ETG Fachtagung Grenzflächen in elektrischen Isoliersystemen 8-9 März 2005 in Hanau

Transkript

1 Institut fü Elektoenegiesysteme und Hochspannungstechnik Univesität Kalsuhe (TH) ETG Fachtagung Genzflächen in elektischen Isoliesystemen -9 Mäz in Hanau Thema: Impedanzmessungen am tockenen und feuchten Öl-Papie- Isoliesystem Dipl. Wi.-Ing. Dietma Giselbecht, Pof. D.-Ing. Thomas Leibfied Institut fü Elektoenegiesysteme und Hochspannungstechnik, Univesität Kalsuhe, Deutschland

2 Inhaltsvezeichnis. Vesuchsaufbau und Messablauf 3.. Vesuchsaufbau 3.. Messablauf und -genauigkeit. Systemidentifikation und Modellbildung.. Modellbildung.. Identifikation des Öl-Systems.3. Identifikation des Papie-Systems 7 3. Zusammenfassung. Liteatuvezeichnis

3 Impedanzmessungen am tockenen und feuchten Öl-Papie- Isoliesystem Dipl. Wi.-Ing. Dietma Giselbecht, Pof. D.-Ing. Thomas Leibfied Institut fü Elektoenegiesysteme und Hochspannungstechnik, Univesität Kalsuhe, Deutschland Kuzfassung Impedanzmessungen emöglichen Aussagen übe Mateialeigenschaften, welche wiedeum mit den elektischen Eigenschaften veknüpft sind. Änden sich die elektischen Eigenschaften duch chemische Reaktionen so können qualitative und quantitative Aussagen mit Hilfe de Impedanzmessung efolgen. Modene Impedanzanalysatoen bieten die Möglichkeit, die fequenzabhängige Leitfähigkeit und Dielektizitätsfunktion (ω) eine Pobe im Fequenzbeeich von einigen mhz bis zu einigen MHz zu bestimmen. Impedanzspektoskopische Messungen sind vegleichsweise einfach duchzufühen und liefen seh päzise Egebnisse übe goße Leitfähigkeits- und Kapazitätsbeeiche. Bei Öl-Papie-Isoliesystemen können Rückschlüsse auf die Beweglichkeit von Ionen und Molekülen sowie Tanspotmechanismen gezogen weden. Es hat sich duch die Impedanzmessungen an tockenen und feuchten Öl-Papie-Isoliesystemen gezeigt, dass die Dielektizitätsfunktion (ω,τ,f Öl, F PB ) seh komplex ist und neben eine Fequenzabhängigkeit eine Abhängigkeit von de Tempeatu T und vom Feuchtigkeitsgehalt F des Öls und Papies aufweist. Die Ändeung de Dielektizitätszahl wid zum einen duch Polaisationspozesse im Inneen des Isoliesystems und zum andeen duch Schichtenbildung an den Genzflächen zwischen Öl und Papie hevogeufen. Bei unpolaem Mateial weden unte de Wikung eines elektischen Feldes die Schwepunkte de positiven und negativen Ladungen gegeneinande veschoben und somit elektische Dipolmomente induziet. Diese Veschiebungspolaisation titt bei hohen Fequenzen auf. Im Gegensatz dazu titt bei polaen Molekülen die Oientieungspolaisation ein, die je nach Dipolmoment nu bei niedigen Fequenzen die Kapazität ändet, da die Dipole nu einem langsam veändelichen elektischen Feld folgen können. An den Genzflächen zwischen Öl und Papie kommt es in einem elektischen Feld zu staen ode diffusen Schichtbildung, die ebenfalls die Kapazität und die Leitfähigkeit beeinflussen. Eine Bescheibung de Messegebnisse ist komplex und kann bishe nu zum Teil mit theoetischen Modellen nachgebildet weden. Aus diesem Gund wid vesucht, das theoetische Modell mit expeimentell gemessenen Daten zu egänzen, um so komplexe Vogänge von Isoliesystemen genaue bescheiben zu können. In diese Untesuchung weden einige Efahungen und Messegebnisse de Impedanzmessung an den tockenen und feuchten Öl-Papie- Isoliesystemen aufgezeigt sowie Modellieungsfomen vogestellt.. Vesuchsaufbau und Messablauf.. Vesuchsaufbau Folgende Messaufbau wude fü die Messungen vewendet: Dichtungsing Abbildung Glaszylinde mit Elektoden De Aufbau besteht aus einem Glaszylinde mit einem Innenduchmesse von 3 mm. In diesem Glaszylinde befinden sich zwei Elektoden. De hevogehobene Teil de Elektoden hat einen Duchmesse von jeweils ±. mm. De Abstand de Platten wude bei de Messung von einem Isolieöl mit Abstandhalten von.mm eingestellt. Bei Messungen mit Zellulose wude de gegebene Papieabstand vewendet (,mm). De Dichtungsing dient dazu, die Feuchtigkeit im Innenaum des Messkondensatos konstant zu halten. De untee Metalling quetscht beim Anschauben den Dichtungsing gegen die Glaswand. Die Vewendung des Glaszylindes wa notwendig, da bei de Vewendung von Kunststoff die Feuchtigkeit des Isolieöls bei sonst konstanten Bedingungen nicht konstant wa. Weitehin wude ein Tempeatusenso an de Elektode befestigt, um auch Vesuche mit unteschiedlichen Tempeatuen im Klimaschank duchzufühen. Die Befüllung des Aufbaus mit Isolieöl efolgte duch eine Befüllungsbohung am Rand de obeen Elektode, die mit eine Schaube abgedichtet ist. Feste Stoffe (beispielsweise das Isoliepapie) mussen vohe eingebacht weden.

4 .. Messablauf und -genauigkeit Fü alle Messungen wude de Alpha-A High Resolution Dielectic / Impedance Analyze de Fima Novocontol Technologies vewendet. Dieses Geät legt eine Spannung von.v-v mit eine bestimmten Fequenz an ein zu messendes Objekt an und misst den Stom und die Phasenveschiebung zwischen Stom und Spannung. De Messbeeich des Geätes bezüglich de Impedanz betägt - - Ohm. De Messbeeich de Kapazität betägt - - Faad []. De vewendete Aufbau des Messkondensatos wa so ausgelegt, das e innehalb des Abeitsbeeichs des Analyzes lag. De in Kapitel. beschiebene Aufbau wude im Zweipol-Betieb gemessen. Aus de angelegten Spannung bei eine bestimmten Fequenz f beechnet das Geät nach folgende Fomel die paallele komplexe Kapazität C P []: I C p = i mit ω = π f (Gl.: ) ω U Den Wet fü die komplexe Dielektizitätszahl eechnet sich aus de Division de komplexen paallelen Kapazität mit de theoetischen Vakuumkapazität des Aufbaus: N p ' '' N i = i = (Gl.: a) C N C i pi ' '' = i = N (Gl.: b) N C i Stickstoff, i N C könnte pinzipiell sich aus de Geometie des Kondensatos eechnet weden. Da de Aufbau beispielsweise duch die Zuleitungen de Messleitungen sowie duch Steukapazitäten (systematische Fehle) eine Messungenauigkeit beinhaltete, wude zu jede Veändeung de Geometie fü eine neue Messeihe eine Messung mit Stickstoff duchgefüht. Duch die Division de gemittelten komplexen Stickstoffkapazität von Messungen wude die Leekapazität fü die Messanodnung bestimmt (vgl. Gl.:b), um so systematische Fehle zu eliminieen.. imag() Abbildung Messabweichung mit (a) und ohne (b) systematischen Fehle C a) b) eal( ) syst. Fehle.99. eal( ) Die Abbildung zeigt die Messabweichung von Messeihen zu beechneten Vakuumkapazität (Abb..3a, Gl.:a) und die Abweichung von Messeihen zu gemittelten komplexen Stickstoffkapazität (Abb..3b, Gl.:b). Eine Messeihe wude imme wie folgt aufgenommen: Nachdem de Messkondensato mit einem Dielektikum gefüllt wude, wude zunächst eine seh lange Stabilisieungszeit (h-h) duchlaufen. Geade bei de Messung mit dem Isoliepapie fanden noch Ausgleichsvogänge nach h statt. Danach wuden Messungen aufgenommen, wobei die Fequenz imme von khz bis mhz und teilweise mhz duchlaufen wude. Bei den Messeihen mit unteschiedlichen Tempeatuen wude jeweils nach eine Messeihe eine andee Tempeatu eingestellt und dann nach eine Stabilisieungspause eneut Messungen gemessen. Dabei wuden die Tempeatuen C, 3 C, C und 7 C eingestellt. Bei de späteen Auswetung de Messeihen wude imme de Mittelwet de Messungen vewendet, um so die Stöeinflüsse zu eduzieen. Eine Hauptanfodeung an den Aufbau wa es, die Feuchtigkeit konstant zu halten, da sie einen deutlichen Einfluss auf die Messegebnisse hat. Als tockenes Öl wude Shell Diala D mit ca. -ppm Wassegehalt vewendet und vo und nach de Messung die Feuchtigkeit jeweils mit Hilfe de Kal-Fische-Titation bestimmt. Bei Vewendung von Isoliepapie als Dielektikum wude de Feuchtigkeitsgehalt jeweils vo und nach eine kompletten Messeihe duch die Ausheizmethode mit anschließende Titation nach VDE37 Teil bestimmt, um Aussagen übe den Anstieg de Feuchtigkeit des Papies im Messkondensato zu bekommen.. Systemidentifikation und Modellbildung Bei de Impedanzspektoskopie weden die elevanten Daten aus de fequenzabhängigen Impedanz und de zugehöigen Phasenveschiebung gewonnen. Deswegen ist bei diese Messtechnik fü die Identifikation entscheidend, übe welchen Fequenzbeeich gemessen wid. Theoetisch ehält man am meisten Infomationen, wenn das ausgewählte Fequenzspektum maximal ist. Bei dem eingesetzten Geät (Novocontol) befindet sich de nominelle Fequenzbeeich von µhz bis MHz. Messungen im niedigen Fequenzbeeich dauen extem lange und die meisten Systeme befinden sich nicht in einem stationäen Zustand wähend de gesamten notwendigen Messzeit. Dies hat zu Folge, dass de Abeitspunkt sich mit de Zeit veschiebt und das System nicht meh zeitinvaiant ist. Aus diesem Gund wuden die Messungen maximal bis mhz duchgefüht.

5 Bei höheen Fequenzen ist de Messbeeich duch Induktivitäten in den Messleitungen begenzt. Duch Optimieung des Messaufbaus mit kuzen und abgeschimten Kabeln lässt sich die obee Genzfequenz auf ca. MHz ehöhen []. Bei den folgenden Messungen wude in den meisten Fällen ein Messbeeich von mh bis khz gewählt, um das Öl- und Papiesystem mit physikalischen und elektochemischen Methoden zu identifizieen... Modellbildung Zu Bescheibung des dielektischen Vehaltens von Öl- und Papiesysteme wude de Ansatz von Cole und Cole (9) fü dielektische Systeme gewählt [], []. Die allgemeine Dielektizitätsfunktion (DF) lautet: ( ω) s + (Gl.: 3) α ( jωτ ) = mit Keisfequenz ω=π f de Dielektizitätskonstante fü ω und s fü ω und de disketen Relaxationszeit τ. Gleichung 3 bescheibt vo allem das Fequenzvehalten von festen und flüssigen Dielektika mit eine geingen Leitfähigkeit. Mit α= stellt die DF einen idealen Halbkeis mit dem Mittelpunkt auf de eellen Achse (sog. Debye-Relaxation) da. Aufgund von inhomogene Veteilung de Stoffkonzentationen und de Tempeatu übe den Genzflächen existieen lokal unteschiedliche Kapazitäten und Leitwete. Dies füht dazu, dass die gemessenen Impedanzveläufe vom idealen Halbkeis-Velauf abweichen. Typischeweise sind die gemessenen Halbkeise flache und de Mittelpunkt liegt untehalb de eellen Achse []. Mit dem Paamete α kann die symmetische Veändeung des Halbkeises nachgebildet weden. imag()..3. α= (Debye) Abbildung 3 Otskuve de Cole-Cole Fomel mit unteschiedlichen Paameteeinstellungen von α Diese Modellansatz bietet jedoch keine diekte physikalische Intepetationsmöglichkeit. Dennoch ist die DF fü die Voidentifikation von Impedanzmessdaten nützlich, wenn kein physikalisches Modell vefügba ist. α=. (Cole-Cole)...7 eal() In diesem Pape wude hauptsächlich die Cole- Cole-Funktion (Gl.: 3) vewendet. De Einfluss de Leitfähigkeit wude est bei den Impedanzmessungen ab Tempeatu von 7 C und in Fequenzbeeich unte mhz bemekba... Identifikation des Öl-Systems Eine komplexe Dielektizitätsfunktion (DF) fü Öl (Shell Diala D) mit einem Wassegehalt von ca. ppm ist in Abbildung dagestellt im Fequenzbeeich von mhz-khz. Die Dielektizitätsfunktion (ω) ist ein eell mit einen konstanten Realteil im Fequenzbeeich von Hz- khz. Bei Fequenzen untehalb von Hz wid die DF komplex. Wid angenommen, dass das Öl-System ein lineaes, zeitinvaiantes, kausales und stabiles System (im Zeitaum de Messung) ist, dann kann de Basisvelauf de DF im gemessenen Fequenzbeeich wie folgt beschieben weden: ( ω) = s 3, + =, jωτ jω s üht von de ionischen und elektonischen Polaisiebakeit he. Dabei wid de Wet als konstant angesehen und mit de maximalen Fequenz gleichgesetzt, d. h. = (ω max ). s ist die statische Dielektizitätskonstante, die die Antwot des Systems auf ein statisches elektisches Feld bescheibt. Die chaakteistische Rückkehzeit τ und s wuden duch Annäheung de Modellfunktion an die gemessenen Daten emittelt. Die Abbildung zeigt den gemessenen und modellieten Velauf de DF. Anschaulich kann das Modell als eine Übetagungsfunktion angesehen weden, dass die Kapazitätsändeung vom Vakuum aus bescheibt. In diesem Fall kann das Übetagungsvehalten im Fequenzbeeich als eine Addition eines K-Glieds und PT -Glieds identifiziet weden. imag() eal() modelliete Velauf - Abbildung Dielektizitätsfunktion (ω) fü Öl mit ppm Wassegehalt bei C und modellieten Velauf.

6 Um den Einfluss de Feuchtigkeit zu emitteln, wude ein Öl mit ca. 3ppm vewendet und die gleiche Messung mit dem identischen Aufbau duchgefüht. Mit de Annahme, dass die Feuchtigkeit im Öl eine multiplikative Ändeung de Kapazität zum tockenen Öl bewikt, wude die DF wie folgt unteteilt: ( ω) = ( ω) ( ω) (Gl.: ) feuchte tockenesöl Hiebei ist feuchte (ω) die komplexe Übetagungsfunktion fü die Feuchtigkeitsändeung zum tockenen Öl, die duch dividieen de gemessenen komplexen Kapazität C feuchtesöl und C tockenessöl bestimmt wid: feuchte C feuchtesöl ( ω) ( ω) = (Gl.: ) C ( ω) tockenesö l tockenesöl (ω) entspicht de komplexe DF ausgehend von de Stickstoffkapazität. Expeimentelle Untesuchungen haben gezeigt, dass das Fequenzvehalten de Übetagungsfunktion feuchte (ω) einen typischen Debye-Velauf aufweist (Abbildung ) mit = (ω max )=, s =, und τ=,s Dies kann damit begündet weden, dass im Wesentlichen nu die Feuchtigkeit die Dielektizitätszahl ändet und das homogene Öl- System mit eine chaakteistischen Relaxationszeit τ beschieben wid. De Debye-Modell Fall mit eine konstanten Relaxationszeit ist eine idealisiete Dastellung. Um das mikoskopische Vehalten mit veschiedenen Relaxationszeiten zu modellieen, kann eine Veteilung de Relaxationszeiten g (τ ) heangezogen weden[]. imag() 3... eal () Abbildung Übetagungsfunktion - feuchte bei C vom Öl mit ppm zum Öl mit 3ppm und mit modelliete Debye Velauf Debye-Velauf Zusammenfassend konnte fü das beschiebene Öl- System die folgende Übetagungsfunktion identifiziet weden: C Vakuum Die bisheige Dielektizitätsfunktion wude fü eine konstante Tempeatu T= C beschieben. Die Abhängigkeit de Öl-Tempeatu T ist in Abbildung dagestellt. Es ist auffällig, dass bei Fequenzen übe Hz die DF konstant zwischen, und, liegt und eine seh geinge Koelation mit de Tempeatu T aufweißt. Bei Fequenzen untehalb von Hz ist eine stake Tempeatuabhängigkeit festzustellen. imag() 3 3 Öl-Vehalten ca. ppm ( ω max ) =, 3, jω s 7 C eal () mit C 3 C + Feuchtigkeitsvehalten im Öl ( ωmax ) = C, jω, s f/hz - Abbildung Dielektizitätsfunktion Öl (ω ) bei C, 3 C, C und 7 C und bei eine konstanten Öl-Feuchte von 7ppm Die Ändeung de Dielektizitätszahl wid zum einen duch Polaisationspozesse im Inneen des Öl-Systems und zum andeen duch Schichtenbildung an den Genzflächen zwischen Öl und Elektode hevogeufen. Die Schichtenbildung beeinflusst vo allem die statische Dielektizitätskonstante s. Bei polaen Molekülen titt die Oientieungspolaisation ein, die je nach Dipolmoment bei niedigen Fequenzen die Kapazität ändet, da die Dipole nu einem langsam veändeten elektischen Feld folgen können [3]. Bei steigende Tempeatu wid die Viskosität des Öls geinge und die Kapazität steigt bei etwas höheen Fequenzen an, da de Dehwidestand de Dipole kleine wid. Die Abhängigkeit fü polae Dipolmomente ist bei de Übetagungsfunktion feuchte (ω) ebenfalls zu ekennen (Abbildung 7). + C Öl

7 Bei hohen Fequenzen weden duch die Wikung eines elektischen Feldes die Schwepunkte de positiven und negativen Ladungen gegeneinande veschoben und somit elektische Dipolmomente induziet. Diese Veschiebungspolaisation ist nu geing von de Tempeatu abhängig, d.h. = ( ω max ) ist konstant bei Tempeatuen zwischen und 7 C. imag() C 3 C C C. eal () - Abbildung 7 Übetagungsfunktion bei feuchte C, 3 C, C und 7 C vom Öl mit 7ppm zum Öl mit 9ppm Mit de Gleichung 3 wa es möglich das fequenzabhängige dielektische Vehalten von unteschiedlichen Tempeatuen und Feuchtigkeiten mit eine auseichenden Genauigkeit nachzubilden. Bei de Identifikation de Messdaten, muss beachtet weden, dass das Öl Vehalten mit einem tockenen Öl beschieben wid, damit eine eindeutige Tennung zwischen Öl- und Feuchtigkeitsvehalten möglich ist. Die Schwieigkeit liegt dain, die Feuchtigkeit vom Öl seh klein (<ppm) und übe dem Messzeitaum konstant zu halten..3. Identifikation des Papie-Systems Fü die Vesuche wude ein glattes Isoliepapie von Siemens nach DIN VDE 3-3 vewendet, dass in Tansfomatoen veabeitet wid. Vo de Messung wude das Isoliepapie getocknet und mit Shell-Diala D impägniet. Die Papiefeuchtigkeit vo de Messung wude nach VDE 37 Teil bestimmt und betug bei eine Ausheiztempeatu von 3 C /,3% und bei eine Ausheiztempeatu von C /,%. Nach de Messung konnte keine wesentliche Feuchtigkeitsändeung festgestellt weden. Die Abbildung zeigt den typischen Impedanzvelauf von hochwetigen ölimpägnieten Papieisoliestoffen. Im Fequenzbeeich von Hz bis MHz liegt de Betag de Dielektizitätskonstanten zwischen,9 und 3. Bei Fequenzen untehalb von Hz vegößen sich de Real- und de Imaginäteil de DF. imag () Abbildung Dielektizitätsfunktion tocken (ω) bei C von Isoliepapie mit,3% Wassegehalt De Basisvelauf konnte mit de Gleichung 3 mit den folgenden Daten 9,9 ( ω) =,9 + ( jω ) nachgebildet weden. Wie in de Abbildung zu ekennen ist, läuft die modelliete Kuve etwas paallel zu gemessenen Kuve des Isoliepapies. Es weist daaufhin, dass eine zweite Relaxationszeit τ das Papiesystem beeinflusst. Fü die weitee Betachtung wid von eine Relaxationszeit ausgegangen, da die Veändeungen duch Tempeatu und Feuchte göße sind. imag ()... eal () 3 eal (),7 - ] Abbildung 9 Übegansfunktion feuchte (ω) bei C vom Papie mit,% Wassegehalt und mit modelliete Cole-Cole-Velauf Um das Feuchtigkeitsvehalten nachzubilden, wude die Cole-Cole Gleichung (siehe Gl.: 3) vewendet, da die DF kein typisches Debye- Vehalten zeigt. Die identifizieten Paamete können de folgenden Dastellung entnommen weden. modelliete -

8 C Vakuum C De Abstand wid duch Papietoleanzen und Einbautoleanzen beeinflusst und veusacht eine Dielektizitätsabweichung von ca. ±,. Die Einflüsse von unteschiedlichen Tempeatuen auf ein tockenes Papie (,3%) wuden im Fequenzbeeich von mhz bis khz gemessen. imag () Papie - + ( ωmax ) =,9 9,9 ( jω E3s) 7 C 3,3, ( jω s) C eal (),7 ( ω max ) =,,3 3 C C - ] Abbildung Dielektizitätsfunktion Papie (ω) bei C, 3 C, C und 7 C und bei eine konstanten Wassegehalt von,3% Wie im Öl-System ist die stäkste Tempeatuabhängigkeit ebenfalls im unteen Fequenzbeeich (<Hz). + Feuchtigkeitsvehalten Papievehalten mit,3% F. hat zu Folge, dass die Tempeatu fü die Feuchtigkeitbestimmung duch dielektische Messungen nicht venachlässigt weden kann. 3. Zusammenfassung Bei allen Abbildungen wude deutlich, dass das Ölund Papiesystem bei kleinen Fequenzen die gößte Veändeung bezüglich de Feuchtigkeit und Tempeatu aufweist. Im Fequenzbeeich übe Hz nähete sich die Dielektizitätsfunktion vom Öl- und Papiesystem eine Konstante an. Um diese Veläufe nachzubilden wude de Modellieungsansatz von Cole-Cole fü dielektische Mateialien vewendet und ein multiplikative Ändeung de Dielektizitätsfunktion nach Gleichung. Dabei hat es sich gezeigt, dass bei Vewendung eine Relaxationszeit die meisten Messungen nachgebildet weden konnten. Das Öl- System konnte mit eine Debye-Funktion angenähet weden. Im Gegensatz dazu musste das Papiesystem mit einem Exponenten α zwischen, und. modelliet weden. Dies kann zum einen damit begündet weden, dass an den Kontaktflächen zwischen Elektode und Papie Genzflächeneffekte aufteten [], [3]. Weitehin kann es auf eine inhomogene Stuktu hinweisen, die duch die Impägnieung und die At de Einbindung de Öl-Moleküle heühen kann. Die gefundenen Modelle fü die Dielektizitätsfunktion sind ein phänomenologische Bescheibungen de expeimentell gefundenen Kuven, denen keine theoetischen Modelle zugunde liegen. Jedoch egibt sich so die Möglichkeit eine einheitlichen Paametisieung von dielektischen Messgößen, was eine Voaussetzung fü den Vegleich von unteschiedlichen Zuständen ist, wie z. B. bei unteschiedlichen Tempeatuen und Feuchtigkeiten. Imag () 7 C 3 eal () C 3 C C - Abbildung Übetagungsfunktion feuchte (ω) bei C, 3 C, C und 7 C vom Papie mit,3% zum Papie mit einem Wassegehalt von,% An de Übetagungsfunktion fü die Feuchtigkeit ist de Einfluss de Tempeatu wesentlich stäke als beim Öl-System. Wie in de Abbildung zu ekennen ist, ist Dielektizitätszahl ( mhz, C ) und bei ( mhz, 7 C ). Dies. Liteatuvezeichnis [] Novocontol Technologies: Alpha-A High Resolution Dielectic, Conductivity, Impedance and Gain Phase Modula Measuement System; Use s Manual; / [] Macdonald, J. R.:Impedance Spectoscopy; J.Wiley & Sons, New Yok, 97; ISBN [3] Hamann, Cal H., Vielstich, W.: Elektochemie; 3. Auflage; WILEY-YCH-Velag; 99; ISBN X