Zustandsbewertung von Isolierstoffen

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Isolierrstoff
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Version Mai 2013
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Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen
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Vorwort
Der vorliegende Laborversuch ist so konzipiert, dass ihn Studenten des Studiengangs Elektrotechnik und Informationstechnik ab dem 4. Semester bearbeiten können. Die Teilnahme an der Veranstaltung „Technologie des Energietransports“ ist
von Vorteil, aber nicht notwendig.
Aus wirtschaftlichen Gründen ist es wünschenswert energietechnische Anlagen möglichst klein zu bauen. Da der elektrische Energietransport erst bei einer hohen
elektrischen Spannung effizient funktioniert, führt die Forderung nach geringen Abmaßen zu hohen elektrischen Feldstärken.
Wird die zulässige Feldstärke eines Isolierstoffs überschritten, verliert der Isolierstoff
seine isolierenden Eigenschaften. Im Falle eines festen oder flüssigen Isolierstoffes
erfolgt dann eine irreparable Schädigung, gasförmige Isolierstoffe können ihre Isolierfähigkeit (in Grenzen) regenerieren. Generell kann aber gesagt werden, dass Gase,
verglichen mit flüssigen und festen Isolierstoffen, nur für geringe Feldstärken geeignet sind. Daher wird in energietechnischen Anlagen oft eine Kombination aus flüssigen und festen Isolierstoffen verwendet. Eine typische Kombination dieser Art ist das
Isoliersystem Öl-Ölpapier.
Die maximal zulässige elektrische Feldstärke eines Isolierstoffs ist oft eine Funktion
seiner Reinheit. Da energietechnische Anlagen nur in einem endlich sauberen industriellen Prozess hergestellt werden, ist auch die Reinheit der Komponenten begrenzt. Des Weiteren ist eine chemische Mischung der einzelnen Materialien untereinander und auch mit Materialien aus der Umwelt anzunehmen. Insbesondere bei
Gasen und Flüssigkeiten ist daher nach einer bestimmten Zeit eine Aufbereitung der
Isolierstoffe notwendig, um ein zu starkes Absinken der elektrischen Festigkeit des
Isoliersystems zu vermeiden.
In diesem Laborversuch werden Isolieröl und Isolierpapier als beispielhafte Isolierstoffe untersucht und bezüglich ihres Zustands überprüft.
Der Laborversuch beinhaltet zunächst eine theoretische Einarbeitung in das chemische und Verhalten von Isolierpapier und Isolieröl und der entsprechenden elektrischen Festigkeit. Dem folgt eine theoretische Einarbeitung in die Messung des el.
Verlustfaktors von Isolierstoffen mit speziellen Messbrücken. Im praktischen Teil des
Versuchs erfolgen Messungen des Wassergehaltes von gleichen Isolierölen und Isolierpapieren, die sich nur durch ihre Feuchtigkeit unterscheiden. Anschließend werden die dielektrischen Verlustfaktoren derselben Proben gemessen.
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Bitte arbeiten Sie die Vorbereitungsaufgaben durch. Auch wenn Sie nicht jede Aufgabe ganz lösen können, bringen Sie bitte Ihre Teillösungen mit. Eine intensive Vorbereitung ist notwendig für eine erfolgreiche Versuchsteilnahme!
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Elektrrische Fe
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blatt haPraktikkumsversucch BENT 05,
0 Zustand
dsbewertung von Iso
olierstoffen
Seite 5
ben sollte, kann diese Differenz als Wasser interpretiert werden. Damit lässt sich der
Wasseranteil dann rechnerisch bestimmen. Dieses Verfahren ist bei Mineralöl( auf
Grund der relativ geringen Masse Wasser in einer üblichen Probe) in der Praxis nicht
möglich. Daher wird der Wassergehalt von Mineralöl mit einem speziellen chemischen Verfahren gemessen – der so genannten coulometrischen Titration nach KarlFischer. Bei diesem Verfahren wird das in einer Probe enthaltene Wasser in einer
chemischen Reaktion umgesetzt, deren Produkte elektrisch nachweisbar sind. Mit
Hilfe einer Auswerteeinheit lässt sich der Wasseranteil einer Probe halbautomatisiert
bis auf wenige ppm genau bestimmen.
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Messung des dielektrischen Verlustfaktors (tan  -Messung)
Eine Isolierung ist bei Wechselspannungsbelastung in erster Näherung durch einen
idealen Kondensator darstellbar. Am Beispiel eines Hochspannungskabels entspricht
der spannungsführende Leiter der einen Elektrode, der Masseschirm der anderen
Elektrode des Kondensators. Der Isolierstoff zwischen beiden Elektroden entspricht
dem Dielektrikum. In diesem Fall würde bei Wechselspannungsbelastung ein rein
kapazitiver Strom durch den idealen Isolierstoff fließen.
Da es jedoch keinen idealen Isolierstoff gibt, sondern jeder Isolierstoff eine gewisse
(geringe) Leitfähigkeit besitzt, fließt ein zusätzlicher ohmscher Strom durch das Dielektrikum und erzeugt in diesem elektrische Verluste. Aus dem Verhältnis zwischen
ohmschem und kapazitivem Strom lässt sich der „dielektrische Verlustfaktor“ bestimmen, mit dessen Hilfe sich der Zustand eines Isolierstoffes bewerten lässt.
Eine Möglichkeit den dielektrischen Verlustfaktor zu messen, bietet die in Abbildung
2 dargestellte Schaltung.
U
CX
RX
C0
i0
iP
up
RP
u0
R0
Abbildung 2: Elektrisches Ersatzschaltbild des im Laborversuch verwendeten Messsystems
zur Bestimmung des el. Verlustfaktors der Probekörper.
U ist eine Wechselspannung mit einer Frequenz f = 50 Hz. CX und RX stellen den
Probekörper dar. C0 ist ein Kondensator mit möglichst geringem Verlustfaktor. Daher
wird er hier als ideale Kapazität (also ohne Verlustwiderstand) behandelt. RP und R0
sind Shuntwiderstände zur Messung des Stroms iP und i0. Da der Widerstandswert
der Shuntwiderstände im Vergleich zu den Impedanzen der Kapazität und des Isolierstoffes sehr gering ist, beeinflussen sie die Ströme iP bzw. i0 in guter Näherung
nicht.
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Z0 
1
 R0
jC0
und
ZX 
1
1
jC X 
RX
 RP
Wäre der Verlustwiderstand Rx unendlich hoch, wären die Ströme i0 und ip rein kapazitiv und deren Phasenlage, unabhängig von der Größe der Kapazitäten, identisch.
Der Strom ip ist jedoch in der Praxis durch den Widerstand Rx beeinflusst. Somit
ergibt sich eine Phasendifferenz zwischen i0 und ip (und somit zwischen u0 und up),
welche mit dem Winkel  angegeben wird (Abbildung 3).
u0

up
Abbildung 3: Winkeldifferenz der Spannungen über den Shuntwiderständen
Dabei ist die absolute Phasenlage der beiden Spannungszeiger nicht von Interesse.
Es genügt also die relative Winkeldifferenz zwischen beiden Zeigern anzugeben.
  u0  uP
Da der Winkel  aber durch den hohen Wert von Rx im Isolierstoff oft sehr klein ist,
hat es sich eingebürgert, den Tangens des Winkels anzugeben. Je geringer die Leitfähigkeit eines Isolierstoffes ist, desto kleiner ist der zugehörige tan  - Wert. Ein
idealer Isolierstoff besitzt demnach einen tan  -Wert von 0.
Der tan  -Wert ist also eine allgemeine Größe, über den die Leitfähigkeit eines Isolierstoffes beschrieben werden kann. Da die Leitfähigkeit oft direkt mit dem Zustand
des Isoliersystems verknüpft ist, kann über den tan  - Wert der Zustand eines Isoliersystems bestimmt werden.
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Der Grund
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M
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1
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dsbewertung von Iso
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w
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ohne das Issoliersyste
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I der Prax
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Die Durchführung
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den verwendet. Der
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W
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k
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wert der Sp
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die direkt vor dem Du
urchschlag anliegt, be
ezeichnet.
Da die Durchschllagsspannung statisttisch schwa
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Durchgäng
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D
ag ist der Is
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D
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n der Probe
e nicht zu klein sein.
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Seite
S
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Vorbereitungsaufgaben
1. Es wird eine Papierscheibe von der Form eines Kreises mit einem Durchmesser von d = 100 mm und einer Dicke von s = 0,1 mm zwischen zwei Metallplatten gelegt. Bestimmen Sie die Kapazität CX der Anordnung, wenn für das
Papier eine relative Primitivität von εr = 4 gilt.
2. Nun werde eine Wechselspannung U0 = 1000 V mit einer Frequenz von
f = 50 Hz an diesen Probekörper angelegt. Welche Amplitude weist der Strom
iP auf?
3. Ab jetzt sei der Probekörper keine ideale Kapazität mehr. Er lässt durch einen
zusätzlichen ohmschen Widerstand RX parallel zu CX.nachbilden. Dieser Widerstand habe RX = 1·109Ω = 1GΩ. Bestimmen Sie den neuen Gesamtstrom iP
nun in Betrag und Phase.
4. Wie weit weicht der Winkel des Stroms iP von 90° ab?
5. Das oben verwendete Papier habe im trockenen Zustand eine Dichte von
1 g/cm3. Berechnen Sie die Masse des Probekörpers, wenn er trocken ist.
6. Bestimmen Sie nun die Masse des Probekörpers, wenn er eine für Isolierpapier typische (maximale) Menge an Wasser aufgenommen hat.
7. Wie wirkt sich eine Änderung der Feuchtigkeit von Mineralöl auf den diel. Verlustfaktor und auf die el. Festigkeit aus?
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Abbildu
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Arbeitsblatt 1: Probenpräparation und Feuchtemessung
-
Wählen Sie aus dem Vorrat an getrockneten Papieren zufällig sechs Papiere
aus. Entnehmen Sie diese vorsichtig mit der Pinzette, so dass diese Papiere
nicht verschmutzt werden. Schließen Sie den Vorratsbehälter wieder sorgfältig. Nun streichen Sie ein Baumwolltuch, welches mit Wasser getränkt ist,
über die drei herausgenommenen Papiere. Legen Sie die befeuchteten Papiere in eine Schale und notieren Sie die Uhrzeit.
-
Die Ölproben (trockenes Öl, sowie feuchtes Öl) werden von der Versuchsleitung vorbereitet und in Bechergläsern zur Verfügung gestellt.
-
Nehmen Sie alle Papier- und Ölproben mit ins Chemielabor. Trennen Sie dort
vorsichtig Öl und eventuell abgesetztes Wasser. Markieren Sie beide Ölproben (trockenes Öl bzw. feuchtes Öl) eindeutig. Messen Sie anschließend den
Wassergehalt der beiden Proben mittels der Karl-Fischer Titration.
-
Bestimmen Sie als nächstes die Gewichte der Papierproben. Legen Sie dazu
immer drei feuchte oder drei trockene Proben zusammen auf die Waage. Protokollieren Sie möglichst alle Informationen! Notieren Sie auch die Maße der
Papiere um die Dichte zu errechnen!
Messung der Feuchte
trocken
mit Wasser verschmutzt
Gewicht der Papierproben (drei Papiere) in mg
Wassergehalt der Papierproben (in ppm)
Wassergehalt der Ölproben (in ppm)
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Arbeitsblatt 2: Durchschlagsversuche
-
Legen Sie zunächst drei trockene Papiere übereinander zwischen die Durchschlagselektroden. Verbinden Sie anschießend die Elektroden mit der Hochspannungsversorgung. Erhöhen Sie die Spannung bis zum Durchschlag. Ermitteln Sie sechs Mal die Durchschlagsspannung und notieren Sie diese.
Achtung: Verwenden Sie bei jedem Durchschlag einen anderen Ort. Verschieben Sie hierzu die Elektroden!
-
Führen Sie den identischen Versuch anschließend mit drei übereinandergelegten feuchten Papieren durch.
-
Füllen Sie das trockene Öl in die Kugelkalottenanordnung. Beachten Sie hierbei, dass der Abstand der Kalotten korrekt eingestellt ist (2,5mm). Steigern Sie
die Spannung mit etwas 2kV/s bis zum Durchschlag. Warten Sie nach jedem
Durchschlag etwa 2 Minuten und rühren Sie die Ölproben mittels eines Glasstabes sorgfältig um. Ermitteln Sie auf diese Weise sechs Durchschlagsspannungen des trockenen Öls.
-
Reinigen Sie die Elektrodenanordnung gründlich. Kontrollieren Sie vor Einfüllen des feuchten Öls nochmals den Elektrodenabstand!
-
Führen Sie nun mit identischer Vorgehensweise die Durchschlagsversuche
mit feuchtem Öl durch.
Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen
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Arbeitsblatt 3: Verlustfaktormessung
-
Wie groß ist die Referenzkapazität und welches Dielektrikum enthält sie? Beschreiben Sie auch ihre Bauform!
-
Legen Sie je drei Papiere zwischen die Schutzringanordnung. Schließen Sie
den Sicherheitsbereich und erhöhen Sie die Spannung auf 100 bis 300 V. Notieren Sie die gemessenen Kapazitäten, Verlustfaktoren, sowie die Ströme
und Spannungen bei trockenem und nassem Papier.
-
Füllen Sie die Schutzringanordnung für Flüssigkeiten nun zunächst mit trockenem und anschließend mit dem feuchten Öl. Bestimmen Sie ebenfalls
den dielektrischen Verlustfaktor und notieren Sie alle relevanten Größen.
Messung der Verlustfaktoren
trocken
mit Wasser verschmutzt
Verlustfaktor der Papierproben (je drei Papiere)
Verlustfaktor der Ölproben
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So schreiben Sie den Bericht!
Der Bericht soll die Ergebnisse enthalten – idealerweise in Form von Graphen oder
Tabellen. Fügen Sie einfache, aber aussagekräftige Skizzen hinzu. Achten Sie darauf möglichst alle technischen Informationen, die die Messungen beeinflussen in
den Bericht und in die Skizzen zu berücksichtigen. Dazu gehören auch Angaben wie
Dichte oder Maße der Proben. Beschreiben Sie auch ihre Rechenwege, z.B. bei der
Berechnung der Standardabweichung der Durchschlagsspannung oder der Bestimmung der relativen Papierfeuchte.
Geben Sie am Ende in einem Fazit an, was Sie erwartet haben und ob dies eingetroffen ist. Formulieren Sie alles nüchtern und sachlich. So wären Anmerkungen wie
z.B. „ob Sie zufrieden sind“ oder „ob sie viel gelernt haben“ eher unangebracht.
Bedenken Sie, dass dieser Bericht einen wichtigen ersten Datensatz für ihre berufliche Laufbahn darstellt. Achten Sie also bei der Anfertigung darauf, dass Sie später
noch verstehen, was die Erkenntnisse waren. Schreiben Sie diesen Bericht möglichst
komplett im Präsens. Vermeiden Sie die erste Person.
Literatur
[1]
Bayer, Böck, Möller, Zaengl
Hochspannungstechnik,
Springer-Verlag 1986
[2]
Isolierflüssigkeiten
VWEW-Verlag, Frankfurt am Main, 1996
[3]
Datenblatt . Fa. Weidmann Electrical
Technology AG, Rapperswil, Schweiz
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