Hochspannungsprüf- und Messtechnik

Hochspannungsprüf und -messtechniken werden in den meisten allgemeinen Hochspannungsbüchern behandelt (z. B. Kuechler, 2009; Kuffel et al., 2007; Beyer et al., 1986; Mosch et al., 1988; Schufft et al., 2007; Arora & Mosch, 2011). Es gibt Lehrbücher zu Hochspannungsprüfungen für Studenten (Marx, 1952; Kind & Feser, 1999) sowie wenige Bücher zu speziellen Themen, z. B. zur Hochspannungsmesstechnik (Schwab, 1981; Schon, 2010, 2016). Ziel dieses Buches ist es, einen umfassenden Überblick über den Stand der Technik sowohl der Hochspannungsprüfungen als auch der Messtechniken für Ingenieure in der Praxis, Absolventen und Studenten von Masterkursen zu geben. Eine gewisse Richtlinie hierfür bilden die relevanten weltweiten Standardserien des Technischen Ausschusses 42 (TC42: „High-Voltage and High-Current Test and Measuring Techniques”) der International Electrotechnical Commission (IEC), die weitgehend identisch sind mit den entsprechenden Standards des amerikanischen Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE). Diese Einführung enthält auch die Beziehung zwischen Hochspannungsprüfungen und -messtechniken sowie die Anforderungen an die Übertragungssysteme im Zusammenhang mit den steigenden Übertragungsspannungen und den Grundsätzen der Isolationskoordination. Darüber hinaus wird untersucht, wie Hochspannungsprüfungen für die Qualitätssicherung und Bewertung des Zustands von Stromversorgungseinrichtungen im Lebenszyklus durchgeführt werden.

Hochspannungs-(HV)-Prüfungen nutzen die Phänomene in elektrischen Isolierungen unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zur Definition von Prüfverfahren und Annahmekriterien. Die Phänomene – z. B. Durchbruch, Teilentladungen, Leitfähigkeit, Polarisation und dielektrische Verluste – hängen von dem Isoliermaterial, dem durch die Prüfspannungen erzeugten elektrischen Feld und der Formgebung der Elektroden sowie von Umgebungseinflüssen ab. Unter Berücksichtigung solcher Phänomene beschreibt dieses Kapitel die gemeinsamen Grundlagen der HV-Prüftechniken, unabhängig von der Art der beanspruchenden Prüfspannung. Alle Details in Bezug auf die verschiedenen Prüfspannungen werden in den entsprechenden Kap. 3–8 berücksichtigt.

HVAC-Prüfspannungen stellen die Beanspruchung von Isolierungen durch Betriebswechselspannungen (50 oder 60 Hz) und temporäre Überspannungen dar. Aus diesem Grund sind sie die wichtigsten Prüfspannungen und werden für alle Arten von Stehspannungsprüfungen, Lebensdauertests und dielektrischen oder Teilentladungs(PD)-Messungen angewendet. Nach der detaillierten Beschreibung von HVAC-Spannungserzeugung werden die Anforderungen an HVAC-Prüfspannungen und die Wechselwirkung zwischen Prüfsystem und Prüfobjekt untersucht. Messsysteme für HVAC-Prüfspannungen basieren hauptsächlich auf kapazitiven Spannungsteilern und Scheitelwertvoltmetern, aber für Messungen während HVAC-Tests mit erwartetem Spannungsabfall, mit Oberschwingungen oder schnellen Spannungsänderungen werden Digitalrecorder immer notwendiger. Das Kapitel schließt mit einem Abschnitt über Verfahren für HVAC-Durchschlag- und Stehspannungsprüfungen, Trocken-, Regen- sowie Verschmutzungsprüfungen, Langzeit- oder Lebensdauertests. Beispiele für HVAC-Prüfungen an Kabeln, gasisolierten Schaltanlagen, Leistungstransformatoren sowie Spannungs- und Stromwandlern werden gegeben.

Dieses Kapitel ist der Messung von Teilentladungen (partial discharges – PD) gewidmet, die in Schwachstellen der Isolierung von HV-Geräten und deren Komponenten entstehen. Da die meisten Hochspannungsgeräte, die zur Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie verwendet werden, mit Wechselspannung (HVAC) betrieben werden, konzentriert sich dieses Kapitel hauptsächlich auf PD-Messungen unter Wechselspannung. Es werden jedoch auch die spezifischen Probleme behandelt, die sich bei PD-Prüfungen unter Gleich- und Impuls-Spannung ergeben. Die Empfindlichkeit von PD-Messungen wird oft durch den elektromagnetischen Grundstörpegel in der Messumgebung vermindert. Daher werden im Folgenden auch die im Laufe der Zeit entwickelten Konzepte vorgestellt, mit denen elektromagnetische Störsignale unterdrückt werden können, wie auch in den relevanten Unterabschnitten von Abschn. 10.​3 und 10.​4. Um die Prinzipien, Verfahren und Instrumente, die für die Messung elektrischer PD-Größen erforderlich sind, besser zu verstehen, werden zunächst einige Grundlagen vorgestellt, wobei auch die in der IEC 60270:2000 empfohlenen PD-Größen berücksichtigt werden. Im folgenden Abschnitt werden die bestehenden PD-Modelle, die den Ladungstransfer qualitativ und quantitativ beschreiben, hinsichtlich ihrer Möglichkeiten und Grenzen kritisch überprüft. Danach werden die in der IEC 60270:2000 spezifizierten Aspekte der Impulsladungsmessung behandelt sowie die dazu erforderlichen Komponenten, einschließlich die Verfahren zur Kalibrierung von PD-Messsystemen. Die folgenden Abschnitte behandeln die Lokalisierung von PD-Fehlern, die Visualisierung von PD-Ereignissen und die Verfahren zur Reduzierung elektromagnetischer Störeinflüsse. Abschließend werden nicht-konventionelle PD-Detektionsmethoden vorgestellt, z. B. die Messung von elektromagnetischen PD-Transienten bis in den ultrahohen Frequenz-Bereich sowie die Detektion von Ultraschallwellen, die von PD-Quellen emittiert werden.

Das Altern der Isolierung von HV-Geräten wird nicht nur durch die hohe elektrische Feldstärke, sondern auch durch thermische und mechanische Spannungen verursacht, die während des normalen Betriebes auftreten. Dies kann zu chemischen Prozessen führen, die mit einer allmählichen Verschlechterung der integralen Isolierungseigenschaften verbunden sind. Schließlich können Schwachstellen und im Extremfall ein ultimativer Isolationsdurchschlag auftreten, der nicht nur einen unerwarteten Ausfall von HV-Ausrüstungen, sondern auch physische, umweltbedingte und finanzielle Schäden verursacht. Um einen zuverlässigen Betrieb von HV-Assets zu gewährleisten, wurden hohe Qualitätsstandards für Prüfungen nach der Herstellung erarbeitet sowie fortschrittliche Tools für präventive Diagnostik im Service entwickelt. Wie bereits in Kap. 4 behandelt, sind PD-Messungen seit den 1960er Jahren zur Erkennung lokaler dielektrischer Fehler unverzichtbar geworden, während die Messung integraler dielektrischer Eigenschaften, wie Kapazitäts- und Verlustfaktormessungen, bereits seit Beginn des letzten Jahrhunderts für die Bewertung des Isolationszustands von HV-Ausrüstungen zunehmende Bedeutung erlangten, als die ersten HV-Übertragungssysteme über 100 kV errichtet wurden. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die dielektrischen Eigenschaften häufig bei Prüffrequenzen bestimmt werden, die sich von der Servicefrequenz (50/60 Hz) unterscheiden. So können auch wertvolle Informationen über den Isolationszustand gewonnen werden durch Messung der dielektrischen Antwort nach dem Ein- und Ausschalten einer Gleichspannung, wie im Folgenden behandelt wird.

HVDC-Testspannungen stellen die Beanspruchung von Isolierungen in HVDC-Übertragungssystemen dar. HVDC-Übertragungssysteme sind heute lange Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zur Übertragung hoher Leistung. Diese Verbindungen werden durch HVDC-Freileitungen und HVDC-Kabel, insbesondere Unterseekabel, realisiert. In naher Zukunft wird erwartet, dass die Anwendungen der HVDC-Technologie zunehmen und auch HVDC-Netze eingerichtet werden (Shu 2010). Daher werden auch Hochspannungsprüfungen sowie PD- und Dielektrizitätsmessungen unter Gleichspannung immer wichtiger. Die Konstruktion und Prüfung der HVDC-Isolierung muss unter einem schwierigen Verständnis der wirkenden elektrischen Felder erfolgen. Der Grund sind Raum- und Oberflächenladungen, die selbst unterhalb der PD-Anfangsspannungen entstehen und stark von thermischen Effekten beeinflusst werden. Es gibt viele Veröffentlichungen zu diesen Phänomenen, z. B. (Hering et al. 2017; Ghorbani et al. 2017; Christen 2014). Dieses Kapitel beginnt mit den verschiedenen Schaltungen für die Erzeugung von HVDC-Testspannungen. Dann werden die Anforderungen an HVDC-Prüfspannungen gemäß IEC 60060-1:2010 und die Konsequenzen für die Komponenten von Prüfsystemen betrachtet. Die Wechselwirkungen zwischen Prüfgenerator und Prüfobjekt werden für kapazitive Last – z. B. von Seekabeln – und für resistive Last bei Regen-, Verschmutzungs- und Kondensator-Tests untersucht. Es folgt eine kurze Beschreibung der Prüfverfahren mit HVDC-Prüfspannungen. Schließlich wird beschrieben, wie Gleichspannungen durch geeignete Messsysteme von Widerstands-Teilern und geeignete Messinstrumente gemessen und wie Messungen – z. B. PD-Messungen – bei Gleichspannung durchgeführt werden.

Überspannungen in elektrischen Energieversorgungssystemen werden einerseits durch direkte oder indirekte Blitzschläge (LI-Überspannungen) und andererseits durch Schaltvorgänge (SI-Überspannungen) verursacht. Da solche transienten Spannungsbeanspruchungen wesentlich höher sind als die Betriebsspannungen, müssen die Isolierungen so ausgelegt sein, dass sie LI- und SI-Überspannungen standhalten, und das Stehvermögen des korrekten Designs muss durch Prüfungen mit LI-Prüfspannungen, bzw. SI-Prüfspannungen nachgewiesen werden. Dieses Kapitel befasst sich mit der Erzeugung von aperiodischen und schwingenden LI- und SI-Spannungen und den Anforderungen für ihre Anwendung in HV-Prüfverfahren. Besondere Aufmerksamkeit wird den Wechselwirkungen zwischen dem LI/SI-Generator und dem Prüfobjekt gewidmet. Die Abweichungen von der standardisierten Impulsform, z. B. durch ein Überschwingen überlagert auf den LI-Scheitelnwert, werden analysiert, und die Auswertung von aufgezeichneten Impulsen gemäß IEC 60060-1:2010 und IEEE St. 4 (Entwurf 2013) wird beschrieben. Dies wird durch die Beschreibung von Komponenten und Verfahren für die korrekte Messung von LI/SI-Prüfspannungen ergänzt. Ebenfalls enthalten sind die Messung der Prüfströme bei LI-Spannungsprüfungen und die PD-Messung bei SI-, LI- und VFT-Prüfspannungen.

In der Energieversorgung sind die Überspannungsbeanspruchungen der Isolierungen oft Kombinationen der Betriebs- mit den Überspannungen. Dies kann vernachlässigt werden, solange der Überspannungswert die Beiträge der Betriebsspannung enthält. Es kann nicht vernachlässigt werden, wenn die Isolierung zwischen den Phasen oder die von Schaltgeräten betrachtet wird. In diesem Fall ist die resultierende Spannung die Kombination von zwei Spannungsbeanspruchungen an dreipoligen Prüfobjekten. In anderen Fällen besteht die Beanspruchungsspannung aus zwei verschiedenen Spannungskomponenten, z. B. in bestimmten HVDC-Isolierungen als zusammengesetzte Spannung aus AC- und DC-Komponenten. Dieses Kapitel befasst sich mit der Definition, Erzeugung und Messung von kombinierten und zusammengesetzten Prüfspannungen auf der Grundlage der IEC 60060-1:2010 und der IEEE Std. 4. Es werden auch einige Beispiele für Tests mit kombinierten und komplexen Spannungen gegeben. Es sollte erwähnt werden, dass diese Spannungen manchmal als „hybrid“ oder „überlagert“ bezeichnet werden, auch der zusammenfassende Begriff „gemischte“ Spannungen ist in Gebrauch. Dieses Buch folgt der Terminologie der Norm IEC 60060-1 (2010).

Effiziente Hochspannungsprüfungen, Forschungsarbeiten oder die Ausbildung von Studenten erfordern gut konzipierte Hochspannungslabors. Dieses Kapitel befasst sich mit der Planung von HV-Laboratorien. Grundlage ist eine klare Analyse der Anforderungen an das Labor und die entsprechende Auswahl der HV-Prüfsysteme. Dazu gehört ein allgemeines Prinzip der Steuerungs- und Messsysteme, der internen Datenauswertung und der Kommunikationsstrukturen. Die Planung von Prüfgebäuden oder Prüfräumen hängt stark von der Zielsetzung des Labors und von den verfügbaren Mitteln ab. Es werden die allgemeinen Grundsätze für die Erdung und Abschirmung, für die Energieversorgung, den Transport und die Hilfsmittel erläutert. Ein wichtiger Bestandteil der Planung ist ein Sicherheitssystem, das sowohl die Sicherheit für die Bediener als auch zuverlässige, schnelle Prüfungen gewährleistet. Es werden einige Besonderheiten für Freiluft-Testlabors und die Aktualisierung bestehender Testfelder vorgestellt.