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

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-ne Prüfung der Empfindlichkeit, um zu verifizieren, ob genügend UHF-TE-Sensoren in einer GIS ver-baut wurden um für eine bestimmte Defektart eine Mindestempfindlichkeit von z.B. 5 pC zu erreichen [5]. Die Einzelheiten zur Umsetzung einer solchen Empfindlichkeitsprüfung werden derzeit in der CIGRE WG D1.25 diskutiert. Für die Inbetriebnah-meprüfung von GIS vor Ort hat sich das UHF-Verfahren als Standardmethode für die TE-Messung etabliert.

2 Ausbreitung von Teilentladungen-

signalen

Die extrem kurzen Anstiegszeiten der TE-Signale in GIS ergeben ein Frequenzspektrum, welches sehr hohe Frequenzanteile beinhaltet. Für durch schar-kantige Strukturen verursachte TE-Signale wurden kürzeste Anstiegszeiten von bis zu 35 ps nachgewie-

sen, was Frequenzen von bis zu 10 GHz entspricht [6].

Abb. 1: Übertragungspfad von Quelle zum Sensor [7]

Das Signal der Quelle wird im Weiteren durch Ab-strahlung, Übertragung und Sensorik weiter verän-dert bzw. sein Spektrum wird bandbegrenzt, ge-dämpft oder z.T. durch Resonanzen überhöht (Abb. 1). Für höhere Frequenzen arbeitet die leitende Struktur mehr und mehr als elektromagnetischer Wellenleiter, dessen Grenzfrequenz von den Dimen-sionen und dem inneren Aufbau der GIS abhängig ist. Bei Unstetigkeiten werden die Wellen reflektiert, was zu Interferenzmustern und Stehwellen (Reso-nanzen) führt. Aus Sicht der Hochfrequenztechnik kann die GIS als ein sogenannter "heavily overmo-ded waveguide", also als Wellenleiter mit sehr vie-len Ausbreitungsmodi beschrieben werden.

Ein Beispiel für das resultierende Spektrum ist in Abb. 2 gezeigt. Man sieht viele einzelne Frequenz-bänder mit schmalbandigen Resonanzen.

3 Derzeit verwendete UHF-verfahren

für die TE-Messung

Vor Ort werden mehrere UHF-Verfahren angewen-det:

- Abgestimmte UHF-Schmalbandmessung mit variabler Mittenfrequenz

- UHF-Breitbandmessung mit fester Band-breite

- UHF-Schmalbandmessung mit fester Fre-quenz (oder mehreren festen Frequenzen)

Diese Methoden werden ausführlich in der Literatur [8] und [9] dargestellt und werden hier nur gekürzt beschreiben.

Das Prinzip der abgestimmten UHF-Schmalband-

messung mit variabler Mittenfrequenz wird in

Abb. 2 gezeigt. In der Praxis wird das Signal ideal-erweise direkt am UHF-TE-Sensor verstärkt und via hochwertigem HF-Kabel über einen Multiplexer zum Spektrumanalyzer geführt. In Abb. 2 ist die Anzeige am Spektrumanalysator für das Messfenster 0,1 - 1,8 GHz zu sehen.

Abb. 2: Beispiel für eine abgestimmte UHF-Schmalbandmessung mit variabler Mittenfrequenz

Die untere Linie des Spektrums zeigt das Grundrau-schen inkl. konstant aktiver externer Störer (CW), die obere Linie zeigt die Kombination aus TE-Signalen und sporadischen externen Interferenzen. Die Frequenz ist linear dargestellt, die Amplitude ist logarithmisch dargestellt ("Peak Hold"-Messung mit einer Integrationszeit von einer Minute). Das Fre-quenzfenster, in dem Teilentladungen gemessen

werden, wird über den „CIGRE- sensitivity check“ bestimmt und ist abhängig von der Kombination aus vorliegendem Defekt und verwendetem Sensor. Ide-alerweise kann ein geeignetes Messfrequenzfenster gefunden werden, in welchem ein großer Signal zu Störabstand (SNR) eine hohe Messempfindlichkeit ergibt.

Nachdem ein solches Fenster gefunden ist, wird die Mittenfrequenz des Spektrumanalysator darauf zentriert und fixiert, und die Bandbreite auf z.B. 3 MHz eingestellt. Dieses Signal kann dann auf ei-nem herkömmlichen TE-Messsystem, das auf die Kurvenform des Hochspannungs-Testsignals syn-chronisiert ist, als phasenkorreliertes Muster ange-zeigt werden.

Die UHF-Breitbandmessung mit fester Band-

breite wird u.a. häufig für Monitoringsysteme ein-gesetzt. Abb. 3 zeigt eine schematische Darstellung des über eine Bandbreite von einigen hundert MHz gemessenen TE-Signalspektrums.

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 liegen in der relativ einfachen, technischen Reali-sierbarkeit und dem geringen Einstellaufwand im Vergleich zu dem vorher beschriebenen, schmalban-digen Verfahren.

4 Abgestimmte Mediumband UHF-

TE-Messung

Die abgestimmte mediumband UHF-TE-Messung kombiniert die Vorteile der oben genannten Metho-

den. Durch die Abstimmbarkeit können schmalban-dige Störer umgangen werden und die mittlere Bandbreite erleichtert die Einstellung des Messsys-tems. Da die individuelle Optimierung des Signal-Störabstands an jedem einzelnen TE-Sensor vor der Messung möglich ist können nun gleichzeitige Mes-sungen an vielen Sensoren durchgeführt werden.

Der Messaufbau für die abgestimmte, mediumban-dige UHF-TE-Messung umfasst mehrere, manuell abgestimmte Bandpass- bzw. Empfangsfilter mit ei-ner Bandbreite von 50 - 150 MHz, eingesetzt in ei-nem Frequenzbereich von 100 bis 2000 MHz. Die Auswahl der Mittenfrequenzen (Messbereiche) muss vor der Hochspannungsprüfung erfolgt. Im ersten Schritt wird das umgebende Rausch- bzw. Störspekt-rum ermittelt (Abb. 4). Die typisch beobachteten Störungen im UHF-Frequenzbereich sind kleiner als einige zehn MHz.

Abb. 4: Bestimmung des Rauschpegels und der Störfre-quenzen

Die Einstellung der Messfrequenzen sollte auf Basis der einzelnen Resonanzfrequenzen der TE-Sensoren vorgenommen werden, die vorher entsprechend der durch die CIGRE empfohlenen Empfindlichkeits-prüfung vor Ort ermittelt wurden. Dafür werden Im-pulse an den Nachbarsensoren eingespeist, welche die Anlagenresonanzen anregen (Abb. 5).

Abb. 5: Bestimmung der empfindlichen Resonanzfre-quenzen mit dem CIGRE-Empfindlichkeits-Check

Die Prozedur ist bis zu diesem Punkt vergleichbar mit dem Vorgehen bei der Schmalbandmethode. Im

Gegensatz zum schmalrandigen Messverfahren be-rücksichtigt die mediumbandige Messung mit hoher Wahrscheinlichkeit auch diejenigen Frequenzkom-ponenten des Signals, die aufgrund der unterschied-lichen Orte der tatsächlichen TE-Quelle gegenüber des für die CIGRE-Empfindlichkeitsprüfung ver-wendeten Signaleinspeisepunkt verschoben wurden. Die Medium-Bandbreite erlaubt nun die Festlegung der Messfrequenzen für den HV-Test [8], wogegen bei der Schmalbandmethode oft eine spätere Anpas-sung der Messfrequenz während dem HV-Test durchgeführt wird. Die Messbandbreite muss aber kleiner sein als die typischen Abstände der Störbe-hafteten Frequenzbänder Abb. 4. In Abb. 6 sind die gewählten empfindlichen Messbereiche f1 und die alternativ Bereiche f2 und f3 grün dargestellt.

Abb. 6: Festlegen der Mittenfrequenz f1 (und alternativ Mittenfrequenzen f2 und f3) für eine optimale Empfind-lichkeit (Bandbreite 50 – 150 MHz; Mediumband) [8]

Bei der Auswertung von mehreren hundert Spektren hat sich eine Bandbreite von 50 - 150 MHz als guter Kompromiss zwischen selektiver Messung und zu-verlässiger Nutzung von empfindlichen Resonanz-frequenzen herausgestellt.

Durch Verwendung von mehreren (alternativen), abgestimmten, mediumbandigen Frequenzbereichen kann der gesamte zu messende Frequenzbereich op-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. 7 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Anzeige der Messdaten eines Sensors. Das Signal des Mess-frequenzbandes f1 wird im phasenkorrelierten His-togramm-Modus angezeigt. Die Signalpegel aller

drei Messfrequenzbänder (f1…f3) werden gleichzei-tig im Balkendiagramm-Modus angezeigt.

Abb. 7: Beispiel für eine mögliche Anzeige von Messda-ten eines TE-Sensors bei der abgestimmten, mediumban-digen UHF-Messung (schematische Beispieldarstellung). Für eine schnelle Übersicht können mehrere TE-Sensoren zusammen angezeigt werden.

Der Hauptvorteil des vorgestellten Systemdesigns ist die Kombination einer hohen Empfindlichkeit und Selektivität mit der Fähigkeit, den Einfluss von Re-sonanzverschiebungen in einem weiteren Bereich zu tolerieren. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass wäh-rend der Hochspannungsprüfung weniger Zeit für die visuelle Auswahl von geeigneten Messfrequen-zen benötigt wird. Es kann aus einem oder mehreren (z.B. drei), vorausgewählten Messfrequenzbändern gewählt werden, was paralleles Messen und daher auch ökonomisches, gleichzeitiges Prüfen sehr TE-Sensoren ermöglicht.

Das Ergebnis ist ein optimiertes Systemdesign für die TE-Messung sowohl zur Vor-Ort-Prüfung als auch zur Überwachung, das auch in schwierigen Umgebungen mit starken Störquellen hoch-empfindliche Messungen ermöglicht.

5 Fazit

Unter den vorhandenen UHF-Messverfahren erlaubt die schmalbandige Messung mit visueller Auswahl der Messfrequenz in Verbindung mit einem direkt am TE-Sensor angebrachten Vorverstärker die emp-findlichsten Messungen. Durch die manuelle Aus-wahl des Frequenzfensters (Messfrequenz) sind je-doch sowohl der Aufwand als auch die Anforderun-gen an Erfahrung bei diesem Verfahren hoch.

Die vorgestellte, abstimmbare, mediumbandige 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.

6 Danksagung

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 – Partial discharge measurement", Version 2000, 3rd Edition

[3] M.D. Judd, S. Meijer und S. Tenbohlen, "Sen-sitivity check for RF PD detection for power transformers," IEEE Conference on Condition Monitoring and Diagnosis (CMD), Peking, China, 21. - 24. April 2008, Paper No. K1-03

[4] CIGRE Joint Working Group 33/23.12 Insula-tion co-ordination of GIS; return of experi-ence on site tests and diagnostic techniques; Electra No 176, Februar 1998

[5] CIGRE task force 15/33.03.05, "Partial dis-charge detection system for GIS: Sensitivity verification for the UHF method and the acoustic method", Electra No 183, S. 75 - 87, April 1999,

[6] A.J. Reid, M.D. Judd; "High Bandwidth measurement of Partial Discharge Pulses in SF6"; 14. ISH Peking, China, G-012; 25. - 29. August 2005

[7] S.M. Hoek, M. Koch und M. Heindl, "Propa-gation Mechanisms of PD Pulses for UHF and Traditional Electrical Measurements" IEEE Conference on Condition Monitoring and Di-agnosis (CMD), Tokyo, Japan, Paper No. C2-02, 06. - 11. September 2010

[8] S.M. Neuhold, "On site tests of GIS", High-Volt Kolloquium '11, Dresden, Deutsch-land, Mai 2011

[9] S.M. Hoek, S.M. Neuhold, “Tuned Medium-Band UHF PD Measurement Method for GIS” CIGRE-Main Session, Paris, Frankreich, Pa-per No: D1-304, August 2012

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