteilungsfunktion gebildet z = F −1 (y).
Hierdurch wird eine Normalverteilung im Wahrscheinlichkeitsnetz durch eine Gerade nachgebildet.
Abbildung 5: Wahrscheinlichkeitsnetz
Durch Eintragen der Summenhäugkeiten in das entsprechende Wahrscheinlichkeitsnetz können empirische und theoretische Verteilungsfunktion verglichen werden (Verteilungsprüfung).
Somit können die Kennwerte der entsprechenden Verteilung aus der graphischen Darstellung
entnommen werden.
6
Geben Sie den Zusammenhang der elektrischen Feldgröÿen
D und E an Grenzächen an, die parallel zu den Feldlinien
stehen, wenn der eine Halbraum aus Luft r,Luf t = 1, 00059
und der andere aus einem Dielektrikum mit r = 3 besteht.
Abbildung 6: Parallel zu Grenzächen stehende Feldlinien
7
Geben Sie den Zusammenhang der elektrischen Feldgröÿen
D und E an Grenzächen an, die senkrecht zu den Feldlinien
stehen, wenn der eine Halbraum aus Luft r,Luf t = 1, 00059
und der andere aus einem Dielektrikum mit r = 4 besteht.
Abbildung 7: Senkrecht zu Grenzächen stehende Feldlinien
8
Eine Kugelelektrode einer Hochspannungsanlage mit einer
maximalen Betriebsspannung von Um = 1.100 kV soll dimensioniert werden. Wie groÿ ist der Radius der Kugel zu
wählen, damit die Feldstärke an der Oberäche unter 15
kV/cm bleibt? Bei welcher Feldstärke ist in Luft mit einem
Durchbruch zu rechnen?
r1 =
√
2·
√ 1100kV
U
= 103, 709cm
= 2·
Emax
15 kV
cm
(5)
Ab einer Feldstärke von 25 kV
ist in Luft mit einem Durchschlag zu rechnen.
cm
Geben Sie den Zusammenhang zwischen kinetischer Energie, Temperatur und Geschwindigkeit von Teilchen in einem
idealen Gas an.
Boltzmann-Maxwell-Geschwindigkeitsverteilung: Kinetische Energie der Teilchen:
2
m · vef
3
f
Wkin = · kT =
2 r
2
3
· vw
vef f =
2
r
2kt
vw =
m
(6)
(7)
(8)
vw ... wahrscheinlichste Geschwindigkeit (Maximum)
vm ... mittlere Geschwindigkeit
vef f ... für energetische Betrachtung
Erläutern Sie das Verhalten von Gasisolierungen bei mittleren Beanspruchungszeiten (Skizze der Stoÿkennlinie) durch
Schaltstoÿspannung. Wie ist der Verlauf der Durchschlagsspannung über der Beanspruchungszeit bei groÿen Schlagweiten?
Zusammenhang zwischen der Amplitude der angelegten Stoÿspannung und der Durchschlagszeit. Die Stoÿkennlinie ergibt sich aus der Zuordnung des Durchschlagszeitpunktes zum Scheitelwert der erreichten Spannung.
9
Abbildung 8: Stoÿkennlinie
Bei sehr groÿen Schlagweiten (über 1m), bei ausreichend langer Beanspruchungszeit und rascher
Spannungsänderungsgeschwindigkeit kann sich aus dem durch Stoÿ- und Photoionisation vorwachsenden Streamer aufgrund von Thermoionisation ein strom- und lichtstarker Kanal bilden,
der als Leader bezeichnet wird.
Abbildung 9: Leader
10
Wie kann man den Verlustfaktor eines Isolierstoes bei Hochspannung messen (Schering-Brücke darstellen und erläutern)?
Die klassische Grundschaltung zur Bestimmung von Kapazität und Verlustfaktor ist die Messbrücke nach Schering.
Abbildung 10: Schering Messbrücke
Cx ... Prüing
C2 ... Vergleichskondensator
R3 , C4 ... Abgleichelemente
R4 ... Festwiderstand
N ... Nullindikator
Zx
Z
= 2
Z3
Z4
(9)
Y xY 4 = Y 2Y 3
(10)
1
1
jωC2
+ jωC4 ·
+ jωCx =
R4
Rx
R3
(11)
Realteil:
1
= ωC4 R4
ωCx Rx
(12)
C4 Cx
C2
+
=
Rx R4
R3
(13)
Imaginärteil:
11
gesuchte Gröÿen:
tan δx = ωC4 R4 =
Cx = C2 ·
1
ωCx Rx
R4
R4 /R3
≈ C2 ·
2
1 + tan δx
R3
(14)
(15)
Eine Wechselspannungskaskade für 1,0 MV ist mit einer Gesamtkapazität von 400 pF belastet. Wie groÿ ist die Blindleistung, die von ihr aufgebracht werden muss?
S = ω · C · U 2 = 2π · 50Hz · 400pF · (1MV)2 = 125, 664MVA
12
(16)
An einem Zylinderkondensator mit den folgenden Abmessungen r1 = 1cm, r2 = 5cm liegt eine Spannung von 60kV. Er
ist mit Luft isoliert.
• Wie groÿ ist die elektrische Feldstärke an dem Innenleiter?
Abbildung 11: Zylinderkondensator
Eρ =
Z
r2
U=
Z
r2
Eρ dρ =
r1
r1
K
ρ
r2
U
K
dρ = K · ln ⇒ K = r2
ρ
r1
ln r1
Eρ = E (ρ) =
E(r1 ) =
(17)
U 1
ln rr21 ρ
U
1
60kV
·
=
r1
0, 01m · ln
ln r2
r1
(19)
5
1
= 3, 728
MV
m
• Bei welchem Verhältnis von r2 /r1 ergibt sich die höchste Durchschlagspannung?
13
(18)
(20)
• Der Zylinderkondensator soll als Durchführung verwendet werden. Hierzu werden vier
koaxiale zylindrische Isolierkörper übereinander geschoben. Die Dielektrizitätskonstante
der Isolierkörper ist verschieden. Wie sind die Dielektrizitätskonstanten der Zylinder 1, 2,
3 und 4 (von innen gezählt) zu wählen, damit die maximale Feldstärke an der Innenseite
der koaxialen Zylinder jeweils gleich bleibt?
14
An einem Kugelkondensator mit den folgenden Abmessungen r1 = 2cm, r2 = 6cm liegt eine Spannung von 30kV. Er ist
mit Luft isoliert.
• Wie groÿ ist die elektrische Feldstärke am Innenleiter?
• Wie groÿ ist der Homogenitätsgrad (Ausnutzungsfaktor) nach Schwaiger?
• Der Hohlraum des Kugelkondensators ist mit einem Dielektrikum gefüllt r = 3. Am
Innenleiter ist ein kleiner Luftspalt.
Wie groÿ ist die Feldstärke in diesem Spalt?
• Wie groÿ muss das Verhältnis der Radien sein, damit in einem Kugelkondensator am
Innenleiter (ohne Luftspalt) die geringste Feldstärke auftritt?
15
Skizzieren Sie ein Inuenz-Elektrometer. Wovon hängt der
messbare Strom i(t) ab?
In sogenannten Feldmühlen werden durch mechanische Bewegung des Sensors eine zeitliche
Veränderung der dielektrischen Verschiebung auf der Sensoräche bewirkt.
Abbildung 12: Feldmühle
Die sektorförmige Messäche rotiert im Feldschatten einer geerdeten Blende. Damit verändert
sich die wirksame Fläche A(t) sinusförmig. An der Achse kann bei zeitlich konstanter Verschiebungsdichte D der sinusförmige Strom D · dA/dt entnommen werden, weil die vom Feld auf
der Messäche gebundene bzw. inuenzierte Ladung sich mit der Gröÿe der wirksamen Fläche
A(t) verändert.
i(t) =
2
· 0 · E · A
T
Der Strom i(t) ist also proportional zum elektrischen Feld E .
16
(21)
Was stellt der physikalische Volumeneekt in festen Isolierstoen dar (Skizze)?
Volumeneekt: Senkung der Durchschlagspannung bei gröÿerem Isolatorvolumen
Abbildung 13: Physikalischer Volumeneekt
Links: Isolierkörper geringer Dicke A-K, E1 = U1 /s1
Rechts: Isolierkörper groÿer Dicke A-K, E2 = U2 /s2 = E1
Der linke Körper ist in einem kleineren Volumen einer hohen Feldstärke ausgesetzt. Der rechte
Körper hat die gleiche Feldstärke bei gröÿerem Volumen (höhere Durchschlagwahrscheinlichkeit).
Skizzieren und erläutern Sie die Kaskadenschaltung nach
Greinacher zur Erzeugung hoher Gleichspannungen.
Die Greinacher-Kaskade besteht aus einer Schubsäule mit den Schubkondensatoren CS , aus
einer Gleichrichtersäule, aus einer Glättungssäule mit den Glättungskondensatoren CG und oft
auch aus einer im Bild nicht dargestellten Teilersäule mit einem ohmschen Spannungsteiler.
Nach dem Zuschalten des Transformators ist G2 in der positiven Halbwelle leitend und uC1 (fetter Kurvenzug) folgt der Transformatorspannung uT gemäÿ dem kapazitiven Teilerverhältnis
aus CS1 und CG1 . Solange G2 leitend ist, ist die Spannung uC1 immer gleich der Summenspannung uT + uS1 .
17
Abbildung 14: Kaskadenschaltung nach Greinacher
18
Welche genormten Prüfspannungen werden für die Isolationskoordination verwendet, und welche davon werden bei
Hochspannung und welche bei Höchstspannung bevorzugt
eingesetzt und warum?
Isolationskoordination:
• Normung der Isolationsanforderungen für die verschiedenen Betriebsmittelklassen einer
Anlage
• Festlegen von Prüfbestimmungen für die einzelnen Betriebsmittelklassen
• Festlegung von genormten Schutzbestimmungen für die Überspannungsbegrenzung
Genormte Prüfspannungen:
Blitzstoÿspannung: 1, 2/50µs → Höchstspannung, da Blitz über 300kV
Schaltstoÿspannung: 250/2500µs → Hochspannung, über 52kV bis kleiner als 300kV
Wechselspannung: 50Hz, 1Minute → Mittelpannung, gröÿer 1kV bis kleiner als 52kV
Denitionen von Überspannungen:
• Zeitweilige Spannungserhöhungen
• Schaltüberspannungen
• Blitzüberspannungen
Erläutern Sie das Paschen-Gesetz für Luft und SF6 (Formel,
grasch und kurze textliche Erläuterung)
Paschen hat experimentell nachgewiesen, dass im homogenen Feld bei einem Elektrodenabstand
s und einem Druck p die Durchschlag- spannung Ud nur vom Produkt ps abhängig ist.
Das Kriterium für den Streamerdurchschlag war:
(α − η) · s ≥ Kst
(α − η)
K
≥
=
p
p·s
K
U
E
Ud
·
=f
p
p·s
Die Paschen-Kurven haben ein Durchschlagsminimum:
• Luft etwa 350V
• SF6 etwa 500V
Das Paschengesetz ist ein Ähnlichkeitsgesetz.
19
(22)
(23)
Abbildung 15: Paschenkurve für Luft, SF6, H2 und Ne
20
Beschreiben Sie Gleitentladungen an Isolieroberächen. Bei
welchen Isolieranordnungen sind diese besonders stark?
Abbildung 16: Gleitentladung an Isolierstooberächen
•
Feldlinien parallel zur Oberäche
•
Feldlinien senkrecht zur Oberäche
Bei glatter Oberäche praktisch gleicher Mechanismus und Festigkeit wie bei einer reinen
Gasstrecke.
Bei dünnen Isolierschichten ergeben sich groÿe Oberächenkapazitäten. Hierdurch sind
stromstarke Gleitbüschel durch die Verschiebungs- ströme möglich.
Besonders kritisch sind Durchführungen am Flansch und Maschinenisolierungen am Wickelkopf.
Abbildung 17: Vertikale Feldstärke
21
Wie können innere und äuÿere Vorentladungen durch Teilentladungsmessung unterschieden werden? (Skizze der Messanordnung und grasche Darstellung der Impulse relativ zur
angelegten Hochspannung)
Aufgaben der Teilentladungsmessung:
• Zerstörungsfreie Erfassung der Güte eines Isoliersystems
• Abnahmetest neuer Geräte (Qualitätsbeurteilung)
• Aussage über die Langzeitstabilität an bestehenden Anlagen
Grundsätzlich wird zwischen zwei Arten unterschieden:
1. Teilentladungen in äuÿerer Isolierung
Entladung in Luft- oder SF6-Strecken (äuÿere Isolation):
Trichelimpulse im Maximum der Spannung
Abbildung 18: Teilentladungen in äuÿerer Isolierung
2. Teilentladungen in innerer Isolierung
Entladung in Lunkern und Spalten (innere Isolation):
Trichelimpulse im Spannungsnulldurchgang
Abbildung 19: Teilentladungen in innerer Isolierung
Ck ... Koppelkapazität
Z ... Bandsperre
22
Abbildung 20: Messschaltung Teilentladungsmessung
In einem Prüeld soll die 50%-Stoÿdurchschlagsfestigkeit eines Isolators ermittelt werden. Wie kann dies durch Versuche mit Spannungssteigerung und Auswertung mit der updown-Methode erfolgen (Skizze, Formeln und Erläuterung)?
Erläuterung:
• Von einem Ausgangswert, bei dem sicher kein Durchschlag auftritt, wird die Spannung in
festen Stufen der Höhe ∆u gesteigert, bis ein Durchschlag auftritt.
• Danach wird die Spannung um ∆u abgesenkt. Wenn ein Durchschlag auftritt wird weiter
abgesenkt, wenn kein Durchschlag auftritt wird erhöht.
• Es wird eine vorher festgelegte Anzahl von Versuchen durchgeführt. Der arithmetische
Mittelwert der Spannungen liefert insbesondere bei groÿem Stichprobenumfang n den
Schätzwert der gesuchten 50%-Durchschlagspannung.
• Es wird kein Wahrscheinlichkeitspapier benötigt!
Abbildung 21: Up-Down-Methode
23
• Während n Versuchen tritt k-mal das seltenere Ereignis (Durchschlag oder Nichtdurchschlag) auf und q-mal das häugere n = k + q
• Das seltenere Ereignis wird gewertet:
Ud50 = u0(k=0) + ∆u ·
A 1
±
k
2
(24)
u0(k=0) ... Spannungswert bei dem das seltenere Ereignis erstmals auftritt.
A=
r
X
i · ki
(25)
i=1
Erklären Sie den Ionisationskoezienten α und den Anlagerungskoezienten η. Wie ist der eektive Ionisationskoezient deniert und wie hängt er von der Feldstärke ab? Wie
verhalten sich Luft und SF6 im Vergleich?
•
Erster Townsendscher Stoÿkoezient
Die Zahl aller Stöÿe je Längeneinheit ist im Mittel 1/λm und damit werden durch ein
Elektron je Längeneinheit die folgende Zahl von Ionisationsvorgängen ausgelöst.
α=
λI
1
· e− λm
λm
(26)
λm ... Mittlere freie Weglänge
η ... Anlagerungskoezient, bestimmt die Zahl der Rekombinationen
•
Anlagerungskoezient
η=
i
λB
1 h
· 1 − e− λm
λm
(27)
Freie Elektronen können sich an Moleküle anlagern und negative Ionen bilden. Hierdurch
wird die Zahl der freien Elektronen reduziert und der Entladungsaufbau gehemmt. Gase
mit hoher Elektronenanität werden als elektronegative Gase bezeichnet.
Eine Anlagerung erfolgt, wenn die Energie des Teilchens kleiner als die Bindungsenergie
WB ist.
Bindungsenergie WB :
WB =
δ ... je Stoÿ übertragene relative Energie
24
λB eE
δ
(28)
•
eektiver Ionisationskoezient
Ab 25kV/cm wird in Luft der Ionisationskoezient α gröÿer als der Anlagerungskoe-
zient η . Der eektive Ionisationskoezient α − η wird ab dieser Feldstärke Gröÿer als 0,
wodurch Ladungsträgervermehrung auftritt.
Dies ist der Grund, warum in der Nähe dieser Feldstärke Vorentladungen (Korona) auftreten.
Bei SF6 wird der eektive Ionisationskoezient erst bei Feldstärken oberhalb von 80kV/cm
(87,7kV/cm bei 1bar) gröÿer als Null.
Dies liegt im höheren Anlagerungskoezient. SF6 wird deshalb auch als elektronegatives Gas bezeichnet.
Abbildung 22: Ionisationskoezienten α und den Anlagerungskoezienten η
Wie können hohe Wechselspannungen gemessen werden (Schaltungsskizze)?
Scheitelwertmessung nach Davis
Wechselspannungsmessung nach Kondensatormethode (Scheitelwertmessung, auch Kugelfunkenstrecken hierfür geeignet)
25
Abbildung 23: Scheitelwertmessung nach Davis zur Messung hoher Wechselspannungen
Abbildung 24: Wechselspannungsmessung nach Kondensatormethode zur Messung hoher Wechselspannungen (Scheitelwert)
26
Einuss Wassergehalt auf die Isolierfestigkeit von Transformatorölen:
1. Wie hängt der Verlustfaktor tan δ vom Wassergehalt und der Feldstärke ab (Skizze)?
(a) Wasserabhängigkeit
(b) Feldstärkeabhängigkeit
Abbildung 25: Abhängigkeit des Verlustfaktors vom Wassergehalt des Transformatoröles
Verlustfaktor von Transformatorenöl in Abhängigkeit vom Wassergehalt bei einer Temperatur von 40◦ C und einer elektrischen Feldstärke von E = 5 kV/cm
2. Was ist bei der Inbetriebnahme von alten Transformatoren zu beachten?
Der alte Trafo muss vor Inbetriebnahme ohne Hochspannung aufgeheizt werden, da es
sonst zu einem Durchschlag im Transformatoröl kommen kann.
Wie können hohe Gleichspannungen gemessen werden (Schaltungsskizze)?
• hochohmige Widerstände (über Strommessung)
Abbildung 26: Gleichspannungsmessung über hochohmigen Widerstand
27
• ohmsche Spannungsteiler
Abbildung 27: Gleichspannungsmessung über ohmschen Spannungsteiler
• elektrostatische Meÿsystem
Abbildung 28: Gleichspannungsmessung über elektrostatisches Meÿsystem
• Stab-Stab Funkenstrecken
Abbildung 29: Funkenstrecke zur Messung hoher Gleichspannungen.
• rotierende Spannungsmesser (Feldstärke /Feldmühlen)
(siehe weiter oben)
28
In einer Hochspannungsdurchführung soll eine zylindrische
Schichtung zur Feldsteuerung angebracht werden (Innenradius R1, Auÿenradius R2). Es sollen Dielektrika mit variabler Dielektrizitätszahl ri geschichtet werden. Wie muss die
Dielektrizitätszahl in Abhängigkeit vom Radius verändert
werden, damit über den Isolierbereich die Feldstärke gleichmäÿiger wird?
29
In einer Hochspannungsdurchführung soll eine zylindrische
Schichtung zur Feldsteuerung angebracht werden (Innenradius R1, Auÿenradius R2). Es soll ein Dielektrikum mit konstanter Dielektrizitätszahl ri = const. verwendet werden.
Wie muss die Schichtung ausgeführt werden, damit über
den Radius die Feldstärke gleichmäÿiger wird?
Da r konstant gefordert wird, gibt es 2 verschiedene Möglichkeiten:
• Schichtdicke
• Länge der Zylinder
Abbildung 30: Hochspannungsdurchführung. Links: radial, rechts: axial
Welchen Einuss haben Feuchte und Temperatur auf die
Durchschlagfeldstärke in Transformatorölen?
• Je höher die Temperatur, desto tiefer ist die Feldstärke für den Einsatz des überproportio-
nalen Bereichs. Bei hoher Feldstärke überproportionaler Anstieg der Stromdichte S durch
Zunahme der Ladungsträgerkonzentration (temperaturabhängig) ⇒ Wien-Eekt
• Spez. Widerstand wird durch Wassergehalt reduziert, nicht durch gelöstes Gas
J=
1
· E → E prop. ρ
ρ
Mit sinkendem ρ sinkt auch die Feldstärke.
30
(29)
Abbildung 31: Abhängigkeit von der Feldstärke → bezüglich Trafoöl
Abbildung 32: Spezischer Widerstand von Trafoöl in Abhängigkeit vom Wassergehalt
31
Skizzieren Sie die Wicklungsschaltung einer dreistugen Wechselspannungskaskade. Wie sind jeweils die Leistungen der
einzelnen Erregerwicklungen und Hauptwicklungen, wenn
die Anlage insgesamt 3 · P aufnimmt?
Abbildung 33: Dreistuge Kaskadenschaltung von Prüftransformatoren
• Vorteil:
Geringer Isolationsaufwand
• Nachteil:
Erhöhung der Kurzschlussspannung
Ungleiche Leistungsverteilung in den Transformatoren
Abbildung 34: Tabelle der Leistungsaufteilung in den einzelnen Stufen
32
Erläutern Sie die Stabilitätsbedingungen für den Wärmedurchschlag in festen Isolieranordnungen.
Ursache:
Zugeführte Verlustwärme durch Strombelastung eines Leiters, die in das Dielektrikum übertragen wird oder im Isoliersto selbst erzeugte dielektrische Verlustwärme können nicht ausreichend an Umgebung abgeführt werden.
Stabilitätsbedingungen für Wärmedurchschlag:
1. Zugeführte Verlustleistung pro Volumeneinheit Pv0 muss kleiner oder gleich der abgeführten Wärmeleistung Pab0 pro Volumeneinheit sein.
0
Pv0 < Pab
(30)
2. Die abgeführte Wärmeleistung muss bei Temperaturerhöhung stärker zunehmen als die
zugeführte
0
dPab
dPv0
≥
dT
dT
(31)
Welche genormten Prüfspannungen für Hochspannungsisolationen gibt es und wie unterscheiden sich diese?
• Blitzstoÿspannung
• Schaltstoÿspannung
• Wechselspannung
Unterscheidung nach der Anstiegszeit.
33