Kabel- und Schaltanlagenprüfung: Nanosekunden-Impuls-NDT

Kabel- und Schaltanlagenprüfung: Nanosekunden-Impuls-NDT

Abstract

Ein 50-Hz-Test belastet die Isolation langsam, und verschiedene Defektklassen lösen bei einer steilen Flanke bereits bei niedrigerer Spannung eine Entladung aus. Eine Nanosekunden-Impulsquelle legt diese Flanke an das Prüfobjekt an, und eine getaktete Breitbandmesskette erfasst die Reaktion Impuls für Impuls. Dieser Artikel beschreibt die Physik der Impulserzeugung, die fünf Feldfehler, die zu übersehenen Fehlern führen, sowie die Schritte zur Erzeugung und Detektion, die die Impuls-Teilentladungsprüfung für die Routineinspektion geeignet machen.

1. Einleitung

Bei einem herkömmlichen Teilentladungstest wird die Isolation mit einer 50-Hz- oder 60-Hz-Sinuswelle belastet und auf Entladungen während des Spannungsanstiegs geachtet. Das Verfahren ist bewährt, hat aber eine Schwäche: Viele beginnende Fehler weisen unter langsamer Belastung eine höhere Einsatzspannung auf als unter schneller transienter Belastung.

Gasgefüllte Hohlräume mit ausgeprägter Geometrie, kontaminierte Oberflächenschichten und Grenzflächenfehler in Kabelverbindungen und GIS-Abstandshaltern verhalten sich alle so. Unter dem Einfluss einer langsamen Sinuswelle baut sich die Ladung ab und schirmt den Defekt ab, bevor die Entladung einsetzt. Ein nanosekundenlanger Impuls erzeugt eine steile und lokalisierte Spannung an der Defektstelle, bevor diese Entspannung wirken kann.

Programme wie die der Technischen Universität München nutzen diesen Effekt. Eine Folge von Hochspannungsimpulsen im Nanosekundenbereich regt das Prüfobjekt an, und eine Breitbandmesskette erfasst die resultierende Entladung. Da die Anregung ein kontrollierter Impuls ist, kann die Antwort zeitlich erfasst, vom Hintergrundsignal unterschieden und mit dem auslösenden Impuls korreliert werden.

Dieser Artikel erläutert die Physik der Nanosekunden-Pulsanregung, die fünf Feldfehler, die zu übersehenen Fehlern führen, und die Konstruktionsschritte, die die Puls-TE-Prüfung zuverlässig genug für die routinemäßige Inspektion machen.

2. Kernmechanismus

2.1 Energiespeicherung und Impulserzeugung

Eine Nanosekunden-Impulsquelle speichert Energie in einem Kondensatorblock und gibt diese über einen schnellen Schalter an das Prüfobjekt ab. Die gespeicherte Energie richtet sich nach dem Kondensatorwert und der Ladespannung.

W = ½ · C · V²

Dabei ist W die gespeicherte Energie in J, C die Bankkapazität in nF und V die Ladespannung in kV. Eine 26 nF-Bank bei 20 kV speichert 5.2 J, was einen 40 mJ-Impuls mit großem Sicherheitsabstand abdeckt.

Die Anstiegszeit des abgegebenen Impulses ergibt sich aus der Induktivität der Entladeschleife und der Bankkapazität.

t_r ≈ 2.2 · √(L_loop · C)

Dabei ist t_r die Anstiegszeit in ns, L_loop die Schleifeninduktivität in nH und C die Kapazität der Schleife in nF. Bei einer 5 ns langen Flanke durch eine 200 nH Schleife liegt der Wert der Schleifenkapazität bei etwa 26 nF. Die interne Induktivität des Kondensators addiert sich zu L_loop, sodass jedes Nanohenry an ESL die Flanke dehnt und die Belastung des Defekts verringert.

2.2 Warum eine schnelle Flankenerkennung Fehler findet, die bei 50 Hz übersehen werden

Die Spannung an einer Defektstelle hängt davon ab, wie sich das Magnetfeld über die Defektgeometrie verteilt. In einem gasgefüllten Hohlraum in einer festen Isolierung folgt die Spannung über dem Hohlraum dem Permittivitätsverhältnis.

V_void = V_applied · (ε_r,ins · d_void) / (ε_r,void · d_ins + ε_r,ins · d_void)

Dabei ist V_void die Spannung über dem Hohlraum in kV, V_applied die angelegte Spannung in kV, ε_r,ins die relative Permittivität des Festkörpers, ε_r,void die relative Permittivität des Gases und d die Dicke in mm. Ein Hohlraum mit ε_r nahe 1 in Epoxidharz mit ε_r nahe 4 führt etwa das Vierfache des mittleren Feldes.

Unterhalb einer Nanosekunden-Flanke dominiert der kapazitive Teilungsprozess. Die schnelle Flanke erzeugt Spannungen im Hohlraum, bevor die Ladungsrelaxation diese abschirmen kann, sodass die Entladung bei einer niedrigeren angelegten Spannung als bei 50 Hz einsetzt. Messungen in diesem Bereich berichten von einer Reduzierung der Einsetzzeit um 20 % bis 40 % bei gasgefüllten Hohlräumen.

2.3 Die Detektionskette und die Zeitsteuerung

Die Antwort auf jeden Anregungsimpuls trifft innerhalb weniger hundert Nanosekunden nach der Flanke ein und ist deutlich vom 50-Hz-Hintergrundrauschen des Stromnetzes getrennt. Die Bandbreite der Kette folgt der eingebrachten Flanke.

f_max ≈ 0.35 / t_r

Dabei ist f_max die erforderliche Bandbreite in MHz und t_r die vorgegebene Anstiegszeit in ns. Eine 5 ns lange Flanke benötigt 70 MHz für den Peak und 100 MHz bis 500 MHz zur Auflösung der Entladungswellenform selbst.

Die Zeitgating-Methode bietet den Vorteil, dass sich das Erfassungsfenster um jeden Anregungsimpuls öffnet, sodass Störungen durch Gleichrichter, Funkgeräte und nahegelegene Geräte außerhalb der Aufzeichnung bleiben. Das Verfahren unterdrückt diese Störungen durch Zeitsteuerung, ohne dass ein Filter im Signalweg benötigt wird.

2.4 Wiederholungs-, Energie- und Isolationsspannung

Jeder Impuls erzeugt einen kurzen Spannungsstoß am Prüfobjekt, wobei die Prüfung intakte Isolierung nicht beschädigen darf. Die Energie pro Impuls hängt von der Kapazität des Objekts ab.

E_pulse = ½ · C_obj · V²

Dabei ist E_pulse die Energie pro Schuss in mJ, C_obj die Objektkapazität in pF und V die Impulsspannung in kV. Ein 1 m langes Kabel mit 200 pF nimmt bei 20 kV 40 mJ pro Schuss auf, was thermisch vernachlässigbar ist. Die transiente Spannung selbst ist die relevante Belastung.

Die Anzahl der Wiederholungen muss ausreichen, um genügend Entladungsstatistiken zu sammeln, typischerweise 100 bis 1,000 Schüsse pro Testpunkt, während die kumulative Spannung unterhalb des Auslegungsfestigkeitsniveaus bleibt.

Abb. 1 — Bei 400 ns, außerhalb des festen Zeitfensters von 0 bis 200 ns, entsteht eine tiefe Leere, während der 30 MHz-Quellring im selben Datensatz abklingt.

3. Schwachstellen im Engineering

Problempunkt 1: Klingeln an der Quelle wird als Entladungsaktivität interpretiert.

Eine auf einem Marx-Generator mit leicht gedämpften Stufen basierende Messanordnung erzeugte eine 30-MHz-Schwingung, die nach jedem Schuss innerhalb von 500 ns abklang. Der Detektor registrierte dies an jedem Messpunkt als Entladung. Eine Referenzmessung an einem bekannten Schallsignal ergab dasselbe Ergebnis, was bewies, dass das Nachschwingen das Signal erzeugte. Alle intakten Geräte wurden als solche erkannt, während alle defekten Geräte hinter demselben Artefakt verborgen blieben.

Problempunkt 2: Die Bankinduktivität stößt an ihre Grenzen

Zwei Quellen lieferten denselben nominellen 20-kV-Impuls und beeinflussten den Defekt unterschiedlich. Eine hochinduktive Spannungsquelle mit einer Anstiegszeit von 18 ns detektierte nur 60 % der Fehler, die eine niederinduktive Quelle mit einer Anstiegszeit von 5 ns erfasste. Bei einer Spannungsquelle, deren Schleifeninduktivität schleichend ansteigt, sinkt die Detektionsleistung, während die Spitzenamplitude auf dem Oszilloskop unverändert bleibt.

Problempunkt 3: Ein festes Zeitfenster lässt verspätete Ankünfte unberücksichtigt.

Entladungen aus tiefen Hohlräumen oder langen Kabelabschnitten treffen einige zehn bis hundert Nanosekunden nach dem Rand ein. Ein auf 0 ns bis 200 ns eingestelltes Zeitfenster erfasste oberflächennahe Hohlräume, jedoch nicht tiefe Defekte, deren Reaktion erst nach 400 ns eintraf. Im Bericht wurde keine Entladung bei Proben festgestellt, die später deutliche interne Aktivität zeigten.

Problempunkt 4: Der Kopplungstransient blendet den Detektor aus.

Die Kapazität des Prüfobjekts koppelt den Anregungsimpuls direkt in den Detektionskreis ein und erzeugt an der Flanke einen starken Gleichtaktimpuls. In einem Einsatz überschritt dieser Impuls nach jedem Schuss für 150 ns den Messbereich des Verstärkers; dieser Zeitraum umfasst das Fenster, in dem oberflächennahe Entladungen auftreten. Das System funktionierte bei langen Kabelproben, versagte jedoch bei kompakten Schaltanlagen.

Problempunkt 5: Die Anzahl der Wiederholungen führt zu unbemerktem Stress

Im Rahmen einer Testkampagne wurde eine Transformatordurchführung einen ganzen Tag lang mit 30 kV und 200 Impulsen pro Sekunde belastet, was mehr als 17 Millionen Spannungsimpulsen entspricht. Die kumulative Belastung überschritt die Grenzwerte einer zerstörungsfreien Prüfung, und eine spätere Untersuchung ergab eine beschleunigte Kriechstrombildung im Bereich der Belastungsspitze. Jeder einzelne Impuls war unschädlich; die Impulsanzahl stellte die fehlende Grenze dar.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Die Quelle für eine saubere, schnelle und reproduzierbare Edge aufbauen

Reduzieren Sie die Schleifeninduktivität durch Koaxialbauweise, laminierte Stromschienen und Speicherkondensatoren mit niedrigem ESL-Wert. Überprüfen Sie die Anstiegszeit an den Anschlüssen des Prüflings. Fügen Sie der Entladungsschleife eine Dämpfung hinzu, sodass der Impuls unter 5 % Überschwingen und 1 % Nachschwingen bleibt, da die Quelle keine Artefakte innerhalb des Teilentladungsbereichs erzeugen darf. Überwachen Sie die Wellenform bei jedem Schuss und verwerfen Sie Aufzeichnungen, deren Form außerhalb der Spezifikation liegt.

Strategie 2: Verwendung von Keramikkondensatoren mit niedriger Induktivität als Impulsformungselemente

Wählen Sie eine Frequenzbank, deren Eigenresonanzfrequenz über der höchsten spektralen Komponente des gewünschten Impulses liegt, damit die Frequenzbank die Flanke nicht dehnt oder überschwingt. Passen Sie den Frequenzbankwert an die Anstiegszeit über t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C) an und halten Sie diesen Wert über den gesamten Temperaturbereich mit einem Dielektrikum der Klasse I, wie z. B. … N4700. Erforderlich ist eine Nennleistung von über 10⁶ Impulsereignissen, damit die Impulsform konstruktionsbedingt konstant bleibt.

Strategie 3: Das Erkennungsfenster adaptiv gestalten

Messen Sie die Laufzeit für jede Testobjektklasse oder lokalisieren Sie das entfernte Ende mithilfe der Reflektometrie und legen Sie das Zeitfenster vom schnellsten zum langsamsten erwarteten Eintreffen fest. Zeichnen Sie vollständige Wellenformen pro Messung auf und bearbeiten Sie diese anschließend softwareseitig, sodass ein falsch ausgerichtetes Zeitfenster als überprüfbarer Fehler erkannt wird. Führen Sie eine Zweikanal-Datenerfassung mit Quellmonitor auf einem Kanal durch, um Anregung und Antwort softwareseitig zu synchronisieren.

Strategie 4: Den Kopplungstransienten ablehnen

Verwenden Sie symmetrische oder differentielle Detektion, um Gleichtaktstörungen am Detektoreingang zu unterdrücken. Blenden Sie die ersten 20 bis 50 ns nach der Flanke nur dann aus, wenn die Geometrie dies zulässt, und überprüfen Sie die Ausblendung anhand von Referenzmustern mit bekannten Oberflächenfehlern. HVR-BSP Dickschichtwiderstand in der Verteilerkette und einem schnelle Erholungsdiode im Gleichrichter, sodass der Monitorkanal nur das Entladungsband überträgt.

Strategie 5: Den kumulativen Stress begrenzen

Legen Sie die Anzahl der Wiederholungen pro Prüfpunkt anhand der Impulsfestigkeitsaufzeichnung des Objekts fest und berücksichtigen Sie dabei einen Sicherheitszuschlag. Protokollieren Sie die kumulative Impulszahl, die Energie pro Schuss und die Spitzenspannung für jede Messkampagne. Sofern der Zeitplan es zulässt, wechseln Sie die Impuls-Teilentladungsprüfung mit einer stationären Teilentladungsprüfung am selben Objekt ab, um die Ergebnisse beider Methoden gegenseitig zu überprüfen.

Strategie 6: Den Entladestrom und die Stabilität des Bankgebäudes überwachen

Den Entladungsweg mit einem erfassen HVRGHP-Abtastwiderstand und protokollieren Sie den Schussstrom zusammen mit der Banktemperatur. Ein Anstieg der Banktemperatur bei konstanter Wiederholrate deutet auf zunehmende ESL oder ESR hin, was ein frühes Anzeichen für eine Kantenstreckung ist. Halten Sie die Banktemperatur innerhalb von ±10 °C ihrer Kalibrierungstemperatur und verwenden Sie ein HVCT8G Türknaufbank wo ein kompakter, induktivitätsarmer Stack auf einen tragbaren Wagen passen muss.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
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 N4700 Kondensatoren für Nanosekunden-Impuls-TE-Quellen

Die Impulsformungsbank legt fest, ob die Flanke 5 ns oder 18 ns lang ist und ob sie rauschfrei oder mit Überschwingen ist. Zwei Eigenschaften beeinflussen dieses Ergebnis: die Induktivität des Bauteils und die Stabilität seiner Kapazität. HVC fertigt in seinem 6,000 m² großen Werk in Dongguan Bauteile der Klasse I nach dem N4700-Standard für Spannungsbereiche von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Ein ESL-Wert unter 20 nH in Türgriffkörpern hält die Induktivität der Entladungsschleife niedrig, was eine 5 ns lange Flanke mit einem einpoligen Abfall ermöglicht.
• Der TCC von ±30 ppm/°C hält den Bankwert auch unter Feldbedingungen aufrecht, sodass die Anstiegszeit t_r ≈ 2.2·√(L_loop·C) und die Fehlerempfindlichkeit in der Werkstatt und im Umspannwerk gleich bleiben.
• Der Verlust liegt bei unter 0.1 % bei einem hohen dv/dt-Wert, sodass sich die Bank zwischen den Schüssen nicht selbst erhitzt und jeder abgegebene Impuls dem vorhergehenden entspricht.
• Bei einer Teilladungsdichte (PD) unter 5 pC bei Nennspannung trägt die Bank nicht zu einer internen Entladung im empfindlichen Messbereich bei.
• Impulslebensdauer über 10⁶ Ereignisse ohne Kapazitätsverlust, sodass die Wellenform über eine gesamte Kampagne hinweg konstant bleibt.
• Epoxidharz-Verkapselung mit dreifacher Beschichtung, Salzsprühtest-Qualifikation für 96 Stunden und Isolierung mit einer Nennspannung von 60 kV, was eine kompakte und sichere Stromquelle in einem tragbaren Wagen ermöglicht.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen, Impulsformungssets innerhalb von 6 bis 10 Wochen geliefert, im Vergleich zu 20 bis 30 Wochen bei führenden Marken. Jedes Gerät verfügt über einen ESL-Wert und eine Impulslebensdauer von über 10⁶ Schüssen.

Senden Sie die Impulsspannung, die erforderliche Anstiegszeit, die Objektkapazität und die Wiederholrate. HVC liefert einen Bankplan mit der Kapazität, der Schleifeninduktivität, der Energie pro Schuss und einer Querverweis gegen Murata und Vishay innerhalb von fünf Werktagen.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum löst ein Nanosekundenimpuls eine Entladung bei einer niedrigeren Spannung aus?

Da die schnelle Randladung Spannungen auf den Defekt ausübt, bevor die Ladungsrelaxation ihn abschirmen kann, trägt ein Hohlraum mit ε_r nahe 1 innerhalb von Epoxidharz mit ε_r nahe 4 etwa das Vierfache des mittleren Feldes, und die kapazitive Aufteilung dominiert im Nanosekundenbereich. Berichte über die Reduzierung der Feldinitiierung bei gasgefüllten Hohlräumen liegen zwischen 20 % und 40 %.

Frage 2: Wie dimensioniere ich den Energiespeicher?

Aus der Anstiegszeit und der Schleifeninduktivität ergibt sich: t_r ≈ 2.2 · √(L_Schleife · C). Eine 5 ns lange Flanke durch eine 200 nH-Schleife benötigt etwa 26 nF. Anschließend kann die gespeicherte Energie W = ½ · C · V² mit der Energie pro Schuss verglichen werden, die für ein 1 m langes Kabel mit 200 pF bei 20 kV 40 mJ beträgt.

Frage 3: Wie kann ich feststellen, ob das Klingeln von der Schallquelle und nicht von der Isolierung kommt?

Messen Sie ein Referenzsignal mit bekanntem Klang. Tritt dieselbe gedämpfte Schwingung auch im Referenzsignal auf, erzeugt die Quelle diese. Dämpfen Sie anschließend die Entladungsschleife, bis der Impuls unter 5 % Überschwingen und 1 % Nachschwingen liegt, und überwachen Sie die abgegebene Wellenform bei jedem Schuss.

Frage 4: Wo sollte das Akquisitionsfenster beginnen und enden?

Messen Sie die Laufzeit für jede Objektklasse oder verwenden Sie Reflektometrie, um das entfernte Ende zu bestimmen, und legen Sie das Zeitfenster so fest, dass es den Zeitraum von der schnellsten zur langsamsten erwarteten Ankunftszeit abdeckt. Ein festes Zeitfenster von 0 ns bis 200 ns erfasst keine tiefen Lücken, deren Antwort erst nach 400 ns eintrifft. Zeichnen Sie die vollständige Wellenform auf und verarbeiten Sie sie anschließend softwareseitig.

Frage 5: Wie viele Impulse kann ich anwenden, bevor der Test zerstörend wird?

Die Zählrate wird anhand der Impulsfestigkeitsaufzeichnung des Objekts ermittelt und ein Sicherheitszuschlag einkalkuliert. Eine Testreihe mit 30 kV und 200 Impulsen pro Sekunde über einen Tag erzeugte mehr als 17 Millionen Transienten und führte zu beschleunigter Kriechstrombildung in einem Spannungskegel. Die kumulative Zählrate, die Energie und die Spitzenspannung werden protokolliert, und die Zählrate wird pro Bauteiltyp begrenzt.

Frage 6: Wie kann ich verhindern, dass der Anregungsimpuls den Detektor blendet?

Verwenden Sie symmetrische oder differentielle Detektion, um Gleichtaktstörungen zu unterdrücken und den Detektoreingang innerhalb seines Messbereichs zu halten. Eine Kopplungsstörung, die den Verstärkerbereich für 150 ns nach jedem Schuss überschreitet, verdeckt das Zeitfenster, in dem oberflächennahe Entladungen auftreten. Blenden Sie dieses Zeitfenster nur dann aus, wenn die Geometrie dies rechtfertigt, und überprüfen Sie die Ausblendung an einer Referenzprobe.

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 60384-8:2015, Festkondensatoren für elektronische Geräte – Teil 8: Festkondensatoren mit keramischem Dielektrikum, Klasse 1Genf: IEC, 2015.
4. IEC 60270:2015, 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. T. Kaji, H. Asai, T. Nozu, H. Kojima und N. Hayakawa, Teilentladungs-Einsatzspannung unter Wechselrichter-Überspannungsbelastung unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen von UmweltfaktorenIEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, Band 140, Nr. 7, S. 349–356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
8. US 10,529,487, Mehrschichtiger Keramikkondensator mit internen Elektroden, die unterschiedliche Randpositionen aufweisen, Taiyo Yuden Co., Ltd., erteilt 2020, https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
9. ГОСТ IEC 61071-2014, Elektrische Silokondensatoren (Kondensatoren für die Leistungselektronik). Moskau: Standardformat, 2014.
10. Mein Hochspannungsnetzteil erzeugt Lichtbögen: Wie kann ich die Fehlerursache finden?, Spellman High Voltage Electronics Corporation, Application Note AN-25, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-25 .
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com