Klausur Hochspannungstechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit

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1 Prof. Dr. U. Adolph Klausur Hochspannungstechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit Name: Matr.-Nr.: Bearbeitungszeit: 120 Min. Hilfsmittel: Taschenbuch der Mathematik, Physik und Elektrotechnik, Taschenrechner. Scripte und handgeschriebene Ergänzungen zur Hochspannungstechnik und zur EMV sowie Laborberichte. Hinweis: Falls vorgesehen, sind die Antworten an den entsprechenden Stellen im Aufgabenblatt einzutragen und zwar sowohl Zahlenwert als auch Einheit. Die Zahlenangabe soll im "Ingenieur-Format" erfolgen, die Mantisse soll 4-oder 5-stellig sein, der absolute Zahlenbereich muss sich im Bereich von 0,00 bis 999,99 bewegen. Beantworten Sie alle Fragen mit knappen, stichwortartigen Sätzen, vergessen Sie aber nicht, auf alle Aspekte einzugehen. Fügen Sie zwischen den einzelnen Aufgaben einen Querstrich ein, nummerieren Sie alle Blätter, und schreiben Sie auf allen Blätter Ihren Namen und die Matrikel- Nummer. Dieses Deckblatt muss mit abgegeben werden, die Arbeit wird sonst nicht gewertet! Aufgabe Punkte Aufgabe Punkte Aufgabe Punkte Summe aller Punkte: Prozent: Note:

2 1. Teil EMV 1. Aufgabe (20 Pkte.) Gegeben ist die im folgenden Diagramm Einhüllende einer periodischen Impulsfolge. Das Puls-Pause Verhältnis ist 1:1. Bezugsspannung U0 = 1µV a) Bestimmen Sie für die original Impulsfolge: (7 Punkte) Mittlere Anstiegszeit Tr =.. Mittlere Impulsdauer Ti =.. Frequenz f = Amplitude A = db Eckfrequenz f1 = Periode T =... b) Skizzieren Sie die Original Impulsfolge. (3 Punkte) c) Um die Verlustleistung zu verringern wird die Amplitude um 40% reduziert. Zeichnen Sie die sich daraus neu ergebende Einhüllende in das Diagramm ein. (10 Punkte) 2

3 Amplitude in db KLAUSUR SS 16 HOCHSPANNUNGSTECHNIK UND EMV ,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 Frequenz in Hz 3

4 2. Aufgabe (18 Punkte) Gegeben seien drei Bleche, welche zur Schirmung gegen elektromagnetische Wellen bei 150 Hz genutzt werden sollen. Eines der Bleche ist ein 0,5 mm dickes Eisenblech, ein weiteres ist ein 3,5 mm dickes Kupferblech und das Dritte ist ein Aluminiumblech mit der Dicke von 2,5 mm. a) Bestimmen Sie die Eindringtiefe der Wellen in die Bleche. (7 Punkte) b) Bestimmen Sie die Schirmdämpfung unter der Annahme, dass nur Adsorptionsdämpfung auftritt. (7 Punkte) c) Welches Blech schirmt am besten? (4 Punkte) Hinweis: Eisen: κ= 10 Sm/mm² μr = 200 Kupfer: κ = 57 Sm/mm² μr = 1 Aluminium: κ = 36 Sm/mm² μr = 1 3. Aufgabe (12 Punkte) Gegeben sei ein Koaxialkabel, wie in der Abbildung dargestellt. Die Fläche des Innenleiters beträgt 7,069 cm², der Außendurchmesser ist mit 5 cm gegeben. Das Dielektrikum besteht aus PE mit einem εr = 2,3. Bestimmen Sie für die Leitungsanordnung: a) den Kapazitätsbelag (3 Punkte) b) den Induktivitätsbelag (3 Punkte) c) den Wellenwiderstand (3 Punkte) d) die Wellengeschwindigkeit (3 Punkte) 4

5 2. Teil Hochspannungstechnik 4. Aufgabe (15 Punkte) Ein Gießharz isolierter Zylinderkondensator soll bei einem Effektivwert von 15 kv und einer mittleren Umgebungstemperatur von 20 C betrieben werden. Gehen Sie bei den weiteren Betrachtungen davon aus, dass der Gießharzkörper homogen ist und überall die gleichen elektrischen und thermischen Materialeigenschaften besitzt. Außerdem kann angenommen werden, dass die Temperatur gleichverteilt ist und gleichmäßig an die Umgebung abgegeben wird. a) Bestimmen Sie die Kapazität und die maximale Feldstärke der Zylinderanordnung. Randeffekte können vernachlässigt werden(5 Punkte) b) Wie hoch darf die Temperatur im Inneren des Kondensators maximal werden, damit es nicht zum Wärmedurchschlag kommt. Für den Verlustanstieg des eingesetzten Materials aufgrund der Temperaturerhöhung gilt v= 0,015 1/K. (5 Punkte) c) Wie groß darf die Verlustleistung, die im Kondensator maximal umgesetzt wird, werden, damit es nicht zum Wärmedurchschlag. (5 Punkte) di da εr = 5 l tan δ0 = 0,021, r = 5 (Gießharz) da = 15 cm l = 30 cm da di = e e: Euler`sche Zahl 5

6 5. Aufgabe (15 Punkte) Gegeben sei ein 5 km langes Koaxialkabel, dessen Anordnung unten dargestellt ist. Zwischen dem Innen- und dem Außenleiter befindet sich ein geschichtetes Dielektrikum. Die beiden Dielektrika haben die gleiche Dicke und werden als fehlerfrei und hochrein angenommen. Untersucht wird das Kabel auf einen elektrischen Durchschlag. Die elektrische Festigkeit der Isolierungen ist gegeben mit ED1 = 1300 kv/cm; ED2 = 1100 kv/cm εr1 = 3,5; εr2 = 2,2; a) Welche effektive Spannung darf zwischen dem Innen- und dem Außenleiter anliegen, damit es gerade nicht zum elektrischen Durchschlag kommt? (5 Punkte) b) Berechnen Sie den Feldstärkeverlauf und skizzieren sie das elektrische Feld über dem Radius r. Benutzen sie dabei die Spannung aus a). (8 Punkte) c) Die Dielektrika werden komplett durch Luft bei einem Druck von 2 bar ersetzt. Wie groß darf nun der Scheitelwert der Spannung sein, damit es nicht zum Durchschlag kommt? Wie groß ist der Effektivwert? (2 Punkte) 6

7 6. Aufgabe (20 Punkte) Ein Stützer aus Gießharz (εr = 4) mit der Länge l = 0,5 m und dem Durchmesser d=15 cm, ist für eine Nennspannung von U0 = 330 kv ausgelegt. Er hat aufgrund eines Produktionsfehlers zentral (genau auf der Mittellinie) eine zylinderförmige Fehlstelle (Lufteinschluss) mit dem Radius rf= 6 mm und Länge lf = 0,8 mm. a) Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild und berechnen Sie die Ersatzelemente. (5 Punkte) b) Wie groß ist die Durchbruchspannung (Einsetzspannung) in der Fehlstelle? (3 Punkte) c) Die Spannung wird bei der Prüfung langsam hochgefahren. Bei welcher außen anliegenden Spannung setzen die Teilentladungen ein? (5 Punkte) d) Bestimmen Sie die scheinbare und die messbare Ladung, wenn der Koppelkondensator 500 pf besitzt. (5 Punkte) e) Würde der Stützer eine TE-Prüfung bestehen, wenn bei 1,5 U0 keine Teilentladungen zugelassen werden? (2 Punkte) d U l lf 7

8 Zusatzaufgabe (9 Punkte) Nennen Sie mindesten drei nachgewiesene Ereignisse (Unfälle, Sachschäden usw.) mit Quellenangabe ab dem Jahr 2005, die auf EMV-Phänomene zurückgeführt werden können. (je Ereignis 3 Punkte) 8

9 Paschenkurve von Luft 9