Teilentladung
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Teilentladung (auch Vorentladung) ist ein Begriff aus der Hochspannungstechnik, wo es in erster Linie um Form und Eigenschaften von Isolierstoffen geht: treten in Hochspannungsisolierungen oder entlang von Luftstrecken stark inhomogene Feldverläufe auf, kann es örtlich zu einer Überschreitung der materialtypischen Durchschlagfeldstärke kommen. In diesem Zustand eines unvollkommenen elektrischen Durchschlages wird die Isolierung zwischen den Elektroden durch Entladungen nur teilweise überbrückt. Solche Teilentladungen (abgekürzt auch als „TE“ bezeichnet) treten vor allem bei Beanspruchung der Isolierung mit Wechselspannung auf.
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[Bearbeiten] Typen
Man kategorisiert folgende Erscheinungen von Teilentladungen.
[Bearbeiten] Äußere Teilentladungen (Korona)
Äußere Teilentladungen sind Entladungen an den Oberflächen von freien Metallelektroden in den umgebenden Luftraum hinein. Sie entstehen vorzugsweise an scharfkantigen Teilen, bei denen sich die Feldstärke stark erhöht.
Allgemein bekannt ist dieses Phänomen mit den hör- und sichtbaren Koronaentladungen an Hochspannungsfreileitungen.
Auch St.-Elms-Feuer fallen hierunter. Äußere Vorentladungen können durch runde Gestaltung aller Kanten, sowie durch feldsteuernde Ringe (z. B. an Hochspannungskaskaden) vermieden werden.
[Bearbeiten] Innere Teilentladungen
Als innere Teilentladungen werden allgemein alle äußerlich nicht sichtbaren Entladungserscheinungen innerhalb von Isoliermedien bezeichnet. Bei den Isoliermedien kann es sich um feste, flüssige oder gasförmige Materialien handeln.
Entladungen treten dort auf, wo Inhomogenitäten des Mediums unter starkem Feldeinfluss liegen, beispielsweise im Fall von Gasbläschen, die sich in einer Isolierflüssigkeit, wie zum Beispiel Öl, oder in Gießharz befinden. Diese Gasbläschen, bestehend aus Luft, Kohlendioxid (z. B. im Fall von Feuchteeinfluss bei der Aushärtung von Polyurethanharz) oder Ölzersetzungsgasen, besitzen eine kleinere Dielektrizitätszahl als das umgebende Öl, wodurch eine Erhöhung der Feldstärke eintritt. Die Isoliereigenschaften an der Stelle der Gasblase sind durch die örtlich geringere Durchschlagsfestigkeit gestört, was sich durch Teilentladungen bemerkbar macht. Auch nicht korrekte Anbindungen von Einbauteilen in durch Gießharz oder Tränkung hergestellten Bauteilen (Schaltnetzteil-Transformatoren, Hochspannungskaskaden) führen zu Teilentladungen. Weitere Beispiele sind nicht vergossene Transformatorwicklungen aus Kupferlackdraht in Schaltnetzteil-Übertragern und locker gewickelte Folienkondensatoren bei Wechselspannungsanwendung.
Innere Teilentladungen führen aufgrund der Ultraviolettstrahlung und Ionisation langfristig auch bei Kunstharzen zur Schädigung des umgebenden Isolierstoffes und müssen daher vermieden werden.
Transformatoren (insbesondere Hochspannungs- und Schaltnetzteil-Transformatoren) werden daher häufig vakuum-getränkt oder unter Vakuum vergossen.
[Bearbeiten] Gleitentladungen
Bei Gleitentladungen tritt das Phänomen der Teilentladung an der längs zum Feld liegenden Grenzschicht eines Isolierstoffes auf. Auch dann ist der homogene Verlauf des elektrischen Feldes gestört, und es kann zu an der Grenzschicht entlang „gleitenden“ Entladungen führen. Schmutz und Feuchtigkeit fördern diese Erscheinung, jedoch weisen viele Isolierstoffe auch im sauberen Zustand entlang ihrer Oberflächen eine geringere Durchschlagsfestigkeit auf als die gleichlange Luftstrecke. Auch hier führen diese Gleit- oder Vorentladungen insbesondere bei organischen Isolierstoffen zur Schädigung, zum Auftreten von Kriechströmen und in der Folge zum Durchschlag. Gleitentladungen können durch Verlängerung der Grenzschicht und durch Schutz vor Feuchtigkeit (Rippen von Isolatoren, Imprägnierung) vermieden werden.
Eine weitere Maßnahme ist das Anbringen von Metall-Unterteilungen definierter Potentiale (Feldsteuerung).
[Bearbeiten] Bedeutung und Messtechnik
Teilentladungen sind im allgemeinen unerwünscht, sie führen an Freileitungen zu Energieverlusten und an oder in Bauteilen zu ionisationsbedingten schädlichen Wirkungen.
An Bauelementen der Elektrotechnik wie unter anderem Transformatoren, Kondensatoren, Hochspannungs-Durchführungen, Isolatoren, Messwandlern und Optokopplern erfolgen daher Teilentladungsmessungen.
Hierbei steht der Sicherheitsaspekt im Vordergrund, da eine Feststoffisolation, bei der es im Betrieb zu Teilentladungen kommt, nicht dauerhaft zuverlässig ist. Um diese Langzeitbeständigkeit zu gewährleisten, wird bei der TE-Messung nachgewiesen, dass selbst bei vorhandener Teilentladung diese noch oberhalb der höchsten vorkommenden Betriebsspannung sicher wieder einen Grenzwert unterschreitet. Somit wird die Teilentladungsaussetzspannung (UTA) ermittelt, die oberhalb eines Grenzwertes liegen muss, welcher im Rahmen der Isolationskoordination mit dem Kunden anwendungsbezogen festgelegt wurde. Hierzu existieren diverse Normen im Bereich von unter anderem Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) und International Electrotechnical Commission (IEC 60270). Die Messung der Teilentladungen erfolgt mit typischen Messempfängern im Bereich von ca. 100 kHz bis einige MHz. Die untere Messschwelle ist durch Störungen auch in abgeschirmten Messplätzen selten unter 1 pC (pico Coulomb). In Messplätzen stellen Oszilloskope die Prüfspannung (meist 50 Hz, bei Schaltnetzteil-Übertragern jedoch im Bereich deren Arbeitsfrequenz) gemeinsam mit den hochfrequenten Teilentladungsimpulsen dar und lassen entsprechend deren Lage zueinander weiterführende Interpretationen zu, ob es sich zum Beispiel um äußere oder innere TE handelt. Eine typische TE-Messung nach Vorschrift beinhaltet das Aufregeln der Betriebsspannung auf den Wert der 1,8-fachen Bemessungsspannung, der für eine gewisse Zeit gehalten wird. Bei dieser Spannung erfolgt noch keine Messung, sie dient lediglich als "Anregung". Die eigentliche Messung erfolgt dann bei der 1,3-fachen Bemessungsspannung.
Ein Beispiel für sicherheitsrelevante Bauteile sind Zünd-Transformatoren (Ansteuerung der Leistungshalbleiter) in Eisenbahn-Elektroantrieben, die alle in der Endprüfung eine 100 % Teilentladungsmessung durchlaufen.
Großtransformatoren und andere Hochspannungsbauteile, zum Beispiel in Umspannwerken, werden regelmäßig mit mobilen TE-Messsystemen überprüft, um vorbeugende Wartungs- und Austauschmaßnahmen planen zu können.
[Bearbeiten] Anwendung
Zu nützlichen Anwendungen von Teilentladungen siehe unter Ionisator und Koronabehandlung.
Bei bestimmten Bauformen von Stickstofflasern werden Teilentladungen genutzt, um die Entladungsstrecke vorzuionisieren, sodass die Hauptentladung homogener ist.
Bei Zündeinrichtungen für Hochdruck-Gasentladungslampen und für Blitzlampen unterstützen Teilentladungen die Zündung, indem sie das Füllgas im Bereich der meist spitzen Elektroden ionisieren.
