Hochspannungslabor

In diesem Laborversuch soll im ersten Teil mittels einer Einweggleichrichterschaltung eine Gleichspannung aus einer ursprünglichen Wechselspannung erzeugt werden. Im weiteren Verlauf wird eine Vervielfachung der Spannung mittels einer Kaskadenschaltung nach Greinacher realisiert und untersucht. Im dritten Teil des Laborversuchs werden dann Durchschlagsspannungsmessungen an einer Spitze-Platte-Funkenstrecke durchgeführt und der Einfluss der Elektrodenpolarität anhand des Durchschlagsverhaltens untersucht.

Die Studierenden erlernen die Vorgänge bei der Messung von Teilentladungen (TE) und können kritische Zustände in Hochspannungsisolierungen beurteilen. Sie erhalten Kenntnisse über Anforderungen bei der Zustandsüberwachung von Transformatoren, Kabeln und Hochspannungsbauteilen. Weiterhin können sie verschiedene Arten von Teilentladungen unterscheiden und die gängigen Methoden zur Erkennung und Analyse anwenden. Zudem erwerben sie Wissen über die Kalibrierung und sichere Handhabung von Hochspannungsmessgeräten.

• Grundlagen der Teilentladung: Die verschiedenen Arten von Teilentladungen kennenlernen – Oberflächen-, Korona- und interne Entladungen.
• IEC 60270-Normen: Die internationalen Standards zur Messung von Teilentladungen verstehen.
• Erkennungsmethoden: Konventionelle und moderne Verfahren entdecken, einschließlich der Ultra-Hochfrequenz (UHF)-Technik.
• Labortechniken: Das Einrichten und Kalibrieren der Geräte zur genauen Erfassung von Teilentladungen üben.

Aufgrund der geringen Nutzung von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen existieren bisher nur wenige Erfahrungswerte über deren Zustandsverlauf im Laufe des Betriebs. Die Lebensdauer hängt dabei besonders von dem eingesetzten Isoliersystem ab. Bei den heute verwendeten polymeren Isolierstoffen kann es unter bestimmten Bedingungen zur Ausbildung von Raumladungen kommen, welche einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften des Dielektrikums und somit auf den Zustand des gesamten Isoliersystems haben.

Zur Messung der im Isolierstoffvolumen auftretenden Raumladungsverteilungen lernen die Studierenden in diesem Laborversuch das Pulsed Electroacoustic Verfahren (PEA) kennen. Der Laborversuch gliedert sich dabei in die folgenden Aufgabenteile und Lernziele.

• Verständnis über die Entstehung und Bildung von Raumladungen in polymeren Isolierstoffen
• Verständnis des genutzten Messprinzips und dessen physikalischen Grundlagen sowie der notwendigen Signalverarbeitung
• Durchführung von Messungen in Abhängigkeit verschiedener Parameter (Material, Spannung, Zeit etc.) mit dem am Institut aufgebauten Messsystem
• Auswertung und Diskussion der Messergebnisse

Ziel ist es das Isoliersystem eines Elektromotors genauer zu untersuchen. Hierzu wird ein als Wicklung im E-Motor verwendeter Lackdraht, insbesondere in Bezug auf das Teilentladungsverhalten, aber auch die Durchschlagspannung, untersucht.

Für einen effektiven und verlustarmen Energietransport über weite Entfernungen wird die Spannung heutzutage mittels (Leistungs-) Transformatoren auf einen Wert von bis zu 750 kV transformiert. Je nach Spannungsebene ist die Anschaffung dieser Transformatoren mit sehr hohen Kosten verbunden, sodass ein langjähriger Betrieb (40 – 50 Jahre) angestrebt wird. Die Lebensdauer und der Zustand der Transformatoren hängen dabei besonders von dem eingesetzten Isoliersystem ab, welches aus einer Kombination aus einem flüssigen Isoliermedium (meist auf Mineralölbasis) sowie einem festen Isoliermedium aus Cellulose besteht.

Somit lässt sich über den Zustand der Cellulose des Isolierpapiers reziprok der Zustand des Transformators untersuchen. Dabei wird der Polymerisationsgrad (DP-Wert) betrachtet, welcher einen Wert für die Zugfestigkeit und somit der elektrischen Festigkeit der Cellulose darstellt. Weiterhin kann der DP-Wert auch mittels DP-Wert-Spektroskopie ermittelt werden, welche die Studierenden in diesem Versuch kennen lernen. Dabei sind neben dem Verständnis des Aufbaus des Isoliersystems, dem Verständnis des Polymerisationsgrades inklusive alterungsbedingter Änderungen ebenfalls die Durchführung von Messungen mittels des DP-Wert-Spektrometers inklusive der Messauswertung Aufgabenteile und Lernziele dieses Versuchs.

Blitz- und Schaltstoßspannungen können erhebliche Schäden an Betriebsmitteln in Energieversorgungsnetzen verursachen. Ursachen für das Auftreten solcher Überspannungen sind z. B. Schaltvorgänge, Kurzschlüsse, Resonanzerscheinungen oder atmosphärische Einflüsse. Um die Isolationsfestigkeit und Betriebssicherheit von Betriebsmitteln zu gewährleisten, werden daher Stoßspannungsprüfungen nach IEC 60060 durchgeführt.

Im Rahmen dieses Laborversuchs erwerben die Studierenden die notwendigen Kenntnisse zur Messung von Stoßspannungen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der Eignung verschiedener Spannungsteiler zur Messung von Spannungsamplituden und -zeiten. Die Studierenden lernen die physikalischen und technischen Grundlagen der Hochspannungsmessung kennen und erwerben praktische Fertigkeiten im Umgang mit der Hochspannungstechnik.

Der Laborversuch gliedert sich in die folgenden Aufgabenteile und Lernziele:

• Verständnis von Stoßspannungen: Entstehung und Auswirkungen von Blitzstoßspannungen auf Energieversorgungsnetze und deren Komponenten.
• Einführung in Spannungsteiler: Erläuterung und Vergleich verschiedener Spannungsteiler sowie deren Vor- und Nachteile bei der Messung von Stoßspannungen.
• Messprinzipien und Signalverarbeitung: Verständnis der physikalischen Grundlagen der Spannungsmessung und der Signalverarbeitung, die für die genaue Erfassung von Blitzstoßimpulsen erforderlich sind.
• Durchführung von Messungen: Praktische Durchführung der Messung von Blitzstoßspannungen mit verschiedenen Spannungsteilern.