Tragbare PD-Diagnostik: Keramische Impulskondensatoren

Tragbare PD-Diagnostik: Keramische Impulskondensatoren

Abstract

Tragbare Impuls-Teilentladungsdiagnostikgeräte ermöglichen Isolationsprüfungen direkt an Kabelverbindungen, Transformatordurchführungen und Schaltanlagen. Das Gerät speichert 0.4 J pro Impuls bei 20 kV, begrenzt sein Messfenster um jeden Impuls und erkennt Defekte oberhalb von 10 pC. Dieser Artikel beschreibt die Gleichungen für Energie, Ladung und Detektion, die fünf Fehlerarten im Feld, die zu Fehlmessungen führen, sowie die Kondensatorregeln, die den Grenzwert von 5 pC gewährleisten.

1. Einleitung

Isolationsfehler treten häufig dort auf, wo sich die Geräte befinden. Eine Kabelverbindung in einem Schacht, eine Transformatordurchführung in einem Umspannwerk oder eine Schaltanlage in einem Kellerraum sind schwer zugänglich. Laborgeräte zur Teilentladungsprüfung sind schwer und netzbetrieben. Sie können nicht zu diesen Standorten transportiert werden, und der Transport der Geräte ins Labor verursacht genau die Ausfallzeiten, die die Prüfung eigentlich vermeiden sollte.

Ein tragbares Impuls-Teilentladungsprüfgerät schließt diese Lücke. Es wird mit einer Batterie betrieben und sendet kontrollierte Hochspannungsimpulse an das Prüfobjekt. Es meldet vor Ort ein Ergebnis (bestanden, Warnung oder nicht bestanden), und nur das zu prüfende Bauteil wird spannungsfrei geschaltet.

Die Anforderungen an die Konstruktion sind hoch. Das Gerät muss 10–30 kV Nanosekundenimpulse aus einem Akku erzeugen. Es muss genügend Impulse für eine Schallmessung abgeben, die Störungen eines aktiven Umspannwerks unterdrücken und so einfach zu bedienen sein, dass ein Servicetechniker vor Ort darauf vertrauen kann.

Dieser Artikel behandelt die Energie- und Ladegleichungen, die fünf Feldfehlerarten, die zu falschen Messwerten führen, und die Kondensatorspezifikationen, die dafür sorgen, dass ein rucksackgroßes Testgerät eine Laborgenauigkeit aufweist.

2. Kernmechanismus

2.1 Pro Anregungsimpuls gespeicherte Energie

Jeder Anregungsimpuls bezieht seine Energie aus dem Hochspannungsspeicher. Die gespeicherte Energie beträgt:

W_pulse = ½ · C · V²

Dabei ist C die Bankkapazität, V die Ladespannung und W_pulse die pro Impuls abgegebene Energie. Eine 20-kV- und 2-nF-Bank speichert 0.4 J pro Impuls; für eine Messung von 1,000 Impulsen werden daher 400 J an den Bankanschlüssen benötigt.

Ein Wirkungsgrad des Ladekreises von 50–70 % erhöht den Stromverbrauch der Batterie auf 0.6–0.8 kJ pro Messpunkt. Ein 200-Wh-Akku speichert 0.72 MJ, was für 900–1,200 Messpunkte vor dem Wiederaufladen ausreicht.

Die Speicherkapazität ist der entscheidende Faktor. Eine zu kleine Speicherkapazität kann nicht genügend Energie in einen tiefen Defekt einbringen. Eine zu große Speicherkapazität verlängert die Ladezeit pro Impuls und verkürzt die Batterielebensdauer. Der Wert wird durch die angestrebte Empfindlichkeit bestimmt.

2.2 Ladezeit, Wiederholungsrate und Erkennungswahrscheinlichkeit

Zwischen den Ladeimpulsen wird die Bank über einen DC/DC-Wandler von der Batterie aufgeladen. Für ein Konstantleistungsladegerät gilt:

t_charge ≈ W_pulse / P_charge

Dabei ist W_pulse die Energie pro Impuls, P_charge die Ausgangsleistung des Ladegeräts und t_charge die Ladezeit. Bei P_charge = 60 W und W_pulse = 0.4 J beträgt die Ladezeit 6.7 ms. Dies ermöglicht 100 Impulse/s.

Die Detektion folgt der Statistik eines seltenen Ereignisses. Bei einer Entladung, die mit der Wahrscheinlichkeit p pro Impuls auftritt, beträgt die Wahrscheinlichkeit, sie mindestens einmal in N Impulsen zu beobachten:

P_detect = 1 − (1 − p)^N

Dabei ist N die Impulsanzahl und p die Entladungswahrscheinlichkeit pro Impuls. Bei p = 0.01 ergeben 300 Impulse eine Detektionsrate von 95 % und 1,000 Impulse eine von 99.99 %. Die Wiederholungsrate ist innerhalb einer festgelegten Testzeit ein direkter Empfindlichkeitsmultiplikator.

2.3 Die 5-pC-Erkennungsgrenze vor Ort

Der Rauschpegel der Messkette bestimmt die kleinste Ladung, die das Instrument erfassen kann. Die gepulste Anregung begrenzt das Messfenster um jeden Puls und unterdrückt das 50-Hz-Feld des aktiven Netzes. Die minimal detektierbare Scheinladung beträgt:

q_min ≈ v_noise / (Z_det · k_sens)

Dabei ist v_noise die Kettenrauschspannung, Z_det die Detektionsimpedanz und k_sens die Kettenempfindlichkeit in mV pro pC. Bei 0.5 mV gegatetem Rauschen an 50 Ω und k_sens ≈ 0.1 mV/pC ergibt sich q_min ≈ 5 pC.

Dieser Wert eignet sich für Prüfarbeiten, da die kritische Fehlerschwelle in Kabelverbindungen und Schaltanlagen bei 10–100 pC liegt. Um diesen Wert zu halten, ist ein rauscharmes Eingangssignal erforderlich. Ein Koppelkondensator mit eigener Teilentladung erhöht den Wert und kaschiert die kleinen Fehler, die das Prüfgerät aufspüren soll.

2.4 Bankvolumen und echte Portabilität

Die Hochspannungsbank und ihre Isolierung bestimmen maßgeblich Gewicht und Volumen des Geräts. Das Bankvolumen nimmt mit steigender Energiedichte ab:

V_bank = W_pulse / w_vol

wobei w_vol die Energiedichte in J/cm³ und V_bank das aktive Volumen der Bank ist. Eine 0.4-J-Bank mit 0.45 J/cm³ benötigt weniger als 1 cm³ aktives Volumen. Eine ölimprägnierte Folienkondensator Für eine Bank mit 0.1 J/cm³ werden 4 cm³ plus ölgefüllte Verpackung benötigt.

Bei über 1,000 Feldaufnahmen wird deutlich, ob es sich bei dem Instrument um einen Rucksack oder einen Rollwagen handelt.

Abb. 1 — Die Detektionswahrscheinlichkeit erreicht 95 % bei 300 Impulsen und 99.99 % bei 1000 Impulsen, mit 0.4 J pro Schuss aus einer 20 kV, 2 nF Bank.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: 50-Hz-Störungen dringen durch das offene Fenster.

Ein Team, das eine unter Spannung stehende Schaltanlage prüfte, meldete starke Teilentladungsaktivität an allen Schaltfeldern. An einer stromlosen Sammelschiene verschwand die Aktivität. Das Messfenster hatte 50 Hz von der benachbarten, unter Spannung stehenden Sammelschiene in den Detektor eingekoppelt, und die automatische Schwellenwertanpassung hatte die Störung als Teilentladung interpretiert.

Ohne Abschirmung misst ein tragbares Gerät in einem unter Spannung stehenden Umspannwerk das Umspannwerk selbst anstatt der Isolierung.

Problempunkt 2: Durch nachlassende Batteriespannung verändert sich die Pulsamplitude während der Untersuchung

Ein frühes Modell entlud sich ohne Unterbrechung vollständig. Die Batteriespannung sank zwischen dem ersten und letzten Messpunkt um 15 %. Da die gespeicherte Energie proportional zu V² abnimmt, betrug der Verlust 30 %, und frühzeitig erkannte Mängel wurden später übersehen.

Das Gerät meldete zwei Stunden später eine saubere Lötstelle, nachdem an derselben Stelle 40 pC angezeigt wurden. Die Techniker vermuteten ein defektes Kabel. Die Ursache war jedoch der Ladezustand der Batterie.

Problempunkt 3: Die Alterung der Bankkonten senkt den gelieferten Puls

Feldzellen mit Film- oder Elektrolytzellen zeigten nach starker Beanspruchung einen Anstieg des ESR und eine Abnahme der Kapazität. Die Impulsflanke verlängerte sich von 8 ns auf 20 ns, und die Impulsenergie sank um ein Viertel.

Der Selbsttest maß ausschließlich die Ladespannung und bestand jedes Mal. Die Fehlerempfindlichkeit sank um 30–50 %, während das Ergebnis weiterhin grün angezeigt wurde.

Problempunkt 4: Fehlende Fachkenntnisse der Bediener führen zu Fehlentscheidungen bei grenzwertigen Messwerten.

Die Geräte werden von Servicetechnikern bedient, und nur wenige von ihnen sind Spezialisten für Teilentladungen. Anhand einer Rohsignalform und eines Schwellenwerts schaltete ein Team ein gesundes Gelenk ab, während ein anderes ein Gelenk passierte, das einen Defekt aufwies.

Das Messgerät muss die Interpretation selbstständig vornehmen. Die Ausgaben „Bestanden“, „Warnung“ und „Nicht bestanden“ mit protokollierten Belegen eliminieren Bedienervarianz aus der Untersuchung.

Problempunkt 5: Anlagen-EMI erzeugt Phantomfehler

Die Betätigung von Leistungsschaltern und das Schalten von Frequenzumrichtern erzeugen UHF-Transienten, die von einem tragbaren Detektor als Impulse erfasst werden. Bei einer Untersuchung wurden mehrere Entladungsquellen in einer Kabelrinne festgestellt, die sich bei der Inspektion als sauber erwiesen.

Der Diskriminator war für ein Labor kalibriert, daher überschritt die elektromagnetische Störung der Anlage den Schwellenwert. Falsch-positive Ergebnisse untergraben das Vertrauen der Bediener schneller als jeder übersehene Defekt.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Die Impulsenergie konstant halten, während sich die Batterie entlädt.

Die Ladespannung wird mittels Regelung im geschlossenen Regelkreis geregelt. Die Bankspannung und damit W_pulse = ½ · C · V² ist dann bei 20 % Ladezustand gleich wie bei 100 %.

Messen Sie die abgegebene Impulsenergie pro Schuss und pausieren Sie die Messung, wenn die Abweichung mehr als ±3 % beträgt. Fügen Sie einen Energiesparmodus hinzu, der die Wiederholungsrate reduziert und die Impulsamplitude beibehält.

Strategie 2: Keramikbehälter für eine kompakte und stabile Lagerung verwenden

Verwenden Sie Keramikkondensatoren der Klasse I mit einer Kapazität von 0.45 J/cm³, um die Kondensatorbank kompakt zu halten. Wählen Sie elektrolytfreie Bauteile mit einer Impulslebensdauer von mehr als 10⁶ Impulsen, damit die Impulsform über die gesamte Lebensdauer erhalten bleibt.

Der ESR-Wert sollte bei 100 kHz unter 10 mΩ liegen und der ESL-Wert so niedrig sein, dass eine Flankensteilheit von 8 ns erreicht wird. HVR-BSP Dickschichtwiderstand im Dämpfungsnetzwerk werden die gleiche Epoxidharz-Verkapselung und Spannungsklasse verwendet.

Strategie 3: Gating und Rauschunterdrückung automatisieren

Das Zeitfenster wird um jeden Anregungsimpuls herum getaktet. Das getaktete Zeitfenster wird mit einem Referenzzeitfenster ohne Impuls verglichen, und alle Messwerte, deren Hintergrundkopplung den Grenzwert überschreitet, werden markiert.

Fügen Sie Impulsformtests für Anstiegszeit, Dauer und Spektralband hinzu. Verwerfen Sie Schaltvorgänge und Funkimpulse als Nicht-PD, bevor sie den Schwellenwert erreichen. Protokollieren Sie die Verwerfungsrate pro Testpunkt, sodass eine steigende Rate als Datenqualitätswarnung angezeigt wird.

Eine niedrige Induktivität HVRGHP-Abtastwiderstand im Detektionspfad wird die gemessene Impulsform so angepasst, dass sie der gelieferten Impulsform möglichst nahe kommt.

Strategie 4: Die Interpretation in das Instrument einfließen lassen

Fügen Sie eine On-Board-Klassifizierung mit den Ausgängen „Bestanden“, „Warnung“ und „Nicht bestanden“ hinzu. Fügen Sie die scheinbare Ladung, die Impulsanzahl und das phasenaufgelöste Muster als Nachweis für jede Entscheidung hinzu.

Nach einer Sensorbewegung oder einem Kabelneuanschluss ist eine zweite Messung erforderlich, bevor eine Fehlerentscheidung getroffen wird. Die vollständigen Signalverläufe pro Testpunkt sollten gespeichert werden, damit ein Experte sie später überprüfen kann.

Strategie 5: Kalibrierung vor Ort, an jedem Vermessungstag

Integrieren Sie einen Kalibrator, der einen bekannten 10–50 pC-Impuls in die Anschlüsse des Testobjekts einspeist. Führen Sie ihn vor jeder Messung durch und passen Sie die Verstärkung an, sodass q_min vor Ort überprüft wird.

Führen Sie die Kalibrierung nach jedem Kabeltausch, jeder Steckverbinderänderung oder jeder Einwirkung extremer Temperaturen erneut durch. Geben Sie das Ergebnis in jedem Bericht an, damit Messungen von verschiedenen Tagen und verschiedenen Bedienern vergleichbar bleiben.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie).	10 kV Gleichstrom.	Hi-Pot 1.5× für 60 s.
Kapazität.	4700 pF ±20% (472M).	1 MHz, 1 V rms.
ESR bei 1 MHz.	unter 50 mΩ.	bei 25 °C.
Schleifeninduktivität (E40-Sehne).	unter 8 nH.	40 mm Anschlussabstand.
Isolationswiderstand.	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom.	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit.
Temperaturbereich.	−40 °C bis +125 °C.	IEC 60068-2-Reihe.
Impuls-dv/dt-Fähigkeit.	über 50 kV/µs.	bei Nennspannung.

5. HVC-Kondensatoren für tragbare PD-Impulsbänke

Die Bank legt die Größe des Instruments, die Genauigkeit der Vermessung und die Lebensdauer des Geräts fest. HVC baut N4700 Keramikkondensatoren der Klasse I von 1 kV bis 150 kV werden in einer 6,000 m² großen, firmeneigenen Fabrik in Dongguan, China, hergestellt.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Die Energiedichte beträgt 0.45 J/cm³. Das ist etwa das Dreifache des Wertes für einen vergleichbaren Folienkondensator, sodass eine 20-kV-Impulsbank in wenige Kubikzentimeter passt.
• Kein Elektrolyt und kein Verschleiß. Impulslebensdauer über 10⁶ Schüsse ohne Kapazitätsverlust, sodass die gespeicherte Energie W = ½ · C · V² und die Kantenschärfe über die gesamte Lebensdauer des Instruments erhalten bleiben.
• tanδ ≤ 0.1 % und ESR unter 10 mΩ bei 100 kHz. Schnelles Laden mit t_charge = W/P und eine saubere Entladung gewährleisten eine hohe Wiederholrate.
• TCC ±30 ppm/°C. Die Bankkapazität bleibt von einem kalten Morgen im Freien bis zu einem heißen Schaltanlagenraum konstant, sodass die Inbetriebnahmekalibrierung gültig bleibt.
• Teilentladung ≤ 5 pC bei Nennspannung. Die Batteriebank trägt nicht zu internen Entladungen im Detektionskanal bei, sodass die 5-pC-Abschirmgrenze eingehalten wird.
• Vergleichen Sie mit erstklassigen Marken. HVC-Teile entsprechen den elektrischen Parametern und Zuverlässigkeitsindikatoren von Vishay HVCC, KEMET Radialleitung und TDK UHV/FHV.

Lieferung und Support

Das HVCT8G und HVCT9G Diese Serien umfassen die Türgriff- und Scheibenbaugruppen für tragbare Tonköpfe. Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen, zusammenpassende Sets innerhalb von 6–10 Wochen geliefert, im Vergleich zu den üblichen 20–30 Wochen Lieferzeit bei den oben genannten Marken.

Senden Sie die Bankspannung, die Kapazität, die Zielempfindlichkeit und das Messprofil. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein entsprechendes Datenblatt mit Teilenummern, ESR- und tanδ-Werten bei der Betriebsfrequenz sowie ein Evaluierungsset mit zwei Proben.

A schnelle Erholungsdiode Im Ladegerät und einem passenden Widerstand im Dämpfungspfad wird die Impulskette von einem einzigen Lieferanten vervollständigt.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Wie viel Energie benötigt ein tragbares Teilentladungsmessgerät pro Impuls?

Aus W_pulse = ½ · C · V² folgt: Eine 20-kV-Batteriebank mit 2 nF speichert 0.4 J pro Impuls, und für 1,000 Impulse werden 400 J benötigt. Ein Ladewirkungsgrad von 50–70 % erhöht die Batterieentladung auf 0.6–0.8 kJ pro Messpunkt, was ein 200-Wh-Akku für 900–1,200 Messpunkte abdeckt.

Frage 2: Warum sinkt die Pulsamplitude während einer Messung?

Da die gespeicherte Energie proportional zu V² abnimmt, führt ein Kapazitätsabfall von 15 % des Akkus zu einem Energieverlust von 30 % bei den Impulsen. Die nachfolgenden Messpunkte weisen dann kleinere Impulse und schwächere Fehlersignale auf. Eine geschlossene Laderegelung eliminiert diesen Effekt, und ein Akkumodus mit reduzierter Wiederholrate erhält die Amplitude aufrecht.

Frage 3: Wie kann ich die Nachweisgrenze bei 5 pC halten?

Der Bodenwert ergibt sich aus q_min ≈ v_noise / (Z_det · k_sens). Halten Sie das Rauschen der getakteten Kette nahe 0.5 mV und den Kopplungspfad frei von internen Teilentladungen. Ein Koppelkondensator, der sich in seinem eigenen Dielektrikum entlädt, fügt dem Messkanal Ladung hinzu und hebt den Bodenwert für die gesamte Messung an.

Frage 4: Welches Dielektrikum eignet sich für eine tragbare Impulsbank?

Ein Dielektrikum der Klasse I, wie beispielsweise N4700, weist eine Kapazität von ±30 ppm/°C auf, verhält sich linear zur Spannung und hält den Verlustfaktor tanδ unter 0.1 %. Dielektrika der Klasse II verlieren unter Gleichstromvorspannung und mit steigender Temperatur an Kapazität, wodurch die gespeicherte Energie witterungsabhängig driftet und die Messergebnisse nicht mehr reproduzierbar sind.

Frage 5: Wie viele Impulse benötigt ein Testpunkt?

Ausreichend, um eine hohe Erkennungswahrscheinlichkeit zu gewährleisten. Bei p = 0.01 pro Impuls ergeben 300 Impulse eine Erkennungsrate von 95 % und 1,000 Impulse eine von 99.99 %. Die Wiederholungsrate bestimmt, wie viele Impulse in die Testzeit vor Ort passen. Daher erhöht eine Schnellladestation die Erkennungsrate, ohne dass ein längerer Besuch erforderlich ist.

Frage 6: Woran erkenne ich, dass die Bank überaltert ist?

Messen Sie die abgegebene Impulsenergie pro Schuss anstelle der Ladespannung. Alterung äußert sich in einer längeren Flanke und geringerer Energie. Eine Dünnschicht- oder Elektrolytbatterie kann 30–50 % ihrer Fehlerempfindlichkeit verlieren, obwohl der Spannungsselbsttest weiterhin bestanden wird. Eine Keramikbatterie mit einer Lebensdauer von 10⁶ Schüssen vermeidet diese Drift.

7. Referenzen

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Sicherheitsanforderungen für elektrische Mess-, Steuer- und Laborgeräte – Teil 1: Allgemeine AnforderungenGenf: IEC, 2016.
2. IEC 61071:2017, Kondensatoren für LeistungselektronikGenf: IEC, 2017.
3. IEC 60384-8, Festkondensatoren für elektronische Geräte – Teil 8: Festkondensatoren mit keramischem Dielektrikum, Klasse 1Genf: IEC, 2015.
4. IEC 60270, Hochspannungsprüfverfahren — TeilentladungsmessungenGenf: IEC, 2015.
5. Erickson, RW, und Maksimović, D., Grundlagen der Leistungselektronik, 3. Aufl. Cham: Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM, und Robbins, WP, Leistungselektronik: Wandler, Anwendungen und Design, 3. Aufl. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.
7. A. Mariscotti und L. Vaccaro, Eine Rogowski-Spule für Hochspannungsanwendungen, in: IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference 2008, S. 1069–1073, 2008. https://doi.org/10.1109/imtc.2008.4547197
8. Richtlinien für die Teilentladungsmessung gemäß IEC 60270, P. Mraz, S. Abdul Madhar, P. Treyer und U. Hammer (Haefely AG), TU Delft Repository, https://repository.tudelft.nl/record/uuid:81049202-9bf5-4b75-87aa-2b16842fd956 .
9. GB/T 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量 (Hochspannungsprüftechniken – Teilentladungsmessungen). Peking: 中国标准出版社, 2018.
10. Hochspannungskeramik-Kondensatoren für Leistungselektronik, H. Laville (Exxelia), technischer Artikel von EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-volt-ceramic-capacitors-for-power-electronics/ .
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Technische Ressourcen für Hochspannungs-Keramikkondensatoren, https://www.hv-caps.com