Hochspannungstechnologie Übung 3 Durchschlag in Gasen

Hochspannungstechnologie
Übung 3
Durchschlag in Gasen/Durchschlag in Flüssigkeiten
Aufgabe 1
In dieser Aufgabe soll die Dimensionierung einer dreiphasigen, SF6 –isolierten GIS
(Abb.1) untersucht werden.
Nennspannung:
U N  145 kV
Geometrie & Druck:
r0  0.5cm
r1  12 cm
m  6 cm
p  3bar
Geläufige Näherung für die
Durchschlagsspannung [kV]
U BR  Ekrit  p  x  r 
 kV 
Ekrit  kritische el. Feldstärke 
 cm  bar 
p  Druck  bar 
x  Schlagweite  cm 
r  Rauhigkeitsfaktor
  Homogenitätsgrad
a.) Wie gross ist die Spannung Ud zwischen den einzelnen Leitern? Wie gross ist
die Spannung Uph zwischen Innenleiter und Aussenleiter? Geben Sie jeweils
den Effektivwert und den Amplitudenwert an.
b.) Kann in der GIS mit den gegebenen Grössen Ionisation vorkommen?
Zwischen den Leitern (Approximation: parallele Zylinder) oder zwischen
Innenleiter und Aussenrohr (Approximation: anaxiale Zylinder)?
c.) Berechnen Sie die Durchschlagsspannung der Anordnung Leiter-Leiter mit der
oben angegebenen Näherungsformel (Rauhigkeitsfaktor r = 0.6).
d.) Ergibt die Näherung realistische Werte?
Abb.1: 3-phasige GIS (schematisch)
Aufgabe 2
In Abb.2 ist schematisch ein Hochspannungskondensator abgebildet. Das
Isolationssystem besteht aus einem Mischdielektrikum gebildet aus Kunststofffolien
und einer Öl-Papier-Isolation. Der schematische Aufbau und das vereinfachte
Ersatzschaltbild sind ebenfalls in Abb.2 gegeben. In dieser Aufgabe soll die
gefährliche Widerkehrspannung berechnet werden.
Nennspannung
Kondensator (DC):
U N  320 kV
Kunststoff-Dielektrikum:
 r1  4.4
1  1014
S
m
Öl-Papier-Dielektrikum:
 r 2  2.2
 2  1016
S
m
a) Der Kondensator sei an eine Gleichspannungsquelle mit U = UN
angeschlossen. Wie gross sind dann U1 und U2 ?
b) Der Kondensator werde zum Zeitpunkt t = 0 ideal kurzgeschlossen. Wie gross
sind genau zu diesem Zeitpunkt die Spannungen über den jeweiligen
dielektrischen Schichten (U1 und U2) ?
c) Wie verhalten sich die Spannungen über den Schichten, wenn der
Kurzschluss nicht dauerhaft ist? Nehmen Sie für die Berechnung an, dass
instantan nach dem Einfügen des Kurzschlusses, dieser auch wieder entfernt
wird. Wie entwickelt sich danach die Gesamtspannung U des Kondensators?
d) Ist es demzufolge sicher einen kurzzeitg geerdeten
Hochspannungskondensator zu berühren oder nicht?
Abb.2.: schematische Darstellung Hochspannungskondensator
Aufgabe 3
In dieser Aufgabe soll der Einfluss der temperaturabhängigen Leitfähigkeit von
Isolieröl auf den Feldverlauf in einer Isolierstrecke berechnet werden. In Abb. 3 ist
schematisch das Isolationssystem eines Hochspannungstransformators dargestellt.
Geometrie:
d  0.1m
Temperatur
T1  100 C
Nennspannung
Transformator:
U N  127 kV
T2  70 C
Leitfähigkeit Transformatoröl:
 Öl (T )  a  ebT
S
1
b  0.0691
m
C
Allg. Wärmeleitungsgleichung
durch Diffusion
d


T  x , t   const  T  x , t 
dt
a  6.3 1014
a) Zum Zeitpunkt des Einschaltens des Transformators befinden sich alle
Komponenten auf einer konstanten Temperatur von T1 = T2 = 20 °C.
Berechnen und zeichnen Sie den elektrischen Feldverlauf im Isolieröl zum
Zeitpunkt des Spannungsmaximums.
b) Nach der Aufwärmphase des Transformators ergeben sich die oben
angegebenen Temperaturen für Trafowicklung T1 und Trafoaussenwand T2.
Lösen Sie die Wärmeleitungsgleichung im stationären Zustand mit den
angegebenen Randbedingungen und berechnen Sie somit den
Temperaturverlauf im Isolieröl (Strecke x, Abb. 3)
c) Berechnen und Zeichnen Sie (allenfalls mit dem Computer) mit dem Resultat
aus Aufgabe b) erneut die elektrische Feldverteilung zwischen
Transformatorwicklung und Aussenwand des Transformators (ebenfalls beim
Spannungsmaximum). Was hat sich geändert zum Zustand aus Aufgabe a) ?
 1 
Hinweis: E  J .

d) Welche Eigenschaft von Trafoöl entschärft die in Aufgabe c) berechnete
elektrische Feldverteilung? Welche Isolierstoffe besitzen diese Eigenschaft
nicht?
e) Wie wird bei Hochspannungstransformatoren die Festigkeit des Isolieröls noch
zusätzlich erhöht?
Abb.3: Schematische Darstellung des Isolationssystems eines Hochspannungstrafos
Aufgabe 4
Zur Überwachung der Verschmutzung des Isolationsöls eines Verteiltransformators
misst ein Ölfeuchtesensor die relative Feuchtigkeit.
Verteiltransformator:
U1  16 kV
Ölmasse:
m  300 kg
Aromatengehalt:
10%
U 2  0.4 kV
a) Bei einer Betriebstemperatur von T = 70 °C zeigt der Ölfeuchtesensor eine
relative Ölfeuchtigkeit von 29 % an. Wie gross ist die absolute Ölfeuchtigkeit in
ppm bei 70 °C? Wieviel kg Wasser sind bei dieser Temperatur im Öl gelöst?
b) Was wird der Ölfeuchtesensor bei 25°C anzeigen?
c) Wodurch sind evt. Differenzen zwischen berechnetem Wert und gemessenem
Wert zu erklären?
Abb.4: Wasserlösungsvermögen für Wasser
10% Aromatengehalt (untere Kurve) und 100% Aromatengehalt (obere Kurve)