Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 2

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1 Lehrstuhl für Hochspannungstechnik Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Technische Universität Dortmund Prof. P Dr.-Ing. Frank Jenau Versuchsanleitung zum Praktikumsversuch Praktikum 4: BENT 05 Zusta andsbewertung von Isolierstoffen Version Mai 2013 / FL

2 Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 2

3 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

4 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

5 Elektrische Festigkeit und Feuchtigkeit in Isolierstoffen Die elektrische Festigkeit von Isolierstoffen ist maßgeblich von der r Feuchte der vergewisse Menge Wasser zu binden. Dazu genügt es, den Isolierstoff der Luftfeuchtigkeit aus- wendeten Isolierstoffe abhängig. Jeder Isolierstoff hat die d Fähigkeit, eine zusetzen. Sehr häufig werden Isoliersysteme verwendet, die im Wesentlichenn aus Öl und Papier bestehen. Grundsätzlich führt einee Zunahmee der relativen Feuchtigkeit w rel dieser Isolierstoffe zu einem Absinken der elektrische en Festigkeit (Durchschlags- Mine- feldstärke E d, Durchschlagspannung U d ), wie im Beispiel der Abbildung 1 für ralöl [1] dargestellt ist. Abbildung 1: Durchschlagfeldstärke E d inn Abhängigkeit der relativen Feuchte w rel fürr ein Iso- lieröl auf Mineralölbasis [1]. Ein typischer Wert für die maximale Menge Wasser, diee in Mineralöl lösbar ist, ist w = 40 ppm bei T = 20 C also 40mg pro kg [2]! Im Gegensatz dazu kannn Papier deutlich mehr Wasser aufnehmen. Ein typischer Wert für f Zellulose ist eine Was- Diese Fakten sind bei der Handhabung von Isolationstoffen und der Produktion von seraufnahme von bis zu 6% Massenanteil [3] also 60g Wasser auff 1kg Zellulose. komplexeren Isoliersystemen zu beachten. Um die elektrische Festigkeit eines Isoliersystems nicht zu z beeinträchtigen, kann der Wassergehalt einer Probe (beispielsweise aus einer laufenden Produktion) bestimmt werden. Der Wassergehalt von Papier kann mit einer Wage gemessen werden. Vo- be- raussetzung dafür ist, dasss die Dichte des zu untersuche enden Papiers bei einer stimmten Feuchtee bekannt ist z.b. die Dichte bei getrocknetem Papier. Wenn die- ses Papier beim Wiegen nun eine höhere Dichte aufweist als es laut Datenblatt ha- Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 5

6 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 Karl- Fischer. 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

7 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 C X R X C 0 i P i 0 u p u 0 R P R 0 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. C X und R X stellen den Probekörper dar. C 0 ist ein Kondensator mit möglichst geringem Verlustfaktor. Daher wird er hier als ideale Kapazität (also ohne Verlustwiderstand) behandelt. R P und R 0 sind Shuntwiderstände zur Messung des Stroms i P und i 0. Da der Widerstandswert der Shuntwiderstände im Vergleich zu den Impedanzen der Kapazität und des Isolierstoffes sehr gering ist, beeinflussen sie die Ströme i P bzw. i 0 in guter Näherung nicht. Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 7

8 Z 0 1 j C 0 R 0 und Z X 1 1 j CX R X R Wäre der Verlustwiderstand R x unendlich hoch, wären die Ströme i 0 und i p rein kapazitiv und deren Phasenlage, unabhängig von der Größe der Kapazitäten, identisch. Der Strom i p ist jedoch in der Praxis durch den Widerstand R x beeinflusst. Somit ergibt sich eine Phasendifferenz zwischen i 0 und i p (und somit zwischen u 0 und u p ), welche mit dem Winkel angegeben wird (Abbildung 3). P u 0 u p 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. 0 u u P Da der Winkel aber durch den hohen Wert von R x 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

9 Schutzringanordnung Damit die Randeffekte die Messungg nicht beeinflussen ringanordnung nach Abbildung 4 verwendet. können, wird eine Abbildung 4: Stromfluss durch Dielektrikum a) ohne und b) b mit Schutzring Bei Messungen an Isoliersystemen ist in der Regel das Verhalten V des Isoliersystems unter homogener Belastung von Interesse. Eine vollständig homogene Belastung ist jedoch in der Praxis mit einfachen Elektroden nicht zu erreichen. e Der Grund hierfür sind die Ränder der Elektroden, diee das Prüfobjekt berühren. Ann den Randzonen existiert immer ein inhomogenes elektrisches Feld, das demnach auch zu einer inhomogene Belastung und einem inhomogenen Stromflusss im Objekt führt. Schutz- Die inhomogenen Streuflüsse durch den Prüfkörper werden durch den Schutzring abgeleitet. Als Messgröße können somit die rein homogenen Ströme herangezogen werden, die das Dielektrikum durchfließen. Zu beachtenn ist hierbei, dass der Spalt zwischen Schutzring und Messelektro ode möglichst klein gehalten wird (meist 1mm). Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 9

10 Ermitteln der Durchschlagsspannung Um den Zustand eines Isoliersystemss zu bestimmen, biete sich ein Durchschlags- es versuch an. Da es sich hierbei um einn zerstörendes Prüfverfahren handelt, lässt sich nur an Isoliersystemen durchführen, von denen eine Probe entnommen werden kann, ohne das Isoliersystem zu beschädigen. In der Praxis kommt die Ermittlung der Durchschlagsspannung demnachh nahezu ausschließlich bei flüssigen Isolierstof- (insbesondere in VDE / 0380), damit Ergebnisse verschiedener Prüfstellen ver- fen (Ölisolierungen) zum Einsatz. Die Durchführung eines Durchschlagsversuchs ist normativ sehr genau festgelegt gleichbar sind. Insbesondere die Elektrodenform, die Schlagweite, das verwendete Volumen, die Temperatur, sowie die Spannungsform haben einen sehr großen Ein- fluss auf das Ergebnis eines Durchschlagsversuchs. Abbildung 5: Skizze einer VDE-Kugel lkalotte [1] Bei einer Messung nach Norm werden s.g. Kugelkalotten (Abbildungg 5) als Elektro- den verwendet. Der Abstand zwischen beiden Elektroden beträgt 2,5mm, die Tempe- ratur 20 C. Bei Wechselspannungsmessungen beträgt diee Spannungssteigerungs- wird der Effektivwert der Spannung, die direkt vor dem Durchschlag anliegt, bezeich- net. geschwindigkeit konstant 2kV/s bis zum Durchschlag. Als Durchschlagsspannung Da die Durchschlagsspannung statistisch schwankt, werden sechs Durchgänge vor- je- geschrieben. Nach einem Durchschla ag ist der Isolierstoff im Durchschlagkanal doch meist stark verunreinigt: Es haben sich deutliche Rußspuren sowie Gase gebil- wird nach jedem Durchschlag zwei Minuten gewartet und das Isoliermedium sorgfäl- tig verrührt. Zusätzlich darf das Gesamtvolumen der Probee nicht zu klein det. Um die Rückwirkungenn dieser Produkte auf weitere DurchschläD äge zu verringern, sein. Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 10

11 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 C X der Anordnung, wenn für das Papier eine relative Primitivität von ε r = 4 gilt. 2. Nun werde eine Wechselspannung U 0 = 1000 V mit einer Frequenz von f = 50 Hz an diesen Probekörper angelegt. Welche Amplitude weist der Strom i P auf? 3. Ab jetzt sei der Probekörper keine ideale Kapazität mehr. Er lässt durch einen zusätzlichen ohmschen Widerstand R X parallel zu C X.nachbilden. Dieser Widerstand habe R X = Ω = 1GΩ. Bestimmen Sie den neuen Gesamtstrom i P nun in Betrag und Phase. 4. Wie weit weicht der Winkel des Stroms i P von 90 ab? 5. Das oben verwendete Papier habe im trockenen Zustand eine Dichte von 1 g/cm 3. 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

12 Beiblätter Die folgenden Beiblätter entstammenn dem Buch Hochspannungstechnik von den Autoren Beyer, Boeck, Möller und Zaengl [1]. Sie geben einen Eindruck von typi- schen Werten für den diel. Verlustfakt tor. Abbildung 6: Elektrischer Verlustfaktor als Funktion der absoluten Feuchte w von ei- nem Mineralöl aus [1]. Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 12

13 Abbildung 7: Verlustfaktor von Isolierpapier in Abhängigke eit vom Gleichgewichts- Wasserdampfpartialdruck bei der Trocknung bei verschiedenen Temperaturen aus [1]. Praktikumsversuch BENT 05, Zustandsbewertung von Isolierstoffen Seite 13

14 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

15 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

16 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

17 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