Erzeugung hoher Wechselspannung

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1 Seite 1 von 19 Prof. Dr. -Ing. Robert Bach Prof. em. Dr.-Ing. Jan Meppelink Cornelius Epple B.Eng. FB EE Fachgebiet Hochspannungstechnik Praktikum Hochspannungstechnik Versuch 3: Erzeugung hoher Wechselspannung Version Organisation 1.1 Laborordnung Es gilt die Laborordnung des Hochspannungslabors. Achtung: Geladene Kondensatoren stellen eine Lebensgefahr dar. Vor Berühren sind solche Kondensatoren zu erden und kurzzuschließen. Insbesondere muss bei der Reihenschaltung von Kondensatoren darauf geachtet werden, dass jeder einzelne Kondensator kurzgeschlossen und geerdet ist. Die erfolgreiche Teilnahme am Praktikum ist eine Voraussetzung zur Zulassung zur Fachprüfung Hochspannungstechnik. 1.2 Versuchsberichte Jeder Student gibt einen eigenständig erstellten Versuchsbericht ab. Die Kopie des handschriftlich erstellten Messprotokolls ist zulässig. Im Falle von Rücksprachen, Fehlerverbesserungen, Nachträgen, Änderungen etc. ist der jeweilige Student verantwortlich. Für die Versuchsberichte sind die Vordrucke zu verwenden, die im Hochspannungslabor erhältlich sind. In diese Vordrucke sind Gruppenbezeichnung, die Namen der Teilnehmer etc. vollständig einzutragen. Mit dem Computer geschriebene Vordrucke müssen identischen Inhalt und Anordnung haben.

2 1.3 Abgabe der Versuchsberichte Seite 2 von Abgabe der Versuchsberichte Versuchsberichte werden spätestens 2 Wochen nach dem Versuch in der e-learning-plattform hochgeladen. 1.4 Rückgabe der Versuchsberichte Die Rückgabe erfolgt ebenfalls über die e-learning-plattform. 1.5 Ablauf des Versuchs Eine selbständige, gründliche Vorbereitung auf den Versuch wird erwartet, damit die Lernziele beim ersten Durchgang erreicht werden. Zur Vorbereitung gehört das Lesen des ausgegebenen Versuchsumdrucks, das Lesen der zugehörigen Kapitel im Skript Hochspannungstechnik und gegebenenfalls das Lesen der genannten Fachliteratur zur Vorbereitung oder Ausarbeitung des Versuchsberichts. Es wird ein schriftliche Überprüfung vor Beginn des Praktikums durchgeführt. Unvorbereitete Studenten werden zu einem neuen Termin gebeten. 2 Ziele des Versuchs Nach dem Versuch sollen sie die folgenden Punkte verstanden und behandelt haben: Erzeugung hoher Wechselspannung Messung mit der Kugelfunkenstrecke Ermittlung der atmosphärischen Bedingungen Ermittlung der Messfehler Folgende Aufgaben und Fragen sollten Sie lösen und beantworten können: Wie werden hohe Wechselspannungen erzeugt? Leiten Sie aus der allgemeinen Gasgleichung die relative Luftdichte ab! Wie wird mit einer Kugelfunkenstrecke gemessen? Was ist der relative und absolute Fehler? Welche Energie enthalten Lichtquanten aus UV-Licht? Rechnen Sie nach W = h v mit h = Plancksches Wirkungsquantum? Erklären Sie die Betriebsweise eines Hochspannungstransformators mit kapazitiver Belastung und zeichnen Sie ein Zeigerdiagramm! Wie funktioniert eine Resonanzprüfanlage? Wie wird die Höhe der Prüfspannung angegeben? Welchen Einfluss hat die Luftfeuchtigkeit auf die Höhe der Durchschlagsspannung.

3 Seite 3 von 19 3 Literatur Aktuelles Vorlesungsskript Hochspannungstechnik Kind, Dieter: "Einführung in die Hochspannungsversuchstechnik", Vieweg Küchler, Andreas: Hochspannungstechnik, Springer Anwendbare Normen liegen zur Einsicht: DIN EN Grundlagen Hohe Wechselspannungen werden in Hochspannungslaboratorien für folgende Aufgaben benötigt: Entwicklungsversuche Prüfung von Betriebsmitteln Qualitätssicherung Als Ladekreis zur Erzeugung von hohen Gleich- und Stoßspannungen sowie Stoßströmen Bei der Hochspannungsprüfung von SF6-gasisolierten Anlagen vor Ort Zu diesem Zweck werden Prüftransformationen eingesetzt, die im Gegensatz zu Leistungstransformationen eine viel kleinere Nennleistung bei wesentlich größerem Übersetzungsverhältnis aufweisen. Diese Transformatoren werden im linearen Teil ihrer Magnetisierungskennlinie betrieben. Die Erregung von Prüftransformatoren ist die Kenngröße Û 2 als Prüfspannung definiert (vgl. VDE & IEC ). Die Genauigkeit der Spannungsmessung ist mit ±3% vorgeschrieben. Spannungsmessungen sind in Laboratorien der Hersteller bei der Abnahme von Hochspannungsapparaten erforderlich, damit dem Kunden gegenüber die Einhaltung der vertraglich festgelegten Spezifikationen dargelegt werden kann. Nachfolgend werden verschiedene Methoden zur Messung des Scheitelwertes hoher Wechselspannungen aufgezeigt und erläutert. 4.1 Scheitelwertmessung mit der Kugelfunkenstrecke Siehe Abbildungen der Kugelfunkenstrecke und Tabelle im Skript Hochspannungstechnik. Die Messung der Wechselspannung mit der Kugelfunkenstrecke erfolgt durch Anlegen der Spannung an eine genormte Kugelfunkenstrecke. Die Höhe der Durchschlagsspannung für eine gegebene Schlagweite, Kugeldurchmesser etc. findet man in einer VDE-Tabelle, siehe Anlage. Der elektrische Durchbruch einer Gasstrecke erfolgt nach Erreichen der statischen Durchbruchspannung in einer Zeit von wenigen ns. Während dieser Zeit ist der Scheitelwert einer netzfrequenten Wechselspannung als konstant anzusehen. Mit der Kugelfunkenstrecke können Scheitelwerte von Spannungen mit Frequenzen f 500 khz mit genügender Genauigkeit gemessen werden. Da bei einer Kugelfunkenstrecke der Durchschlag ohne Vorentladungen erfolgt (geringer Entladeverzug), eignet sie sich besonders gut zur Spannungsmessung. 1 Verband Deutscher Elektrotechniker 2 International Electrical Commission

4 4.1 Scheitelwertmessung mit der Kugelfunkenstrecke Seite 4 von 19 Der Nachteil besteht darin, dass keine kontinuierliche Messung möglich ist, da die Spannung bei jeder Messung mit der Kugelfunkenstrecke zusammenbricht. Ausnahme: Bei der Messung hoher Gleichspannungen erzielt man mit der Stab-Stab-Funkenstrecke bessere Ergebnisse als mit der Kugelfunkenstrecke. Mit der Kugelfunkenstrecke sind Messgenauigkeiten von ±3% zu erreichen, wenn nachfolgende Bedingungen eingehalten werden Feldform zwischen den Kugeln Das Feld zwischen den Kugeln muss annähernd homogen sein. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Schlagweite wie folgt eingestellt wird: s 0, 5 D mit s = Schlagweite; D = Kugeldurchmesser Als Richtwert für die Auswahl der Kugel gilt: D in mm entspricht etwa U in kv Mindestabstände zu geerdeten Anlagenteile Die nach DIN VDE geforderten Schutzabstände zu geerdeten Anlagenteilen müssen eingehalten werden Beschaffenheit der Kugeln Die Kugeln werden vorzugsweise aus Kupfer gefertigt. Ihre Oberfläche muss glatt sowie staubfaser und fettfrei sein. Der Durchmesser darf in keiner Richtung um mehr als 2% vom Nenndurchmesser abweichen. Eine Lackierung der Kugeln ist nicht zulässig Bestrahlung der Kugelfunkenstrecke Ist der Scheitelwert der zu messenden Spannung kleiner als 50kV, muss die Messstrecke bei allen Kugeln zusätzlich bestrahlt werden. Dies gilt ebenfalls für Kugeln mit D < 12, 5 cm bei allen Spannungen. Durch die Bestrahlung werden durch den Photoeffekt, siehe Skript Hochspannungstechnik, an Metalloberflächen Anfangselektronen erzeugt, die den Entladeverzug herabsetzen. Es gibt folgende Möglichkeiten der Bestrahlung: Bestrahlung mit Quecksilberdampf-Quarzlampe: Die Mindestleistung der Lampe sollte 35W bei einem Strom von 1A betragen. Das Licht muss auf den Durchschlagspunkt fallen Luftdichtekorrektur Die gemessene Durchschlagsspannung muss mit der relativen Luftdichte d korrigiert werden: ρ p T mit p = Gasdruck; T = absolute Temperatur

5 4.1 Scheitelwertmessung mit der Kugelfunkenstrecke Seite 5 von 19 Aus der allgemeinen Gasgleichung p V = m R T ergibt sich: d = ρ ρ 0 = p p 0 T0 T = p ϑ = 0, 289 p ϑ mit p = Gasdruck in hpa; ϑ = Gastemperatur in C Bei kleinen Abweichungen vom Normaldruck und der Normaltemperatur ist im homogenen und schwach inhomogenen Feld das Verhältnis der tatsächlichen Durchschlagsspannung U d zur Durchschlagsspannung U d0 bei atmosphärischen Normalbedingungen etwa gleich der relativen Gasdichte d. U d U d0 p p 0 T0 T = d im Bereich 0, 95 d 1, 05 Die Prüfvorschriften (IEC ) schreiben daher bei Durchschlagsuntersuchungen in atmosphärischer Luft eine Umrechnung der gemessenen Durchschlagsspannung U d auf die zugehörige Durchschlagsspannung U d0 mit einem Luftdichtekorrekturfaktor k d vor: U d0 = U d k d ( ) m ( ) p n T0 k d = p 0 T Für Isolationen mit Luftfunkenstrecken mit schwach inhomogenem und homogenem Feld werden für alle Spannungsarten und Schlagweiten die Exponenten m = n = 1 angenommen, so dass hier der Luftdichtekorrekturfaktor gleich der Luftdichte ist. Das Gleiche gilt auch für stark inhomogene Felder bei Gleich- und Blitzstoßspannung 3 : k d = d Bei Wechsel- und positiven Schaltstoßspannungen weichen die Exponenten m und n für Schlagweiten s > 1m, d. h. sobald sich der Durchschlag nach dem Leader-Mechanismus entwickelt, gemäß der unten dargestellten Kurve, Abb. 1, vom Wert Eins ab. 3 Im homogenen und schwach inhomogenen Feld bei allen Spannungsarten im stark inhomogenen Feld bei Gleich- und Blitzstoßspannung.

6 4.1 Scheitelwertmessung mit der Kugelfunkenstrecke Seite 6 von 19 Abbildung 1: Abhängigkeit der Luftdichtekorrektur-Exponenten m und n von der Schlagweite für Wechselspannung und positive Schaltstoßspannung Einfluss der Luftfeuchte Im homogenen und schwach inhomogenen Feld ist der Einfluss der Luftfeuchte auf die Durchschlagsentwicklung vernachlässigbar und wird deshalb auch nicht durch Korrekturfaktoren berücksichtigt. Anders bei positiven Schaltstoßspannungen, d. h. bei positiver Gleichspannung oder bei Wechselspannung im stark inhomogenen Feld: Dort nimmt die Durchschlagsspannung mit der absoluten (nicht relativen!) Gasfeuchte zu. Die relative Gasfeuchte ist wie folgt definiert: ϕ = f f s 100% beziehungsweise mit f = absolute Gasfeuchte; f s = Sättigungsfeuchte ϕ = p w p s 100% mit p W = Wasserdampfpartialdruck; p s = Sättigungsdampfdruck Die Zunahme der Durchschlagsspannung mit der absoluten Feuchte hängt mit der verstärkten Anlagerung freier Elektronen an die Wassermoleküle des in der Luft stets enthaltenen Wasserdampfs zusammen, durch die die Lawinenbildung behindert wird.

7 4.1 Scheitelwertmessung mit der Kugelfunkenstrecke Seite 7 von 19 Abbildung 2: Sättigungsfeuchte und Sättigungsdampfdruck von Luft in Abhängigkeit von der Temperatur

8 4.1 Scheitelwertmessung mit der Kugelfunkenstrecke Seite 8 von 19 Abbildung 3: Sättigungsfeuchte von Luft in Abhängigkeit von der Temperatur Abb. 2 sowie Abb. 3 geben die Sättigungswerte für Luft in Abhängigkeit von der Temperatur wieder. Bei Normaltemperatur von 20 C beträgt die Sättigungsfeuchte 17, 3 g. Als Normzustand der Luftfeuchte wird in der Hochspannungstechnik ein Wert von f = 11 g (bei 20 C und m 3 m h) angesehen, was einer relativen Luftfeuchte von ϕ = ( ) 11 17,3 100 = 63, 5% entspricht. Die Abhängigkeit der Durchschlagsspannung von der absoluten Luftfeuchte ist in Abb. 4 für das Beispiel einer Stab-Platte-Anordnung für positive Gleichspannung gezeigt.

9 4.1 Scheitelwertmessung mit der Kugelfunkenstrecke Seite 9 von 19 Abbildung 4: Durchschlagsspannung für positive Gleichspannung einer Stab-Platte-Anordnung als Funktion der Schlagweite s Bis zu einer Schlagweite von etwa 60cm verläuft die Durchschlagsspannung fast unabhängig von der absoluten Luftfeuchte. Bei größeren Schlagweiten tritt dann plötzlich eine sehr starke Luftfeuchte-Abhängigkeit auf. Bei der Schlagweite von 80cm beispielsweise liegt die Durchschlagsspannung in fast gesättigter Luft (f = 16, 5 g entspricht ϕ = 95, 3%) etwa 25% über m 3 derjenigen in sehr trockener Luft (f = 3, 5 g entspricht ϕ = 20, 2%). m 3 Die bei Durchschlagsuntersuchungen anzuwendenden Luftfeuchte-Korrekturfaktoren sind in der Prüfvorschrift IEC festgelegt. Im Labor ist ein Aspirationspsychrometer nach Aßmann zur Messung der relativen und absoluten Luftfeuchtigkeit vorhanden. Erläuterungen zur Durchführung erhalten Sie während des Versuchs.

10 4.2 Berechnung des Scheitelwertes der hohen Wechselspannung mit Hilfe der Primärspannung und des Übersetzungsverhältnisses Seite 10 von Berechnung des Scheitelwertes der hohen Wechselspannung mit Hilfe der Primärspannung und des Übersetzungsverhältnisses Zu Kontrollzwecken kann die Sekundärspannung eines Hochspannungstransformators aus der Primärspannung und dem Übersetzungsverhältnis berechnet werden. Hierbei ist zu beachten, dass das Übersetzungsverhältnis stark belastungsabhängig ist. Die Beziehung ü = W 1 W 2 = U 1 U 2 ist nur für den Leerlauf von Niederspannungstransformatoren gültig. Da die meisten Versuchsaufbauten kapazitiven Charakter haben und die Hochspannungs-Prüftransformatoren Eigenkapazitäten besitzen die nicht vernachlässigt werden dürfen, ist mit Spannungsüberhöhungen auf der Hochspannungsseite zu rechnen. Eine ausführliche Erklärung dieses Effektes finden Sie im Skript Hochspannungstechnik, Kapitel Erzeugung hoher Spannungen. Der Scheitelwert wird wie folgt berechnet: U 2m = U 1 ü 2 Voraussetzung ist außerdem eine reine Sinusform der Spannung. Das Übersetzungsverhältnis wird im Versuch mit der gemessenen Hochspannung und der Primärspannung überprüft. 4.3 Scheitelwertbestimmung mittels Scheitelspannungsmesseinrichtung Eine Scheitelspannungsmesseinrichtung besteht aus einem kapazitiven Spannungsteiler und dem Scheitelspannungsmessgerät. Die prinzipielle Funktionsweise soll an Abb. 5 erläutert werden. Abbildung 5: Schematischer kapazitiver Spannungsteiler Der kapazitive Spannungsteiler, besteht aus C H und C N ist die Spannungsquelle für die Gleichrichterschaltung. Zum einfachen Verständnis machen wir folgende Näherung: R = R M =. Wenn die Gleichrichterschaltung den Teiler nicht belastet und die Diode ideale Eigenschaften aufweist, gilt für das Spannungsverhältnis:

11 4.3 Scheitelwertbestimmung mittels Scheitelspannungsmesseinrichtung Seite 11 von 19 U M = ÛN = ÛH C N + C H Die Messung von U M muss dabei absolut leistungslos erfolgen. Dies kann durch ein elektronisches Voltmeter erfolgen. Da dann aber die Anzeige U M nicht der Spannungsänderung der Hochspannung folgen kann, muss das Messgerät durch den Widerstand R M belastet werden. Zwischen zwei aufeinander folgende Scheitelwerten sinkt dadurch die Spannung auf den Wert: C H ( ) UM Û N T exp R M C M mit T = Periodendauer der Wechselspannung Die Zeitkonstante R M C M wird etwa 0, 5 1s gewählt. Der stets negative Entladefehler beträgt bei 50Hz dann rund 1%. Die Entladung von C M hat weitere Fehler zur Folge: Da C M wieder aufgeladen werden muss, liegt während der Stromflusszeit die Diode mit C M parallel zu C N und reduziert Ausgangsspannung des Teilers. Der dadurch verursachte Nachladefehler ist proportional zum Entladefehler. Dem Kondensator C N wird damit ständig ein pulsierender Gleichstrom entnommen, der das Potential am Teilerabgriff verlagert. Diese Potentialverlagerung wird durch einen ausreichen dimensionierten Widerstand R rückgängig gemacht. Bei ausreichender Dimensionierung der Bauelemente lassen sich Messfehler kleiner 1% halten. Die Möglichkeiten der Elektronik haben zu neueren Entwicklungen der Scheitelspannungsmessgeräte geführt. Dabei wird der Nachladefehler durch die Entkopplung von Teiler und Messkreis durch einen elektronischen Impedanzwandler erreicht. Der Entladefehler wird dadurch vermindert, dass der Scheitelwert elektronisch gemessen, einmal gespeichert und angezeigt wird. Bei einer Änderung des Scheitelwertes wird der Vorgang wiederholt.

12 Seite 12 von 19 5 Versuchsdurchführung 5.1 Versuchsschaltung Abbildung 6: Versuchsschaltung Bedeutung Eigenschaft STG Steuergerät U pr Primärspannung V Tr Hochspannungstransformator 100 kv 0,22 C H Hochspannungskondensator 100pF C N Niederspannungskondensator 111nF C B Hochspannungsbelastungskondensator 6nF R D1 Dämpfungswiderstand 50kΩ R D2 Dämpfungswiderstand 416Ω KFS Kugeln mit 10cm Durchmesser SM Scheitelspannungsmessgerät HVcompact Tabelle 1: Erläuterung der Bauelemente

13 5.2 Bilder des Versuchsaufbaus Seite 13 von Bilder des Versuchsaufbaus Abbildung 7: Versuchsaufbau in Hochspannungszelle (TE-Messzelle) Abbildung 8: Messplatz zur Messung hoher Wechselspannungen

14 5.3 Durchführung Seite 14 von 19 Abbildung 9: Versuchsaufbau in Hochspannungszelle mit Belastungskondensator C B 5.3 Durchführung Protokoll anfertigen mit Aufnahme der Umweltdaten Aufbau des Versuchs Bestrahlung der Kugelfunkenstrecke mit UV-Licht Messung mit der Kugelfunkenstrecke C B entfällt für diesen Versuchspunkt. Für die Schlagweiten s = 3cm sind jeweils fünf Durchschläge durch langsames Erhöhen der Spannung herbeizuführen. Zeitlicher Abstand zwischen zwei Messungen > 1min. Die Höhe der Durchschlagsspannung ist im Hochspannungskreis mit dem Scheitelspannungsmessgerät und im Niederspannungskreis mit dem Digitalinstrument mit Maximumspeicher zu messen Kapazitive Zusatzbelastung des Hochspannungstransformators Um den Einfluss der kapazitiven Belastung auf die Sekundärspannung eines Hochspannungstransformators zu demonstrieren, ist die Belastungskapazität C B nach obiger Schaltung in den Hochspannungskreis einzubringen. Die zulässige Sekundärspannung ist nach folgender Formel für C B = 6nF 4 vorher zu berechnen: S N = U 2 ωc B U = SN ωc B mit S N = Nennscheinleistung des Transformators (ablesbar am Typenschild des Transformators) 4 C B = 6nF ist ein Wert, der als Hochspannungskondensator vorhanden ist.

15 Seite 15 von 19 6 Auswertungen Die Höhe der Spannung aus der Messung mit der Kugelfunkenstrecke. Die Höhe der Spannung am Scheitelspannungsmessgerät. Die Höhe der Spannung aus der Umrechnung der Primärspannung. Die Höhe der Spannung aus der Umrechnung der Primärspannung unter Berücksichtigung der Zusatzkapazität. 7 Fehlerdiskussion Woher kommen Ihrer Meinung nach die Abweichungen? Sind diese Abweichungen noch zulässig? Wie groß sind die relativen und absoluten Fehler, wenn die Messung mit der Kugelfunkenstrecke als wahrer Messwert genommen wird?

16 Seite 16 von 19 8 Anlage VDE-Tabelle mit den Werten für Kugelfunkenstrecken

17 Seite 17 von 19 Abbildung 10: Tabelle mit den ermittelten Durchschlagsspannungen der Kugelfunkenstrecke bei Normbedingungen 20 C und Normaldruck 101, 325kPa Kurve der Durchschlagsspannungen als Funktion der Schlagweite ermittelt mit einer Kugelfunkenstrecke d = 10cm, mit einem Scheitelspannungsmessgerät und gerechnet mittels Übersetzungsverhältnis und Primärspannung

18 Seite 18 von 19 Abbildung 11: Tabelle mit den ermittelten Durchschlagsspannungen der Kugelfunkenstrecke bei Normbedingungen 20 C und Normaldruck 101, 325kPa Tabelle mit Mindestabständen für Kugelfunkenstrecken mit senkrechter Anordnung

19 Seite 19 von 19 (a) Horizontale Ausrichtung der Kugelfunkenstrecke (b) Vertikale Ausrichtung der Kugelfunkenstrecke Abbildung 12: 1. Insulating support 2. Sphere shank 3. Operating gearr, showing maximum dimensions 4. High-voltage connection with series resistor 5. Stress distributor, showing maximum dimensions P. Sparking point of high-voltage sphere A. Height of P above earth plane B. Radius of space free from external structures X. Item 4 not to pass through this place within a distance B from P Note: The figure is drawn to scale for a 100cm sphere-gap at radius spacing