Zustandsbewertung von Isolierstoffen
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Lehrs stuhl ffür Ho ochspa annun ngstec chnik Fakultä ät für Elek ktrotechnik und Info ormationstechnik sche Unive ersität Dortmund Technis Prof. P Dr.-I ng. Frank k Jenau Versu uchsanle eitung zum m Prakti kumsve ersuch Prak ktikum m 4: B BENT T 05 Zusta Z ands sbew wertu ung von v Isolierrstoff ffen V Version Mai 2013 2 / FL Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 2 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. Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 3 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! Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 4 Elektrrische Fe estigkeit und Feu uchtigkeit in Isoliierstoffe en Die ele ektrische Festigkeit F von v Isoliersstoffen ist maßgeblic ch von derr Feuchte der d verwendetten Isoliersstoffe abhängig. Jed der Isolierstoff hat die d Fähigkkeit, eine gewisse g Menge Wasser zu z binden. Dazu gen nügt es, de en Isoliersttoff der Lufftfeuchtigk keit auszusetze en. Sehr häufig werd den Isolierssysteme ve erwendet, die im Weesentlichen n aus Öl und Pa apier beste ehen. Grundsätzlich führt eine e Zunahme e der relattiven Feuc chtigkeit wrel die eser Isoliersstoffe zu einem e Absiinken der elektrische e en Festigkeeit (Durchs schlagsfeldstärrke Ed, Du urchschlagspannung Ud), wie im Beispiel der Abbi ldung 1 fü ür Mineralöl [1]] dargestelllt ist. Abbildu ung 1: Durch hschlagfeld dstärke Ed in n Abhängig gkeit der rela ativen Feucchte wrel fürr ein Isolieröl au uf Mineralölb basis [1]. pischer We ert für die maximale Menge Wasser, W die e in Minerralöl lösbar ist, ist Ein typ w = 40 ppm bei T = 20°C – also 40m mg pro kg [2]! Im Ge egensatz ddazu kann n Papier deutlich h mehr Wasser W aufnehmen. E Ein typisch her Wert für f Zelluloose ist eine Wasseraufn nahme von n bis zu 6% % Massena anteil [3] – also 60g Wasser W auff 1kg Zellulose. Diese F Fakten sin nd bei der Handhabu ung von Iso olationstoffen und deer Produkttion von komple exeren Isoliersysteme en zu beacchten. Um die e elektrisch he Festigke eit eines Issoliersystems nicht zu z beeinträächtigen, kann der Wassergehalt ein ner Probe (beispielsw weise aus einer laufe enden Prodduktion) be estimmt werden n. Der Wasssergehalt von Papie er kann mit einer Wa age gemesssen werd den. Voraussettzung dafü ür ist, dass s die Dichtte des zu untersuche u enden Pappiers bei einer bestimmte en Feuchte e bekannt ist – z.B. die Dichte e bei getrocknetem P Papier. We enn dieses Pa apier beim Wiegen nun eine hö öhere Dich hte aufweis st als es laaut Datenb 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. Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 6 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. Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 7 Z0 1 R0 jC0 und ZX 1 1 jC 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. Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 8 Schuttzringano ordnung g Bei Me essungen an a Isoliersy ystemen isst in der Re egel das Verhalten V ddes Isoliers systems unter h homogenerr Belastung g von Inte resse. Eine vollständ dig homoggene Belas stung ist jedoch in der Pra axis mit einfachen E Elektroden nicht zu erreichen. e D Der Grund d hierfür sind die Ränder der Elektroden, die e das Prüffobjekt berrühren. Ann den Ran ndzonen existierrt immer ein e inhomogenes ele ktrisches Feld, F das demnach auch zu einer e inhomogene Belasttung und einem e inho omogenen Stromfluss s im Objekkt führt. Damit die Rande effekte die Messung g nicht bee einflussen können, w wird eine Schutzringano ordnung na ach Abbildung 4 verw wendet. Abbildu ung 4: Stro omfluss durrch Dielekttrikum a) ohne o und b) b mit Schuutzring homogenen Streuflüs sse durch den Prüfkörper werden durcch den Sch hutzring Die inh abgeleitet. Als Messgröße können so omit die re ein homoge enen Ström me herang gezogen werden n, die das Dielektriku um durchffließen. Zu u beachten n ist hierbeei, dass de er Spalt zwische en Schutzrring und Messelektro M ode möglic chst klein gehalten wiird (meist 1mm). 1 Praktikkumsversucch BENT 05, 0 Zustand dsbewertung von Iso olierstoffen Seite 9 Ermittteln der Durchsc chlagssp pannung Um den n Zustand eines Isoliiersystemss zu bestim mmen, biete et sich ein Durchschlagsversuch h an. Da es sich hierrbei um ein n zerstören ndes Prüfve erfahren haandelt, läs sst es sich nu ur an Isoliersystemen n durchführren, von de enen eine Probe entnnommen werden w kann, o ohne das Issoliersyste em zu bescchädigen. In I der Prax xis kommt die Ermittlung der Durchschlagssspannung g demnach h nahezu ausschließlich bei flüsssigen Isolierstoffen (Ölisolierunge en) zum Einsatz. Die Durchführung g eines Durchschlagssversuchs ist normattiv sehr gennau festge elegt (insbessondere in VDE 0370 0 / 0380), d damit Erge ebnisse verrschiedeneer Prüfstellen vergleichb bar sind. Insbesonderre die Elekktrodenform m, die Schllagweite, ddas verwen ndete Volume en, die Tem mperatur, sowie s die S Spannungs sform habe en einen seehr großen n Einfluss au uf das Erge ebnis eines Durchsc hlagsversu uchs. Abbildu ung 5: Skizzze einer VDE-Kugel V lkalotte [1] ng nach No orm werde n s.g. Kugelkalotten (Abbildungg 5) als Ele ektroBei einer Messun den verwendet. Der D Abstan nd zwische n beiden Elektroden E beträgt 2,55mm, die TempeT ratur 20 0°C. Bei Wechselspa W annungsme essungen beträgt die e Spannunngssteigeru ungsgeschw windigkeit konstant k 2kV/s bis zu um Durchs schlag. Als Durchsch lagsspannung wird de er Effektivw wert der Sp pannung, d die direkt vor dem Du urchschlag anliegt, be ezeichnet. Da die Durchschllagsspannung statisttisch schwa ankt, werden sechs D Durchgäng ge vorgeschrieben. Nacch einem Durchschla D ag ist der Is solierstoff im Durchscchlagkanal jedoch m meist stark verunreinig gt: Es habe en sich de eutliche Rußspuren soowie Gase e gebildet. Um m die Rückkwirkungen n dieser Prrodukte auff weitere Durchschlä D äge zu verrringern, wird na ach jedem Durchschlag zwei M inuten gew wartet und das Isolierrmedium sorgfäls tig verrrührt. Zusätzlich darf das Gesam mtvolumen n der Probe e nicht zu klein sein. Praktikkumsversucch BENT 05, 0 Zustand dsbewertung von Iso olierstoffen Seite S 10 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? Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 11 Beiblä ätter Die folg genden Be eiblätter entstammen n dem Bu uch „Hochs spannungsstechnik“ von v den Autoren n Beyer, Boeck, B Mö öller und Z Zaengl [1]. Sie gebe en einen E Eindruck vo on typischen W Werten fürr den diel. Verlustfakt V tor. Abbildu ung 6: Elekktrischer Verlustfakto V or als Funk ktion der ab bsoluten Feeuchte w von v einem M Mineralöl au us [1]. Praktikkumsversucch BENT 05, 0 Zustand dsbewertung von Iso olierstoffen Seite S 12 Abbildu ung 7: Verllustfaktor von v Isolierp papier in Abhängigke A eit vom Gleeichgewich htsWasserdampfparrtialdruck bei b der Tro cknung be ei verschied denen Tem mperaturen n aus [1]. Praktikkumsversucch BENT 05, 0 Zustand dsbewertung von Iso olierstoffen Seite S 13 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) Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 14 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 Seite 15 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 Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 16 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 Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 17
