Energietechnisches Praktikum I Versuch 10
Energietechnisches Praktikum I Versuch 10
Energietechnisches Praktikum I Versuch 10
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INSTITUT FÜR HOCHSPANNUNGSTECHNIK<br />
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen<br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Armin Schnettler<br />
<strong>Energietechnisches</strong> <strong>Praktikum</strong> I<br />
<strong>Versuch</strong> <strong>10</strong><br />
RHEINISCH-<br />
WESTFÄLISCHE<br />
TECHNISCHE<br />
HOCHSCHULE<br />
AACHEN<br />
Wechselspannungsmessung und Durchschlagsuntersuchungen<br />
INSTITUT<br />
FÜR<br />
HOCHSPANNUNGS<br />
TECHNIK
1.1 Einleitung<br />
Wechselspannungsmessung:<br />
Zur Wechselspannungsmessung stehen im Labor eine Reihe von Methoden zur Verfügung,<br />
zum Beispiel:<br />
- Elektrostatische Spannungsmesser<br />
- Spannungsteiler<br />
- Kugelfunkenstrecken<br />
Diese Messmethoden werden in diesem <strong>Versuch</strong> genauer betrachtet.<br />
Elektrostatische Spannungsmesser beruhen auf einer Kraft- bzw. Längenmessung, da die<br />
Ausübung mechanischer Kräfte der spannungsführenden Elektroden hier für die Messung<br />
wesentlich ist. Gemessen wird dabei der Effektivwert der Spannung. Im <strong>Versuch</strong> wird<br />
dieser Wert einer unbekannten Wechselspannung mit Hilfe eines elektrostatischen<br />
Spannungsmessers ermittelt.<br />
Spannungsteiler stellen eine der zur messenden Hochspannung proportionale<br />
Niederspannung bereit, die mittels verschiedener Geräte gemessen werden kann. Im<br />
<strong>Versuch</strong> werden kapazitive Spannungsteiler mit unterschiedlichen Teilerverhältnissen<br />
betrachtet. Es erfolgt eine Messung des Scheitelwerts mit Hilfe einer Einwegschaltung<br />
nach Davis bzw. eine Spannungsmessung mit Hilfe eines angeschlossenen Oszilloskops.<br />
Die Messung mit einer Kugelfunkenstrecke beruht auf der relativ genauen<br />
Reproduzierbarkeit des Durchschlags schwach inhomogener Anordnungen in Luft. Die<br />
Durchschlagwechselspannung ist im wesentlichen abhängig vom Kugeldurchmesser, von<br />
der Schlagweite, von der Art, Dichte und Temperatur des Gases in der Funkenstrecke und<br />
von der Oberflächenbeschaffenheit der Elektroden. Im <strong>Versuch</strong> soll eine normgerechte<br />
Wechselspannungsmessung mit Hilfe einer Kugelfunkenstrecke durchgeführt werden und<br />
der Einfluss einiger der genannten Parameter genauer betrachtet werden. Dabei sollen auch<br />
Methoden der Fehlerabschätzung zum Einsatz kommen.<br />
Durchschlagsuntersuchungen:<br />
In der Hochspannungstechnik werden zur Isolation häufig Gase verwendet. ImGegensatz<br />
zu festen und flüssigen Isolatoren haben sie unter anderem folgende spezielle<br />
Eigenschaften:<br />
- Nach einem Durchschlag in einer Gasentladungsstrecke regenerieren sich Gase.<br />
Dabei kann durch die Rekombination von Ladungsträgern zu elektrisch neutralen<br />
Molekülen wieder die gleiche elektrische Festigkeit wie vor dem Durchschlag<br />
erreicht werden.<br />
- Gase sind preiswert und speziell im Fall von Luft praktisch in unbegrenzter Menge<br />
vorhanden.<br />
- Temperatur und Druck haben einen großen Einfluss auf die Isolierfähigkeit von<br />
Gasen.<br />
Im <strong>Versuch</strong> wird der Einfluss des Gasdrucks und der Gasart auf die Durchschlagsfestigkeit<br />
untersucht. Zudem wird der Einfluss einer Störelektrode genauer betrachtet.
1.2 Physikalische und technische Grundlagen<br />
Wechselspannungserzeugung:<br />
Hohe Wechselspannungen werden vorzugsweise mit Transformatoren erzeugt. In<br />
Hochspannungsnetzen werden meist Drehstromtransformatoren eingesetzt. Bei extrem<br />
hohen Übertragungsleistungen (S � 1300 MVA) werden drei Einphasentransformatoren zu<br />
einer „Drehstrombank“ zusammengestellt. Im Gegensatz zu diesen<br />
Leistungstransformatoren werden Prüftransformatoren für relativ kleine Leistungen<br />
ausgelegt (einige <strong>10</strong>0 kVA). Prüftransformatoren werden nicht durch äußere<br />
Überspannungen beansprucht. Bezüglich des Prüftrafo-Aufbaus unterscheidet man<br />
hauptsächlich Prüftransformatoren in Kesselbauweise (metallisches Gehäuse um Kern und<br />
Wicklungen, gute Oberflächenselbstkühlung, aber hoher Aufwand für die Durchführung)<br />
und Prüftransformatoren in Isoliermantelbauweise (Isolierrohr um Kern und Wicklungen).<br />
Die Kessel können auch gegen Erde isoliert aufgestellt werden.<br />
Das Betriebsverhalten des Transformators ist hauptsächlich bestimmt durch<br />
- die Belastungskapazität des Prüflings<br />
- die Eigenkapazität der Wicklung und Hochspannungselektrode<br />
- die relativ hohe Streuinduktivität der Wicklungen<br />
Daraus ergibt sich eine kapazitive Überhöhung der Sekundärspannung. Daher muss die<br />
Ausgangsspannung grundsätzlich auf der Oberspannungsseite gemessen werden.<br />
Wechselspannungsmessung mit Hilfe eines elektrostatischen Spannungsmessers<br />
Auf die spannungsführenden Elektroden eines Kondensators werden mechanische Kräfte<br />
ausgeübt. Für die Kraftwirkung des elektrischen Feldes auf zwei kreisförmige Platten<br />
ergibt sich mit:<br />
� Wel<br />
F � (1)<br />
� d<br />
�<br />
2<br />
� ��<br />
�r<br />
�U<br />
F �<br />
2<br />
2�<br />
d<br />
2<br />
�0<br />
1<br />
2<br />
2<br />
Wel � �C<br />
�U<br />
(2)<br />
� ��<br />
�r<br />
C �<br />
d<br />
Da die Kraft proportional dem Spannungsquadrat ist, wird die Skala quadratisch. Bei<br />
Wechselspannung wird der Effektivwert angezeigt. Die obere Grenze für die Frequenz der<br />
zu messenden Wechselspannung liegt je nach Konstruktion bei einigen MHz.<br />
Weil die Hochspannungsmessung hier auf die Messung von Kräften und Längen<br />
zurückzuführen ist, sind elektrostatische Spannungsmesser absolute Messgeräte.<br />
Eine mögliche Ausführung eines elektrostatischen Spannungsmessers ist die<br />
Spannungswaage (Abb.1). Bei Gleichgewicht der Waage ist die Spannung U proportional<br />
zum Abstand d im mittleren Teil der Waage, ihr Effektivwert bestimmt sich zu:<br />
2<br />
(3)<br />
(4)
U eff<br />
2�<br />
a�G<br />
� d �<br />
2<br />
� ��<br />
�r<br />
�b<br />
G<br />
Abb.1: Elektrostatische Spannungswaage<br />
Eine weitere Ausführung eines elektrostatischen Messgeräts ist die Anordnung nach<br />
Starcke-Schröder. In diesem Fall ist eine der Kondensatorplatten drehbar gelagert, so dass<br />
die Kraftwirkung zu einer Drehbewegung führt. Mit Hilfe eines Leuchtzeigers kann auf<br />
einer Skala nach erfolgter Kalibrierung der entsprechende Messwert abgelesen werden.<br />
Wechselspannungsmessung mit Hilfe von kapazitiven Teilern<br />
a<br />
Ein kapazitiver Teiler besteht aus einer Reihenschaltung eines Oberkondensators C1 und<br />
eines Unterkondensators C2. Am Teiler liegt die zu messende Hochspannung U1 an, am<br />
Unterkondensator C2 wird die Spannung U2 abgegriffen.<br />
Eine Scheitelwertmessung erfolgt beispielsweise mit Hilfe der Einwegschaltung nach<br />
Davis (Abb.2). Die Messspannung wird beispielsweise mit Hilfe eines Elektrometers<br />
gemessen.<br />
Die Messung der Amplitude geschieht durch Gleichrichten der Spannung am<br />
Unterkondensator. Damit die Messspannung Um einer abfallenden Spannung U1 folgen<br />
kann, liegt parallel zum Kondensator Cm der Entladewiderstand Rm. Weil die<br />
Messspannung Um immer etwas kleiner als U2 bleibt, entsteht ein Entladefehler, der mit<br />
abnehmender Frequenz größer wird.<br />
Dem Kondensator C2 wird ständig ein pulsierender Gleichstrom entnommen, der das<br />
Potential am Teilerabgriff verlagert. Diese Potentialverlagerung kann nur durch einen<br />
ausreichend klein dimensionierten Ableitwiderstand R2 rückgängig gemacht werden. R2<br />
wiederum verändert das Übersetzungsverhältnis. Eine Reduktion dieser Fehlerkomponente<br />
wäre beispielsweise durch die Verwendung von Operationsverstärkern oder einer<br />
Zweiwegschaltung nach Rabus möglich.<br />
b<br />
2r<br />
d<br />
U<br />
(5)
U<br />
1<br />
U<br />
2<br />
Abb.2: Einwegschaltung nach Davis.<br />
C<br />
C<br />
1<br />
2<br />
D<br />
R C R U<br />
2 m<br />
m<br />
Wechselspannungsmessung mit Hilfe von Kugelfunkenstrecken<br />
Zwei sich gegenüberliegend angeordnete Metallkugeln gleichen Durchmessers, die einen<br />
limitierten Abstand besitzen, bilden eine Kugelfunkenstrecke. Die Limitierung des<br />
Abstandes (Schlagweite) garantiert dabei eine lediglich schwach inhomogene<br />
Feldverteilung, so dass keine Vorentladungsmechanismen berücksichtigt werden müssen.<br />
Eine derartige Anordnung zeichnet sich dabei durch eine sehr geringe statistische Streuung<br />
der Durchschlagspannung unter identischen Messbedingungen aus.<br />
Es gibt eine Reihe von Anforderungen an eine Kugelfunkenstrecke, die normgerechte<br />
Messungen der Durchschlagspannung (Scheitelwertmessung) ermöglichen soll. Diese sind<br />
in den VDE-Bestimmungen 0433 Teil 2 festgelegt und betreffen unter anderem die<br />
folgenden Aspekte:<br />
a. Allgemeine Ausführung (waagerechte Anordnung, senkrechte Anordnung).<br />
b. Werkstoff der Kugeln (vorzugsweise Kupfer).<br />
c. Durchmesser und Durchmesserabweichungen der Kugeln.<br />
d. Zulässige Oberflächenunregelmäßigkeiten.<br />
e. Allgemeine Oberflächenbeschaffenheit (glatt, sauber aber nicht notwendigerweise<br />
poliert, frei von Schutzüberzügen).<br />
f. Anforderungen an die Kugelschäfte.<br />
g. Anforderungen an die Geometrie einer Kugelfunkenstreckenanordnung<br />
(Isolationsabstände etc.).<br />
h. Elektrische Anschlüsse, Vorwiderstände.<br />
i. Bestrahlungen.<br />
j. Einfluss der Luftfeuchte.<br />
m
Unter der Annahme, dass diese Bedingungen erfüllt sind, kann die<br />
Durchschlagwechselspannung in Abhängigkeit der Kugeldurchmesser und der Schlagweite<br />
in Tabellen abgelesen werden (Tab.1).<br />
D = 5,0 D = 6,25 D = 12,5 D = 15 D = 25 D = <strong>10</strong>0 D = 200<br />
a = 2,0 8,0<br />
a = 2,5 9,6<br />
a = 5 17,4 17,2 16,8 16,8<br />
a = <strong>10</strong> 32,0 31,9 31,7 31,7 31,7<br />
a = 15 45,5 45,5 45,5 45,5<br />
a = 20 59,5 59,0 59,0 59,0<br />
a = 30 79,5 85,0 85,5 86,0 86,0<br />
a = 35 97,0 98,0 99,0 99,0<br />
a = 40 <strong>10</strong>8 1<strong>10</strong> 112 112<br />
a = 50 129 133 137 138<br />
a = <strong>10</strong>0 244 266 266<br />
a = 150 390 390<br />
a = 200 5<strong>10</strong> 5<strong>10</strong><br />
Tab.1: Durchschlagwechselspannung (Scheitelwert) von Kugelfunkenstrecken<br />
(Kugeldurchmesser D [cm], Schlagweite a [mm]; Luft; Normal-<br />
bedingungen).<br />
Diese Angaben gelten jedoch nur unter Normalbedingungen (1,013·<strong>10</strong> 5 Pa, 20°C). Liegen<br />
diese nicht vor, so kann die korrekte Spannung nach folgender Korrekturformel ermittelt<br />
werden:<br />
Û � k �Û<br />
(6)<br />
mit<br />
D korr<br />
6<br />
p / <strong>10</strong> Pa<br />
k � 2890�<br />
273�<br />
T / �C<br />
D<br />
p: tatsächlicher Luftdruck in Pascal (Pa)<br />
T: tatsächliche Temperatur in Grad Celsius (°C)<br />
Dieser Korrekturfaktor ist nur anwendbar, solange für k gilt:<br />
0, 95�<br />
k � 1,<br />
05<br />
(8)<br />
Für k-Werte außerhalb dieses Bereiches kann in Tabellen ein entsprechender<br />
Korrekturfaktor nachgeschlagen werden.<br />
In der Nähe der Kugelfunkenstrecken-Anordnung installierte geerdete Objekte setzen die<br />
Durchschlagspannung herab. Die Stärke dieses Effektes ist dabei neben dem Abstand der<br />
(7)
Hochspannungselektrode zum geerdeten Objekt vor allem von der Geometrie des Objektes<br />
abhängig.<br />
Durchschlaguntersuchungen<br />
Ein Atom oder Molekül ist im Grundzustand elektrisch neutral. Ein Stromfluss durch ein<br />
Gas wäre somit unmöglich. Bei ausreichender Energiezufuhr kann jedoch ein Teil der<br />
Moleküle und Atome in ein negatives Elektron und ein positives Ion aufgespalten werden.<br />
Man bezeichnet diesen Vorgang als Ionisation.<br />
Stoff Ionisierungsenergie Wi in eV<br />
Helium He 24,6<br />
Neon Ne 21,6<br />
Argon Ar 15,8<br />
Schwefelhexaflorid SF6 15,6 – 19,3<br />
atomarer Stickstoff N 14,5<br />
atomarer Sauerstoff O 13,6<br />
Tab. 2: Ionisierungsenergie von Gasen<br />
Im wesentlichen unterscheidet man Volumenionisationsprozesse und Oberflächenemissionsprozesse:<br />
Volumenionisationsprozesse:<br />
I. Thermische Ionisation:<br />
Bei hohen Gastemperaturen besitzen die Moleküle aufgrund der Temperatur<br />
genügend kinetische Energie, um durch Stoß ein anderes Molekül zu ionisieren.<br />
Dieser Prozess wird jedoch erst für Temperaturen von mehreren tausend Kelvin<br />
relevant.<br />
II. Photoionisation<br />
Mit Photoionisation bezeichnet man die Generation von Ionen durch<br />
hochenergetische, kurzwellige, elektromagnetische Strahlung, also zum<br />
Beispiel durch ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen, �-Strahlen, kosmische<br />
Höhenstrahlung.<br />
III. Stoßionisation<br />
Zu den Stoßprozessen zählen Stöße genügend schneller geladener Teilchen<br />
gegen ein neutrales Molekül. Beispiele sind Elektronen z.B. in Form von �-<br />
oder �-Strahlen sowie Ionen in Form von Protonen-Strahlen, d.h. ionisierte<br />
Wasserstoffatome. Als Voraussetzung für die Ionisierung gilt: die Energie der<br />
stoßenden Teilchen ist größer oder gleich der Ionisierungsenergie des
etreffenden Gases, und die Dichte der Gasmoleküle ist groß genug, so dass<br />
überhaupt Stoßprozesse stattfinden können.<br />
Elektronen:<br />
Elektronen können beim Durchlaufen der Gasentladungsstrecke mehrfach<br />
Ionisation bewirken. Ist k� die Zahl der Ionisierungen längs einer<br />
zurückgelegten Strecke d, so ist der Elektronenstoß - Ionisierungskoeffizient<br />
definiert als:<br />
k� � � (9)<br />
d<br />
Die Anzahl der zu einer Anregung fähigen Elektronen ist eine Funktion der<br />
Feldstärke E und der mittleren freien Weglänge s. Bei konstanter Temperatur ist<br />
die mittlere freie Weglänge umgekehrt proportional zum Gasdruck p. Hält man<br />
das Verhältniss E/p konstant, so steigt aufgrund der höheren Packungsdichte die<br />
Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstosses proportional mit dem Druck.<br />
Daraus ergibt sich folgende Beziehung:<br />
B<br />
�<br />
E / p<br />
�<br />
� A�<br />
e<br />
p<br />
mit den stoffabhängigen Konstanten A und B.<br />
Ionen:<br />
(<strong>10</strong>)<br />
Prinzipiell treten bei Ionen die gleichen Ereignisse auf wie bei Elektronen, da<br />
auch sie im elektrischen Feld beschleunigt werden und Energie aufnehmen.<br />
Hier muß man jedoch berücksichtigen, daß die Ionenmasse sehr viel größer als<br />
die Elektronenmasse ist. Daraus ergibt sich eine kleinere Beweglichkeit. Ferner<br />
ist ihr (Wirkungs-)Querschnitt sehr groß. Daraus folgt, daß die<br />
Wahrscheinlichkeit, ein anderes Ion zu treffen, steigt. Gleichzeitig sinkt aus<br />
dem gleichen Grund die mittlere freie Weglänge. Die Möglichkeit, eine Energie<br />
in der Größenordnung der Ionisierungsenergie aufzunehmen, nimmt<br />
dementsprechend ab. Der Ionenstoß-Ionisierungskoeffizient ß ist definiert:<br />
k �<br />
� � � ����<br />
d<br />
In der Praxis hat sich herausgestellt, daß �
�<br />
Der Ionisierungskoeffizient � gibt das Verhältnis der Anzahl ke der ausgelösten<br />
Elektronen zu der Anzahl ki der auftreffenden Ionen an.<br />
k<br />
e � �<br />
(12)<br />
ki<br />
� � liegt in der Größenordnung 0,09....0,2.<br />
II. Feldemission<br />
Bei genügend starkem äußeren elektrischen Feld können die Elektronen<br />
aufgrund ihrer Welleneigenschaften die Potentialbarriere an der Grenzfläche<br />
zwischen Leiter (Elektrode) und Gasraum durchtunneln. Dieser Effekt tritt bei<br />
ideal glatten Oberflächen bei Feldstärken von etwa 1 MV/cm auf.<br />
Weitere Prozesse sind Thermoemission ( Wärmewirkung) und Photoemission (<br />
Lichtwirkung).<br />
Rekombinations- und Anlagerungsprozesse:<br />
I. Rekombination<br />
Gleichzeitig mit der Generation von Ladungsträgern findet auch Rekombination<br />
statt, das heißt, Ionen und Elektronen verbinden sich wieder zu elektrisch<br />
neutralen Teilchen. Die Wiedervereinigungsrate ist durch die Konzentration der<br />
Ladungsträger bestimmt. Je größer die Ladungsträgerdichte ist, umso größer ist<br />
die Rekombinationsrate. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein.<br />
II. Elektronenanlagerung<br />
Freie Elektronen können sich an Moleküle anlagern und negative Ionen bilden.<br />
Durch die geringere Beweglichkeit der negativen Ionen wird der<br />
Leitungsprozess behindert. Die Elektronenaffinität (Energie, die frei wird, wenn<br />
ein Elektron sich anlagert) ist ein Maß für die Neigung der Moleküle,<br />
Elektronen einzufangen.<br />
Die Gasentladungsstrecke:<br />
Als eine Gasentladungsstrecke bezeichnet man eine Anordnung nach Abbildung 3.<br />
Abb.3: Gasentladungsstrecke.<br />
U
Legt man an diese Anordnung eine Gleichspannung an, so fließt durch die<br />
Gasentladungsstrecke ein Strom I. Abb.4 gibt den qualitativen Verlauf der Strom-<br />
Spannungskennlinie wieder.<br />
J<br />
1 2<br />
4<br />
-<br />
<strong>10</strong><br />
17<br />
A<br />
cm<br />
2<br />
V<br />
0,1<br />
cm<br />
20<br />
kV<br />
cm<br />
kV<br />
27<br />
cm<br />
Abb.4: Strom-Spannungskennlinie einer Gasentladungsstrecke (schematisch).<br />
Unselbständige Gasentladung<br />
Bei kleinen Spannungen (Abb.4, Bereich 1) wird nur ein Teil der durch natürliche<br />
Ionisation erzeugten Ladungsträger abgesaugt. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen<br />
durch Ionisation erzeugten und durch Rekombination im Gasraum bzw. in den Elektroden<br />
verloren gehenden Ladungsträgern ein. Mit zunehmender Spannung steigt der Strom an.<br />
Bei höheren Spannungen (Abb.4, Bereich 2) stellt sich ein Sättigungsstrom ein. Hier<br />
werden alle durch Ionisation erzeugten Ladungsträger in die Elektroden abgeführt. Bereich<br />
1 und Bereich 2 kennzeichnen die unselbstständige Gasentladung.<br />
Eine zusätzliche Ionisierungsquelle (energiereiche elektromagnetische Strahlung, radioaktive<br />
Strahlung,...), bewirkt im wesentlichen nur eine Erhöhung der Generationsrate und<br />
damit eine Verschiebung der Strom-Spannungskennlinie (in Abb.4 gestrichelt dargestellt).<br />
Selbständige Gasentladung<br />
Zusätzliche Ionisierungsvorgänge sind Ursache für das Selbständigwerden einer Entladung<br />
(Bereich 3): Steigert man die Spannung weiter, so tritt ein deutlicher Stromanstieg ein.<br />
Ursache hierfür ist eine Zunahme der Ladungsträger und damit der verstärkte<br />
Ladungstransport in der Entladungsstrecke.<br />
Im wesentlichen werden zwei Ionisationsprozesse unterschieden.<br />
1. Die Stoßionisation<br />
a) durch Elektronen = �-Stoßprozess<br />
b) durch Ionen = �-Stoßprozess<br />
2. Die Sekundärelektronenemission = �-Theorie<br />
Ab 27 kV/cm kommt es zum Durchschlag in Luft (Bereich 4).<br />
E
Townsendmechanismus<br />
Der Stromdichteanstieg unmittelbar vor dem Durchschlag (Abb.4, Bereich 3) wurde von<br />
Townsend beschrieben. Für den Townsendmechanismus sind drei vereinfachende<br />
Voraussetzungen zu machen.<br />
1. Jeder Zusammenstoß Elektron - neutrales Gasteilchen führt zur Ionisation, wenn<br />
WElektron � Wi ist; es erfolgt keine Ionisation, wenn WElektron < Wi ist.<br />
2. Nach jedem Stoß ist die kinetische Energie des Elektrons gleich null.<br />
3. Jedes Elektron bewegt sich parallel zur Feldrichtung.<br />
Eine anschauliche Erklärung der Entstehung einer selbständigen Gasentladung kann z.B.<br />
anhand des ����� Mechanismus erfolgen. Laufen z.B. 2 Elektronen in Kathodennähe los<br />
und ionisieren je 1 Atom, dann sind nach der Ionisation 4 Elektronen und 2 Ionen<br />
vorhanden. Diese 4 Elektronen ionisieren 4 weitere Atome und man erhält insgesamt 8<br />
Elektronen und 6 Ionen. Dieses lawinenartige Anwachsen setzt sich solange fort, bis die<br />
Elektronen die Anode erreichen und dort neutralisiert werden. Die Ionen (Anzahl: p(x) =<br />
n(x)-2) treffen auf die Kathode. Lösen sie dort nur 2 Sekundärelektronen aus, so wird sich<br />
der Ablauf wiederholen. In diesem Fall wäre ��= 2/p .<br />
Lösen die Ionen jedoch mehr als 2 Sekundärelektronen aus (��> 2/p), so steigt der Strom<br />
an, da mehr Anfangselektronen zur Verfügung stehen. Lösen die auftreffenden Ionen<br />
weniger als 2 Sekundärelektronen aus (��< 2/p), so stehen weniger Elektronen als zu<br />
Beginn zur Verfügung, die Entladung kommt zum Erliegen.<br />
Die selbstständige Gasentladung lässt sich nicht allein mit der lawinenartigen Bildung von<br />
Ladungsträgern in der Gasentladungsstrecke (Volumenionisation) modellieren. Erst eine<br />
Betrachtung von mindestens zwei Ionisationsmechanismen ermöglicht die Formulierung<br />
einer Zündbedingung für die Gasentladungsstrecke. Betrachtet man weiterhin den �-�-<br />
Mechanismus, so ergeben elementare Rechnungen die Townsend’sche Zündbedingung:<br />
� �a<br />
� k k = const.; a: Schlagweite (13)<br />
Z<br />
Unter Verwendung von (<strong>10</strong>) ergibt sich damit das Paschengesetz für UD:<br />
U D<br />
p �a<br />
� B<br />
� A �<br />
ln � p �a<br />
�<br />
� k �<br />
Damit hängt die Durchschlagfeldstärke außer vom Gas (A, B, k) nur noch vom Produkt aus<br />
Druck p und Schlagweite a ab.<br />
Wichtige Eigenschaften von Isoliergasen<br />
Die Durchschlagsfestigkeit ist im wesentlichen durch vier Eigenschaften festgelegt:<br />
a. der Ionisierungsenergie<br />
b. der mittleren freien Weglänge<br />
c. der Ionenbeweglichkeit<br />
d. der Elektronegativität<br />
Hohe Ionisierungsenergien, kleine mittlere freie Weglängen, eine kleine Ionenbeweglichkeit<br />
und eine hohe Elektronegativität bewirken eine hohe Durchschlagsfestigkeit.<br />
(14)
Beispiel: Schwefelhexafluorid<br />
Schwefelhexafluorid (SF6) ist ein farbloses, geruchloses, nicht brennbares Gas. Es besteht<br />
zu 22% seines Gewichts aus Schwefel und zu 78% aus Fluor. Es ist so aufgebaut, daß das<br />
Schwefelatom im Zentrum eines regelmäßigen Oktaeders und die Fluoratome an dessen<br />
sechs Ecken sitzen. Die Dielektrizitätskonstante von SF6 ist gleich 1 und<br />
frequenzunabhängig. Es ist ein stark elektronegatives Gas. Die Theorie über den<br />
Durchschlagsmechanismus von SF6 ist noch nicht völlig geklärt, dennoch zeigen<br />
Messergebnisse, daß der Entladungsprozeß durchaus in Einklang mit den Vorstellungen<br />
des Townsend-Mechanismus zu bringen ist.<br />
1.3 <strong>Versuch</strong>sbeschreibung und Aufgabenstellung<br />
Der <strong>Versuch</strong>saufbau besteht aus einem Basismodul zur Wechselspannungserzeugung und<br />
Referenzmessung sowie einer Messschaltung, die je nach <strong>Versuch</strong>steil variiert wird.<br />
Den prinzipiellen <strong>Versuch</strong>saufbau für alle Teilversuche gibt Abb.5 wieder:<br />
R V<br />
V 1.3.1 V 1.3.2<br />
V 1.3.3<br />
V1.3.4<br />
V 1.3.3<br />
CSM<br />
Referenz-<br />
Messung<br />
ES<br />
kV<br />
Elektrostatischer<br />
Spannungsmesser<br />
C1<br />
V C2<br />
V<br />
Kap. Teiler +<br />
Einwegschaltung/<br />
Oszilloskop<br />
Kugelfunkenstrecke<br />
Kugelfunkenstrecke<br />
im Druckbehälter<br />
Abb.5: <strong>Versuch</strong>saufbau. Die Komponente auf der rechten Seite variiert je nach<br />
<strong>Versuch</strong>steil.<br />
1.3.1 Messung von Wechselspannungen mit Hilfe eines elektrostatischen<br />
Voltmeters<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung:<br />
Schließen Sie gemäß Abb.5 das statische Spannungsmessgerät an (Details zum Anschluss<br />
des Messgeräts sind im Anhang zu finden). Stellen Sie die gestellte Spannung auf einen<br />
Wert von Ueff = 20 kV ein (Referenzmessgerät) und lesen Sie den Wert für die Spannung<br />
auf dem statischen Messgerät ab. Nehmen Sie auf diese Weise 5 Werte auf. Wiederholen<br />
Sie diesen Vorgang für Ueff = 25 kV, 30 kV, 35 kV und 40 kV.
<strong>Versuch</strong>sauswertung:<br />
Bilden Sie für jede der gestellten Spannungen den Mittelwert aus den Einzelmessungen<br />
und tragen Sie diese Werte in ein Diagramm gegen die gestellte Spannung auf<br />
(Effektivwerte).<br />
Zeichnen Sie zusätzlich die Kurve in das Diagramm ein, die sich im Fall einer exakten<br />
Übereinstimmung der Messgeräte ergeben würde. Diskutieren Sie eventuell auftretende<br />
Abweichungen der Messpunkte von der Kurve.<br />
1.3.2 Messung von Wechselspannungen mit Hilfe von Spannungsteilern<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung:<br />
Es stehen vier kapazitive Teiler zur Verfügung:<br />
T1: Teilerverhältnis Oberkapazität:Unterkapazität: <strong>10</strong>0 pF : 500 nF<br />
T2: Teilerverhältnis Oberkapazität:Unterkapazität: 50 pF : 500 nF<br />
(Oberkapazität durch geeignete Kombination von <strong>10</strong>0 pF-Kapazitäten)<br />
T3: Teilerverhältnis Oberkapazität:Unterkapazität: 66 pF : 500 nF<br />
(Oberkapazität durch geeignete Kombination von <strong>10</strong>0 pF-Kapazitäten)<br />
T4: Teilerverhältnis unbekannt<br />
Zur Scheitelwertmessung wird die Einwegschaltung nach Davis (Abb.2) benutzt.<br />
Schließen Sie den Teiler T1 sowie die Einwegschaltung und das Elektrometer gemäß<br />
Abb.5 an. Lesen Sie für die gestellten Spannungen Ueff = 20kV, 30kV und 40kV die<br />
Spannungswerte ab (5 Wiederholungen).<br />
Wiederholen Sie diesen Vorgang für die Teiler T2, T3 und T4.<br />
Führen Sie anschließend diese Untersuchungen unter Verwendung des Oszilloskops<br />
anstelle der Einwegschaltung und des Elektrometers durch.<br />
<strong>Versuch</strong>sauswertung:<br />
Verwenden Sie für die Auswertung die Ergebnisse der Messungen mit dem Oszilloskop.<br />
Berechnen Sie die Mittelwerte aus den Einzelmessungen. Berechnen Sie für T1, T2 und T3<br />
unter Berücksichtigung der Teilerverhältnisse die Effektivwerte der Hochspannungen.<br />
Tragen Sie diese in einem Diagramm gegen die gestellten Spannungen auf und diskutieren<br />
Sie das Ergebnis.<br />
Geben Sie mit Hilfe dieses Diagramms und des Mittelwerts für die Spannungsmessung mit<br />
Teiler T4 eine Abschätzung des Teilerverhältnisses von T4 ab.
1.3.3 Messung von Wechselspannungen mit Hilfe einer Kugelfunkenstrecke<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung:<br />
Schließen Sie gemäß Abb.5 die Kugelfunkenstrecke an das System an (Durchmesser der<br />
Elektroden: 15 cm).<br />
Betrachten Sie nacheinander folgende Schlagweiten der Kugelfunkenstrecke: a=15mm,<br />
20mm, 30mm, 35mm und 40mm. Steigern Sie für jeden dieser Werte die gestellte<br />
Spannung bis zum Durchschlag und notieren Sie den entsprechenden Wert der<br />
Referenzspannung (5 Wiederholungen pro eingestellter Schlagweite).<br />
Lesen Sie die Raumtemperatur und den Raum-Luftdruck auf dem zur Verfügung<br />
stehenden Messgerät ab.<br />
Montieren Sie anschließend bei einer Schlagweite von a=30mm die Störelektrode an der<br />
Kugelfunkenstrecke (Abstand d=50mm und d=70mm; s. Abb.6) und messen Sie erneut die<br />
Durchschlagspannung (5 Wiederholungen).<br />
<strong>Versuch</strong>sauswertung:<br />
Bestimmen Sie die Mittelwerte der abgelesenen Werte für die Durchschlagspannung.<br />
Berechnen Sie auf der Grundlage der Datentabelle Tab.1 für jede eingestellte Schlagweite<br />
die Durchschlagspannung für die verwendete Kugelfunkenstrecke unter<br />
Normbedingungen. Führen Sie anschließend für jeden Wert eine Korrektur gemäß des<br />
gemessenen Luftdrucks und der gemessenen Temperatur durch. Berechnen Sie die<br />
Effektivwerte und tragen Sie diese Werte in einem Diagramm gegen die errechneten<br />
Mittelwerte der gestellten Spannung auf. Zeichnen sie dann „per Augenmaß“ eine<br />
Verbindungskurve der Punkte in das Diagramm ein und diskutieren Sie die Kurve bzw. die<br />
Messpunkte.<br />
Nehmen Sie folgende Werte für die Messunsicherheit der Temperatur- und<br />
Luftdruckmessung an:<br />
�T = 1°C; �p = 5 mbar<br />
Berechnen Sie für jede Schlagweite den sich daraus ergebenden maximalen Fehler der<br />
Durchschlagfeldstärke und zeichnen Sie diese als Fehlerbalken in das Diagramm ein.<br />
Diskutieren Sie die Höhe der Fehlerbalken.<br />
1.3.4 Durchschlagsuntersuchungen<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung<br />
Schließen Sie die in einem Druckbehälter installierte Kugelfunkenstrecke (Schlagweite a =<br />
2,5 mm, Kugeldurchmesser D = 50 mm) gemäß Abb.5 an.<br />
Erhöhen Sie die gestellte Spannung bis zum Durchschlag und lesen Sie den Wert der<br />
gestellten Spannung ab (5 Wiederholungen).<br />
Variieren Sie anschließend der Reihe nach folgende Parameter und bestimmen Sie für<br />
jeden Fall in 5 Wiederholungen die gestellte Spannung beim Durchschlag:
1. a Gasart: Luft Druck p = 1 bar (Raum-Luftdruck)<br />
b Gasart: Luft Druck p = 2 bar<br />
c Gasart: Luft Druck p = 3 bar<br />
2 a Gasart: Argon Druck p = 1 bar (Raum-Luftdruck)<br />
b Gasart: Argon Druck p = 2 bar<br />
c Gasart: Argon Druck p = 3 bar<br />
3 a Gasart: SF6 Druck = 1 bar (Raum-Luftdruck)<br />
b Gasart: SF6 Druck = 2 bar<br />
c Gasart: SF6 Druck = 3 bar<br />
<strong>Versuch</strong>sauswertung:<br />
Berechnen Sie die Durchschlagfeldstärke dieser Anordnung. Bestimmen Sie die<br />
Mittelwerte der abgelesenen Werte für die Durchschlagspannungen.<br />
Tragen Sie das für Luft bei p = 1 bar ermittelte Wertepaar (Effektivwert der berechneten<br />
Durchschlagspannung / Mittelwert gestellte Spannung beim Durchschlag) in das<br />
Diagramm aus <strong>Versuch</strong>teil 1.3.3 ein und diskutieren sie die Lage dieses Punktes.<br />
Erstellen Sie ein Diagramm, in denen die Mittelwerte der ermittelten Durchschlag-<br />
Spannungen für die untersuchten Gasarten gegen den Druck aufgetragen werden und<br />
diskutieren Sie ebenfalls die Ergebnisse.
1.4 Literaturquellen<br />
Bey 86 M. Beyer, W. Boeck, K. Möller, W. Zaengl;<br />
Hochspannungstechnik;<br />
Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg 1986.<br />
Hes 76 H. Hess;<br />
Der elektrische Durchschlag in Gasen;<br />
Vieweg Verlag Braunschweig 1976.<br />
Kin 95 D. Kind, K. Feser;<br />
Hochspannungsversuchstechnik;<br />
Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH; Braunschweig, Wiesbaden,<br />
1995.<br />
Kuf 84 E. Kuffel, W.S. Zaengl;<br />
High-Voltage Engineering;<br />
Pergamon Press; Oxford, New York; Toronto, Sydney, Paris, Frankfurt, 1984.<br />
VDE 61 VDE-Bestimmungen VDE 0433, Teil 2 / 8.61: Erzeugung und Messung von<br />
Hochspannungen, Teil 2 Bestimmungen für Spannungsmessungen mit einpolig<br />
geerdeten Kugelfunkenstrecken, VDE-Verlag GmbH<br />
1.5 Anhang: Bedienung des elektrostatischen Messgeräts<br />
1. Anschluss der Projektionslampe:
Anhang 17<br />
Schließen Sie das Gerät an das Netz an. Die Projektionslampe leuchtet und wirft ein<br />
Lichtdreieck auf die Messskala.<br />
2. Einstellung der Optik:<br />
Sollte das Lichtdreieck nicht oder nur teilweise sichtbar sein, bzw. sollte es<br />
unscharf oder verdreht sein, so wenden Sie sich bitte an Ihren Betreuer.<br />
3. Wahl des Messbereichs:<br />
Es sind auf der Skala drei Messbereiche angegeben: Maximalauschlag bei 20 kV,<br />
50 kV bzw. <strong>10</strong>0 kV. Im <strong>Versuch</strong> werden Spannungen im Bereich <strong>10</strong> kV – 50 kV<br />
untersucht, so dass der mittlere Messbereich gewählt werden sollte. Der<br />
dazugehörige Abstand der Elektroden wird mit Hilfe einer Schieblehre eingestellt:<br />
o Klappen Sie den Hebel an der Hochspannungselektrode hoch.<br />
o Schieben Sie die Elektrode vorsichtig (!) auf die Erdelektrode zu, bis sie<br />
sich berühren.<br />
o Drehen Sie die große Stellmutter unterhalb des Hebels bis an den<br />
Elektrodenkopf heran.<br />
o Ziehen Sie nun die Elektroden bis zu dem gewünschten Abstand<br />
auseinander (Schieblehre).<br />
o Klappen Sie den Hebel wieder herunter und arretieren Sie so die Elektrode.<br />
4. Nullstellung:<br />
Kontrollieren Sie, ob die Lichtmarke auf Null steht. Falls dies nicht der Fall ist, so<br />
wenden Sie sich bitte an Ihren Betreuer.<br />
5. Anschluss der Messspannung:<br />
Schließen Sie an die Hochspannungselektrode die Hochspannung an. Verbinden Sie<br />
die andere Elektrode mit dem Erdstecker am Fuss des Messgeräts und zusätzlich<br />
mit einer geeigneten Erde (Drahtkäfig o.ä.).