Labor Messtechnik II Versuch 6 Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle

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1 Labor Messtechnik II Versuch 6 Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle Versuch 6 Messleitungen und Teilentladungen Zur Vorbereitung des Versuches arbeiten Sie bitte Kapitel 5 und Kapitel des Messtechnik Skriptes durch. Einleitung 1. Messleitungen Messleitungen können sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Die Konstruktion der Leitung und Anordnung der Adern hängt vom jeweiligen Einsatzgebiet ab. Als einfachste Konstruktion sind zwei nebeneinanderliegende Adern möglich. Weitere gebräuchliche Konstruktionen sind verdrillte oder koaxial aufgebaute Leitungen. Bei den koaxial aufgebauten Leitungen ist der Innenleiter durch den auf Massepotential liegenden äußeren Schirm gegenüber kapazitiven Einkopplungen weitgehend geschützt, da durch den zylindrischen Schirm als Äquipotentialfläche der Innenbereich der Leitung bezüglich eines äußeren elektrischen Feldes nahezu feldfrei bleibt (Faradayscher Käfig). In dem Versuch sind die Auswirkungen unterschiedlicher Leitungskonstruktionen (parallele Adern, verdrillte Adern und koaxiale Leitungen) bezüglich der kapazitiven Einkopplung von Störfeldern zu untersuchen. Darüber hinaus ist eine eventuelle Veränderung der Störeinkopplung bei dem Einsatz von Differenzverstärkern zu betrachten. Ein besonderes Problem ist die Messung von kurzen Impulsen auf langen Messleitungen. Durch den Wellenwiderstand der koaxialen Leitung tritt am Ende der langen Leitung eine Reflexion auf, die zu Überlagerungen und damit eventuell zu unbrauchbaren Messergebnissen am Oszilloskop führt. Durch einen reflexionsfreien Abschluss (R = Z W ) der Messleitung sind Reflexionen vermeidbar. Hierdurch ist jedoch häufig die Impedanz des Messsystems unzulässig herabgesetzt, weshalb in der Impulsmesstechnik ein offenes Leitungsende und ein Widerstand in Reihe mit der Messleitung verwendet wird. Die Verhältnisse bei den unterschiedlichen Ankopplungen sind in diesem Versuch zu untersuchen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses auf der Koaxialleitung kann berechnet werden mit: v = c r mit c: Lichtgeschwindigkeit m s r : Dielektrizitätszahl des Isolationsmaterials (bei PE r = 2,3) Diese Gleichung führt zu folgender einfacher Abschätzung: 1 v 5 ns m 2. Teilentladungen Teilentladungen sind Entladungen in einem Isoliersystem. Diese Entladungen sind ein Maß für die Qualität eines Betriebsmittels in der Energietechnik und können als Einzelimpulse mit einem Frequenzspektrum bis 10 MHz gemessen werden. So sind Teilentladungsmessungen als Standardprüfmethode nach der Herstellung von Geräten (Energieanlagen, elektrischen Maschinen) üblich. Weiterhin wird eine Teilentladungsmessung zur online Überwachung von Betriebsmitteln im Netz eingesetzt, um evtl. eine Aussage über die noch zu erwartende störungsfreie Lebensdauer des Betriebsmittels treffen zu können. Den theoretischen Hintergrund entnehmen Sie bitte dem Skript.

2 Labor Messtechnik II Versuch 6 Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle Versuchsdurchführung Bringen Sie bitte für den Versuch einen USB-Stick mit. 2.1 Messleitungen Einkopplung von Störsignalen Aufgabenstellung Über zwei Metallplatten wird eine Störspannung in eine Messleitung eingekoppelt (Bild 6.1). Ein 50 k Widerstand symbolisiert dabei die Schaltung in der eine Spannung gemessen werden soll. Am Oszilloskop ist dann das kapazitiv eingekoppelte Störsignal darzustellen. Zum Vergleich ist ebenfalls die das Störfeld verursachende Ausgangsspannung des im Versuchsaufbau integrierten Frequenzgenerators zu oszillographieren. Bild 6.1: Versuchsaufbau zur Einkopplung von Störspannungen Untersuchen Sie die verschiedenen zur Verfügung stehenden Messleitungen. Messen Sie dabei den Maximalwert der eingekoppelten Störspannung. Verwenden Sie sinnvollerweise zur Triggerung die Ausgangsspannung des Frequenzgenerators. a: parallele Adern ohne Differenzverstärker: U St = mv mit Differenzverstärker: U St = mv b: verdrillte Adern ohne Differenzverstärker: U St = mv mit Differenzverstärker: U St = mv c: koaxiale Adern ohne Differenzverstärker: U St = mv (Schirm auf Masse) d: koaxiale Adern ohne Differenzverstärker: U St = mv (Innenleiter auf Masse) e: koaxiale Adern mit Differenzverstärker: U St = mv Auswertung Vergleichen Sie die gemessenen Störspannungen und erläutern Sie die gefundenen Zusammenhänge.

3 Labor Messtechnik II Versuch 6 Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle Impulsmessung mit langen Messleitungen Aufgabenstellung Erzeugen Sie mit dem Frequenzgenerator einen kurzen Impuls. Hierfür verwendete Einstellungen sind: f = 1 MHz Rechteck Duty cycle: 20 % Ampl.: 4VPP, Offset: +2V Der Frequenzgenerator besitzt einen Innenwiderstand der Spannungsquelle von 50. Dies entspricht dem Wellenwiderstand der angeschlossenen Messleitungen. Stellen Sie den Impuls zunächst mit einer kurzen koaxialen Messleitung graphisch dar und messen Sie den maximalen Spannungswert des Impulses mp. mp = V Schließen Sie nun eine lange koaxiale Messleitung (Kabel 0) entsprechend Bild 6.2 an. Bild 6.2: Prinzipschaltbild des Versuchsaufbaus zur Impulsmessung an langen Koaxialleitungen Messen Sie nun den Scheitelwert des vom Frequenzgenerator erzeugten Impulses und den eines eventuell reflektierten Impulses. Bestimmen Sie weiterhin auch die Zeitdifferenz (Signalbeginn bis Reflexionsbeginn) zu einem eventuell reflektierten Impuls für folgende Fälle: a: offenes Leitungsende mp = V U refl = V t diff = ns b: kurzgeschlossenes Leitungsende mp = V U refl = V t diff = ns c: abgeschlossenes Leitungsende mp = V U refl = V t diff = ns Stellen Sie nun bei offenem Leitungsende die dort auftretende Spannung U ende mit einem zweiten Kanal graphisch dar und bestimmen Sie die Amplituden und die Zeitdifferenzen. d. offenes Leitungsende mp = V U refl = V U ende = V t diff1 = ns (bis Leitungsende) t diff 2 = ns (bis Reflexion)

4 Labor Messtechnik II Versuch 6 Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle Am Laborplatz stehen Ihnen drei weitere fehlerbehaftete Leitungen (Leitung 1 bis Leitung 3) zur Untersuchung zur Verfügung. Jede Leitung hat eine Länge von 10 m. e. Untersuchen Sie die Leitungen, in dem Sie nacheinander die Leitungen mit der entsprechenden Anschlussseite als Verlängerung an Leitung 0 anschließen. Nehmen Sie die sich ergebenden Signalverläufe für folgende Fälle auf: Leitung 1 Anschluss A Beobachtung: Leitung 1 Anschluss B Beobachtung: Fehler: Fehlerort: Leitung 2 Anschluss A Beobachtung: Leitung 2 Anschluss B Beobachtung: Fehler: Fehlerort: Leitung 3 Anschluss beliebig Auswertung Vergleichen Sie die gemessenen Impulsspannungen und die Zeitdifferenzen. Erläutern Sie die gefundenen Zusammenhänge. Wie lang ist die angeschlossene Koaxialleitung (Leitung 0)? Nennen Sie Anwendungen dieser Messtechnik. Welche Fehler bzw. Eigenschaften können Sie aus den Messungen Aufgabenteil e. für die drei Leitungen ableiten? Begründen Sie Ihre Aussagen. 2.2 Teilentladungen Sicherheitsrichtlinien: Im Rahmen dieses Versuches arbeiten Sie mit Spannungen über 1000 V. Hierzu sind besondere Sicherheitsrichtlinien zu beachten. Mit der Teilnahme am Versuch bestätigen Sie, dass Sie diese Sicherheitsrichtlinien gelesen haben. Es gelten weiterhin die Richtlinien und Laborordnungen der Fakultät. Der Versuchsstand besteht aus einem Versuchsraum und einer Hochspannungsquelle (12 kv AC / 50 ma). Ein Notausschalter befindet sich auf dem Versuchsstand. Warnlampen signalisieren den Zustand der Anlage. Rot bedeutet: Anlage unter Spannung und der Versuchsraum darf nicht geöffnet werden; Grün bedeutet: Anlage ist spannungsfrei und der Versuchsraum darf geöffnet werden. Der Versuchsraum ist abgeriegelt und berührungssicher aufgebaut. Sobald die Tür zum Versuchsraum geöffnet wird, schaltet die Hochspannungsquelle ab. Im Normalfall regeln Sie bitte die Spannung vorher vollständig zurück. Prüfen Sie, ob keine Spannung mehr anliegt (Spannungsfreiheit feststellen). Hierzu beachten Sie die Spannungsmessung am Oszilloskop. Die Anlage ist gegen Wiedereinschalten gesichert, solange die Tür des Versuchsraumes geöffnet ist. Zusätzlich sind nach jedem Öffnen des Versuchsraumes die vorher spannungsführenden Teile mit der vorhandenen Erdungsvorrichtung für die Dauer der Arbeiten zu erden.

5 Labor Messtechnik II Versuch 6 Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle Beachten Sie die Abstände spannungsführender Teile zu geerdeten Elektroden. Alle nicht zum Versuchsaufbau gehörenden losen Teile sind vor dem Einschalten zu entfernen. Nach dem Entfernen der Erdungsvorrichtung dürfen keine weiteren Arbeiten mehr vorgenommen werden und die Tür des Versuchsraumes ist zu schließen. Erst nach vollständiger Schließung kann die Hochspannungsquelle wieder eingeschaltet werden. Vor dem Einschalten ist der Spannungsregler ganz nach links zu drehen (Spannung = 0 V). Erst danach darf der Einschalttaster betätigt und die Spannung auf den gewünschten Wert erhöht werden Inbetriebnahme des Versuchsstandes und Messungen Die Hochspannungsversorgung des Prüfraumes erfolgt über eine isolierte Leitung. Der gesamte Aufbau ist in Bild 6.3 dargestellt. Die Prüflinge können gewechselt werden. Es stehen eine Platte- Platte Anordnung, eine Spitze-Platte Anordnung bei Luftisolation sowie verschiedene Kunststoffisolatoren zwischen der Platte- Platte Anordnung als Prüflinge zur Verfügung. Schalter Widerstand R = 47 k Prüfling U T = 0 12 kv AC C m1 C c Osz.1 R Osz.2 m C m2 U u m (t) Bild 6.3: Versuchsaufbau zur Messung Die Spannungsmessung erfolgt mit einem kapazitiven Spannungsteiler. C m1 = 200 pf, C m2 = 220 nf. Die Spannung wird am Oszilloskop Kanal 1 gemessen. Es ist eine Schutzschaltung zur Vermeidung von Überspannungen vorhanden. Bei Erhöhung der Spannung entspricht der Effektivwert der Wechselspannung beim Einsetzen der Teilentladungen der Teilentladungseinsetzspannung. Da die Teilentladungsimpulse hochfrequente Signale sind, werden diese über einen Hochpass ausgekoppelt ( C c = 2,5 nf, R m = 50 ) und mit dem Oszilloskop Kanal 2 gemessen (Osz.2). Man unterscheidet zwischen äußerer TE und innerer TE sowie Gleitentladungen. Äußere TE treten an Spitzen und Kanten auf. Das Ersatzschaltbild ist dann eine Kapazität in Reihe mit einem Widerstand (Bild 6.4a). Dabei stellt der Widerstand den nicht von den Teilentladungen betroffenen Teil der Isolierstrecke dar. Innere TE treten an Hohlräumen (Lunker) innerhalb einer Isolierung auf. Hier wird die in Reihe mit dem Hohlraum liegende Impedanz als Kapazität dargestellt, die der Kapazität des Hohlraumes entspricht (Bild 6.4b). Diese Werte sind unbekannt. U T C 3 C 1 R isol. C U 3 T C 1 C 2 Bild 6.4: a) Ersatzschaltbild des Prüflings bei äußerer TE b) Ersatzschaltbild des Prüflings bei innerer TE

6 Labor Messtechnik II Versuch 6 Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle Die Kapazität C 3 ist die nicht von den Teilentladungen betroffene Kapazität des Prüflings. Bei Auftreten der Teilentladungen am Prüfling (entsprechend Einschalten des Schalters bei Erreichen der Spannung - ignition Voltage), wird im Ersatzschaltbild (siehe Bild 6.4) der Kondensator C 1 entladen und die gesamte Spannung U T liegt nun an R isol. bzw. C 2. Damit erfolgt eine plötzliche Spannungserhöhung an C 2 bzw. an R isol., wobei der damit verbundene impulsförmige Stromfluss aus dem Kondensator C c (bzw. C 3 ) erfolgt. Ebenso erfolgt nach vollständiger Entladung des Kondensators C 1 wiederum eine Nachladung des Kondensators C 1. Dieser Strom führt dann zu einem Spannungsabfall u m (t), der als Messgröße für die scheinbare Ladung dient. Die Vorgänge laufen sehr schnell ab (ns- Bereich), so dass eine Nachladung aus der Spannungsquelle nicht erfolgt, sondern nur aus dem Koppelkondensator. Da C 1 unbekannt ist, kann die tatsächliche Ladung von C 1 nicht ermittelt werden. Deshalb wird als Ersatzgröße die scheinbare Ladung q s verwendet. Die übliche Einheit ist pc. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass der TE Nachladestrom einer Doppelexponentialfunktion entspricht. mit 1 > 2 Der Widerstand R = 47 k dient dazu, dass die Teilentladungen von der Spannungsquelle entkoppelt und Teilentladungen der Spannungsquelle nicht gemessen werden. Aufgabenstellung a) Zunächst ist der kapazitive Spannungsteiler zu kalibrieren. Hierzu verwenden Sie einen Frequenzgenerator bei 50 Hz, den Sie über den Prüfling anschließen. Messen Sie nun die am Oszilloskop anliegende Spannung. Hierdurch können Sie den Übersetzungsfaktor ermitteln. Hiernach entfernen Sie wieder den Frequenzgenerator. b) Kalibrieren Sie nun den Aufbau bezüglich der Teilentladungsmessung. Hierzu schalten Sie den vorhandenen Kalibriergenerator (siehe Bild 6.5) über den Prüfling an. U cal Bild 6.5: Prinzipschaltbild eines Kalibriergenerators Der Kalibriergenerator erzeugt periodisch einen Impuls mit einer einstellbaren Ladung von 2 pc bis pc. Messen Sie mit dem Oszilloskop den an der TE Messimpedanz ( Osz. 2) auftretenden Impuls. Die Messgröße ist: Da das Oszilloskop diese Messgröße nicht ermitteln kann, wird als Näherung der Scheitelwert der Teilentladungsimpulse verwendet. Dies ist bei gleichem Signalverlauf der Impulse zulässig. Dabei ist dann die Kalibrierung des Messkreises bei 200 pc, 100 pc, 50 pc, 20 pc, 10 pc, 5 pc und 2 pc durchzuführen. Es ist zu prüfen, ob eine Proportionalität besteht.

7 Labor Messtechnik II Versuch 6 Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle Durch Division der Teilentladungsgröße durch den gemessenen Scheitelwert am Oszilloskop erhalten Sie den Kalibrierfaktor für die Teilentladungsmessung. Es wird am Oszilloskop der positive und negative Impuls gemessen. Dabei ist der jeweils höchste Absolutwert als TE Messgröße zu interpretieren. Mit dem ermittelten Faktor sind dann die späteren Messungen zu multiplizieren. Entfernen Sie nun wieder den Kalibriergenerator!!! c) Überprüfen Sie die Teilentladungsfreiheit des Versuchsstandes. Verwenden Sie hierzu die Platte Platte Anordnung bei maximalem Abstand der Platten und ermitteln Sie den sogenannten Grundstörpegel bei 5 kv, 8 kv und 10 kv. Es sollen eigentlich keine Teilentladungen messbar sein bzw. sind die gemessenen Teilentladungen der Grundstörpegel. d) Verwenden Sie als Prüfling die Spitze Platte Anordnung. Dabei ist die Spitze auf der Hochspannungsseite anzubringen. Ermitteln Sie mit Hilfe eines Multimeters den Abstand 0 cm. Nun können Sie die Abstandsmessung auf 0 mm kalibrieren. Erhöhen Sie bei einem Abstand von 4 cm die Spannung, bis Sie erste Teilentladungsimpulse messen können. Diese Spannung wird Einsetzspannung genannt. Beobachten Sie die Teilentladung und notieren Sie die Phasenlage der TE zur angelegten Wechselspannung. Erhöhen Sie die Spannung weiter und beschreiben Sie die Beobachtungen. Reduzieren Sie die Spannung, bis Sie keine Teilentladungsimpulse mehr messen. Diese Spannung wird Teilentladungsaussetzspannung U e genannt. Wiederholen Sie den Versuch für verschiedene Abstände und stellen Sie die Kurven Einsetzspannung und Aussetzspannung über den Elektrodenabstand dar. Speichern Sie bei einigen Werten die Bilder am Oszilloskop. Beschreiben Sie, zu welcher Phasenlage der Prüfspannung die Teilentladungen auftreten. Tauschen Sie die Elektroden aus (Spitze auf Erdpotential) und wiederholen Sie den Versuch. e) Verwenden Sie nun als Prüfling den Kunststoff Isolator 1 (Einbau zwischen Platte Platte) und messen Sie die Teilentladungseinsetzspannung. Beschreiben Sie, zu welcher Phasenlage der Prüfspannung die Teilentladungen auftreten. (Mit der Persist-Funktion kann auch bei wenigen Impulsen die Lage gut bestimmt werden). Beurteilen Sie, ob die Teilentladungsintensität größer als der Grundstörpegel ist. f) Verwenden Sie nun als Prüfling den Kunststoff Isolator 2 (Isolator mit Hohlraum und Spitze vor dem Hohlraum in der Platte-Platte Anordnung) und messen Sie die Teilentladungen. Beschreiben Sie, zu welcher Phasenlage der Prüfspannung die Teilentladungen auftreten. g) Verwenden Sie nun als Prüfling den Kunststoffisolator 3 (Metallstab in Isolator) und messen Sie die Teilentladungen. h) Messen Sie nun die Teilentladungen an einem Modellkabel ohne Feldsteuerelemente. i) Setzen Sie nun die Feldsteuerelemente auf die beiden Kabelenden und wiederholen Sie die Messung von h)

8 Labor Messtechnik II Versuch 6 Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle Auswertung Beschreiben Sie die Zuordnungen der Impulse zur Phasenlage der Prüfspannung und erläutern Sie die Zusammenhänge. Spannungsteilerkalibrierung: Eingespeiste Spannung: 5 V eff. Gemessene Spannung: Übersetzungsfaktor: Teilentladungskalibrierung: Eingespeiste TE 200 pc 100 pc 50 pc 20 pc 10 pc 5 pc 2 pc Gemessene Spannung: Übersetzungsfaktor: Freiheit prüfen: Spannung 5 kv 8 kv 10 kv Spannung Messung an Spitzenelektrode: Messung Spitze auf Hochspannung 4 cm U e zuerst in pos. oder neg. Halbschwingung Phasenlage zur Wechselspannung Unterschiede bei pos. oder neg. Halbschwingung 3 cm 2 cm 1 cm Messung Spitze auf Erdpotential 4 cm U e zuerst in pos. oder neg. Halbschwingung Phasenlage zur Wechselspannung Unterschiede bei pos. oder neg. Halbschwingung 3 cm 2 cm 1 cm

9 Labor Messtechnik II Versuch 6 Prof. Dreetz/Lassahn/Stolle Messung in Isolierstoffen: Unterschiede bei pos. oder neg. Halbschwingung Unbeschädigte Isolierung Hohlraum in Isolierung vor Spitze Metallstab in Isolierung Kabelmodell ohne Feldsteuerung Kabelmodell mit Feldsteuerung U e zuerst in pos. oder neg. Halbschwingung Phasenlage zur Wechselspannung