DE19932611A1

DE19932611A1 - Procedure for measurement and analysis of high frequency none- sinusoidal partial voltage discharges from electric motors of any shape or amplitude

Info

Publication number: DE19932611A1
Application number: DE1999132611
Authority: DE
Inventors: Kai Mueller; Rudolf Busch; Sven Hilfert; Friedhelm Pohlmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2001-01-18

Abstract

Procedure for measurement and analysis of partial discharges from electrical machinery than can be used with any voltage form or amplitude rather than with purely sinusoidal voltage curves.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Durchführung von Messungen von Teilentladungssignalen bei beliebiger Form und Höhe der Prüfspannung in einer elektromagnetisch stark belasteten Umgebung, insbesondere für die Messung von Teilentladungssignalen bei elektrischen Maschinen oder Geräten, die an einem Puls- Frequenzumrichter betrieben werden. Mit dem Verfahren ist es möglich, durch Anschluß einer Versorgungs- (in bevorzugter Weise ein Puls-Frequenzumrichter) und einer Meßeinheit, auftretende Teilentladungen zu messen (Fig. 1).The invention relates to a method and to a device for carrying out measurements of partial discharge signals with any shape and level of the test voltage in an electromagnetic environment, in particular for the measurement of partial discharge signals in electrical machines or devices which are operated on a pulse frequency converter become. With the method it is possible to measure partial discharges occurring by connecting a supply unit (preferably a pulse frequency converter) and a measuring unit ( FIG. 1).

Insbesondere bei Elektromotoren treten Teilentladungen durch Spannungsspitzen auf. Teilentladungen beeinträchtigen die Lebensdauer der Isolation. Bisherige Teilentladungsmeßsysteme sind für die Messungen von Teilentladungen an frequenzumrichterbetriebenen Maschinen oder Geräten gänzlich ungeeignet, da diese eine obere Grenzfrequenz zur Erfassung der Teilentladungssignale von einigen Megahertz besitzen, so dass die Frequenzspektren der Impulse des Puls-Frequenzumrichters sowie die Frequenz der zwischen Puls-Frequenzumrichter und angeschlossenem Gerät oder angeschlossenem Motor hin- und herlaufenden Spannungswellen in deren Meßbereich fallen und so das Nutzsignal der Teilentladungen völlig überdecken. Weiterhin benutzen bisherige Teilentladungsmeßsysteme eine sinusförmige Prüfspannung, während die über einen Puls- Frequenzumrichter betriebenen Maschinen und Geräte impulsförmigen Betriebsspannungen ausgesetzt sind, so dass zwischen Prüfung und Betrieb erhebliche Unterschiede bestehen und die Ergebnisse nicht ineinander überführt werden können. Bei Impulsspannungen treten nämlich nicht nur erhöhte Klemmenspannungen durch Reflexionen auf, sondern die Spannungsverteilung über den Wicklungssträngen ist auch extrem nichtlinear, so dass nicht nur zwischen den Phasen sondern auch zwischen einzelnen Windungen desselben Stranges hohe Spannungen und damit Teilentladungen auftreten, was bei Sinusbetrieb nicht möglich ist. Motoren oder Geräte, die an einem Puls-Frequenzumrichter betrieben werden, sind diesen Spannungsspitzen bei jedem Takt ausgesetzt und bei heute üblichen Taktfrequenzen von bis zu zwanzig Kilohertz somit einer viel stärkeren Alterung unterworfen als bei Netzbetrieb.Partial discharges due to voltage peaks occur in particular in electric motors. Partial discharges affect the life of the insulation. Previous Partial discharge measuring systems are suitable for the measurement of partial discharges machines or devices operated by frequency inverters are completely unsuitable because they are Upper limit frequency for the detection of the partial discharge signals of a few megahertz have so that the frequency spectra of the pulses of the pulse frequency converter as well as the Frequency of between the pulse frequency converter and the connected device or connected motor back and forth voltage waves fall in their measuring range and so completely cover the useful signal of the partial discharges. Continue to use previous ones Partial discharge measuring systems use a sinusoidal test voltage, while those using a pulse Machines and devices operated by frequency converters have pulse-shaped operating voltages are exposed, so that there are considerable differences between testing and operation the results cannot be transferred into each other. Step at impulse voltages namely not only increased terminal voltages due to reflections, but the Voltage distribution across the winding strands is also extremely non-linear, so not only between the phases but also between individual turns of the same strand high voltages and thus partial discharges occur, which is not possible with sinusoidal operation is. Motors or devices that are operated on a pulse frequency converter are these Voltage peaks are exposed to every cycle and at today's usual clock frequencies of up to at 20 kilohertz, it is subject to much more rapid aging than with network operation.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche es ermöglichen, Teilentladungen auch bei Impulsspannungen und in einer elektromagnetisch stark beeinflußten Umgebung zu messen. Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst. Die Meßvorrichtung ist dabei leicht für unterschiedliche Anwendungen adaptierbar und gestattet eine objektive Bewertung der Teilentladungen in automatisierten Prüfungen. Das neue Meßverfahren (Meßsystem) ist unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen (z. B. durch Puls-Frequenzumrichter) und läßt sich daher in der Fertigung zur Qualitätsüberwachung, insbesondere der Prüfung der Windungsisolation einsetzen. Eine weitere Anwendung dieser Erfindung ist die Diagnose von installierten umrichterbetriebenen Maschinen. Es ist nämlich bekannt, dass die Windungsisolation allein durch Teilentladungen zerstört wird und es ist auch bekannt, dass die Teilentladungsanfälligkeit mit der Betriebszeit zunimmt. Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung können, wenn Teilentladungen während der Betriebszeit einsetzen, dieses an die zentrale Steuerung mitteilen und so die Notwendigkeit einer Instandhaltungsmaßnahme für den Motor oder das angeschlossene Gerät signalisieren. Dabei ist es von großer technischer und wirtschaftlicher Bedeutung, dass es möglich ist das Meßsystem anzuschließen und die Messungen durchzuführen, ohne den Betrieb der Maschinen zu unterbrechen. Das erfindungsgemäße Meßverfahren (Meßsystem) bietet weiterhin den Vorteil der galvanischen Trennung von Versorgungs- und Prüfkreis und eröffnet die Möglichkeit, den Sensor des Prüfkreises außerhalb der elektrischen Maschine oder des Gerätes anzubringen (z. B. in der Zuleitung oder direkt im Puls-Frequenzumrichter) und auch in nicht geerdeten Versorgungskreisen, wie sie bei der Messung am Puls-Frequenzumrichter auftreten, zu messen. Durch gleichzeitiges Messen von Teilentladungssignal und anliegender Versorgungsspannung läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Grenzspannung für eintretende Teilentladungen ermitteln, wobei sich die Werte in Abhängigkeit von der Spannungsform der Versorgungsspannung (Sinus oder Impuls) aufgrund der unterschiedlichen Spannungsverteilungen innerhalb der Maschine oder des Gerätes, wie bereits erwähnt wurde, stark unterscheiden können. Zudem ist es möglich, die Anzeige so zu gestalten, daß lediglich unterwiesenes Personal die Messung und Auswertung durchführen kann.It is an object of the present invention compared to the prior art shown, to create a method and a device which make partial discharges possible also with pulse voltages and in an electromagnetic environment measure up. This object is achieved by the features listed in the claims solved. The measuring device is easily adaptable to different applications and allows an objective evaluation of partial discharges in automated tests. The new measuring method (measuring system) is insensitive to electromagnetic interference (e.g. by pulse frequency converter) and can therefore be used in production Use quality monitoring, especially for checking the winding insulation. A Another application of this invention is the diagnosis of installed converter-operated Machinery. Namely, it is known that the turn insulation by partial discharges alone is destroyed and it is also known to be vulnerable to partial discharge with uptime increases. The device and the method according to the invention can if Use partial discharges during the operating time, this to the central control communicate and so the need for a maintenance measure for the engine or that signal connected device. It is of great technical and economic value Meaning that it is possible to connect the measuring system and the measurements to be carried out without interrupting the operation of the machines. The invention Measuring method (measuring system) also offers the advantage of galvanic isolation from Supply and test circuit and opens up the possibility of the sensor of the test circuit to be installed outside the electrical machine or device (e.g. in the supply line or directly in the pulse frequency converter) and also in ungrounded supply circuits, such as those occur during the measurement on the pulse frequency converter. By simultaneous Partial discharge signal and applied supply voltage can be measured with the the inventive method determine the limit voltage for partial discharges occurring, where the values depend on the voltage form of the supply voltage (Sine or pulse) due to the different voltage distributions within the Machine or the device, as already mentioned, can be very different. In addition it is possible to design the display in such a way that only trained personnel can carry out the measurement and can perform evaluation.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Signal mit Hilfe eines Sensors in Form einer Ringantenne, die zentriert um das Kabel der Zuleitung der Versorgungsspannung gelegt ist und deren Flächennormale parallel zum Kabel verläuft, in den Meßkreis einzukoppeln (Fig. 2). Es zeigt sich dabei auch, dass die geometrische Größe einen starken Einfluß auf das detektierte Teilentladungssignal hat, da zum einen die Ringantenne Hochpasseigenschaften besitzt und die Grenzfrequenz bei kleinen Abmessungen ansteigt und zum anderen die Feldstärke mit der Entfernung zum Leiter abnimmt. Somit sollte auch die Antenne an die Prüfspannung angepaßt werden, um eine möglichst hohe Meßempfindlichkeit zu erhalten. According to the invention, the signal is coupled into the measuring circuit with the aid of a sensor in the form of a ring antenna which is centered around the cable of the supply voltage supply line and whose surface normal runs parallel to the cable ( FIG. 2). It also shows that the geometric size has a strong influence on the detected partial discharge signal, because on the one hand the ring antenna has high-pass characteristics and the cutoff frequency increases with small dimensions and on the other hand the field strength decreases with the distance to the conductor. The antenna should therefore also be adapted to the test voltage in order to obtain the highest possible sensitivity.

Durch Wahl eines elektrisch isolierenden Trägermaterials kann der Sensor mit gleichbleibender Qualität fixiert, galvanisch von der Prüfspannung getrennt und zugleich die Empfindlichkeit durch Verbesserung der Feldkopplung gesteigert werden. Die erwähnte Hochpasseigenschaft des Sensors kann auch dazu benutzt werden, Teilentladungen direkt mit einem Oszilloskop bei Sinusbetrieb zu detektieren.By choosing an electrically insulating carrier material, the sensor can be used constant quality fixed, galvanically isolated from the test voltage and at the same time the Sensitivity can be increased by improving the field coupling. The one mentioned The high-pass characteristic of the sensor can also be used to directly measure partial discharges to detect an oscilloscope in sine mode.

Bei Messungen mit beliebiger Spannungsform oder in elektromagnetisch gestörter Umgebung kann es vorkommen, daß die erwähnten Hochpasseigenschaften des Sensors allein nicht ausreichen, um die Störsignale auszublenden. Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß durch einen nachgeschalteten Hochpassfilter möglichst hoher Ordnung vermieden. Um eine möglichst hohe Empfindlichkeit der Teilentladungsmessungen bei beliebiger Spannungsform zu erreichen, ist es notwendig, das Störspektrum der jeweils verwendeten Versorgungsspannung (Prüfspannung) oder der Umgebung (z. B. Puls-Frequenzumrichter) zu kennen. Dieses Störspektrum ist dabei nicht nur von dem verwendeten Spannungsquelle, sondern auch von der Kabellänge zwischen Spannungsquelle und Prüfobjekt abhängig, wird aber von dem zu testenden Objekt nur wenig beeinflußt. Deshalb wird erfindungsgemäß ein Hochpassfilter mit einer an die gegebenen Bedingungen angepaßten Grenzfrequenz verwendet, welcher das komplette Störspektrum (Fig. 3) unterdrückt und trotzdem das obere Frequenzspektrum der Teilentladungsimpulse möglichst ungedämpft durchläßt (Fig. 4). Je höher die gewählte Grenzfrequenz gewählt wird, desto geringer wird die erzielbare Empfindlichkeit des Meßsystems, da die Amplitude des Teilentladungsspektrums mit der Frequenz abnimmt (Fig. 5). Aus diesen Gründen ist es für eine möglichst empfindliche Teilentladungsmessung (z. B. für Messungen bei Puls-Frequenzumrichterbetrieb) wichtig, eine Filter möglichst hoher Ordnung mit angepaßter Grenzfrequenz zu wählen, der im Durchlaßbereich eine geringe Dämpfung aufweist. Ein Hochpassfilter 10. Ordnung hat sich für das oben angegebene Meßproblem bewährt. Von großem Vorteil für die Weiterverarbeitung des Signales des Sensors ist, dass das Meßsignal von dem bis zu mehreren Kilovolt Spannung führenden Prüfkreis galvanisch getrennt ist, wodurch die nachgeschalteten Elemente nur noch eine Spannungsfestigkeit von wenigen Volt und nicht die des Prüfkreises besitzen müssen.For measurements with any voltage form or in an electromagnetic interference environment, it can happen that the mentioned high-pass characteristics of the sensor alone are not sufficient to suppress the interference signals. This disadvantage is avoided according to the invention by a high-order filter connected as high as possible. In order to achieve the highest possible sensitivity of the partial discharge measurements with any voltage form, it is necessary to know the interference spectrum of the supply voltage used (test voltage) or the environment (e.g. pulse frequency converter). This interference spectrum is not only dependent on the voltage source used, but also on the cable length between the voltage source and the test object, but is only slightly influenced by the object to be tested. Therefore, according to the invention, a high-pass filter with a cut-off frequency adapted to the given conditions is used, which suppresses the entire interference spectrum ( FIG. 3) and nevertheless allows the upper frequency spectrum of the partial discharge pulses to pass as undamped as possible ( FIG. 4). The higher the selected cut-off frequency is selected, the lower the sensitivity of the measuring system that can be achieved, since the amplitude of the partial discharge spectrum decreases with frequency ( FIG. 5). For these reasons, it is important for a partial discharge measurement that is as sensitive as possible (e.g. for measurements in the case of pulse frequency converter operation) to choose a filter of the highest possible order with an adapted cutoff frequency that has a low attenuation in the pass band. A high pass filter 10 . Order has proven itself for the measurement problem specified above. It is of great advantage for the further processing of the signal from the sensor that the measurement signal is galvanically isolated from the test circuit carrying up to several kilovolts of voltage, as a result of which the downstream elements only have to have a dielectric strength of a few volts and not that of the test circuit.

Für den Fall, dass keine Möglichkeit besteht, das Störspektrum mit Hilfe des Sensors und eines Spektrumanalysators auszumessen, kann man folgendermaßen beim Aufbau des Meßsystemes vorgehen:
If there is no possibility to measure the interference spectrum with the help of the sensor and a spectrum analyzer, you can proceed as follows when setting up the measuring system:

a) In pulse mode, the interference spectrum is linear from the at the same voltage level Pulse rise time, or linearly from the voltage level at the same Pulse rise time dependent. So you only need to determine the pulse rise time, to the measuring system to another pulse source (pulse frequency converter with Connection cable).
b) With a pulse rise time of 150 ns and a voltage level of 1.2 kilovolts, there is, for example, a filter 10 . Order with a cutoff frequency of 230 MHz advantageous.
c) The sensor is preferably designed as a ring antenna with a holder made of insulating material with the highest possible permittivity number ε r and a diameter of 50 mm.
d) The sensor can be designed to be divisible without interrupting operation attach the connecting cable (pliers sensor).
e) The connection between sensor, filter and display should have a well shielded Coaxial cables are made, the filter itself in an RF-tight, shielded Housing must be housed. The careful shielding of the system is of of extraordinary importance, since otherwise the previously suppressed disturbances come back in get the system.

Es ist mit den oben gemachten Angaben sehr einfach, das erfindungsgemäße System an eine neue Meßsituation anzupassen, ohne dabei unbedingt auf teure Meßgeräte (Spektrumanalysatoren) zurückgreifen zu müssen. Weiterhin besteht eine einfache Möglichkeit, die Effektivität der Störunterdrückung zu testen, indem einfach das zu prüfende Objekt von der Versorgung getrennt und das Signal des Meßsystems bei eingeschalteter Prüfspannungsquelle kontrolliert wird.With the information given above, it is very simple to connect the system according to the invention to a adapt new measuring situation, without necessarily on expensive measuring devices (Spectrum analyzers). There is also a simple one Possibility to test the effectiveness of the interference suppression by simply testing the one Object separated from the supply and the signal of the measuring system when switched on Test voltage source is checked.

Weiterhin ist es möglich, das Meßsignal elektronisch so aufzubereiten, daß zum Beispiel nach einer Verstärkung und Gleichrichtung ein schmalbandiges Signal zur Verfügung steht, welches von einer kostengünstigen Anzeigeneinheit angezeigt und/oder in einem EDV- System oder in einem Puls-Frequenzumrichter weiterverarbeitet werden kann.It is also possible to prepare the measurement signal electronically so that, for example, after a narrow-band signal is available for amplification and rectification, which is displayed by an inexpensive display unit and / or in a computer System or in a pulse frequency converter can be processed.

Claims

1. Method for detecting and evaluating partial discharges in electrical machines or other electrical devices, characterized in that measurement and evaluation is possible not only with sinusoidal voltage but also with any voltage form and voltage level.

2. The method according to claim 1, characterized in that in an electromagnetic heavily used environment can be measured.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the measurement signal with High pass characteristics up to the GHz frequency range.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that interference signals can be suppressed by means of an adapted filter of a higher order.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the Useful signal is displayed by a broadband display device.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the Useful signal is converted into a narrowband signal by further processing, to display it or to be able to process it electronically (generation of a Standard signals).

7. Device according to one of claims 1 to 6 for performing the method.

8. The device according to claim 7, characterized in that it is possible without Interruption of operation to connect the measuring system and the measurement perform.

9. The device according to claim 7 or 8, characterized in that it is possible, too to be measured in ungrounded systems.

10. Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that for decouple the partial discharge signals, a ring antenna is used around the feed line.