DE3309658A1 - Vorrichtung zur optischen pruefung der durchschlagsfestigkeit einer elektrischen isolation - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur optischen Prüfung der Durchschlags-
• festigkeit einer elektrischen Isolation Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Prüfung der Durchschlagsfestigkeit einer einen auf Hochspannungspotential liegenden elektrischen Leiter umgebenden, festen Isolation mit einem als Gegenelektrode dienenden, flächenhaften Bauteil, das an dem zu prüfenden Bereich der Oberfläche der Isolation anzubringen ist.
• Hochspannungführende elektrische Leiter, insbesondere für Wicklungen von Magneten oder Maschinen, werden vielfach zu einem kompakten Körper vergossen, um sie nicht nur innerhalb der Wicklungen zu fixieren, sondern um zugleich auch für eine ausreichende elektrische Isolation zu sorgen.
• So sind beispielsweise auch die Hochstromsupraleiter, die für einen Großmagneten des sogenannten Large-Coil-Task (LCT)-Projektes zur Entwicklung eines Fusionsreaktors vorgesehen sind und die mittels eines in ihnen strömenden kryogenen Mediums auf Tiefsttemperatur gehalten werden, mit einem aushärtbaren Kunstharz zu einem kompakten, blockartigen Körper unter Vakuum vergossen. Hierzu wird ein Kunstharz verwendet, das bei etwa 100°C während mehrerer Tage aushärtet. Man erhält so einen monolithischen, die Wicklung umschließenden Vergußkörper (vgl. "IEEE Trans. on Magn.", Vol. MAG-17, No. 5, September 1981, Seiten 1726 bis 1729). Dieser Vergußkörper wird dann in einem Vakuumgehäuse angeordnet, das ebenfalls auf Tieftemperatur zu kühlen ist.
• Dieses Gehäuse liegt auf Erdpotential, während sich die Supraleiter der Wicklung auf höherem elektrischen Potential befinden. Im Falle eines Übergangs der Wicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, der auch als Quench bezeichnet wird, kann das Leiterpotential sogar mehrere kV betragen.
• Bei einer solchen in einem Vakuumgehäuse angeordneten Wicklung muß folglich stets eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit zwischen den Leiterteilen und den auf Erdpotential befindlichen Teilen gewährleistet sein.
• Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, daß in das Vakuum des Vakuumraumes gegebenenfalls geringe Mengen des kryogenen Mediums eindringen können. Dies kann aber dazu führen, daß dann die Durchschlagsfestigkeit dieser so ausgebildeten Atmosphäre in den Bereich des sogenannten Paschenminimums zu liegen kommt, in dem die Durchschlagsfestigkeit bekanntlich äußerst gering ist (vgl. "E und M", 1979, Heft 5, Seiten 222 bis 225 und "Electra", 1977, Seiten 67 bis 86). Für eine Heliumatmosphäre liegt dieses Minimum ungefähr in einem Druckbereich zwischen 0,1 und 20 mbar.
• Bei einem Verguß einer solchen Magnetwicklung lassen sich in der Oberfläche Lunker, Risse und ähnliche Fehler nicht vollständig ausschließen. Diese Fehler können dann jedoch Ursache für elektrische Durchschläge sein. Es ist deshalb erforderlich, vor einem Einbau in das Vakuumgehäuse den Verguß der Magnetwicklung auf Durchschlagsfestigkeit seiner Oberfläche zu prüfen.
• Hierzu ist es bekannt, den Vergußkörper an seiner Oberfläche mit einem elektrisch leitenden Lack wie z.B.
• Silberleitlack zu bestreichen und dann bei normalem Luftdruck die Durchschlagsfestigkeit zwischen dieser Oberflächenschicht und dem auf Hochspannungspotential gelegten Leiter auf elektrische Durchschläge optisch zu prüfen. Da jedoch die Magnetwicklung unter Hochvakuum betrieben werden soll, ist es erwünscht, den Vergußkörper der Spule auf Durchschlagsfestigkeit bei entsprechenden Betriebsbedingungen zu prüfen. Nach der bekannten Technik wäre jedoch hierzu ein den Abmessungen der Wicklung angepaßtes großes Prüfgehäuse erforderlich, das zudem noch durchsichtig sein müßte.
• Eine entsprechende Prüfvorrichtung wäre äußerst aufwendig.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Prüfvorrichtung zu schaffen, mit der auf verhältnismäßig einfache Weise eine Uberprüfung der Durchschlagsfestigkeit einer Isolation auch unter Glimmspannungsbedingungen im Bereich des Paschenminimums möglich ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für die eingangs genannte Prüfvorrichtung dadurch gelöst, daß die Vorrichtung ein einen evakuierbaren, einseitig offenen Prüfraum aufweisendes Gehäuse enthält, das mit seiner einseitigen Öffnung vakuumfest abdichtend auf dem zu prüfenden Oberflächenbereich aufsetzbar ist, das mit einem Einlaß zur Zuführung einer vorbestimmten Menge eines Testgases in den Prüfraum versehen ist und das in dem Prüfraum die Gegenelektrode enthält.
• Die mit dieser Ausgestaltung der Prüfvorrichtung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Prüfung der Oberfläche der Isolation auf Durchschlagsfestigkeit auch im Glimmentladungsbereich, in dem das Paschenminimum liegt, vorgenommen werden kann. Das mit dieser Vorrichtung durchzuführende Prüfverfahren ist deshalb wesentlich empfindlicher als das bekannte Verfahren, bei dem die Oberfläche mit einer leitenden Schicht als Gegenelektrode versehen wird, die sich zudem noch im allgemeinen nur schwer restlos wieder entfernen läßt. Der konstruktive Aufwand der Prüfvorrichtung ist dabei verhältnismäßig gering.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Prüfvorrichtung nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Ausgestaltungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 schematisch ein Querschnitt durch eine Prüfvorrichtung nach der Erfindung veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt eine Unteransicht dieser Prüfvorrichtung.
• Die in Figur 1 dargestellte Prüfvorrichtung nach der Erfindung kann insbesondere bei einem supraleitenden Großmagneten eingesetzt werden, wie er für das genannte LCT-Projekt vorgesehen ist (vgl. z.B. "Kerntechnik", 1978, Nr. 6, Seiten 274 bis 281 oder "Proc.
• 8th Symp. Engng. Probl. Fusion Research", IEEE Pub.No.
• 79CH1441-5NPS, 1979, Vol. III, Seiten 1169 bis 1173).
• Die gesamte Wicklung aus supraleitenden Hohlleitern ist mit einem Gießharz mit Füllung vergossen, das bei etwa 100°C während über 100 Stunden aushärtet. Es wird so ein kompakter Vergußkörper erhalten, der innerhalb eines zu kühlenden Vakuumgehäuses anzuordnen ist.
• In der Figur ist ein Teil dieses allgemein mit 2 bezeichneten Vergußkörpers ausgeführt, in dem die supraleitenden Hohlleiter 3 angeordnet sind. Zwischen der äußeren Oberfläche 4 des Vergußkörpers 2 und diesen Leitern 3 ist eine feste Isolationsschicht 5 aus dem Kunstharz mit gegebenenfalls eingelagerten Glasgeweben ausgebildet, deren Dicke d beispielsweise einige mm beträgt. Zur Prüfung der Durchschlagsfestigkeit dieser Isolationsschicht 5 ist auf einem Bereich 6 der Oberfläche 4 die erfindungsgemäße, allgemein mit 8 bezeichnete Prüfvorrichtung aufgesetzt. Diese Prüfvorrichtung weist ein nach unten hin, d.h. nach der Oberfläche 4 hin offenes Gehäuse 9 auf, das insbesondere aus elektrisch isolierendem Material besteht. Dieses Gehäuse setzt sich aus einer ebenen Platte 10 und einem seitlichen Dichtungselement 11 zusammen. Die ebene Platte 10 hat beispielsweise rechteckige oder auch runde Gestalt und besteht insbesondere aus einem durchsichtigen Material wie z.B. aus Plexiglas oder aus farblosem Acrylglas. Sie ist an ihrem Außenrand 12 mit einer Nut oder Ausnehmung 13 versehen, in die das über ihre Unterseite herausragendes Dichtungselement 11 einzulegen ist. Als Dichtungselement 11 kann beispielsweise eine Silikonschnur oder ein Gummi-Profil dienen. Von dem Dichtungselement 11 wird ein Prüfraum 14 zwischen der Platte 10 und der Oberfläche 4 begrenzt. Dieser Prüfraum ist über einen Stutzen 15, an den eine Vakuumpumpe anzuschließen ist, zu evakuieren, so daß sich dann die Prüfvorrichtung 8 auf der Oberfläche 4 aufgrund des äußeren Luftdruckes abstützt. Ferner wird über einen Einlaßstutzen 17, der möglichst weit entfernt von der Anschlußstelle des Stutzens 15 angeordnet ist, eine vorbestimmte Menge eines Testgases in den Prüfraum 14 eingeleitet, um dort vorbestimmte Druckverhältnisse, in denen insbesondere das Paschenminimum liegt, auszubilden. Zur Steuerung der durch den Prüfraum 14 strömenden Menge dieses Testgases dient beispielsweise ein an den Einlaßstutzen 17 angeschlossenes Nadel ventil 18. Die Druckverhältnisse in dem Prüfraum 14 können mittels eines an den Prüfraum angeschlossenen Membran-Vakuummeters 19 abgelesen werden.
• Ferner ist an der Unterseite der durchsichtigen Platte 10 der Prüfvorrichtung 8 in dem Prüfraum 14 ein Drahtgeflecht 21 angeordnet. Dieses Drahtgeflecht dient als Gegenelektrode zu den die andere Elektrode darstellenden Leitern 3 und gegebenenfalls auch als Abstandselement zwischen der Oberfläche 4 und der Platte 10.
• Nachdem nun der Prüfraum 14 evakuiert ist und in ihm anschließend mit dem Testgas die vorbestimmten Druckverhältnisse, beispielsweise eine Helium-Atmosphäre zwischen 0,1 und 100 mbar, ausgebildet sind, stellt man zwischen dem Drahtgeflecht 21 und den Leitern 3 eine vorbestimmte Prüfspannung von mehreren kV ein. Hierzu wird vorteilhaft an das Drahtgeflecht 21 das Hochspannungspotential gelegt, während sich die Leiter 3 auf Erdpotential befinden. Da Risse und Lunker in der Isolationsschicht 5 bei der Evakuierung des Prüfraumes 14 ebenfalls mit abgepumpt werden, weisen sie eine wesentlich niedrigere Durchschlagsfestigkeit auf, als wenn sie wie bei dem bekannten Verfahren mit Luft bei 1 bar gefüllt wären. Das Prüfverfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist deshalb entsprechend empfindlich. Durch die Platte 10 und das Drahtgeflecht 21 hindurch läßt sich dann optisch beobachten, an welchen Stellen des Bereiches 6 der Oberfläche 4 elektrische Durchschläge durch die Isolationsschicht 5 auftreten.
• Bei der Prüfvorrichtung 8 ist es nicht unbedingt erforderlich, daß ihre Platte 10 aus einem durchsichtigen Material besteht. Falls der Durchschlagsstrom ausreichend groß ist, kann auch eine undurchsichtige Platte vorgesehen werden. An der Oberfläche 4 hinterlassen nämlich elektrische Durchschläge Spuren, deren Lage nach Öffnung des Gehäuses 9 ersichtlich wird. Hieraus kann man dann die jeweiligen Durchschlagsstellen in der Isolationsschicht 5 lokalisieren. Cebenenfalls ist es sogar möglich, daß das gesamte Gehäuse 9, zumindest aber die ebene Platte 10 aus elektrisch leitendem Material besteht. Diese Platte kann dann auch als Cegenelektrode dienen, so daß in diesem Fall ein besonderes Drahtnetz nicht erforderlich ist.
• Die ermittelten Durchschlagsstellen lassen sich im allgemeinen reparieren. Hierzu können z.B. die so festgestellten Hohlräume in der Isolation zunächst ausgeschliffen und dann von innen heraus, beispielsweise mit Hilfe einer Spritze, mit einem vakuumentgasten, dünnflüssigen Kunstharz gefüllt werden, das anschließend ausgehärtet wird.
• In Figur 2 ist das Gehäuse 9 nach Figur 1 in Unteransicht dargestellt. Mit Figur 1 übereinstimmende Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Figur 2 geht insbesondere die durch gepfeilte Linien 22 angedeutete Helium-Gas-Strömung von dem Einlaßstutzen 17 zu dem Evakuierungsstutzen 15 hervor.
• Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel einer Prüfvorrichtung nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß sowohl die Platte 10 ihres Gehäuses 9 als auch die zu prüfende Oberfläche 4 des Vergußkörpers 2 eben gestaltet sind. Das Gehäuse der Prüfvorrichtung nach der Erfindung kann jedoch auch eine gekrümmte Platte oder ein glocken- bzw. topfförmiges Gehäuseteil aufweisen, um gegebenenfalls auch gekrümmte Oberflächen überprüfen zu können. Darüber hinaus sind auch dünnere Platten 10 denkbar, die sich bei Evakuierung des Prüfraumes 14 der Form der zu prüfenden Oberfläche anpassen. In diesem Fall ist das Drahtnetz 21 als Abstandselement unbedingt erforderlich.
• Neben der vorstehend beschriebenen Anwendung der Prüfvorrichtung für einen supraleitenden Croßmagneten, insbesondere im Rahmen des LCT-Projektes, kann die Prüfvorrichtung selbstverständlich auch für alle anderen Isolationen vorgesehen werden, die von einem Vakuumraum umgeben werden, in dem die Gefahr besteht, daß sich dort Durckverhältnisse einstellen, bei denen Glimmentladungen im Bereich des Paschenminimums auftreten können.
• 9 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (9)

1. Patentansprüche ½)Vorrichtung zur optischen Prüfung der Durchschlagsfestigkeit einer einen auf Hochspannungspotential liegenden elektrischen Leiter umgebenden, festen Isolation mit einem als Gegenelektrode dienenden, flächenhaften Bauteil, das an den zu prüfenden Bereich der Oberfläche der Isolation anzubringen ist, g ek e n n z e i c h n e t durch ein einen evakuierbaren, einseitig offenen Prüfraum (14) aufweisendes Gehäuse (9), a) das mit seiner einseitigen Öffnung vakuum fest abdichtend auf dem zu prüfenden Oberflächenbereich (6) der Isolation (5) aufsetzbar ist, b) das mit einem Einlaß (17) zur Zuführung einer vorbestimmten Menge eines Testgases in den Prüfraum (14) versehen ist und c) das in dem Prüfraum (14) die Gegenelektrode enthält.
2. 2. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gehäuse (2) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
3. 3. Prüfvorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gehäuse (2) zumindest teilweise aus einem durchsichtigen Material besteht.
4. 4. Prüfvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Gegenelektrode ein Drahtgeflecht (21) vorgesehen ist.
5. 5. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gehäuse (9) aus einer ebenen Platte (10) und einem Dichtungselement (11) gebildet ist, das an der Unterseite der Platte (10) an deren Aufenrand (12) angebracht ist.
6. 6. Prüfvorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Dichtungselement (11) in einer Nut oder Ausnehmung (13) angeordnet ist.
7. 7. Prüfvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Dichtungselement (11) aus einer Silikonschnur oder einem Gummiprofil besteht.
8. 8. Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß am Einlaß (17) des Testgases ein Ventil (18) vorgesehen ist.
9. 9. Prüfvorrichtung für eine mit einem Kunstharz vergossene supraleitende Magnetwicklung, die in einem gekühlten Vakuumgehäuse anzuordnen ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Helium-Gas-Atmosphäre in dem Prüfraum (14) mit einem Druck zwischen 0,1 und 100 mbar.