Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel Fakultät Elektrotechnik ...

Fachhochschule Braunschweig/WolfenbüttelFakultät ElektrotechnikInstitut für Elektrische Anlagen und AutomatisierungstechnikLabor für Elektrische FestigkeitLaborleiter: Prof. Dr. rer. nat. H.J. WagnerVersuchsbetreuung: Dipl.-Ing. Gerald HillerVersuch-Nr. 1: Prüfung von Hochspannungsisolatoren mithoher Wechselspannung(600 kV-Transformator)Versuchsdatum:Abgabedatum:Ausgearbeitet von:Mitarbeiter:Testat:Ziel:Untersuchung und Bestimmung der Durchschlagspannung zweier paralleler Glaskappenisolatorenkettenin Abhängigkeit von der Anzahl der Glaskappen.Aufgabenstellung:In diesem Versuch sollen Hochspannungsisolatoren mit hoher Wechselspannunggeprüft werden. Dabei soll die Abhängigkeit zwischen der Anzahl der eingesetztenGlaskappen und der Durchschlagsspannung untersucht werden, die benötigt wird,damit die Isolatoranordnung überschlägt. Die dazu erforderliche Prüfwechselspannungwird durch eine zweistufige Transformatorkaskade erzeugt.Beschreibung der Anlage:Das Schaltbild der Anlage im Bild 1 soll den Aufbau der Versuchsanlage erläutern.Bewegl. ErdenR 6T 5C 7E KC 8R 11T P 14SF 130 - 230 VAVP 3VP 2C 9 C 10A 12Bild 1: Schaltbild der Anlage in Raum 664

Labor für Elektrische Festigkeit Versuch-Nr. 1 Stand: 04.09.2009Prüfung von Hochspannungsisolatoren mit hoher Wechselspannung 2Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen erzeugt man Spannungen größer alseinige 100 kV nicht mehr mit einstufigen Transformatoren, sondern mit einerTransformatorkaskade, wie in Bild 1 gezeigt. Bei der verwendeten Anordnunghandelt es sich um eine zweistufige Kaskade (T 5 ), an dessen Ausgang man diedoppelte Spannung gegenüber der ersten Stufe abgreifen kann. Die Kaskade wirddurch einen an das 230 V-Wechselspannungsnetz angeschlossenen Stelltransformator(T 4 ) erregt, so dass die Hochspannung in ihrer Höhe stufenlos eingestelltwerden kann. In einer solchen Kaskadenschaltung muss der einzelne Transformatorentsprechend der Spannung der unteren Stufe isoliert aufgestellt werden. Ebensomuss die Erregerwicklung auf Hochspannungspotential gebracht sein. DieErregerwicklung E der oberen Stufe wird von der Kopplungswicklung K derdarunterliegenden Transformatoreinheit gespeist. Die untere Stufe muss als Dreiwicklungstransformatorausgeführt sein. Der Widerstand R 6 dient der Bedämpfungdes im Durchschlag der Kugelfunkenstrecke bzw. der Glaskappenanordnung auftretendenStromes. Mit der Kondensatoranordnung wird die Hochspannung gemessen.Dabei fällt über der Parallelschaltung der Kondensatoren C 9 und C 10 eine umden Faktor 1000 kleinere Spannung ab. Über diesen Kondensatoren ist das Peak-Voltmeter angeschlossen. Die Schutzfunkenstrecke SF 13 dient der Ableitung der imFehlerfall auftretenden Hochspannung. Die Anlage ist unterspannungsseitig miteinem Stromrelais ausgestattet, das die Anlage bei hohen Strömen, wie sie beimDurchschlag entstehen, automatisch abschaltet. Mit A 12 ist der jeweilige Prüflinggekennzeichnet, also während der Kalibrierung die Mess-Kugelfunkenstrecke undwährend der Ermittlung der Überschlagspannung die Glaskappenisolatorkette.Kalibrierung der AnlageDa die Mess-Kugelfunkenstrecke aus zwei durchmessergleichen Kupferkugelnbesteht, kann die Durchschlagsspannung U d in Luft nach dem Paschen-Gesetzberechnet werden, da das entstehende Feld nur schwach inhomogen ist, wenn dieSchlagweite s nicht größer als der halbe Kugeldurchmesser eingestellt wird. In derVDE 0433 sind die auf Normalbedingungen bezogenen Durchschlagsspannungen$U d von Kugelfunkenstrecken verschiedener Kugeldurchmesser abhängig von derSchlagweite s in Tabellenform angegeben. Die Angabe erfolgt als Scheitelwert, dabei Wechselspannung niedriger Frequenz der Durchschlag in Gasen stets imScheitel auftritt.Wegen der Bedingung, dass die Schlagweite s nicht größer als der halbeKugeldurchmesser gewählt werden sollte, stellt man zur Kalibrierung ca. fünfverschiedene Schlagweiten bis zu max. 25 cm ein. Dann erhöht man dieUnterspannung U u bis der Durchschlag erfolgt. Beim Durchschlag nimmt man dieUnterspannung U u (P 2, extern MA 4-S) auf. Um eine höhere Genauigkeit zu erzielen,werden drei Messungen durchgeführt, deren Ergebnisse gemittelt werden. Aus derVDE 0433 kann man jetzt entsprechend der eingestellten Schlagweite s denScheitelwert der Durchschlagsspannung $U d entnehmen. Da dieser Wert fürNormalbedingungen gilt, muss er auf die tatsächlichen Umgebungsbedingungenumgerechnet werden.Dazu ist die Messung des Luftdrucks p und der Temperatur T notwendig. Mit diesenWerten und den Normalwerten errechnet sich die relative Gasdichte δ nachGleichung (1):

Labor für Elektrische Festigkeit Versuch-Nr. 1 Stand: 04.09.2009Prüfung von Hochspannungsisolatoren mit hoher Wechselspannung 3T⋅ p0δ =(1)T ⋅ p0In Gleichung (1) müssen die Temperatur in Kelvin und der Druck in bar bzw. mbareingesetzt werden. Dabei setzt man für T 0 eine Temperatur von 293 K ein und für p 0einen Druck von 1013 mbar.Der korrigierte Scheitelwert der Durchschlagsspannung errechnet sich nachGleichung (2):$U k ⋅U(2),d =wobei gilt, dass im Bereich 0,95 ≤ δ ≤ 1,05 und für Schlagweiten s ≤ 1 m derKorrekturfaktor k 0 = δ ist.In allen anderen Fällen gilt für die Beziehung zwischen Korrekturfaktor k 0 undrelativer Gasdichte δ Tabelle 1:0$d0relative Gasdichte δ 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15Korrekturfaktor k 0 0,86 0,91 0,95 1,00 1,05 1,09 1,13Tabelle 1: Beziehung zwischen relativer Gasdichte δ und Korrekturfaktor k 0Zur Kontrolle der so ermittelten Spannung nimmt man zusätzlich mit dem MessgerätP 3 den Effektivwert der Durchschlagsspannung auf. Dieser Wert muss in einenSpitzenwert umgerechnet werden, um ihn mit dem der VDE 0433 entnommenenWert vergleichen zu können. Durch die parallel liegende Funkenstrecke kann derMesswert von dem der VDE 0433 entnommenen Wert u. U. stark abweichen, da dieKugelfunkenstrecke eine parallel liegende Kapazität darstellt und somit dasTeilungsverhältnis des Hochspannungskondensators zum Messkondensator beeinflusst.Daher ist es sinnvoll, um noch eine weitere Vergleichsmöglichkeit zuerhalten, die Spannung ohne Kugelfunkenstrecke zu erhöhen und zu den jeweiligenMesswerten mit dem Peak-Voltmeter die Messwerte mit dem Unterspannungsmessgerätaufzunehmen. Ist die Messung beendet, zeichnet man die Messwerte ineine Kalibrierkurve ein, so dass man eine Abhängigkeit zwischen Durchschlagsspannungund Unterspannung erhält.Ermittlung der Überschlagspannung der GlaskappenisolatorenMit zunehmender Schlagweite, insbesondere aber bei großen Schlagweiten, wie siez. B. bei Hoch- und Höchstspannungsfreileitungen vorliegen, wächst die Durchschlagsspannungnach Bild 2 nicht linear mit der Schlagweite s, so dass die mittlereDurchschlagfeldstärke E dmi = U d / s immer kleiner wird. Sie beträgt z. B. für eineStab-Ebene-Anordnung mit der Schlagweite s = 11 m nur noch E dmi = 1,8 kV / cm.Hierdurch ergibt sich z. B. bei Freileitungen eine wirtschaftliche Grenze für dieÜbertragungsspannung, die heute bei 2000 kV angenommen wird.

Labor für Elektrische Festigkeit Versuch-Nr. 1 Stand: 04.09.2009Prüfung von Hochspannungsisolatoren mit hoher Wechselspannung 4Bis zu Schlagweiten von etwa s = 2 m ist allerdings noch ein nahezu linearerZusammenhang zwischen der Durchschlagsspannung U d und der Schlagweite sgegeben.Für Stab-Stab-Elektroden im Schlagweitenbereich 30 cm ≤ s ≤ 200 cm kann beiWechselspannung und Gleichspannung näherungsweise mit der DurchschlagsspannungU$ d = 15 kV + (, 51 kV / cm)⋅s(3)gerechnet werden.Bild 2:Scheitelwert der Durchschlag-Wechselspannung$u d abhängig von der Schlagweites in Luft für Stab-Ebene (1), Stab-Stab (2) und Freileitungsisolatorenkette (3)VersuchsdurchführungEs sollen die Überschlagspannungen für eine unterschiedliche Anzahl vonGlaskappen gemessen werden, nämlich für 2, 4, 6, 8 und 10 Glaskappen. Bei derDurchführung ist darauf zu achten, dass die Erdverbindung einen ausreichendenAbstand zu der Isolatorkette einnimmt, um ungewollte Überschläge zu vermeiden.Man erhöht nun mit dem Stelltransformator die Unterspannung U u bis derDurchschlag erfolgt. Es werden wieder drei Messungen durchgeführt, um einemöglichst große Genauigkeit zu erzielen. Die drei Messwerte werden anschließendebenso gemittelt, und der Mittelwert der Unterspannung wird mit der Steigung derKalibriergeraden multipliziert, um den Spitzenwert der Durchschlagsspannung zuerhalten.Auswertung des VersuchsZunächst ist ein Raumschaltbild der Anlage anzufertigen. Außerdem sind Skizzender Prüflinge aufzunehmen. Das Wirkschaltbild kann aus diesem Umdruckübernommen werden bzw. es kann darauf verwiesen werden. Die bei derDurchführung des Versuchs beobachteten Effekte sind zu dokumentieren und zuerläutern. Ferner sind die Messwerte grafisch zu dokumentieren. Abschließend sinddie erhaltenen Ergebnisse zu diskutieren.

Labor für Elektrische Festigkeit Versuch-Nr. 1 Stand: 04.09.2009Prüfung von Hochspannungsisolatoren mit hoher Wechselspannung 5Verwendete Geräte:Nr.: Gerät Bezeichnung Technische Daten/Type1 Strommessgerät P 1 Schalttafelinstrument2 Spannungsmessgerät P 2 BBC MA 4S3 Peak-Voltmeter P 3 Haefely4 Stelltransformator T 45 Transformator T 5 Nennleistung: 30 - 60 kVANennspannung: 0,22/300 - 600 kVNennstrom: 136 - 272/0,1 ABetriebsart: ABFrequenz: 50 HzFertigungs-Nr.: 27833Form: TEO 600/60Art:LTKühlart: OSSchaltgruppe: EBaujahr: 1953Hersteller: Messwandl.-Bau GmbH6 Widerstand R 6 2 kΩ7 Kondensator C 7 + C 8(Reihenschaltung)8 Kondensator C 9 + C 10(Parallelschaltung)79,9 pF/600 kV77,06 nF9 Widerstand R 11 5,6 kΩ10 Isolatorkette A 1211 Kugelfunkenstrecke A 12 ∅ 50 cm12 Schutzfunkenstrecke SF 13Kalibrierung:Messwerts/cmUu 1 /V Uu 2 /V Uu 3 /V Uu mitt/V1 52 103 154 205 24Ud1/kVUd2/kVUd3/kVUd mitt/kVδ * Ud/kVUu ohneKFSUd in Abhängigkeit der Glaskappen:Messwert n Uu 1 /V Uu 2 /V Uu 3 /V Uu mittel /V Ud/kV1 22 33 44 55 66 77 88 10