DE3309658A1 - Device for optically testing the breakdown strength of electrical insulation - Google Patents
Device for optically testing the breakdown strength of electrical insulationInfo
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Abstract
Description
Vorrichtung zur optischen Prüfung der Durchschlags-Device for the optical inspection of the breakdown
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.strength of electrical insulation The invention relates to to a device for the optical testing of the dielectric strength of a Solid insulation surrounding electrical conductors at high voltage potential with a flat component serving as a counter electrode, which is attached to the Is to be attached to the area of the surface of the insulation.
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.High-voltage electrical conductors, in particular for windings of magnets or machines, are often cast into a compact body, not only to fix them within the windings, but also to fix them at the same time to ensure adequate electrical insulation.
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.For example, the high-current superconductors are also required for one Large magnets of the so-called Large Coil Task (LCT) project for the development of a Fusion reactor are provided and by means of a cryogenic flowing in them Medium to be kept at the lowest possible temperature with a hardenable synthetic resin potted in a compact, block-like body under vacuum. A synthetic resin is used for this used, which cures at around 100 ° C for several days. You get one like that monolithic potting body surrounding the winding (cf. "IEEE Trans. on Magn.", Vol. MAG-17, No. 5, September 1981, pages 1726-1729). This potting body is then placed in a vacuum housing, which is also to cool to low temperature is.
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.This housing is at ground potential while the superconductor of the winding are at a higher electrical potential. In the event of a transition the winding from the superconducting to the normally conducting state, also called quench is referred to, the conductor potential can even be several kV.
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.With such a winding arranged in a vacuum housing, must consequently, there is always sufficient dielectric strength between the conductor parts and the parts that are at earth potential must be guaranteed.
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.It is particularly important to consider that in the vacuum of the Small amounts of the cryogenic medium can possibly penetrate the vacuum space. However, this can lead to the dielectric strength of these so designed Atmosphere comes to lie in the area of the so-called Paschen minimum, in which the dielectric strength is known to be extremely low (cf. "E and M", 1979, No. 5, pages 222 to 225 and "Electra", 1977, pages 67 to 86). For a helium atmosphere this minimum lies approximately in a pressure range between 0.1 and 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.When such a magnet winding is potted, the surface Holes, cracks and similar defects cannot be completely ruled out. These errors can then, however, be the cause of electrical breakdowns. It is therefore necessary Before installing it in the vacuum housing, potting the magnet winding for dielectric strength to examine its surface.
Hierzu ist es bekannt, den Vergußkörper an seiner Oberfläche mit einem elektrisch leitenden Lack wie z.B.For this purpose it is known to have the potting body on its surface with a electrically conductive paint such as
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.To paint conductive silver varnish and then at normal air pressure the Dielectric strength between this surface layer and the one on high voltage potential laid Visually check conductors for electrical breakdowns. However, since the magnet winding If it is to be operated under a high vacuum, it is desirable that the potting body of the coil to be tested for dielectric strength under appropriate operating conditions. To the known technique would, however, be adapted to the dimensions of the winding for this purpose large test housing required, which would also have to be transparent.
Eine entsprechende Prüfvorrichtung wäre äußerst aufwendig.A corresponding test device would be extremely expensive.
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.The object of the present invention is therefore to provide a test device to create a relatively simple way of checking the dielectric strength an insulation even under glow voltage conditions in the area of the Paschen minimum is possible.
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.This object is achieved according to the invention for the test device mentioned at the beginning solved in that the device has an evacuable test room open on one side containing housing, the vacuum-tight sealing with its opening on one side can be placed on the surface area to be tested, which has an inlet for Feeding a predetermined amount of a test gas into the test room is provided and that contains the counter electrode in the test room.
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.The advantages achieved with this configuration of the test device consist in particular that a test of the surface of the insulation for dielectric strength can also be carried out in the glow discharge area in which the Paschen minimum lies can. The test procedure to be performed with this device is therefore much more sensitive than the known method in which the surface is provided with a conductive layer as a counter electrode, which is also can generally only be removed completely with difficulty. The constructive effort the test device is relatively small.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Prüfvorrichtung nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous embodiments of the test device according to the invention emerge from the subclaims.
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.To further explain the invention and its in the subclaims marked embodiments, reference is made to the drawing, in which Figure 1 schematically shows a cross section through a test device according to the invention is illustrated. FIG. 2 shows a view from below of this test device.
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.The test device according to the invention shown in FIG. 1 can be used in particular in a superconducting large magnet, as it is for the mentioned LCT project is planned (see e.g. "Kerntechnik", 1978, No. 6, pages 274 to 281 or "Proc.
8th Symp. Engng. Probl. Fusion Research", IEEE Pub.No.8th Symp. Engng. Probl. Fusion Research ", IEEE Pub.No.
79CH1441-5NPS, 1979, Vol. III, Seiten 1169 bis 1173).79CH1441-5NPS, 1979, Vol. III, pages 1169 to 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.The entire winding of superconducting waveguides is with one Cast resin with filling that hardens at around 100 ° C for over 100 hours. A compact potting body is obtained in this way, which is to be cooled within a Vacuum housing is to be arranged.
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.In the figure, a part of this potting body, generally designated 2, is executed, in which the superconducting waveguide 3 are arranged. Between the outer surface 4 of the potting body 2 and these conductors 3 is a solid insulating layer 5 from the Synthetic resin with possibly embedded glass fabrics formed, the thickness d is, for example, a few mm. For testing dielectric strength this insulation layer 5 is on a region 6 of the surface 4 the inventive, Test device generally designated 8 put on. This testing device has a downwardly open housing 9, i.e. towards the surface 4, in particular consists of electrically insulating material. This housing consists of a flat plate 10 and a lateral sealing element 11 together. The flat plate 10 has, for example, a rectangular or round shape and consists in particular made of a transparent material such as plexiglass or colorless acrylic glass. It is provided on its outer edge 12 with a groove or recess 13 into which the sealing element 11 protruding over its underside is to be inserted. as Sealing element 11 can, for example, be a silicone cord or a rubber profile to serve. The sealing element 11 forms a test space 14 between the plate 10 and the surface 4 is limited. This test room is via a nozzle 15 to the a vacuum pump is to be connected, to be evacuated, so that the test device is then 8 is supported on the surface 4 due to the external air pressure. Furthermore, about an inlet connection 17, which is as far away as possible from the connection point of the connection 15 is arranged, introduced a predetermined amount of a test gas into the test space 14, around there predetermined pressure conditions, in which in particular the Paschen minimum is to train. To control the amount flowing through the test space 14 A needle connected to the inlet port 17 is used for test gas, for example valve 18. The pressure conditions in the test chamber 14 can be controlled by means of a Test chamber connected membrane vacuum meter 19 can be read.
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.Furthermore, on the underside of the transparent plate 10 is the test device 8, a wire mesh 21 is arranged in the test space 14. This wire mesh is used as a counter-electrode to the conductors 3 representing the other electrode and optionally also as a spacer element between the surface 4 and the plate 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.Now that the test room 14 has been evacuated and then in it the predetermined pressure conditions, for example a helium atmosphere, with the test gas between 0.1 and 100 mbar, are placed between the wire mesh 21 and conductors 3 a predetermined test voltage of several kV. For this the high-voltage potential is advantageously placed on the wire mesh 21, while the conductors 3 are at ground potential. There are cracks and voids in the insulation layer 5 are also pumped out during the evacuation of the test room 14, they point a much lower dielectric strength than if they were like the known methods would be filled with air at 1 bar. The test procedure with the The device according to the invention is therefore correspondingly sensitive. Through the plate 10 and the wire mesh 21 through it can then be visually observed on which Establish the area 6 of the surface 4 electrical breakdowns through the insulation layer 5 occur.
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.In the test device 8, it is not absolutely necessary that its plate 10 is made of a transparent material. If the breakdown current is sufficiently large, an opaque plate can also be provided. At namely, electrical breakdowns leave traces of the surface 4, their position after opening the housing 9 becomes apparent. From this you can then localize the respective breakdown points in the insulation layer 5. At the same time it is even possible that the entire housing 9, but at least the flat plate 10 is made of electrically conductive material. This plate can then also serve as a counter electrode, so that in this case a special wire mesh is not required is required.
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.The breakdown points identified can generally be repaired. For this purpose, for example, the cavities identified in this way can first be ground out in the insulation and then from the inside out, for example with the help of a syringe, with a vacuum degassing, low-viscosity synthetic resin, which is then cured.
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.In FIG. 2, the housing 9 according to FIG. 1 is shown in a bottom view. Parts that correspond to FIG. 1 are provided with the same reference numerals. In particular, the helium gas flow indicated by the arrow lines 22 can be seen from FIG from the inlet port 17 to the evacuation port 15 out.
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.In the embodiment of a test device shown in the figures according to the invention it was assumed that both the plate 10 of its housing 9 and the surface to be tested 4 of the potting body 2 are designed flat. The housing of the test device according to the invention can, however, also be curved Have plate or a bell-shaped or cup-shaped housing part to optionally to be able to check curved surfaces as well. In addition, they are also thinner Plates 10 conceivable, which when evacuating the test space 14 of the shape of the to be tested Customize the surface. In this case it is Wire mesh 21 as a spacer element absolutely necessary.
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.In addition to the above-described application of the test device for a superconducting cross magnet, especially in the context of the LCT project the test device is of course also intended for all other isolations which are surrounded by a vacuum space in which there is a risk that there are pressure conditions at which glow discharges in the area of the Paschen minimums can occur.
9 Patentansprüche 2 Figuren9 claims 2 figures
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