Mastertitelformat Mastertitelformat bearbeiten bearbeiten • Mastertextformat bearbeiten – Zweite Ebene in The Power Electrical Safety • Dritte Ebene – Vierte Ebene IsKoNeu - Isolationskoordination: Theoretische Betrachtungen zur Isolationswiderstandsmessung Dennis Haub, Bender GmbH & Co. KG, Juni 2015 Inhaltsverzeichnis Einordnung der Isolationswiderstandsmessung in den Kontext der Isolationsprüfung Grundlagen zu Isolation und Isolationswiderstand Begriffsdefinition und Klärung des Zusammenhangs Theoretisches Isolationsmodell zur Isolationswiderstandsmessung Verfahren zur Bewertung des Zustandes der Isolation auf Basis der Isolationswiderstandsmessung Isolationswiderstandsmessung im Projekt IsKoNeu Diskussion / Fragen IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 2 1. Einordnung in den Kontext der Isolationsprüfungen Möglichkeiten der Isolationsprüfung 1. HV-Prüfung 2. Stoßspannungsprüfung 3. Teilentladungsmessung 4. Isolationswiderstandsmessung 5. Messung der dielektrischen Verluste Auswahlkriterien / Vorteile der Isolationswiderstandsmessung 1. Qualitative Messwerte 2. Überschaubarer Aufwand 3. Keine Beschädigung / Zerstörung des Prüflings 4. Wiederholbarkeit 5. Überwachung im Betrieb möglich IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 3 2. Grundlagen zu Isolation und Isolationswiderstand Begriffsdefinition Isolation Definition nach IEV: „Einrichtung, die hergestellt wurde, um leitende Stoffe zu isolieren. Eine Isolierung begrenzt den Stromfluss zwischen verschiedenen stromführenden Leitern sowie zwischen stromführenden Leitern und Erde. Zur Erledigung dieser Aufgabe muss eine Isolierung folglich dem elektrischen Strom widerstehen und diesen in seiner Bahn entlang des Leiters halten. Die Isolierung wird in der Regel aus nichtmetallischem Material hergestellt.“ Interpretation: Theorie: Isolierung leitet keinen elektrischen Strom; Praxis: Es existiert KEIN ideales Isolationsmaterial, d.h. jede Art von Isolierung hat einen gewissen Widerstand. Dieser Widerstand ist zwar sehr hoch, aber nicht unendlich; Begriffsdefinition Isolationswiderstand Definition nach IEV: „Widerstand zwischen zwei leitenden Elementen, die unter bestimmten Bedingungen durch ein Isolationsmaterial voneinander getrennt sind.“ Interpretation: Isolationswiderstand = Eigenschaft der Isolation, den elektrischen Stromfluss zu hemmen. IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 4 2. Grundlagen zu Isolation und Isolationswiderstand Wichtige Punkte zum Isolationswiderstand Allgemeine Definition des elektrischen Widerstandes 𝑈 𝑅 = 𝐼 , mit: R = (elektrischer) Widerstand, U = (elektrische) Spannung, I = Stromstärke Definition des elektrischen Widerstandes eines Isolators (= Isolationswiderstand) 𝑅𝐼𝑆 = 𝑅𝐷 + 𝑅𝑂 , mit: 𝑅𝐼𝑆 = Isolationswiderstand, 𝑅𝐷 = Durchgangswiderstand, 𝑅𝑂 = Oberflächenwiderstand Nähere Informationen zu Durchgangs- & Oberflächenwiderstand siehe DIN IEC 60093 – VDE 0303-30 Festlegung Projekt IsKoNeu: Bestimmung von 𝑅𝐼𝑆 . Prinzip der Isolationswiderstandsmessung (allgemein) Erzeugen und Anlegen einer DCSpannung an den Prüfling IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen Messen des fließenden Stromes Interne Umrechnung und Ausgabe des Widerstandswertes 5 2. Grundlagen zu Isolation und Isolationswiderstand Itot Aufbau der Isolation IRiss Riss1 IRCpi IRiso ICiso Cpi Riso Guard Rpi Ciso + U Riss2 (Quelle: Metrel - Guide to modern insulation testing – Fig. 1, 26.06.2015) Bestandteile des Teststromes uA Itot 40 ICiso 30 IRiso U angelegte Testspannung Riss1, Riss2 Oberflächenwiderstand Riso Ohmscher Isolationswiderstand des Materials Ciso Kapazität des Materials Rpi Polarisations-Widerstand Cpi Polarisationskapazität Itot Gesamtstrom IRiss Oberflächenstrom IRiso Isolationsleckstrom des Materials IRCpi Polarisations-/dielektrischer Absorptionsstrom ICiso Ladungsstrom der Kapazität des Materials 20 IRiss 10 IRCpi 0 400 800 0 600 t [s] 200 (Quelle: Metrel - Guide to modern insulation testing – Fig. 3, 26.06.2015) IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 6 2. Grundlagen zu Isolation und Isolationswiderstand Oberflächenleckstom IRiss Fließt zwischen Verbindungspunkten der angelegten Spannung auf der Oberfläche der Isolierung (durch Riss1 und Riss2 ) Keine zeitabhängige Größe führt zur dauerhaften Verfälschung der Isolationswiderstandmessung Isolationsleckstrom des Materials IRiso Fließt durch Isolationsmaterial stellt relevante Messgröße dar Keine zeitabhängige Größe Polarisations-/dielektrischer Absorptionsstrom IRCpi Fließt durch zusätzliche R-C-Kombination (Rpi-Cpi) Zeitabhängige Größe keine dauerhafte Verfälschung der Isolationswiderstandmessung Kapazitiver Ladungsstrom ICiso Lädt die Kapazität des Isolationsmaterials (Ciso) Zeitabhängige Größe keine dauerhafte Verfälschung der Isolationswiderstandmessung IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen Itot IRiss IRiso Riss1 Riso Guard IRCpi ICiso Cpi Rpi Ciso + U Riss2 uA Itot 40 ICiso 30 IRiso 20 IRiss 10 IRCpi 0 0 200 400 600 800 t [s] 7 3. Spezielle Messverfahren Übersicht der Messverfahren 1. Punktuelle oder Kurzzeit-Messung Klassische 1-Punkt-Messung Tendenzpunktmessung 2. Messung der Beziehung zwischen Zeit und Isolationswiderstand Zeitabhängiger-Widerstandstest Messung des Polarisationsindex (PI) Messung des Dielektrischen Absorptionsverhältnis (DAR) 3. Prüfen der Restladung nach der dielektrischen Entladung – Dielektrische Entladungsprüfung (DD) 4. Messen der Beziehung zwischen Spannung und Isolationswiderstand – Stufenspannungsprüfung IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 8 3. Spezielle Messverfahren Klassische 1-Punkt-Messung / Tendenzpunktmessung Messprinzip und Bewertung der Ergebnisse Anlegen DC-Prüfspannung für 60 s – Strommessung Erwartungswerte: Un ≤ 1.000 V Riso ≥ 1 MΩ Un > 1.000 V Riso + 1 MΩ pro 1.000 V Möglichkeiten und Einschränkungen Kontrolle Mindestisolationswerte (Quelle:http://www.energie-und-technik.de/energieeffiziente-elektronik/artikel/91520/1/, 26.06.2015) Keine qualitative Bewertung Betrachtung von Absolutwerten Starke Abhängigkeit von Veränderungen der Temperatur und Luftfeuchtigkeit Limitiert auf „niederkapazitive“ Prüflinge Ungeeignet für mehrschichtige Isolationen Trend der Isolationsentwicklung erkennbar IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen (Quelle:http://www.energie-und-technik.de/energieeffizienteelektronik/artikel/91520/1/, 26.06.2015) 9 3. Spezielle Messverfahren Zeitabhängiger-Widerstandstest Messprinzip und Bewertung der Ergebnisse Durchführung aufeinander folgender Messungen Typ. Ablauf: Anlegen Prüfspannung für 10 Minuten – Datenaufnahme in der ersten Minute alle 10 Sekunden und danach alle 60 Sekunden Auswertung der Steigung Möglichkeiten und Einschränkungen (Quelle: Metrel - Guide to modern insulation testing – Fig. 6, 26.06.2015) Unabhängigkeit von Temperatur- & Luftfeuchtigkeitsänderungen durch kurze Messzeit Qualitative Aussage ohne vorherige Tests möglich Ungeeignet für mehrschichtige Isolationen Bewertung des ohmschen Anteils der Isolation! IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 10 3. Spezielle Messverfahren Messung des Polarisierungsindex (PI) Messprinzip und Bewertung der Ergebnisse Durchführung Messungen nach 1 und 10 Minuten 𝑅 Bildung des Verhältnisses der Messwerte: 𝑃𝐼 = 𝑅𝑖𝑠𝑜_10𝑚𝑖𝑛 𝑖𝑠𝑜_1𝑚𝑖𝑛 Analyse des Vorhandenseins eines Polarisations-/dielektrischen PI-Wert <1 <2 Isolationszustand ungenügend oder sogar gefährlich <4 >4 in Ordnung hervorragend Absorptionsstromes durch Vergleich der „Beweglichkeit der Moleküle“ Bewertung des Ergebnisses Möglichkeiten und Einschränkungen Unabhängigkeit von Temperatur- & Bewertung auf Basis von relativen Messwerten Luftfeuchtigkeitsänderungen durch kurze Messzeit Besonders geeignet für Enthüllung von Qualitative Aussage ohne vorherige Tests möglich Feuchtigkeitseintritt Bewertung des Polarisationsanteils der Isolation! IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen Ungeeignet für mehrschichtige Isolationen Ungeeignet für flüssige Isolationswerkstoffe 11 3. Spezielle Messverfahren Messung des dielektrisches Absorptionsverhältnis (DAR) Messprinzip und Bewertung der Ergebnisse Durchführung Messungen nach 30 und 60 Sekunden 𝑅 Bildung des Verhältnisses der Messwerte: 𝐷𝐴𝑅 = 𝑅𝑖𝑠𝑜_60𝑠 𝑖𝑠𝑜_30𝑠 Analyse des Verlaufes des Polarisations-/dielektrischen DAR-Wert Isolationszustand < 1,25 ungenügend oder sogar gefährlich < 1,6 > 1,6 in Ordnung hervorragend Absorptionsstromes durch Vergleich der Stromhöhe Bewertung des Ergebnisses Möglichkeiten und Einschränkungen Bewertung auf Basis von relativen Messwerten Unabhängigkeit von Temperatur- & Qualitative Aussage nach 60 Sekunden möglich Luftfeuchtigkeitsänderungen durch kurze Messzeit Besonders geeignet für Enthüllung von Qualitative Aussage ohne vorherige Tests möglich Stoffeinschlüssen Bewertung des Polarisationsanteils der Isolation! IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen Ungeeignet für mehrschichtige Isolationen Ungeeignet für hochkapazitive Prüflinge 12 3. Spezielle Messverfahren Messung der dielektrischen Entladung (DD) Messprinzip und Bewertung der Ergebnisse Aufladen des Prüflings bis Stabilisierung des Isolationswiderstands Entladen des Prüflings über internen Widerstand und Messung des Stromes nach 60 Sekunden 𝐼𝐸𝑛𝑡𝑙𝑎𝑑𝑢𝑛𝑔_60𝑠 [𝑛𝐴] Bildung des DD-Wertes: 𝐷𝐷 = 𝑈 𝑉 ∙𝐶[𝜇𝐹] DD-Wert >7 4…7 2…4 <2 Isolationszustand schlecht bedenklich zu überwachen OK 𝑡𝑒𝑠𝑡 Bewertung des Ergebnisses Möglichkeiten und Einschränkungen Qualitative Aussage ohne vorherige Tests möglich Starke Abhängigkeit von Temperatur und rel. Bewertung auf Basis von relativen Messwerten Luftfeuchtigkeit Qualitative Aussage nach 60 Sekunden möglich Kenntnis über Kapazität des Prüflings notwendig Qualitative Aussage ohne vorherige Tests möglich Ungeeignet für hochkapazitive Prüflinge Besonders geeignet für Enthüllung von Defekten einzelner Isolationsschichten IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 13 3. Spezielle Messverfahren Stufenspannungsprüfung Messprinzip und Bewertung der Ergebnisse Anlegen verschiedener Prüfspannungen in 5 Schritten mit 1minütigen Zunahmen Aufnahme des End-Isolationswiderstandes jedes Zustandes Bewertung des Ergebnisses: Abweichung ab ca. 25% in den Widerstandsmessungen ist kritisch zu bewerten. Möglichkeiten und Einschränkungen (Quelle: Megger – Einführung in die diagnostische Isolationsprüfung über 1kV – S.13, 26.06.2015) Qualitative Aussage ohne vorherige Tests möglich Ungeeignet für Enthüllung von Defekten einzelner Unabhängig von Art der Isolierstoffe und Isolationsschichten Temperatur Testdauer Besonders geeignet zur Aufdeckung von Mehrere Prüfspannungen benötigt mechanischer Beschädigung und Alterung IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 14 3. Spezielle Messverfahren Gut-SchlechtAnalyse reicht nicht aus! Jedes Verfahren besitzt seine Vor- und Nachteile! Zusammenfassung Komplexität und Kosten steigen mit jedem Verfahren! Je mehr Informationen desto qualitativ hochwertiger ist die Isolationsbewertung! IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 15 4. Isolationswiderstandsmessung im Projekt IsKoNeu Bewertung Prüfling Bestückung und Abmessungen geringe Leiterbahnlänge: niederkapazitiver Prüfling Material Leiterplatte (Epoxidharz) polares Dielektrika: Absorptionsstrom zu beachten Zu erwartende Stabilisierung nach ca. 1 Minute. (DIN IEC 60093) Oberflächen- & Durchgangswiderstandswerte bei 25°C und 90% rel. Luftfeuchtigkeit ermittelt Feststoff – Absorptionsenergie zur Rekonfiguration der Struktur gegen ein angelegtes elektrisches Feld erforderlich Gehäuse IP 30: Ungeschützt gegen Feuchtigkeit und das Eindringen von Verschmutzung IP 67: Geschützt gegen Feuchtigkeit und das Eindringen von Staub IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 16 4. Isolationswiderstandsmessung im Projekt IsKoNeu Fazit / Empfehlung für Selektion von Prüfverfahren und Prüfmittel Prüfverfahren 1-PunktMessung Tendenz-PunktAnalyse Zeit-Widerstands-Test ( ) PI ( ) DAR DD StufenspannungsPrüfung Prüfspannung Spannungsform: DC Spannungshöhe: 1000 V Prüfablauf und Prüfumgebung Messung bei: 25 °C und 93% rel. Luftfeuchtigkeit (Klimaschrank) Keine kapazitiven und induktiven Kopplungen sowie keine Masseschleifen IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen 17 Bender GmbH & Co. KG Londorfer Str. 65 35305 Grünberg www.bender.de Pictures: Bender Archiv, www.pixelio.de, www.fotolia.de, www.istockphoto.com Subject to modification - © Bender GmbH & Co. KG, Germany The presentation, its content, pictures and drawings are protected by copyright law. Duplication, translation, microfilming and transfer into any electronic systems, especially for commercial purposes is not allowed and subject to approval by the issuer. 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