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01 Eine frühzeitige und regelmäßige Messung von Teilentladungen kann Anwender vor dem Ausfall elektrischer Geräte warnen

Zustandsbewertung von Hochspannungsisolationen

02a Das elektrische Feld im Normalzustand

02b Ein Hohlraum im Isolierstoff

02c Die Äquipotentiallinien weisen eine Häufung im Hohlraum

03 Durch spezielle Methoden werden Störquellen ausgeblendet. Dadurch lassen sich unterschiedlich TE-Quellen einfacher separat voneinander analysieren

Teilentladungen können die Isolation von Geräten, die mit Hochspannung arbeiten, erheblich schädigen. Um dem vorzubeugen oder Reparaturen frühzeitig zu veranlassen, ist es sinnvoll, Teilentladungen zu messen und zu bewerten. Dazu bietet beispielsweise Omicron spezielle Messsysteme an, die eine schnelle Zustandsbewertung sowohl im Offline- als auch im Onlinebetrieb ermöglichen. Die Ergebnisse vermitteln ein Bild vom aktuellen Isolationszustand und lassen Asset-Manager, Produktentwickler und Nutzer schnell Defekte erkennen, bewerten und lokalisieren.

Teilentladungen (TE) sind kleine Entladungen, die bei Hochspannung auftreten und die Eigenschaften von Isolierstoffen beeinflussen. Ein Durchschlag überbrückt die komplette Isolationsstrecke, eine Teilentladung nur einen kleinen Teil. Ist Luft der Isolator, wird diese während einer Teilentladung ionisiert und damit kurzzeitig leitfähig. Durch Luftaustausch und Rekombination kehrt die Isolationsfestigkeit der Luftstrecke danach größtenteils in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Treten Teilentladungen jedoch in festen Isolierstoffen auf, werden diese unwiederbringlich geschädigt und verlieren an dieser Stelle zumeist ihre Isolationsfähigkeit. Als Folge nehmen die Teilentladungen zu und werden gefährlicher. Zudem begünstigt betriebsbedingte Alterung von Isolierstoffen das Entstehen von TE. Prinzipiell können TE sowohl innerhalb der Isolation als auch auf deren Oberfläche auftreten.

Wo treten Teilentladungen auf?
TE können überall dort auftreten, wo mit Hochspannung gearbeitet wird. Dabei entstehen sie, wenn die lokale elek trische Feldstärke zu hoch ist. Aus diesem Grund wird bei der Entwicklung von Hochspannungsgeräten darauf geachtet, solche Feldüberhöhungen zu vermeiden. Dennoch kann es durch Fehler bei der Fertigung, Schädigungen beim Transport oder Alterung der Isolation passieren, dass sich die elektrischen Felder in der Isolation verändern. Die Bilder 2a bis 2c verdeutlichen, wie eine Feldüberhöhung zustande kommt: Bild 2a zeigt rechts und links eine Elektrode. Zwischen diesen ergibt sich im festen Isolierstoff ein homogenes Feld. Bild 2b zeigt die gleiche Anordnung, wobei hier ein Hohlraum im Isolierstoff vorhanden ist. Die Dielektrizitätskonstante (ε r ) im festen Isolator ist ε r =3; die im gasgefüllten Hohlraum ist ε r = 1. Die unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten erzeugen ein inhomogenes Feld. Das elektrische Feld im Hohlraum ist dreimal größer als im festen Isolator. Die Äquipotentiallinien in Bild 2c weisen eine Häufung im Hohlraum auf. Die Spannung im Hohlraum ist näherungsweise dreimal höher als im festen Isolator. Ist diese Feldüberhöhung zu hoch, kommt es zu Teilentladungen. Durch Verunreinigungen bei der Fertigung können Hohlräume entstehen. Auch thermische Spannungen im Isolierstoff können Hohlräume und Risse verursachen. Solche thermischen Spannungen sind im normalen Betrieb durch zyklisches Erwärmen und Abkühlen oder durch Überhitzung möglich. Immer dort, wo Isolierstoffe mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten aufeinander stoßen, zum Beispiel Kunststoff und Luft, sind Feldverdrängungseffekte möglich. Meist ist dies ungewollt und geschieht unbemerkt.

Das Gefährdungspotenzial von Teilentladungen
Teilentladungen bilden einen Plasmakanal, der Temperaturen von einigen tausend Kelvin erzeugt. Durch diese enorme Hitze werden Isolierstoffe, aber auch Metalle, in unmittelbarer Umgebung irreversibel geschädigt. Da die meisten Teilentladungen mehrfach pro Spannungsperiode auftreten, sind mehrere hundert Teilentladungen pro Sekunde keine Seltenheit. Dabei ist die Geschwindigkeit der voranschreitenden Schädigung abhängig vom Ort der Teilentladungen und den verwendeten Isolierstoffen. Dementsprechend kann keine exakte Lebensdaueranalyse der betroffenen Geräte vorgenommen werden. Bis auf sehr wenige Ausnahmen verkürzen Teilentladungen jedoch die Einsatzdauer dieser Geräte. Bleiben Teilentladungen unbemerkt, können die Ausfälle ohne Vorwarnung auftreten und hohen finanziellen Schaden anrichten. Durch Explosionsschäden oder Produktionsausfälle übersteigen die Kosten eines plötzlichen Ausfalls den Beschaffungswert des Geräts oder des Hochspannungsbetriebsmittels meist um ein Vielfaches. Durch eine frühzeitige Detektion von Teilentladungen lassen sich Reparaturen oder der Austausch der betroffenen Objekte gezielt planen und durchführen.

Messung von Teilentladungen
Teilentladungen können entweder online oder offline gemessen werden (Bild 1). Beides hat Vor- und Nachteile. In der DIN EN 60270 (VDE 0434) wird beschrieben, wie im Offlinebetrieb mit einer separaten Spannungsquelle, einem Koppel- bzw. Messkondensator und einer Messimpedanz Teilentladungen gemessen werden. Die meisten Grenzwerte für Teilentladungen von Betriebsmitteln basieren auf den Definitionen aus dieser Norm. Hierbei wird mit einer Spannung oberhalb der Betriebsspannung geprüft. Besonders Schädigungen in der Isolation zeigen bezüglich Teilentladungseinsetzspannung und -aussetzspannung ein Hystereseverhalten. Es kann also passieren, dass Teilentladungen bei kurzzeitigen Überspannungen in der Isolation einsetzen, aber erst einige kV unterhalb der normalen Betriebsspannung aussetzen. Diese Prüfungen nach DIN EN 60270 (VDE 0434) sind speziell während der Fertigung, nach der Endmontage, vor der Inbetriebnahme und als wiederkehrende Prüfung für viele Betriebsmittel empfohlen. Häufig obliegt es dem Käufer, eine solche Prüfung vertraglich zu vereinbaren bzw. dem späteren Nutzer, solche Tests durchzuführen. Werden Teilentladungen im Onlinebetrieb gemessen, müssen lediglich die Sensoren angebracht werden, die Notwendigkeit einer separaten Spannungsversorgung entfällt. Belässt man die Sensoren am Prüfobjekt, können wiederholende Prüfungen und Langzeitmessungen durchgeführt werden. Mit geeigneten Messsystemen lassen sich Trendanalysen über die Zeit erstellen, die Aufschluss über die Geschwindigkeit der fortschreitendenden Degradierung geben.

Die Messintervalle
Es wird empfohlen, neben Messungen zu Beginn der Betriebszeit eines Betriebsmittel, welches mit Hochspannung arbeitet, wiederholende Prüfungen durchzuführen. Die Häufigkeit hängt mit der Wichtigkeit und der Vorschädigung des Messobjekts zusammen. Wurden Teilentladungen bereits in hinreichend hohem Maß detektiert, sollten mehrere Messungen pro Jahr durchgeführt werden. Plötzliche Änderungen der Intensität der Teilentladungen weisen auf eine erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit des Betriebsmittels hin. Basierend auf wiederholenden Messungen oder eines durchgehenden Monitorings können Restlebensdauerabschätzung, vorgenommen werden. Betriebsmittel lassen sich dadurch besser zustandsbasiert und nicht nur laufzeitbasiert nutzen.

Beurteilung der Messergebnisse
Die wichtigsten Kriterien zur Bewertung von unterschiedlichen Teilentladungsarten sind Entladungshöhe, Häufigkeit und Anzahl der Quellen. Nimmt eine dieser Kriterien zu, steigt auch meist die Gefährdung. Wie einfach Messergebnisse auszuwerten sind, hängt stark von den Störeinflüssen, die während der Messung auftreten, ab. Wird die Messung nach Norm in einem geeigneten Messstand durchgeführt, lassen sich die Ergebnisse meist einfach interpretieren. Spezielle Hard- und Softwarelösungen, wie das TE-Messsystem MPD 600 von Omicron, erlauben synchrones Messen an mehreren Phasen, multi-frequenzselektives Messen und Gating. Mithilfe solcher Methoden können Störquellen ausgeblendet bzw. unterschiedliche TE-Quellen separat voneinander analysiert werden (Bild 3). Durch den Einsatz frei wählbarer Filtereinstellungen kann zum Beispiel das MPD 600 flexibel an die jeweiligen Umgebungsbedingungen angepasst werden. So wird eine größtmögliche Messempfindlichkeit erreicht. Dadurch sind auch in gestörter Umgebung effektive Messungen möglich. Die Anschaffung von speziell geschirmten Prüflabors ist somit nicht erforderlich. Omicron bietet TE-Messsysteme sowohl für die Diagnose als auch für dauerhaftes Monitoring. Die Systeme sind modular aufgebaut und können somit einfach erweitert werden, wenn die Anforderungen der Nutzer steigen. Dabei sind sie in alle Bereichen einsetzbar, in denen Geräte mit Hochspannung betrieben werden. Dazu gehören zum einen Energieversorger, Hochspannungsbetriebsmittel sowie Hersteller dieser Geräte. Zum anderen können sie in der Medizintechnik, im Automobilbau, in Flugzeugbau und an Universitäten eingesetzt werden. (ih)

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Autor:
Rene Hummel ist Application Engineer – Partial Discharge – bei der Omicron Energy Solutions GmbH in Berlin. rene.hummel@omicron.at