Vergleich von Verlustfaktormessverfahren sowie das Teilentladungsverhalten

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1 Vegleich von Velustfaktomessvefahen sowie das Teilentladungsvehalten von Geneatostabmodellen Pof. M. Muh, D. R. Schwaz, D. C. Sumeede, DI. G. Knollseisen Institut fü Hochspannungstechnik und Systemmanagement, Technische Univesität Gaz, Östeeich Kuzfassung Duch die Libealisieung des euopäischen Elektizitätsmaktes ist ein Wechsel von eine zeitoientieten zu eine zustandsoientieten Instandhaltungsstategie zu beobachten. Aufgund diese Entwicklung spielen unteschiedliche Monitoing-, Analyse- und Diagnostiksysteme zunehmend eine wichtige Rolle in de Enegieezeugung, -übetagung und veteilung, mit dem Ziel die Zuvelässigkeit des gesamten Systems zu ehalten und zu ehöhen. Zu den wichtigsten Vefahen im Beeich de dielektischen Diagnostik zählen die Messung des Velustfaktos und des Teilentladungsvehaltens. So fühen z.b. Teilentladungen und themische Alteung zu eine Ändeung de physikalischen, chemischen und elektischen Eigenschaften des Isoliemateials und in de Folge zu Veändeung von elektischen Paameten wie zum Beispiel des Velustfaktos. Die klassische Methode zu Bestimmung des Velustfaktos ist die Messung mit eine wechselspannungsbetiebenen Scheingbücke. Neuentwicklungen auf dem Gebiet de elektonischen Messsysteme, bei denen kein Bückenabgleich meh notwendig ist, kommen vemeht zu Anwendung. Neue computegestützte Messsysteme abeiten auf Basis eine vektoiellen Impedanzmessung im Fequenzbeeich indem die Gundschwingung de Stöme duch das Messobjekt und einen Refeenzzweig analysiet wid. Eine weitee Möglichkeit zu Bestimmung des Velustfaktos ist die Beechnung aus den Egebnissen eine Gleichspannungsmethode mittels Polaisation und Depolaisation des Testobjektes. De zeitbasieende Messstom wid mittels Fouieanalyse in den Fequenzbeeich tansfomiet. In diesem Pape weden die dei tanδ Messvefahen (Scheingbücke, elektonische Bücke und PDC-Analyse) gegenübegestellt. Einem theoetischen Übeblick übe die Technologien und Messmethoden folgen paktische Untesuchungen an Geneatostabmodellen, die die Funktion de einzelnen Methoden demonstieen und die Vo- und Nachteile heaussteichen sollen. Begleitend zu diesen Untesuchungen weden Teilentladungsmessungen duchgefüht, wobei auf die Vegleichbakeit de einzelnen Messegebnisse (Umgebungsbedingungen) geachtet wid. 1 Einleitung Mit zunehmendem Alte de elektischen Isolieung, die meist eine kombinieten themischen, elektischen und mechanischen Beanspuchung sowie Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, kommt es zu eine Veändeung de dielektischen Eigenschaften, die in weitee Folge zu einem Vesagen de Isolation und damit zu einem Ausfall des Betiebsmittels fühen kann. Mit Hilfe einspechende Diagnosemethoden ist man bestebt solche Veändeungen vozeitig zu ekennen um Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Im Beeich de dielektischen Diagnostik stehen unteschiedliche Messvefahen zu Beuteilung von e- lektischen Isoliesystemen zu Vefügung, wobei zwischen Methoden die im Zeit- und Fequenzbeeich abeiten unteschieden wid. Polaisations- und Depolaisationsstöme (PDC) und de Wiedekehspannung (RVM) weden im Zeitbeeich gemessen, die Messung des Velustfaktos und de komplexen Kapazität bei unteschiedlichen Fequenzen (FDS) efolgt im Fequenzbeeich [1]. 2 Velustfakto - Messmethoden Kapazitäten und Velustfaktoen sind stoff- und geätespezifische Gößen. De Velustfakto ist ein Paamete des Isolationssystems und ein Maß fü die Höhe de elektischen Veluste duch die Isolieung. E wid abe auch als Messgöße zu Bewetung de Veändeung innehalb de Isolieung heangezogen. Duch die Veändeung de Messfequenz (z.b. Reduktion auf,1 Hz) kann zusätzlich die Messempfindlichkeit ehöht weden. Niedige Wete fü den tanδ sind üblicheweise fü eine einwandfeie Isolieung chaakteistisch. Ein asche Anstieg des Velustfaktos ist ein Zeichen stake Veschlechteung des Isolationszustandes. Die klassische Messung efolgt mit Hilfe de Kapazitäts- und Velustfaktomessbücke nach Scheing.

2 2.1 Velustfaktomessbücke nach Scheing Bei de Scheingbücke wid üblicheweise das zu messende Objekt ealitätsnahe mit Hochspannung beanspucht (siehe Bild 1). Die Abgleichelemente hingegen liegen auf Niedespannungspotential. C X R X S A C B S B C X C N A D A D R X DSP HV PC I Refeenzsignal R 3 R CN Messsignal Bild 1 Kapazitäts- und Velustfaktomessbücke nach Scheing [2] t Die Abgleichbedingung de Bücke lautet: Z / Z Z Z X 3 = N / tanδ = ωc R = ωc R X Bei de Messung sind gewisse Paamete zu beücksichtigen die auf die Messegebnisse einen entscheidenden Einfluss haben können: - Edsteukapazitäten des Messobjektes (Einbaulage und Einbauat) und des Vegleichskondensatos. Die Edsteukapazitäten stellen die häufigsten Fehlequellen de Scheing Messbücke da. Eine Abhilfemaßnahme bieten doppelt geschimte Kabel. - Obeflächenzustand des Püfobjektes - Ableitstöme übe die Wickelköpfe - Umweltvehältnisse zum Zeitpunkt de Messung (elative Luftfeuchtigkeit, Tempeatu) De Velustfakto tanδ ist eine Mateialgöße, die wesentlich von den Polaisationsvelusten und den Leitfähigkeitsvelusten bestimmt wid. Fü Hochspannungsisolieungen weden in de Regel Mateialien mit einem Velustfakto unte 1-2 (1%) eingesetzt. 2.2 Computebasiete Velustfaktomessung aus de Phasenveschiebung de Stöme im Mess- und Vegleichszweig Die Weiteentwicklung im Beeich de Digitaltechnik emöglicht den Einsatz digitale Vektometemethoden. X Bild 2 Schematische Aufbau und Signal Die vewendete Bücke besteht aus einem Refeenzzweig mit eine Hochspannungskapazität C B und einem esistiven Stomsenso S B in Seie. De Messzweig besteht entspechend aus dem Püfobjekt und einem weiteen Stomsenso S A. Die beiden kontinuielich gemessenen Stöme weden amplituden- und phasenbezogen gemessen, digitalisiet und mittels PC-Softwae vollautomatisch veabeitet (Bild 2). Mit eine DFT (Discete Fouie Tansfomation) weden die beiden an den Sensoen gemessenen Signale selektiv in den Fequenzbeeich tansfomiet. Die Phasenveschiebung de Gundfequenzen de beiden Signale wid zu Beechnung des tanδ vewendet Polaisations-/ Depolaisationsstom Bei de PDC-Messung wid an den Püfling (lineaes Isolationssystems) eine Gleichspannung angelegt und die Spungantwot gemessen, de Polaisationsstom wid dabei messtechnisch efasst. Beim Entladen (Kuzschluss des Püflings) wid de Depolaisationsstom gemessen. Als Antwot auf einen Feldspung im Zeitbeeich kann duch die Polaisationsstommessung ein Netzwekmodell mit entspechenden Elementen zu Nachbildung eines dielektischen Esatzschaltbildes aufgestellt weden. Mittels Appoximation de gemessenen Polaisationsstöme mit Hilfe von Exponentialfunktionen kann das vollständige dielektische Esatzschaltbild emittelt weden.

3 Zusätzliche Infomationen übe die Eigenschaften de Isolieung liefet die Efassung des Depolaisationsstomes nach eine bestimmten Ladezeit. Da die PDC-Messung als Spungantwotmessung die gesamte Systeminfomation enthält, können duch entspechende Tansfomationen (Tansfomation in den Fequenzbeeich) ode duch Anwendung des emittelten Mateialesatzschaltbildes alle andeen diagnostischen Kenngößen wie z. B. Velustfakto eechnet weden [2]. Dabei wid die Antwot vom Zeitbeeich in den Fequenzbeeich unte Vewendung eine disketen Fouie-Tansfomation umgewandelt. id ( t) jωt f ( t) = f ( ω ) = f ( t) e dt C U Im Fequenzbeeich wid die Antwotfunktion duch die Paamete Leitfähigkeit, Dielektizitätskonstante und Polaisation beschieben. κ + ωε ε tan δ = tanδ L + tanδ POL = (1) ωε ε ε = ε jε ε *... komplexe Dielektizitätskonstante Bild Velustfakto im Fequenzbeeich 3 Messaufbau Vesuchsduchfühung Als Püflinge fü einen Vegleich de oben angefühten Messtechniken wuden unteschiedliche Geneatostäbe und Geneatostabmodelle eine ealen Maschine untesucht: Dei duch langjähigen Betieb natülich gealtete Stäbe sowie zwei Stabmodelle (ohne und mit künstliche Fehlestelle (5x5cm)) (Bild 5). Nach Gleichung (1) kann de Velustfakto ausgedückt weden. Die Leitfähigkeit und de Realteil de komplexen Dielektizitätskonstante zeigen dabei eine geinge Fequenzabhängigkeit im Gegensatz zu deen Imaginäteil. De PDC-Analysato wude entwickelt, um das dielektische Vehalten an Betiebsmitteln de Enegietechnik festzustellen. Kapazität und Velustfakto egeben sich aus de Kalkulation de Messung des Polaisations- und Depolaisationsstomes in Abhängigkeit von de Zeit (siehe Bild 3 und Bild ). De PDC-Analysato wid häufig dazu vewendet um Infomationen übe den Wassegehalt in Isolationssystemen festzustellen (Tansfomatoen ode Kabel). Bild 5 Geneatostäbe/ -stabmodell Um eine Koelation zwischen tanδ und TE-Aktivität aufzuzeigen efolgte zusätzlich zu den duchgefühten Untesuchungen eine Teilentladungsmessung nach IEC 627 mittels digitalem TE-Messsystem. Bild 3 Polaisation and Depolaisationsstom N. Testobjekt Technologie 1 Geneatostab Resin Rich 2 Geneatostab Resin Rich 3 Geneatostab Resin Rich Geneatostabmodell ohne Fehlestelle 5 Geneatostabmodell mit Fehlestelle Tabelle 1 Testobjekte

4 Egebnisse Im Folgenden weden einige Egebnisse aus den Messungen bei unteschiedliche Spannungsbeanspuchung dagestellt. Bild 6 und Bild 7 zeigen den Velauf des Velustfaktos und de Kapazität in Abhängigkeit von de Spannung am Geneatostab 3.,,35,3,25,2,15,1 Messsystemevegleich - Gen.stab ohne Fehle C [nf] Messsystemevegleich an Geneatostab 3 2,5 2, 2,3 2,2 2,1 2, 1,9 1,8 1,7 1,6 1, Bild 6 Kapazität am Geneatostab 3 Messsystemevegleich an Geneatostab 3,5,5,,35,3,25,2,15,1, Bild 7 Velustfakto am Geneatostab 3 Die Kapazität und de Velustfakto zeigen dabei eine seh gute Koelation zwischen elektonische Bücke und Scheing Bücke. Die eechnete Kapazität bezogen auf 5 Hz emittelt duch die PDC-Analyse untescheidet sich um ca. 5% von den gemessenen Weten. De Wet des tanδ liegt jedoch um zwei Potenzen daneben. Bild 8 und Bild 9 zeigen den Velauf de Kapazität und des Velustfaktos am Geneatostabmodell ohne Fehlestelle. C [nf],9,86,82,78,7 Messsystemevegleich - Gen.stab ohne Fehle, Messspannung (kv) Bild 8 Kapazität am Geneatostabmodell ohne Fehlestelle, Bild 9 Velustfakto am Geneatostabmodell ohne Fehlestelle Auch hie zeigt sich eine gute Übeeinstimmung in den Egebnissen aus den Messungen mittels elektonische Bücke und Scheing Bücke. Die Kapazität gemessen mit dem PDC-Analysato liegt genau im Beeich zwischen den Egebnissen aus elektonische und Scheing Bücke. Beim Velustfakto hingegen egibt sich wiedeum eine goße Abweichung. C [nf] Kapazitätsändeung mit de Spannung,85 Stab fehlefei Stab fehlebehaftet,83,81,79,77,75,73,71,69,67, Bild 1 Kapazität de beiden Geneatostabmodelle dan delta Ändeung mit de Spannung,8 Stab fehlefei Stab fehlebehaftet,7,6,5,,3,2, Bild 11 Velustfakto de beiden Geneatostabmodelle Bild 1 und Bild 11 zeigen einen Vegleich des Velustfaktos- und den Kapazitätsvelauf beide Geneatostabmodelle. Dabei ist ein deutliche Anstieg de Wete mit zunehmende Spannung beim fehlebehafteten Geneatostabmodell zu ekennen.

5 Bild 12 zeigt eine Gegenübestellung des Velaufs des Velustfaktos und des Teilentladungsvehaltens. De Velustfakto wude mittels elektonische Bücke emittelt, das Teilentladungsvehalten mittels digitalem TE-Messsystem ICM. Bei de Teilentladungsmessung wude dabei de maximal auftetende Teilentladungspegel in Abhängigkeit von de Spannung aufgetagen. TE Pegel (nc) Geneatostabmodell mit Fehlestelle TE Pegel (FM) (FM) Spannung (kv),7,6,5,,3,2,1 max. TE Pegel (nc) Vegleich Geneatostabmodelle TE Pegel Fehlefei TE Pegel (FM) Anzahl Fehlefei Anzahl (FM) Spannung (kv) 1, 1,2 1,8,6,,2 Anzahl de Entladungen (x 1E6) Bild 1 Teilentladungsaktivität de beiden Geneatostabmodelle In Bild 15 und Bild 16 ist die Teilentladungsaktivität am Geneatostabmodell mit Fehlestelle bei unteschiedlichen Spannungsweten zu sehen. Bild 12 Velustfakto und maximale Teilentladungspegel in Anhängigkeit von de Spannung beim Geneatostabmodell mit Fehlestelle Die Tendenz des ansteigendes Velustfaktos, welche duch zunehmende ohmsche Veluste im Dielektikum intepetiet weden kann, spiegelt sich auch in de Zunahme de Teilentladungsaktivität, de Entladungsstäke (max. Pegel) sowie in de Anzahl de Entladungen wiede (Bild 13). Geneatostabmodell mit Fehlestelle 5 nc Bild 15 Teilentladungsaktivität am Geneatostabmodell mit Fehlestelle bei kv Anzahl de Entladungen (x 1E6) 1, 1,2 1,8,6,,2 Anzahl (FM) (FM),7,6,5,,3,2,1 9 nc Spannung (kv) Bild 13 Velustfakto und Entladungsanzahl in Anhängigkeit von de Spannung beim Geneatostabmodell mit Fehlestelle Beeits bei niedigen Spannungsweten (kv) steigt de Velustfakto stak an wobei gleichzeitig ein stake Anstieg de Teilentladungsaktivität beobachtet weden kann. In Bild 1 ist eine Gegenübestellung de Teilentladungsaktivität (max. Pegel) und de Anzahl de Entladungen beide Geneatostabmodelle übe die Spannung dagestellt. Bedingt duch die Fehlestelle ist die Anzahl de Entladungen auf ein Vielfaches gestiegen, de maximal auftetende Pegel hat sich vedoppelt. Bild 16 Teilentladungsaktivität am Geneatostabmodell mit Fehlestelle bei 12kV Unte de Voaussetzung gleiche Umgebungsbedingungen (Raumtempeatu und el. Luftfeuchtigkeit) egibt sich mit zunehmende Spannung ein deutliche Anstieg de Teilentladungsaktivität (siehe Bild 16).

6 5 Zusammenfassung Im Rahmen de Untesuchungen wuden unteschiedliche Messmethoden zu Bestimmung des Velustfaktos und de Kapazität anhand von Geneatostäben eingesetzt. Bei de Kapazitätsmessung zeigt sich eine gute Übeeinstimmung zwischen de elektonischen Bücke und de Scheing Bücke. Ebenso kann eine gute Koelation mit allen dei Messsystemen (Scheing-, elektonische Bücke und PDC-Analyse) festgestellt weden. Die Abweichung, de duch die PDC-Messung ehaltenen Egebnisse liegt unte 5%. Es muss jedoch beücksichtigt weden, dass de Messwet de PDC- Analyse von eine Gleichspannungsmessung esultiet und de 5Hz Wet eechnet wid. Untesuchungen und Tendenzen bei unteschiedlichen Spannungsweten sind dabei nicht möglich. Bei de Velustfaktomessung zeigt sich eine gute Ü- beeinstimmung de Egebnisse beide Bücken. De aus de PDC-Analyse emittelte Wet zeigt jedoch goße Abweichungen woduch diese Egebnisse mit Vosicht zu beweten sind, da auch hie de Wet des Velustfaktos aus eine Gleichspannungsmessung beechnet wid. Ein Velustfakto in Abhängigkeit de Messspannung kann nicht angegeben weden. [1] M. Faahani, H. Bosi, E. Gockenbach, M. Kaufhold; Zustandsdiagnose de Isolieung von otieotieenden Hochspannungsmaschinen duch dielektische Antwotmessung im Fequenzbeeich, Univesität Hanove, Siemens AG Nünbeg [2] Küchle, A, Hochspannungstechnik, 2. Auflage, Spinge Velag, Belin, 25 [3] Lemke LDV-6 /hv%2poducts/ldv-6.pdf Als Resümee de Untesuchungen kann die Aussage getoffen weden, dass die elektonische Bücke und die Scheing Bücke gleichwetig sind. Als Voteil de elektonischen Bücke kann hevogehoben weden, dass sämtliche Egebnisse in digitale Fom voliegen und daduch eine einfache Weiteveabeitung und Achivieung möglich ist. Duch die Ankopplung de Messfühle an das Messsystem mittels Lichtwellenleite ist eine galvanische Tennung gegeben, woduch das Messsignal hochspannungsseitig ausgekoppelt weden kann. Speziell fü diese Anwendung eweist sich de Akkubetieb als voteilhaft. Neue Geneationen de Scheing Bücke emöglichen einen automatischen Abgleich und elauben die Kommunikation mittel PC. De Voteil des PDC-Analysatos liegt dain, dass keine zusätzliche Hochspannungsvesogung benötigt wid, und ebenso eine softwaemäßige Datenveabeitung inkludiet ist. Begleitende Teilentladungsuntesuchungen zeigen eine seh gute Koelation zwischen de festgestellten Teilentladungsaktivität und de Veändeung des Velustfaktos bei diesen Püfobjekten. 6 Liteatu