Blitzstoßspannung
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_________________________________________________________________________ 1 Fachbereich Elektro- und Informationstechnik Prof. Dr.-Ing. Andreas F.X. Welsch Praktikum Hochspannungstechnik (PHS) Versuch 2: Blitzstoßspannung Datum: Gruppe: Name Sem Testat: __________ Datum ____________________ Prof. Dr. Andreas Welsch Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines.........................................................................................................................2 2 Kenngrößen von Stoßspannungen....................................................................................3 3 Erzeugung von Stoßspannungen ......................................................................................5 4 Berechnung einstufiger Stoßspannungskreise ................................................................7 5 Schaltungsaufbau...............................................................................................................8 6 Scheitelwertmessung mit Kugelfunkenstrecken ...........................................................10 7 Versuchsdurchführung....................................................................................................13 8 Versuchsauswertung.........................................................................................................15 ______________________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC 24.10.2006 _________________________________________________________________________ 2 1 Allgemeines Betriebsmittel zur Übertragung elektrischer Energie müssen den im Betrieb auftretenden äußeren und inneren Überspannungen standhalten. Hierbei müssen die Betriebsmittel für eine maximale Betriebsspannung Ur eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweisen. Der Nachweis muss durch entsprechende Wechselspannungs- bzw. Schaltstoßspannungsprüfung sowie durch Blitzstoßspannungsbeanspruchungen erbracht werden. Diese Stoßspannungen werden meist durch die Entladung von Hochspannungskondensatoren über Schaltfunkenstrecken auf ein Netzwerk von Widerständen und Kondensatoren erzeugt, wobei oft Vervielfacherschaltungen zur Anwendung kommen. Für Prüfzwecke sind doppelexponentielle Stoßspannungen genormt, die ohne wesentliche Schwingungen rasch auf einen Höchstwert, den Scheitelwert Û, ansteigen und anschließend langsamer auf den Wert 0 abfallen. Erfolgt während der Dauer der Stoßspannung ein beabsichtigter oder unbeabsichtigter Durchschlag im Hochspannungskreis, der zu einem plötzlichen Spannungszusammenbruch führt, so spricht man von einer abgeschnittenen Stoßspannung. Das Abschneiden kann in der Stirn, im Scheitel oder im Rücken der Stoßspannung erfolgen. Der hierdurch angeregte Ausgleichsvorgang bewirkt meist eine gedämpfte Sinusschwingung. Die Ermittlung des Scheitelwerts von Stoßspannungen kann mit Messfunkenstrecken erfolgen oder besser durch elektronische Schaltungen in Verbindung mit Spannungsteilern. Die wichtigsten Messgeräte für Stoßspannungen sind jedoch Oszillographen, die eine Erfassung des gesamten zeitlichen Verlaufs über Spannungsteiler gestatten. Heute werden fast ausschließlich Transientenrecorder eingesetzt. ______________________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC 24.10.2006 _________________________________________________________________________ 3 2 Kenngrößen von Stoßspannungen Blitzstoßspannung Überspannungen als Folge von Blitzeinschlägen werden als atmosphärische oder äußere Überspannungen bezeichnet und im Labor durch Blitzstoßspannungen nachgebildet. Die Zeit bis zum Erreichen des Scheitels beträgt bei ihnen ca. 1µs. Im folgendem Bild 2.1 ist der zeitliche Verlauf der Blitzstoßspannung dargestellt, wie er in der VDE 0432-2 oder der IEC-Publikation 60-2 festgelegt wurde. S1 0,9Û B Rücken Stirn Û u(t) C 0,5Û 0,3Û 0 01 A Ts t Tr Û A,B,C Ts Tr Scheitelwert der Blitzstoßspannung Hilfspunkte zur Konstruktion der Blitzstoßspannung Stirnzeit Rückenhalbwertzeit Übliche Zeiten für Ts und Tr: 1,2µs/5µs 1,2µs/50µs (Normwert) 1,2µs/200µs Bild 2.1: Blitzstoßspannung Da bei Blitzstoßspannungen der Anfangspunkt 0 messtechnisch oft schwer zu erfassen ist (siehe Bild 2.1), wird als Hilfskonstruktion die durch die Punkte A und B gehende Stirngerade 01 - S1 zur Kennzeichnung des Verlaufs der Stirn eingeführt. Damit sind die Stirnzeit Ts bis Scheitelwert Û und die von 01 bis zum Punkt C zählende Rückenhalbwertszeit Tr festgelegt. Blitzstoßspannungen werden meist in der Form von 1,2/5, 1,2/50 und 1,2/200 verwendet, wobei die Form 1,2/50 die am häufigsten verwendete ist. Dabei bedeutet 1,2 eine Stirnzeit von 1,2µs mit einer Genauigkeit von ± 30% und 50 eine Rückenhalbwertszeit von 50µs ± 20%. ______________________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC 24.10.2006 _________________________________________________________________________ 4 Schaltstoßspannung Innere Überspannungen, die als Folge von Schalthandlungen in Hochspannungsnetzen auftreten werden im Labor durch Schaltstoßspannungen nachgebildet. Sie benötigen zum Erreichen des Scheitels mindestens 100µs, also wesentlich länger als äußere Überspannungen. Im folgendem Bild 2.2 ist der in der VDE 0432-2; IEC 60-2 festgelegte zeitliche Verlauf der Schaltstoßspannung dargestellt. S 0,9Û Td u(t) Û 0,5Û 0 t Tcr Th Û Tcr Th Td Scheitelwert der Schaltstoßspannung Scheitelzeit Rückenhalbwertzeit Scheiteldauer Übliche Zeiten für Tcr und Th: 100µs/2500µs 250µs/2500µs 500µs/2500µs Bild 2.2: Schaltstoßspannung Die messtechnische Erfassung des Verlaufs der langsamen Schaltstoßspannung bereitet meist keine Schwierigkeiten, weshalb hierfür, im Gegensatz zur Blitzstoßspannung, der tatsächliche Beginn bei 0 und der tatsächliche Scheitel S zur Festlegung der Zeitparameter herangezogen werden. Für Prüfungen mit Schaltstoßspannungen wird häufig die Form 250/2500 verwendet, was für Tcr = 250µs ± 20% und Th = 2500µs ± 60% bedeutet (Tcr = time to crest, Th = time to half value). Zur Kennzeichnung der Dauer einer Schaltstoßspannung wird anstelle von Th auch die Zeit Td angegeben, während der der Augenblickswert über 0,9Û liegt. ______________________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC 24.10.2006 _________________________________________________________________________ 5 3 Erzeugung von Stoßspannungen Die beiden wichtigsten als „Schaltung I“ und „Schaltung II“ bezeichneten Grundschaltungen zur Erzeugung von Stoßspannungen sind in Bild 3.1 dargestellt. Der Stoßkondensator Cs wird über einen hochohmigen Ladewiderstand auf die Gleichspannung U0 aufgeladen und durch Zünden der Schaltfunkenstrecke F entladen. Die gewünschte Stoßspannung u(t) tritt am Belastungskondensator Cb auf und wird dort mit einem Hochspannungsteiler gemessen. F RL Rd F RL SF Uo Cs SF Re Cb Schaltung I Cb Cs SF U0 u(t) Rd Prüfling Stoßkondensator Schaltfunkenstrecke Ladespannung Spg. am Prüfling u(t) Uo Cs Re Cb u(t) Schaltung II Rd Re S Dämpfungswiderstand Entladewiderstand Ladewiderstand RL Schlagweite Bild 3.1: Grundschaltungen zur Erzeugung von Stoßspannungen Die Größe der Bauteile bestimmt den zeitlichen Verlauf der Stoßspannung u(t). Die grundsätzliche Wirkungsweise kann wie folgt darstellt werden: Die kurze Stirnzeit erfordert eine rasche Aufladung von Cb auf den Scheitelwert Û und der relativ lange Rücken eine langsame Entladung. Dies erreicht man durch die Forderung Re >> Rd. Im ersten Augenblick des Zündens der Schaltfunkenstrecke F liegt an den beiden Schaltungen in etwa die volle Ladespannung U0 an der Reihenschaltung von Rd und Cb. Die Spannung u(t) erreicht umso schneller ihren Scheitelwert, je kleiner der Ausdruck Rd * Cb ist. Der Scheitelwert Û kann nicht größer werden als sich aus der Aufteilung der anfangs vorhandenen Ladungen Q0=U0*Cs auf die Parallelschaltung von Cs + Cb ergibt. Der Ausnutzungsgrad η ist von der Form der zu erzeugenden Stoßspannung abhängig und liegt meist zwischen 0,6 und 0,9. Er liegt bei Schaltung II immer höher als bei Schaltung I. ) U Cs η= ≤ U 0 Cs + Cb Da im allgemeinen Û bei gegebener Ladespannung U0 möglichst hoch sein soll, wird man Cs > Cb wählen. Die bei einer Entladung umgesetzte Energie beträgt: 1 Wst = C s ⋅ U 02 2 Setzt man die maximal mögliche Ladespannung ein, erhält man als weiterer wichtiger Kenngröße eines Stoßspannungsgenerators die so genannte maximale Stoßenergie Wst,. Je größer das Prüfobjekt um so größer muss auch die Stoßenergie Wst sein. Das Abklingen der Stoßspannung im Rücken wird im Fall der Schaltung I mit der Zeitkonstante Cs*(Rd+Re) erfolgen, bei der Schaltung II mit Cs * Re. ______________________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC 24.10.2006 _________________________________________________________________________ 6 Bei der obigen Erklärung der Wirkungsweise der Schaltungen wurde vorausgesetzt, dass bei t = 0 die Stoßkondensatoren Cs auf eine Spannung U0 aufgeladen sind. Die Größe U0 ist die Ladespannung, bei welcher SF durchschlägt oder durch eine Hilfsentladung gezündet wird. Bei selbstzündendem Betrieb kann eine Erhöhung des Scheitelwerts der Stoßspannung Û nur durch eine Vergrößerung der Schlagweite s der Schaltfunkenstrecke SF erzielt werden. Durch die Erhöhung der Ladespannung wird nur die Frequenz der Zündungen erhöht, da dann die Zündspannung früher erreicht wird. Um die für die Erzeugung höherer Stossspannungen notwendigen Ladespannungen zu generieren müsste ein hoher technische Aufwand betrieben werden. Deshalb verwendet man dazu Vervielfacherschaltungen wie in Bild 3.2 dargestellt. Dabei werden mehrere gleiche Stoßkondensatoren in Parallelschaltung geladen und in Reihenschaltung entladen, wodurch eine entsprechend der Stufenzahl vervielfachte Summenladespannung wirksam wird. Die Stoßkondensatoren der Stufen Cs’ werden über die hochohmigen Ladewiderstände RL’ in Parallelschaltung auf die Stufenladespannung U0’ aufgeladen. Bei einem Durchzünden aller Schaltfunkenstrecken F werden alle Cs’ in Reihe geschaltet, so dass Cb über die Reihenschaltung aller Dämpfungswiderstände Rd’ aufgeladen und schließlich alle Cs’ sowie Cb über die Widerstände Re’ und Rb’ wieder entladen werden. Zweckmäßig wählt man RL’ >> Re’. Eine n-stufige Schaltung kann auf das einstufige Ersatzschaltbild nach Schaltung II zurückgeführt werden, wobei folgende Beziehungen gelten: U0 = n⋅U0’ Cs = Cs’/n Rd = n⋅Rd’ Re = n⋅Re’ R d' SF R e' C s' R d' R L' Cb Cs’ SF Rd’ Re’ RL’ Prüfling Stoßkondensatoren Schaltfunkenstrecken Dämpfungswiderstände Entladewiderstände Ladewiderstände U 0’ u(t) Stufenladespannung Spg. am Prüfling Cb u(t) SF R e' C s' R d' R L' R e' SF R L0 U0 ' C s' Bild 3.2: Vervielfacherschaltung nach Marx, bestehend aus drei Stufen; vgl. Bild 3.1, Seite 4, Schaltung II ______________________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC 24.10.2006 _________________________________________________________________________ 7 4 Berechnung einstufiger Stoßspannungskreise Da Stoßspannungsgeneratoren wegen des höheren Ausnutzungsgrades hauptsächlich in Schaltung II ausgeführt werden, wird im Folgenden der Berechnungsansatz für diese Schaltung verwendet: t 1 u 0 (t ) = (ie + ia ) ⋅ dt = ie ⋅ Re = ie ⋅ Rd + u (t ) C S ∫0 mit ia = Cb ⋅ du (t ) dt bei u(t=0) = 0 Die Lösung der Gleichung ergibt den Spannungsverlauf: u (t ) = U0 τ ⋅τ ⋅ 1 2 ⋅ e − t / τ 1 − e −t / τ 2 Rd ⋅ C b τ 1 + τ 2 ( ) Die Stoßspannung ergibt sich demnach als Differenz zweier abklingender Exponentialfunktionen mit den Zeitkonstanten τ1 und τ2. Mit der meist erfüllten Näherung Re * Cs >> Rd * Cb ergeben sich folgende einfache Ausdrücke für die beiden Grundschaltungen: Schaltung I: Schaltung II: τ 1 ≈ ( Rd + Re ) ⋅ (C s + Cb ) τ 1 ≈ Re ⋅ (C s + Cb ) τ2 ≈ Rd ⋅ Re C s ⋅ Cb ⋅ Rd + Re C s + C b τ 2 ≈ Rd ⋅ ηI ≈ Re Cs ⋅ Rd + Re C s + Cb η II ≈ C s ⋅ Cb C s + Cb Cs C s + Cb Da die Zeitkonstanten den Spannungsverlauf beschreiben, müssen auch die Kenngrößen Stirnzeit Ts und Rückenhalbwertzeit Tr proportional zu τ1 und τ2 sein. Es gilt daher: Tr = k1 ⋅τ 1 und Ts = k 2 ⋅τ 2 Die Proportionalitätsfaktoren betragen für die wichtigsten genormten Verläufe (VDE 0433-3): Ts/Tr k1 k2 1,2/5 1,44 1,49 1,2/50 0,73 2,96 1,2/200 0,70 3,15 ______________________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC 24.10.2006 _________________________________________________________________________ 8 Bei der Spannungsform 1,2/5 ist die Voraussetzung τ1>>τ2 nur unvollkommen erfüllt, weshalb die Näherungslösung hier oft zu beträchtlichen Fehlern führt. Für die Kenngrößen der Schaltstoßspannung gilt: τ 1 ⋅τ 2 τ ⋅ ln 1 τ1 −τ 2 τ2 2 Th ≈ τ 1 ⋅ ln für η Tcr ≈ 5 Th > 10 Tcr Schaltungsaufbau Die beiden folgenden Bilder 5.1 und 5.2 zeigen den einstufigen und den zweistufigen Aufbau für eine Stoßanlage zur Prüfung mit Blitzstoßspannung. Das unten stehende Bild 5.1 zeigt eine reale einstufige Stoßanlage. SF GR Rd Co T1 T2 Uo Cs ES Rm MF Re u(t) Cm 220 V GM T1 T2 GR Cs ES Rm GM SF ZAG Re Rd C0 Cm StG TR MF ZAG StG TR Stelltransformator HS-Trafo Gleichrichter mit Schutzwiderstand Stoßkondensator 10nF Erdungsschalter Messwiderstand für Gleichspannung mit R = 280MΩ Gleichspannungsmessgerät Schaltfunkenstrecke Zündauslösegerät Entladewiderstand Re = 6100Ω Dämpfungswiderstand Rd = 260Ω Messkondensator auf der Oberspannungsseite mit C0 =1,2nF Messkondensator auf der Unterspannungsseite Stoßspannungmessgerät Transientenrecorder Messfunkenstrecke als Prüfling Bild 5.1: Einstufige Stoßanlage zur Prüfung mittels Blitzstoßspannung ______________________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC 24.10.2006 ___________________________________________________________________ 9 Im folgendem Bild 5.2 ist eine reale zweistufige Stoßanlage für positive Blitzstoßspannung dargestellt: 10MOhm SF2 Cs2' GR SF1 Rd1' Rd2' Co Re2' Cu MF Cs1' T1 ES Rm Re1' T2 Cm 220 V GM T GR Cs1’/Cs2’ ES Rm GM SF1/SF2 Rz Re1/Re2 Prüftransformator Gleichrichter mit Schutzwiderstand Stoßkondensatoren mit 10nF Erdungsschalter Messwiderstand für Gleichspannung Rm = 280M Gleichspannungsmessgerät Schaltfunkenstrecken Messvorwiderstand (75Ohm = Leitungswiderstand) Entladewiderstände mit 6,1k ZAG Rd1/Rd2 ZAG MF StG C0/Cu Cm StG Dämpfungswiderstand Rd = 260Ohm Zündauslösegerät Messfunkenstrecke als Prüfling Stoßspannungsmessgerät und parallel geschalteter Transientenrecorder Messkondensator (ober- und unterspannungsseitig) mit 1,2nF Messkondensator auf der Unterspannungsseite Bild 5.2: Zweistufige Stoßanlage zur Prüfung mittels Blitzstoßspannung ______________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC 24.10.2006 ___________________________________________________________________ 10 6 Scheitelwertmessung mit Kugelfunkenstrecken Der Durchbruch einer Gasstrecke erfolgt nach dem Erreichen der "statischen Durchschlagsspannung" in einer Zeit von höchstens einigen ps, während derer der Scheitelwert einer netzfrequenten Schwingung als konstant anzusehen ist. Bei Wechselspannungen niedriger Frequenz tritt daher ein Durchschlag in Gasen stets im Scheitel auf. Bei Anordnungen mit angenähert homogenem Feld, für die die Durchschlagszeiten besonders kurz sind, gilt dies in guter Näherung auch für hochfrequente Wechselspannungen. Aufgrund dieses physikalischen Verhaltens kann der Scheitelwert hoher Wechselspannungen bei Frequenzen bis zu etwa 500 kHz über den Durchschlag einer Messfunkenstrecke in atmosphärischer Luft ermittelt werden. Bild 6.1 Kugelfunkenstrecken für Messzwecke a) horizontale, b) vertikale Anordnung Bild 6.1 zeigt die beiden grundsätzlichen Ausführungsformen von Kugelfunkenstrecken für Messzwecke. Bei Kugeldurchmessern D < 50 cm bevorzugt man im allgemeinen die horizontale Anordnung, bei größeren Kugeln die vertikale Anordnung, die nur zur Messung von Spannungen gegen Erde geeignet ist. In den zuständigen Vorschriften (VDE 0433-2; lEC-Publ. 52) sind die auf Normalbedingungen bezogenen Durchschlagsspannungen von Kugelfunkenstrecken verschiedenen Kugeldurchmessers D abhängig von der Schlagweite s in Tabellenform angegeben: ) U d 0 = f ( D, s ) Die Werte gelten für einen Luftdruck von b = 1013 hPa und einer Temperatur von T = 20°C. Die Luftfeuchte ist ohne Einfluss auf die Durchschlagsspannung von Kugelfunkenstrecken. Zur Veranschaulichung sind in Bild 6.2 die für einige Durchmesser gültigen Durchschlagsspannungen in Abhängigkeit von s dargestellt. Bei Messungen mit Kugelfunkenstrecken ist zu beachten, dass mit wachsendem Verhältnis s/D das Feld stärker inhomogen wird und damit der Einfluss durch die Umgebung und die Streuung der Durchschlagswerte zunehmen. Das Verhältnis s/D darf also nicht beliebig groß gewählt werden. Für die Messung einer Spannung der Höhe Û mit einer Kugelfunkenstrecke kann als Richtwert der erforderliche Kugeldurchmesser D nach folgender Beziehung abgeschätzt werden: D≥Û mit D in mm, Û in k V ______________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC ___________________________________________________________________ 11 Bild 6.2 Durchschlagsspannung Ûd0 von Kugelfunkenstrecken bei veränderlicher Schlagweite s und unterschiedlichen Kugeldurchmessern D Weiter ist bei diesen Messungen zu beachten, dass die Tabellenwerte nur solange gelten, wie Mindestabstände von der Durchschlagsstrecke zu anderen Anlagenteilen eingehalten werden. Da die Durchschlagsspannung Ûd der relativen Luftdichte d im Bereich von 0,9 ... 1,1 proportional ist, gilt für die Bestimmung der tatsächlichen Durchschlagsspannung Ûd bei der Luftdichte d aus dem in der Zahlentafel angegebenen Wert Ûd0 folgende Beziehung: ) ) ) b 273 + 20 ) b U d ≈ d ⋅U d 0 = ⋅ ⋅ U d 0 = 0,2892 ⋅ ⋅U d 0 1013 273 + T 273 + T Hierbei sind die absolute Luftdichte b in hPa (mbar) und T in °C einzusetzen. Auch wenn alle Einflussgrößen wie Luftdichte, Mindestabstände, Elektrodenoberfläche und genaue Einstellung der Schlagweite berücksichtigt werden, ist mit einer Messunsicherheit von 3% zu rechnen. Kugelfunkenstrecken werden heute für Spannungsmessungen bei sehr hohen Spannungen (> 1 MV) nur noch selten verwendet, da sie viel Platz beanspruchen und teuer sind. Eine kontinuierliche Spannungsmessung mit Funkenstrecken ist nicht möglich, da gerade im Augenblick der Messung die Spannungsquelle kurzgeschlossen wird. Das Verfahren eignet sich besonders zur Kontrolle von kompletten Messanordnungen mit Hochspannung. Aus Untersuchungen über den Durchschlag von Gasen ist bekannt, dass die Ausbildung des vollkommenen Durchschlags einer solchen Anordnung in höchstens einigen Mikrosekunden erfolgt, wenn die angeregte Spannung den Scheitelwert der Durchbruchspannung Ûd bei Wechselspannung überschreitet. Daraus folgt, dass mit Kugelfunkenstrecken auch der Scheitelwert von Stoßspannungen von nicht zu kurzer Dauer gemessen werden kann. Es sollte Tr ≥ 40 µs sein. Dabei ist vorausgesetzt, dass die Luft im Raum zwischen den Kugeln ausreichend Ladungsträger enthält, die den Durchschlag bei Erreichen einer bestimmen Feldstärke ohne Zeitverzug einleiten. Durch künstliche Bestrahlung mit UV-Lichtquellen oder radioaktiven Strahlern lässt sich der Durchschlagsraum ausreichend vorionisieren, so dass die statistische Streuung der Durchschlagszeit reduziert wird. In den zuständigen Vorschriften wird daher insbesondere bei der Messung von Stoßspannungen unter 50 kV empfohlen, eine künstliche Bestrahlung anzuwenden. Auch die Bestrahlung vom Lichtbogen der nicht gekapselten Funkenstrecken eines Stoßgenerators kann bei ______________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC ___________________________________________________________________ 12 direkter Sichtverbindung zur Kugelfunkenstrecke als Bestrahlungsquelle ausreichen [Kachler 1975]. Bei der Scheitelwertmessung von Stoßspannungen mit Kugelfunkenstrecken ergibt sich eine Besonderheit, und zwar dadurch, dass aus dem Auftreten oder Ausbleiben eines Durchschlags nicht entnommen werden kann, wie nahe der Scheitelwert Û der jeweils angelegten Stoßspannung an Ûd liegt. Dies lässt sich nur durch wiederholte Stöße feststellen. Hierzu verändert man zweckmäßig die Amplitude einer Serie von Stoßspannungen solange, bis etwa die Hälfte aller Stöße zum Durchschlag führt, die Durchschlagswahrscheinlichkeit P(U) also etwa 50% beträgt. Für diese Stoßspannung gilt dann: Ud-50 ≈ Ûd ≈ d Ûd0 Hierin bedeuten wieder d die relative Luftdichte und Ûd0 die den Tabellen zu entnehmende, von Kugeldurchmesser, Polarität und Schlagweite abhängige Durchschlagsspannung bei Normalbedingungen. Durch wiederholte Beanspruchung einer Anordnung lässt sich die in Bild 6.3.48 dargestellte Verteilungsfunktion P(U) der Durchschlagsspannung bestimmen. Man erkennt, dass die Haltespannung Ûd-0 und die gesicherte Durchschlagsspannung Ûd-100 entsprechend einer Durchschlagswahrscheinlichkeit von 0% beziehungsweise 100% nur angenähert definiert werden können und daher als Kenngrößen nicht geeignet sind. 1 0,9 P(Ud), D(Ud) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 Durchschlagsspannung [kV] Bild 6.3 Gaußsche Normalverteilung mit Dichtefunktion D(Ud) und Verteilungsfunktion P(Ud) der Durchschlagsspannung einer Kugelfunkenstrecke bei Stoßspannung Anstelle einer meist nur mit großer Stoßzahl genau einstellbaren Durchschlagswahrscheinlichkeit von 50% kann je ein darüber und ein darunter liegender Wert von P(U) eingestellt werden; der gesuchte Wert Ud-50 ergibt sich dann näherungsweise durch eine Interpolation, die zweckmäßig grafisch unter Verwendung einer der Normalverteilung entsprechenden Ordinatenteilung vorgenommen wird. Nach den zuständigen Vorschriften (VDE 0433-2; IEC Publ. 52) sind Kugelfunkenstrecken für die Messung des Scheitelwertes von Wechsel- und Blitzstoßspannungen mit einer Messunsicherheit von ± 3% geeignet. Untersuchungen mit Schaltstoßspannungen haben gezeigt, dass die Tabellenwerte in den Vorschriften für Blitzstoßspannungen mit einer Messunsicherheit von ± 5% auch für die Messung des Scheitelwertes von Schaltstoßspannungen verwendet werden können [Gockenbach 1991; IEC Publ. 60-1]. Auch bei dieser Messung ist auf eine ausreichende Bestrahlung zu achten. Kugelfunkenstrecken sind trotz ihrer Nachteile ein vielseitiges und anschauliches Laborgerät für Hochspannungsversuche. Außer zur Spannungsmessung können sie zur Spannungsbegrenzung, zum spannungsabhängigen Zuschalten, als veränderlicher Hochspannungskondensator verwendet werden. ______________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC ___________________________________________________________________ 13 7 Versuchsdurchführung Zunächst sind alle Kugeln der Schalt- und Messfunkenstrecke mit einem fuselfreien Lappen zu säubern. Der zeitliche Verlauf der Stoßspannung wird mit dem Transientenrecorder und dem Auswerteprogramm WinTRAS aufgezeichnet. Die Zeitverläufe, die dokumentiert werden sollen, können mit Hilfe eines „screen shot“ in eine Excel-Datei abgespeichert werden. Das Programm wird wie folgt gestartet: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Rechner an der Geräterückseite einschalten Mit Eingabe „TRAS52“ Programm starten „men = 0“ mit „ja“ bestätigen Im Hauptmenü Menüpunkt 1 „Stoßspannungsprüfung“ wählen Im Menü Stoßspannungsprüfung „Stoßspannungsprüfung komplett“ wählen Protokollname PHS mit „RETURN“ bestätigen Prüfdateien laden <nein> mit „RETURN“ bestätigen Prüfdaten eingeben <ja> mit „RETURN“ bestätigen Prüfbericht mit Prüfdaten ausfüllen „ESC“-Taste drücken und Daten speichern <ja> mit „RETURN“ bestätigen Teilprüfung/Eingabe beenden <ja> mit „RETURN“ bestätigen Stoßspannungsprüfung starten <ja> mit „RETURN“ bestätigen Alle Kanäle löschen <ja> mit „RETURN“ bestätigen Mit Taste „F1“ Prüfung starten 7.1 Der Aufbau soll so erstellt werden, dass eine positive Blitzstoßspannung erzeugt werden kann. Überprüfen Sie den vorhandenen zweistufigen Aufbau anhand der obigen Prinzipskizze in Bild 5.2. 7.2 Die Messfunkenstrecke MF wird zunächst auf eine maximale Schlagweite, die Schaltfunkenstrecke SF auf s = 30 mm eingestellt. Es ist die positive Blitzstoßspannung bei einer Primärspannung von U = 110V zu messen. Die Ladegleichspannung U0 und der Scheitelwert der Stoßspannung Û sind mit den im Pult eingebauten Messgeräten zu ermitteln. Der Zeitverlauf ist aufzuzeichnen und abzuspeichern, die Zeitparameter zu dokumentieren. Verwenden Sie die unter 7.2 durchgeführten Berechnungen um eine 1,2/50 Vollwelle zu erzeugen. Verändern Sie Rd bzw. Re. Der Zeitverlauf ist jeweils aufzuzeichnen und abzuspeichern, die Zeitparameter zu dokumentieren. In den folgenden Versuchen wird nun die 1,2/50-Vollwelle verwendet. 7.3 Zur Ermittelung der Funktionsgrenzen des Stoßgenerators ist bei einer Schlagweite der SF von 20 mm die Ladespannung von 30 bis 60 kV einzustellen: von 30 bis 35 kV und von 55 bis 60 kV in je 1-kV-Schritten, von 35 bis 55 kV in je 5-kV-Schritten. Dokumentieren Sie die auftretenden Erscheinungen. 7.4 Zur Ermittelung des Ausnutzungsgrads des Stoßgenerators ist eine Schlagweite der SF von 15, 20, 25, 30, 35 und 40 mm einzustellen. Nehmen Sie dazu die Ladespannung, den am Scheitelspannungsmessgerät und den mittels WinTRAS gemessenen Scheitelwert auf. Anschließend ist der Stoßgenerator so einzustellen, dass eine Blitzstoßspannung von 170 kV erzeugt werden kann. Zeichnen Sie den Spannungsverlauf auf und dokumentieren Sie die ______________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC ___________________________________________________________________ 14 verwendeten Einstellungen und die gemessenen Parameter. 7.5 Die 50%-Überschlagsspannung ist mit Hilfe des Auswerteprogramms WinTRAS zu ermitteln. Dabei ist die Schlagweite der MF auf s =24 mm und die der SF auf s =20 mm einzustellen. Die Ladegleichspannung U0 ist in Stufen zu steigern bis bei jeweils 10 Stößen von zunächst 0% schließlich 100% Durchschläge auftreten. Es sind 0,5-kV-Schritte zu wählen. Die Versuchsserien ist mit UV-Bestrahlung der MF durchzuführen. Die UV-Lampe ist mindestens 15 min vorzuwärmen. 7.6 Im folgenden Versuch soll die 50%-Durchschlagsspannung nach der Auf-und-AbMethode ermittelt werden. Hierzu wird eine Spannung U gewählt, die in der Nähe der Durchschlagspannung liegt. Ferner wird ein Spannungsintervall δU festgelegt, das bei etwa 3% von U liegen soll. Erfolgt bei Stoßspannungsbeanspruchung mit U kein Durchschlag, so erhält der folgende Stoß den Spannungswert U+δU. Im Durchschlagsfall wird die Spannung auf U-δU abgesenkt. Der Wert der Stoßspannung, die anzulegen ist, wird damit durch das Ergebnis des vorherigen Versuchs bestimmt. Die Anzahl ni der Spannungen beim jeweiligem Spannungswert Ui wird registriert. Insgesamt sind 20 Stöße anzulegen. Die Berechnung der 50%-Durchschlagsspannung erfolgt nach unten stehender Gleichung. n U d −50 = ∑ n ⋅U i i =1 i n ∑n i =1 i Bei einer Spitze-Platte-Anordnung ist für die Schlagweiten s = 34 mm die Durchschlagsspannung Ud-50 bei positiver und negativer Blitzstoßspannung zu bestimmen. Zunächst ist die ungefähre Durchschlagsspannung zu bestimmen. Danach ist die Ladespannung in 1-kV-Schritten (=δU) nach obiger Vorschrift zu verändern und der jeweilige Scheitelwert aufzunehmen. Zur Ermittlung von ni sind Klassen in 1-kV-Schritten zu bilden (z.B. 39,00 bis 39,99 kV und 40,00 bis 40,99 kV usf.) und die Anzahl der in diesen Klassen auftretenden Scheitelwerte zu registrieren. Als Ui-Werte ist der Mittenwert der Klasse, also z.B. bei 39,00 bis 39,99 kV der Wert 39,5 kV zu verwenden. Bitte verwenden Sie die Messprotokolle im Anhang! ______________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC ___________________________________________________________________ 15 8 Versuchsauswertung 8.1 Geben Sie an, was an der Schaltung zu ändern ist , um eine negative Blitzstoßspannung erzeugen zu können. 8.2 Dokumentieren Sie den in 7.2 gemessenen Zeitverlauf im Protokoll. Ermitteln Sie aus den gemessenen Zeitparametern dieser Stoßspannung die Faktoren k1 und k2. Berechnen Sie die notwendigen Widerstände Rd und Re für eine 1,2/50 Vollwelle. Dokumentieren Sie beide Zeitverläufe im Protokoll. 8.3 Geben Sie die Funktionsgrenzen des Stoßgenerator an und setzen Sie diese in Relation zu der aus einer Tabelle ermittelten Durchschlagsspannung der SF bei 20 mm. 8.4 Berechnen Sie die maximale Stoßenergie und den Ausnutzungsfaktor des Generators mit Hilfe der Gleichungen in Abschnitt 3. Für alle Schlagweiten der SF aus 7.4 sind folgende Berechnungen durchzuführen und in eine Tabelle einzutragen: 1. Messfehler des Scheitelspannungsmessgeräts in % 2. Ausnutzungsfaktor aus den gemessenen Werten 3. Abweichung des Ausnutzungsfaktors vom theoretischen Wert in % Berechnen Sie aus den Ergebnissen die für eine Blitzstoßspannung von 170 kV notwendigen Einstellungen des Stoßgenerators. Dokumentieren Sie den Zeitverlauf im Protokoll. 8.5 Die unter 7.5 aufgenommene Messwerte der beiden Versuchsserien sind in ein Wahrscheinlichkeitsdiagramm einzutragen (siehe Messprotokoll) und durch eine Normalverteilung anzunähern (Gerade). Daraus ist der Wert Ud-50 in kV und die Standardabweichung S in kV und in % bezogen auf Ud-50 zu ermitteln. Der Wert Ud-50 ist auf Normalbedingungen umzurechnen und mit dem aus einer Tabelle ermitteltem Wert zu vergleichen. Zusätzlich sind aus der Standardabweichung näherungsweise Ud-0 und Ud-100 zu bestimmen. Die Streubereiche der beiden Versuchsserien sind zu vergleichen und der Unterschied zu begründen. 8.6 Aus den in 7.6 ermittelten Werte Ui und ni ist die jeweilige Durchschlagsspannung Ud-50 zu berechnen (siehe Formel in 7.6). Die Durchschlagsspannungen für positive und negative Polarität sind zu vergleichen und der Unterschied zu begründen. ______________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC ___________________________________________________________________ 16 Messprotokoll zu 7.4 Bestimmung des Ausnutzungsgrads Datum: Prüfer: A: Prüfbedingungen Umgebungstemperatur: ________ [°C] Luftdruck: ________ [hPa] rel. Luftfeuchte: ________ [%] B: Meßwerte Nr.: Schlagweite: [mm] UL__ [kV] MF UL_ SF Û [kV] MG TR Zündung: (-) nein (+) ja MF SF Zeitparameter in [µs] Ts Tr η= η $ U U0 Bild: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ______________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC ___________________________________________________________________ 17 Messprotokoll zu 7.5: Durchschlagsspannung Ud-50 Versuchsbedingungen: .................................................. KF: MF: s = ........ mm s = ........ mm Scheitelwert Û Nr.: Uo [kV] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mittelw. Anzahl [kV] Übersch. P [%] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Gemessene Verteilungsfunktion P [%] 99 90 80 70 60 50 40 30 20 10 1 66 67 68 69 70 Auswertung Ud50= kV Ud16= kV Ud84= S= Srel= % --> p= kV hPas T= °C d= 71 kV Ud0= 72 U [kV] 74 --> kV --> 73 Ud50normal= Ud100= kV kV ______________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC 75 ___________________________________________________________________ 18 Messprotokoll zu 7.6 Spitze-Platte-Anordnung bei positiver und negativer Stoßspannung Positive Blitzstoßspannung s = .......... mm Û [kV] 1 10 Negative Blitzstoßspannung 20 s = .......... mm Û [kV] 1 10 20 ______________________________________________________________________________________________________ Versuch2_Blitzstoßspannung.DOC
