Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung des von dielektrischen Kenngrößen der Isolation von Hochspannungsgeräten, wie z.B. Hochspannungs-Durchführungen in elektrischen Energieanlagen und dergleichen, insbesondere zur Messung des dielektrischen Verlustfaktors (ΤΑΝδ) und/oder der zeitlichen Änderung der dielektrischen Längskapazität (Delta-C1 ).

Die Messung des dielektrischen Verlustfaktors, des sog. Tangens Delta (ΤΑΝδ), der Isolation von Hochspannungsgeräten ist ein wichtiges diagnostisches Mittel, um den Betriebszustand eines Hochspannungsgerätes zu beurteilen. Ebenso ist die zeitliche Änderung der dielektrischen Längskapazität von Interesse, um die Intaktheit der Isolation, insbesondere der kapazitiven Feldsteuerung, zu beurteilen.

Der dielektrische Verlustfaktor ist ein Maß für die Güte der Isolation. Umso höher er ist, desto schlechter ist die Isolation. Das Versagen der Isolation kündigt sich oftmals durch einen Anstieg des elektrischen Verlustfaktors an. Da die Wirkanteile der Ströme im Dielektrikum von Mechanismen hervorgerufen werden, die erst bei höheren Spannungen auftreten (z.B. Teilentladungen und/oder nicht lineares Verhalten der Restleitfähigkeiten), ist es wichtig, das zu messende Objekt bzw. das Gerät selbst während der Offline-Messung mit einer Hochspannung zu belasten, die in der Größenordnung der Betriebsspannung liegt, um somit realistische Messergebnisse zu erhalten.

Die dielektrische Längskapazität bzw. ihre zeitliche Änderung ist eine Kenngröße, um die Intaktheit der Isolation, insbesondere der kapazitiven Feldsteuerung, zu ermitteln. Die dielektrische Längskapazität (auch C1

BESTÄTIGUNGSKOPIE Kapazität genannt) wird üblicherweise vor Auslieferung des Gerätes und regelmäßig im Rahmen der Wartung gemessen und es wird geprüft, ob sich zeitliche Änderungen ergeben haben. Eine Vergrößerung der Längskapazität wäre ein Anzeichen für einen Teildurchschlag in der Isolation. Ein typischer Anwendungsfall ist beispielsweise die Messung der zeitlichen Änderung der C1 Kapazität an Kondensator-Durchführungen von Leistungstransformatoren.

Was die andere Kenngröße, den dielektrischen Verlustfaktor angeht, so wird dieser üblicherweise im Rahmen einer Offline-Messung vor Auslieferung des Gerätes oder während seiner Stillstandszeit (z.B. Wartungsintervall) durchgeführt. Ein typischer Anwendungsfall ist beispielsweise die Messung des ΤΑΝδ an Kondensator-Durchführungen von Leistungstransformatoren. Die hierfür verwendete klassische Messmethode ist der Abgleich einer sog. Schering Messbrücke und wird hier anhand der Fig. 1 veranschaulicht:

Das in der Fig. 1 dargestellte Prinzip der herkömmlichen ΤΑΝδ -Messung benötigt auf der Hochspannungsseite HS eine hochgenaue verlustarme Hochspannungskapazität, die sog. Normalkapazität CN und auf der Niederspannungs- bzw. Erdseite ES die sog. Schering-Mess-Brücke SMB. Wenn der Abgleich hergestellt ist, d.h. der Brückenstrom Null wird, werden aus den bekannten Größen der Messbrücke und der Normalkapazität C _N die unbekannten (gesuchten) Größen C1 und R1 ermittelt, aus denen schließlich der elektrische Verlustfaktor TAN δ berechnet werden kann. Die schematische Darstellung nach Fig. 1 gibt die Grundstruktur dieses bekannten Messverfahrens wieder. In der Praxis ist die genaue Bestimmung des Verlustfaktors noch etwas aufwändiger als es in Fig. 1 dargestellt wird, da insbesondere auch Erdstreukapazitäten, die das Ergebnis verfälschen, in der Messung kompensiert werden müssen.

Die klassische Methode der Verlustfaktorbestimmung mit Hilfe der Schering- Brücke erfordert den Einsatz einer Normalkapazität, die recht teuer in der Anschaffung ist. Daher ist dieses bekannte Messverfahren aus wirtschaftlichen Gründen quasi nur während der Stillstandszeit des jeweiligen Hochspannungsgerätes möglich (Offline-Messung) und ein dauernder Einsatz (im Online Betrieb) der Normalkapazität C _N ist faktisch von der praktischen Anwendung ausgeschlossen. Aufgrund der oft sehr langen Zeiträume zwischen den Stillstandszeiten und aufgrund der Wichtigkeit der Kenntnis des dielektrischen Verlustfaktors zur Beurteilung des Zustandes der Isolation ist es wünschenswert, ein verbessertes und kostengünstigeres Verfahren zur Online- Messung des dielektrischen Verlustfaktors zu finden. Dasselbe gilt auch für die Kenngröße der dielektrischen Längskapazität, bzw. ihrer zeitlichen Änderung.

In dem Artikel „Mobiles Prüfsystem zur Isolationsdiagnose elektrischer Betriebsmittel" von T. Strehl und A. Engelmann, erschienen in der Fachzeitschrift „ETZ", Heft Nr. 18, 2003, wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Referenzmessung auf Hochspannungsniveau mit Hilfe einer Referenzkapazität erforderlich ist. Die Ermittlung des Verlustwinkels geschieht durch Messung der Phasenverschiebung zwischen den Signalen eines Messzweiges und denen eines Vergleichszweiges. Die Daten werden in Echtzeit mit Hilfe von faseroptischer Übertragung der Messwerte in einen digitalen Signalprozessor übertragen; somit kann in Echtzeit die Phasenverschiebung der Signale ermittelt werden. Dieses Verfahren eignet sich zwar grundsätzlich für eine Online-Messung, ist aber aus wirtschaftlichen Gründen eher nicht anzuwenden, da hier ebenfalls eine Hochspannungsnormalkapazität benötigt wird.

In DE 10 2008 004 804 A1 wird ein Verfahren eines Fehlers in eine Kondensatordurchführung beschrieben, wobei insbesondere der Delta-C1-Wert bestimmt wird. Das Verfahren ist vornehmlich für mehrphasige Transformatoren geeignet.

Die EP 1 039 304 A2 befasst sich vor allem mit der Messung von Messgrößen, nämlich Eingangsspannungen an einer Hochspannungsdurchführung und ermöglicht ein effizientes Messen von Spitzenwert und Effektivwert der betrachteten Eingangsspannung. Das Messen des elektrischen Verlustfaktors, der Längskapazität, sowie deren zeitliche Änderung, werden dort jedoch nicht behandelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren sowie Vorrichtungen zur Messung der eingangs genannten Kenngrößen der Isolation, insbesondere des dielektrischen Verlustfaktors und/oder der Längskapazität bzw. ihrer Änderung, vorzuschlagen, um die genannten Nachteile zu überwinden und eine effiziente Online-Messung der dielektrischen Kenngrößen zu ermöglichen.

Gelöst wird die Aufgabe durch Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Verfahrensansprüche sowie durch Vorrichtungen mit den Merkmalen der nebengeordneten Vorrichtungsansprüche.

Demnach wird ein Verfahren zur Messung des dielektrischen Verlustfaktors der Isolation von Hochspannungsgeräten vorgeschlagen, das folgende Schritte aufweist.

- Erfassen einer elektrischen Feldstärke an einem ersten Messpunkt auf der Hochspannungsseite des Hochspannungsgerätes;

- Bilden von ersten Abtastwerten eines ersten zeitlichen Signalverlaufs einer zu der erfassten Feldstärke proportionalen ersten Messgröße in Abhängigkeit einer Zeitreferenz, die von einem ersten Zeitgeber vorgegeben wird;

- Erfassen einer elektrischen Spannung an einem zweiten Messpunkt auf der Erdseite bzw. an einem dortigen Messanschluss des Hochspannungsgerätes;

- Bilden von zweiten Abtastwerten eines zweiten zeitlichen Signalverlaufs einer zu der erfassten Spannung proportionalen zweiten Messgröße in Abhängigkeit der Zeitreferenz;

- Vergleichen der zweiten Abtastwerte der zweiten Messgröße mit den ersten Abtastwerten der ersten Messgröße, um den Phasenwinkel einer zwischen den Signalzeitverläufen auftretenden Phasenverschiebung zu bestimmen; und - Anwenden der Tangensfunktion auf den Phasenwinkei, um für den dielektrischen Verlustfaktor zu bestimmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche geeignet ist, das Verfahren zum Messen des dielektrischen Verlustfaktors durchzuführen, weist folgende Komponenten bzw. Einheiten auf:

eine erste Erfassungseinheit zum Erfassen der elektrischen Feldstärke an dem ersten Messpunkt, wobei diese Erfassungseinheit den ersten zeitlichen Signalverlauf der entsprechenden ersten Messgröße (z.B. Messspannung am Kopf einer Kondensator-Durchführung) in Abhängigkeit der Zeitreferenz bildet; eine zweite Erfassungseinheit zum Erfassen der elektrischen Spannung an dem zweiten Messpunkt, wobei diese Erfassungseinheit den zweiten zeitlichen Signalverlauf der entsprechenden zweiten Messgröße (z.B. Messspannung am erdseitigen Messanschluss der Kondensator-Durchführung) in Abhängigkeit derselben Zeitreferenz (eine gemeinsame Zeitbasis) bildet; und

eine Auswertungseinheit, die den Signalzeitverlauf der zweiten Messgröße mit dem Signalzeitverlauf der ersten Messgröße bzw. der entsprechenden Abtastwerte vergleicht, um den Phasenwinkel einer zwischen den Signalzeitverläufen auftretenden Phasenverschiebung zu bestimmen; wobei die Tangensfunktion angewendet wird, um schließlich den dielektrischen Verlustfaktor zu bestimmen.

Desweiteren wird ein Verfahren zur Messung einer Änderung der dielektrischen Längskapazität der elektrischen Isolation von Hochspannungsgeräten mit prinzipiell denselben anfänglichen Schritten wie folgt durchgeführt:

- Erfassen der elektrischen Feldstärke an dem ersten Messpunkt auf der Hochspannungsseite des Hochspannungsgerätes;

- Bilden von den ersten Abtastwerten des ersten zeitlichen Signaiveriaufs des zu der erfassten Feldstärke proportionalen ersten Messgröße in Abhängigkeit der Zeitreferenz, die von dem ersten Zeitgeber vorgegeben wird;

- Erfassen der elektrischen Spannung an dem zweiten Messpunkt an dem erdseitigen Messanschluss des Hochspannungsgerätes; und - Bilden von den zweiten Abtastwerten des zweiten zeitlichen

Signalverlaufs der zu der erfassten Spannung proportionalen zweiten Messgröße in Abhängigkeit der Zeitreferenz.

Anschließend werden folgende Schritte (Variante zum ersten Verfahren) durchgeführt:

- Vergleichen der zweiten Abtastwerte der zweiten Messgröße mit den ersten Abtastwerten der ersten Messgröße, um ein Amplituden- Verhältnis der Messgrößen zu bestimmen; und

- Überwachen des Amplituden-Verhältnisses auf seine zeitliche

Veränderung hin (d.h. Bestimmung der gesuchten Kapazitätsänderung Delta-C1 ).

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird ebenfalls die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt, wobei die Auswertungseinheit die zweiten Abtastwerte der zweiten Messgröße mit den ersten Abstastwerten der ersten Messgröße vergleicht, um das Amplituden-Verhältnis der Messgrößen zu bestimmen und das Amplituden-Verhältnis auf seine zeitliche Veränderung hin überwacht.

Die Erfindung schlägt demnach vor, an dem ersten Messpunkt die dort vorherrschende elektrische Feldstärke zu messen und an dem zweiten Messpunkt die dort anliegende elektrische Spannung zu messen, um durch Auswertung der Messgrößen die besagten Kenngrößen (ΤΑΝδ und/oder Delta- C1 ) zu ermitteln.

Hierdurch wird erreicht, dass mit kostengünstigen Komponenten eine zuverlässige Online-Messung von ΤΑΝδ sowie Delta-C1 ermöglicht wird. Insbesondere ist es bei der Erfindung nicht erforderlich, eine Normalkapazität, eine faseroptische Ü bertrag ungsstrecke und einen digitalen Signalprozessor mit hoher Rechenleistung einsetzen zu müssen. Die Erfindung ist besonders zur Messung des ΤΑΝδ sowie Delta-C1 an größeren Hochspannungsgeräten geeignet, wo die Messpunkte relativ weit voneinander beabstandet sind, wie z.B. an Kondensator-Durchführungen für Hochspannungs-Transformatoren und dergleichen. Die Erfindung kann sowohl bei einphasigen wie auch mehrphasigen Hochspannungsgeräten eingesetzt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher im Detail beschrieben:

Die Fig. 1 veranschaulicht die Ausgangssituation der Erfindung, nämlich das

Prinzip einer herkömmlichen Messmethode zur Bestimmung des ΤΑΝδ und der Längskapazität C1 mit Hilfe einer Schering-Messbrücke.

Die Fig. 2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen des elektrischen Verlustfaktors an einem Hochspannungsgerät in Gestalt einer Kondensator-Durchführung.

Die Fig. 3 zeigt den zeitlichen Signalverlauf der Messgrößen, sowie deren

Phasenverschiebung aus der sich der ΤΑΝδ ergibt.

Die Fig. 4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagram (flowchart) für ein von der

Vorrichtung nach Fig. 2 durchgeführtes, erfindungsgemäßes Verfahren zur Messung des elektrischen Verlustfaktors und/oder des DeltaCL

Im Unterschied zu dem Stand der Technik nach Fig. 1 , bei dem eine Schering- Messbrücke SMB und ein Normalkapazität C _N eingesetzt werden, ist erfindungsgemäß nun eine kostengünstig zu realisierende Vorrichtung 100 zum Messen der dielektrischen Kenngrößen, insbesondere des Verlustfaktors ΤΑΝδ und/oder der Längskapazität bzw. deren Änderung vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst mindestens zwei räumlich zueinander beabstandete Einheiten, nämlich eine erste Erfassungseinheit 1 10 und einer zweiten Erfassungseinheit 120. Die erste Erfassungseinheit 110 ist auf der Hochspannungsseite HS eines Hochspannungsgerätes MO, welches das Messobjekt darstellt, angeordnet, nämlich am Kopf einer Kondensator-Durchführung KD. Die erste Erfassungseinheit 1 10 misst dort an einem ersten Messnunkt M1 mittels eines. Feldsensors 1 1 1 die dort vorherrschende elektrische Feldstärke bzw. als Messgröße eine entsprechende erste Messspannung US.

Die zweite Erfassungseinheit 120 befindet sich am erdseitigen Messanschluss bzw. Messpunkt Mll der Kondensator-Durchführung KD und erfasst dort eine Spannung bzw. die entsprechende Messgröße, d.h die über einer Messkapazität 121 abfallende zweite Messspannung UM. Die Erfassungseinheiten enthalten Signalverstärker 1 12 bzw. 122 zur Verstärkung der Messspannungen und enthalten Auswerteeinheiten 1 13 bzw. 123, um die Messgrößen, wie nachfolgend beschrieben, auszuwerten.

Jede Erfassungseinheit 1 10 und 120 enthält weiterhin einen Zeitgeber 5 bzw. 125, der eine Zeitreferenz entsprechend eines (externen) Triggersignals TR erzeugt, um die Messung in beiden Erfassungseinheiten auf eine einheitliche Zeitbasis zu beziehen, damit die gewonnenen Mess-Daten bzgl. der

Zeitverläufe der Messspannungen Us und UM) schließlich miteinander verglichen werden können. Die Messungen bzw. die Zeitgeber werden auf ein externes Triggersignal synchronisiert, das z.B. aus einem Zeitbasis-Signal bzw. einem GPS-Signal abgeleitet wird.

Um eine ausreichende Genauigkeit der gewünschten Messung insbesondere der ΤΑΝΔ Messung zu erreichen, wird eine möglichst genaue Zeitbasis benötigt. Die Genauigkeit z.B. eines von einem GPS-Empfänger erzeugten Triggers ist mit ~300 ns Ungenauigkeit ausreichend. In einem 50 Hz-System können gute Messergebnisse z.B. mit einer Abtastrate von etwa 500 kSamples/s und einer Speichertiefe von z.B. 10000 Werten erreicht werden. Die Auswertung kann asynchron in einer zentralen Auswertungseinheit oder auch in einer in der Vorrichtung 100 integrierten Auswertungseinheit ausgeführt werden. Die erste Erfassungseinheit 1 10 enthält hierzu ein Sendemodul 1 14, hier z.B. ein bidirektionales Funkmodul (z.B. auf Basis ZigBee), das Daten DAT über den ersten zeitlichen Signalverlauf der ersten Messgröße bzw. der ersten

Messspannung Us, insbesondere auf die Zeitreferenz bezogene

Amplitudenwerte, an die Auswertungseinheit 123 sendet, welche dann diese Daten DAT mit zweiten Daten bzgl. des zweiten zeitlichen Signalverlaufs der zweiten Messgröße (Messspannung UM) vergleicht. Zum Empfang der Daten DAT enthält die zweite Erfassungseinheit 120 ein geeignetes Funkmodul 124, hier z.B. ebenfalls ZigBee-Funkmodul.

Die Auswertungseinheit 123 zur Berechnung des ΤΑΝδ bzw. des Delta-C1 anhand der gewonnen Daten ist hier in die zweite Erfassungseinheit 120 integriert, kann aber auch in einem externen Rechner bzw. PC vorgesehen sein. Die Auswertungseinheiten sind z.B. durch Mikrocontrollereinheiten, kurz MCUs, realisiert.

Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, bei denen eine Referenz- bzw. Normalkapazität (siehe C _N in Fig. 1 ) mit genau bekannten und zeitlich stabilen Eigenschaften (Kapazität und dielektrischer Verlustfaktor) ständig benötigt wird, verwendet die vorliegende Erfindung einen E-Feld-Sensor 1 11 , der den zeitlichen Verlauf der elektrischen Feldstärke, die am Kopf der Durchführung MO oder auf der angeschlossenen Leitung auftritt, misst.

Die Messung der elektrischen Feldstärke auf Hochspannungsniveau hat den Vorteil, dass die Teilkapazität, an der der größte Teil der Hochspannung abfällt, stabil bleibt, weil der Feldraum zwischen Feldplatte und Erde aus Luft besteht und somit keinen langzeitigen Änderungen unterworfen ist.

Das externe Triggersignal TR kann nicht nur durch eine GPS-Zeitreferenz erzeugt werden, sondern auch z.B. durch ein externes Funksignal (übertragen durch Luft), durch ein optisches Signal (übertragen durch Luft oder durch Lichtwellenleiter) oder durch eine andere hochgenaue Zeitbasis erzeugt werden (z.B. auch durch eine interne Clock). Mit Hilfe der Zeitbasis werden die Messwerte, welche auf Hochspannungsseite HS und auf Erdseite ES erfasst werden, zeitlich zueinander in Übereinstimmung gebracht (s. Fig. 3), um insbesondere die Phasenverschiebung d zu bestimmen. Aber auch die Amplitudenwerte für die Bestimmung der Längskapazität müssen zeitliqh zueinander korrelieren.

Nach erfolgter Abspeicherung des Messsignals UM und nach Empfang der

Daten DAT des Messsignals Us aus der Erfassungseinheit 1 10 werden die beiden Signale miteinander verglichen (s. Fig. 3). Der Vergleich besteht darin, dass die Phasenverschiebung der beiden Signale zueinander ermittelt wird. Dies kann z.B. mit Hilfe einer Autokorrelationsfunktion erfolgen. Ebenso kann durch Quotientenbildung der Amplitudenwerte und Überwachung der zeitlichen Änderung erkannt, werden, ob und wie die Längskapazität sich ggfs. geändert hat.

Die beschriebene Vorrichtung 100 bzw. das System ist insbesondere zur Online-Messung der Kenngrößen, wie z.B. ΤΑΝδ und/oder Delta-C1 geeignet. Nach der Installation des Systems wird das System kalibriert. Dies kann mit Hilfe des Prüfprotokolls der Durchführung oder einer Offline Messung im Rahmen von Servicearbeiten erfolgen. Der nach Inbetriebnahme ermittelte ΤΑΝδ wird mit dem Offline ermittelten Wert verglichen und der Fehler ermittelt. Der Fehler kann z.B. dadurch entstehen, dass die gemessene Feldstärke in geringem Maße auch von den Spannungen der Nachbarphasen bestimmt wird (Übersprechen) und es somit zu einem Phasenfehler kommt. Da dieser Fehler geometrisch bedingt ist, wird er sich nicht ändern, solange keine Änderungen der Geometrie vorgenommen werden (z.B. Hinzufügen von Abschirmkalotten, weiteren HS-Geräten etc.). Im Falle einer solchen Änderung muss das System erneut kalibriert werden. Mit jeder später gemessenen Änderung des Phasenwinkels δ kann somit der gesuchte Phasenwinkel oder dessen Tangens (ΤΑΝδ) ermittelt werden.

Die Erfindung ist auch sehr gut geeignet für Anwendungen bei Spannungswandlern, in Gasisolierten Schaltanlagen usw..