Hochspannungstechnik II

Unterscheidbar zwischen:

• Plattenflächenleiter
• Gitterflächenleiter

Erflächenleiter weisen folgende Eigenschaften auf:

1. geringer ohmscher Widerstand
2. und geringe Induktivität

Diese Werte werden als Flächenwiderstand oder Square-Widerstand angegeben.

• Die Erdkapazitäten sind nur mit der Schirmstruktur verbunden
• In geerdeten Strukturen außerhalb der Schirmung fließen keine eingekoppelten Erdungsströme mehr
• Außerhalb der Schirmung kommt es zu keinen Berührspannungen an geerdeten Objekten, die zu Einschränkungen der Sicherheit des Prüfkreises oder zu Störungen der Messeinrichtung führen könnten

\(i_e=C_e\frac{dU}{dt}=\frac{U_{HV}}{\Delta t_{Durchschlag}} C_e \approx 10^{12} \frac{V}{s} 0,8 \cdot 10^{-9} F \approx 800A\)

\(U_e=R_e i_e=10 \Omega \cdot 800A=8000V\)

Messfehler oder gefährliche Berührungsspannung (Erdpotentialanhebung)

1. Stromstromerzeugung über Generator, Kondensatorbank und Schalter auf den Speisekreis
2. Ein Draufschalter und ein Blockierschalter
3. Funkenstrecke + Kondensatorbank. Über Schalter und mit Generator ladbar
4. parallel dazu ein Versuchsschalter um hinter dem Blockierschalter Kurzschluss gegen Erde erzeugen zu können

• Crow-bar Funkenstrecke KS schließt im Spannungsnulldurchgang, bzw. Strommaximum den Kondensator kurz und führt zu exponentiell abfallendem Strom mit der Zeitkonstante L/R. Die Kreisparameter erhält man aus einfachen Überlegungen wie Energieerhaltung und Induktionsspannung

Problem:

• Aufgrund der magnetischen Einkopplungen ist es keine stromproportionale Messung (siehe Bild)!

Abhilfe:

Durch Abschirmung des Messabgriffs somit keine hinderlichen magnetischen Einkopplungen.

• Verwendung eines Scheibenshunt
  • Folienwiderstand
  • koaxialer Aufbau (geringe Induktivität)
  • Widerstand im mOhm-Bereich

Stromwandler sind Trafos im Kurzschlussbetrieb, die man nur mit einer Bürde oder im Kurzschluss betreiben darf.

1. Messbereich: 0,05...1,2I Schutzbereich: bis 10I, auch als Überstromfaktor n (n=10)
2. Die Primärwindungszahl für eine hohe Durchflutung und einen kleinen Fehler groß wählen. Aber hohe Kurzschlussströme im Netz belasten ebenfalls die Primärwindung (Leiterquerschnitt, Stromkräfte)

Beispiel Rogowski-Spule:

• Spule befindet sich konzentrisch um den Leiter
• galvanische Trennung von Prüf- und Messkreis
• Parameter der Spule sind bekannt, daher Rückschluss auf i1 über u2 möglich

Pearson-Sonde (Erweiterung zur Rogowski-Spule):

• Sekundärwicklung mit
  • magentischem Kern
  • Widerstandsterminierung
  • Elektromagnetischem Schild

Vorteile:

• breites Frequenzband
• hohe Linearität
• kleiner Widerstand
• Strom zu Spannungsverhältnis ohne Zeitverzug

Des weiteren noch LEM-Sensoren (DC-Wandler):

• Eisenkern mit Luftspalt, in welchem ein Hall-Sensor sitzt.
• OPV regelt Magnetfeld zu null und bestimmt durch den eingespeisten Strom den Strom durch den Leiter

Mit zwei handelsüblichen Schaltern können kurzzeitige Prüfströme geschaltet werden

Prüfablauf:

• Schalter S1: Erdung aufhaben und einschalten
• Schalter S2: Einschalten
• Schalter S3: Einschalten
  • Prüfstrom fließt kurzzeitig
• Schalter S2: Ausschalten

• a) doppelexponentieller Stoßstrom: Blitzstoßstrom 8/20µs, 30/80µs für Überspannungsableiterprüfung (Unterschwinger kleiner 20% des Impulses)
• b) Rechteck-Stoßstrom: Prüfung von Entladung von Leitungen
• c) Sinusförmiger Stoßstrom mit abklingendem Gleichstromglied: Stoßstrom im Netz bei Kurzschluss im Spannungsnulldurchgang
• d) Sinusförmiger Stoßstrom ohne Gleichstromglied: Stoßstrom im Netz bei Kurzschluss im Spannungsmaximum

Vorteile:

• Kesselbauweise: eignet sich gut für Dauerbetrieb (DB)
  • geerdeter Tank (dead tank)
  • Öl: Sowohl Isolier-, als auch Kühlmittel
  • Verlustwärmeabfuhr über metallische Kesselwände
• Isoliermantelbauweise: eignen sich gut für Kurzzeitbetrieb (KB)
  • Isolierstoffgehäuse, welches die spannungsführenden Teile umgibt ()life tank)
  • Verlustwärme kann über Isoliermantelbauweise nicht gut abgeführt werden

• HS-Prüftrafos werden durch die Prüflingen wie Kabel oder Schaltanlagen hauptsächlich kapazitiv belastet.
• Zusammen mit der Trafoinduktivität bildet die Lastkapazität einen Reihenschwingkreis
• Bei einem Reihenschwingkreis sind die Spannungen an den Teilelementen U2 höher als die Gesamtspannung U´1. Daher tritt in HS-Prüfkreisen eine kapazitive Spannungsüberhöhung auf. Die Ausgangsspannung ist damit größer als durch das Übersetzungsverhältnis vorgegeben. Eine sekundärseitige Spannungsmessung ist zwingend erforderlich!

1. Kugelfunkenstrecke
   • klassische HS-Messeinrichtung
   • In Durchschlagversuchen wird aus der Schlagweite s auf Scheitelwert der Spannung geschlossen. Kugeldurchmesser D muss wesentlich größer sein als Funkenstrecke s \(\hat{U}[kV]\lt D[mm]\)
   • Umrechnung auf andere Atmosphären \(\hat{U}_d(p,\vartheta)=\frac{p}{1013hPa}\frac{273°C+20°C}{273°C+\vartheta}\cdot \hat{U}_d\)
2. Stab/Stab-Funkenstrecke
   • niedrige Luftfeuchtigkeit->ungünstig
3. induktive/kapazitive Spannungsteiler

• Druck
• Temperatur
• Luftfeuchte

Potentialfreies Messen von Spannungen

(?)

• Mit kapazitiven Spannungsteilern
• werden in einem weiten Frequenzbereich eingesetzt, weil die Streukapazitäten zwar eine Betragsänderung aber keine Frequenzabhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses bewirken
• wegen einfachem Aufbau i.d.R. in kleinen, z.B. einstufigen Stoßkreisen bis in den 100kV-Bereich verwendet
• Teilerverhältnis: \(T_0=\frac{C_1+C_2}{C_1}\)

• Einsatz als Koppelkondensator für Trägerfrequenzsysteme
• Erzeugen hohe Schaltüberspannungen  durch gespeicherte Kondensatorladungen
• Neigung zu Ferroresonanz-Schwingungen
• gut für AC-Messung in einem weiten Frequenzbereich. Streukapazitäten führen zwar zu Betragsänderung aber keine Frequenzabhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses \(T_0=\frac{C_1+C_2}{C_1}\)
• Teiler müssen am Einsatzort kalibriert werden

Fehler: \(\underline{F}=\underline{F}_0(U_1)+\underline{F}_b(R_b, X_b,L',R')\) mit F0=Leerlauffehler, Fb=Belastungsfehler

Probleme:

• C_e Erdkapazität führt zu kapazitiven Verschiebeströmen, die an der Niederspannungskapazität vorbeifließen und einen Messfehler verursachen, daher C1 groß wählen 
• C1 belastet Prüfquelle, daher C1 klein wählen
• Teilungsverhältnis: \(T=T_0\left(1+\frac{C_E}{6\cdot C_1}\right)\), \(C_E=h\cdot 20\frac{pF}{m}\), h=Teilerbauhöhe

• Erdkapazität führt zu kapazitiven Verschiebeströmen, welche zu Messfehlern führen
• Kalibrierung am Einsatzort!

Teilentladung:

• Teilentladung (TE): örtlich beschränkte elektrische Entladung welche die Isolierung nur teilweise überbrückt und welche angrenzend an einen Leiter auftreten kann
• Teilentladungsimpuls (TE-Impuls): Strom oder Spannungsimpuls der von einer TE des Prüflings kommt. Der Detektor erzeugt ein Strom- oder Spannungssignal das proportional zur Ladung des Stromimpulses an seinem Eingang ist.
• scheinbare Ladung qs: eines TE-Impulses ist die Ladung, die , wenn sie innerhalb einer sehr kurzen Zeit zwischen den Anschlüssen des Prüfobjekts in einem festgelegten Prüfkreis eingespeist wird, dieselbe Anzeige auf dem Messgerät geben würde wie der TE-Impuls selbst (Einheit: pC)
  • qs ist nicht gleich der Ladungsmenge die an der Stelle der Teilentladung örtlich umgesetzt wird

Teilentladungsmessung:

• Prüfspannung ermöglicht Entstehung von Teilentladungen
• in den Hohlräumen entstehen wahre Ladungen
• Ladungsimpulse an den Klemmen sind scheinbare Ladungen (< wahre Ladung)
• Teilentladungsprüfung besteht aus einer Prüfspannungsbelastung und einer Messung der Teilentladungsimpulse
• Kriterium ist die Einhaltung eines TE-Intensitätsgrenzwert bei vorgegebener Prüfspannung

• Wechselspannung wird überlagert von kleinen Spannungsimpulsen. Spannungsänderungen müssen herausgefiltert werden \(\Delta U_{TE}=\frac{q_s}{C_a}=\frac{100 pF}{1nF}=100mV\)
• Teilentladung wird linearisiert. Anstiegszeit im ns-Bereich für feste Isolierstoffe, im µs-Bereich für flüssige
• Spannung der TE-Impulse ist sehr klein im Verhältnis zur Prüfspannung von bis zu 100kV. Messtechnische Herausforderung!
• Hochpassfilter aus Ck und R trennt Wechselspannung und hochfrequente Spannungsimpulse und schützt den Messkreis vor der Hochspannung
• Parallelschaltung von Ca und Ck sorgt für Stromteiler. Die Scheinbare Ladung teilt sich auf! Einfluss der Ladungsteilung wird bei Kalibrierung berücksichtigt.
• Übertragung der TE-Impulse mit ESB erklären: C=Ca+Ck mit Spannungsquelle DeltaUte. Umwandeln in Stromquelle. Kondensator wird durch Stromimpuls aufgeladen, wodurch ein Spannungssprung entsteht. Ladungsmenge entspricht der scheinbaren Ladung. \(\Delta U_{TE}=\frac{q_s}{C_a}=\frac{\int i_{TE}dt}{C_a}\)
• Messung mit Spannungsquelle DeltaUte: Serienschaltung aus Kondensatoren (\(C=\frac{C_a C_k}{C_a+C_k}\) und Widerstand R. \(U_c=\Delta U_{TE}(1-e^{-\frac{t}{RC}})\), da \(i=C\frac{dU_c}{dt}\) und \(U_R=i\cdot R\)
• Kalibrierung ist unerlässlich!

• Während der negativen Halbwelle lädt sich C1 auf den Scheitelwert von Ut auf. 
• Während der positiven Halbwelle erfolgt nun eine Spannungsanhebung auf 2xUt, da C1 mit V2 und C2 in Reihe liegt. C2 wird dadurch auf den doppelten Scheitelwert geladen. C1 wird dabei entladen.
• Die Ausgangsspannung wird von C2 und V2 bereitgestellt

• Üblicherweise mit einem Hochspannungs-Widerstandsteiler
• Teilungsverhältnis: \(T=\frac{R_1+R_2}{R_2}\)

Fehler:

• Leckstromfehler: Leitungsströme in Isolierstoffen oder auf Oberflächen sowie Koronaentladungen führen zu Leckströmen, die an dem Niederspannungsteil vorbeigeführt werden. Deshalb Messstrom ausreichend groß wählen. \(I_{mess}\gt 0,1mA\)
• Temperaturfehler: Der Messstrom erwärmt die Hochspannungswiderstände. Bsp: 1mA Messtrom bedeutet 1W Verlustleistung pro 1kV Messspannung
  • \(R_1=R_{10}(1+\alpha_1\cdot \Delta\vartheta)\) mit \(\alpha \approx10^{-4}...10^{-6}\frac{1}{K}\)
  • \(R_2=R_{20}(1+\alpha_2\cdot \Delta\vartheta)\)
  • \(T=T_0+(T_0-1)\cdot(\alpha_1\cdot \Delta\vartheta_1-\alpha_2\cdot \Delta\vartheta_2)\)

Es wird unterschieden zwischen:

• Innere Überspannung (entstehen durch Schaltvorgänge im Netz, z.B. Unterbrechen von induktiven Kreisen)
• äußere Überspannung (entstehen durch äußere Einflüsse, z.B. Blitzeinschläge, die in langen Leitungen Wanderwellen und somit kurzzeitige erhebliche Überspannungen auslösen können)

Kenngrößen nach IEC60060-1:

Blitzstoßspannungen

1. Stirnzeit
2. Rückenhalbwertszeit

Schaltstoßspannungen

1. Time to peak
2. Time to half value

1. Die Funkenstrecke schaltet den Stoßkondensator Cs auf die Strecke
2. Der Stoßkondensator lädt Belastungskapazität Cb über den Dämpfungswiderstand Rd auf
3. Dadurch wird die Stirnzeit T1 bestimmt. Der Scheitelwert ergibt sich aus dem Kapazitätsverhältnis von Cb und Cs und wird durch den Ausnutzungsfaktor \(\eta\) angegeben.
4. Die Gesamtkapazität aus Stoß- und Belastungskapazität wird über den Entladewiderstand entladen. Dadurch wird die Rückenhalbwertszeit bestimmt.

nach Marx kann diese Schaltung kaskadiert werden...

1. Die Stoßspannung ergibt sich daher aus zwei Exponentialfunktionen für Auf- und Entladung des Prüfkreises. Cb besteht aus der Parallelschaltung von Prüflingskapazität, Teilerkapazität und Belastungskapazität des Stoßspannungsgenerators

• Wanderwellen und deren Auswirkung auf Messfehler müssen beachtet werden.

• kompakte HS-Tastköpfe bis zu mehreren 10kV werden als kompensierte Spannungsteiler aufgebaut
• Die räumlich getrennten HS- und NS-Teile aus C1/R1 und C2/R2 sind über eine abgestimmte Coaxialleitung verbunden die einen Widerstandsbelag zur Bedämpfung von Wanderwellenschwingungen enthält.
• Der Abgleich des Tastkopfes erfolgt mit nachgeschaltetem Entzerrungsnetzwerk. Der Tastkopf bildet mit dem eigentlichen Kopf, der Verbindungsleitung und dem Abschlussnetzwerk eine abgestimmte Einheit, sodass eine Verlängerung des Verbindungskabels i.d.R. nicht möglich ist.

Messfehler:

• Messfehler ergibt durch Verzögerungszeit des Messsystems. Daher wird der Scheitelwert nie erreicht

• Achtung vor Wanderwellen

• Kapazitive Teiler schwingen stark über (\(\beta\) bis 80%)
• Abhilfe bringt ein Abschlusswiderstand vor dem Teiler. Bei größeren Teilern ist ein "verteilter" Dämpfungswiderstand oder "Widerstandbelag" besser.
• Dabei müssen die Zeitkonstanten im Hoch und Niederspannungsteil gleich sein
• Für den Abschlusswiderstand R1 ergeben sich Werte von 200...400 Ohm. Das Überschwingen kann auf Wert um 10% reduziert werden und die Antwortzeiten, die im Bereich von 10ns liegt, ergibt sich zu \(T=1/6 \cdot R_1C_E\)

Probleme:

• Messwerte schwanken zufällig
• Anzahl der Messwerte ist begrenzt

Beispiel Durchschlagspannung Kugelfunkenstrecke:

• Durchschlagspannung ist keine konstante Größe, sondern schwankt zwischen minimalem und maximalem Wert aufgrund der physikalischen Prozesse

Schätzwerte der empirischen Verteilung:

Mittelwert: \(\overline{U}_d=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}U_{d_i}\)

Standardabweichung: \(s=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^n(U_{d_i}-\overline{U}_d)^2}\)

Gaußsche Verteilung \(U_d=\overline{U}_d\pm x \cdot s\), x=1: 68%, x=2: 95%, x=3: 99,7%

Für die HS-Technik bedeutet dies: Die Stehspannung einer Anordnung beträgt \(U_{steh}=\overline{U}_m-3s\) und die gesicherte Durchschlagspannung ist \(U_{bd}=U_m+3s\). \(\overline{U}_d=U_m\)!

Die Vertrauensgrenze des Mittelwerte bei Stichprobe mit n Werten:

\(U_d=\overline{U}_d\pm \frac{t}{\sqrt{n}}s\)

n=5: \(\frac{t}{\sqrt{n}}\)=1,24

n=10: \(\frac{t}{\sqrt{n}}\)=0,72

n=20: \(\frac{t}{\sqrt{n}}\)=0,47