Versuch Nr.2. Messung der dielektrischen Verluste fester Isolierstoffe

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1 1 Aufgabenstellung: Versuch Nr. Messung der dielektrischen Verluste fester Isolierstoffe 1.1 Inbetriebnahme des computerbasierten Verlustfaktormesssystem mtronix MI Abschätzung der maximalen Strombelastungen der resistiven Stromsensoren (mit U max = 15 kv; C N = 99,1 pf;c X = C N ). 1.3 Bestimmung des Verlustfaktors tan δ als Funktion der angelegten Hochspannung bis ca. 15 kv an zwei Kabelproben mit sofortiger Auswertung tanδ = f ( U). 1. Aufbau der Schering- Messbrücke einschließlich der Schutzmaßnahmen des vorhandenen AEG- Messkoffers und des oszillografischen Nullindikators. 1.5 Bestimmung der Abgleichbedingungen und Vorausberechnung der Spannungen an den Brückeneckpunkten (mit C N = 99,1 pf; C X = C N ; R = 1000 Ω/π). 1.6 Bestimmung des Verlustfaktors tan δ als Funktion der angelegten Hochspannung bis ca. 15 kv an der gummiisolierten Kabelprobe mit sofortiger Auswertung tanδ = f ( U). 1.7 Oszillografieren der Spannungen an den Brückeneckpunkten gegenüber Erde und Durchführung einer FFT- Analyse. Ausdruck der Schirmbilder und Erklärung des Kurvenverlaufs. 1.8 Wiederholung der Verlustfaktorbestimmung an der gummiisolierten Kabelprobe mit einer selbst gefertigten Wechselstrom- Messbrücke (Nachweis der ausreichenden Genauigkeit einer einfachen Messschaltung). 1.9 Aus organisatorischen Gründen wird an dieser Stelle die Aufgabe 1. aus dem Versuch 1, Messung der Anfangsspannungen verschiedener Entladungsformen durchgeführt! Grundlagen: S. Vorlesung Hochspannungstechnik. Besonderheiten: Pressgaskondensator, Schirmringe (Schutzringe) zum Ausklammern von Randfeldern an Kabelenden, Wirkungsweise des oszillographischen Nullindikators. VDE0303, Teil. 3 Versuchsaufbau: S. Vorlesung Hochspannungstechnik, Bedienungsanleitungen des Verlustfaktormesssystems mtronix MI600und des AEG-Messkoffers. Besonderheiten: Überspannungssicherungen an den Brückeneckpunkten zum Schutz gegen Unfälle, Verwendung abgeschirmter Messleitungen, räumliche Trennung der Messleitungen von den Einspeiseleitungen des Versorgungstransformators, Wirkung der Kapazitäten als Spannungsteiler und als Hochpass, Verhindern starker Teilentladungen an spannungsführenden Teilen durch Schaffung entsprechender Abstände zu geerdeten Teilen. Messergebnisse, Auswertung: Entsprechend der Aufgabenstellung mit einer Beurteilung der Messergebnisse. Seite 1

2 Als dielektrischer Verlustfaktor tan δ eines Isolierstoffes gilt der Tangens des Fehlwinkels (Verlustwinkel) δ um den die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung im Kondensator von π/ abweicht, wenn das Dielektrikum des Kondensators ausschließlich aus dem Isolierstoff besteht. Anmerkung 1: Bei der Messung des dielektrischen Verlustfaktors werden Strom und Spannung als sinusförmig vorausgesetzt. Ihr Oberwellengehalt darf 1% nicht übersteigen. Anmerkung : Jeder verlustbehaftete Kondensator kann durch eine verlustfreie Kapazität und durch einen Widerstand dargestellt werden, der entweder als Parallel- oder als Reihenwiderstand aufgefasst werden kann. Für beide Fälle ergeben sich verschiedene Werte der Kapazität und des Widerstandes: Bild 1: Reihen- und Parallelersatzschaltbild eines verlustbehafteten Kondensators Der Verlustfaktor ist für beide Ersatzschaltbilder derselbe: = 1 tan δ = CS RS ω C R ω (1) P P Daraus folgt: 1 C P = C S ( ) 1+ tan δ 1+ tan δ R P = R S ( 3 ) tan δ Seite

3 Messverfahren Die klassische Methode zur Bestimmung des Verlustfaktors ist die Messung mit der Scheringmessbrücke. Neue computerbasierte Messsysteme messen die Phasenverschiebung der Ströme in dem Referenz- und Messobjektzweig und ermitteln daraus den Verlustfaktor und die Kapazität des Prüflings. Hierbei ist kein manueller Brückenabgleich notwendig. Die Gleichspannungsmethode (PDC- Analyser) ist eine weitere Möglichkeit den Verlustfaktor mittels Polarisation und Depolarisation des Prüflings zu bestimmen. Dieses Messverfahren wird hier nicht angewendet. Messung mit dem computerbasierten Messsystem mtronix MI600 Das Strom- Messsystem MI 600 ist ein hochpräzises Erfassungs- und Analysesystem zur Messung des Verlustfaktors und der Kapazität des Prüflings C x. Die im Hochspannungsbereich befindlichen Stromsensoren werden mittels Li-Ionen-Akkus betrieben und sind über Glasfaserkabel mit der Steuereinheit verbunden ( Bild ). Dieses gewährleistet eine vollständige elektrische Isolierung zwischen den hochempfindlichen Stromsensoren und der Steuereinheit. Mit dem Messsystem lassen sich Ströme ab 0 µa bis maximal 100 ma messen. Die beiden kontinuierlich gemessenen Ströme werden amplituden- und phasenbezogen gemessen, digitalisiert und mittels dem PC und der mtronix Software vollautomatisch in Echtzeit verarbeitet und visualisiert.. RS VAC 50 Hz S1 T1 CX CN tand x Schirmung XCX XCN F1 Prüfling- Stromsensor Referenz- Stromsensor F Glasfaserkabel Glasfaserkabel Analyse- und Erfassungssoftware mtronix MI 600 Glasfaser- Steuereinheit USB.0 PC Bild : Schaltbild des computerbasierten Messsystems Die Phasenverschiebung der Grundfrequenzen der beiden gemessenen Ströme wird zur Berechnung des tan δ verwendet. Seite 3

4 Messung mit der Scheringmessbrücke ( für 15 bis 100 Hz ) Die Messung der dielektrischen Verluste bei Wechselspannung erfolgt in der Hochspannungstechnik meist mit der in Bild 3 dargestellten Brückenschaltung von Schering. Die Scheringbrücke ist eine aus Kapazitäten und Widerständen gebildete Wechselstrombrücke. Die zu bedienenden Abgleichelemente sind in einem geerdeten Gehäuse untergebracht, während der Prüfling C X und ein möglichst verlustfreier Vergleichskondensator C n an Hochspannung liegen. Das Nullinstrument N darf nur für die Grundschwingung der im allgemeinen von der Sinusform abweichenden Prüfspannung empfindlich sein. Die Brückeneckpunkte müssen durch Überspannungsschutzvorrichtungen gesichert werden, um bei einem Durchschlag des Prüflings, Überspannungen im Niederspannungskreis zu verhindern. Bild 3 : Schaltbild der Schering- Messbrücke Die Kapazität und der Verlustfaktor des Prüfkörpers bestimmen sich aus der Einstellung des Widerstandes R 3 und des Kondensators C. Bei abgeglichener Brücke gilt für die Admittanzen der Brückenzweige: Y Y = Y ( ) x n Y 3 Für die gesuchten Größen erhält man: tan δ = ω C x R ( 5 ) C x R C R 1 R n R 3 = C n + tan δ x 3 ( 6 ) Seite

5 Wirkungsweise des Oszillographischen Nullindikators Der Oszillographische Nullindikator enthält zwei unterschiedliche Niederfrequenz- Verstärker für Y- und X- Richtung mit automatischen Verstärkungsregelungen, die ein Übersteuern der Bildröhre verhindern. Dem Messspannungsverstärker, der die Strahlauslenkung in vertikaler Richtung bewirkt, wird die Diagonal- oder Differenzspannung der Messschaltung zugeführt, während die Bezugsspannung gleicher Frequenz und passender Größe über den Hilfsverstärker den Strahl in horizontaler Richtung auslenkt. An den Ablenkplatten der Oszillographenröhre liegt unter Zwischenschaltung der vorstehend beschriebenen Verstärker in der X- Richtung die Bezugs- Spannung U B und in der Y- Richtung die Messspannung U M. Die Messspannung soll als Summe der Spannungen U F + U betrachtet werden. Das Charakteristische dieser Teilspannungen liegt darin, dass die Komponente U in Phase mit der Bezugsspannung U B ist, während U F auf der Bezugsspannung senkrecht steht. Man sieht nun, dass eine Änderung der Teilspannung U F eine Änderung der Fläche der Ellipse hervorruft, während eine Änderung der Teilspannung U die Neigung der Ellipse gegen die Waagerechte beeinflusst. Bild zeigt die Entstehung der Schirmbildfiguren aus Mess- und Bezugsspannung. Bild 3: Bild : Schirmbildfiguren aus Mess- und Bezugsspannung Seite 5

6 Bild 5: Beschreibung des oszillographischen Nullindikators Seite 6