DE19519744A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Isolationseigenschaften von Prüfobjekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Isolationseigenschaften von Prüfobjekten, wobei insbesondere die Isolationseigenschaften von Kabeln oder Kabelsystemen im Mittelspannungs- oder Hochspannungs­ bereich untersucht werden sollen.

In Energieübertragungssytemen spielen isolierte Kabel und aus solchen Kabeln und ggf. weiteren Teilen, wie Garnituren aufgebaute Kabelsysteme eine wesentliche Rolle. Eine Stö­ rung eines solchen Kabels bzw. Kabelsystems kann durch den Energieausfall z. B. im industriellen Bereich, im Verkehr, bei Heiz- und Kühlsystemen, in Haushalten, öffentlicher Beleuchtung usw. weitaus größere Kosten als die Reparatur des eigentlichen Schadensfalles verursachen. Dementspre­ chend werden hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit solcher Kabel oder Kabelsysteme gestellt.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden bei der Produktion der Kabel und der zu ihrer Verbindung dienenden Garnituren laufend verschiedene Tests durchgeführt. Hierbei handelt es sich u. a. um sog. Spannungsprüfungen, bei denen die Prüfobjekte mit einer über ihrer für den späteren Be­ trieb vorgesehenen Spannung beaufschlagt werden und dabei auf Durchschlagsfestigkeit getestet werden. Bisweilen führt man in der Produktion auch empfindlichere Isolationsprüfun­ gen, wie etwa - unten noch näher erläuterte - Teilentla­ dungsmessungen durch. Die dabei zu messenden Signale sind relativ zur Testspannung sehr klein, so daß solche Messun­ gen extrem empfindlich gegenüber Störsignalen sind und daher i.a. ein hoher Aufwand mit Abschirmungen und beson­ ders störungsarmen Prüfspannungsversorgungen getrieben werden muß. Derartige Messungen kann man daher i.a. nur in der Produktionsstätte oder im Labor durchführen.

Mit vor der Ablieferung der Kabel und Garnituren durchge­ führten Prüfungen können jedoch nicht alle möglichen Fehler ausgeschlossen werden. Denn problematisch ist einerseits der Transport und die Verlegung der Kabel, denn dabei kön­ nen unbemerkt Beschädigungen entstehen. Andererseits können auch Fehler bei der Installation, also der Errichtung eines Kabelsystems durch die Verbindung von Kabeln untereinander und mit elektrischen Betriebseinrichtungen hervorgerufen werden. Deshalb werden solche Kabel oder Kabelsysteme auch vor der Inbetriebnahme vor Ort auf ihre wichtigste Eigen­ schaft geprüft. Dies geschieht wiederum durch Beaufschlagen mit Spannung und Überprüfen auf Durchschlagsfestigkeit. Auf diese Weise kann das Vorliegen geforderter Mindest-Sicher­ heitsreserven der elektrischen Festigkeit nachgewiesen wer­ den.

Die Aussagekraft solcher Überspannungsprüfungen ist aller­ dings beschränkt, da man mit ihnen bestimmte Verlegungs-, Installations- und Alterungsfehler, die sich momentan noch nicht in einem Durchschlag zeigen, nicht erkennen kann. Ihre "Frühindikator"-Wirkung ist also begrenzt. Dies ist nachteilig, da zur Vermeidung unerwarteter Schadensfälle mit hohen Folgekosten der Wunsch besteht, frühzeitig vor­ beugende Maßnahmen, z B. vorzeitige Teilauswechselungen, treffen zu können.

Dazu kommt, daß die Überspannungen die Prüfobjekte auch schädigen können. Bei neuen Prüfobjekten fällt dies kaum ins Gewicht, da diese eine kurze elektrische Überlastung i.a. ohne bleibende Veränderungen und Lebensdauerverkürzung überstehen. Anders bei bereits gealterten Prüfobjekten, die auch oftmals auf diese Weise geprüft werden müssen. Denn - wie oben ausgeführt - müssen auch bestehende Anlagen bzw. Kabelsysteme wiederholt daraufhin kontrolliert werden müs­ sen, ob die geforderten Mindestsicherheitsreserven der elektrischen Spannungsfestigkeit noch vorliegen. Ferner müssen nach einer Reparatur oder einem Umbau bzw. einer Erweiterung einer bestehenden Anlage bzw. eines Kabelsy­ stems vor der Inbetriebnahme die Sicherheitsreserven kon­ trolliert werden. Bei älteren Kabeln kann sich nun das Anlegen einer Überspannung schädigend und lebensdauerver­ kürzend auswirken, selbst wenn die Anlage bzw. das Kabelsy­ stem der Prüfbelastung ohne Durchschlag standhält. Die Spannungsprüfung selbst kann also teilzerstörerisch sein.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen von Isolationseigenschaften von Prüfobjekten, insbesondere von Kabeln oder Kabelsystemen, insbesondere im Hochspannungsbereich bereitzustellen, mit dem diese Nachteile überwunden werden können. Dazu gehört auch die Bereitstellung einer entsprechenden Vorrichtung.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Ver­ fahren zum Bestimmen von Isolationseigenschaften von Prüf­ objekten, insbesondere von Kabeln oder Kabelsystemen, mit folgenden Schritten:

• a) Beaufschlagen des Prüfobjekts mit einer Wechselgröße, insbesondere einer Mittelspannung oder Hochspannung,
• b) Erfassen einer dabei durch das Prüfobjekt fließenden und/oder an ihm abfallenden elektrischen Größe vom Zeit- in den Frequenzbereich,
• c) Fouriertransformieren dieser elektrischen Größe und
• d) Analysieren des aus der Fouriertransformation entstan­ denen Fourierpektrums, insbesondere Vergleichen des Fourierspektrums mit einem früher gewonnenen Fourier­ spektrum oder einem Referenzspektrum (Anspruch 1).

Die Beaufschlagung soll insbesondere mit einer Wechselgröße erfolgen, die einen harmonischen bzw. sinusförmigen Zeit­ verlauf aufweist. Als Wechselgrößen kommen sowohl Spannun­ gen als auch Ströme in Betracht.

Als Prüfobjekte kommen für das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere alle Arten von kapazitiv wirkenden Objekten in Betracht, z. B. Kabel oder Kabelsysteme einschließlich deren Systemkomponenten wie Verbindungsmuffen, Kabelendverschlüs­ se und andere Garnituren, daneben aber auch reine Dielek­ trika, die nur für die Messung in das Feld eines Kondensa­ tors gebracht werden.

Beispielsweise ist ein als Prüfobjekt dienendes Mittel­ spannungs- oder Hochspannungskabel ein Kondensator, und zwar ein langestreckter Koaxialkondensator: Die leitende Seele des Kabels bildet die eine Kondensatorelektrode, eine äußere halbleitende Schicht des Kabels bildet die andere. Die dazwischenliegende Kabelisolierung bildet ein Dieelek­ trikum zwischen den Kondensatorelektroden.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet zunächst ein gleichzeitiges Ausführen der Schritte a) und b), d. h. Er­ fassen einer elektrischen Größe während der Beaufschlagung der Prüfobjekts mit einer Wechselgröße. Anschließend werden die Verfahrensschritte c) und d) nacheinander ausgeführt. Dabei kann insbesondere der Schritt d), d. h. Analysieren und Vergleichen von Fourierspektren, manuell oder maschi­ nell durchgeführt werden.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man ein Fourierspektrum einer Größe, aus welchem sich auf material­ spezifische Eigenschaften und Materialänderungen schließen läßt. Zur Erläuterung dieses Zusammenhanges wird folgendes ausgeführt:
Unter Einwirkung eines elektrischen Wechselfeldes kommt es in einem idealen Kondensator (d. h. einem Kondensator ohne Dielektrikum und ohne Verluste) zu einem rein kapazitiven (d. h. um 90° zur Spannung phasenverschobenen) Verschie­ bungsstrom. Die Anwesenheit eines ideal isolierenden Di­ elektrikums im Kondensator bedingt einen zusätzlichen Pola­ risationsstrom, der neben einer kapazitiven Komponente eine nicht-phasenverschobene Komponente hat. Dazu kommt - da ein reales Dielektrikum nicht vollständig isoliert - ein Lei­ tungsstrom, der nicht-phasenverschoben ist. Kapazitive Stromkomponenten führen zu reiner Blindleistung, während nicht-phasenverschobene zu einer Wirkleistung führen und daher auch als "Verluststrom" bezeichnet werden. Das Ver­ hältnis von nicht-phasenverschobener zu kapazitiver Gesamt-Kom­ ponente liegt bei guten Isolationen bei etwa 1/10⁴.

Die Verlustströme sind i.a. komplizierte nichtlineare Funk­ tionen der angelegten Spannung; das Ohmsche Gesetz gilt für sie also nicht. Als Folge hat der Verluststrom bei sinus­ förmiger angelegter Spannung einen nicht-sinusförmigen Verlauf. Seine genaue Form ist von Material zu Material verschieden. Diese Phänomen haben A. Gemant im Aufsatz "Os­ zillographie von Strömen in Isolierstoffen" im Archiv für Elektrotechnik, XXIII. Band, 1930, und Fritz Liebscher im Aufsatz "Über die dielektrischen Verluste und die Kurven­ form der Ströme in geschichteten Isolierstoffen bei hohen Wechselfeldstärken von 50 Hz", 1942 beschrieben. Prakti­ sche Bedeutung hat dies allerdings nicht gewonnen.

Erst durch die hier vorgeschlagen Fouriertransformation der Zeitfunktionen erhält man nach entsprechender Analyse - vorzugsweise durch Vergleich des Fourierspektrums mit einem früher (mit demselben Prüfobjekt) gewonnenen Fourierspek­ trum oder einem (auf das Material des Prüfobjekts bezoge­ nen) Referenzspektrum - aussagekräftige Resultate, mit denen man mit hoher Genauigkeit auf das vorliegende Die­ lektrikum, seinen Alterungszustand und weitere Material­ veränderungen, wie sog. water-trees, thermisch bedingte chemisch-physikalische Prozesse usw. schließen kann.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren hat also folgende Vor­ teile:

• - es erlaubt umfassende Isolationsdiagnostik, insbeson­ dere eine Früherkennung von inneren Alterungsprozessen im Isoliermaterial, Water-Tree-Bildung, etc. und
• - es kann im Betriebsspannungsbereich oder sogar dar­ unter durchgeführt werden und ist damit völlig zer­ störungsfrei.

Aufgrund seiner besonderen Aussagekraft über innere Alte­ rungsprozesse, Water-Tree-Bildung, etc. wird das Verfahren bevorzugt vor Ort, insbesondere am Ort bereits verlegter Kabel, durchgeführt (Anspruch 2), da nur so bereits instal­ lierte Kabel und Kabelsysteme mit vertretbarem Aufwand geprüft werden können.

Vorzugsweise wird bei dieser Messung als die elektrische Größe der durch das Prüfobjekt fließende Verluststrom (I_pw + I_R), der Gesamtstrom (I_c), der kapazitive Strom (I_Co + I_pc) oder einer dieser Ströme ohne den Grundwellenanteil ver­ wendet (Anspruch 3). Wie oben ausgeführt, trägt vor allem der Verluststrom die Information über die Nichtlinearitäten des Materials des Prüfobjekts. Er wird daher in erster Linie der Messung zugrundegelegt. Da er aber auch einen Teil des Gesamtstroms bildet, kann grundsätzlich auch die­ ser zur Messung verwendet werden. Nicht ausgeschlossen ist ferner, daß auch die kapazitive Komponente des Polarisa­ tionsstromes I_pc Nichtlinearitäten enthält und so der gesam­ te kapazitive Strom (I_Co + I_pc) zur Messung verwendet werden kann.

Bevorzugt wird das Prüfobjekt als Teil einer Brückenschal­ tung betrieben und der Verluststrom (I_pw + I_R) oder dessen Oberwellenanteile vom Gesamtstrom (I_c) durch einen entspre­ chenden Abgleich der Brückenschaltung abgetrennt (Anspruch 4). Insbesondere bieten sich zwei Abgleichmöglichkeiten an. Zum einen kann mittels geeigneten Brückenabgleichs der gesamte Verluststrom abgetrennt werden, indem Ströme, wel­ che gegen den kapazitiven Strom (I_Co + I_pc) eine Phasenver­ schiebung oder andere Frequenz haben, zwischen zwei Brücken­ punkten vollständig erfaßt werden. Zum anderen kann der­ art abgeglichen werden, daß nur die Oberwellen abgetrennt werden. Einzelne Signalkomponenten werden zum Teil besser diagnostiziert werden können, wenn die Grundwelle elimi­ niert worden ist.

Um eine Verfälschung von Meßergebnissen durch die zur Mes­ sung verwendete Meßeinrichtung auszuschließen, wird vor­ zugsweise die Übertragungsfunktion der Meßeinrichtung be­ stimmt und der Einfluß der Übertragungsfunktion der Meß­ einrichtung auf das Ergebnis der Fouriertransformation eli­ miniert, so daß sich ein sog. resultierendes Fourierspek­ trum ergibt, und dieses resultierende Fourierspektrum ana­ lysiert und/oder mit einem früher gewonnenen Fourierspek­ trum oder einem Referenzspektrum verglichen (Anspruch 5). Bei verschiedenen Einstellungen der Meßeinrichtung, z. B. einer Meßbrücke, die bei jeder Messung auf eine unter­ schiedliche Grundfrequenz abzugleichen ist, wird die Über­ tragungsfunktion der Meßeinrichtung für jede Einstellung bestimmt, z. B. mittels eines Signalgenerators. Anhand der Übertragungsfunktion kann beispielsweise mit Hilfe eines Computers jeweils das ursprüngliche, von der Meßeinrichtung unabhängige Signal zurückgerechnet werden. Somit können verschiedene Messungen verglichen werden, unabhängig davon, mit welcher Meßeinrichtung und welcher Einstellung sie ermittelt wurden.

Bei Vor-Ort-Prüfungen der elektrischen Festigkeit mittels Spannungsprüfung besteht das Problem, daß einerseits rela­ tiv große Prüfleistungen benötigt werden, andererseits aber die hierzu erforderlichen Versorgungsanlagen transportabel sein müssen.

Hier ergibt sich jedoch eine besondere Schwierigkeit: Der kapazitive Ladestrom erfordert wegen der großen Kabelkapa­ zitäten einen hohen Leistungsbedarf, wodurch das Gewicht eines die Prüfleistung erbringenden Prüftransformators entsprechend hoch ausfällt, so daß dieser nur noch unter Schwierigkeiten transportabel ist.

Die guten dielektrischen Eigenschaften und insbesondere die geringen Verluste moderner kunststoffisolierter Kabel er­ möglichen nun aber die Zusammenstellung von Schwingkreisen mit betriebsnaher Resonanzfrequenz, in denen das zu prüfen­ de Kabel bzw. Kabelsystem die Kapazität und eine transpor­ table Drossel die Induktivität bildet. Die zur laufenden Speisung des Schwingkreises benötigte Leistung ist kleiner als beispielsweise bei nicht resonanter Beaufschlagung bei betriebsnaher Frequenz. Die Speisung kann einerseits mit vorgegebener Frequenz (insbesondere Netzfrequenz und damit auch der Betriebsfrequenz) erfolgen; dann muß allerdings die Induktivität - was relativ aufwendig ist - verstellbar ausgeführt sein, um die Resonanzfrequenz genau auf die Speisefrequenz abstimmen zu können. Andererseits kann man - was weniger aufwendig ist - aus einem vorgegebenen Satz fester Drosseln eine auswählen, aus der eine betriebsnahe Resonanzfrequenz resultiert, und die Speisung des Schwing­ kreises von einem in der Frequenz verstellbaren Speisemit­ tel (z. B. einem netzgespeisten Umrichter) erfolgen lassen, das man auf die Resonanzfrequenz einstellt.

Bevorzugt wird das Prüfobjekt als Kapazität oder Teil einer Kapazität in eine Schaltung mit einer Induktivität imple­ mentiert, so daß ein Schwingkreis gebildet wird, oder von einer solchen Schaltung ausgegangen wird, bei welchem das Beaufschlagen des Prüfobjekts im Schritt a) mit folgenden Unterschritten ausgeführt wird:

• a1) Energieeinspeisen in den Schwingkreis mit Hilfe einer Energieeinspeisevorrichtung (3),
• a2) Abkoppeln und/oder Ausschalten der Energieeinspeise­ vorrichtung (3), so daß der Schwingkreis frei schwingt, und

das Erfassen der durch das Prüfobjekt fließenden Größe (Schritt b)) nur während abgekoppelter bzw. ausgeschalteter Energieeinspeisevorrichtung (3) durchgeführt wird (Anspruch 6).

Sobald der Schwingkreis frei schwingt, sterben - unter der Annahme, daß sich alle Elemente des Schwingkreises linear verhalten - nach kürzester Zeit alle Frequenzanteile au­ ßerhalb der Resonanzfrequenzüberhöhung des Schwingkreises aus, und es verbleibt - abgesehen von der Dämpfung des Schwingkreises - eine rein sinusförmige Schwingung im Schwingkreis. Auf diese Weise werden Störungen aus dem Netz oder sonstige Störungen, die etwa mit dem Energieeinspeisen zusammenhängen (z. B. von einem Frequenzumrichter herrüh­ rende Störsignale), wirksam aus dem Schwingkreis beseitigt. Aufgrund der i.a. sehr verlustarmen Kabelisolationen und der Möglichkeit, auch die verwendete Induktivität verlust­ arm auszubilden, ist die Dämpfung des Schwingkreises i.a. sehr gering; seine typische Güte Q liegt bei etwa Q = 200. Somit bleibt die Resonanzschwingung des Schwingkreises lange genug erhalten, um im frei schwingenden Zustand mes­ sen zu können. Im Extremfall kann die Schwingung bis zu einer halben Stunde bestehen bleiben.

Die so erreichte Störungsfreiheit erlaubt es, auch winzige tatsächlich auftretende Abweichungen von der rein sinus­ formigen Schwingung dem Einfluß der Isolation des Prüfob­ jekts zuzuschreiben (Die Induktivität kann bei entsprechen­ der Auslegung im Nicht-Sättigungsbereich ihrer ggf. vorhan­ denen Eisenkerne betrieben werden, so daß sie sich prak­ tisch linear verhält). Damit kann man Messungen kleinster Signale und nichtsinusförmiger Beiträge, die Information über das Isolationsmaterial tragen auch vor Ort praktisch frei von externen Störungen durchführen. Wegen der so er­ reichten hohen Sensitivität kann man bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren in der Regel das Anlegen von Überspannun­ gen an das Prüfobjekt vermeiden, es genügt meist die Be­ triebsspannung des Prüfobjekts oder sogar eine kleinere Spannung. Das Abkoppeln bzw. Ausschalten im Schritt b) kann also vor, bei oder kurz nach Erreichen der Betriebsspannung erfolgen. Falls gewünscht, kann das Verfahren aber auch im Überspannungsbereich durchgeführt werden.

Insbesondere bei der Vor-Ort-Prüfung wird der für das Ver­ fahren benötigte Schwingkreis nicht von vornherein vorhan­ den sein, sondern muß erst durch Zusammenschaltung des zu prüfenden Kabels oder Kabelsystems mit der Induktivität aufgebaut werden. Das Verfahren kann aber auch von einem bereits bestehenden Schwingkreis ausgehen, beispielsweise wenn die Alterung eines bestimmten Prüfobjekts laufend erforscht werden soll.

Um das freie Schwingen des Schwingkreises herbeizuführen, wird die Energieeinspeisevorrichtung abgekoppelt und/oder ausgeschaltet. Ein Beispiel für eine Abkoppeln ist das Abtrennen eines der Energieeinspeisung dienenden Frequenz­ umrichters vom Schwingkreis, etwa mit Hilfe eines oder mehrerer in der Energiespeiseleitung angeordneter Reed-Relais. Ein Beispiel für ein Abschalten ist das Öffnen der für die Frequenzumrichtung verantwortlichen elektronischen Schalter des Frequenzumrichters.

Dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Gedanke zugrunde, daß bei herkömmlichen Resonanz-Span­ nungsüberhöhungsmessungen im Betriebsfrequenzbereich exter­ ne Störsignale vorliegen können, die die Auswertung klei­ ner, der Schwingkreisschwingung überlagerte schwingkreisin­ trinsische Signale oder Größen, wie der Verlustströme, stö­ ren. Es wurde gefunden, daß man durch Abtrennen bzw. Aus­ schalten der Energieeinspeisevorrichtung externe Störsigna­ le einfach und wirksam weitgehend ausschalten kann und verbleibende kleinste Abweichungen von der Sinusform der Schwingkreisschwingung im wesentlichen auf den Einfluß der Isolation des Prüfobjekts zurückgehen. In diesem Zusammen­ hang wurde auch erkannt, daß die Dämpfung des Schwingkrei­ ses i.a. so klein ist, daß die frei schwingende Schwingung lange genug anhält, um diese Abweichungen messen zu können.

Grundsätzlich kann die Speiseenergie in der Frequenz von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises abweichen oder auch breitbandig sein. Um jedoch die Speiseenergie effektiv in den Schwingkreis einkoppeln zu können, wird jedoch vor­ teilhaft zum Energieeinspeisen eine Energieeinspeisefre­ quenz im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz des Schwingkreises gewählt. Grundsätzlich kann man dies durch Anpassen der Resonanzfrequenz an die gegebene Energieein­ speisefrequenz tun, etwa durch Verändern der Induktivität. Bevorzugt paßt man jedoch die Energieeinspeisefrequenz der gegebenen Resonanzfrequenz an, z. B. mit Hilfe eines fre­ quenzverstellbaren Frequenzumformers oder -umrichters. Besonders bevorzugt entnimmt man die Energie aus einem Netz und formt sie auf eine Wechselgröße mit Resonanzfrequenz um (Anspruch 7).

In beiden Fällen muß man die Resonanzfrequenz entweder von vornherein kennen oder zunächst ermitteln, beispielsweise durch Messen elektrischer Größen im Schwingkreis (z. B. Strom oder Spannung) bei gleichzeitigem Ändern der Energie­ einspeisefrequenz, bis die elektrische Größe einen Extrem­ wert, z. B. einen Maximalwert erreicht hat.

Grundsätzlich kann die Speiseenergie direkt einem Strom­ erzeuger, z. B. einem fahrbaren kraftgetriebenen Generator­ aggregat entnommen werden. Die besonders bevorzugte Entnah­ me der Energie aus einem Netz, üblicherweise einem 50 oder 60 Hz-Netz, hat jedoch den Vorteil, daß kein entsprechender Stromerzeuger oder ähnliches für die Prüfung vor Ort mitge­ führt werden muß.

Um das Prüfobjekt möglichst unter realen Bedingungen zu testen, wird die Resonanzfrequenz vorteilhaft im Bereich der Frequenz gewählt, mit der das Prüfobjekt im üblichen Betrieb einem Wechselfeld ausgesetzt wird (Anspruch 8). Insbesondere liegt die Testfrequenz in einem Bereich einer tolerablen Abweichung von +/- 30 Hz von der Betriebsfre­ quenz (i.a. 50 oder 60 Hz).

Bevorzugt wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises fortlaufend überwacht und die Energieeinspeisefrequenz auf die Resonanzfrequenz geregelt (Anspruch 9). Dadurch kann sichergestellt werden, daß Änderungen der Resonanzfrequenz während des Verfahrens ausgeglichen werden können und somit das Energieeinspeisen immer optimal, d. h. bei Resonanzfre­ quenz, erfolgt.

Besonders vorteilhaft wird die Abfolge der Verfahrens­ schritte a1), a2) und b) wiederholt durchgeführt und ins­ besondere die dabei gewonnenen Meßergebnisse zur anschlie­ ßenden Durchführung der Schritte c) und d) zusammengefaßt werden (Anspruch 10). Das Wiederholen kann z. B. mehr als 10 bis 1000 mal durchgeführt werden. Dadurch kann man durch phasenrichtiges Addieren der einzelnen Messungen das Si­ gnal-Rausch-Verhältnis verbessern und zudem bei zufallsver­ teilten Vorgängen, wie z. B. Teilentladungen, den statisti­ schen Meßfehler verringern.

Bevorzugt wird das Energieeinspeisen geregelt durchgeführt und zwar durch Durchführen des Schrittes a1) bis eine am Prüfobjekt abfallende Spannung ein Anfangsniveau für die Prüfung, z. B. die Betriebsspannung, erreicht und Durchfüh­ ren des Schrittes a2) für jeweils eine einstellbare Zeit bzw. Anzahl von Perioden (Anspruch 11). Auf diese Weise können einerseits vergleichbare Anfangsbedingungen für nacheinander durchzuführende Messungen geschaffen werden. Andererseits erleichtert ein geregeltes Einspeisen bzw. Abkoppeln und oder Ausschalten der Energieeinspeisevorrich­ tung ein phasengleiches Einspeisen ermöglicht werden.

Bevorzugt kann wenigstens eine weitere Induktivität in den Schwingkreis und/oder wenigstens eine weitere Energieein­ speisevorrichtung hinzugefügt werden (Anspruch 12). Dies ermöglicht einerseits ein Anpassen der Resonanzfrequenz des Schwingkreises über einen größeren Bereich. Andererseits kann durch mehrere Energieeinspeisevorrichtungen ein schnelleres Energieeinspeisen bewerkstelligt werden. Dies ist insbesondere bei einem 3-Phasen-Netz vorteilhaft, bei dem aus jeder Phase mittels jeweils einer Energieeinspeise­ vorrichtung Energie in den Schwingkreis eingespeist werden kann.

Grundsätzlich kann man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Schritt b) außerdem weitere Messungen durchführen. Be­ sonders vorteilhaft ist die im folgenden genannte Meßart.

Vorteilhaft können nämlich mit dem Verfahren im Schritt b) auch Teilentladungen gemessen werden (Anspruch 13). Solche Teilentladungen überbrücken - anders als Durchschläge - nicht die gesamte Potentialdifferenz im Prüfkörper, sondern nur einen kleinen Teil hiervon. Sie treten hauptsächlich in den gasgefüllten Hohlräumen der Isolation bzw. des Dielek­ trikums auf. Diese Hohlräume können entweder im Isolations­ material selbst oder als Spalten zwischen zwei verschiede­ nen Isolierkomponenten vorkommen. Ferner können Teilentla­ dungen an Übergängen zwischen verschiedenen Systemkomponen­ ten, wie Kabeln und Garnituren (Verbindungsmuffen, Kabe­ lendverschlüsse u.ä.) auftreten, beispielsweise wenn an deren Trennflächen Verschmutzungen oder Lufträume einge­ schlossen sind. Auch können verschiedene Alterungsprozesse und Materialveränderungen im Material zu Teilentladungen führen. Teilentladungen erodieren auf Dauer die Isolation und lassen so wachsende Kanäle entstehen, die in einem sich verstärkenden Prozeß zum (Voll-)Durchschlag führen.

Zur Messung von Teilentladungen wird hohe Wechselspannung (z. B. Betriebsspannung nahe der Betriebsfrequenz) an das Isoliersystem des Kabels oder Kabelsystems angelegt. Die Teilentladungen zeigen sich nach außen in Form sehr kleiner Spannungsimpulse, die der am Prüfobjekt abfallenden Wech­ selspannung überlagert sind. Das Verhältnis dieser Impulse zur angelegten Spannung beträgt typischerweise 1/10⁷. Die Teilentladungssignale sind sehr steil ansteigend, können also im Zeitbereich z. B. mit Hilfe eines Hochpasses von der niederfrequenten Hochspannungswelle abgetrennt werden.

Im Fourierspektrum zeigen Teilentladungen zwar keine cha­ rakteristischen Peaks bei bestimmten einzelnen Frequenzen, äußern sich jedoch breitbandig im Fourierspektrum. Auch diese Erscheinung kann grundsätzlich detektiert und ausge­ wertet werden.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen von Isolationseigenschaften von Prüfobjekten, insbesondere von Kabeln oder Kabelsystemen, unter Wechselgrößenbeauf­ schlagung, insbesondere im Mittelspannungs- oder Hochspan­ nungsbereich, mit ggf. einer Einrichtung zum Beaufschlagen des Prüfobjekts mit einer Wechselgröße, einer Meßeinrich­ tung zum Erfassen wenigstens einer durch das Prüfobjekt fließenden oder an ihm abfallenden elektrischen Größe, die zum Bestimmen der Isolationseigenschaften geeignet ist, Mitteln zum Fouriertransformieren der elektrischen Größe und ggf. Mitteln zum Analysieren des Fourierspektrums der elektrischen Größe bzw. des jeweiligen resultierenden Fou­ rierspektrums und/oder zum Vergleichen des jeweiligen Fou­ rierspektrums mit einem früher gewonnenen oder einem ent­ sprechenden Referenzspektrum (Anspruch 14). Diese Vorrich­ tung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens oder einer dessen o.g. Weiterbildungen vor­ gesehen.

Mittels der Meßeinrichtung wird wenigstens eine elektrische Größe gewonnen, die dazu geeignet ist, die Isolationseigen­ schaften des Prüfobjekts zu bestimmen, d. h. diese Größe trägt Information über materialspezifische Eigenschaften des Prüfobjekts und zwar insbesondere in Form von Abwei­ chungen von der Sinusform der Grundwelle der beaufschlagten Wechselgröße. Bei dieser elektrischen Größe handelt es sich insbesondere entweder um einen Strom durch das Prüfobjekt oder eine an dem Prüfobjekt abfallende Spannung.

Die Mittel zum Fouriertransformieren können z. B. ein fest­ verdrahteter Fourieranalysator, ein entsprechend ausgestat­ teter und programmierter Computer oder Mischformen hiervon, ggf. jeweils mit vorgeschaltetem Signal-Analysator sein. Die Mittel sind insbesondere für eine schnelle Fourierana­ lyse eingerichtet (sog. FFT). Die Fouriertransformation kann entweder in Echtzeit erfolgen bzw. bei Vor-Ort-Prüfung noch am Ort der Prüfung evtl. mit geringer zeitlicher Ver­ zögerung oder aber auch zu einem späteren Zeitpunkt, also beispielsweise anhand eines zuvor erfaßten Datensatzes.

Zu den Mitteln zum Analysieren und/oder Vergleichen von Fourierspektren, zählen insbesondere Computer, die die Spektren analysieren bzw. vergleichen und aus diesem Grund auf Daten früherer Messungen bzw. Referenzdaten zurückgrei­ fen können, um schnell zu Ergebnissen zu gelangen. Diese Mittel sind jedoch nicht zwingend erforderlich, da eine Analyse oder ein Vergleich von Fourierspektren prinzipiell auch von Hand durchgeführt werden kann.

Für einen Einsatz vor Ort ist die Vorrichtung vorzugsweise transportabel, insbesondere fahrbar, ausgebildet (Anspruch 15), beispielsweise ist sie auf einem Lastkraftwagen aufge­ baut.

Bevorzugt ist die Vorrichtung mit Mitteln zum Bestimmen der Übertragungsfunktion der Meßeinrichtung versehen und mit Mitteln zum Eliminieren des Einflusses der Übertragungs­ funktion der Meßeinrichtung auf das Ergebnis der Fourier­ transformation, um ein resultierendes Fourierspektrum zu erhalten (Anspruch 16). Dies können Mittel, wie ein Compu­ ter sein, die einerseits die Fourieranalyse durchführen und andererseits z. B. einen Signalgenerator ansteuern, der wiederum die Meßeinrichtung mit einem Signal bestimmter Amplitude und ggf. Phase und einer bestimmten (durchzufah­ renden) Frequenz betreibt.

Vorzugsweise umfaßt die Einrichtung zum Beaufschlagen we­ nigstens eine Induktivität, mit der ein das Prüfobjekt als Kapazität oder Teil einer Kapazität umfassenden Schwingkreis gebildet werden kann, wenigstens einer Ener­ gieeinspeisevorrichtung zum Energieeinspeisen in den Schwingkreis und wenigstens einem Mittel zum Abkoppeln und/oder Ausschalten der Energieeinspeisevorrichtung, so daß der Schwingkreis frei schwingen kann (Anspruch 17).

Bevorzugt ist wenigstens eine Energieeinspeisevorrichtung frequenzeinstellbar ausgebildet, um die Energieeinspeise­ frequenz an die Resonanzfrequenz anpassen und insbesondere die Einspeiseenergie aus einem Netz entnehmen zu können (Anspruch 18). Auf diese Weise kann besonders einfach die Energieeinspeisefrequenz gleich der Resonanzfrequenz ge­ wählt werden, um die oben beschriebene Resonanzüberhöhung von Strom und Spannung zu erreichen. Ferner kann die fre­ quenzeinstellbare Energieeinspeisevorrichtung zum Auffinden der Resonanzfrequenz dienen. Indem beispielsweise die Fre­ quenz von niedrigen zu hohen Frequenzen durchfahren wird, kann durch Messen elektrischer Größen (z. B. Strom, Span­ nung) im Schwingkreis ermittelt werden, bei welcher Fre­ quenz die Resonanzfrequenz liegt.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Steuer- bzw. Re­ geleinrichtung auf, die - insbesondere optisch - mit der Meßeinrichtung und/oder wenigstens einer Energieeinspeise­ vorrichtung gekoppelt ist, um insbesondere die Resonanz­ frequenz des Schwingkreises überwachen und die Energieein­ speisefrequenz auf die Resonanzfrequenz regeln zu können (Anspruch 20). Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung kann auch das Energieeinspeisen insgesamt und auch das Messen von Meßgrößen gesteuert bzw. geregelt durchführen. Durch die optische Kopplung der Meßeinrichtung mit der Steuer- bzw. Regeleinrichtung und/oder die optische Kopplung von Steuer- bzw. Regeleinrichtung mit der Energieeinspeisevorrichtung erzielt man eine galvanische Trennung zwischen diesen Ein- bzw. Vorrichtungen. Dies trägt dazu bei, die Störeinflüsse auf die empfindliche Meßeinrichtung und daneben auf die Steuer- bzw. Regeleinrichtung minimal zu halten.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung mit Mitteln zum gesteuer­ ten bzw. geregelten wiederholten Energieabkoppeln und/oder -ausschalten und ggf. auch mit Mitteln zum gesteuerten bzw. geregelten wiederholten Energieeinspeisen versehen (An­ spruch 21). Dem Einkoppeln von Energie können beispiels­ weise ein oder mehrere Transformatoren dienen, die mit einer Wicklung in den Schwingkreis geschaltet sind und mit der anderen mit der Energieeinspeisevorrichtung, z. B. einem Frequenzumrichter o. ä. gekoppelt sind. Die Mittel zum Ener­ gieabkoppeln können z. B. zwischen den Frequenzumrichter und die andere Transformatorwicklung geschaltete Reed-Relais sein. Die Mittel zum Ausschalten der Energieeinspeisevor­ richtung - und auch zum wiederholten Energieeinspeisen können z. B. Teil einer Ansteuerelektronik des Frequenzum­ richters sein, die ein beliebiges des Aus- und Einschalten des Ausgangs des Frequenzumrichters erlauben.

Bezüglich weiterer Eigenschaften und Vorteile der Gegen­ stände der Vorrichtungsansprüche, insbesondere der hier nicht abgehandelten, wird auf die obigen Erläuterungen der Verfahrensansprüche verwiesen.

Die Maßnahmen des Anspruchs 6 bzw. 17 können allgemein auch im Zeitbereich, d. h. auch ohne Fouriertransformation nach Anspruch 1 bzw. 14, vorteilhaft durchgeführt werden. Es wird daher der Vorbehalt erklärt, die Gegenstände des An­ spruchs 6 bzw. 17 und der darauf rückbezogenen Unteransprü­ che auch ohne Rückbezug auf einen der Ansprüche 1 bis 5 bzw. 14 bis 16 zu beanspruchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens;

Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines zeitlichen Ver­ laufs der Spannung im Schwingkreis;

Fig. 4 ein Zeigerdiagramm mit durch das Prüfobjekt flie­ ßenden Strömen und anliegender Spannung;

Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines zeitlichen Ver­ laufs des Verluststromes;

Fig. 6 ein Diagramm eines Verluststrom-Frequenzspektrums eines neuen Kabels;

Fig. 7 ein Diagramm eines Verluststrom-Frequenzspektrums eines Kabels mit Water-Tree-Bildung;

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild einer Meßvorrichtung zur Verluststromanalyse mit einer Scheringbrücke;

Fig. 9 ein schematisches Schaltbild einer Meßvorrichtung zur Verluststromanalyse mit einer Stromkompera­ tor-Meßbrücke;

Fig. 10 ein Schaltbild einer Meßvorrichtung zur Verlust­ stromanalyse und zum Messen der Übertragungsfunk­ tion einer Meßeinrichtung und

Fig. 11 ein idealisiertes Ersatzschaltbild eines Kabels bzw. eines Kabelsystems zur Veranschaulichung der Entstehung von Teilentladungssignalen.

In der Figur sind im wesentlichen funktionsgleiche Teile oder Größen mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens beschrieben. Fig. 1 zeigt eine zu untersu­ chende Kapazität C_x, die das Prüfobjekt darstellt bzw. ein Teil eines Prüfobjekts sein kann. Es kann sich dabei - wie oben ausgeführt wurde - um ein oder mehrere Kabel oder ein Kabelsystem handeln, aber auch um ein Dielektrikum, das in eine Kapazität eingebracht wird und dessen Isolationseigen­ schaften untersucht werden sollen. Im weiteren wird ange­ nommen, daß es sich bei C_x um die Kapazität eines Kabels oder Kabelsystems handelt.

Eine Induktivität L und die Sekundärwicklung eines Trans­ formators 1 sind min der Kapazität C_x in Reihe geschaltet. Diese Elemente bilden so einen Schwingkreis. Der Transfor­ mator 1 dient zum Einspeisen von Energie in den Schwing­ kreis. Außerdem ist eine - in Fig. 1 nur schematisch darge­ stellte - Meßeinrichtung 2 vorgesehen, um - unten näher erläuterte - elektrische Größen an der Kapazität C_x zu messen. Diese werden mit einer (in Fig. 1 nicht gezeigten) Fouriertransformationseinrichtung z B. einem entsprechend programmierten Computer (Fig. 8) fouriertransformiert.

Eine Energieeinspeisevorrichtung 3 ist eingangsseitig mit einem Netz mit Frequenz f1 mit beispielsweise 50 oder 60 Hz koppelbar und ist ausgangsseitig mit der Primärwicklung des Transformators 1 verbunden. Die Energieeinspeisevorrichtung 3 umfaßt einen Frequenzumformer oder -umrichter (hier einen thyristorgesteuerten Frequenzumrichter), der die eingangs­ seitige Frequenz f1 in eine einstellbare ausgangsseitige Frequenz f2 umwandeln kann. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen umfaßt die Energieeinspeisevorrichtung einen (z. B. von einem Verbrennungsmotor angetriebenen) Generator, der direkt die Frequenz f2 liefern kann.

Eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung 4 steuert die Energie­ einspeisevorrichtung 3 sowie Mittel zum Ausschalten der Energieeinspeisevorrichtung 3. Im einfachsten Fall liegen diese Mittel in der Ausschaltbarkeit der Energiespeisevor­ richtung 3, sind also in dieser integriert. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen sind alternativ oder ergänzend Mittel zum Abkoppeln der Energieeinspeisevorrich­ tung vom Schwingkreis vorhanden, die ebenfalls von der Steuer- bzw. Regelvorrichtung gesteuert werden. Diese Mit­ tel zum Abkoppeln können beispielsweise elektronische oder mechanische Schalter (z. B. Reed-Relais) sein, die jeweils zwischen die Energieeinspeisevorrichtung und die Primär­ wicklung des Transformators geschaltet sind, um erstere vollständig vom Schwingkreis abtrennen zu können. Auch die Meßeinrichtung 2 ist mit der Steuer- bzw. Regeleinrichtung gekoppelt, um dieser einerseits Signale zu Steuerungszwecken zu liefern und andererseits selbst gesteuert werden zu können.

In den Schwingkreis wird nun nach Auffinden der Resonanz­ frequenz elektrische Energie mit einer Frequenz einge­ speist, die im wesentlichen dieser Resonanzfrequenz ent­ spricht, und zwar mittels der Energieeinspeisevorrichtung 3 über den Transformator 1 (Fig. 2, Schritt S1). Bei Errei­ chen der sog. Anfangsspannung, d. h. einer vorgegebenen Maximalspannung am Prüfobjekt wird die Energiespeisevor­ richtung 3 ausgeschaltet (z. B. indem die Thyristoren des Frequenzumrichters nicht mehr gezündet werden) und ggf. alternativ oder zusätzlich vom Transformator 1 getrennt, so daß der Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz frei wei­ ter schwingt (Schritt S2). Er hat somit keine Verbindung mehr mit dem Netz und ggf. auch nicht mit der (ausgeschal­ teten) Energieeinspeisevorrichtung, so daß keine Störungen mehr von dort in den Schwingkreis gelangen können. Bereits in den Schwingkreis gelangte Störsignale erfüllen nicht die Resonanzbedingung und sterben unmittelbar aus, so daß sich eine im wesentlichen rein harmonische Schwingung ausbildet. Die Abnahme der Schwingungsamplitude ist so klein, daß Mes­ sungen über eine ausreichende Zahl von Schwingungsperioden (z. B. 3-300) hinweg bei sich kaum verändernder Spannung durchgeführt werden können (Schritt S3).

Die Ausschaltung der Energieeinspeisevorrichtung und/oder ggf. deren Abtrennung von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 4 erfolgt für eine einstellbare vorbestimmte Zeit oder Anzahl von Schwingungsperioden. Nach Ablauf dieser Zeit bzw. Erreichen dieser Anzahl schaltet die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 4 die Energieeinspeisung 3 wieder ein bzw. koppelt sie wieder an, so daß die Spannung wieder auf das Anfangsniveau zurückgeregelt wird. Die Steuer- bzw. Regel­ einrichtung 4 schaltet während der Energieeinspeisepause die Messung ein. Um weitere mögliche Störungen zu vermei­ den, ist die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 4 optoelektro­ nisch mit der Meßeinrichtung 2 und/oder mit der Energieein­ speisevorrichtung 3 gekoppelt.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt des zeitlichen Verlaufs der bei dem Verfahren am Prüfobjekt anliegenden Spannung. Der Spannungsanstieg auf das Anfangsniveau erfolgt hier in kurzer Zeit nach dem Einschalten der Energiespeisevorrich­ tung 3, so daß er als Sprung erscheint. Man sieht, wie während einer Einspeisepause bei leicht absinkender Span­ nung die Messung durchgeführt werden kann. Dieser Vorgang wird periodisch z. B. n-mal wiederholt, wie auch Fig. 2 zeigt. Nach n Wiederholungen werden bei den Einzelmessungen gewonnene Ergebnisse zusammengefaßt und - wie im folgenden detailliert beschrieben wird - fouriertransformiert (Schritt S4). Das Ergebnis der Fouriertransformation wird dann analysiert und/oder z. B. mit Referenzergebnissen ver­ glichen (Schritt S5).

Fig. 4 zeigt ein Zeigerdiagramm mit der am Prüfobjekt (Ka­ pazität C_x) anliegenden Spannung U sowie dem durch das Prüfobjekt fließenden Gesamtstrom I_C. Zur Veranschaulichung ist gezeigt, wie sich dieser Gesamtstrom aus Komponenten verschiedener physikalischer Herkunft zusammensetzt: Ein dem Verschiebungsstrom in dem (gedachten) idealen Prüfob­ jektkondensator ohne Dielektrikum entsprechender kapaziti­ ver Strom I_Co eilt um 90° der Spannung vor. Ein von dem als ideal isolierend angenommenes Dielektrikum herrührender Polarisationsstrom I_p eilt um weniger als 90° vor. Ein Leitungsstrom I_R rührt schließlich von dem das reale Die­ lektrikum durchtretenden Strom aufgrund dessen nicht völlig verschwindenden Leitfähigkeit her, er liegt in Phase mit der Spannung U und trägt so zu einer Wirkleistung bei.

Der Polarisationsstrom I_p läßt sich zerlegen in eine Kom­ ponente I_pw, die ebenfalls in Phase liegt mit der Spannung U und somit auch zu einer Wirkleistung beiträgt; sie bildet zusammen mit dem Leitungsstrom I_R den sog. Verluststrom. Die andere Komponente I_pc des Polarisationsstrom I_p ist kapazi­ tiv, eilt also der Spannung U um 90° vor. Es ergeben sich somit im Zeigerdiagramm einerseits ein Verluststrom I_pw + I_R und andererseits ein kapazitiver Gesamtstrom I_Co + I_pc.

Aufgrund eines i. a. nichtlinearen Strom-Spannungs-Zusam­ menhangs des Isolationsmaterials sind diese Ströme nicht - wie die anliegende Spannung U - rein harmonisch, sondern sind mit Oberwellen behaftet. Das heißt, der Betrag des Zeigers I_R und auch der Betrag und Winkel des Zeigers I_p, und damit auch I_C, sind nicht konstant, sondern abhängig von der augenblicklichen Phasenlage. Das Zeigerdiagramm gemäß Fig. 4 kann so nur die Verhältnisse bei der Grundfrequenz-Kom­ ponente veranschaulichen.

Der Tangens des in Fig. 4 angegebenen Verlustwinkels δ bedeutet das Verhältnis vom Verluststrom I_pw + I_R zum kapa­ zitiven Gesamtstrom I_Co + I_pc. Dieser Verlustfaktor tanδ liegt bei hochwertigen Hochspannungskabeln typischerweise im Bereich 1/1000 bis 1/10 000.

Fig. 5 zeigt als rein harmonische Schwingung die Spannung U und als oberwellenbehaftete Schwingung den Verluststrom I_pw + I_R.

Die spektrale Verteilung des Verluststromes enthält hoch­ spezifische Informationen über Materialeigenschaften des Isolierstoffes. Das Fourierspektrum des Verluststromes ist gewissermaßen ein "Fingerabdruck" des Isolierstoffes. Man kann mit ihm verschiedene Isolierstoffe unterscheiden. Da zudem Alterungsprozesse, Water-Tree-Bildung und andere Änderungsprozesse die Spektralverteilung eines Isolier­ stoffes verändern, kann man durch Fourieranalyse des Ver­ luststroms Aufschluß über den Fortschritt solcher Prozesse und damit über den Zustand des Kabels gewinnen. Bei­ spielsweise zeigt Fig. 6 das Verluststromspektrum eines neuen Kabels und Fig. 7 das Verluststromspektrum eines Kabel mit Water-Tree-Bildung. Man erkennt, daß bestimmte Oberwellenanteile in Fig. 7 erheblich stärker ausgeprägt sind als in Fig. 6. Diese charakteristischen Unterschiede erlauben eine hochspezifische Bewertung des Kabelzustands, wobei bestimmte Isolationsschäden bereits lange vor dem Auftreten eines Durchschlags auffindbar sind.

Grundsätzlich kann es sein, daß eine solche Information nicht nur in der Spektralverteilung des Verluststromes, sondern auch der des kapazitiven Stromes enthalten ist, und zwar herrührend aus dem kapazitiven Polarisationsstrom I_pc. Aus Gründen der Meßtechnik ist es jedoch schwieriger, den extrem dominierenden Grundwellenanteil des kapazitiven Stromes I_Co + I_pc von den Oberwellenanteilen zu trennen. Meßtechnisch ist es wesentlich einfacher, vom Gesamtstrom I_C den Verluststrom I_pw + I_R (mit seiner nicht dominierenden Grundwelle) abzutrennen und zu analysieren.

Das Abtrennen des Gesamt-Verluststromes I_pw + I_R vom Ge­ samtstrom I_C kann insbesondere mit Brückenschaltungen er­ folgen.

Fig. 8 zeigt eine Meßvorrichtung zur Verluststromanalyse mit einer solchen Brückenschaltung, die sog. Schering­ brücke. Durch geeigneten Abgleich kann mit ihrer Hilfe der Verluststrom I_pw + I_R vom Gesamtstrom I_C abgetrennt werden. C_x die zu untersuchende Kapazität bzw. das Prüfobjekt in Form eines Kabels bzw. Kabelsystems, C_N bezeichnet eine ideale Kapazität, R₁ und R₂ bezeichnen jeweils einen ver­ stellbaren Widerstand und C₂ bezeichnet eine abschaltbare und verstellbare ideale Kapazität.

Zwischen den Brückenpunkten A und B ist ein Differenzver­ stärker 5 geschaltet, um einerseits die kleinen Signale zu verstärken, und um andererseits den Einfluß beiden Brücken­ punkten gemeinsamer Spannungspegel, die bezüglich nach­ geschalteter (ggf. geerdeter) Geräte vorliegen könnten, auszuschalten. Der zeitliche Verlauf der zwischen den Punk­ ten A und B abgegriffenen Spannung läßt sich dann mit einem geeigneten Gerät betrachten, beispielsweise einem Oszil­ loskop 6.

Ferner wird das Signal am Ausgang des Differenzverstärkers 5 einem Signal-Analysator 7 zugeführt. Anschließend gelangt das vom Signal-Analysator 7 aufgearbeitete Signal zu einem Computer 8, der die Fouriertransformation ausführt und das Fourierspektrum zur Darstellung bringt.

Die Brückenschaltung kann auf zweierlei Weisen betrieben werden:
Erstens kann sie im abgeglichenen Zustand (d. h. im Zustand der Spannungsgleichheit von A und B bei der Grundfrequenz) betrieben werden. Die Grundwelle wird dann nicht erfaßt bzw. würde auf einem Oszilloskop nicht dargestellt werden.

Zweitens kann sie bei nicht vollständig abgeglichener Brückenschaltung bzw. bei zunächst abgeglichener Brücken­ schaltung und anschließend verstelltem R betrieben werden. Dann erscheint auf dem Oszilloskop 6 bzw. einem Null-Indi­ kator ein mit dem Verluststrom proportionales Spannungs­ signal. Kapazitive Ströme bleiben abgeglichen und werden nicht angezeigt.

Die Brückenschaltung kann außerdem zur Messung der Kapazi­ tät C_x und des Verlustfaktors tanδ verwendet werden.

Fig. 9 zeigt eine andere Art von Meßbrücke für die Verlust­ stromanalyse, nämlich eine Stromkomperatormeßbrücke. Wie­ derum bezeichnet C_x die verlustbehaftete Kapazität des Prüfobjekts, C_N bezeichnet eine ideale Kapazität. Bei die­ ser Schaltung wird der Abgleich der Brücke mittels verän­ derlicher Transformatorübersetzungen erreicht. N₁, N₂, N₃, N₄ bezeichnen jeweils die Windungszahlen von Transformator­ wicklungen, aus denen sich die Übersetzungsverhältnisse der Transformatoren ergeben. Auch diese Schaltung ist mit einem Differenzverstärker 5, einem Oszilloskop 6, einem Signal-Ana­ lysator 7 und einem Computer 8 versehen. Analog zur Meßvorrichtung mit Schering-Brücke kann hiermit der Ver­ luststrom I_pw + I_R abgetrennt und analysiert werden.

Fig. 10 zeigt eine Meßvorrichtung entsprechend Fig. 8, die jedoch zusätzlich eine Schaltung zur Messung der Übertra­ gungsfunktion der Meßbrücke aufweist. Diese Messung der Übertragungsfunktion erfolgt, indem allein die Meßbrücken­ schaltung betrachtet wird, d. h. ohne zugeschaltete Induk­ tivität L sowie ohne zugeschaltete Energieeinspeisung, also ohne Energieeinspeisevorrichtung 3 und Transformator 1. Sie läuft folgendermaßen ab: Zunächst wird das Prüfobjekt in die Meßbrücke geschaltet, sodann wird die Meßbrücke mit einem definierten Eingangssignal einer bestimmten Frequenz beaufschlagt, und das Ausgangssignal, also das Signal zwi­ schen den Punkten A und B bzw. am Ausgang des Differenz­ verstärkers wird gemessen, im Signal-Analysator 7 und im Computer 8 weiterverarbeitet und schließlich mit dem Ein­ gangssignal verglichen. Durch Durchfahren aller (praktisch vorkommenden) Frequenzen läßt sich hieraus die Übertra­ gungsfunktion der Meßbrücke ermitteln. In entsprechender Weise läßt sich hieraus übrigens nicht nur die Übertra­ gungsfunktion einer Meßbrücke, sondern auch jeder anderen Meßeinrichtung bestimmen.

Eine Brückenschaltung kann i.a. immer nur für eine Frequenz abgeglichen werden kann. Von Abgleicheinstellung zu Ab­ gleicheinstellung erscheinen andere Frequenzen (Oberwellen) verschiedenartig gedämpft. Um die Meßergebnisse von ver­ schiedenen Abgleicheinstellungen miteinander vergleichen zu können, sollte daher der Einfluß dieser verschiedenen Dämp­ fungen eliminiert werden. Dazu wird die zuvor bestimmte Übertragungsfunktion der Meßeinrichtung für jede Abglei­ cheinstellung benötigt. Dies kann insbesondere erfolgen, indem nach jeder Messung die Übertragungsfunktion der Brücke bei der jeweiligen Abgleicheinstellung mittels eines Signal-Generators 9 gemessen wird. Anschließend wird anhand dieser Übertragungsfunktion mit Hilfe eines Computers 8 das ursprüngliche, schaltungsunabhängige Signal zurückgerech­ net.

Eine andere wichtige Messung zur Diagnostik von Prüfobjek­ ten, insbesondere Hochspannungs-Kabeln und -Systemen, die man zusätzlich durchführen kann, ist die Messung von Tei­ lentladungen. Man führt sie vorzugsweise im Zeitbereich durch, verwendet hierfür also i.a. nicht die Einrichtungen zur Fouriertransformation. Die Messung läuft zunächst par­ allel zur Verluststromanalyse, es wird nämlich zunächst Energie in den Schwingkreis eingespeist (Schritt S1), und dann wird die Energieeinspeisung bei einer bestimmten Span­ nung abgekoppelt bzw. ausgeschaltet wird (Schritt S2). An­ schließend wird beispielsweise die über dem Prüfobjekt abfallende Spannung gemessen (Schritt S3) bzw. mittels eines Oszilloskops 6 analysiert. Teilentladungen zeigen sich in einer Überlagerung der Eigenschwingung des Schwing­ kreises mit einzelnen zufallsverteilten Signalen ("Peaks"), die eine hohe Flankensteilheit aufweisen (entsprechend Frequenzen im Bereich von 20-200 kHz und höher). Diese Tei­ lentladungssignale können daher einfach vom Gesamtsignal abgetrennt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Hochpas­ ses oder Bandpasses.

Das resultierende Signal kann dann weiter untersucht wer­ den. Beispielsweise kann die Anzahl der Teilentladungspeaks sowie deren Amplitude genauen Aufschluß über den Isolierma­ terial-Zustand bzgl. Teilentladungen geben. Auch die Pha­ senlage der Teilentladungspeaks relativ zur Grundwelle kann Information tragen, und zwar über den Ort der Teilentladung im Inneren des Prüfobjekts. So zeigen sich sog. Koronaent­ ladungen nicht-feststoffisolierter Elektroden, z. B. Zufüh­ rungen vornehmlich bei den Maximalwerten der anliegenden Spannung, während Teilentladungsvorgänge im Inneren des Isolationsmaterials jedoch vorwiegend im Bereich der Null-Durchgänge der anliegenden Spannung auftreten.

Zur Verdeutlichung der elektrischen Verhältnisse bei Teil­ entladungen sei auf Fig. 11 verwiesen. Sie zeigt ein Er­ satzschaltbild eines Kabels bzw. eines Kabelsystems. Dieses läßt sich als Parallel-Reihen-Schaltung von vielen Kapazi­ täten vorstellen. Hohlräume lassen sich durch mit den Kapa­ zitäten parallelgeschalteten Funkenstrecken symbolisieren, die durch die Teilentladungen kurzgeschlossen werden, was sich außen an den Kabelklemmen jeweils in einem oben be­ schriebenen Teilentladungspeak bemerkbar macht. Bei fest­ stoffisolierten Kabeln oder Kabelsystemen können Teilentla­ dungen hauptsächlich in gasgefüllten Hohlräumen der Isola­ tion auftreten, die entweder in einem durchgehenden Iso­ lierkörper oder an Grenzflächen zwischen zwei Isolierkör­ pern vorkommen, wie an zusammengesetzten Isolationen und Garnituren (etwa Endverschlüssen und Verbindungsmuffen).

Mit den in Ausführungsbeispielen gezeigten Verfahren und dazugehörigen Vorrichtungen lassen sich der überwiegende Teil der auftretenden Störungen einfach und wirksam aus­ schalten. Nicht vollständig unterdrücken lassen sich nur atmosphärische Störungen (z. B. Rundfunksignale). Solche Störungen sind im allgemeinen relativ klein und können zudem näherungsweise durch Vergleichsmessungen, z. B. mit Hilfe einer Antenne ermittelt und dann vom Signal elimi­ niert werden. Daneben besteht die Möglichkeit, sie auf der Basis ihrer vom Nutzsignal abweichenden Frequenzcharakteri­ stik von den Nutzsignalen abzutrennen, sei es mit Hilfe von entsprechenden Bandpässen, sei es mit Hilfe von Frequenz­ schnitten im Fourierspektrum.

Bezugszeichenliste

1 Transformator
2 Meßeinrichtung
3 Energieeinspeisevorrichtung
4 Steuer- bzw. Regeleinrichtung
5 Differenzverstärker
6 Oszilloskop
7 Signal-Analysator
8 Computer
9 Signalgenerator
δ Verlustwinkel
C_x Kapazität des Prüfobjekts
L Induktivität

Claims (22)

1. Verfahren zum Bestimmen von Isolationseigenschaften von Prüfobjekten, insbesondere von Kabeln oder Kabel­ systemen, mit folgenden Schritten:

• a) Beaufschlagen des Prüfobjekts mit einer Wechsel­ größe, insbesondere einer Mittelspannung oder Hochspannung,
• b) Erfassen einer dabei durch das Prüfobjekt flie­ ßenden und/oder an ihm abfallenden elektrischen Größe vom Zeit- in den Frequenzbereich,
• c) Fouriertransformieren dieser elektrischen Größe und
• d) Analysieren des aus der Fouriertransformation entstandenen Fourierpektrums, insbesondere Ver­ gleichen des Fourierspektrums mit einem früher gewonnenen Fourierspektrum oder einem Referenz­ spektrum.

2. Verfahren nach Anspruch 1, welches vor Ort, insbeson­ dere am Ort bereits verlegter Kabel, durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die elektrische Größe ein durch das Prüfobjekt fließender Verluststrom (I_pw + I_R), ein Gesamtstrom (I_C), ein kapa­ zitiver Strom (I_Co + I_pc) oder einer dieser Ströme ohne entsprechenden Grundwellenanteil ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das Prüfobjekt als Teil einer Brückenschaltung betrieben wird und der Verluststrom (I_pw + I_R) oder dessen Oberwellenanteile vom Gesamtstrom (I_C) durch einen entsprechenden Abgleich der Brückenschaltung abgetrennt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die zu erfassende elektrische Größe mittels einer Meßeinrichtung (2) erfaßt wird, deren Übertra­ gungsfunktion bestimmt wird und der Einfluß der Über­ tragungsfunktion auf das Ergebnis der Fouriertrans­ formation eliminiert wird, so daß sich ein resultie­ rendes Fourierspektrum ergibt, und dieses resultieren­ de Spektrum analysiert wird und/oder mit einem früher gewonnenen Fourierspektrum oder einem Referenzspektrum verglichen wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Prüfobjekt als Kapazität (C_x) oder Teil einer Kapazität (C_x) in eine Schaltung mit einer Induk­ tivität (L) implementiert wird, so daß ein Schwing­ kreis gebildet wird, oder von einer solchen Schaltung ausgegangen wird, bei welchem das Beaufschlagen des Prüfobjekts im Schritt a) mit folgenden Unterschritten ausgeführt wird:

• a1) Energieeinspeisen in den Schwingkreis mit Hilfe einer Energieeinspeisevorrichtung (3),
• a2) Abkoppeln und/oder Ausschalten der Energieein­ speisevorrichtung (3), so daß der Schwingkreis frei schwingt, und

das Erfassen der durch das Prüfobjekt fließenden Größe (Schritt b)) nur während abgekoppelter bzw. ausge­ schalteter Energieeinspeisevorrichtung (3) durchge­ führt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem zum Energieein­ speisen eine Energieeinspeisefrequenz gleich der Reso­ nanzfrequenz des Schwingkreises gewählt wird, bevor­ zugt durch Anpassen der Energieeinspeisefrequenz und besonders bevorzugt durch Entnehmen der - zum Einspei­ sen in den Schwingkreis notwendigen - Energie aus einem Netz und Umformen dieser Energie auf eine Wech­ selgröße mit Resonanzfrequenz.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei wel­ chem die Resonanzfrequenz im Bereich der Frequenz gewählt wird, mit der das Prüfobjekt im üblichen Be­ trieb einem Wechselfeld ausgesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei wel­ chem die Resonanzfrequenz des Schwingkreises fortlau­ fend überwacht und die Energieeinspeisefrequenz auf die Resonanzfrequenz geregelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei wel­ chem die Verfahrensschritte a1), a2) und b) wiederholt durchgeführt werden und insbesondere die dabei gewon­ nenen Meßergebnisse zur anschließenden Durchführung der Schritte c) und d) zusammengefaßt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem das Energie­ einspeisen geregelt durchgeführt wird und zwar durch Durchführen des Schrittes a1) bis eine am Prüfobjekt abfallende Spannung ein Anfangsniveau erreicht und Durchführen des Schrittes a2) für jeweils eine ein­ stellbare Zeit bzw. Anzahl von Perioden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei wel­ chem wenigstens einer weiteren Induktivität (L) in den Schwingkreis und/oder wenigstens einer weiteren Ener­ gieeinspeisevorrichtung (3) hinzugefügt werden kann.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei wel­ chem in Schritt b) außerdem Teilentladungen gemessen werden.

14. Vorrichtung, insbesondere zum Durchführen eines Ver­ fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, zum Bestim­ men von Isolationseigenschaften von Prüfobjekten, insbesondere von Kabeln oder Kabelsystemen, unter Wechselgrößenbeaufschlagung, insbesondere im Mittel­ spannungs- oder Hochspannungsbereich, mit

• - ggf. einer Einrichtung zum Beaufschlagen des Prüfobjekts mit der Wechselgröße,
• - einer Meßeinrichtung (2) zum Erfassen wenigstens einer durch das Prüfobjekt fließenden und/oder an ihm abfallenden elektrischen Größe,
• - Mitteln zum Fouriertransformieren der elektri­ schen Größe und
• - ggf. Mitteln zum Analysieren des Fourierspektrums der elektrischen Größe bzw. des jeweiligen resul­ tierenden Fourierspektrums und/oder zum Verglei­ chen des jeweiligen Fourierspektrums mit einem früher gewonnenen oder einem entsprechenden Refe­ renzspektrum.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, welche transportabel, insbesondere fahrbar, ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15 mit Mitteln zum Bestimmen der Übertragungsfunktion der Meßeinrichtung (2) und mit Mitteln zum Eliminieren des Einflusses der Übertragungsfunktion der Meßeinrichtung (2) auf das Ergebnis der Fouriertransformation, um ein resultie­ rendes Fourierspektrum zu erhalten.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei welcher die Einrichtung zum Beaufschlagen folgendes umfaßt:

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei welcher wenigstens eine Energieeinspeisevorrichtung (3) frequenzeinstell­ bar ausgebildet ist, um die Energieeinspeisefrequenz an die Resonanzfrequenz anpassen zu können und ins­ besondere die Einspeiseenergie aus einem Netz entneh­ men zu können.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei welcher die Resonanzfrequenz des Schwingkreises im Bereich der Frequenz liegt, mit der das Prüfobjekt im üblichen Betrieb einem Wechselfeld ausgesetzt wird.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19 mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung (4), die - insbe­ sondere optisch - mit der Meßeinrichtung (2) und/oder wenigstens einer Energiespeisevorrichtung (3) gekop­ pelt ist, um insbesondere die Resonanzfrequenz des Schwingkreises überwachen und die Energieeinspeisefre­ quenz auf die Resonanzfrequenz regeln zu können.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20 mit

• - Mitteln zum gesteuerten bzw. geregelten wieder­ holten Energieabkoppeln und/oder -ausschalten und ggf.
• - Mitteln zum gesteuerten bzw. geregelten wieder­ holten Energieeinspeisen.