Technologie der Messwandler: Strom- und Spannungsmessung und Isolationssysteme

261 Pages·2020·18.496 MB·German

by  Ruthard Minkner, Joachim Schmid

Ruthard Minkner · Joachim Schmid
Technologie der
Messwandler
Strom- und Spannungsmessung und
Isolationssysteme
Technologie der Messwandler
Ruthard Minkner · Joachim Schmid
Technologie der
Messwandler
Strom- und Spannungsmessung und
Isolationssysteme
Ruthard Minkner Joachim Schmid
Pfeffingen, Schweiz Müllheim, Deutschland
ISBN 978-3-658-30206-1 ISBN 978-3-658-30207-8 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-30207-8
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Planung/Lektorat: Reinhard Dapper
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Vorwort
Während der Arbeit an der Monografie „Ferroresonance Oscillations in Substations with
inductive voltage transformers, in medium and high voltage systems“ sind wir auf die
verschiedenen Konstruktionsprinzipien von Messwandler gestoßen, die in der Literatur
nicht beschrieben sind. In der deutschen technischen Literatur betreffend Messwandler
ist das Buch von R. Bauer [1], erschienen 1953, zu nennen und eine Sammlung von
Aufsätzen, herausgegeben von I. Grambow [2] im Jahr 2003. Außerdem sind einzelne
Aspekte der Messwandler in Aufsätzen in technischen Zeitschriften behandelt.
Weiter fehlt in der heutigen Literatur der Einsatz von elektrischen Feldern [3] in der
Dimensionierung der Messwandler. Der Einsatz dieses Werkzeugs wurde erst mög-
lich durch verfügbare Hochleistungsrechner. In dem vorliegenden Lehrbuch spielen
elektrische Felder eine wesentliche Rolle und ermöglichen Konstruktionen von Mess-
wandlern, die noch vor 10 Jahren nicht möglich waren.
Die beiden Autoren Dr.-Ing. Ruthard Minkner und Dr.-Ing- Joachim Schmid sind auf
dem Sektor Hochspannungsmesstechnik tätig.
Dr.-Ing. Ruthard Minkner war Direktor der Firma Emil Haefely AG in Basel. Er hat
industrielle Erfahrung in Hochspannungssystemen und in Stabilitätsproblemen nicht-
linearer Systeme. Er lehrte an der Berner Fachhochschule in Burgdorf Hochspannungs-
technik und Regelungstechnik und war Gastprofessor an der State University of
Washington (USA) in Pullman. Er leitete verschiedene IEC Arbeitsgruppen und bekam
3-mal den „IEC 1906 Award“ überreicht.
Dr.-Ing. Joachim Schmid war Entwicklungsleiter für Messwandler bei der Firma
Trench Switzerland AG in Basel. Er ist Vorsitzender des Schweizerischen Elektro-
technischen Komitees CES TK 38 und leitet verschiedene IEC Arbeitsgruppen. Auch er
bekam für sein Engagement in der Erstellung der Normen den „IEC 1906 Award“ über-
reicht. Er betreute mehrere Diplomarbeiten an der Berner Fachhochschule in Burgdorf
auf dem Gebiet Kleinsignalwandler.
In den Abschnitten über neue Messtechnologien wird auch der optische Stromwandler
und der RC-Teiler zur Spannungsmessung behandelt. Bei der Spannungsmessung scheint
sich der kompensierte R-Teiler und der RC-Teiler als modernes Messmittel durchzusetzen.
V
VI Vorwort
Viele offene Fragen wurden mithilfe von Diplomarbeiten von Studenten der Berner
Fachhochschule in Burgdorf geklärt. Die Herren J. Schmid, R. Minkner und V. Karius
waren Ansprechpartner der Diplomanden. Ein Exemplar der Diplomarbeiten befindet
sich an der Berner Fachhochschule. Die entnommenen Ergebnisse sind das geistige
Eigentum der Diplomanden und betreuenden Experten.
Die Autoren danken der Berner Fachhochschule in Burgdorf für die Möglichkeit im
Rahmen von Semester- und Diplomarbeiten technisch ungeklärte Phänomene zu lösen.
Ruthard Minkner führte während der Vorlesung über Hochspannungsmesstechnik
an der State University of Washington in Pullman viele Gespräche über existierende
Schwierigkeiten in der Hochspannungsmesstechnik. An dieser Stelle wird PhD
Edmund Schweizer, Präsident der Relays Company SEL für sein Interesse an der Hoch-
spannungsmesstechnik gedankt.
Dem Springer Verlag wird gedankt für die Bereitschaft dieses Lehrbuch zu
publizieren.
2020 Ruthard Minkner
Joachim Schmid
Einführung
Die Autoren sind bemüht durch den Einsatz von praktischen Beispielen und detailierten
Abbildungen den Inhalt so verständlich wie möglich dem Leser zu öffnen.
In der Tab. 1 ist der Inhalt des Buches dargestellt.
In dem vorliegenden Lehrbuch werden Konstruktionen und Berechnungen aufgezeichnet,
die von den Verfassern in Vorschriften, Schulungen und Vorträgen gebracht wurden.
Ein besonderes Kapitel wurde der Technologie der Widerstände gewidmet, welche
in kompensierten R-Teilern und RC-Teilern eingesetzt werden. Der Einsatz der Wider-
stände, kombiniert mit Kondensatoren in Spannungswandlern, ist erst am Anfang.
Die Überprüfung der Messwandler im Betrieb beschränkt sich heute auf Teilent-
ladungsmessung, Gas in Öl Analysen, Undichtigkeiten etc. Diese Punkte werden im
Kapitel Qualitätskontrolle behandelt.
Tab. 1 Übersicht über die behandelten Themen
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Isolation für Hochspannungsgeräte ................................. 1
1.1 Einführung und Normen ....................................... 1
1.2 Isolieröle für Messwandler ..................................... 3
1.2.1 Eigenschaften verschiedener Isolieröle ..................... 3
1.2.2 Viskosität und Stockpunkt von Isolierölen .................. 3
1.2.3 Teilentladung (TE) – Einsatzspannung/-Feldstärke als
Funktion des Druckes für gasgesättigte und entgaste Öle ....... 5
1.2.4 Vorgehen bei der Beurteilung und Auswahl von geeigneten
Isolierölen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Öl-Papier Isolation ............................................ 7
1.3.1 Die eingesetzten elektrischen Isolierpapiere ................. 8
1.3.2 Anwendung der in Tab. 1.2 aufgeführten Isolierpapiere ........ 9
1.3.3 Einflussparameter der Öl-Papiertechnologie ................. 10
1.3.4 Messung der Teilentladungseinsatz- und der
Durchschlagsspannung an Isoliermodellen für Messwandler .... 10
1.3.5 Öl-Papierisolationssysteme .............................. 11
1.3.6 Lebensdauer der Öl-Papierisolation ........................ 17
1.4 Gießharzisolation ............................................. 18
1.4.1 Isolation mit Polyurethan ................................ 18
1.4.2 Isolation mit Epoxidharz ................................ 20
1.4.3 Dimensionierung der Gießharzisolation .................... 21
1.5 SF Isolation ................................................. 23
6
1.5.1 Allgemeines zu SF als Isoliergas ......................... 23
6
1.5.2 Einfluss der Elektrodenrauigkeit auf die
Isolationseigenschaften von SF .......................... 24
6
1.5.3 Umwelteigenschafen von SF ............................ 26
6
1.6 Trends in der Isolationstechnik .................................. 26
1.6.1 Einführung ........................................... 26
1.6.2 Isoliermaterial Silikon-Gel mit Micro-Hohlkugeln ............ 27
1.6.3 Trockene Isolation für Messwandler ....................... 27
IX
X Inhaltsverzeichnis
1.7 Porzellanisolatoren ............................................ 29
1.7.1 Material der Porzellanisolatoren .......................... 29
1.7.2 Kleben von Porzellanisolatoren ........................... 30
1.7.3 Einzementierung von Porzellanisolatoren in Flansche ......... 33
1.7.4 Mechanische Festigkeit von Porzellanisolatoren .............. 37
1.8 Verbundisolatoren ............................................ 38
1.8.1 Aufbau der Verbundisolatoren ............................ 38
1.8.2 Normen und Prüfungen ................................. 41
2 Durchführungen ................................................. 43
2.1 Einführung .................................................. 43
2.2 Öl-Papier (OIP) Durchführungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.1 Feingesteuerte und grobgesteuerte Durchführungen in
Messwandler ......................................... 44
2.2.2 Die Feldstärkefestlegung zwischen den Steuerbelägen
von feingesteuerten Kondensatordurchführungen ............. 46
2.2.3 Der Anschlussbereich ................................... 52
2.2.4 Herstellung von Durchführungen .......................... 53
2.3 SF Durchführungen .......................................... 57
6
2.3.1 Feldsteuerungen mit Elektroden .......................... 57
2.3.2 Kapazitive Feinsteuerung bei SF Durchführungen ............ 58
6
3 Strommessung ................................................... 61
3.1 Einführung und Normung ...................................... 61
3.2 Konventionelle Stromwandler mit Eisenkern ....................... 63
3.2.1 Das induktive Prinzip des konventionellen Stromwandlers ...... 63
3.2.2 Fehler des induktiven Stromwandlers und deren
Einflussfaktoren ....................................... 64
3.2.3 Sättigung des Stromwandlerkernes ........................ 72
3.2.4 Einfluss des Streuflusses im Stromwandlerkern .............. 74
3.2.5 Verhalten bei offenen Sekundärklemmen ................... 78
3.2.6 Transiente Eigenschaften des konventionellen
Stromwandlers ........................................ 79
3.2.7 Ausführungsformen konventioneller Stromwandler ........... 83
3.2.8 Dielektrische Beanspruchung und Isolation des
Stromwandlers ........................................ 90
3.2.9 Erwärmung des Stromwandlers ........................... 105
3.2.10 Mechanische Beanspruchung ............................. 113
3.3 Kleinsignalstromwandler (Eisenkern mit integriertem Messshunt) ....... 116
3.3.1 Einführung ........................................... 116
3.3.2 Das Prinzip des Kleinsignalwandlers mit integriertem
Messshunt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Inhaltsverzeichnis XI
3.3.3 Bestimmung des Shunt-Widerstandes R ................... 119
Sh
3.3.4 Die Theorie des Kleinsignalstromwandlers mit
integriertem Messshunt ................................. 119
3.3.5 Praktische Ausführungen des Kleinsignalstromwandlers ....... 125
3.4 Luftspule/Rogowskispule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.4.1 Die Theorie der Luftspule ............................... 127
3.4.2 Die Spannung U an der Bürde Z der Luftspule .............. 130
S b
3.4.3 Das Zeigerdiagramm der Luftspule ........................ 131
3.5 Optische Stromwandler (Faraday Effekt) .......................... 132
3.5.1 Das Prinzip der optischen Strommessung – der
Faraday-Effekt ........................................ 132
3.5.2 Polarimetrischer Stromsensor ............................ 134
3.5.3 Interferometrischer Stromsensor (Sagnac-Sensor) ............ 135
3.5.4 Eigenschaften des optischen Stromsensors .................. 136
3.5.5 Aufbau optischer Stromwandler .......................... 137
3.5.6 Anwendung optischer Stromwandler ....................... 138
4 Spannungsmessung ............................................... 141
4.1 Einführung und Normung ...................................... 141
4.2 Induktive Spannungswandler .................................... 142
4.2.1 Prinzip des induktiven Spannungswandlers .................. 142
4.2.2 Fehler des induktiven Spannungswandlers und deren
Einflussfaktoren ....................................... 143
4.2.3 Verhalten bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung ........... 150
4.2.4 Dielektrische Beanspruchung der Primärspule ............... 150
4.2.5 Einstufiger Spannungswandler ............................ 152
4.2.6 Kaskadenwandler ...................................... 153
4.2.7 Ferroresonanzen bei induktiven Spannungswandlern .......... 156
4.3 Kapazitive Spannungswandler ................................... 156
4.3.1 Die Theorie des kapazitiven Spannungswandlers ............. 156
4.3.2 Der kapazitive Spannungswandler im Betrieb ................ 161
4.3.3 Ferroresonanzschwingungen am kapazitiven
Spannungswandler ..................................... 162
4.3.4 Das System zur Trägerfrequenzübertragung auf
Hochspannungsleitungen (TFH) .......................... 165
4.3.5 Die Hauptelemente des kapazitiven Spannungswandlers ....... 165
4.4 Widerstandstechnologie ........................................ 172
4.4.1 Einführung in das Gebiet Messung von Spannungen mit
Widerstandsteilern ..................................... 172
4.4.2 Die Technologie der Widerstände ......................... 173
4.4.3 Der Dickschichtwiderstand .............................. 175