CH665486A5

CH665486A5 - Messsonde zur elektrischen detektion von teilentladungen.

Info

Publication number: CH665486A5
Application number: CH188784A
Authority: CH
Inventors: Eberhard Dr Sc Lemke; Werner Weissenberg; Karlheinz Scharnhorst
Original assignee: Oberspree Kabelwerke Veb K
Priority date: 1983-04-14
Filing date: 1984-04-13
Publication date: 1988-05-13
Also published as: DE3408256A1; DE3408256C2; DD214461A1; DD214461B1

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf eine Messsonde zur elektrischen Detektion von Teilentladungen in elektrischen Isolierungen von unter Hochspannung stehenden Betriebsmitteln der Hochspannungstechnik, vorzugsweise der elektrischen Energieübertragungstechnik.

Es sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen die durch Teilentladungs (TE) - Vorgänge verursachten elektrischen Ausgleichsvorgänge in elektrischen Betriebsmitteln, die im Nanosekunden-Zeitbereich ablaufen, mittels TE-freier Hochspannungskoppelkondensatoren ausgekoppelt und der TE-Messeinrichtung zugeführt werden.

DD - PS 139 958 und 141 868. Obwohl in der DD - PS 141 868 Massnahmen zur Reduzierung der Kapazität des Hochspannungskoppelkondensators vorgeschlagen wurden, konnte dennoch auf diesen nicht verzichtet werden. Daran ändert auch die Tatsache nichts, dass der Hochspannungskoppelkondensator nach der DD - PS 159 216 in einem Prüf-endverschluss integriert ist. Entsprechende Festlegungen für die Teilentladungsbewertung elektrischer Betriebsmittel sind auch in den internationalen Standards für die Teilentla-dungsmesstechnik enthalten.

IEC-Publikation 270 - Ausgabe 1981 Entwurf der IEC-Publikation 20 A (Secr.) 97 VDE-Vorschrift 0472-Ausgabe 1982 VDE-Vorschrift 0434-Ausgabe 1983.

Die vorgenannten Teilentladungsmessverfahren sind nur für die Qualitätskontrolle als Abnahmeprüfung anwendbar. Sie eignen sich im allgemeinen jedoch nicht für Betriebsmessungen und prophylaktische Untersuchungen an Betriebsmitteln der Energieübertragungstechnik, weil diese unter

Spannung stehen und aus Gründen der sicheren Versorgung der Abnehmer nicht ständig freigeschaltet werden können. Ausserdem sind die zur Ankopplung benötigten teilentla-dungsfreien Hochspannungskondensatoren sehr teuer und verursachen auf Grund ihrer grossen Masse spezielle Transportprobleme. Schliesslich muss für den Anschluss der Hochspannungskoppelkondensatoren der Hochspannung führende Pol des Betriebsmittels zugänglich sein, wozu geeignete teilentladungsfreie Hochspannungsdurchführungen und Endenabschlüsse notwendig sind.

Die vorgenannten Probleme haben dazu geführt, für Spezialanwendungen in SFé-Schaltanlagen Hochspannungskoppelkondensatoren in die Anlage zu integrieren. Derartige Schaltungsanordnungen sind aus der nachfolgend angegebenen Literatur bekannt.

Beyer, M. ; Kamm, W. ; Sachs, G. Messung und Ortung von Teilentladungen an Rohrgaskabeln bzw. an gekapselten Schaltanlagen. Elektrizitätswirtschaft 81 (1982) 1/2, S. 27-30.

Reeves, J.H., Locatinghigh voltage insulation faults in switchgear Electrical Review 210 (1982) 2, S. 36-37.

Boggs, S.A., Electromagnetic techniques for fault and partial discharge localisation in gas - insulated cables and substations IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems 101 (1982) 7, S. 1935-1941.

Die darin angegebenen Möglichkeiten sind nur anwendbar, wenn die Betriebsmittel bereits beim Herstel-lungsprozess mit integrierten Hochspannungskoppelkondensatoren ausgerüstet werden.

Eine nachträgliche Installation unter Betriebsbedingungen ist nicht akzeptabel und kaum realisierbar. Aus vorstehenden Darlegungen folgt, dass im praktischen Fall die Teilentladungsmessung unter Betriebsbedingungen auf speziell dafür ausgestattete Betriebsmittel beschränkt ist.

Es ist Ziel der Erfindung, die Detektion elektrischer Teilentladungsvorgänge in Betriebsmitteln der Hochspannungsisoliertechnik im Sinne einfach handhabbarer Betriebsmesstechnik zu ermöglichen, ohne dass Anlageteile freigeschaltet werden müssen und Hochspannungskoppelkondensatoren und Hochspannungsdurchführungen notwendig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messsonde und dazugehörige Schaltungsanordnung zu schaffen, durch die eine Erfassung der Teilentladungssignale von elektrischen Betriebsmitteln, die unter Hochspannung stehen und starken elektromagnetischen Störfeldern ausgesetzt sind, ermöglicht wird.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Messsonde aus einem über ein Kompensationsnetzwerk miteinander verbundenem Dreielektrodensystem besteht, bei dem an der dem Prüfling zugewandten Seite zwischen einer Messelektrode und einer gehäuseartig ausgestalteten Bezugselektrode eine Kompensationselektrode angeordnet ist und innerhalb der Bezugselektrode Differenzverstärker integriert sind, deren Anstiegszeit im Vergleich zur Dauer der Teilentladungs-Impulse sehr klein ist und im Nanosekundenbereich liegt.

Das Dreielektrodensystem ist zweckmässigerweise der Geometrie des zu untersuchenden Prüflings angepasst. Bei zylindrischen Prüflingen z.B. Hochspannungskabel, sind deshalb die Messelektrode, Bezugselektrode und Kompensationselektrode vorzugsweise koaxial angeordnet und in Form von aufklappbaren Segmenten ausgeführt. Die in der Messsonde enthaltenen Bauelemente sind schaltungstechnisch vorzugsweise wie folgt miteinander verbunden:

Die Messelektrode ist mit dem nicht invertierenden Eingang und die Kompensationselektrode mit dem invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers verbunden. Parallel zu den beiden Eingängen des ersten Differenzver2

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stärkers ist ein Kompensationsnetzwerk so geschaltet, dass eine Verbindung zur Bezugselektrode besteht. Der Ausgang des ersten Differenzverstärkers ist an den nicht invertierenden Eingang eines zweiten Differenzverstärkers angeschlossen. Ausserdem ist die Bezugselektrode über ein Impulsformernetzwerk und den invertierenden Eingang mit dem zweiten Differenzverstärker verbunden. Der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers sowie die Bezugselektrode ist an eine Bewertungseinheit angekoppelt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 : eine Messsonde mit der dazugehörigen Schaltungsanordnung

Fig. 2: den zeitlichen Ablauf der Impulsfolge der durch Teilentladungs-Vorgänge verursachten Signale der Schaltungsanordnung.

Die Erfassung der im Betriebsmittel 1 entstehenden Teil-entladungs (TE)-Signale erfolgt auf elektromagnetischem Wege durch die Messelektrode 2. Die Messelektrode 2 ist so angeordnet, dass sie in ihrer aktiven Zone mit dem Betriebsmittel 1 in engem elektromagnetischen Kontakt steht. Das wird durch einen sehr kleinen Abstand zum Betriebsmittel 1 erreicht.

Dabei ist jedoch zu beachten, dass ein galvanischer Kontakt zum Betriebsmittel nicht erfolgt. Ausserdem ist die Messelektrode 2 von der Bezugselektrode 3 und Kompensationselektrode 4 elektromagnetisch abgeschirmt. Der Abstand und die Flächenbedeckung sind so zu dimensionieren, dass die Kapazität der Messelektrode 2 gegenüber der Kompensationselektrode 4 und Bezugselektrode 3 wenige pF nicht übersteigt. Die Kompensationselektrode 4 ist so angeordnet, dass sie zur Bezugselektrode 3 eine Kapazität von über 10 pF aufweist. Die innerhalb der Bezugselektrode 3 untergebrachte elektronische Verarbeitungseinheit besteht im wesentlichen aus den Differenzverstärkern 5 ; 10, mit einer Anstiegszeit im Nanosekunden-Zeitbereich.

Da die erfassbare Signalamplitude aufgrund der «losen» Ankopplung an das Betriebsmittel 1 um Grössenordnungen gegenüber dem Original-TE-Signal geschwächt wird, kann das Messsignal nicht ohne zusätzliche Massnahmen vom Störpegel der Umgebung unterschieden werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass derTE-Signalpegel ohnehin nur im Mikrovolt-Bereich liegt. In der erfindungsgemässen Messsonde wird daher im Hinblick auf eine Störsignalreduzierung die Bezugselektrode 3 potentialfrei betrieben, wodurch sie stets das Störsignal des Ortes empfängt, wo sie angeordnet ist. Ein Teil des Störsignales wird auch in der Kompensationselektrode 4 wirksam. Das wird durch die Kapazität zwischen der Bezugselektrode 3 und der Kompensationselektrode 4 gewährleistet.

Somit gelingt es mit Hilfe des Differenzverstärkers 5, der mit dem nicht invertierenden Eingang 6 an die Messelektrode 2 und mit dem invertierenden Eingang 7 an die Kompensationselektrode 4 angeschlossen ist, das Störsignal zu

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kompensieren. Diese Kompensation ist möglich, weil das Störsignal infolge des unvermeidbaren elektromagnetischen Durchgriffs auch an der Messelektrode 2 und damit am Eingang 6 des Mess verstärkers 5 in analoger Weise erscheint wie über die Kompensationselektrode 4 am Eingang 7. Ein Abgleich auf ein optimales Verhältnis zwischen Nutzsignal und Störsignal erfolgt mittels des Kompensationsnetzwerkes 8, durch das die elektromagnetischen Kopplungen zwischen Betriebsmittel 1, Bezugselektrode 3, Kompensationselektrode 4 und Messelektrode 2 auf ein Optimum eingestellt wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 5 gelangt an den nicht invertierenden Eingang 9 des Differenzverstärkers 10, während der invertierende Eingang 11 über ein Impulsformernetzwerk 12 mit der Bezugselektrode 3 verbunden ist.

Durch das Impulsformernetzwerk 12 wird gewährleistet, dass einerseits nur unipolare Signale kurzer Anstiegszeit und Dauer, also TE-Impulse, weiterverarbeitet werden und andererseits Störsignale, die von der Bezugselektrode 3 aufgefangen wurden, zur Eliminierung der ebenfalls an der Messelektrode 2 erscheinenden Störungen beitragen.

Es ist noch zu erwähnen, dass die Messsonde auch funktioniert, wenn die Anschlüsse der Eingänge 6; 7 am Differenzverstärker 5 und in analoger Weise die Eingänge 9; 11 am Differenzverstärker 10 vertauscht werden.

Die Differenzverstärker 5 ; 10 sind so ausgestaltet, dass ihre Anstiegszeit im Nanosekundenzeitbereich liegt. Dadurch wird gesichert, dass die Bezugselektrode 3 während der kurzen Dauer der TE-Signale infolge ihrer Raumkapazität ein festes Bezugspotential beibehält, während sie bei Betrachtung längerer Zeitabstände dem «schwimmenden» Potential der Umgebung nahezu unverzögert folgt.

Somit kann für die kurze Dauer der TE-Signale das Potential der Bezugselektrode 3 als Masse-Bezugs-Potential angesehen werden, wodurch eine Verstärkung der TE-Signale mittels der Differenzverstärker 5 ; 10 überhaupt erst ermöglicht wird. Zur qualitativen und quantitativen Bewertung der TE-Signale wird die Signaldifferenz zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 10 und der Bezugselektrode 3 einer ebenfalls potentialfrei betriebenen Bewertungseinheit 13 zugeführt. An die Bewertungseinheit 13 ist zweckmässigerweise ein Oszilloskop 14 angeschlossen, das natürlich ebenfalls potentialfrei betrieben werden muss.

In Fig. 2 sind die Kurvenverläufe dargestellt, wie sie am Oszilloskop 14 sichtbar gemacht werden können, während in der Kurve A; ein vom Betriebsmittel 1 ausgekoppeltes TE-Signal gezeigt ist, verdeutlicht die Kurve B das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 5 und die Kurve C das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 10.

Der Verlauf des Ausgangssignales der Bewertungseinheit 13 ist aus der Kurve D erkennbar.

Es ist noch zu erwähnen, dass eine universelle Anwendbarkeit der potentialfreien elektromagnetischen Messsonde gewährleistet ist, wenn diese in der konstruktiven Ausgestaltung den Prüflingen bzw. Betriebsmitteln 1 weitestgehend angepasst sowie trag- und aufklappbar ausgeführt ist.

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665486 PATENTANSPRÜCHE

1. Messsonde zur elektrischen Detektion von Teilentladungen in elektrischen Isolierungen von unter Hochspannung stehenden Betriebsmitteln, gekennzeichnet dadurch, dass diese aus einem über ein Kompensationsnetzwerk (8) miteinander verbundenem Dreielektrodensystem besteht, bei dem an der dem Prüfling zugewandten Seite zwischen einer Messelektrode (2) und einer gehäuseartig ausgestalteten Bezugselektrode (3) eine Kompensationselektrode (4) angeordnet ist und innerhalb der Bezugselektrode (3), Differenzverstärker (5 ; 10) integriert sind, deren Anstiegszeit im Vergleich zur Dauer der Teilentladungs-Impulse sehr klein ist und im Nanosekundenbereich liegt.

2. Messsonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Dreielektrodensystem der Geometrie des zu untersuchenden Prüflings angepasst und bei zylindrischen Betriebsmitteln ( 1 ) vorzugsweise die Messelektrode (2), Bezugselektrode (3) und Kompensationselektrode (4) koaxial angeordnet und in Form von aufklappbaren Segmenten ausgeführt ist.

3. Messsonde nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Messelektrode (2) mit einem ersten Eingang (6) und die Kompensationselektrode (4) mit einem zweiten Eingang (7) des ersten Differenzverstärkers (5) verbunden und parallel zu den Eingängen (6; 7) ein Kompensationsnetzwerk (8) so geschaltet ist, dass eine Verbindung zur Bezugselektrode (3) besteht und der Ausgang des ersten Differenzverstärkers (5) an einen ersten Eingang (9) sowie die Bezugselektrode (3) über ein Impulsformernetzwerk (12) an einen zweiten Eingang (11) des zweiten Differenzverstärkers (10) angeschlossen und der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (10) sowie die Bezugselektrode (3) an eine Bewertungseinheit (13) angekoppelt ist.