Verfahren zur Prüfung von Transformatoren mit Langzeitwellen
Leistungstransformatoren werden vor der Inbetriebnahme neben anderen Prüfungen auch einer Prüfung auf elektrische Festigkeit unterzogen. Diese Prüfung besteht aus einer Windungs- und Wicklungsprüfung und in manchen Fällen aus einer Stossspannungsprüfung.
In letzter Zeit hat eine weitere Prüfung, die Prüfung mit Schaltüberspannungen, in die Prüfpraxis Eingang gefunden.
Die Windungs- sowie die Wicklungsprüfung ist eine Prüfung, die mit einer höheren Wechselspannung, als im Betrieb vorkommend, die Isolation während der Zeit von einer Minute beansprucht. Dadurch wird der Beweis erbracht, dass die Isolation im Betrieb selbst bei Absinken der Isolationsfestigkeit durch Alterung der Isolation noch den Betriebsbeanspruchungen standhält.
Die Stossspannungsprüfung erbringt den Beweis, dass auch bei kurzzeitigen Spannungsstössen, wie sie durch Blitzeinschläge in Freileitungen oder elektrische Armaturen entstehen können, die Spannungsfestigkeit der Isolation ausreicht. Die Stossprüfung wird mit einmaligen aperiodischen Spannungsstössen durchgeführt, deren Höhe und Dauer vorgeschrieben ist. Es ist dies bei Prüfungen mit Vollwellen meist eine Spannungswelle mit einer Stirnzeit von einer Mikrosekunde und einer Rückenhalbwertszeit von 50 es.
Bei höheren Übertragungsspannungen (220 kV aufwärts) verliert die Stossspannung an Gefährlichkeit im Vergleich zur Beanspruchung der Isolation mit der Schaltüberspannung. Unter Schaltüberspannung versteht man eine Spannung, die durch Schaltvorgänge auftritt und deren Höhe ein Vielfaches des Scheitelwertes der angelegten Betriebsspannung sein kann. Die Form der Schaltüberspannung ist nicht immer gleich und hängt von der Ursache der Entstehung ab. Gemeinsam ist jedoch allen Schaltüberspannungen, dass die Zeitdauer der Einwirkung auf die Isolation wesentlich länger ist als bei einer Stossspannung.
Sie beträgt etwa 500 bis 3500 ms. Durch diese verlängerte Einwirkungsdauer sinkt die Uberschlagspannung auf Werte von 90 bis 70 O/o der Überschlagspannung bei Stossbeanspruchung und muss daher für die Auslegung von Transformatoren ebenfalls berücksichtigt werden (Fig. 1).
Da die Forderung nach der Prüfung mit Schalt überspannungen erst neueren Datums ist, sind die meisten Laboratorien nicht mit Geräten ausgestattet, die eine solche Prüfung gestatten. Für die Durchführung einer Stossspannungsprüfung ist zwar ein Stossspannungsgenerator vorhanden, der jedoch auf Grund der Auslegung für eine Rückenhalbwertszeit von 50 M5 gebaut ist. Um trotzdem mit den vorhandenen Mitteln, im wesentlichen der Kondensatorbatterie des Stossgene- rators, auskommen zu können, wurde die nachstehend beschriebene zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dienende Prüfschaltung entwickelt.
Da für die Prüfung der an sich bekannte Stossgenerator in der Marxschen Vervielfachungsschaltung verwendet wird, soll zunächst die bekannte Schaltung für eine Stossspannungsprüfung kurz erläutert werden
Die Einzelkondensatoren des Marx'schen Stossspannungsgenerators werden durch den Überschlag an den Schaltfunkenstrecken in Serie geschaltet, so dass sie nach erfolgtem Überschlag wie ein auf hohe Spannung aufgeladener Stosskondensator C5 wirken. Durch in Serie und parallel geschaltete Widerstände wird die geforderte Stossspannungskurve für die Stossspannungsprüfung erreicht. Wird dem leerlaufenden Stossgenerator der Prüfling angeschlossen, so verändert sich die Spannung am Parallelwiderstand durch die Rückwirkung des Prüflings auf die Spannungsquelle.
Damit beim Stossen eines Transformators nicht die Spannungskurve dadurch verändert wird, dass sich der Eisenkern bei höherer Spannung sättigt, muss die Wirkung auf den Kern durch Kurzschliessen einer Wicklung aufgehoben werden. Der gestossene Transformator wirkt im wesentlichen wie eine konstante Induktivität. Die grösstmöglichste Rückenhalbwertszeit ergibt sich aus der cos Schwingung, die entsteht, wenn sich der Stosskondensator ohne Serien- oder Parallelwiderstände auf den Transformator entladen würde.
Die Frequenz der cos Schwingung beträgt
EMI2.1
L Steuerinduktivität C Stosskapazität
Die theoretisch zu erwartende Rückenhalbwertszeit wäre dann
1 1 tR = '
Diese Zeit ist in den meisten Fällen zu klein, insbesonderes, wenn Rückenhalbwertszeiten von mindestens 1000 us gefordert werden.
Das ertindungsgemässe Verfahren zur Prüfung von Transformatoren mit Wellen langer Rückenhalbwertszeit mit Hilfe eines Marx'schen Stossgenerators oder durch Entladung eines Kondensators ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer längeren Rückenhalbwertszeit der Spannungswelle der Transformatorkern während des Prüfvorganges über eine nicht gestossene Wicklung mit Gleichstrom vormagnetisiert wird, während alle übrigen nicht gestossenen Wicklungen offen bleiben.
Um eine längere Rückenhaltwertszeit zu erhalten, müsste entweder der Stossgenerator sehr gross werden (Vergrösserung von Cs) oder bei gleicher Stosskapazität müsste eine grössere Induktivität wirksam sein.
Eine Induktivitätsvergrösserung ist durch Ausnützung der Eiseninduktivität möglich. Wird also der Transformator bei offenen Wicklungen gestossen, so ist im ersten Moment des Stosses die volle Induktivität des Transformators wirksam. Bei länger andauernder Einwirkung der hohen Prüfspannung tritt jedoch eine Sättigung des Eisenkernes ein und die Induktivität sinkt dann auf kleine Werte ab. Die Folge davon ist ein Spannungszusammenbruch, der somit die Rückenhalbwertszeit festlegt (Fig. 3).
Der Zusammenhang zwischen Prüfspannungshöhe und Einwirkungsdauer der Spannung wird durch die Beziehung II -w dt festgelegt.
Umgeformt ist sudt =-w(2- (02
Die Formel zeigt, dass das Zeitintegral über die Spannung proportional der Flussänderung ist.
Durch die Sättigung im Eisenkreis ist der maximal erreichbare Fluss festgelegt. Es ist dies aus der Magne tisierungskennlinie ersichtlich. Der Fluss St ist annähernd proportional der Induktion B. Wenn also der Transformator mit offenen Klemmen gestossen wird und sich der Fluss vom Wert Null an aufbaut, so ergibt sich die Beziehung (udt = w aus der je nach der Höhe der geforderten Prüfspannung die maximale Halbwertszeit errechnet werden kann.
Diese Überlegungen führten zu dem erfindungs gemässen Prüfverfahren, bei dem der Transformatorkern über eine der nicht gestossenen Wicklungen mit
Gleichstromerregung vormagnetisiert wird, während alle anderen nicht gestossenen Wicklungen offen bleiben. Es kann so die Flussänderung durch Gegenmagne tisierung auf den doppelten Wert gebracht werden.
Es wird dann Eudt = zu ( m3X (bm3X) = 2w (Dm3x und die Zeitdauer bis zum Zusammenbruch der Spannung wird hiemit verdoppelt.
Wird die Stärke der Vormagnetisierung geändert, so kann bei variabler Prüfspannung die Länge der Rückenhalbwertszeit konstant gehalten werden. Für die Vormagnetisierung wird jedoch zweckmässig der Gleichspannungsquelle eine passende Induktivität vorgeschaltet, sonst wirkt die Wicklung, an der die Vormagnetisierung aufgebracht wird, wie eine kurzgeschlossene Windung.
Die technische Bedeutung der Erfindung liegt in der Möglichkeit, durch Einstellung der Vormagnetisierung auch für verschiedene hohe Prüfspannungen und damit verbundene Magnetisierungszustände gleiche Wellenformen zu erreichen. Dies ist notwendig, um Oszillogramme von Eichstössen, die mit etwa 50 bis 70 O/o der Prüfspannung ausgeführt werden, mit den Oszillogrammen der vollen Prüfspannung vergleichen zu können, ein Vorgang, der allein exakte Rückschlüsse auf den Erfolg der Prüfung erlaubt.
Darüberhinaus wird mit der Anwendung der erfindungsgemässen Schaltung die Anschaffung von teuren Spezialgeräten erspart und somit eine erhöhte Wirtschaftlichkeit bei der Durchführung der verschiedenen Spannungsprüfungen erreicht, da nunmehr der Marx'sche Stossgenerator mit dem erfindungsgemässen Verfahren nicht nur für Stossspannungsprüfungen, sondern auch für Prüfungen auf Schaltüberspannungen herangezogen werden kann.
Die nähere beispielsweise Erläuterung der Erfindung erfolgt an Hand der nachstehend beschriebenen Zeichnung.
In den Fig. la und lb sind die Spannungsformen U = U(t) bei der Stossspannungs- (la) und bei der Schaltüberspannung (lb) dargestellt, mit den unterschiedlichen Werten für Stirnzeit und Rückenhalbwertszeit.
In Fig. 2a ist die an sich bekannte prinzipielle Stossspannungsprüfschaltung eines Transformators mit, allenfalls über einen Widerstand, kurzgeschlossener, zu prüfender Wicklung schematisch dargestellt, wobei der Stosskondensator mit C5, die für die Regelung der geforderten Stossspannungskurve vorhandenen Serienund Parallelwiderstände mit R5 und Rp, die Streuinduktivität des Transformators mit L5 bezeichnet sind. In Fig. 2b ist der Spannungsverlauf U = U(t) ohne (Kurve a) und mit angeschlossenem Prüftransformator (Kurve b) dargestellt.
Fig. 3a zeigt eine Prüfschaltung für Schaltüberspannung, wobei die Sekundärwicklung des Transformators offen ist. In Fig. 3b ist die Spannungskurve U = U(t) der Schaltüberspannung bei leerlaufendem Stossgenerator (ausgezogene Kurve) und diejenige mit angeschlossenem Transformator (strichlierte Kurve) dargestellt.
Bei letzterer erfolgt der Einbruch infolge Sättigung des Eisenkernes.
In Fig. 4a ist die erfindungsgemässe Prüfschaltung für die Erreichung langer Rückenhalbwertszeiten gezeigt, bei der der Transformatorkern über eine der nicht gestossenen Wicklungen mit Gleichstrom vormagnetisiert wird. Da die Gleichspannungsquelle eine vergleichsweise kleine Impedanz darstellt, ist es notwendig, ein Drossel vorzuschalten.
In Fig. 4b ist ersichtlich, wie die Rückenhalbwertszeit durch negative Vormagnetisierung (gestrichelte Kurve) auf den doppelten Wert gebracht werden kann gegenüber der Variante ohne Vormagnetisierung (voll ausgezogene Kurve).
Die punktierte Kurve zeigt den Verlauf der Spannung bei positiver Vormagnetisierung.
Fig. 4c zeigt die Definition der Begriffe positiver bzw. negativer Vormagnetisierung. Positive Vormagne- tisierung heisst, der Gleichstrom baut sein Feld in der gleichen Richtung auf, wie der Stossstrom der gestossenen Wicklung. Negative Vormagnetisierung heisst, der Gleichstrom baut sein Feld in entgegengesetzter Richtung auf, wie der Stossstrom der gestossenen Wicklung.