Für die elektrische Prüfung gilt nach Norm eine 100-%-Stückprüfung, d. h. jede Durchführung muss ausnahmslos verschiedenen Prüfungen unterzogen werden. Die Prüfungen unterscheiden sich jedoch teils erheblich, und zwar in Abhängigkeit der
- Art und Anwendung der Durchführung
- Bemessungsspannung
- Ggf. nach Norm zu wählendem Bemessungspegel für die Blitzstoßspannung
- Unterliegender Norm, nach der geprüft werden soll
- Besondere Kundenanforderungen
- Neue oder gebrauchte Durchführung
- Routine – oder Typprüfung.
Anforderungen an Labore
Die für eine Prüfung erforderlichen Hochspannungen werden mit speziellen Prüfkreisen hergestellt. Die Anforderungen sind hoch, insbesondere an die Spannungsqualität, die Regelbarkeit der Spannungsquellen und die Störfreiheit. Bei der Auslegung von Hochspannungsprüfkreisen sind diese zu berücksichtigen. Für den Detailaufbau von Hochspannungserzeugern oder Teilentladungsprüfkreisen verweise ich an dieser Stelle auf die entsprechende Literatur am Ende des Beitrags.
Neben der hohen Spannung muss auch die entsprechende (Blind-)Leistung zur Verfügung gestellt werden. Gerade HS-Dfg. haben ein ausgeprägtes kapazitives Verhalten – der entstehende Blindstrom muss entsprechend primärseitig kompensiert werden, da sonst dem Netz zu viel Blindleistung entzogen werden könnte. Sekundärseitig muss er jedoch der Komponente zur Verfügung gestellt werden. Dies erfordert mitunter sehr große Transformatoren, die einige Ampere Strom auf Hochspannung liefern können. Für Vor-Ort-Prüfungen wären diese nicht mobil genug, daher greift man hier z. B. auf einen Serienresonanzkreis zurück.
Spannungen und Ströme müssen während der Prüfungen mit entsprechenden Genauigkeiten gemessen werden, i. d. R. ergeben sich hier erlaubte Messunsicherheiten von ± 3 %. Ein entsprechend (akkreditierter) kalibrierter Teiler erlaubt dem Prüfer, mit hinreichender Genauigkeit die Spannungen anzufahren. In Bild 1 ist beispielhaft für 1000 kV Sollspannung, ±3 % Toleranz und ±1 % des Messsystems dargestellt, welche Bereiche nach IEC 60060 und unter Berücksichtigung der Genauigkeit des Messteilers erlaubt sind. Nach IEC 60060 liegt der tolerierte Spannungsbereich zwischen 970 kV und 1030 kV. Das darin erlaubte »Band« ist schmaler, bedingt durch die Unsicherheit des Messteilers und liegt zwischen 970 kV +1 % und 1030 kV -1 %, also zwischen 979,9 kV und 1019,7 kV.
Es liegt nun an der Philosophie des Managements des Prüflabors, festzulegen, wie die Normgrenzen einzuhalten sind – möglich wäre hier z. B. die Option, immer nur
die unteren Grenzen zu nutzen, d. h. ca. 980 … 985 kV anzulegen. Eine meiner Meinung nach gesunde Philosophie, die wenig Anlass zu späteren Reklamationen gibt, ist aber, die Normprüfpegel als »Mindestwerte« anzusehen, und die Pegel sauber zu erfüllen bzw. leicht zu übertreffen. Im vorgenannten Beispiel wäre dies eine Prüfspannung von min. 1000 kV anzulegen. Je nach Prüfdauer kann es in der Praxis z.B. bei Stundenprüfungen sinnvoll sein, ein paar Kilovolt mehr einzustellen, falls die Prüfspannung mit der Zeit in diesem Maß abfällt, oder entsprechend nachzuregeln. Eine Prüfung härter als die Norm wird nach meiner Erfahrung von allen Kunden akzeptiert, während ein »Ausloten der unteren Grenzen« zu Misstrauen führt.
Während der Wechselspannungsprüfungen wird immer auch eine Teilentladungsmessung durchgeführt. Das Prüflabor muss dazu einen besonders niedrigen Grundstörpegel aufweisen, so dass auch kleinste Teilentladungen sicher detektiert werden können. Die gemessene »scheinbare« Ladung darf bei den meisten modernen Typen 10 pC nicht überschreiten, wobei auch Vereinbarungen zwischen Lieferant und Kunde mit kleineren Pegeln möglich sind. Um solche kleinen Pegel sicher detektieren zu können, muss ein Grundstörpegel von 1 ... 2 pC vorhanden sein. Hierfür ist eine konsequente Schirmung des Labors unerlässlich, das gesamte Labor muss wie ein Faraday’scher Käfig mit leitfähigen Platten oder Gittern aufgebaut werden, um im Frequenzbereich von einigen Kilohertz bis einigen Megahertz einen möglichst geringen Störeinfluss »von außen« zu haben.
Es empfiehlt sich weiterhin, das Erdungssystem des Labors separat vom Rest des Gebäudes zu halten und einen eigenen Tiefenerder zu verwenden. Die Spannungszuführung vom Netz sollte über Netzfilter bereinigt werden. Computer, Messelektronik, Lampen und alle anderen elektronischen Geräte, die im Laborbetrieb verwendet werden, sollten auf ihren Störeinfluss hin untersucht werden. Mehrfach habe ich selbst erfahren dürfen, dass z. B. preisgünstige Steckernetzteile zu einem nicht vernachlässigbaren Anheben des Grundstörpegels führen können. Weiterhin zu beachten sind natürlich die Verhältnisse zwischen Prüflingskapazität und Koppelkondensator – hier kann z. B. ein verhältnismäßig großer Kondensator den Grundstörpegel absenken, der aber dann wiederum die Blindleistung erhöht.
Der Aufbau des Hochspannungslabors an sich ist ebenfalls grundlegend für die Teilentladungsfreiheit während der Prüfung. Um externe Entladungen durch Feldüberhöhungen zu vermeiden, müssen sämtliche Teile auf Hochspannungspotenzial mit entsprechend großen Durchmessern gefertigt sein, sodass die Oberflächenfeldstärke in Luft festgelegte Grenzwerte nicht überschreitet. Die Literatur empfiehlt hier z. B. 2/3 der Durchschlagfeldstärke von Luft, also etwa 20 kV/mm. Zusätzliche Sicherheiten sind der Erfahrung nach vorteilhaft, wenn nicht ganz ausgeschlossen werden kann, dass z. B. Toroide Beulen oder hervorstehende Späne aufweisen (vgl. Bild 2).
Ebenfalls nicht zu vernachlässigen sind Entladungen auf der Erdseite durch hervorstehende Spitzen, oder Entladungen auf Grund von sog. »Schwebendem Potential«, d. h. Bauteile, die nicht fest mit einem Potential verbunden sind und sich im elektrischen Feld »umladen«. Hier hilft vor allem ein konsequentes »Aufräumen« des Labors.
Neben der geforderten niedrigen Oberflächenfeldstärke sind die erforderlichen Schlagweiten gerade in den Höchstspannungsebenen >245 kV nicht zu vernachlässigen und führen schnell zu sehr großem Raumbedarf. Um dem Labor genug Flexibilität zu ermöglichen, sollte hier nicht gespart werden, da Labore häufig viele Jahrzehnte genutzt werden sollen. Die Vergangenheit hat gezeigt, dass mit steigendem Energiebedarf auch die Spannungsebenen – und damit die Prüfspannungen – sukzessive ansteigen. Ein Labor, bei dem bei der Auslegung genügend zusätzlicher Raum eingeplant wurde, lässt sich in Zukunft ertüchtigen und bleibt so über Jahrzehnte nutzbar.
Typprüfungen an Wechselspannungsdurchführungen
Bevor ein Durchführungsdesign in Betrieb geht, ist ein umfangreiches Typprüfprogramm an einer einzelnen Durchführung des neuen Typs zu vollziehen. Dieses Programm dient der Verifikation des korrekten Designs der Durchführung und ist daher deutlich härter als jede Routineprüfung. Hierbei sollen Schwachstellen im Design aufgespürt werden, bevor es zu Ausfällen im Feld aufgrund eines serienartigen Fehlers kommt. Jedoch muss nicht bei jedem veränderten Design automatisch ein Typtest erforderlich sein – wenn es zuvor bereits Typprüfungen an Konstruktionen gab, die ähnliche (oder höhere) Feldbelastungen wie das neue Design im Isolierstoff verursachen, kann der Lieferant mittels eines numerischen Nachweises eine Ausführung der Typprüfung oder Teile dieser (z. B. der Erwärmungsprüfungen) obsolet machen.
Nicht jede Durchführung erhält jede mögliche Typprüfung, beispielsweise sind bei Kessel-Kessel-Durchführungen Prüfungen unter Regen nicht sinnvoll. In Tabelle 1 sind alle Typprüfungen und ihre Anwendbarkeit auf die entsprechenden Durchführungsarten bei Wechselspannungsdurchführungen gegeben. Die Typprüfungen bei Gleichspannungsdurchführungen sind in erläutert und unterscheiden sich in der Regel nur in Details, z. B. bei der Anwendbarkeit im Spannungslevel.
| Typprüfung | Anwendbarkeit |
| Steh-Wechselspannungsprüfung, trocken | Alle Durchführungen |
| Steh-Wechselspannungsprüfung, unter Regen | Alle Freiluftdurchführungen, Um ≤ 245 kV |
| Steh-Langzeitwechselspannungsprüfung | Alle Transformatordurchführungen mit Um≥ 170 kV |
| Steh-Blitzstoßspannungsprüfung, trocken | Alle Durchführungsarten |
| Steh-Schaltstoßspannungsprüfung, trocken |
|
| Steh-Schaltstoßspannungsprüfung, unter Regen |
|
| Prüfung der thermischen Stabilität | Alle Innenraum-Kessel oder Kessel-Kessel Durchführungen mit Um>300 kV (RIP oder RIS), Um>145 kV (andere Typen). Die Prüfung kann entfallen, wenn Vergleichsprüfung oder Berechnung vorhanden |
| Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit | Alle Innenraum- und Freiluftdurchführungen mit Um≥ 123 kV |
| Erwärmungsprüfung | Alle Durchführungsarten, der Nachweis ist auch über eine Vergleichsprüfung bzw. Berechnung möglich |
| Nachweis der thermischen Kurzzeitstromfestigkeit | Alle Durchführungsarten, Nachweis über Berechnungsformel |
| Prüfung der Biegefestigkeit | Alle Durchführungen |
| Dichtheitsprüfung an flüssigkeitsgefüllten, mit Vergussmasse gefüllten und flüssigkeitsisolierten Durchführungen | Alle flüssigkeitsgefüllten bzw. flüssigkeitsisolierten Durchführungen, außer wenn die Flüssigkeitsfüllung eine Viskosität >5 · 10 E-4 m²/s bei 20 °C aufweist |
| Innendruckprüfung an gasgefüllten, gasisolierten und gasimprägnierten Durchführungen | Alle gasgefüllten, gasisolierten und gasimprägnierten Durchführungen mit Isolator aus Verbundwerkstoff oder Keramik mit einem Überdruck >0,5 bar und Gasvolumen >1 l. |
| Außendruckprüfung an teilweise oder vollständig in Gas eingetauchten Durchführungen | Alle in Gas eingetauchten Durchführungen, die mit min. einer Seite in einem Kessel eingebaut sind, bei in Betrieb mehr als 0,5 bar Überdruck |
| Überprüfung der Maße | Alle Durchführungsarten |
Beispiele für Typprüfungen
Nachfolgend werden einige Typprüfungen beispielhaft gezeigt und ihr Aufbau sowie die Ausführung der Prüfung erläutert.
Blitzstoßprüfung
(Bild: HSP Hochspannungsgeräte GmbH)
In Bild 3 ist der Aufbau für eine Blitzstoßprüfung für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung-(HGÜ)-Transformatordurchführung gezeigt. Die Durchführung steht senkrecht in einem ölgefüllten Kessel, wobei die originalen Schirmelektroden auf der Freiluftseite verbaut sind. Der kesselseitige Anschlussbolzen ist mit einer Kugelelektrode abgeschirmt. Als Hochspannungsverbindung kommt eine Litze zum Einsatz, die vom Marxgenerator zum Prüfling und vom Prüfling zum Messteiler gespannt wird. Der Spannungspuls muss also vom Generator über den Prüfling zum Messteiler laufen, und somit ist sichergestellt, dass auch die tatsächlich am Prüfling anliegende Spannung gemessen wird.
Die Kurvenform für Blitzstöße ist in definiert und hat eine Anstiegszeit 1,2 µs sowie eine Rückenhalbwertszeit von 50 µs. Die hier gezeigte Durchführung hat einen Stoßpegel von 2 151 kV. Während der Typprüfung müssen die folgenden Blitzstöße ausgeführt werden:
- 15 Vollwellen mit positiver Polarität (2151 kV)
- eine Vollwelle mit negativer Polarität und 110-%-Pegel (2366 kV)
- fünf abgeschnittene Wellen mit negativer Polarität und 121-%-Pegel (2603 kV) sowie Abschneidezeit zwischen 2µs und 6µs
- 14 Vollwellen mit negativer Polarität und 110-%-Pegel (2366 kV)
Bei der Ausführung der Prüfung sind die atmosphärischen Bedingungen zu beachten und ein Korrekturfaktor zu bestimmen. Dieser Korrekturfaktor berücksichtigt den Einfluss von Luftdruck, Temperatur und Feuchte im Vergleich zum »Normklima« und kann den Stoßpegel nach oben oder unten korrigieren. Auch hier liegt wieder im Ermessen des Prüflabors, Korrekturfaktoren, die zu einer Reduzierung des Stoßpegels führen würden, zu ignorieren und mit den vollen Pegeln die »härtere« Prüfung auszuführen.
Die Blitzstoßprüfung gilt als bestanden, wenn kein Durchschlag auftritt und nicht mehr als zwei Überschläge in Luft bei beiden Polaritäten auftreten. Bei Transformator-Durchführungen darf zusätzlich kein Überschlag in der in Öl getauchten Seite auftreten sowie kein Überschlag bei negativer Polarität.
Biegeprüfung
Biegeprüfungen dienen dem Nachweis der Biegefestigkeit bei Zugbelastung am Leiterbolzen, z. B. durch angeschlossene Leiterseile, die quer zur Durchführung weggeführt werden. Vor Beginn einer Biegeprüfung sind alle Stückprüfung als Referenzmessung auszuführen.
Das Bild 4 zeigt den Aufbau für eine Biegeprüfung an einer HGÜ-Wanddurchführung. Die Durchführung muss zunächst in ein geeignetes Gestell montiert werden. Dann wird nacheinander auf beiden Seiten für jeweils eine Minute ein entsprechendes Gewicht angehängt, das die Biegebelastung nachbilden soll.
Im gezeigten Fall sind das 5000 N, was durch zehn Gewichte mit jeweils 50 kg Gewicht erreicht wird. Die Gewichte werden zunächst mit einem Kran in die Nähe des Leiterbolzens gefahren und dann mittig am Leiterbolzen eingehängt. Sobald die Kranseile vollständig entlastet sind, beginnt die Prüfzeit.
Die Biegeprüfung gilt als bestanden, wenn keine Beschädigungen wie Bruch, Verformung, Undichtheit bestehen sowie die anschließende Wiederholung der Stückprüfungen keine signifikanten Abweichungen von der zuvor ausgeführten Referenzmessung zeigt.
Stückprüfungen an Wechselspannungsdurchführungen
Stückprüfungen (oder auch: Routineprüfungen nach engl. »routine tests«), sind verpflichtend für jede neu gefertigte HS-Dfg. – das heißt, keine ungeprüfte Durchführung darf das Werk verlassen. Tabelle 2 gibt eine Übersicht über die Arten der Stückprüfungen sowie deren Anwendbarkeit auf die unterschiedlichen Durchführungsarten.
| Stückprüfung | Anwendbarkeit |
| Messung des Verlustfaktors (tanδ) und der Kapazität bei Umgebungstemperatur | Nur kapazitiv gesteuerte Durchführungen |
| Steh-Blitzstoßspannungsprüfung, trocken | Nur Transformator-Durchführungen mit Um> 72,5 kV |
| Steh-Wechselspannungsprüfung, trocken | Alle Durchführungen |
| Messung der Teilentladungsmenge | Alle Durchführungen |
| Prüfung der Anzapfungsisolierung | Alle Durchführungen mit Anzapfung |
| Innendruckprüfung an gasgefüllten, gasisolierten und gasimprägnierten Durchführungen | Alle gasgefüllten, gasisolierten und gasimprägnierten Durchführungen |
| Dichtheitsprüfung an flüssigkeitsgefüllten, mit Vergussmasse gefüllten und flüssigkeitsisolierten Durchführungen | Alle flüssigkeitsgefüllten, mit Vergussmasse gefüllten und flüssigkeitsisolierten Durchführungen, außer die Flüssigkeitsfüllung weist eine Viskosität >5 · 10-4 m2/s bei 20 °C auf |
| Dichtheitsprüfung an gasge-füllten, gasisolierten und gas-imprägnierten Durchführungen | Alle gasgefüllten, gasisolierten und gasimprägnierten Durchführungen |
| Dichtheitsprüfung am Flansch oder an einer andere Befestigungseinrichtung | Alle teilweise oder vollständig eingetauchten Durchführungen, die zur Abdichtung des Betriebsmittels (z. B. Transformator oder gasisolierte Schaltanlage) beitragen |
| Sichtprüfung und Überprüfung der Maße | Alle Durchführungen |
Einige Stückprüfungen lassen sich miteinander kombinieren, insbesondere die Messung des Verlustfaktors und der Kapazität mit der Messung der Teilentladungsmenge und der Steh-Wechselspannungsprüfung in trockenem Zustand. Durch geschickte Kombination der Prüfkreise können alle Prüfungen mit nur einer Spannungsfahrt ausgeführt werden. Bei Wechselspannungs-Transformatordurchführungen ist beispielsweise das Routine-Stückprüfprogramm für die Spannungsebene 420 kV folgendermaßen vorgesehen:
- Druck- oder Dichtheitsprüfungen an Isolatorgehäuse vor Befüllen mit Trockenisolation sowie dem Trafoflansch
- Prüfung der Anzapfungsisolation mit 2 kV Wechselspannung für 1min, dabei Messung der Kapazität C2 und des Verlustfaktors
- Prüfung der Hauptisolation mit Wechselspannung, je nach Spezifikation 625 kV, 695 kV oder 750 kV für 1 min, dabei Messung von Kapazität C1, deren Verlustfaktor und die Teilentladungsmenge
- Steh-Blitzstoßspannungsprüfung mit negativer Polarität – entweder für eine Vollwelle, 105 % / zwei abgeschnittene Wellen, 115 % / zwei Vollwellen, 105 % oder mit fünf Vollwellen, 105 %
- Wiederholung der Prüfung der Hauptisolation mit Wechselspannung, je nach Spezifikation 625 kV, 695 kV oder 750 kV für 1 min, dabei Messung von Kapazität C1, deren Verlustfaktor und die Teilentladungsmenge
- Sichtprüfung und Überprüfung der Maße.
Die beiden Varianten der Blitzstoßprüfung (entweder eine Vollwelle, zwei abgeschnittene Wellen, zwei Vollwellen oder fünf Vollwellen) sind Teil der Liefervereinbarung zwischen Hersteller und Kunde. Bei der HSP Hochspannungsgeräte GmbH hat sich das Verfahren durchgesetzt, beide Varianten zu kombinieren und eine Vollwelle, zwei abgeschnittene Wellen und vier Vollwellen bei der jeder Steh-Blitzstoßprüfung auszuführen. Diese Prüfung ist härter als die Normvorgabe und deckt beide Varianten ab. Eine anschließende Wiederholung der Wechselspannungsprüfung nach der Steh-Blitzstoßspannungsprüfung dient der Verifikation, ob das Isoliersystem durch die Blitzstoßprüfung Schaden genommen hat.
Bei Gleichspannungsdurchführungen ist das Prüfprogramm in der Regel umfangreicher als bei Wechselspannung. Die Tabelle 3 gibt eine Übersicht über die zusätzlichen Prüfungen für Gleichspannungsdurchführungen, die über das übliche Prüfprogramm bei Wechselspannungsdurchführungen hinaus gehen.
| Stückprüfung | Anwendbarkeit |
| Steh-Blitzstoßspannungspegel | Alle DC-Durchführungen mit UBIL≥550 kV |
| Steh-Gleichspannungsprüfung | Alle DC-Durchführungen mit UDC ≥ 150 kV. Bei UDC < 150 kV als Stichprobe, eine von sechs der gleichen Herstellungscharge |
| Polaritätsumkehrprüfung mit Teilentladungsmessung | Alle DC-Durchführungen mit UDC ≥ 150 kV. Bei UDC < 150 kV als Stichprobe, eine von sechs der gleichen Herstellungscharge |
| Steh-Schaltstoßspannungsprüfung (SIL), trocken | Alle DC-Durchführungen mit UBIL≥ 550 kV. Wenn USIL> 83 % UBIL, ist zu vereinbaren, ob BIL, SIL oder beides ausgeführt wird |
Die bei Gleichspannungsdurchführungen notwendigen Steh-Gleichspannungsprüfung sowie die Polaritätsumkehrprüfung sind die zeitaufwendigsten Prüfungen mit einer reinen Prüfdauer von 2 h (Gleichspannungsprüfung) und 3 h 45 min (Polaritätsumkehrprüfung). Diese langen Prüfdauern erfordern geschickte Planung und bedingen lange Belegungszeiten im Labor. Gerade bei hoch ausgelasteten Prüflaboratorien ist so ein Betrieb rund um die Uhr nahezu unumgänglich. Sollten gleiche Produkte vorhanden sein, kann auch eine parallele Prüfung Sinn machen, wie in Bild 5 dargestellt. Neben der Prüfung von zwei Wanddurchführungen konnte hier durch Abgrenzung des Prüfbereichs mit einem Zaun noch in der zweiten Hälfte des Prüflabors weiter gearbeitet werden, um z. B. Transformatordurchführungen mit Wechsel- und Blitzstoßspannung zu prüfen.
Prüfungen von Durchführungen, die bereits in Betrieb waren
Moderne HS-Dfg. sind für eine lange Lebensdauer von 30 … 40 Jahren ausgelegt. Diese werden in der Regel problemlos erreicht und je nach Belastung der Durchführung im Betrieb auch deutlich überschritten. Es kann jedoch aufgrund von unvorhergesehenen Ereignissen dazu kommen, dass die Durchführungen z.B. nach einem TE-Ereignis an einem Transformator überprüft werden sollen.
Die Normung gibt hier die Möglichkeit, eine Stückprüfung mit 80 % des Prüfpegels nach Spezifikation auszuführen. Damit wird der fortschreitenden Alterung der Komponente Rechnung getragen, um zu vermeiden, dass diese durch die Prüfung ausfällt. Hier gilt aber auch wieder, den Allgemeinzustand der Komponente zu betrachten und individuell zu entscheiden, welche Prüfpegel gewählt werden und welche Messwerte akzeptabel sind. Hier hat der Anwender das letzte Wort – er kann entscheiden, welche Teilentladungsmengen und welche Verlustfaktoren für seinen Betriebsfall noch akzeptabel sind.
Literaturhinweise
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- [2] D. Winkel, S. Seibel, R. Puffer and A. Schnettler, »The breakdown process of syntactic foam under ac stress at cryogenic temperature« in 19th international symposium on high voltage engineering, Pilsen, 2015
- [3] S. Seibel, R. Puffer und A. Schnettler, »Partial Discharge and Breakdown Behavior of Syntactic Foams at 77K« in EUCAS European Conference on Applied Superconductivity, Geneva, 2017
- [4] S. Seibel und R. Puffer, »Development of a Setup for Long-Term Investigations of Dielectric Ageing under Liquid Nitrogen« in 2018 IEEE International Conference on
High Voltage Engineering and Application (ICHVE), Athens, Greece, 2018 - [5] A. Doutrelepont und B. Heil, »Application of dry-type high voltage condensor bushings for AC and DC transmission grids of the future« in CIGRE Canada Conference & Exhibition, Vancouver, 2023
- [6] D. D. K. Elektrotechnik, Durchführungen für Gleichspannungsanwendungen, Berlin, VDE Verlag, 2014.
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- [8] A. Küchler, Hochspannungstechnik, Heidelberg: Springer, 2009.
- [9] D. K. Elektrotechnik, Hochspannungs-Prüftechnik – Teilentladungsmessungen (IEC 60270), Berlin, VDE Verlag, 2016
