Reinhard, Max (2008)
Experimentelle Untersuchungen zum Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen von Metalloxidwiderständen eingesetzt in Hochspannungsnetzen unter Berücksichtigung eines komplexen Fehlerkriteriums.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit der international besetzten Cigré Arbeitsgruppe A3.17 “Surge Arresters“. In dem mehrere tausend MO-Widerstände (Metalloxid-Widerstände) umfassenden Versuchsprogramm wurden verschiedenste Prüfungen an MO-Widerständen, die derzeit für den Bau von Überspannungsableitern, sowohl in Hoch- als auch in Mittelspannungsnetzen, eingesetzt werden, von Herstellern aus Amerika, Europa und Japan durchgeführt. Der Fokus der Untersuchung lag dabei auf dem Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen. Das Ziel der Untersuchungen war zum einen, die Ergebnisse früherer Untersuchungen zu ve-rifizieren und zu erweitern. Zum anderen sollten die Untersuchungen den derzeitigen Stand der Technik dokumentieren. Zu diesem Zweck werden die 50-%-Ausfallenergien miteinander verglichen. Es wurden am Markt erhältliche MO-Widerstände von sieben Herstellern aus aller Welt (benannt mit S, U, V, W, X, Y, Z) untersucht. Die Untersuchungen beziehen sich auf zwei unterschiedliche Größen von MO-Widerständen. Die erste Größe, im Weiteren Größe 1 genannt, wird hauptsächlich in Hochspannungsableitern der Leitungsentladungsklasse 3 mit einem Nennableitstoßstrom von 10 kA eingesetzt. Ihre Höhe variiert von Typ zu Typ zwischen 40 und 45 mm (nur die MO-Widerstände eines Herstellers wiesen eine kleinere Höhe von ca. 25 mm auf), bei einem Durchmesser von etwa 60 mm. Die zweite untersuchte Größe, im Weiteren Größe 2 genannt, wird hauptsächlich in Mittelspannungsableitern mit einem Nennableit-stoßstrom von 10 kA eingesetzt. Ihre Höhe variiert von 30 bis 40 mm, bei einem Durchmesser von ca. 40 mm. Das Versuchsprogramm besteht aus acht verschiedenen Belastungsformen, die sich in Versuche mit Wechselstrom und in Versuche mit Impulsstrom untergliedern. Es wurden Wechselstrombeanspruchungen mit einer Stromhöhe von 10 A, 100 A, 300 A; Rechteckstoßstromimpulse mit Zeitdauern von 1, 2, 4 ms; Hochstoßstromimpulse der Form 4/10 µs und Blitzströme der Form 90/200 µs verwendet. Bei jeder Prüfung sind jeweils 40 bis 50 MO-Widerstände eines Herstellers und einer Größe verwendet worden. In Einzelfällen wurde die Anzahl der geprüften MO-Widerstände bis auf 80 Stück erweitert. Von den für das Versuchs-programm gelieferten MO-Widerständen sind bisher ca. 3200 Stück geprüft worden. Um bei dieser großen Anzahl von MO-Widerständen eine zügige Durchführung zu gewährleisten, wurde eine pneumatische Prüflingsaufnahme entwickelt, die einen konstanten Anpressdruck auf die MO-Widerstände und einen zügigen Versuchsablauf gewährleistet. Um die Bedingungen für jeden Versuch gleich zu halten und eventuelle Überschlagsprobleme durch beschädigte Elektroden auszuschließen, wurden für jeden Versuch zwei neue, 5 mm dicke Aluminium-Elektroden mit abgerundeten Kanten verwendet. Die Versuche mit Wechselstrombelastung wurden alle bis zum mechanischen Ausfall durchgeführt. Hierzu wurden die MO-Widerstände solange mit Wechselspannung (Frequenz 50 Hz) beaufschlagt, bis sie mechanisch ausfielen. Dies ermöglichte unter anderem den direkten Vergleich mit früheren Untersuchungen und damit die Bewertung der Entwicklung der letzten 10 Jahre in der Fertigung von MO-Widerständen. Für die Versuche mit Impulsstrombelastungen wurden, wie schon oben ausgeführt, Normprüfimpulse, wie sie zum Beispiel in [IEC 60099-4] beschrieben sind, verwendet. Da durch die Versuche die 50-%-Ausfallenergie gefunden werden sollte, ergab sich, dass nicht alle MO-Widerstände bis zu ihrem Ausfall geprüft wurden. Dies machte jedoch eine differenziertere Bewertung der geprüften MO-Widerstände nötig, da keine eindeutige Klassifikation (defekt / intakt) durch eine rein visuelle Inspektion möglich war. Im Bereich der Impulsversuche wurde erstmals ein komplexes Fehlerkriterium, das die Änderung der Referenzspannung bewertet, eingeführt. Hierzu wurde ein standardisierter Versuchsablauf entwickelt, der sich aus einer Eingangsmessung zur Bestimmung der elektrischen Kennwerte der zu prüfenden MO-Widerstände und einer Ausgangsmessung nach erfolgter Prüfung zusammensetzt. Im Rahmen der Eingangsmessungen wurde die Referenzspannung Uref bei einer vorgegebenen Referenzstromdichte von Jref = 0,12 mA/cm² fünf Sekunden nach Anlegen der Spannung automatisch gemessen. Durch die Messung der Referenzspannung vor und nach der Prüfung mit Impulsbelastung sollten mögliche Änderungen im Material detektiert werden. Des Weiteren wurde im Rahmen der Eingangsmessung die Restspannung (Kurvenform 8/20 µs) beim Nennableitstoßstrom von 10 kA gemessen. Nach der Eingangsmessung wurde der eigentliche Energiebelastungsversuch durchgeführt. Im Anschluss an diesen Versuch erfolgte eine visuelle Inspektion des MO-Widerstandes, um mechanische Schädigungen wie Bruch, Durchschlag oder Überschlag zu erkennen. Wurde bei dieser Untersuchung kein mechanischer Schaden festgestellt, so wurden erneut die elektrischen Kenndaten am auf Raumtemperatur abgekühlten Widerstand gemessen. Diese Messungen erfolgten unter identischen Bedingungen wie bei der Eingangsmessung mit der einzigen Ausnahme, dass im Anschluss an die Restspannungsmessung noch eine Restspannungsmessung mit einem erhöhten Blitzstoßstrom (ebenfalls 8/20 µs) und einer Stromhöhe, die sich aus einer Stromdichte von J = 1,5 kA/cm² ergibt, durchgeführt wurde. Dieser Impuls wurde eingeführt, um Schäden an MO-Widerständen, die visuell nicht eindeutig zu identifizieren waren und deren elektrische Kenndaten sich nicht geändert hatten, besser bewerten zu können. Nach intensiver Diskussion innerhalb der Ar-beitsgruppe A3.17 wurde das folgende Kriterium für die Bewertung der Referenzspannungs-änderung eingeführt. Wenn die Referenzspannung sich um mehr als 5 % geändert hat, wird der Widerstand als defekt gewertet. Dieses Kriterium ist gewählt worden, weil bei einer solchen Änderung von einer klaren Änderung der Materialcharakteristik ausgegangen werden kann. Sollte der Widerstand während der Ausgangsmessungen mit Blitzstoßströmen (8/20 µs) der Stromhöhen 10 kA bzw. einer Stromhöhe korrespondierend zu einer Stromdichte von J = 1,5 kA/cm² mechanisch ausfallen, wurde er auch als defekt gewertet. Beide zusätzlich eingeführten Kriterien wurden nötig, um MO-Widerstände, die nach den Energiebelastungs-prüfungen nicht eindeutig als mechanisch defekt zu identifizieren waren, zu bewerten. Zuletzt wurden Änderungen der Restspannung bewertet. Hatte sich die Restspannung eines Widerstandes nach der Energieprüfung um mehr als 5 % geändert, wurde er ebenfalls als defekt gewertet. Die statistische Auswertung der gemessenen Daten erfolgte mit der Statistiksoftware MLM (“Multiple Level Method“) für Impulsversuche und mit PSM (“Progressive Stress Method“) für Wechselstromversuche. Die Software wird von der Firma Highvolt angeboten und ist speziell für hochspannungstechnische Anwendungen optimiert. Hierbei wird die Maximum-Likelihood-Methode zur Schätzung der Verteilungsparameter angewendet. Alle Auswertun-gen der Versuchsdaten wurden unter der Annahme einer Normalverteilung durchgeführt. Unter Berücksichtigung des komplexen Fehlerkriteriums und nach der statistischen Auswertung ergeben sich Energieaufnahmevermögen (50 % Ausfallwahrscheinlichkeit) im Bereich von 1000 J/cm³. Das Energieaufnahmevermögen steigt mit kürzeren Impulszeiten, daher grö-ßeren Stromamplituden, deutlich an, bis sich ein limitierender Einfluss der Glasur bemerkbar macht. Für die Blitzstromimpulse der Form 90/200 µs zeigten die MO-Widerstände von zwei Herstellern ein wesentlich herabgesetztes Energieaufnahmevermögen, als bei Rechteckstoß-strömen. Das Energieaufnahmevermögen der MO-Widerstände von Hersteller X stieg dagegen bei diesen Impulsen bis auf den höchsten insgesamt gemessenen Wert von 1700 J/cm³. Für Hochstoßstromimpulse der Form 4/10 µs wurde das Kriterium der Referenzspannungsänderung dominant. Nahezu alle MO-Widerstände fielen bei diesen Impulsen durch eine Änderung der Referenzspannung aus. Es lässt sich allerdings ein großer Unterschied im Ausmaß der Änderung der Referenzspannung im Vergleich der Hersteller untereinander erkennen. Es wurden Referenzspannungsänderungen von bis zu 35 % beobachtet. Für die Wechselstrom-versuche zeigte sich ebenfalls, dass mit zunehmender Stromamplitude, daher kürzeren Versuchsdauern, das Energieaufnahmevermögen ansteigt. Dagegen sinkt das Energieaufnahme-vermögen mit größeren Durchmessern der MO-Widerstände ab.

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