UHF-TE-Messung an GIS mit abstimmbarem Messfilter mittlerer Breite
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UHF-TE-Messung an GIS mit abstimmbarem Messfilter mittlerer Breite S. M. Hoek, A. Kraetge, O. Kessler; Stefan.Hoek@omicron.at; OMICRON electronics, Klaus, Österreich S. M. Neuhold, FKH Fachkommission für Hochspannungsfragen, Zürich, Schweiz Kurzfassung Um aufwendige Blitzspannungsprüfungen bei Vor-Ort Inbetriebnahmen von GIS zu vermeiden, werden üblicherweise TE-Messungen im UHF-Bereich durchgeführt. Als besonders empfindlich haben sich hierbei schmalbandige Messun- gen mit rauscharmen Vorverstärkern erwiesen, welches auf die Schaltanlagenresonanzfrequenzen eingestellt wird. Der Nachteil dieser Messmethode ist der - im Vergleich zu breitbandigen Messmethoden - relativ hohe Zeitaufwand durch die manuelle Einstellung und Überprüfung der Messfrequenzen. Auch ist ein erhebliches Maß an Schulung und Erfah- rung notwendig um diese Prozedur erfolgreich und bei höchster Sensitivität durchzuführen. Bei der Breitbandmessme- thoden kann keine Messfrequenz gewählt werden. Dies führt zwar zu einer einfachen Konfigurierung des Messaufbaus, aber es ist mit einer Verringerung der Empfindlichkeit zu rechnen, sobald Störer im entsprechenden Messfrequenzbe- reich vorhanden sind, da diese nicht mehr durch eine geschickte Wahl der Messfrequenz vermieden werden können. Die vorgeschlagene UHF-TE-Messmethode verwendet ein oder mehrere verschiebbare mittelbreite Bandpassfilter (Bandbreite von 50 bis 150 MHz) im Frequenzbereich von 100 bis 2000 MHz. Die Verwendung einer mittleren Bandbreite verringert – im Vergleich zu schmalbandigen Messungen - die Abhängig- keit von der eingestellten Messfrequenz. Im Rahmen einer Untersuchung des Störspektrums in einer größeren Anzahl Umspannstationen wurde gezeigt, dass die relativ betrachtet vergrößerte Bandbreite noch immer schmal genug ist, um Störfrequenzbereichen sicher ausweichen zu können. Damit wird die Bedienung einfacher und eine ungeeignete Wahl der Messfrequenz unwahrscheinlicher als bei schmalbandigen Messungen. Der Vorteil des Verfahrens besteht somit in der Kombination aus vereinfachter Bedienbarkeit und der höheren Empfindlichkeit durch die Unterdrückung von fre- quenzfesten Störungen. Dabei werden entsprechende störarme Frequenzbereiche gewählt, welche sich in der Regel im Vorfeld bestimmen lassen und nicht nachjustiert werden müssen. Abstract In order to avoid the lightning impulse test, a very sensitive PD-measurement is required for onsite tests of GIS. The most sensitive UHF-PD-measurement technique consists of low-noise broadband amplifiers applied directly to the PD- sensors and the manual selection of possible resonant frequencies in the frequency spectrum for narrowband signal ex- traction with a bandwidth of some kHz up to some MHz. Further a correlation with the test voltage will lead to phase resolved signal display. The only disadvantage is the time consuming sequential check of the centre frequency of the narrowband measurement system compared to broadband or fixed band measurement techniques. The broadband sys- tem design has the disadvantage of significantly reduced measurement sensitivity as soon as interfering frequencies are located within the measurement bandwidth. Beside this, in principle the signal to noise ratio is lower for a broadband measurement system compared to a narrowband system. The narrowband system with fixed frequencies show poor or no sensitivity when the GIS resonant frequency caused by a PD source do not correspond with the narrow band meas- urement frequency or when interfering frequencies appear at the fixed measurement frequencies. The tuned medium band UHF PD measuring system design consists in several manually tuned band-pass filters with a bandwidth of 50 ... 150 MHz applied in a frequency range of approx. 100 to 2000 MHz. The selection of the center fre- quencies should be based on the individual resonant frequencies of the PD-sensors determined by the CIGRE sensitivity check [1] on site. The medium bandwidth allows to integrate the individually shifted resonant frequencies of a PD- signal at a PD-sensor within the measurement band, caused by different PD locations. Due to the wider bandwidth the probability of missing resonant frequency at a specific centre frequency is much lower than with the narrow band tech- nique with fixed frequencies [2]. The evaluation of measurement at different environment and different types of GIS showed a high possibility that a medium bandwidth is still narrow enough to avoid fix frequency disturbances by the use of a sufficient centre frequency. Using several tuned frequency bands the probability of missing a resonant frequen- cy of a PD-signal is even lower and additionally allows conducting a first coarse localization of the PD-source based on the frequency dependent damping of the PD-signal. The main advantage of the proposed design is the combination of high sensitivity and selective avoiding of fixed band interfering frequencies together with the tuning into the most sensi- tive frequency band of each individual PD sensor of a GIS. This results in an optimized system design for PD-measurements at on site tests of GIS and monitoring purposes and therefore in a high sensitivity of the measurement even in difficult situations due to interfering frequencies.
1 Einführung sen, was Frequenzen von bis zu 10 GHz entspricht
[6].
Die Messung von Teilentladungen (TE) ist ein
weltweit anerkanntes Verfahren zur Qualitätskon-
trolle von Hochspannungsisolationssystemen wäh-
rend der Herstellung und bei der Inbetriebnahme vor
Ort [1]. Teilentladungen sind lokal begrenzte, elekt-
rische Entladungen, die zu Teildurchschlägen in der
Hochspannungsisolation führen [2]. Speziell in gas-
isolierten Systemen (GIS) mit SF6-Isolation erzeu-
gen diese Teilentladungen elektromagnetische Wel-
len mit hohen Flankensteilheiten und einem dadurch
bedingten sehr breitbandigen Frequenzspektrum [3].
Kleine Spitzen z.B. am Innenleiter und Partikel auf
den Isolatoren können Teilentladungen mit niedrigen
Pegeln erzeugen, die jedoch mittels Blitzstoßspan-
nungsprüfungen leicht nachweisbar sind (Versagen
der Isolation). Um die Blitzstoßspannungsprüfung
bei der Vor-Ort-Prüfung von GIS zu ersetzen, ist ei-
ne sehr empfindliche TE-Messung erforderlich [4].
Da vor Ort normalerweise erheblich höhere Störpe-
gel herrschen als in dem vergleichsweise optimalen
Umfeld im Herstellerwerk oder einem Labor, wird
die TE-Messung vor Ort üblicherweise im UHF-
Frequenzband durchgeführt. Gewöhnlich liegt die
Bandbreite für TE-Messungen im UHF-Bereich bei
ca. 100 MHz bis 2 GHz. Für den am häufigsten vor-
kommenden Defekt (sich bewegende Teilchen) wird
dabei eine hohe Empfindlichkeit erzielt. Insbesonde-
re die variable, schmalbandige Messung ermöglicht
die Auswahl von Frequenzfenstern, die störungsfrei
sind. Durch die zugrunde liegenden physikalischen
Gesetzmäßigkeiten ist eine Kalibrierung dieses Ver-
fahrens im Gegensatz zu dem Verfahren gemäß
IEC 60270 nicht möglich. Die CIGRE empfiehlt ei- Abb. 1: Übertragungspfad von Quelle zum Sensor [7]
ne Prüfung der Empfindlichkeit, um zu verifizieren,
ob genügend UHF-TE-Sensoren in einer GIS ver- Das Signal der Quelle wird im Weiteren durch Ab-
baut wurden um für eine bestimmte Defektart eine strahlung, Übertragung und Sensorik weiter verän-
Mindestempfindlichkeit von z.B. 5 pC zu erreichen dert bzw. sein Spektrum wird bandbegrenzt, ge-
[5]. Die Einzelheiten zur Umsetzung einer solchen dämpft oder z.T. durch Resonanzen überhöht (Abb.
Empfindlichkeitsprüfung werden derzeit in der 1). Für höhere Frequenzen arbeitet die leitende
CIGRE WG D1.25 diskutiert. Für die Inbetriebnah- Struktur mehr und mehr als elektromagnetischer
meprüfung von GIS vor Ort hat sich das UHF- Wellenleiter, dessen Grenzfrequenz von den Dimen-
Verfahren als Standardmethode für die TE-Messung sionen und dem inneren Aufbau der GIS abhängig
etabliert. ist. Bei Unstetigkeiten werden die Wellen reflektiert,
was zu Interferenzmustern und Stehwellen (Reso-
2 Ausbreitung von Teilentladungen- nanzen) führt. Aus Sicht der Hochfrequenztechnik
kann die GIS als ein sogenannter "heavily overmo-
signalen ded waveguide", also als Wellenleiter mit sehr vie-
len Ausbreitungsmodi beschrieben werden.
Die extrem kurzen Anstiegszeiten der TE-Signale in
GIS ergeben ein Frequenzspektrum, welches sehr
Ein Beispiel für das resultierende Spektrum ist in
hohe Frequenzanteile beinhaltet. Für durch schar-
Abb. 2 gezeigt. Man sieht viele einzelne Frequenz-
kantige Strukturen verursachte TE-Signale wurden
bänder mit schmalbandigen Resonanzen.
kürzeste Anstiegszeiten von bis zu 35 ps nachgewie-
3 Derzeit verwendete UHF-verfahren werden, wird über den „CIGRE- sensitivity check“
bestimmt und ist abhängig von der Kombination aus
für die TE-Messung vorliegendem Defekt und verwendetem Sensor. Ide-
alerweise kann ein geeignetes Messfrequenzfenster
Vor Ort werden mehrere UHF-Verfahren angewen-
gefunden werden, in welchem ein großer Signal zu
det:
Störabstand (SNR) eine hohe Messempfindlichkeit
- Abgestimmte UHF-Schmalbandmessung ergibt.
mit variabler Mittenfrequenz
- UHF-Breitbandmessung mit fester Band- Nachdem ein solches Fenster gefunden ist, wird die
breite Mittenfrequenz des Spektrumanalysator darauf
- UHF-Schmalbandmessung mit fester Fre- zentriert und fixiert, und die Bandbreite auf z.B.
quenz (oder mehreren festen Frequenzen) 3 MHz eingestellt. Dieses Signal kann dann auf ei-
nem herkömmlichen TE-Messsystem, das auf die
Diese Methoden werden ausführlich in der Literatur
Kurvenform des Hochspannungs-Testsignals syn-
[8] und [9] dargestellt und werden hier nur gekürzt
chronisiert ist, als phasenkorreliertes Muster ange-
beschreiben.
zeigt werden.
Das Prinzip der abgestimmten UHF-Schmalband-
messung mit variabler Mittenfrequenz wird in Die UHF-Breitbandmessung mit fester Band-
Abb. 2 gezeigt. In der Praxis wird das Signal ideal- breite wird u.a. häufig für Monitoringsysteme ein-
erweise direkt am UHF-TE-Sensor verstärkt und via gesetzt. Abb. 3 zeigt eine schematische Darstellung
hochwertigem HF-Kabel über einen Multiplexer des über eine Bandbreite von einigen hundert MHz
zum Spektrumanalyzer geführt. In Abb. 2 ist die gemessenen TE-Signalspektrums.
Anzeige am Spektrumanalysator für das Messfenster
0,1 - 1,8 GHz zu sehen.
Abb. 3: Bandbreite für UHF-Breitbandmessung mit fester
Bandbreite (schematische Beispieldarstellung)
Hier wird die Hüllkurve des Amplituden Signals der
Breitbandmessung mit fester Bandbreite direkt an
das TE Messsystem gegeben und als phasenaufge-
löste TE-Muster dargestellt.
Ein Nachteil dieses Breitbandverfahrens ist der oft
geringere Signal-Störabstand, denn bei einem sol-
chen Messsystem führen selbst schmalbandige Stö-
rungen im Messbereich bereits zu einer Reduzierung
der Empfindlichkeit. Die Vorteile dieses Verfahrens
Abb. 2: Beispiel für eine abgestimmte UHF- liegen in der relativ einfachen, technischen Reali-
Schmalbandmessung mit variabler Mittenfrequenz sierbarkeit und dem geringen Einstellaufwand im
Vergleich zu dem vorher beschriebenen, schmalban-
Die untere Linie des Spektrums zeigt das Grundrau- digen Verfahren.
schen inkl. konstant aktiver externer Störer (CW),
die obere Linie zeigt die Kombination aus TE-
Signalen und sporadischen externen Interferenzen.
4 Abgestimmte Mediumband UHF-
Die Frequenz ist linear dargestellt, die Amplitude ist TE-Messung
logarithmisch dargestellt ("Peak Hold"-Messung mit
einer Integrationszeit von einer Minute). Das Fre- Die abgestimmte mediumband UHF-TE-Messung
quenzfenster, in dem Teilentladungen gemessen kombiniert die Vorteile der oben genannten Metho-
den. Durch die Abstimmbarkeit können schmalban- Gegensatz zum schmalrandigen Messverfahren be-
dige Störer umgangen werden und die mittlere rücksichtigt die mediumbandige Messung mit hoher
Bandbreite erleichtert die Einstellung des Messsys- Wahrscheinlichkeit auch diejenigen Frequenzkom-
tems. Da die individuelle Optimierung des Signal- ponenten des Signals, die aufgrund der unterschied-
Störabstands an jedem einzelnen TE-Sensor vor der lichen Orte der tatsächlichen TE-Quelle gegenüber
Messung möglich ist können nun gleichzeitige Mes- des für die CIGRE-Empfindlichkeitsprüfung ver-
sungen an vielen Sensoren durchgeführt werden. wendeten Signaleinspeisepunkt verschoben wurden.
Die Medium-Bandbreite erlaubt nun die Festlegung
Der Messaufbau für die abgestimmte, mediumban- der Messfrequenzen für den HV-Test [8], wogegen
dige UHF-TE-Messung umfasst mehrere, manuell bei der Schmalbandmethode oft eine spätere Anpas-
abgestimmte Bandpass- bzw. Empfangsfilter mit ei- sung der Messfrequenz während dem HV-Test
ner Bandbreite von 50 - 150 MHz, eingesetzt in ei- durchgeführt wird. Die Messbandbreite muss aber
nem Frequenzbereich von 100 bis 2000 MHz. Die kleiner sein als die typischen Abstände der Störbe-
Auswahl der Mittenfrequenzen (Messbereiche) muss hafteten Frequenzbänder Abb. 4. In Abb. 6 sind die
vor der Hochspannungsprüfung erfolgt. Im ersten gewählten empfindlichen Messbereiche f1 und die
Schritt wird das umgebende Rausch- bzw. Störspekt- alternativ Bereiche f2 und f3 grün dargestellt.
rum ermittelt (Abb. 4). Die typisch beobachteten
Störungen im UHF-Frequenzbereich sind kleiner als
einige zehn MHz.
Abb. 6: Festlegen der Mittenfrequenz f1 (und alternativ
Mittenfrequenzen f2 und f3) für eine optimale Empfind-
lichkeit (Bandbreite 50 – 150 MHz; Mediumband) [8]
Abb. 4: Bestimmung des Rauschpegels und der Störfre- Bei der Auswertung von mehreren hundert Spektren
quenzen
hat sich eine Bandbreite von 50 - 150 MHz als guter
Kompromiss zwischen selektiver Messung und zu-
Die Einstellung der Messfrequenzen sollte auf Basis
verlässiger Nutzung von empfindlichen Resonanz-
der einzelnen Resonanzfrequenzen der TE-Sensoren
frequenzen herausgestellt.
vorgenommen werden, die vorher entsprechend der
durch die CIGRE empfohlenen Empfindlichkeits-
Durch Verwendung von mehreren (alternativen),
prüfung vor Ort ermittelt wurden. Dafür werden Im-
abgestimmten, mediumbandigen Frequenzbereichen
pulse an den Nachbarsensoren eingespeist, welche
kann der gesamte zu messende Frequenzbereich op-
die Anlagenresonanzen anregen (Abb. 5).
timal festgelegt und überwacht werden. Außerdem
ermöglicht dieses Verfahren eine erste ungefähre
Lokalisierung der TE-Quelle auf Basis der frequenz-
abhängigen Signaldämpfung.
Für die Erzeugung der phasenkorrelierten TE-
Muster können die verschiedenen Frequenzbänder
einzeln oder aufsummiert dargestellt werden, oder
für eine schnelle Übersicht z.B. mit dem Histo-
gramm und dem Balkendiagramm kombiniert wer-
den.
Abb. 5: Bestimmung der empfindlichen Resonanzfre-
quenzen mit dem CIGRE-Empfindlichkeits-Check Abb. 7 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Anzeige
der Messdaten eines Sensors. Das Signal des Mess-
Die Prozedur ist bis zu diesem Punkt vergleichbar frequenzbandes f1 wird im phasenkorrelierten His-
mit dem Vorgehen bei der Schmalbandmethode. Im togramm-Modus angezeigt. Die Signalpegel aller
drei Messfrequenzbänder (f1…f3) werden gleichzei- 6 Danksagung
tig im Balkendiagramm-Modus angezeigt.
Die Autoren bedanken sich ganz herzlich bei Daniel
Treyer, PSI, für die konstruktiven, technischen Dis-
kussionen und die Beratung bezüglich der Hochfre-
quenztechnik.
7 Literaturverzeichnis
[1] D. König und Y.N. Rao: "Partial Discharges
in Electrical Power Apparatus", VDE 1993
[2] IEC 60270, "High-voltage test techniques –
Abb. 7: Beispiel für eine mögliche Anzeige von Messda- Partial discharge measurement", Version
ten eines TE-Sensors bei der abgestimmten, mediumban- 2000, 3rd Edition
digen UHF-Messung (schematische Beispieldarstellung).
Für eine schnelle Übersicht können mehrere TE-Sensoren [3] M.D. Judd, S. Meijer und S. Tenbohlen, "Sen-
zusammen angezeigt werden. sitivity check for RF PD detection for power
transformers," IEEE Conference on Condition
Der Hauptvorteil des vorgestellten Systemdesigns ist Monitoring and Diagnosis (CMD), Peking,
die Kombination einer hohen Empfindlichkeit und China, 21. - 24. April 2008, Paper No. K1-03
Selektivität mit der Fähigkeit, den Einfluss von Re-
[4] CIGRE Joint Working Group 33/23.12 Insula-
sonanzverschiebungen in einem weiteren Bereich zu
tion co-ordination of GIS; return of experi-
tolerieren. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass wäh-
ence on site tests and diagnostic techniques;
rend der Hochspannungsprüfung weniger Zeit für
Electra No 176, Februar 1998
die visuelle Auswahl von geeigneten Messfrequen-
zen benötigt wird. Es kann aus einem oder mehreren [5] CIGRE task force 15/33.03.05, "Partial dis-
(z.B. drei), vorausgewählten Messfrequenzbändern charge detection system for GIS: Sensitivity
gewählt werden, was paralleles Messen und daher verification for the UHF method and the
auch ökonomisches, gleichzeitiges Prüfen sehr TE- acoustic method", Electra No 183, S. 75 - 87,
Sensoren ermöglicht. April 1999,
[6] A.J. Reid, M.D. Judd; "High Bandwidth
Das Ergebnis ist ein optimiertes Systemdesign für
measurement of Partial Discharge Pulses in
die TE-Messung sowohl zur Vor-Ort-Prüfung als
SF6"; 14. ISH Peking, China, G-012; 25. - 29.
auch zur Überwachung, das auch in schwierigen
August 2005
Umgebungen mit starken Störquellen hoch-
empfindliche Messungen ermöglicht. [7] S.M. Hoek, M. Koch und M. Heindl, "Propa-
gation Mechanisms of PD Pulses for UHF and
5 Fazit Traditional Electrical Measurements" IEEE
Conference on Condition Monitoring and Di-
Unter den vorhandenen UHF-Messverfahren erlaubt agnosis (CMD), Tokyo, Japan, Paper No. C2-
die schmalbandige Messung mit visueller Auswahl 02, 06. - 11. September 2010
der Messfrequenz in Verbindung mit einem direkt [8] S.M. Neuhold, "On site tests of GIS",
am TE-Sensor angebrachten Vorverstärker die emp- High-Volt Kolloquium '11, Dresden, Deutsch-
findlichsten Messungen. Durch die manuelle Aus- land, Mai 2011
wahl des Frequenzfensters (Messfrequenz) sind je-
doch sowohl der Aufwand als auch die Anforderun- [9] S.M. Hoek, S.M. Neuhold, “Tuned Medium-
gen an Erfahrung bei diesem Verfahren hoch. Band UHF PD Measurement Method for GIS”
CIGRE-Main Session, Paris, Frankreich, Pa-
Die vorgestellte, abstimmbare, mediumbandige per No: D1-304, August 2012
UHF-Messung bietet durch eine passenden Band-
breite die Möglichkeit, störende Frequenzen selektiv
zu vermeiden, und Resonanzfrequenzverschiebun-
gen (Abhängigkeit von der Lage des Defekts bzw.
TE-Quelle) weitgehendes toleriert werden können.
OMICRON ist ein weltweit tätiges Unternehmen, das innovative Prüf- und
Diagnoselösungen für die elektrische Energieversorgung entwickelt und vertreibt. Der
Einsatz von OMICRON-Produkten bietet höchste Zuverlässigkeit bei der Zustandsbeurteilung
von primär- und sekundärtechnischen Betriebsmitteln. Umfassende Dienstleistungen in
den Bereichen Beratung, Inbetriebnahme, Prüfung, Diagnose und Schulung runden das
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neueste Technologien in Produkte mit überragender Qualität umzusetzen. Servicezentren
auf allen Kontinenten bieten zudem ein breites Anwendungswissen und erstklassigen
Kundensupport. All dies, zusammen mit einem starken Netz von Vertriebspartnern, ließ
OMICRON zu einem Marktführer der elektrischen Energiewirtschaft werden.
Europa, Naher Osten, Afrika Nord- und Lateinamerika Asien, Pazifischer Raum
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