1997 - Fachgebiet Hochspannungstechnik - Schering-Institut

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Durchschlagspannung U D 300 250 kV 200 150 - 20 - 100 50 E neg. Pol.Reinöl gweite pos. sPol.Reinöl neg. Pol.Rußöl 0 pos. Pol.Rußöl 0 10 20 30 40 50 mm 60 70 Dem Diagramm kann entnommen werden, daß sich für Reinöl und Rußöl bei einer Beanspruchung mit positiver Blitzstoßspannung geringere Festigkeitswerte ergeben als bei negativer Polarität. Dieses Verhalten ist auf die unterschiedliche Beschleunigungsrichtung der Ladungsträger zurückzuführen. Bei negativer Polarität werden Elektronen von der Nadelspitze in die jeweilige Flüssigkeit emittiert, bei positiver Polarität werden dagegen negative Ladungsträger aus dem Flüssigkeitsvolumen in Richtung Nadel bewegt. Darüber hinaus kann aus den Kurven abgeleitet werden, daß bei negativer Blitzstoßspannung die Festigkeitswerte des Rußöls im gesamten betrachteten Schlagweitenbereich ca. 20 % unter den korrespondierenden Durchschlagspannungen von Reinöl liegen. Ursächlich hierfür ist die positive Polarität der Rußpartikel, die den Ruß bei Impulsbeanspruchung als eine positive Raumladung im Öl erscheinen läßt. Bei Beanspruchung mit negativer Blitzstoßspannung bedeutet dies eine virtuelle Verschiebung der Anode in Richtung der Kathode, was mit einer Reduktion der Schlagweite vergleichbar ist. Ferner führt die Anwesenheit der positiv geladenen Rußteilchen vor der Nadelkathode zu einer zusätzlichen Feldüberhöhung an der Nadelspitze und folglich zu einer verstärkten Elektroneninjektion, so daß sich deutlich niedrigere Festigkeitswerte ergeben als bei Reinöl. Dipl.-Ing. M. Krins Schlagweite s Bild 1 Durchschlagspannungen UD von Rein- und Rußöl in Abhängigkeit von der Schlagweite s bei negativer bzw. positiver Blitzstoßspannungs-Polarität "Überschlagverhalten verschiedener Feststoffmaterialien in verrußtem Mineralöl" Die Entstehung von verrußtem Mineralöl in Anlagen der Hochspannungstechnik unter normalen Betriebsbedingungen ist in Deutschland mehr oder weniger auf Stufenschalter von Transformatoren begrenzt. Während der Schalthandlungen tritt ein Lichtbogen auf, der zu einer pyrolytischen Zersetzung des Schaltöls unter der Bildung von Rußpartikeln führt. Bedingt durch die elektrischen Feldkräfte können sich diese Rußteilchen auf den Oberflächen der eingesetzten Feststoffmaterialien, z. B. glasfaserverstärktes Epoxidharz, absetzen und das 1 2 ∅ 10 mm �� (1) Rogowski-Profil-Elektrode (2) Prüfling Schlagweite s Bild 1 Verwendete Elektrodenanordnung Überschlagverhalten entlang der Feststoff/Flüssigkeits-Grenzfläche beeinflussen. Vor diesem Hintergrund wurde in der in Bild 1 dargestellten Elektrodenanordnung im homogenen Feld zwischen zwei Rogowski-Profil- Elektroden das Überschlagverhalten von verschiedenen Feststoff/Öl-Grenzflächen bei Wechselspannungsbeanspruchung mit einer Spannungssteigerungsgeschwindigkeit von 1 kV/s näher untersucht. Im Mittelpunkt des Interesses stand dabei die Fragestellung, welchen Einfluß eine Variation der Feststoff- Permittivität sowie der Struktur der Feststoff- - 21 - Oberfläche auf die elektrische Festigkeit des Mehrstoffsystems insbesondere bei Anwesenheit von Rußpartikeln hat. Als Prüflinge kamen glasfaserverstärkte Isolierstoffstäbe aus Polyesterharz und lackiertem Epoxidharz sowie Polyethylen-Stäbe, jeweils mit einem Durchmesser von 10 mm, zum Einsatz (s. Tabelle 1). Neben Reinöl gelangte als weitere Isolierflüssigkeit ein Rußöl zur Anwendung. Die Ölfeuchte betrug bei allen Versuchsreihen 20 ppm, die Temperatur variierte zwischen 18 und 21 °C. Material εr Ra [µm] Polyesterharz 4,8 1,8 lackiertes Epoxidharz 4,5 2,2 Polyethylen 2,3 0,6 Tabelle 1 Dielektrizitätszahl εr und arithmetischer Mittenrauhwert Ra der untersuchten Materialien In Bild 2A sind die unter Reinöl ermittelten Überschlagspannungen der drei untersuchten Materialien in Abhängigkeit von der Schlagweite dargestellt. Darüber hinaus wurden zu Vergleichszwecken zusätzlich die korrespondierenden Durchschlagspannungen der reinen Ölstrecke ohne Prüfling in das Diagramm mit aufgenommen. Der Darstellung läßt sich entnehmen, daß mit dem Einbringen eines Polyester- bzw. eines lackierten Epoxidharz-Prüflings in die Ölstrecke eine signifikante Festigkeitseinbuße im Vergleich zur freien Ölstrecke verbunden ist, die mit zunehmender Schlagweite ausgeprägter Durch-/Überschlagspannung U D/Ü Durch-/Überschlagspannung U D/Ü 200 160 kV 120 A 80 40 freie Ölstrecke Polyethylen lack. Epoxidharz 0 Polyesterharz 0 10 20 30 40 50 mm 60 70 200 160 kV 120 B Schlagweite s 80 40 freie Ölstrecke Polyethylen lack. Epoxidharz 0 Polyesterharz 0 10 20 30 40 50 mm 60 70 Schlagweite s Bild 2 Durch- bzw. Überschlagspannungen UD/Ü in Abhängigkeit von der Schlagweite s (A) Reinöl (B) Rußöl wird. Dabei ergibt sich im Falle der Polyesterharz-Stäbe die stärkste Reduktion der Festigkeit, die bezogen auf die Durchschlagspannung der reinen Ölstrecke mit 25 bis 30 % angegeben werden kann. Eine Ursache für dieses Verhalten ist in dem Permittivitäts-Unterschied zwischen dem Polyesterharz mit einer Dielektrizitätszahl von 4,8 und der Isolierflüssigkeit mit einer Dielektrizitätszahl von 2,2 in Kombination mit Oberflächenrauhigkeiten zu sehen. In diesem Zusammenhang durchgeführte Untersuchungen des Oberflächenfeinprofils haben gezeigt, daß an der Oberfläche der beiden faserverstärkten Materialien lokal Stellen mit sehr großer Oberflächenrauhigkeit auftreten und folglich die beanspruchte Feststoff/Öl-Grenzfläche nicht als eine ideale Parallelschaltung, sondern vielmehr als eine teilweise Reihenschaltung von glasfaserverstärktem Material und flüssigem Dielektrikum zu betrachten ist. Bedingt durch die geringere Dielektrizitätszahl des Öls führt dies zu Feldüberhöhungen im Ölvolumen in der Nähe der Grenzfläche und somit zu der im Vergleich zur freien Ölstrecke niedrigeren Festigkeit des Mehrstoffsystems. Die Richtigkeit dieser Theorie wird durch die Tatsache gestärkt, daß bei Ver-
- 22 - wendung der lackierten glasfaserverstärkten Epoxidharz-Prüflinge mit einer Dielektrizitätszahl von 4,5 im gesamten untersuchten Schlagweitenbereich eine signifikante Erhöhung der Überschlagfestigkeit um 15 bis 25 % im Vergleich zu den Polyesterharz-Stäben zu verzeichnen ist. Eine weitere Angleichung der Permittivitäten zwischen Öl (2,2) und Feststoff-Dielektrikum unter Verwendung der Polyethylen-Stäbe mit einer Dielektrizitätszahl von 2,3 resultiert dann sogar in einer elektrischen Festigkeit, die annähernd der Durchschlagspannung der freien Ölstrecke entspricht. In diesem Zusammenhang ist hinsichtlich des Überschlagverhaltens von Materialien, deren arithmetischer Mittenrauhwert Ra vornehmlich durch das Auftreten von lokal begrenzten Orten an der Oberfläche mit sehr hoher Rauhigkeit bestimmt ist, dem Permittivitäts-Unterschied zwischen festem und flüssigem Dielektrikum offensichtlich ein größerer Einfluß zuzuschreiben als dem arithmetischen Mittenrauhwert. Dies wird deutlich am Beispiel der beiden glasfaserverstärkten Materialien. Trotz eines geringeren arithmetischen Mittenrauhwertes der Polyesterharz-Stäbe von Ra = 1,8 µm weisen sie deutlich niedrigere Überschlagwerte auf als die lackierten Epoxidharz-Prüflinge mit Ra = 2,2 µm. Betrachtet man die unter Rußöl ermittelten Resultate, welche in Bild 2B aufgetragen sind, so ergeben sich hinsichtlich des Überschlagverhaltens analoge Tendenzen wie unter Reinöl. Daraus kann abgeleitet werden, daß bezüglich des Einflusses unterschiedlicher Permittivitäten von festem und flüssigem Dielektrikum sowie der Oberflächenrauhigkeit der Isolierstoffstäbe auf die Überschlagfestigkeit bei Verwendung von Rußöl offensichtlich die gleichen physikalischen Mechanismen wirksam sind wie in technisch reinem Mineralöl. Dabei ist jedoch zusätzlich zu berücksichtigen, daß bei Applikation der faserverstärkten Materialien mit ihrer sehr unregelmäßigen rauhen Oberflächenstruktur unter Rußöl eine Anlagerung von einzelnen Rußpartikeln an Stellen lokaler Feldüberhöhungen auf den Oberflächen der Stäbe auftritt, deren Ursache auf der Oberflächenrauhigkeit sowie dem Permittivitäts-Unterschied beruht. Die Folge ist eine Reduktion der tangential zur Grenzfläche verlaufenden elektrischen Feldkomponente und die Möglichkeit einer damit einhergehenden leichten Festigkeitszunahme gegenüber Reinöl. Im Gegensatz dazu findet bei Polyethylen, das annähernd die gleiche Dielektrizitätszahl wie die Isolierflüssigkeit sowie ein sehr glattes und regelmäßiges Oberflächenprofil besitzt, keine Anlagerung von Rußteilchen auf den Prüflingen statt, so daß hier den Rußpartikeln im Öl nur mehr oder weniger ein Störstellencharakter zuzusprechen ist, der für eine leichte Reduzierung der Überschlagfestigkeit im Vergleich zu Reinöl sorgt. Die vornehmliche Ausbreitung einer Entladung entlang einer Feststoff/Öl-Grenzfläche kann zur Ausbildung von Entladungsspuren auf der Oberfläche der Feststoffisolation führen, welche die dann noch verbleibende Restfestigkeit der Gesamtanordnung, je nach verwendetem Feststoffmaterial, nachhaltig beeinflussen können. Dabei haben die experimentellen Untersuchungen gezeigt, daß bei einer Beanspruchung im homogenen Feld unter Rein- und Rußöl die faserverstärkten Materialien sehr viel häufiger vom Auftreten einer Oberflächenerosion während der Überschlagentwicklung betroffen sind als beispielsweise Polyethylen. Eine Ursache für die vergleichsweise hohe Spurbildungsrate bei den glasfaserverstärkten Materialien ist in der Tatsache zu sehen, daß aufgrund lokal auftretender Stellen mit hoher Oberflächenrauhigkeit in Kombination mit dem Permittivitäts-Unterschied sowie den dadurch bedingten Feldüberhöhungen die Entladung in Richtung der Feststoffoberfläche geleitet und ihr zumindest teilweises Vorwachsen auf der Oberfläche erleichtert wird. Hingegen erwies sich für Polyethylen mit seiner glatten Oberflächenstruktur sowie seinem geringen Permittivitäts-Unterschied zur Isolierflüssigkeit das Auftreten eines Oberflächen-„trackings“ als eher selten. In Bild 3 sind die sich nach dem Auftreten einer Entladungsspur auf der Feststoffoberfläche ergebenden Restfestigkeiten exemplarisch für ein glasfaserverstärktes Material sowie für Polyethylen jeweils für Beanspruchungen unter Rein- bzw. Rußöl festgehalten. Die Schlagweite wurde als Parameter in die Diagramme aufgenommen. Rußöl Reinöl Überschlagspannung vor/nach Spurbildung Überschlagspannung vor/nach Spurbildung 180 150 V 120 90 60 30 0 180 150 V 120 90 60 30 Polyesterharz - 23 - 5 mm 10 mm 20 mm 30 mm 40 mm für s = 5 mm keine Spurbildung Polyethylen 0 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 N nach Spurbildung N nach Spurbildung Bild 3 Überschlagspannungen von Polyesterharz- und Polyethylen-Prüflingen vor und nach einem Oberflächen-„tracking“ in Abhängigkeit von der Überschlaganzahl N nach Entstehung der ersten Entladungsspur Aus der Darstellung läßt sich die Erkenntnis ableiten, daß bei faserigen Materialien sowohl unter Rein- als auch unter Rußöl die Restfestigkeit nach einem „tracking“ signifikant reduziert ist. Dies kann auf ein Ablösen bzw. partielles Absplittern einzelner Glasfasern von der Oberfläche während des Überschlages zurückgeführt werden, an denen dann bei einer erneuten Beanspruchung aufgrund der zusätzlich durch sie hervorgerufenen Feldüberhöhungen der Überschlag bei deutlich niedrigeren Werten eingeleitet wird. Im Gegensatz dazu hat bei Polyethylen, bedingt durch seine anders geartete Oberfläche, die Ausbildung einer Überschlagspur auf der Feststoffoberfläche praktisch keinen Einfluß auf die Festigkeit bei einer nachfolgenden Beanpruchung. Dipl.-Ing. D. Wenzel "Auswertung von Teilentladungsmessungen an Transformatoren mit Clusteralgorithmen" Zur Erkennung von Defekten an Hochspannungsgeräten werden vor der Auslieferung an den Betreiber zahlreiche Prüfungen mit Teilentladungs(TE)-Messungen durchgeführt. Da viele Defekte aber erst durch Alterung der Isolierung im Betrieb entstehen, sind diese bei den abschließenden Untersuchungen in der Fabrik nicht feststellbar. Aus diesem Grund ist eine Erfassung der TE-Aktivität vor Ort sinnvoll. Konventionelle TE-Messungen basieren auf schmalbandigen Meßtechniken und lassen daher keine Diskriminierung von TE- und Störimpulsen zu, so daß bei Vor-Ort-Messungen eine breitbandige Signalauskopplung erforderlich ist. In den letzten Jahren wurden am Schering-Institut zahlreiche Algorithmen untersucht und entwickelt, die eine Trennung von breitbandig aufgezeichneten TE- und Störimpulsen ermöglichen. Viele dieser Algorithmen leisten zudem auch einen Beitrag zur Fehlstellenlokalisierung. Da aber die meisten dieser Verfahren Referenzmuster benötigen, die insbesondere für Transformatoren im Netzbetrieb nur schwer zu erhalten sind, wurde untersucht, ob sich auch Algorithmen für eine Störunterdrückung eignen, die kein Vorwissen über die zu erwartenden Impulsklassen erfordern. Eine wesentliche Gruppe dieser Verfahren stellen Clusteralgorithmen dar.
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